Zarówno silniki AC, jak i EC to silniki elektryczne. Silniki elektryczne odgrywają kluczową rolę w naszym codziennym życiu, ponieważ są wykorzystywane do zasilania licznych urządzeń i systemów, z których korzystamy na co dzień. W zastosowaniach domowych znajdują się w lodówkach, pralkach, klimatyzatorach, odkurzaczach itp. Systemy HVAC (ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji) opierają się na silnikach elektrycznych do cyrkulacji powietrza, regulacji temperatury i utrzymywania komfortu w domach, biurach i innych budynkach. Silniki elektryczne odgrywają również kluczową rolę w transporcie, przemyśle i produkcji. W tym artykule wyjaśniamy różnice między silnikami AC a silnikami EC w przystępny sposób. Krótko omówiono również opcje sterowania silnikiem AC oraz zalety i wady wspomnianych technologii.
Silniki elektryczne – jak działają?
Silnik elektryczny to maszyna, która przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. Energia elektryczna jest głównie przekształcana przez silnik w ruch obrotowy. Energia elektryczna lub moc wyrażona jest w kW, podczas gdy ruch obrotowy wyrażany jest w obrotach na minutę (rpm). Oznacza to, że moc elektryczna [kW] jest przekształcana przez silnik w ruch obrotowy [rpm].
Silnik elektryczny to maszyna, która przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. Energia elektryczna jest głównie przekształcana przez silnik w ruch obrotowy. Energia elektryczna lub moc wyrażona jest w kW, podczas gdy ruch obrotowy wyrażany jest w obrotach na minutę (rpm). Oznacza to, że moc elektryczna [kW] jest przekształcana przez silnik w ruch obrotowy [rpm].
Ale to nie wszystko. Oprócz energii elektrycznej niezbędne jest także pole magnetyczne. Niektóre silniki używają magnesów trwałych, inne generują własne pole magnetyczne przy pomocy cewek i prądów elektrycznych.
Silnik elektryczny działa na zasadzie dynamicznej interakcji sił magnetycznych. Kiedy przepływa prąd elektryczny, wytwarza pole magnetyczne, które wchodzi w interakcję z magnesami umieszczonymi na obracającym się elemencie. Ta interakcja indukuje ruch obrotowy, co stanowi przykład przekształcenia energii elektrycznej w ruch mechaniczny. Silnik jest skomplikowanym mechanizmem, w którym współdziałanie elektryczności i magnetyzmu umożliwia kontrolowany i celowy ruch obrotowy, stanowiąc podstawę dla szerokiego wachlarza zastosowań w różnych branżach, w tym przemyśle HVAC.
Silnik składa się z dwóch głównych części: stojana i wirnika. Stojan to statyczna część silnika, która służy do zamocowania silnika w przewodzie powietrznym lub instalacji. Wirnik to obracająca się część, na której zamocowany jest wał silnika. W wentylatorze łopatki wentylatora są zamocowane na tym wałku silnika (na wirniku). Wirnik ma zazwyczaj cylindryczny kształt. W stojanie generowane jest pole magnetyczne poprzez elektromagnetyzm. Prąd elektryczny przepływa przez uzwojenie silnika w stojanie, tworząc pole magnetyczne. Ponieważ chodzi o napięcie zmienne, a używane są różne uzwojenia, to pole magnetyczne obraca się wokół wirnika. Wirnik podąża za tym obracającym się polem magnetycznym. Można to porównać do magnesów, które przyciągają się nawzajem.
Straty energii w procesie konwersji
Podczas procesu przekształcania energii elektrycznej w mechaniczną, część energii zostaje utracona. Straty te są wynikiem generowania ciepła, tarcia mechanicznego oraz innych strat elektrycznych w silniku. Sprawność silnika elektrycznego mówi nam, jaka część pochłoniętej energii jest dostępna na wale silnika. Sprawność zazwyczaj podaje się na tabliczce znamionowej za pomocą symbolu η wyrażonego w %. η = 85% oznacza, że 15% pochłoniętej energii elektrycznej zostaje stracone. Im wyższa sprawność silnika, tym mniejsze straty i więcej energii jest przekształcane w moment obrotowy. Siła, z jaką wykonywany jest ruch obrotowy, nazywana jest momentem obrotowym i wyrażana jest w Nm.
Podczas procesu przekształcania energii elektrycznej w mechaniczną, część energii zostaje utracona. Straty te są wynikiem generowania ciepła, tarcia mechanicznego oraz innych strat elektrycznych w silniku. Sprawność silnika elektrycznego mówi nam, jaka część pochłoniętej energii jest dostępna na wale silnika. Sprawność zazwyczaj podaje się na tabliczce znamionowej za pomocą symbolu η wyrażonego w %. η = 85% oznacza, że 15% pochłoniętej energii elektrycznej zostaje stracone. Im wyższa sprawność silnika, tym mniejsze straty i więcej energii jest przekształcane w moment obrotowy. Siła, z jaką wykonywany jest ruch obrotowy, nazywana jest momentem obrotowym i wyrażana jest w Nm.
Silniki AC – Silniki asynchroniczne vs synchroniczne
Silniki AC są standardem w zastosowaniach przemysłowych. Ten typ silnika jest także regularnie używany w branży HVAC, szczególnie w systemach o większej mocy. Silniki AC są bardzo niezawodne, solidne i łatwe w konserwacji. Rozróżniamy silniki AC synchroniczne i asynchroniczne.
Silniki AC są standardem w zastosowaniach przemysłowych. Ten typ silnika jest także regularnie używany w branży HVAC, szczególnie w systemach o większej mocy. Silniki AC są bardzo niezawodne, solidne i łatwe w konserwacji. Rozróżniamy silniki AC synchroniczne i asynchroniczne.
Silnik asynchroniczny
Standardowy silnik asynchroniczny jest najprostszym i najczęściej stosowanym silnikiem elektrycznym w HVAC i automatyce przemysłowej. To sprawdzony, opłacalny, solidny i niezawodny koncept. Silniki asynchroniczne są stosunkowo łatwe w utrzymaniu, a w wielu przypadkach ich prędkość może być łatwo kontrolowana. Dzięki postępowi technologicznemu dostępne są teraz bardziej energooszczędne rozwiązania, ale te również mają swoją cenę.
Standardowy silnik asynchroniczny jest najprostszym i najczęściej stosowanym silnikiem elektrycznym w HVAC i automatyce przemysłowej. To sprawdzony, opłacalny, solidny i niezawodny koncept. Silniki asynchroniczne są stosunkowo łatwe w utrzymaniu, a w wielu przypadkach ich prędkość może być łatwo kontrolowana. Dzięki postępowi technologicznemu dostępne są teraz bardziej energooszczędne rozwiązania, ale te również mają swoją cenę.Zasada działania silnika asynchronicznego jest nieco trudniejsza do wyjaśnienia w prosty sposób. Silnik asynchroniczny nie posiada wirnika z magnesami trwałymi; jego pole magnetyczne jest tworzone przez indukcję. Aby to było możliwe, wirnik składa się z przewodników elektrycznych. Te przewodzące pręty są zwykle wykonane z aluminium lub miedzi. Są one zamocowane w cylindrycznym wirniku i połączone na obu końcach pierścieniami zwarciowymi. Całość ma kształt klatki – stąd nazwa wirnik klatkowy. Z powodu zasady indukcji (prawo Faradaya), prąd elektryczny przepływa przez te przewodniki. Dlatego silnik asynchroniczny nazywany jest także silnikiem indukcyjnym. Prąd w wirniku wytwarza pole magnetyczne, które oddziałuje z polem magnetycznym stojana, powodując obrót silnika.
W przeciwieństwie do silnika synchronicznego, silnik asynchroniczny zawsze obraca się wolniej niż pole magnetyczne stojana. Ta różnica nazywana jest poślizgiem. W wyniku tej różnicy w wirniku silnika asynchronicznego indukowany jest prąd wsteczny. Im większe obciążenie, tym większa ta różnica (poślizg). Wirnik przyspiesza, aż wartość indukowanego prądu w wirniku i moment obrotowy silnika wyrównają obciążenie na wale silnika. Ponieważ przy prędkości synchronicznej nie indukuje się prąd w wirniku (nie ma momentu obrotowego), silnik indukcyjny zawsze pracuje wolniej niż prędkość synchroniczna.
Silniki synchroniczne
Silniki synchroniczne AC są technologicznie bardziej skomplikowane niż silniki asynchroniczne. Wykorzystują one magnesy trwałe, co sprawia, że są droższe. Dużą zaletą jest ich niższe zużycie energii. Silnik synchroniczny jest trudniejszy do kontrolowania niż silnik asynchroniczny. Zwykle wymagany jest określony typ falownika, aby je kontrolować. Silniki synchroniczne nie mogą być kontrolowane za pomocą regulatorów prędkości transformatorowych ani elektronicznych regulatorów prędkości.
Silniki synchroniczne AC są technologicznie bardziej skomplikowane niż silniki asynchroniczne. Wykorzystują one magnesy trwałe, co sprawia, że są droższe. Dużą zaletą jest ich niższe zużycie energii. Silnik synchroniczny jest trudniejszy do kontrolowania niż silnik asynchroniczny. Zwykle wymagany jest określony typ falownika, aby je kontrolować. Silniki synchroniczne nie mogą być kontrolowane za pomocą regulatorów prędkości transformatorowych ani elektronicznych regulatorów prędkości.
Jak wspomniano powyżej, pole magnetyczne w stojanie jest tworzone w sposób rotacyjny. Silnik synchroniczny ma wirnik z magnesami trwałymi. Przeciwieństwa magnetyczne przyciągają się nawzajem. Magnesy wirnika będą więc podążały za obracającym się polem magnetycznym stojana dokładnie (synchronicznie), niezależnie od obciążenia.
Sterowniki prędkośc i dla silników AC
Silniki synchroniczne zwykle zużywają mniej energii niż silniki asynchroniczne, ale mogą być używane tylko w połączeniu z falownikiem. Silniki asynchroniczne oferują wybór, czy mają być kontrolowane za pomocą sterownika prędkości. Sterowniki prędkości pomagają zmniejszyć wstrząsy mechaniczne podczas rozruchu. Dzięki sterownikom prędkości, wiele aplikacji może być kontrolowanych bardziej komfortowo i precyzyjnie. Przykładem może być wentylacja na żądanie, gdzie sterowniki prędkości optymalizują przepływ powietrza i łączą dobrą jakość powietrza wewnętrznego z oszczędnością energii.
W aplikacjach HVAC wentylatory z silnikami asynchronicznymi mogą być sterowane za pomocą falownika lub sterownika prędkości wentylatora. Oba rozwiązania mają swoje wady i zalety. Falownik zapewnia najdokładniejsze sterowanie i jest energooszczędny. Sterownik prędkości wentylatora jest tańszy i znacznie łatwiejszy w instalacji i obsłudze.
Falownik optymalizuje zarówno napięcie silnika, jak i częstotliwość prądu silnika za pomocą modulacji szerokości impulsów (PWM). Wymaga to użycia IGBT (Izolowane Bramkowe Tranzystory Bipolarne) – komponentów elektronicznych o wysokiej wydajności, które mogą przełączać prądy elektryczne o dużej mocy przy bardzo wysokich częstotliwościach. Ta technologia umożliwia optymalne sterowanie silnikiem, ale nie jest tania. Zwykle wybierany jest falownik V/f lub skalarowy do sterowania wentylatorami. Falowniki skalarne utrzymują stałą proporcję V/f (stały moment obrotowy) w całym zakresie prędkości. Są to najprostsze falowniki, ponieważ wymagają niewielkiej ilości danych o silniku. Potrzebna jest tylko ograniczona konfiguracja do sterowania silnikiem. Metoda V/f jest jedyną metodą sterowania, która pozwala na kontrolowanie wielu silników przez jeden falownik. W takich aplikacjach wszystkie silniki uruchamiają się i zatrzymują w tym samym czasie i podążają za tym samym odniesieniem prędkości.
W przeciwieństwie do falownika, sterownik prędkości wentylatora będzie jedynie regulował napięcie silnika. Tego rodzaju sterownik prędkości jest odpowiedni tylko dla silników, które mogą być sterowane napięciem, i dlatego może być stosowany w aplikacjach, gdzie moment obrotowy zmniejsza się wraz z prędkością, na przykład w sterowaniu wentylatorami. Wielką zaletą tego typu sterownika jest łatwa obsługa oraz niski koszt. Nie wymaga on żadnej konfiguracji; po podłączeniu wentylator może być od razu sterowany. Konstrukcja sterownika prędkości wentylatora jest znacznie prostsza niż konstrukcja napędu o zmiennej prędkości, co przekłada się na niższy koszt.
Jak ustawić żądaną prędkość wentylatora AC?
Niezależnie od typu sterownika prędkości AC lub falownika, użytkownik musi mieć możliwość określenia żądanej prędkości. Może to być zrobione na różne sposoby. Z jednej strony rozróżniamy sterowniki prędkości, w których kontrolki są wbudowane w same urządzenie, z drugiej strony urządzenia, które wymagają zewnętrznego sygnału elektrycznego, którym można ustawić żądaną prędkość. Sygnał zewnętrzny może być analogowy (np. 0-10 Volt) lub cyfrowy (np. komunikacja Modbus RTU). Możliwości ustawienia żądanej prędkości za pomocą zewnętrznego sygnału elektrycznego omówiono szczegółowo w artykule na temat potencjometrów.
Niezależnie od typu sterownika prędkości AC lub falownika, użytkownik musi mieć możliwość określenia żądanej prędkości. Może to być zrobione na różne sposoby. Z jednej strony rozróżniamy sterowniki prędkości, w których kontrolki są wbudowane w same urządzenie, z drugiej strony urządzenia, które wymagają zewnętrznego sygnału elektrycznego, którym można ustawić żądaną prędkość. Sygnał zewnętrzny może być analogowy (np. 0-10 Volt) lub cyfrowy (np. komunikacja Modbus RTU). Możliwości ustawienia żądanej prędkości za pomocą zewnętrznego sygnału elektrycznego omówiono szczegółowo w artykule na temat potencjometrów.
Silniki EC – silniki z wbudowanym sterownikiem prędkości
Silniki elektryczne bezszczotkowe DC są również określane jako silniki Elektronicznie Komutowane (EC). Są to silniki synchroniczne, które są napędzane prądem stałym przez wbudowany (sterownik prędkości). Jednak silniki EC są podłączone do prądu zmiennego (napięcia sieciowego). Prąd zmienny jest wewnętrznie przekształcany na prąd stały, którym zintegrowany sterownik kontroluje silnik.
Silniki elektryczne bezszczotkowe DC są również określane jako silniki Elektronicznie Komutowane (EC). Są to silniki synchroniczne, które są napędzane prądem stałym przez wbudowany (sterownik prędkości). Jednak silniki EC są podłączone do prądu zmiennego (napięcia sieciowego). Prąd zmienny jest wewnętrznie przekształcany na prąd stały, którym zintegrowany sterownik kontroluje silnik.
Silniki EC zazwyczaj mają wirnik z magnesami trwałymi, które obracają się wokół stojana. Wbudowany regulator zawiera prostownik, który przekształca napięcie zasilające AC na prąd stały (DC). Zintegrowany regulator wysyła odpowiednią ilość prądu, w odpowiednim kierunku, we właściwym czasie przez uzwojenia w stojanie. Powoduje to powstanie obracającego się pola magnetycznego w stojanie, które napędza wirnik z magnesami trwałymi. Pozycja każdego magnesu wirnika jest określana za pomocą czujników Halla. Odpowiednie magnesy są kolejno przyciągane do biegunów magnetycznych w stojanie. Jednocześnie reszta uzwojeń stojana jest naładowana odwrotną polaryzacją. Te siły przyciągające i odpychające łączą się, zapewniając płynny obrót i optymalny moment obrotowy. Ponieważ wszystko odbywa się elektronicznie, możliwe jest precyzyjne monitorowanie i sterowanie silnikiem. Silnik EC można więc uznać za połączenie silnika i sterownika prędkości w jednej obudowie.
Silniki EC są zazwyczaj droższe od silników AC, ale oferują pewne zalety. Największe z nich to wysoki stosunek momentu obrotowego do masy dzięki bardziej zwartemu wykonaniu oraz niższe zużycie energii w porównaniu do silników AC. Magnesy trwałe i zintegrowana elektronika sprawiają, że ten typ silnika jest droższy. Silnik i sterownik prędkości wentylatora są połączone w jednej obudowie. Jeśli silnik EC może być bezpośrednio sterowany przez komunikację Modbus, wszystkie parametry silnika, takie jak temperatura w uzwojeniach, zużycie energii, prędkość obrotowa, licznik godzin itp., mogą być odczytywane zdalnie. Uruchomienie systemu może być bardziej skomplikowane, ale po instalacji to rozwiązanie oferuje więcej opcji – szczególnie pod kątem integracji z systemami BMS (zarządzanie budynkiem) lub inteligentnymi systemami wentylacyjnymi.
Jak ustawić prędkość wentylatora EC?
Podobnie jak sterowniki prędkości wentylatorów AC, silniki EC mogą być kontrolowane za pomocą zewnętrznego sygnału elektrycznego (tak zwanego sygnału analogowego) lub przez komunikację Modbus RTU. Sygnał analogowy może być generowany ręcznie za pomocą potencjometru lub automatycznie za pomocą czujnika HVAC. W ten sposób wentylatory z silnikiem EC mogą być sterowane za pomocą potencjometru lub czujników HVAC.
Podobnie jak sterowniki prędkości wentylatorów AC, silniki EC mogą być kontrolowane za pomocą zewnętrznego sygnału elektrycznego (tak zwanego sygnału analogowego) lub przez komunikację Modbus RTU. Sygnał analogowy może być generowany ręcznie za pomocą potencjometru lub automatycznie za pomocą czujnika HVAC. W ten sposób wentylatory z silnikiem EC mogą być sterowane za pomocą potencjometru lub czujników HVAC.