AC a EC motory jsou elektrické motory. Elektrické motory hrají klíčovou roli v každodenním životě, protože pohánějí nespočet zařízení a systémů, na které se spoléháme. V domácnostech je najdeme například v lednicích, pračkách, klimatizacích, vysavačích atd. Systémy HVAC (vytápění, ventilace a klimatizace) se na elektrické motory spoléhají při cirkulaci vzduchu, regulaci teploty a udržování komfortu v domácnostech, kancelářích i dalších budovách. Také v dopravě, průmyslu a výrobě hrají elektrické motory zásadní úlohu. V tomto článku se snažíme srozumitelným způsobem vysvětlit rozdíly mezi AC motory a EC motory. Stručně jsou také diskutovány možnosti řízení AC motorů a výhody a nevýhody zmíněných technologií.
Elektrické motory fungují na principu interakce mezi magnetismem a elektrickými proudy
Elektrický motor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou. Elektrická energie je motorem převáděna především na rotační pohyb. Elektrická energie nebo výkon se vyjadřuje v kW, zatímco rotační pohyb se udává v otáčkách za minutu (rpm). Takže elektrický výkon [kW] je motorem přeměněn na rotační pohyb [rpm].
To však nestačí. Kromě elektrické energie je také zapotřebí magnetismus. Některé motory používají permanentní magnety, jiné typy motorů vytvářejí vlastní magnetické pole pomocí cívek a elektrického proudu.
Elektrický motor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou. Elektrická energie je motorem převáděna především na rotační pohyb. Elektrická energie nebo výkon se vyjadřuje v kW, zatímco rotační pohyb se udává v otáčkách za minutu (rpm). Takže elektrický výkon [kW] je motorem přeměněn na rotační pohyb [rpm].
To však nestačí. Kromě elektrické energie je také zapotřebí magnetismus. Některé motory používají permanentní magnety, jiné typy motorů vytvářejí vlastní magnetické pole pomocí cívek a elektrického proudu.
Elektrický motor funguje na základě dynamické spolupráce magnetických sil. Když se na něj přivede elektrický proud, vytvoří se magnetické pole, které interaguje s magnety umístěnými na rotujícím prvku. Tato interakce vyvolává rotační pohyb, což představuje přeměnu elektrické energie na mechanický pohyb. Motor tedy funguje jako sofistikovaný mechanismus, ve kterém orchestrální souhra mezi elektřinou a magnetismem umožňuje řízený a účelný rotační pohyb, jenž je základem pro široké spektrum aplikací ve všech průmyslových odvětvích, včetně HVAC průmyslu.
Motor se skládá ze statoru a rotoru. Stator je statická část motoru – nepohyblivá část, kterou se motor upevňuje ke vzduchovodu nebo instalaci. Rotor je rotující část, na které je upevněna hřídel motoru. U ventilátorů jsou lopatky ventilátoru namontovány na tuto hřídel motoru (na rotor). Rotor má obvykle válcový tvar. Ve statoru se vytváří magnetické pole prostřednictvím elektromagnetismu. Elektrický proud prochází vinutím motoru ve statoru a vytváří magnetické pole. Jelikož se jedná o střídavé napětí a používá se více vinutí, toto magnetické pole se otáčí kolem rotoru. Rotor následuje toto otáčející se magnetické pole. Můžete si to představit jako magnety, které se vzájemně přitahují.
Během procesu přeměny elektrické energie na mechanickou dochází ke ztrátám části energie. Tyto energetické ztráty jsou způsobeny tvorbou tepla, mechanickým třením a jinými elektrickými ztrátami v motoru. Účinnost elektrického motoru udává, jaká část přijaté energie je dostupná na hřídeli motoru. Účinnost je obvykle uvedena na typovém štítku symbolem η vyjádřeným v %. η = 85 % znamená, že 15 % přijaté elektrické energie je ztraceno. Čím vyšší je účinnost motoru, tím menší jsou ztráty a tím více energie se přemění na točivý moment. Síla, kterou je rotační pohyb vykonáván, se nazývá točivý moment a udává se v Nm.
AC motory – Asynchronní vs synchronní motor
AC motory jsou standardem pro průmyslové aplikace. Tento typ motoru se běžně používá také v sektoru HVAC, zejména při větších výkonech. AC motory jsou velmi spolehlivé, robustní a snadno udržovatelné. Rozlišujeme mezi synchronními a asynchronními AC motory.
AC motory jsou standardem pro průmyslové aplikace. Tento typ motoru se běžně používá také v sektoru HVAC, zejména při větších výkonech. AC motory jsou velmi spolehlivé, robustní a snadno udržovatelné. Rozlišujeme mezi synchronními a asynchronními AC motory.
Asynchronní motory
Standardní asynchronní motor je nejjednodušší a nejrozšířenější elektrický motor v HVAC aplikacích a v průmyslové automatizaci. Jedná se o osvědčený koncept, který je cenově dostupný, robustní a spolehlivý. Asynchronní motory jsou relativně snadno udržovatelné a v mnoha případech lze jejich otáčky jednoduše regulovat. Díky technologickému pokroku jsou dnes k dispozici i energeticky úspornější řešení, která jsou ovšem cenově náročnější.
Standardní asynchronní motor je nejjednodušší a nejrozšířenější elektrický motor v HVAC aplikacích a v průmyslové automatizaci. Jedná se o osvědčený koncept, který je cenově dostupný, robustní a spolehlivý. Asynchronní motory jsou relativně snadno udržovatelné a v mnoha případech lze jejich otáčky jednoduše regulovat. Díky technologickému pokroku jsou dnes k dispozici i energeticky úspornější řešení, která jsou ovšem cenově náročnější.
Princip fungování asynchronního motoru je o něco složitější na jednoduché vysvětlení. Asynchronní motor nemá rotor s permanentními magnety – jeho magnetické pole vzniká indukcí. Aby to bylo možné, je rotor tvořen elektricky vodivými prvky. Tyto vodivé tyče jsou obvykle vyrobeny z hliníku nebo mědi. Jsou umístěny do válcovitého rotoru a na obou koncích propojeny zkratovacími kroužky. Celek má tvar klece – odtud název „klecový rotor“ (squirrel cage rotor). Na základě principu indukce (Faradayův zákon) prochází těmito vodiči elektrický proud. Z tohoto důvodu se asynchronnímu motoru také říká indukční motor. Proud v rotoru vytváří magnetické pole, které interaguje s polem statoru a způsobuje rotaci motoru.
Na rozdíl od synchronního motoru se asynchronní motor vždy otáčí pomaleji než magnetické pole statoru. Tento rozdíl se nazývá skluz (slip). Kvůli tomuto rozdílu se v rotoru asynchronního motoru indukuje zpětný proud. Čím větší je zatížení, tím větší je skluz. Rotor se zrychluje, dokud velikost indukovaného proudu v rotoru a moment motoru nevyrovnají zatížení na hřídeli motoru. Jelikož při synchronní rychlosti nevzniká v rotoru žádný indukovaný proud (a tedy ani žádný moment), indukční motor vždy běží pomaleji než synchronní otáčky.
Synchronní motory
Synchronní AC motory jsou technologicky složitější než asynchronní motory. Používají permanentní magnety, což je činí dražšími. Velkou výhodou je jejich nižší spotřeba energie. Synchronní motor je obtížněji regulovatelný než motor asynchronní. Obvykle je k jejich řízení zapotřebí specifický typ frekvenčního měniče. Synchronní motory nelze řídit pomocí transformátorového regulátoru otáček ani elektronického regulátoru otáček.
Synchronní AC motory jsou technologicky složitější než asynchronní motory. Používají permanentní magnety, což je činí dražšími. Velkou výhodou je jejich nižší spotřeba energie. Synchronní motor je obtížněji regulovatelný než motor asynchronní. Obvykle je k jejich řízení zapotřebí specifický typ frekvenčního měniče. Synchronní motory nelze řídit pomocí transformátorového regulátoru otáček ani elektronického regulátoru otáček.
Jak bylo uvedeno výše, ve statoru se vytváří rotující magnetické pole. Synchronní motor má rotor složený z permanentních magnetů. Magnetické opačné póly se přitahují. Magnety na rotoru tedy přesně sledují rotující pole statoru (synchronně), bez ohledu na zatížení.
Regulace otáček AC motorů
Synchronní motory obecně spotřebují méně energie než asynchronní motory, ale lze je používat pouze ve spojení s frekvenčním měničem. U asynchronních motorů je naopak možnost volby – s regulací otáček nebo bez ní. Regulátory otáček pomáhají omezit mechanické rázy při rozběhu. Díky nim lze mnoho aplikací ovládat pohodlněji a přesněji. Například při řízení ventilace podle aktuální potřeby, kdy regulace otáček optimalizuje proudění vzduchu a kombinuje dobrou kvalitu vnitřního vzduchu s úsporou energie.
Synchronní motory obecně spotřebují méně energie než asynchronní motory, ale lze je používat pouze ve spojení s frekvenčním měničem. U asynchronních motorů je naopak možnost volby – s regulací otáček nebo bez ní. Regulátory otáček pomáhají omezit mechanické rázy při rozběhu. Díky nim lze mnoho aplikací ovládat pohodlněji a přesněji. Například při řízení ventilace podle aktuální potřeby, kdy regulace otáček optimalizuje proudění vzduchu a kombinuje dobrou kvalitu vnitřního vzduchu s úsporou energie.
Ve vzduchotechnických aplikacích lze ventilátory s asynchronními motory řídit frekvenčním měničem nebo regulátorem otáček. Každé řešení má své výhody i nevýhody. Frekvenční měnič nabízí nejpřesnější řízení a je energeticky úsporný. Regulátor otáček ventilátoru je levnější a mnohem jednodušší na instalaci i obsluhu.
Frekvenční měnič optimalizuje jak napětí, tak frekvenci motorového proudu pomocí modulace šířky pulzu (PWM). K tomu jsou zapotřebí IGBT tranzistory (Insulated Gate Bipolar Transistors). Jde o výkonné elektronické součástky, které dokáží spínat vysoké elektrické proudy při velmi vysokých frekvencích. Tato technologie umožňuje optimální řízení motoru, ale není levná. Pro řízení ventilátorů se obvykle volí měnič typu V/f neboli skalární frekvenční měnič. Tento typ měniče udržuje poměr napětí a frekvence (V/f) konstantní (konstantní moment) v celém rozsahu otáček. Jedná se o nejjednodušší typy měničů, protože vyžadují jen minimum údajů o motoru. Pro řízení motoru stačí jen omezené nastavení. V/f řízení je zároveň jedinou metodou, která umožňuje řídit více motorů jedním frekvenčním měničem. V takových aplikacích všechny motory spouštějí a zastavují současně a sledují stejný referenční signál rychlosti.
Na rozdíl od frekvenčního měniče mění regulátor otáček ventilátoru pouze napětí motoru. Tento typ regulátoru je vhodný pouze pro motory, které lze řídit změnou napětí, a tedy pro aplikace, kde se točivý moment snižuje s otáčkami – například při řízení ventilátorů. Velkou výhodou tohoto typu regulace je jednoduché ovládání a nízká pořizovací cena. Není nutné žádné nastavování – po připojení lze ventilátor ihned ovládat. Konstrukce regulátoru otáček ventilátoru je mnohem jednodušší než konstrukce frekvenčního měniče, což se příznivě promítá i do ceny.
Existuje několik různých technologií regulátorů otáček – každá má své specifické výhody a nevýhody. Nejčastěji používané technologie jsou: transformátorové regulátory otáček (5-stupňové regulátory) a elektronické regulátory otáček s TRIAC regulací (fázové řízení).
Existuje několik různých technologií regulátorů otáček – každá má své specifické výhody a nevýhody. Nejčastěji používané technologie jsou: transformátorové regulátory otáček (5-stupňové regulátory) a elektronické regulátory otáček s TRIAC regulací (fázové řízení).
Jak nastavit požadovanou rychlost AC ventilátoru?
Bez ohledu na typ regulátoru otáček AC ventilátoru nebo frekvenčního měniče musí mít uživatel možnost určit požadovanou rychlost. To lze provést různými způsoby. Na jedné straně rozlišujeme regulátory otáček, které mají ovládání zabudované přímo v zařízení, a na straně druhé zařízení, která vyžadují externí elektrický signál, pomocí kterého lze nastavit požadovanou rychlost. Tento externí signál může být analogový (např. 0–10 V) nebo digitální (např. komunikace Modbus RTU). Možnosti nastavení požadované rychlosti pomocí externího elektrického signálu jsou podrobně rozebrány v článku o potenciometrech.
Bez ohledu na typ regulátoru otáček AC ventilátoru nebo frekvenčního měniče musí mít uživatel možnost určit požadovanou rychlost. To lze provést různými způsoby. Na jedné straně rozlišujeme regulátory otáček, které mají ovládání zabudované přímo v zařízení, a na straně druhé zařízení, která vyžadují externí elektrický signál, pomocí kterého lze nastavit požadovanou rychlost. Tento externí signál může být analogový (např. 0–10 V) nebo digitální (např. komunikace Modbus RTU). Možnosti nastavení požadované rychlosti pomocí externího elektrického signálu jsou podrobně rozebrány v článku o potenciometrech.
EC motory – motory s integrovaným regulátorem otáček
Bezkartáčové stejnosměrné elektrické motory jsou také označovány jako elektronicky komutované motory (EC motory). Jedná se o synchronní motory, které jsou napájeny stejnosměrným proudem prostřednictvím vestavěného regulátoru (otáček). EC motory se však připojují na střídavý proud (síťové napětí). Tento střídavý proud je uvnitř motoru převeden na stejnosměrný, kterým integrovaný regulátor řídí činnost motoru.
Bezkartáčové stejnosměrné elektrické motory jsou také označovány jako elektronicky komutované motory (EC motory). Jedná se o synchronní motory, které jsou napájeny stejnosměrným proudem prostřednictvím vestavěného regulátoru (otáček). EC motory se však připojují na střídavý proud (síťové napětí). Tento střídavý proud je uvnitř motoru převeden na stejnosměrný, kterým integrovaný regulátor řídí činnost motoru.
EC motory mají obvykle rotor s permanentními magnety, který se otáčí kolem statoru. Vestavěný regulátor obsahuje usměrňovač, který přeměňuje síťové napětí na stejnosměrné napětí (DC). Integrovaný regulátor poté vysílá do vinutí statoru správné množství proudu, ve správném směru a ve správném okamžiku. Tím se ve statoru vytvoří rotující magnetické pole, které pohání rotor s permanentními magnety. Polohu jednotlivých magnetů na rotoru určují Hallovy senzory. Příslušné magnety jsou postupně přitahovány k magnetickým pólům statoru. Současně jsou ostatní vinutí statoru napájena obrácenou polaritou. Tyto přitažlivé a odpudivé síly se kombinují, čímž dochází k plynulé rotaci a optimálnímu přenosu točivého momentu. Protože je celý proces řízen elektronicky, je možné velmi přesné monitorování a řízení motoru. EC motor lze tedy považovat za kombinaci motoru a regulátoru otáček v jednom krytu.
EC motory jsou obvykle dražší než AC motory, ale nabízejí několik výhod. Mezi hlavní patří: vysoký poměr točivého momentu k hmotnosti díky kompaktní konstrukci a nižší spotřeba energie ve srovnání s AC motory. Permanentní magnety a integrovaná elektronika tento typ motoru prodražují. Motor a regulátor otáček ventilátoru jsou sloučeny do jednoho zařízení. Pokud lze EC motor ovládat přímo přes Modbus komunikaci, je možné na dálku číst všechny motorové parametry – například teplotu vinutí, spotřebu energie, otáčky, provozní hodiny apod. Uvedení do provozu může být složitější, ale jakmile je zařízení nainstalováno, nabízí více možností – zejména pokud jde o integraci do systémů řízení budov (BMS) nebo chytré ventilace.
Jak nastavit otáčky EC ventilátoru?
Stejně jako regulátory otáček pro AC motory, i EC motory mohou být řízeny pomocí externího elektrického signálu (tzv. analogového signálu) nebo prostřednictvím Modbus RTU komunikace. Analogový signál může být generován manuálně pomocí potenciometru nebo automaticky pomocí HVAC senzoru. Tímto způsobem lze ventilátory s EC motorem řídit buď potenciometrem, nebo senzorem HVAC.
Stejně jako regulátory otáček pro AC motory, i EC motory mohou být řízeny pomocí externího elektrického signálu (tzv. analogového signálu) nebo prostřednictvím Modbus RTU komunikace. Analogový signál může být generován manuálně pomocí potenciometru nebo automaticky pomocí HVAC senzoru. Tímto způsobem lze ventilátory s EC motorem řídit buď potenciometrem, nebo senzorem HVAC.
Následující obrázky poskytují přehled možností řízení AC motoru a EC motoru:
Více informací naleznete na našich webových stránkách – v sekci Řešení – Jak řídit ventilátor?