Jste zde

BLDC / EC technologie nebo AC s měničem?

Antonín Vojáček, 16. Září 2018 - 19:05

Stále větší důležitost se věnuje nižším provozním nákladů, kde jednou z hlavních položek je i spotřeba elo. energie. V tomto směru může být zajímavé v některých aplikacích místo tradičních asynchronních motorů s frekvenčními měniči uvažovat o použití EC / BLDC (elektronicky komutovaných) motorů.

Výhody EC/BLDC motorů vs. asynchronní motory s frekvenčním měničem

Ve snaze zredukovat emise oxidu uhlíku mnoho vlád po celém světě doporučuje požívání frekvenčního měniče (VFD) a asynchronního motoru (indukčního motoru). Toto rozhodnutí vychází z předpokladu, že k významnému šetření energií například u ventilátorů a pump dochází právě při redukci výkonu dle „příkonového zákonu“. Chyba tohoto doporučení je neznalost alternativních technologií, jako jsou například EC / BLDC motory (elektronicky komutované) a také opomíjení skrytých nákladů při použití frekvenčních měničů.

Porovnání funkce asynchronního AC motoru (vlevo) a BLDC stejnosměrného motoru (vpravo).

Ukázka principu elektronické komutace BLDC/EC typu motorů.

Teorie „příkonového zákonu“ říká, že příkon je přímo úměrný třetí mocnině otáček. Zredukováním rychlosti na 50 % jmenovitého výkonu klesne příkon na 12,5 % jmenovitého příkonu, tj. úspora energie 87,5 %. To znamená, že může být dosaženo signifikantních úspor při možnosti redukce výkonu. Tento zákon ale může být použit jako teorie, ale v praxi je to o něco horší. Lze předpokládat, že těchto výsledků je dosaženo pouze v teoretické rovině, kdy se nezaobíráme ztrátami na motoru a pohonu jako takovém. I přes tyto skutečnosti je ovšem úspora při redukci výkonu markantní, skoro taková jak nám zákon říká.

Nesmíme ovšem zapomínat na skryté náklady u frekvenčních měničů (VFD), například jejich zvyšující podíl na ztrátách motoru. Norma IEC60034-31 se zabývá energeticky úspornými motory včetně aplikací s proměnlivou rychlostí otáček. Dle této normy je nárůst motorových ztrát při použití frekvenčního měniče od 2 do 5 %, což v konečném součtu systému může vést ke ztrátám 15 až 20 %. Frekvenční měnič sám o sobě má svoje ztráty, kdy jeho účinnost klesá se snižováním rychlosti. Ztráty zde také závisí na řídící frekvenci konkrétní rychlosti. Ztráty jsou nižší při nižších frekvencích, na druhou stranu má tato změna vliv na hlučnost motoru jako takového. Na druhou stranu, když je měnič nastaven na vyšší frekvence tak zvyšuje ztráty motoru. Pro představu 1,1 kW měnič má obvyklou účinnost kolem 95 % při nízkých frekvencích a 92 % při vyšších frekvencích. K dalším ztrátám zde dochází z důvodu absence power factor correction (PFC) regulátoru. To má za následek změnu cos φ, což zvyšuje jalový výkon.

Porovnání asynchronních AC motorů s kotvou na krátko bez/s frekvenčním měničem (VFD) a EC / BLDC motorů.

Když jsou tyto ztráty sečteny dohromady a porovnány s alternativní technologií, skutečné náklady vyjdou najevo. Jelikož EC / BLDC motor obsahuje technologii na změnu rychlosti a také integrovaný PFC, jeho ztráty již nejsou v ničem skryty. Pro příklad porovnáme 1,1 kW 4-pólový indukční motor s třídou účinnosti IE2 kdy je jeho účinnost 81,4 %. Když k motoru přidáme frekvenční měnič a filtry PFC, vzrostou ztráty a účinnost motoru klesne na 73,3 %, což jsou skryté náklady v podobě 150 W. V porovnání s EC motorem, kdy jeho účinnost je 87 % se jedná o úsporu 236 W. Použití EC / BLDC motoru je tak efektivnější a z pohledu dlouhodobého provozu také energeticky výhodnější.

Typické provozní charakteristiky EC/BLDC motoru ukazující velkou účinnost.

EC / BLDC motory dosahují obecně vyšších účinností než klasické AC motory. Pokud do hry vstoupí další faktor, kterým je ErP (směrnice určující minimální požadovanou účinnost ventilátorů a pump) pro ventilátory a pumpy je nasnadě se zamyslet nad použitím klasické kombinace AC motor + frekvenční měnič (VFD), kdy tato kombinace již nemusí pro požadovanou minimální účinnost stačit.

EC motory Ebm-papst

Společnost Ebm-papst nabízí různé typy a varianty EC motorů, které jsou vhodné pro aplikace s konstantním momentem při změně otáček. Rozsah motorů je od výkonu 380 W při 3000 otáčkách a jmenovitém momentu 1,2 Nm až do výkonu 1 900 W při 1000 otáčkách a 18 Nm. Motory mají standardní přichycení dle velikostí 63 až 90 a přírubou B14/B5. Krytí odpovídá IP 55 s izolační třídou „B“ nebo „F“ což zaručuje jejich dlouhodobý provoz.

Jejich další výhodou je možnost ovládání pomocí mnoha analogových nebo digitálních vstupů, díky čemuž odpadá i pracnost zapojení. Vyšší řady motorů (od velikosti M3G112) lze napojit do systému pomocí RS485 na sběrnici MODBUS. Motory mají funkci soft startéru což zaručuje nižší napěťové špičky při jejich vícenásobném zapojení v systému. Díky tomu lze využít nižší napěťový jistič.

Provedení Ebm-papst EC motorů - zleva: typ ECI a typ VD/VDC.

Závěr

S teoretickou úsporou 87,5 % příkonu při redukci otáček na 50 % jmenovitého výkonu je pochopitelné, proč různé varianty redukce výkonu motoru mají podporu v legislativě. Jakkoliv výše popsané by nemělo být omezení pro použití frekvenčních měničů, nemělo by se zapomínat na alternativní technologie, jako například EC / BLDC motory. Ty dokonce ušetří více energie než klasické AC motory, pokud jsou libovolně nastavovány díky vyšší účinnosti a žádným skrytým nákladům.