
Choć każdy z nich ma swoje zastosowanie w konstrukcji urządzeń HVAC, bezszczotkowe silniki elektryczne i napędy o zmiennej częstotliwości różnią się istotnie pod względem stopnia skomplikowania, elastyczności, kosztów i innych czynników.
Silniki elektryczne bezszczotkowe są ostatnio bardzo popularne. Czasami są określane jako bezszczotkowe silniki prądu stałego lub silniki typu EC. Napędy o zmiennej częstotliwości są zamiennie nazywane napędami o zmiennej prędkości lub napędami o regulowanej prędkości, co oznacza to samo. Silniki indukcyjne prądu zmiennego są wszędzie wokół nas i odpowiadają za zużycie 45% energii elektrycznej na świecie. Ale gdzie można znaleźć silniki typu EC? Każdy, kto to czyta, prawdopodobnie ma silnik EC w swoim domu. Były one używane w komputerowych napędach dysków twardych od bardzo dawna. W zastosowaniach grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Wielu nowoczesnych producentów sprzętu mieszkaniowego stosuje silniki EC w napędach o niskiej mocy. W przemysłowych panelach sterowania praktycznie wszystkie wentylatory chłodzące są napędzane przez silniki EC. Pytania zwykle zadawane w związku z tymi silnikami dotyczą takich zagadnień, jak to, czy silniki EC są bardziej wydajne, droższe, łatwiejsze w instalacji, łatwiejsze do wymiany, czy powodują zakłócenia harmoniczne, czy sterowanie zintegrowane jest z silnikiem, jakim prądem są zasilane, czy jest to nowa technologia i czy będzie to technologia przyszłości? Problem polega na tym, że odpowiedzi na te pytania zależą od wielu czynników, takich jak rozmiar, zastosowanie, komponenty systemu, wyszkolenie personelu i wiele innych. Zarówno VFD, jak i EC mają swoje przeznaczenie. Zaczynając od podstaw, silnik wymaga magnesów w stojanie i magnesów w wirniku. Przeciwstawne i przyciągające się siły pomiędzy biegunami stojana i wirnika powodują obracanie się wirnika. Sztuczka polega na zmianie biegunowości magnesów w odpowiednim momencie, aby zapewnić ciągły obrót wirnika.

Szczotkowe silniki prądu stałego
Rysunek 1 przedstawia szczotkowy silnik prądu stałego. Kiedy wirnik znajdzie się w odpowiedniej pozycji, szczotki, które podłączają napięcie do uzwojeń wytwarzających pole magnetyczne, łączą się z następną sekcją komutatora, aby odwrócić biegunowość magnesów. Dzięki temu silnik nadal się obraca.
Silniki te są proste w produkcji, stosunkowo niedrogie i nadal są w użyciu. Jednak szczotki mają pewne problemy. Zużywają się i wymagają regularnej wymiany, więc nauka znalazła lepszy sposób na komutację. Co ciekawe, główny wpływ na ten lepszy sposób pojawił się podczas II wojny światowej, kiedy to szczotkowe silniki prądu stałego w samolotach latających na sporych wysokościach zawiodły, gdyż szczotki ulegały gwałtownemu zużyciu podczas pracy na wysokości powyżej 9000 m n.p.m. Pierwszy patent na coś, co wtedy nazywano ?komutatorowym silnikiem prądu stałego?, został zgłoszony przez Harrisona Brailsforda w 1955 roku. Potem rozwój silników przyspieszył, gdy tylko odkryto, że szczotki wytrzymują tylko kilka minut pracy w próżni kosmicznej. Tak więc teraz, 60 ? 70 lat później, mamy silniki EC, które wykorzystują urządzenia elektroniczne, takie jak tranzystory przełączające moc, aby zastąpić mechaniczny zespół komutatora w silniku prądu stałego.
Silniki typu EC wykorzystują elektronikę, taką jak czujniki Halla, do wykrywania pozycji wirnika w celu komutacji magnesów. W świecie HVAC Silniki EC są ogólnie postrzegane jako silnik i układ sterowania zintegrowane w jednym urządzeniu. Inteligentne rozwiązania wbudowane w układy sterujące sprawiają, że silniki EC stają się urządzeniami o określonym przeznaczeniu. Ponadto warto dodać, że silniki EC są najczęściej silnikami z magnesami stałymi. Zastosowanie magnesów stałych przyczynia się do powstania dwóch ważnych cech tych silników, które zostaną omówione bardziej szczegółowo później: wyższej sprawności i wyższych kosztów. Należy zauważyć, że napędy VFD mogą również napędzać silniki z magnesami trwałymi. Najczęściej występują trzy rodzaje silników EC: o stałym wydatku, stałych obrotach i stałym momencie obrotowym. W przypadku zastosowań HVAC to sterowniki wbudowane w ECM określają jego typ. Silnik jest taki sam. Nie są to jedyne typy silników EC na świecie; są to tylko najczęściej spotykane typy w branży urządzeń HVAC. Ponieważ elementy sterujące są zintegrowane z silnikiem i zazwyczaj programowane przez producenta sprzętu w fabryce, różne typy i rozmiary nie są zamienne. Jeśli nie jest to dokładny duplikat, to aby zapewnić prawidłowe działanie, wymiana wymaga co najmniej tego samego typu i ewentualnie części tego samego producenta.

Różnice między silnikami: AC kontra DC
Przyjrzyjmy się temu, jak te silniki funkcjonują. Po pierwsze, przyjrzyjmy się typowemu napędowi VFD zasilającemu silnik indukcyjny prądu przemiennego. Trójfazowe silniki indukcyjne prądu przemiennego, które są używane od ponad 100 lat, są urządzeniami o stałej prędkości obrotowej, gdy są zasilane bezpośrednio z linii prądu przemiennego. Prędkość silnika jest określana przez liczbę jego biegunów i częstotliwość jego zasilania, która w USA wynosi 60 herców. Wszystkie konwencjonalne VFD mają tę samą podstawową konstrukcję, która wykorzystuje wejściową sekcję prostownika do konwersji prądu przemiennego na prąd stały. Moc prądu stałego jest następnie przechowywana w kondensatorach. Na rysunku 2 pokazano, że sekcja wyjściowa zasilana jest prądem stałym i wysyła impulsy do silnika metodą zwaną modulacją szerokości impulsu. Zmieniając czas i długość trwania impulsów, napęd VFD może sterować prędkością silnika poprzez zmianę częstotliwości impulsów. Należy zwrócić uwagę na podobieństwa do VFD w silniku EC, pokazane na rysunku 3. Większość silników EC zastosowaniach HVAC to trójfazowe silniki z magnesami trwałymi. Znacząca różnica polega na tym, że silnik EC posiada silnik i regulację prędkości wbudowane w pojedynczą jednostkę. Szerokość impulsów zmienia tutaj średnie napięcie, które otrzymuje silnik, podobnie jak w przypadku VFD. Pamiętajmy jednak, że impulsy w EC występują w skali dziesiątych herca, podczas gdy VFD wysyłają impulsy z częstotliwością przełączania w dziesiątkach tysięcy herców. Teraz spójrzmy na niektóre z tych zależności zauważonych wcześniej (tabela 1). Silniki EC mają zdecydowaną przewagę nad silnikami jednofazowymi o ułamkowej i małej mocy bez regulacji prędkości; jednakże stają się one kosztowne przy większych mocach. Dostępne są silniki VFD i indukcyjne, które można dostosować do każdego zastosowania HVAC. Silniki EC są zwykle programowane fabrycznie do jednego celu, natomiast silniki VFD można zaprogramować w dowolnym momencie, aby wykonywały dowolną wymaganą pracę. Ponadto, ze względu na szeroki zakres możliwości wbudowanych w silniki VFD, są one wystarczająco elastyczne, aby można je było zaprogramować nie tylko w celu spełnienia wymaganej aplikacji, ale także w celu uwzględnienia zmian i dostosowania do rozwiązywania problemów i nieoczekiwanych niespodzianek. Falowniki VFD można powiązać z systemem automatyki budynku za pomocą wbudowanych sieci komunikacyjnych, takich jak BACnet, podczas gdy większość silników EC nie ma takiej możliwości. Ponieważ układy sterowania są wbudowane, silniki EC są ograniczone przez elektronikę. Ponieważ napędy VFD są oddzielne, można je umieścić w bardziej dostępnych miejscach niż miejsca, w których znajdują się napędzane przez nie silniki. Jeśli chodzi o standaryzację, napędy EC, które są zintegrowane z aplikacją, np. wentylatory, są zazwyczaj budowane jako unikatowa konstrukcja dla tego konkretnego celu. Silniki indukcyjne prądu przemiennego są budowane zgodnie z normami takimi jak NEMA (National Electrical Manufacturers Association) i International Electrotechnical Commission (Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna), a napędy VFD są skonstruowane tak, aby spełniały te normy. Jeśli posiadasz kombinację silnik-VFD i potrzebujesz wymiany, masz do wyboru szeroką gamę dostawców do każdego z tych urządzeń. Możesz jednak napotkać problem, jeśli wentylator z silnikiem EC ulegnie awarii, a ten model nie jest już dostępny w sprzedaży. Przyjrzyjmy się teraz dokładniej kilku innym zależnościom różnych typów silników jednofazowych (tabela 2). Po pierwsze, rozważając silnik EC do zastosowań HVAC w budynkach mieszkalnych, ważne jest, aby zdecydować o swoich priorytetach. Jeśli czynnikiem decydującym jest przede wszystkim koszt, wówczas tradycyjny silnik indukcyjny prądu przemiennego jest oczywistym wyborem. Jeśli jednak myślimy długoterminowo, sprawności tych trzech konstrukcji różnią się diametralnie. Aby obliczyć zwrot nakładów, należy znać cykl pracy dla danego zastosowania, co może oznaczać zwrot z inwestycji już w rok czy dwa w przypadku pracy ciągłej lub zwrot może też nigdy nie nastąpić, jeśli silnik pracuje z przerwami. Regulacja prędkości tradycyjnych silników AC jest zależna od konstrukcji jego uzwojenia. Z drugiej strony, prędkości silników EC są zmienne w oparciu o program wbudowany w ich sterownik. Programowalność silników EC może z pewnością przyczynić się do komfortu użytkownika, jeśli jest właściwie stosowana, co również stanowi wartość tych napędów.

Efektywność silnika
Silniki EC są reklamowane jako bardziej energooszczędne niż napędy VFD i w niektórych przypadkach tak jest. Ich wzrost sprawności wynika przede wszystkim z zastosowania magnesów stałych w silniku, co pozwala im uniknąć strat związanych z elektromagnetyzmem stojana w tradycyjnym silniku prądu przemiennego, a także z tego, że zostały zaprojektowane specjalnie do jednego celu. Z kolei napędy VFD mogą sterować nie tylko silnikami indukcyjnymi prądu przemiennego, ale także silnikami z magnesami trwałymi i synchronicznymi silnikami reluktancyjnymi, jeśli wydajność jest ważniejsza niż pierwszy koszt. Zarówno silniki EC, jak i napędy VFD uzyskują sprawność w porównaniu z silnikami o stałej prędkości obrotowej dzięki właściwościom prawa pokrewieństwa, które mówi, że moc pobierana w przypadku obciążeń odśrodkowych zmienia się wraz z sześcianem prędkości. Oznacza to, że jeśli prędkość zostanie zmniejszona o połowę, moc zmniejszy się tylko o jedną ósmą (0,5×0,5×0,5). Poniżej znajduje się ogólny przegląd typowych możliwości napędów VFD i EC. VFD to niezależne urządzenia do regulacji prędkości obrotowej silnika, które obejmują pełen zakres mocy w większości obiektów. Ich możliwości wykraczają daleko poza prostą regulację prędkości.

Ocena sterowników VFD i ECM
Rysunek 5 przedstawia sposób podejmowania decyzji dotyczącej wyboru napędów VFD i EC. Pamiętaj, że na to, gdzie czerwone trójkąty mieszczą się na skali, mają wpływ wszystkie wspomniane zależności. Nie ma jednego rozmiaru do wszystkich potrzeb. Te wymienione tutaj są jednak kryteriami, które powinny być brane pod uwagę w przypadku każdej oceny. Najnowsze trendy w napędach VFD to nowe modele z wyższymi limitami temperatury pracy po to, aby otworzyć się na bardziej wymagające środowiska aplikacji. Ponadto programowanie zostało rozszerzone poza klawiaturę VFD i oprogramowanie do programowania na komputerze PC i obejmuje urządzenia mobilne, takie jak smartfony i tablety, które obecnie posiada każdy technik serwisowy. Te inteligentne urządzenia są nawet w stanie zapewnić zasilanie programujące dla VFD bez potrzeby korzystania z głównego zasilania trójfazowego. Ponadto programy VFD mogą być przechowywane i pobierane za pośrednictwem bezpłatnej usługi w chmurze z dowolnego miejsca z połączeniem internetowym. Podstawowym czynnikiem ograniczającym praktyczność silników EC o mocy 10?15 koni mechanicznych jest koszt magnesów stałych. W wielu branżach, w tym w branży pojazdów elektrycznych i turbin wiatrowych, prowadzone są badania mające na celu znalezienie lepszych magnesów przy niższych kosztach i mniejszym uzależnieniu od światowych zasobów kopalni metali ziem rzadkich. Jak dotąd magnesy o właściwościach lepszych niż ferryty, takie jak neodym czy smarowo-kobaltowe, są 10, 15 lub 100 razy droższe. Dzięki lepszym, tańszym magnesom silniki EC mogłyby mieć większy zakres mocy. Ponadto standaryzowane konstrukcje mogą zmniejszyć potrzebę stosowania dokładnych zamienników. Jednym z bardzo interesujących zastosowań EC i VFD jest zasilanie systemów prądu stałego, co zostało wdrożone w niektórych centrach danych. Szacuje się, że centra danych zużywają obecnie tyle samo energii co cała Wielka Brytania. Niektóre z nich unikają harmonicznych z EC i VFD, przekształcając przychodzące zasilanie prądem przemiennym w punkcie wejściowym na prąd stały z odpowiednią redukcją harmonicznych i zasilając cały system napięciem stałym 380 V, aby wyeliminować potrzebę stosowania sekcji prostownika wejściowego we wszystkich urządzeniach regulacji prędkości.
Larry Gardner jest kierownikiem ds. produktów HVAC w firmie Yaskawa America Inc.