Både AC- och EC-motorer är elektriska motorer. Elektriska motorer spelar en avgörande roll i det dagliga livet, eftersom de är involverade i att driva otaliga enheter och system som vi litar på. I hushållsapplikationer kan de hittas i kylskåp, tvättmaskiner, luftkonditioneringsapparater, dammsugare etc. VVS-system är beroende av elektriska motorer för att cirkulera luft, reglera temperaturen och upprätthålla komforten i hem, kontor och andra byggnader. Även inom transport, industri och tillverkning spelar elmotorer en avgörande roll. I den här artikeln förklarar vi skillnaderna mellan AC-motorer och EC-motorer på ett förståeligt sätt. Alternativen för att styra en AC-motor samt fördelarna och nackdelarna med de nämnda teknikerna diskuteras kort.
Elmotorer fungerar baserat på växelverkan mellan magnetism och elektriska strömmar
En elmotor är en maskin som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. Elektrisk energi omvandlas huvudsakligen av motorn till roterande rörelse. Den elektriska energin eller effekten uttrycks i kW, medan den roterande rörelsen uttrycks i rpm. Så den elektriska effekten [kW] omvandlas av motorn till roterande rörelse [rpm].
Men det räcker inte. Magnetism krävs också utöver den elektriska energin. Vissa motorer använder permanentmagneter, andra motortyper skapar sina egna magnetfält med hjälp av spolar och elektriska strömmar.
En elmotor är en maskin som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. Elektrisk energi omvandlas huvudsakligen av motorn till roterande rörelse. Den elektriska energin eller effekten uttrycks i kW, medan den roterande rörelsen uttrycks i rpm. Så den elektriska effekten [kW] omvandlas av motorn till roterande rörelse [rpm].
Men det räcker inte. Magnetism krävs också utöver den elektriska energin. Vissa motorer använder permanentmagneter, andra motortyper skapar sina egna magnetfält med hjälp av spolar och elektriska strömmar.
En elmotor fungerar utifrån ett dynamiskt samspel av magnetiska krafter. När en elektrisk ström appliceras genererar den ett magnetfält som interagerar med magneter som är placerade på en roterande komponent. Denna interaktion inducerar roterande rörelse, vilket exemplifierar omvandlingen av elektrisk energi till mekanisk rörelse. Motorn fungerar som en sofistikerad mekanism där den orkestrerade synergin mellan elektricitet och magnetism underlättar kontrollerade och målmedvetna rotationsrörelser, vilket stöder ett brett spektrum av applikationer i alla industrier, inklusive VVS-industrin.
En motor består av en stator och en rotor. Statorn är den statiska delen av motorn – den stationära delen som används för att montera motorn på luftkanalen eller installationen. Rotorn är den roterande del på vilken motoraxeln är monterad. I en fläkt är fläktbladen monterade på denna motoraxel (på rotorn). Rotorn har vanligtvis en cylindrisk form. I statorn alstras ett magnetfält genom elektromagnetism. Den elektriska strömmen flyter genom motorlindningen i statorn och genererar ett magnetfält. Eftersom det handlar om växelspänning och flera lindningar används kretsar detta magnetfält runt rotorn. Rotorn följer detta roterande magnetfält. Du kan jämföra det med magneter som attraherar varandra.
Under processen att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi går en del av energin förlorad. Dessa energiförluster orsakas av värmealstring, mekanisk friktion och andra elektriska förluster i motorn. Effektiviteten hos en elmotor talar om vilken del av den absorberade energin som finns tillgänglig vid motoraxeln. Verkningsgraden anges vanligtvis på typskylten med symbolen η uttryckt i %. η = 85 % betyder att 15 % av den absorberade elektriska energin går förlorad. Ju högre verkningsgrad motorn har, desto mindre förluster och desto mer energi omvandlas till vridmoment. Kraften med vilken rotationsrörelsen utförs kallas vridmoment och uttrycks i Nm.
AC-motorer - Asynkron vs synkronmotor AC-motor
AC-motorer är standarden för industriella applikationer. Denna typ av motor används också regelbundet inom VVS-sektorn, särskilt med större kapacitet. AC-motorer är mycket pålitliga, robusta och lätta att underhålla. Vi skiljer på synkrona och asynkrona AC-motorer.
AC-motorer är standarden för industriella applikationer. Denna typ av motor används också regelbundet inom VVS-sektorn, särskilt med större kapacitet. AC-motorer är mycket pålitliga, robusta och lätta att underhålla. Vi skiljer på synkrona och asynkrona AC-motorer.
Asynkron motor
Standardasynkronmotorn är den enklaste och mest använda elmotorn inom VVS och inom industriell automation. Det är ett beprövat koncept som är kostnadseffektivt, robust och pålitligt. Asynkronmotorer är relativt lätta att underhålla och i många fall kan deras hastighet enkelt kontrolleras. Tack vare tekniska framsteg finns nu mer energieffektiva lösningar, men dessa har också ett pris.
Standardasynkronmotorn är den enklaste och mest använda elmotorn inom VVS och inom industriell automation. Det är ett beprövat koncept som är kostnadseffektivt, robust och pålitligt. Asynkronmotorer är relativt lätta att underhålla och i många fall kan deras hastighet enkelt kontrolleras. Tack vare tekniska framsteg finns nu mer energieffektiva lösningar, men dessa har också ett pris.
Arbetsprincipen för en asynkronmotor är lite svårare att förklara på ett enkelt sätt. Asynkronmotorn har ingen rotor med permanentmagneter; dess magnetfält skapas genom induktion. För att göra detta möjligt är rotorn sammansatt av elektriska ledare. Dessa ledande stavar är vanligtvis gjorda av aluminium eller koppar. De är monterade i den cylindriska rotorn och är förbundna i båda ändar med kortslutningsringar. Det hela har en burliknande form – därav namnet squirrel cage rotor. På grund av principen om induktion (Faradays lag) flyter elektrisk ström genom dessa ledare. Av denna anledning kallas en asynkronmotor också en induktionsmotor. Denna rotorström skapar ett magnetfält som interagerar med statorfältet, vilket får motorn att rotera.
Till skillnad från en synkronmotor kommer en asynkronmotor alltid att rotera långsammare än statorns magnetfält. Denna skillnad kallas slip. På grund av denna skillnad induceras en omvänd ström i asynkronmotorns rotor. Ju större belastning, desto större skillnad (glidning). Rotorn accelererar tills storleken på den inducerade rotorströmmen och motorvridmomentet balanserar belastningen på motoraxeln. Eftersom det inte finns någon inducerad rotorström (inget vridmoment) vid synkronhastighet, går en induktionsmotor alltid långsammare än synkronhastighet.
Synkrona motorer
Synkrona AC-motorer är tekniskt mer komplexa än asynkronmotorer. De använder permanentmagneter, vilket gör dem dyrare. Den stora fördelen är deras lägre energiförbrukning. En synkronmotor är mindre lätt att styra än en asynkronmotor. Vanligtvis krävs en specifik typ av frekvensregulator för att styra dem. Synkronmotorer kan inte styras med en transformatorhastighetsregulator eller med en elektronisk varvtalsregulator.
Synkrona AC-motorer är tekniskt mer komplexa än asynkronmotorer. De använder permanentmagneter, vilket gör dem dyrare. Den stora fördelen är deras lägre energiförbrukning. En synkronmotor är mindre lätt att styra än en asynkronmotor. Vanligtvis krävs en specifik typ av frekvensregulator för att styra dem. Synkronmotorer kan inte styras med en transformatorhastighetsregulator eller med en elektronisk varvtalsregulator.
Som nämnts ovan skapas ett roterande magnetfält i statorn. En synkronmotor har en rötor som består av permanentmagneter. Magnetiska motsatser attraherar varandra. Rotorns magneter kommer därför att följa det roterande statorfältet exakt (synkront), oavsett belastning.
Varvtalsregulatorer för AC-motorer
Synkronmotorer förbrukar i allmänhet mindre energi än asynkronmotorer, men kan endast användas i kombination med en frekvensomformare. Asynkronmotorer erbjuder valet om de ska styras av en hastighetsregulator eller inte. Hastighetsregulatorer hjälper till att minska mekaniska stötar under uppstart. Tack vare hastighetsregulatorer kan många applikationer styras mer bekvämt och exakt. Tänk bara på behovsstyrd ventilation där hastighetsregulatorer optimerar luftflödet och kombinerar god inomhusluftkvalitet med energibesparingar.
Synkronmotorer förbrukar i allmänhet mindre energi än asynkronmotorer, men kan endast användas i kombination med en frekvensomformare. Asynkronmotorer erbjuder valet om de ska styras av en hastighetsregulator eller inte. Hastighetsregulatorer hjälper till att minska mekaniska stötar under uppstart. Tack vare hastighetsregulatorer kan många applikationer styras mer bekvämt och exakt. Tänk bara på behovsstyrd ventilation där hastighetsregulatorer optimerar luftflödet och kombinerar god inomhusluftkvalitet med energibesparingar.
I HVAC-applikationer kan fläktar med asynkronmotorer styras med en frekvensomformare eller med en fläkthastighetsregulator. Båda har sina för- och nackdelar. En frekvensregulator erbjuder den mest exakta styrningen och är energieffektiv. En fläkthastighetsregulator är billigare och mycket enklare att installera och använda.
En frekvensomriktare kommer att optimera både motorspänningen och frekvensen på motorströmmen via pulsbreddsmodulering. Detta kräver IGBTs. Insulated Gate bipolära transistorer är högpresterande elektroniska komponenter som kan koppla om högeffekts elektriska strömmar vid mycket höga frekvenser. Denna teknik möjliggör optimal motorkontroll, men den är inte billig. Vanligtvis väljs en V/f eller skalär frekvensregulator för att styra fläktar. En skalär frekvensomvandlare håller förhållandet V/f konstant (konstant vridmoment) över hela varvtalsområdet. Dessa är de enklaste frekvensomformarna med tanke på den lilla mängd motordata som krävs av frekvensomriktaren. Endast en begränsad konfiguration är nödvändig för att styra motorn. V/f är den enda styrmetoden som gör att flera motorer kan styras av en frekvensomformare. I sådana applikationer startar och stannar alla motorer samtidigt och följer samma hastighetsreferens.
Till skillnad från en frekvensomformare kommer en fläkthastighetsregulator endast att variera motorspänningen. Denna typ av varvtalsregulator är endast lämplig för spänningsstyrbara motorer och kan därför användas i applikationer där vridmomentet minskar med varvtalet, till exempel styrning av fläktar. Den stora fördelen med denna typ av kontroller är den enkla driften och självkostnadspriset. Ingen konfiguration behövs; när allt är anslutet kan fläkten styras direkt. Konstruktionen av en fläkthastighetsregulator är mycket enklare än den för en frekvensomriktare. Detta leder också till kostnaden. Ett antal olika teknologier kan användas för fläkthastighetsregulatorer – var och en med sina egna specifika fördelar och nackdelar. De mest använda teknikerna är: transformatorhastighetsregulatorer (5-stegsregulator) eller elektroniska fläkthastighetsregulatorer (TRIAC fasvinkelkontroll).
Hur ställer man in önskad AC-fläkthastighet?
Oavsett typ av AC-hastighetsregulator eller frekvensomriktare måste användaren kunna specificera önskad hastighet. Detta kan göras på olika sätt. Dels urskiljer vi hastighetsregulatorer där reglagen är inbyggda i själva enheten, dels enheter som kräver en extern elektrisk signal med vilken önskad hastighet kan ställas in. Denna externa signal kan vara analog (t.ex. 0-10 Volt) eller digital (t.ex. Modbus RTU-kommunikation). Möjligheterna att ställa in önskad hastighet via en extern elektrisk signal diskuteras i detalj i artikeln om potentiometrar.
Oavsett typ av AC-hastighetsregulator eller frekvensomriktare måste användaren kunna specificera önskad hastighet. Detta kan göras på olika sätt. Dels urskiljer vi hastighetsregulatorer där reglagen är inbyggda i själva enheten, dels enheter som kräver en extern elektrisk signal med vilken önskad hastighet kan ställas in. Denna externa signal kan vara analog (t.ex. 0-10 Volt) eller digital (t.ex. Modbus RTU-kommunikation). Möjligheterna att ställa in önskad hastighet via en extern elektrisk signal diskuteras i detalj i artikeln om potentiometrar.
EC-motorer – motorer med inbyggd hastighetsregulator
Borstlösa likströmsmotorer kallas även elektroniskt kommuterade motorer (EC-motorer). De är synkronmotorer som drivs av likström via en inbyggd (varvtals)regulator. Däremot är EC-motorer kopplade till växelström (nätspänning). Denna växelström omvandlas internt till likström med vilken den integrerade styrenheten styr motorn.
Borstlösa likströmsmotorer kallas även elektroniskt kommuterade motorer (EC-motorer). De är synkronmotorer som drivs av likström via en inbyggd (varvtals)regulator. Däremot är EC-motorer kopplade till växelström (nätspänning). Denna växelström omvandlas internt till likström med vilken den integrerade styrenheten styr motorn.
EC-motorer har vanligtvis en rotor gjord av permanentmagneter som kretsar runt en stator. Den inbyggda regulatorn innehåller en likriktare som omvandlar AC-matningsspänningen till likström (DC). Den integrerade regulatorn skickar sedan rätt mängd ström, i rätt riktning, vid rätt tidpunkt, genom lindningarna i statorn. Detta skapar ett roterande magnetfält i statorn, som driver rotorn med permanentmagneter. Positionen för varje rotormagnet bestäms med hjälp av Hall-sensorer. De lämpliga magneterna attraheras sekventiellt till de magnetiska polerna i statorn. Samtidigt laddas resten av statorlindningarna med den omvända polariteten. Dessa attraktiva och frånstötande krafter kombineras för att uppnå jämn rotation och ger optimalt vridmoment. Eftersom allt detta sker elektroniskt är exakt motorövervakning och kontroll möjlig. En EC-motor kan därför ses som kombinationen av motor och varvtalsregulator i ett hus.
EC-motorer är vanligtvis dyrare jämfört med AC-motorer, men de erbjuder vissa fördelar. De viktigaste är: ett högt vridmoment-till-vikt-förhållande på grund av deras mer kompakta konstruktion och lägre energiförbrukning jämfört med AC-motorer. Permanentmagneterna och den integrerade elektroniken gör denna typ av motor dyrare. Motorn och fläkthastighetsregulatorn är kombinerade i ett hus. Om EC-motorn kan styras direkt via Modbus-kommunikation kan alla motorparametrar såsom temperatur i motorlindningarna, effektförbrukning, varvtal, timräknare etc. fjärravläsas. Driftsättningen kan vara mer komplicerad, men när den väl har installerats erbjuder den här lösningen fler alternativ - särskilt när det gäller integration i BMS-system eller smarta ventilationssystem.
Hur ställer man in EC fläkthastighet?
Precis som fläkthastighetsregulatorer för AC-motorer kan även EC-motorer styras via en extern elektrisk signal (även kallad analog signal) eller via Modbus RTU-kommunikation. En analog signal kan genereras manuellt via en potentiometer eller automatiskt via en VVS-sensor. På detta sätt kan fläktar med EC-motor styras via en potentiometer eller via en HVAC-sensor.
Precis som fläkthastighetsregulatorer för AC-motorer kan även EC-motorer styras via en extern elektrisk signal (även kallad analog signal) eller via Modbus RTU-kommunikation. En analog signal kan genereras manuellt via en potentiometer eller automatiskt via en VVS-sensor. På detta sätt kan fläktar med EC-motor styras via en potentiometer eller via en HVAC-sensor.
Följande bilder ger en översikt över möjligheterna att styra en AC-motor eller en EC-motor:
