ЕС- и АС-моторы: в чём отличие?

В середине XIX в. человечеству было мало 8 метров для передачи информации через телеграф, а сегодня мы жалуемся, если телефонная сеть не работает в метро на глубине 73 метров под землёй. Потребительские запросы растут вместе с развитием технологий. Тенденция к усложнению потребительских запросов наблюдается и в сфере применения электромоторов. В статье мы расскажем, почему специалисты всё чаще обращаются к электронно-коммутируемым двигателям (ЕС), нежели чем к асинхронным (АС).

Как устроен электродвигатель?

Все электродвигатели, вне зависимости от технологии, выполняют одну и ту же функцию: преобразование электрической энергии в механическую, но выполняют они её по-разному. Двигатели классифицируются как AC и EC в зависимости от способа создания и управления магнитными полями.

Конструкция двигателя состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора. Ротор расположен внутри статора и передает крутящий момент через выходной вал. Конструкция вентиляторов включает в себя электродвигатель: крыльчатка вентилятора обычно крепится к вращающемуся валу.

Двигатели с внешним ротором, по сути, имеют противоположное расположение: ротор вращается снаружи статора. Это устраняет необходимость в выходном вале и значительно уменьшает габаритные размеры вентилятора. Крыльчатку вентилятора можно установить непосредственно на внешний ротор.

Асинхронный двигатель

Но почему вращается ротор в асинхронном двигателе? Его конструкция – это цилиндр, в который впаяны высокопроводящие алюминиевые стержни, замкнутые между собой с двух сторон, из-за чего такой ротор ещё именуется короткозамкнутым. Своим видом он напоминает клетку, поэтому его иногда называют «беличьим колесом».

Статор состоит из обмоток, выполненных из медной проволоки. В асинхронном двигателе при включении обмотки статора в сеть образуется вращающаяся магнитное поле. Благодаря тому, что ротор короткозамкнутый, в нём индуцируется ток, который, взаимодействуя с полем статора, создаёт электромагнитные силы, приводящее во вращение ротор двигателя.

Во время работы асинхронного двигателя значительная часть электрической энергии переходит в тепловую. В некоторых случаях на вал асинхронного двигателя устанавливают крыльчатку для его обдува и охлаждения. Следовательно, при снижении оборотов двигателя будет снижаться и скорость вращения крыльчатки, находящейся на валу, вследствие чего не будет обеспечено необходимое охлаждение.

Так, при управлении скоростью вращения и снижении её ниже 40%, часто АС-моторы перегреваются и срабатывает термозащита, а двигатели отключаются. Они включаются снова после остывания. Такая нестабильная работа вентиляторов с АС-двигателями приводит к некорректной работе всей системы.

Электронно-коммутируемый двигатель

Конструкцию электронно-коммутируемого двигателя отличают 2 основных детали:

- В роторе применяются постоянные магниты, а статор не отличается от АС-двигателя: он также состоит из обмоток медной проволоки.

- В корпус электродвигателя интегрирована электроника управления, которая оптимально спроектирована и рассчитана под конкретную мощность.

Электроника управления включает выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный. Затем встроенный контроллер направляет нужное количество тока с необходимой полярностью в нужное время на каждую из обмоток. При этом в статоре образуется вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с постоянными магнитами в роторе.

Зачем управлять оборотами вентилятора?

Для пользователя управление оборотами означает изменение производительности вентиляторов в вентиляционной установке. Так мы решаем, с какой скоростью и, соответственно, в каком объёме будет подаваться воздух в помещение.

Например, к вам пришли гости, и в доме стало душно. Пользователь может увеличить производительность вентиляторов в вентиляционной установке. Так мы увеличиваем кратность воздухообмена в помещении, приводя уровень CO2 в норму.

Другая ситуация, когда может понадобиться управление скоростью вентилятора – это повышение эффективности охладителя: к примеру, охладителя CoolBox. Мы писали об этом подробно в статье. Пользователь может настроить производительность по собственному ощущению комфорта через пульт управления, мобильное приложение или через систему «Умный дом».

Управление оборотами в АС-двигателях.

Когда мы говорим об AC-двигателях в вентиляционных установках, важно понимать, как можно управлять оборотами. Есть 3 распространённых способа: с помощью трансформатора / автотрансформатора, симистора-«фазорезки» и частотного преобразователя. Разберём, как работает каждый из этих способов.

Что можно сделать с помощью управляющего устройства?

1 вариант: трансформатор / автотрансформатор – устройство, которое понижает напряжение. Однако особенность в том, что повышать напряжение трансформатор в электродвигателе не может, а следовательно, не может и повышать частоту вращения: только снижать.

✅ выходное напряжение получается в форме чистой синусоиды, что безопасно для электродвигателя

❌ при снижении производительности ниже 40% двигатель может перегреваться

2 вариант: Симисторный регулятор. С помощью него мы сможем «выгрызать куски синусоиды», как показано на рисунке. Как и способ выше, позволяет только снижать частоту вращения электродвигателя.

✅ низкая цена

❌ используется только с однофазными двигателями небольших мощностей

❌ работа характеризуется шумностью, наличием рывков и треска

❌ при снижении производительности ниже 40% двигатель может перегреваться

❌ потеря крутящего момента на валу

3 вариант: частотный преобразователь – обеспечивает стабильный запуск и дальнейшую работу электрического двигателя. Преобразователь позволяет изменять частоту сети питания, и как следствие – частоту вращения эл. двигателя. Регулировать частоту можно также и по направлению вверх, правда, на частотах в строго ограниченном диапазоне.

✅ возможность как снижения, так и увеличения частоты вращения вентилятора

❌ высокая цена

❌ при снижении производительности ниже 40% двигатель может перегреваться

Общей для всех этих способов будет необходимость дополнительного места для управляющего устройства.

Управление оборотами в ЕС-двигателях.

Управление оборотами в ЕС-двигателях осуществляется за счёт встроенной электроники и позволяет безопасно изменять производительность в диапазоне от 10 до 100%.

Алгоритм работы ЕС-двигателя:

- переменный ток преобразуется в постоянный ток

- отслеживается положение магнитного поля ротора с помощью датчиков Холла

- с помощью силовых ключей (транзисторов) на обмотки статора подаётся необходимое напряжение с нужной полярностью

- Одновременно происходит 2 процесса: магниты последовательно притягиваются к магнитным полюсам статора, а другие обмотки статора заряжаются с обратной полярностью. Благодаря этому силы притяжения и отталкивания объединяются для обеспечения вращения и создания оптимального крутящего момента.

Так как контроль выполняется электроникой, возможны точный мониторинг и управление двигателем.

КПД электронно-коммутируемого двигателя часто превышает 90%, что позволяет ЕС-вентиляторам потреблять на 70% меньше энергии по сравнению с вентиляторами на базе асинхронного двигателя.

При снижении частоты вращения электронно-коммутируемого двигателя, экономия энергии продолжает расти. На графике отображены показатели эффективности асинхронного двигателя мощностью 750 Вт и эквивалентного электронно-коммутируемого двигателя.

Высокая эффективность характеризуется отсутствием потерь энергии в виде тепла и магнитного шума. Такой шум проявляется во время работы на низких оборотах у асинхронного двигателя. Он хорошо распространяется по воздуховодам и его сложно устранить.

Поскольку ЕС-двигатели выделяют меньше тепла, обмотки статора и подшипники подвергаются меньшим нагрузкам, что продлевает срок службы двигателя.

Высокая эффективность также обеспечивает ряд преимуществ, описанных на схеме ниже.

Отечественное производство ЕС-моторов

До 2022 г. рынок ЕС-вентиляторов монопольно занимала продукция немецких производителей. Геополитическая ситуация в мире вынудила их покинуть российский рынок.

С 2023 г. TURKOV запустил собственное производство полного цикла центробежных вентиляторов на базе электронно-коммутируемых двигателей. В данный момент линейка представлена центробежными вентиляторами в стальном корпусе с вперёд загнутыми лопатками 3 типоразмеров: 130, 180 и 230 мм.

В устройстве ЕС-вентилятора инженеру играет на руку всё: от конструктива до возможностей регулировки. Можно ожидать, что в будущем на рынке вентиляционного оборудования ЕС-технология полностью вытеснит асинхронные двигатели. Такое предположение подтверждается и тенденциями на рынке вентиляции.