Електродвигуни відіграють важливу роль у повсякденному житті, оскільки вони забезпечують роботу незліченної кількості пристроїв і систем, на які ми покладаємося. У побуті їх можна знайти в холодильниках, пральних машинах, кондиціонерах, пилососах тощо. Системи ОВіК покладаються на електродвигуни для циркуляції повітря, регулювання температури та підтримання комфорту в будинках, офісах тощо. Також у транспорті, промисловості та виробництві електродвигуни відіграють вирішальну роль. У цій статті ми доступно пояснюємо відмінності між двигунами змінного та постійного струму. Коротко розглядаються варіанти керування електродвигуном змінного струму, а також переваги та недоліки згаданих технологій.
Електродвигуни працюють на основі взаємодії між магнетизмом та електричним струмом
Електродвигун - це машина, яка перетворює електричну енергію в механічну. Електрична енергія в основному перетворюється двигуном на обертальний рух. Електрична енергія або потужність виражається в кВт, в той час як обертальний рух виражається в об/хв. Отже, електрична потужність [кВт] перетворюється двигуном на обертальний рух [об/хв]. Але тільки цього недостатньо. На додаток до електричної енергії потрібен ще й магнетизм. Деякі двигуни використовують постійні магніти, інші типи двигунів створюють власні магнітні поля за допомогою котушок та електричного струму.
Електродвигун - це машина, яка перетворює електричну енергію в механічну. Електрична енергія в основному перетворюється двигуном на обертальний рух. Електрична енергія або потужність виражається в кВт, в той час як обертальний рух виражається в об/хв. Отже, електрична потужність [кВт] перетворюється двигуном на обертальний рух [об/хв]. Але тільки цього недостатньо. На додаток до електричної енергії потрібен ще й магнетизм. Деякі двигуни використовують постійні магніти, інші типи двигунів створюють власні магнітні поля за допомогою котушок та електричного струму.
В основі роботи електродвигуна лежить динамічна взаємодія магнітних сил. Коли подається електричний струм, він створює магнітне поле, яке взаємодіє з магнітами, розташованими на обертовому компоненті. Ця взаємодія викликає обертальний рух, що є прикладом перетворення електричної енергії в механічний рух. Двигун слугує складним механізмом, в якому організована синергія між електрикою і магнітом забезпечує контрольований і цілеспрямований обертальний рух, що лежить в основі широкого спектру застосувань у всіх галузях промисловості, включаючи сферу ОВіК.
Двигун складається зі статора і ротора. Статор - це статична частина двигуна - нерухома частина, яка використовується для кріплення двигуна до повітропроводу або установки. Ротор - це частина, що обертається, на якій закріплений вал двигуна. У вентиляторі на цьому валу двигуна (на роторі) закріплені лопаті вентилятора. Ротор зазвичай має циліндричну форму. У статорі за допомогою електромагнетизму створюється магнітне поле. Електричний струм протікає через обмотку двигуна в статорі і створює магнітне поле. Оскільки мова йде про змінну напругу і використовується кілька обмоток, це магнітне поле обертається навколо ротора. Ротор слідує за цим обертовим магнітним полем. Це можна порівняти з магнітами, які притягуються один до одного.
Під час процесу перетворення електричної енергії в механічну частина енергії втрачається. Ці втрати енергії спричинені виділенням тепла, механічним тертям та іншими електричними втратами в двигуні. Коефіцієнт корисної дії електродвигуна показує, яка частина поглинутої енергії доступна на валу двигуна. Коефіцієнт корисної дії зазвичай вказується на заводській табличці символом η, вираженим у %. η = 85% означає, що втрачається 15% поглиненої електричної енергії. Чим вищий ККД двигуна, тим менші втрати і тим більше енергії перетворюється в крутний момент. Сила, з якою здійснюється обертальний рух, називається крутним моментом і виражається в Нм.
Під час процесу перетворення електричної енергії в механічну частина енергії втрачається. Ці втрати енергії спричинені виділенням тепла, механічним тертям та іншими електричними втратами в двигуні. Коефіцієнт корисної дії електродвигуна показує, яка частина поглинутої енергії доступна на валу двигуна. Коефіцієнт корисної дії зазвичай вказується на заводській табличці символом η, вираженим у %. η = 85% означає, що втрачається 15% поглиненої електричної енергії. Чим вищий ККД двигуна, тим менші втрати і тим більше енергії перетворюється в крутний момент. Сила, з якою здійснюється обертальний рух, називається крутним моментом і виражається в Нм.
АС двигуни - асинхронні та синхронні двигуни 
Двигуни змінного струму є стандартом для промислового застосування. Цей тип двигунів також регулярно використовується в сфері ОВіК, особливо з великими потужностями. Двигуни змінного струму дуже надійні, міцні та прості в обслуговуванні. Ми розрізняємо синхронні та асинхронні двигуни змінного струму.
Асинхронний двигун
Стандартний асинхронний двигун - це найпростіший і найпоширеніший електричний двигун в системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря і в промисловій автоматизації. Це перевірена концепція, яка є економічно ефективною, міцною та надійною. Асинхронні двигуни відносно прості в обслуговуванні і в багатьох випадках їх швидкість можна легко регулювати. Завдяки технічному прогресу зараз доступні більш енергоефективні рішення, але вони також мають свою ціну.
Двигуни змінного струму є стандартом для промислового застосування. Цей тип двигунів також регулярно використовується в сфері ОВіК, особливо з великими потужностями. Двигуни змінного струму дуже надійні, міцні та прості в обслуговуванні. Ми розрізняємо синхронні та асинхронні двигуни змінного струму.
Асинхронний двигун
Стандартний асинхронний двигун - це найпростіший і найпоширеніший електричний двигун в системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря і в промисловій автоматизації. Це перевірена концепція, яка є економічно ефективною, міцною та надійною. Асинхронні двигуни відносно прості в обслуговуванні і в багатьох випадках їх швидкість можна легко регулювати. Завдяки технічному прогресу зараз доступні більш енергоефективні рішення, але вони також мають свою ціну.
Асинхронний двигун не має ротора з постійними магнітами, його магнітне поле створюється за рахунок індукції, тому ротор складається з електричних провідників. Ці провідні стрижні зазвичай виготовляються з алюмінію або міді. Вони вмонтовані в циліндричний ротор і з'єднані з обох кінців короткозамкненими кільцями. Усе це має форму клітки - звідси і назва «короткозамкнений ротор». Завдяки принципу індукції (закон Фарадея) через ці провідники протікає електричний струм, який створює магнітне поле, що взаємодіє з полем статора, змушуючи двигун обертатися.
На відміну від синхронного двигуна, асинхронний двигун завжди буде обертатися повільніше, ніж магнітне поле статора. Ця різниця називається ковзанням. Через цю різницю в роторі асинхронного двигуна індукується зворотний струм. Чим більше навантаження, тим більша різниця (ковзання). Ротор прискорюється до тих пір, поки величина індукованого струму ротора і крутного моменту двигуна не врівноважить навантаження на валу двигуна. Оскільки на синхронній швидкості немає індукованого струму ротора (немає моменту), асинхронний двигун завжди працює повільніше, ніж на синхронній швидкості.
Синхронний двигун
Синхронні двигуни змінного струму технологічно складніші, ніж асинхронні. Вони використовують постійні магніти, що робить їх дорожчими. Великою перевагою є їхнє нижче споживання енергії. Синхронним двигуном важче керувати, ніж асинхронним. Зазвичай для керування ними потрібен певний тип регулятора частоти. Синхронними двигунами не можна керувати ні за допомогою трансформаторного регулятора швидкості, ні за допомогою електронного регулятора швидкості.
Як згадувалося вище, в статорі створюється магнітне поле, що обертається. Синхронний двигун має ротор, що складається з постійних магнітів. Магнітні протилежності притягуються один до одного. Тому магніти ротора будуть точно (синхронно) слідувати за обертовим полем статора, незалежно від навантаження.
Синхронні двигуни змінного струму технологічно складніші, ніж асинхронні. Вони використовують постійні магніти, що робить їх дорожчими. Великою перевагою є їхнє нижче споживання енергії. Синхронним двигуном важче керувати, ніж асинхронним. Зазвичай для керування ними потрібен певний тип регулятора частоти. Синхронними двигунами не можна керувати ні за допомогою трансформаторного регулятора швидкості, ні за допомогою електронного регулятора швидкості.
Як згадувалося вище, в статорі створюється магнітне поле, що обертається. Синхронний двигун має ротор, що складається з постійних магнітів. Магнітні протилежності притягуються один до одного. Тому магніти ротора будуть точно (синхронно) слідувати за обертовим полем статора, незалежно від навантаження.
Регулятори швидкості для АС двигунів
Синхронні двигуни зазвичай споживають менше енергії, ніж асинхронні, але можуть використовуватися тільки в поєднанні з перетворювачем частоти. Асинхронні двигуни дозволяють вибрати, чи потрібно керувати ними за допомогою регулятора швидкості чи ні. Регулятори швидкості допомагають зменшити механічні удари під час запуску. Завдяки регуляторам швидкості можна керувати багатьма процесами більш комфортно і точно. Подумайте лише про адаптивну вентиляцію на основі попиту, де регулятори швидкості оптимізують повітряний потік і поєднують хорошу якість повітря в приміщенні з економією енергії.
Синхронні двигуни зазвичай споживають менше енергії, ніж асинхронні, але можуть використовуватися тільки в поєднанні з перетворювачем частоти. Асинхронні двигуни дозволяють вибрати, чи потрібно керувати ними за допомогою регулятора швидкості чи ні. Регулятори швидкості допомагають зменшити механічні удари під час запуску. Завдяки регуляторам швидкості можна керувати багатьма процесами більш комфортно і точно. Подумайте лише про адаптивну вентиляцію на основі попиту, де регулятори швидкості оптимізують повітряний потік і поєднують хорошу якість повітря в приміщенні з економією енергії.
У системах ОВіК вентиляторами з асинхронними двигунами можна керувати за допомогою перетворювача частоти або регулятора швидкості. Обидва способи мають свої переваги та недоліки. Перетворювач частоти забезпечує найбільш точне керування і є енергоефективним, але дорожчий. Регулятор швидкості вентилятора дешевший і набагато простіший у встановленні та використанні.
Інвертор частоти оптимізує як напругу двигуна, так і частоту струму двигуна за допомогою широтно-імпульсної модуляції. Для цього потрібні IGBT. Біполярні транзистори з ізольованим затвором - це високоефективні електронні компоненти, які можуть перемикати потужні електричні струми на дуже високих частотах. Ця технологія забезпечує оптимальне керування двигуном, але вона недешева. Зазвичай для керування вентиляторами обирають V/f або скалярний регулятор частоти. Скалярний перетворювач частоти підтримує постійне співвідношення V/f (постійний крутний момент) у всьому діапазоні швидкостей. Це найпростіші перетворювачі частоти з огляду на невелику кількість даних про двигун, необхідних приводу. Для керування двигуном потрібна лише обмежена конфігурація. V/f - це єдиний метод керування, який дозволяє керувати кількома двигунами за допомогою одного перетворювача частоти. У таких випадках усі двигуни запускаються і зупиняються одночасно і працюють з однаковим заданим значенням швидкості.
На відміну від перетворювача частоти, регулятор швидкості вентилятора змінює лише напругу двигуна. Цей тип регулятора швидкості підходить тільки для двигунів, що регулюються напругою, і тому може використовуватися в системах, де крутний момент зменшується зі швидкістю, наприклад, для керування вентиляторами. Великою перевагою цього типу контролерів є простота експлуатації та низька вартість. Конфігурація не потрібна - як тільки все підключено, вентилятором можна відразу ж управляти. Конструкція регулятора швидкості вентилятора набагато простіша, ніж конструкція приводу зі змінною швидкістю. Це також впливає на вартість. Для регуляторів швидкості вентиляторів можна використовувати різні технології, кожна з яких має свої переваги та недоліки. Найпоширенішими технологіями є: трансформаторні регулятори швидкості (5-ступінчастий регулятор) або електронні регулятори швидкості вентилятора (управління кутом зсуву фаз TRIAC).
Як встановити бажану швидкість обертання АС вентилятора?
Незалежно від типу регулятора швидкості змінного струму або інвертора частоти, користувач повинен мати можливість вказати бажану швидкість. Це можна зробити різними способами. З одного боку, ми розрізняємо регулятори швидкості, де елементи керування вбудовані в сам пристрій, з іншого боку, пристрої, які потребують зовнішнього електричного сигналу, за допомогою якого можна встановити бажану швидкість. Цей зовнішній сигнал може бути аналоговим (наприклад, 0-10 Вольт) або цифровим (наприклад, зв'язок Modbus RTU). Можливості встановлення бажаної швидкості за допомогою зовнішнього електричного сигналу детально розглянуті в статті про потенціометри.
Незалежно від типу регулятора швидкості змінного струму або інвертора частоти, користувач повинен мати можливість вказати бажану швидкість. Це можна зробити різними способами. З одного боку, ми розрізняємо регулятори швидкості, де елементи керування вбудовані в сам пристрій, з іншого боку, пристрої, які потребують зовнішнього електричного сигналу, за допомогою якого можна встановити бажану швидкість. Цей зовнішній сигнал може бути аналоговим (наприклад, 0-10 Вольт) або цифровим (наприклад, зв'язок Modbus RTU). Можливості встановлення бажаної швидкості за допомогою зовнішнього електричного сигналу детально розглянуті в статті про потенціометри.
EC-двигуни - двигуни з вбудованим регулятором швидкості
Двигуни з електронною комутацією - це синхронні двигуни, які приводяться в дію постійним струмом через вбудований контролер. Однак EC-двигуни підключаються до змінного струму в мережі. Цей змінний струм всередині перетворюється на постійний, за допомогою якого вбудований контролер керує двигуном.
ЕС-двигуни зазвичай мають ротор з постійних магнітів, який обертається навколо статора. Вбудований регулятор перетворює змінну напругу живлення в постійний струм (DC). Потім цей вбудований регулятор посилає потрібну кількість струму в необхідному напрямку в певний час через обмотки статора. Це створює обертове магнітне поле в статорі, яке приводить в рух ротор з постійними магнітами. Положення кожного магніту ротора визначається за допомогою датчиків Холла. Відповідні магніти послідовно притягуються до магнітних полюсів статора. У той же час решта обмоток статора заряджаються зі зворотною полярністю. Ці сили притягання і відштовхування поєднуються для досягнення плавного обертання і створення оптимального крутного моменту. Оскільки все це відбувається за допомогою електроніки, можливий точний моніторинг і керування двигуном. Таким чином, EC-двигун можна розглядати як комбінацію двигуна і регулятора швидкості в одному корпусі.
ЕС-двигуни зазвичай дорожчі порівняно з АС двигунами, але вони мають деякі переваги. Основні з них: високе співвідношення крутного моменту до ваги завдяки більш компактній конструкції та нижчому споживанню енергії порівняно з двигунами змінного струму. Постійні магніти та інтегрована електроніка роблять цей тип двигунів дорожчим. Двигун і регулятор швидкості вентилятора об'єднані в одному корпусі. Якщо ЕС-двигуном можна безпосередньо керувати через Modbus-зв'язок, то всі параметри двигуна, такі як температура в обмотках двигуна, енергоспоживання, швидкість обертання, лічильник годин роботи тощо, можна зчитувати дистанційно. Введення в експлуатацію може бути складнішим, але після встановлення це рішення пропонує більше можливостей - особливо з точки зору інтеграції в системи BMS або інтелектуальні системи вентиляції.
Як встановити швидкість обертання EC вентилятора ?
Подібно до регуляторів швидкості вентиляторів для АС двигунів, ЕС двигунами можна керувати за допомогою зовнішнього електричного сигналу (аналогового) або за допомогою зв'язку Modbus RTU. Аналоговий сигнал може генеруватися вручну за допомогою потенціометра або автоматично за допомогою датчика ОВіК. Таким чином, вентиляторами з ЕС-двигуном можна керувати за допомогою потенціометра або за допомогою датчика ОВіК.
На наступних зображеннях наведено огляд можливостей керування двигуном змінного струму або ЕС-двигуном:
Більш детальну інформацію можна знайти на нашому сайті - рішення - як керувати вентилятором?