Zowel AC- als EC-motoren zijn elektromotoren. Elektromotoren spelen een cruciale rol in het dagelijkse leven, omdat ze betrokken zijn bij het aandrijven van talloze apparaten en systemen waarop we vertrouwen. In huishoudelijke toepassingen zijn ze o.a. te vinden in koelkasten, wasmachines, airconditioners en stofzuigers. HVAC-systemen gebruiken elektromotoren om lucht te laten circuleren, de temperatuur te regelen en het comfort in huizen, kantoren en andere gebouwen te handhaven. Ook in transport, industrie en fabricage spelen elektromotoren een cruciale rol. In dit artikel leggen we de verschillen tussen AC- en EC-motoren op een begrijpelijke manier uit. De opties voor het aansturen van een AC-motor en de voor- en nadelen van de genoemde technologieën worden kort besproken.
Elektromotoren werken op basis van de wisselwerking tussen magnetisme en elektrische stromen
Een elektromotor is een machine die elektrische energie omzet in mechanische energie. Elektrische energie wordt door de motor voornamelijk omgezet in een roterende beweging. De elektrische energie of het vermogen wordt uitgedrukt in kW, terwijl de roterende beweging wordt uitgedrukt in rpm (toeren per minuut). Dus het elektrisch vermogen [kW] wordt door de motor omgezet in roterende beweging [rpm].
Maar dat is niet genoeg. Naast de elektrische energie is ook magnetisme nodig. Sommige motoren gebruiken permanente magneten, andere motortypes creëren hun eigen magnetische velden met behulp van spoelen en elektrische stromen.
Een elektromotor werkt op basis van een dynamisch samenspel van magnetische krachten. Wanneer een elektrische stroom wordt toegepast, genereert dit een magnetisch veld dat interageert met magneten die zich op een roterende component bevinden. Deze interactie induceert de roterende beweging, wat de omzetting van elektrische energie in mechanische beweging illustreert. De motor fungeert als een geavanceerd mechanisme waarin de georkestreerde synergie tussen elektriciteit en magnetisme een gecontroleerde en doelgerichte roterende beweging mogelijk maakt, die aan de basis ligt van een breed scala aan toepassingen in alle industrieën, waaronder de HVAC-industrie.
Een motor bestaat uit een stator en een rotor. De stator is het statische deel van de motor - het stationaire deel dat wordt gebruikt om de motor aan het luchtkanaal of de installatie te bevestigen. De rotor is het roterende deel waarop de motoras is gemonteerd. In een ventilator zijn de ventilatorbladen op deze motoras (op de rotor) gemonteerd. De rotor heeft meestal een cilindrische vorm. In de stator wordt een magnetisch veld opgewekt door elektromagnetisme. De elektrische stroom stroomt door de motorwikkeling in de stator en genereert een magnetisch veld. Omdat het om wisselspanning gaat en er meerdere wikkelingen worden gebruikt, draait dit magnetische veld rond de rotor. De rotor volgt dit roterende magnetische veld. Je kunt het vergelijken met magneten die elkaar aantrekken.
Tijdens het omzetten van elektrische energie in mechanische energie gaat een deel van de energie verloren. Deze energieverliezen worden veroorzaakt door warmteontwikkeling, mechanische wrijving en andere elektrische verliezen in de motor. Het rendement van een elektromotor vertelt je welk deel van de geabsorbeerde energie beschikbaar is op de motoras. Het rendement wordt op het typeplaatje meestal aangegeven met het symbool η, uitgedrukt in %. η = 85% betekent dat 25% van de geabsorbeerde elektrische energie verloren gaat. De kracht waarmee de draaibeweging wordt uitgevoerd, wordt het koppel genoemd en wordt uitgedrukt in Nm. Dus hoe hoger het rendement van de motor, hoe kleiner de verliezen en hoe meer energie wordt omgezet in koppel.
AC-motoren - Asynchrone vs synchrone motor
AC-motoren zijn de standaard voor industriële toepassingen. Dit type motor wordt ook regelmatig gebruikt in de HVAC-sector, vooral bij grotere vermogens. AC-motoren zijn zeer betrouwbaar, robuust en gemakkelijk te onderhouden. We maken een onderscheid tussen synchrone en asynchrone AC-motoren.
Asynchrone motor
De standaard asynchrone motor is de eenvoudigste en meest gebruikte elektromotor in HVAC en industriële automatisering. Het is een bewezen concept dat kosteneffectief, robuust en betrouwbaar is. Asynchrone motoren zijn relatief gemakkelijk te onderhouden en in veel gevallen kan hun snelheid gemakkelijk worden geregeld. Dankzij de technologische vooruitgang zijn er nu meer energie-efficiënte oplossingen beschikbaar, maar deze hebben ook een prijs.
Het werkingsprincipe van een asynchrone motor is iets moeilijker om eenvoudig uit te leggen. De asynchrone motor heeft geen rotor met permanente magneten, het magnetische veld wordt gecreëerd door inductie. Om dit mogelijk te maken, is de rotor samengesteld uit elektrische geleiders. Deze geleidende staven zijn meestal gemaakt van aluminium of koper. Ze zijn gemonteerd in de cilindrische rotor en aan beide uiteinden verbonden door kortsluitringen. Het geheel heeft een kooi-achtige vorm - vandaar de naam eekhoornkooirotor. Door het inductieprincipe (de wet van Faraday) vloeit er elektrische stroom door deze geleiders. Daarom wordt een asynchrone motor ook een inductiemotor genoemd. Deze rotorstroom creëert een magnetisch veld dat interageert met het statorveld, waardoor de motor draait.
In tegenstelling tot een synchrone motor zal een asynchrone motor altijd langzamer draaien dan het magnetische veld van de stator. Dit verschil wordt de slip genoemd. Door dit verschil wordt een tegenstroom geïnduceerd in de rotor van de asynchrone motor. Hoe groter de belasting, hoe groter het verschil (slip). De rotor versnelt totdat de grootte van de geïnduceerde rotorstroom en het motorkoppel de belasting op de motoras in evenwicht houdt. Aangezien er geen geïnduceerde rotorstroom (geen koppel) is bij synchrone snelheid, draait een inductiemotor altijd langzamer dan bij synchrone snelheid.
Synchrone motor
Synchrone AC-motoren zijn technologisch complexer dan asynchrone motoren. Ze gebruiken permanente magneten, waardoor ze duurder zijn. Het grote voordeel is hun lagere energieverbruik. Een synchrone motor is minder gemakkelijk te regelen dan een asynchrone motor. Meestal is er een specifiek type frequentieregelaar nodig om ze te regelen. Synchrone motoren kunnen niet worden geregeld met een snelheidsregelaar van een transformator of met een
elektronische snelheidsregelaar.
Zoals hierboven vermeld, wordt er een roterend magnetisch veld gecreëerd in de stator. Een synchrone motor heeft een rotor die bestaat uit permanente magneten. Magnetische tegenpolen trekken elkaar aan. De magneten van de rotor zullen daarom het roterende statorveld exact (synchroon) volgen, ongeacht de belasting.
Snelheidsregelaars voor AC-motoren
Synchrone motoren verbruiken over het algemeen minder energie dan asynchrone motoren, maar kunnen alleen worden gebruikt in combinatie met een frequentieregelaar. Asynchrone motoren bieden de keuze om al dan niet door een snelheidsregelaar aangestuurd te worden. Snelheidsregelaars helpen om mechanische schokken tijdens het opstarten te verminderen. Dankzij snelheidsregelaars kunnen veel toepassingen comfortabeler en nauwkeuriger worden geregeld. Denk maar aan vraaggestuurde ventilatie waarbij snelheidsregelaars de luchtstroom optimaliseren en een goede luchtkwaliteit binnenshuis combineren met energiebesparing.
In HVAC-toepassingen kunnen ventilatoren met asynchrone motoren worden geregeld met een frequentieomvormer of met een ventilatorsnelheidsregelaar. Beide hebben hun voor- en nadelen. Een frequentieregelaar biedt de meest nauwkeurige regeling en is energiezuinig. Een ventilatorsnelheidsregelaar is goedkoper en veel eenvoudiger te installeren en te gebruiken.
Een frequentieregelaar optimaliseert zowel de motorspanning als de frequentie van de motorstroom via pulsbreedtemodulatie. Hiervoor zijn IGBT's nodig. Insulated Gate Bipolar Transistors zijn hoogwaardige elektronische componenten die krachtige elektrische stromen kunnen schakelen bij zeer hoge frequenties. Deze technologie maakt een optimale motorregeling mogelijk, maar is niet goedkoop. Meestal wordt een V/f- of scalaire frequentieregelaar gekozen om ventilatoren te regelen. Een scalaire frequentieomvormer houdt de verhouding V/f constant (constant koppel) over het hele toerentalbereik. Dit zijn de eenvoudigste frequentieregelaars gezien de kleine hoeveelheid motorgegevens die de regelaar nodig heeft. Er is slechts een beperkte configuratie nodig om de motor te regelen. V/f is de enige regelmethode waarmee meerdere motoren door één frequentieregelaar kunnen worden geregeld. In dergelijke toepassingen starten en stoppen alle motoren op hetzelfde moment en volgen ze dezelfde snelheidsreferentie.
In tegenstelling tot een frequentieregelaar varieert een ventilatorsnelheidsregelaar alleen de motorspanning. Dit type snelheidsregelaar is alleen geschikt voor spanningsregelbare motoren en kan daarom worden gebruikt in toepassingen waarbij het koppel afneemt met de snelheid, bijvoorbeeld voor het regelen van ventilatoren. Het grote voordeel van dit type regelaar is de eenvoudige bediening en de kostprijs. Er is geen configuratie nodig, zodra alles is aangesloten, kan de ventilator onmiddellijk worden aangestuurd. De constructie van een ventilatorsnelheidsregelaar is veel eenvoudiger dan die van een frequentieregelaar. Dit vertaalt zich ook in de kosten. Er kunnen een aantal verschillende technologieën worden gebruikt voor ventilatorsnelheidsregelaars - elk met hun eigen specifieke voor- en nadelen. De meest gebruikte technologieën zijn: transformatorsnelheidsregelaars (5-stappenregelaar) of elektronische ventilatorsnelheidsregelaars (TRIAC-fasehoekregeling).
Hoe de gewenste snelheid van de AC-ventilator instellen?
Ongeacht het type frequentieregelaar of frequentieregelaar moet de gebruiker de gewenste snelheid kunnen opgeven. Dit kan op verschillende manieren. Aan de ene kant onderscheiden we snelheidsregelaars waarbij de bediening is ingebouwd in het apparaat zelf, aan de andere kant apparaten die een extern elektrisch signaal nodig hebben waarmee de gewenste snelheid kan worden ingesteld. Dit externe signaal kan analoog zijn (bv. 0-10 Volt) of digitaal (bv. Modbus RTU-communicatie). De mogelijkheden voor het instellen van de gewenste snelheid via een extern elektrisch signaal worden in detail besproken in het artikel over potentiometers.
EC-motoren - motoren met ingebouwde snelheidsregelaar
Borstelloze DC elektromotoren worden ook wel elektronisch gecommuteerde motoren (EC-motoren) genoemd. Het zijn synchrone motoren die worden aangedreven door gelijkstroom via een ingebouwde (snelheids)regelaar. EC-motoren worden echter aangesloten op wisselstroom (netspanning). Deze wisselstroom wordt intern omgezet in gelijkstroom waarmee de ingebouwde regelaar de motor aanstuurt.
EC-motoren hebben meestal een rotor van permanente magneten die rond een stator draaien. De ingebouwde regelaar bevat een gelijkrichter die de wisselspanning omzet in gelijkstroom (DC). De ingebouwde regelaar stuurt vervolgens de juiste hoeveelheid stroom, in de juiste richting, op het juiste moment door de wikkelingen in de stator. Dit creëert een roterend magnetisch veld in de stator, dat de rotor met permanente magneten aandrijft. De positie van elke rotormagneet wordt bepaald met Hall-sensoren. De juiste magneten worden achtereenvolgens aangetrokken door de magnetische polen in de stator. Tegelijkertijd wordt de rest van de statorwikkelingen geladen met de omgekeerde polariteit. Deze aantrekkende en afstotende krachten zorgen samen voor een soepele rotatie en een optimaal koppel. Omdat dit allemaal elektronisch gebeurt, is nauwkeurige motorbewaking en -regeling mogelijk. Een EC-motor kan daarom worden beschouwd als de combinatie van motor en snelheidsregelaar in één behuizing.
EC-motoren zijn meestal duurder dan AC-motoren, maar ze bieden een aantal voordelen. De belangrijkste zijn: een hoge koppel-gewichtsverhouding dankzij hun compactere constructie en een lager energieverbruik in vergelijking met AC-motoren. De permanente magneten en geïntegreerde elektronica maken dit type motor duurder. De motor en de ventilatorsnelheidsregelaar zijn gecombineerd in één behuizing. Als de EC-motor rechtstreeks kan worden bestuurd via Modbus-communicatie, kunnen alle motorparameters zoals temperatuur in de motorwikkelingen, stroomverbruik, toerental, urenteller enz. op afstand worden uitgelezen. De inbedrijfstelling kan ingewikkelder zijn, maar eenmaal geïnstalleerd biedt deze oplossing meer mogelijkheden - vooral op het gebied van integratie in BMS-systemen of slimme ventilatiesystemen.
Hoe stel je de snelheid van de EC-ventilator in?
Net als ventilatorsnelheidsregelaars voor AC-motoren kunnen ook EC-motoren worden geregeld via een extern elektrisch signaal (ook wel analoog signaal genoemd) of via Modbus RTU-communicatie. Een analoog signaal kan handmatig worden gegenereerd via een potentiometer of automatisch via een HVAC-sensor. Op deze manier kunnen ventilatoren met EC-motor worden aangestuurd via een potentiometer of via een HVAC-sensor.
De volgende afbeeldingen geven een overzicht van de mogelijkheden om een AC motor of een EC motor aan te sturen:
Meer details vindt u op onze website - solutions - Hoe de snelheid van een ventilator regelen?