Proč výrobci stejnosměrných axiálních ventilátorů optimalizují konstrukci motoru za účelem zvyšování energetické účinnosti

Proč výrobci stejnosměrných axiálních ventilátorů optimalizují konstrukci motoru za účelem zvyšování energetické účinnosti

Pokud jste v poslední době vyhodnocovali možnosti zakoupení průmyslových chladicích řešení, pravděpodobně jste si všimli, že výrobci axiálních ventilátorů se stejnosměrným proudem kladou mnohem větší důraz na konstrukci motoru než před pěti lety. Tato změna není náhodná. Je způsobena současným působením regulačního tlaku, rostoucích nákladů na energii a skutečného technického pokroku v oblasti konstrukce bezkartáčových motorů – a pochopení důvodů této změny pomáhá kupujícím učinit informovanější nákupní rozhodnutí.

Z mé zkušenosti s průmyslovými aplikacemi tepelného řízení je jednou z nejčastějších mylných představ, které se mi v praxi vyskytují, považování účinnosti motoru za statickou hodnotu uvedenou v technické dokumentaci. V technické dokumentaci je uvedena maximální účinnost při jmenovité otáčkové frekvenci, avšak ve skutečných provozních podmínkách stráví ventilátory většinu provozních hodin při 30–70 % jmenovité otáčkové frekvence. Právě za těchto částečných zatížení mají konstrukční rozhodnutí týkající se motoru největší měřitelný dopad – a právě zde je finanční rozdíl mezi optimalizovaným a neoptimalizovaným motorem nejvýraznější.

Rozdíl v účinnosti u tradičních návrhů motorů

Klasické střídavé indukční motory používané v dřívějších generacích axiálních ventilátorů obvykle dosahují účinnosti přeměny elektrické energie na mechanickou v rozmezí 60–80 %. Zbytek vstupního výkonu se ztrácí především jako teplo v odporu rotoru (ztráty I²R) a prostřednictvím ztrát magnetického jádra ve statorových plechových deskách. U ventilátoru, který běží nepřetržitě v průmyslovém prostředí, se tento rozdíl v účinnosti přímo promítá do nákladů na energii, které se hromadí po mnoho let provozu.

Výrobci DC axiálních ventilátorů již brzy poznali, že cesta ke zvýšené energetické účinnosti vede přímo skrz architekturu motoru samotného. Motory typu bezkartáčový stejnosměrný (BLDC) a EC (elektronicky komutované) řeší základní neúčinnosti indukčních motorů tím, že nahrazují měděnou vinutou indukční rotorovou část sestavou rotoru s trvalými magnety. Tím úplně eliminují ztráty v měděném vinutí rotoru – jednu z hlavních příčin neúčinnosti u klasických konstrukcí motorů.

Klíčové optimalizace konstrukce motoru v moderní výrobě DC axiálních ventilátorů

Když výrobci stejnosměrných axiálních ventilátorů popisují optimalizaci konstrukce motoru za účelem zvýšení energetické účinnosti, obvykle mají na mysli sadu navzájem propojených konstrukčních rozhodnutí, která dohromady určují, jaká část elektrického vstupu se přemění na užitečnou práci ve vzdušném proudu:

• Konstrukce rotoru s trvalými magnety: Nahrazením indukčního rotoru vysoce energetickými trvalými magnety (obvykle slitinami neodymu, železa a boru) výrobci eliminují ztráty buzení rotoru, které tvoří významnou část energetických ztrát indukčních motorů. Konstrukce s trvalými magnety dosahují špičkové účinnosti nad 90 % – některé konfigurace EC axiálních ventilátorů s vnějším rotorem jsou dokonce uváděny s účinností přesahující 92 % za jmenovitých provozních podmínek.
• Architektura komutace EC a BLDC: Elektronicky komutované motory synchronizují posloupnost přepínání statoru s polohou rotoru pomocí hallových senzorů nebo bezsenzorové detekce zpětného elektromotorického napětí (back-EMF). To umožňuje motoru udržovat vysokou účinnost v mnohem širším rozsahu otáček než indukční motory závislé na skluzu, což je zvláště cenné v aplikacích automatického řízení otáček energeticky účinných axiálních výfukových ventilátorů, kde se otáčky ventilátoru mění v reakci na teplotní signály.
• Optimalizace vinutí statoru: Pokročilé konfigurace vinutí snižují ztráty v měděném vinutí statoru optimalizací počtu závitů, průřezu vodiče a koeficientu vyplnění drážek. U nízkovýkonových bezkartáčových energeticky účinných axiálních ventilátorů ec přímo snižuje optimalizace statoru ztráty způsobené odporovým ohříváním, zejména při částečném zatížení.
• Zařazení do třídy účinnosti motorů IE: Mnoho výrobců stejnosměrných axiálních ventilátorů navrhuje své motory tak, aby splňovaly nebo překračovaly normy pro vysokou účinnost IE3 (premium efficiency) a IE4 pro axiální ventilátory. Třída účinnosti IE4 (super-premium efficiency) vyžaduje téměř úplné odstranění ztrát v měděném rotoru – požadavek, který prakticky nutí použít buď synchronní motory s trvalými magnety, nebo synchronní reluktanční motory místo tradičních indukčních konstrukcí.

Regulační a tržní síly, jež podporují investice do konstrukce motorů

Optimalizace konstrukce motoru mezi výrobci stejnosměrných axiálních ventilátorů není pouze otázkou konkurenční diferenciace. Stává se stále častěji požadavkem předpisů. Nařízení Evropské unie o ekodesignu stanovuje minimální úrovně energetické účinnosti pro ventilátory dodávané na evropský trh, přičemž po sobě následující požadavky se v průběhu času stále zpřísňují. Zakupující, kteří zakoupí ventilátory pro projekty v Evropě, musí nyní potvrdit, že vybrané výrobky ventilátorů splňují příslušné úrovně účinnosti ErP – požadavek, který přímo urychlil přechod k motorovým architekturám BLDC a EC u výrobců zaměřených na export.

Tržní údaje potvrzují stejný obraz. Světový segment axiálních ventilátorů s elektronickou komutací (EC) roste průměrným ročním tempem přibližně 6,3 %; trh je hodnocen na zhruba 2,5 miliardy USD a do roku 2034 má dosáhnout přibližně 4,1 miliardy USD. Tento trvalý růst odráží skutečnou poptávku průmyslových zakázkoníků, kteří modernizují zastaralé instalace AC ventilátorů, a výrobců zařízení (OEM), kteří ve svých nových návrzích specifikují součásti s vysokou energetickou účinností. Výrobci DC axiálních ventilátorů, kteří investují do optimalizace konstrukce motoru, se tímto připravují na rozšiřující se segment.

Proč se změna výkonu při částečné zátěži odrazí na výpočtu účinnosti

Nepovažuji za vhodné tvrdit, že údaje o účinnosti při jmenovité rychlosti jsou zcela bezvýznamné – nejsou – avšak většina průmyslových aplikací je ve skutečnosti řízena profilem účinnosti při částečném zatížení. Konstrukce EC a BLDC motorů udržují svou výhodu z hlediska účinnosti nejzřetelněji v rozmezí 40–80 % jmenovité rychlosti, což je rozsah, ve kterém se většinou provozují chladicí aplikace s proměnnou rychlostí.

Když jsem poprvé zaznamenal rozdíl v ceně mezi standardními střídavými axiálními ventilátory s přímým proudem a variantami s elektronicky komutovanými motory, zdála se prémie vysoká. Až po provedení výpočtu úspor energie na časovém horizontu tří až pěti let se výhoda celoživotního nákladu stala zřejmá. Průmyslová data z porovnatelných průmyslových aplikací naznačují, že modernizace od konvenčních ventilátorů s indukčními nebo kartáčovými motory na axiální ventilátory s EC motorem a vnějším rotorem může snížit spotřebu energie o 30 až 50 %; u konfigurací s bezkartáčovými stejnosměrnými motory (BLDC) se v aplikacích jednotek pro zpracování vzduchu dosahuje úspor až 40 %. Při průmyslových sazbách za elektřinu se tato úroveň úspor obvykle vyplatí prémii během dvou až tří let provozu.

Co to znamená při zakoupení od výrobců axiálních ventilátorů s přímým proudem

Pro obchodní společnosti a nákupní manažery, kteří hodnotí výrobce stejnosměrných axiálních ventilátorů, má optimalizace konstrukce motoru praktické důsledky pro výběr dodavatelů. Výrobce, který investoval do EC nebo BLDC architektury motorů ve své řadě axiálních ventilátorů, bude obecně lépe schopen podporovat odběratele čelící požadavkům na energetickou účinnost, zejména na evropském trhu.

Při hodnocení výrobců stejnosměrných axiálních ventilátorů z hlediska energetické účinnosti zvažte požádání o účinnostní křivky v celém rozsahu otáček – nikoli pouze o maximální účinnost za jmenovitých podmínek. Výrobce, který dokáže poskytnout data o účinnosti při částečném zatížení (50 % a 70 % jmenovitých otáček), prokazuje skutečnou transparentnost ohledně výkonu v reálných provozních podmínkách. Pro aplikace s automatickou regulací otáček a energeticky účinnými axiálními výfukovými ventilátory jsou tato data přímo využitelná pro výpočet úspor energie.

Lebisen Fan, sídlící v provincii Kuang-tung, rozšířila svou výrobní paletu o osové EC ventilátory a motory BLDC přesně za účelem splnění požadavků tohoto trhu. Investice do technologií EC a BLDC umožňují společnosti uspokojovat nákupní firmy, jejichž západní zákazníci v Evropě a Severní Americe vyžadují ventilátory splňující současné i stále se vyvíjející normy účinnosti – aniž by museli kupující zakoupat motor a ventilátor odděleně od různých dodavatelů.

Závěr

Důvod, proč výrobci stejnosměrných osových ventilátorů optimalizují konstrukci motoru za účelem zvyšování energetické účinnosti, je v konečném důsledku zcela jednoduchý: regulativní prostředí to vyžaduje, trh to odměňuje a technologie umožňující dosáhnout této účinnosti je nyní komerčně ověřená a nasazitelná v průmyslovém měřítku. Pro kupující je pochopení rozdílů mezi jednotlivými architekturami motorů – a znalost toho, které ukazatele účinnosti od dodavatelů vyžadovat – nejpřímější cestou k výběru produktů, které skutečně splňují slibované úspory energie během celé doby provozu.