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电子换向为交流和直流风扇应用提供更佳的节能效果

关键词:电子换向 工业自动化 无刷直流风扇

时间:2020-05-21 14:06:06       来源:网络

  将传统的冷却和通风风扇升级为电子换向等效产品,不仅可以提高效率,而且可以使运行更安静,更可靠。

  从计算机系统、工业自动化到住宅和商业建筑,全世界各种能耗中有很大一部分是用于为风扇供电以进行冷却和通风。将常规的直流或交流供电电机更换成电子换向电机,它们也可变得更安静、更可靠,从而可提高效率并节省大量的电能。

  无刷直流风扇

  无刷直流 (BLDC) 电机已在许多使用低压直流风扇的领域中取代了传统的有刷电机,例如冷却电子部件。它们更高的效率带来了诸多优势,其中包括提高了电器能效等级,并且可延长电池供电的设备运行时间。另外,没有碳刷则消除了常见的缺点,例如机械磨损和电弧。此外,由于动力线圈位于转子外部,可通过传导进行冷却,从而使电机能够保持密封性,以防止灰尘或其他污染物进入内部。可使用电压控制(例如常见的1-10V信号)或者使用由微控制器或电机驱动电路生成的PWM信号,来调节风扇的转速。

  使用1-10V模拟控制,可通过热敏电阻电路轻松地随着温度的升高或降低,而增加或降低风扇的转速。图1显示了负温度系数(NTC)的热敏电阻,如何确保所施加的电压随着,热敏电阻的电阻随温度的升高,而线性增加,从而提高风扇速度以增加冷却能力。

 

图1. 使用NTC热敏电阻进行温度相关的电压控制。

  或者,可将固定频率的脉冲宽度调制(PWM)方波,应用于风扇转速控制的导线(图2)。风扇转速和,导通时间与PWM周期之比,成正比。

  电子换向为交流和直流风扇应用提供更佳的节能效果

图2. 电子换向风扇的简单PWM控制。

  电子换向风扇助推交流应用

  作为传统交流风扇的替代品,集成了交流/直流转换和电动马达驱动电路的电子换向风扇,是一项相对较新的选择。采用最新的电子技术和叶轮空气动力学特性,Sunon的EBM-Papst和CF4113系列的K3G、R3G、ACI44和S3G系列的电子换向风扇可实现高达90%的效率,而最好的50Hz交流风扇效率只有70-80%。除了帮助降低公用事业成本并进一步遵守生态设计法规(例如适用于额定功率从125W到500kW的所有应用的欧盟ERP法规)外,能耗的大幅度降低还降低了自发热,从而有助于提高设备的可靠性。另一个优点是,根据EBM-Papst发布的信息,在可比的空气性能下,电子换向风扇的噪声通常约为交流风扇的一半,并且在某些工作场所可降低至6dB的低噪音,从而为工作人员或居住场所创造了更舒适的环境。

  通过集成电源转换和电机控制电子设备(使设备直接连接到交流电源),电子换向风扇简化了设计并节省了空间。选择电子换向风扇的工程师们,可以设定数据表的效率将代表整个系统的效率。而无需考虑传统交流风扇必须附带的外部电源和控制电子设备的额外影响。通常还内置了基本保护功能、干扰抑制功能、软启动电路和通信端口。但电子换向风扇的尺寸可与类似的交流风扇相似或相同。此种物理兼容性可以轻松替换现有设备设计中的交流风扇,因此升级到电子换向技术可以快速直接地进行。

  传统的交流风扇,以相对于交流电源频率固定的转子速度运行。如果需要变速,则需要使用三端双向可控硅开关以斩波输入的交流波形(图3)或使用逆变器变频驱动器(图4)进行相位控制。

 

  图3. 相位控制会截断交流波形,以改变提供给电机的功率。(一般图形,来源: 

  更高效率,更低噪音

  采用相位控制,随着电机速度的降低,则电能效率会显著地降低,但电子换向风扇则在很宽的负载范围内以接近最高效率的转速连续运行。另一种选择是逆变器驱动,这增加了系统的成本,并且还带来了额外的电能损耗。而且,可能需要额外的保护以防止有害的轴电压和相关的杂散电流,这些杂散电流会导致轴承腐蚀并产生早期的故障。

 

图4. 用于交流电机变频控制的变频驱动器。

  利用其内置的电子控制器,电子换向风扇允许使用简单的模拟或PWM波形以与直流风扇相同的方式控制风扇的转速。电机速度与电源频率无关,并且不受交流电源电压波动的影响。电子速度控制为产品开发人员提供了前所未有的灵活性,可以在应用领域级上最大程度地节省电能,确保安静运行并创建诸如远程控制和监视之类的额外增值功能。

  EBM-Papst声称,在空调冷凝器中,与传统的相控交流电机在标称速度下相比,电子换向风扇能耗降低了10%以上,而在其他工作点上则降低了50%。

  例如,在空调或机械通风应用领域中,可能需要系统随着气流的变化在管道中保持恒定的压力。相反,在过滤系统中,随着工作压力在过滤器服务间隔之间的变化,可能要求风扇保持恒定的气流。如果风扇速度恒定,则使用阻尼系统来调节气流,这有效地浪费了一部分提供给风扇的电能。通过响应压力传感器数据改变电子换向风扇的转速,可以在任何给定时间内调整气流和压力以满足确切的要求,从而保持一致的性能并使能耗与系统需求相匹配,从而最大限度地提高效率并降低使用成本。

  除了避免电能浪费之外,降低风扇转速还可以减少来自电机和空气运动的噪声。

  以恒定的电机速度改变气流的另一种方法是开关多电机阵列。冷凝器可能有四个以恒定速度运行的交流风扇。关闭两个风扇可将气流减少50%,同时还降低50%的能耗。噪音降低约3dB。相比,当速度降低到50%气流时,可比的四个电子换向风扇阵列消耗的电能不到最高能耗的三分之一,而噪音降低了15dB。

  结论

  最大限度地提高冷却和通风系统中使用的风扇的效率,可显著降低整体的能耗。有效利用设备外壳内部的空间和降低可听见噪声,是采用改进冷却风扇技术可获得另外两大潜在优势。电子换向(EC)风扇可以实现这些目标,并在外形不超过可比的常规交流电机的外形下,结合了交流和直流电机的优点。

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