Új lehetőségek a hajtásszabályozásban a lég- és klímatechnika területén (Dr Szekeres József Rosenberg Hungária Kft. Ügyvezető igazgató, Költő Sebestyén Rosenberg Hungária Kft. Villamos üzemvezető.) Az üzemeltetési költségek csökkentése, a működtetés szabályozhatóságának biztosítása a gyártókat újabb és újabb kihívások elé állították. Ez az elvárás összhangban van a fenntartható fejlődést biztosítani szándékozó 2002/91 EK Európai Parlament direktívájával, a környezetterhelés csökkentésének igényével. A berendezések szabályozás oldalról mindinkább az igényeknek kívánnak megfelelni. A Rosenberg GmbH fejlesztőmérnökei az ipar irányítástechnikai fejlődését felhasználva, az új egyenáramú motorjainak (EC motorok) kifejlesztésével kedvező lehetőséget biztosítanak a ventilátorok, a klímagépek hajtásszabályozás területén az energiafelhasználás csökkentése révén. 1. Mi az EC-motor? Az EC motor egy állandó gerjesztésű egyenáramú motor, ahol az elektromos áram átvezetését a forgórészre a hagyományos szénkefék helyett elektromos kapcsolók végzik. (1. ábra) A hagyományos egyenáramú motoroknál az áram szabályozott átvezetését az állórész szénkeféitől a forgórész megfelelő kommutátor szeleteihez irányítják, így hozzák létre a forgórészben a forgó mágneses mezőt, ami által a rotor forgómozgást végez. Az EC-Motor (Electronically Commutated), elektromos kommutátorral ellátott motor. / Kefék nélküli egyenáramú motor, Brushless DC (BLDC)/ 1. ábra Ennél az egyenáramú motornál az irányítástechnika, hajtástechnika fejlődése, méretcsökkenése, költségcsökkenése lehetővé tette Hall érzékelő szenzorok beépítését a rotorhelyzet felismeréséhez. Így a hagyományos mechanikus működés közben kopó szénkefe és rézötvözet kommutátor kapcsolatot felváltotta a megbízható félvezetőkből, integrált áramkörökből felépített vezérlő elektronika (teljesítményelektronika). A maximális elérhető fordulatszámot nem a kommutátor szeletek mechanikus rögzítése határozza meg.
1
2. Mi indokolta az EC motorok kifejlesztését? Az elektromos árammal működő elektromotorok jelentős részét kezdetben az egyenfeszültséggel működő gépek képezték. A műszaki paraméterek és költségcsökkentések javulása következtében a rövidre zárt forgórészű váltóáramú aszinkronmotorok elterjedése csökkentette az egyenáramú gépek lehetőségeit, mivel üzembiztos, karbantartásmentes, fordulatszámváltási lehetőséggel is üzemeltethető. Az ipar minden területén így a váltóáramú aszinkron motorok (AC motorok) elterjedtek, rendkívül megbízhatóan működnek. A lég-és klímatechnika ugyanakkor igényelte a kompaktabb, jól szabályozható, higiéniás követelményeknek is megfelelő motorokat, mivel a hajtás direkt vagy ékszíjhajtáson keresztül valósult meg. (2. ábra) 2. ábra A hajtásigények növekedésével szükségszerűvé vált a külső forgórészes váltóáramú aszinkron motorok kifejlesztése. Az új termék megjelenése Emil Ziehl nevéhez fűződik (1955). Ezáltal a ventilátorok, a klímaberendezések rohamos fejlődésnek indultak. Kialakításukra néhány jellemző példát a 3. ábra mutat 3. ábra Direkthajtás- axiál
Direkthajtás - radiál
Ékszíjas hajtás
Az így kialakított váltakozó áramú aszinkronmotornál a tengely áll, a ház forog. Az ábrán látható, hogy a kialakításuk kevesebb helyet igényel, kisebb súlyú, elmarad az ékszíjból adódó lazaság, kopás és szennyezés. Ezáltal a külső forgórészes motorral hajtott ventilátorok kompakt kialakításuk mellett kisebb karbantartási költséggel üzemeltethetők, üzembiztosak. A ventilátormotorok jellemzően a légáramban vannak elhelyezve, ezáltal a légáram az állandó hűtéstRadiális is biztosítja. ventilátor Axiális ventilátor Csőventilátor Ezek a motorok kezdetben többfokozatú transzformátoros fokozatkapcsolással, majd a később kifejlesztett fokozatmentes frekvenciaváltós szabályozással üzemeltethetők, fordulatszámuk a körülményeknek megfelelően szabályozható. A fordulatszám-szabályozásnál az igényelt különböző térfogatáramok esetén más-más .
nyomásértéket kapunk a gépre jellemző V - ∆ p görbe és a rendszerre jellemző terhelési görbe alapján. (4/a .ábra)
2
∆p
∆p
n1 n2 n3 M1
∆ p1 ∆p2 ∆p3
M3
∆ p3 ∆ p2
M2
M1
∆ p1
M2 M3
.
.
.
V3 V2 V 1
.
.
V
V3
4/a. ábra
.
V2
.
V1
.
V
4/b. ábra
Abban az esetben, ha változó térfogatáramú rendszerünk (VRV) van, akkor a 4/b. ábra szerint a kevesebb térfogatáram mellett a rendszer nagyobb és nagyobb nyomásviszonyok mellett fog üzemelni. Viszont a kevesebb térfogatáram ellenére a teljesítményfelvétel közel azonos, az ismert összefüggés alapján. ˙ V⋅∆p P= η Ez a felismerés ösztönözte a Rosenberg fejlesztőmérnököket a VRV rendszerek energiatakarékosabb üzemeltetését biztosító kompakt EC motoros hajtás kifejlesztésére A fentieken túlmenően a váltóáramú aszinkronmotoros hajtás nyomatéktartása a fordulattal változik. Így automatikusan adódott a gondolat, hogy az egyenáramú motor kiváló nyomatéktartását és az aszinkronmotor megbízhatóságát a jelenlegi műszaki színvonal mellett össze lehet vonni.
3
3. EC motor általános leírása Az elektronikusan kommutált (Elecronically Commuted = EC) egyenáramú motor az integrált csapágyazási rendszere miatt különösen kompakt. (5. ábra). A motor a ventilátor belsejében van elhelyezve a méretcsökkenés érdekében. A forgórész mechanikus és dinamikus kiegyenlítése biztosítja a csapágyrendszer csekély terhelését, igénybevételét, majd a kompakt egység az összeépítést követően kerül ellenőrzésre, beállításra. A motort légáramba helyezzük, biztosítva a megfelelő hűtést az élettartam- növelés érdekében. 3.1. EC motor felépítése Hall szenzor áramkör Rotor Tekercselés Golyóscsapágy Állandó mágnesek
5. ábra
∆p
n1 n2
n3 ∆p
M3
M2
M1
állandó
beállított
.
V3
.
.
V2
V1
6. ábra
4
.
V
Az EC motorok sajátossága, hogy az aszinkron motorokhoz hasonlóan a térfogatáram változtatást a fordulatszám-változtatással itt is el lehet érni, de a nyomásértéket beállítva azt állandó értéken lehet tartani. (6. ábra) Ebből adódik az alábbi megállapítás, mely szerint a:
P=
˙ V⋅∆p , mivel ∆p állandó, η
így, a térfogatáramok V csökkenése a teljesítmény P csökkenését eredményezi! Az alábbi 7. ábrán EC és AC motorral meghajtott ventilátorok jelleggörbéit látjuk. Az ábráról leolvasható, hogy az EC motorral hajtott ventilátor nagyobb teljesítményre képes. Látható továbbá, hogy két kiragadott munkapontban (M1 és M2) az EC motorral hajtott ventilátor kisebb teljesítményfelvétellel tudja a munkapont paramétereit elérni.
7. ábra 3.2. EC technika előnyei • • • • • • •
Magas hatásfok Kismértékű melegedés Tömör felépítés A hálózati frekvenciától független Fokozatmentes fordulatszámszabályozhatóság Szinkron fordulatszám felett (>3000 min-1) lehetséges Alacsony zajszint 5
•
• • •
Kiegészítő funkciók (beépített PID szabályozó, igény szerinti programozás – pl. nyomásszabályozás) Karbantartásmentes Magas élettartam Az EC-motor egyesíti az aszinkronmotorok megbízhatóságát és az egyenáramú motorok hatásfokát
Az „EC” elektronika lehet motortól elkülönült „SZEPARÁLT” vagy motorba épített „INTEGRÁLT” technika. 3.3. Szeparált vezérlésű EC motor Kezdetben a kisebb teljesítményigényű egyfázisú ventilátorhajtások kerültek bevezetésre. Az első típusoknál a motorvezérlés a ventilátortól elkülönülve, külön dobozban került elhelyezésre. Egyfázisú rendszernél az „EKS” típusok, a nagyobb teljesítményű háromfázisú rendszereknél a „TO-3, ill. TO-6” vezérlők alkalmazhatók.(8/a. ábra). 1x230 V. „EKS” vezérlő
8/a. ábra
3.4.Integrált vezérlésű EC- motor felépítése
6
A folyamatos fejlesztés eredményeként az újabb típusoknál a vezérlés már a ventilátorba integrálva az energiabetáplálás mellett, a motorra lett szerelve. Elmarad a frekvenciaváltómotor kapcsolathoz szükséges árnyékolt kábel. Egyszerűbb a ventilátor szerelése, kábelezése, a kompakt kialakítása miatt. Az „IP”védettség azonos a motoréval Pl. „IP-54”!. Az ábrán GKHM 560 típusú ventilátor látható. (8/b. ábra).
•Kábelbevezetők •Elektronika háza •Motorkábel •Sorkapocs •Mikrokontroller •Szűrő 8/b. ábra A teljesítményelektronika fejlődése, az alkatrészek költségcsökkenése, a gyártástechnológia tökéletesítése során a hátrányok teljes egészében megszűntek. Tulajdonképpen a gépet „kifordították” és így a kommutálást az állórészen elhelyezett mágneses érzékelő vezérli (Hall szonda). Gyakorlatilag egy szinkrongép készült. Az „EC” motorok folyamatos fordulatszámváltását a kapocsfeszültség változtatásával szabályozhatjuk. A már említett egyenáramú gépeknél is a tápfeszültség változtatásával értük el a folyamatos fordulatszám-változást, természetesen magasabb költséggel, nagyobb karbantartási ráfordítással, nagyobb zajjal, behatárolt fordulatszámmal.
4. Költség összehasonlítások
7
4.1. Hagyományos „AC” és „EC” motorok terhelhetőségi összehasonlítása A különböző motorokkal hajtott ventilátorok teljesítményfelvételét és hatásfok összehasonlítását a légszállítás függvényében az alábbi diagrammok mutatják. Az összehasonlítás aszinkronmotor transzformátorszabályozás, aszinkronmotor frekvenciaváltós szabályozás és az EC motor mérésein alapulnak. (A jelleggörbék a Rosenberg GmbH mérőállomásán a GKHM 560 típusú ventilátorok mérésének eredményei.)
4.2.Az üzemeltetési költségmegtakarítás éves szinten EC motor alkalmazásával: Számításainkat hatásfok, villamos relatív teljesítménycsökkenés, veszteség és motorveszteségek alapján végeztük el. Mérésünket 3 KW teljesítményű rövidre zárt forgórészű aszinkron AC, ill. vele egyező paraméterű EC motor eredményeivel hasonlítottuk össze, ami cca. 25% üzemeltetési költségcsökkenést jelent. 8
• • •
Teljesítményigény csökkenés: Üzemeltetési idő (11h/nap ¿ 5nap/hét ¿ 50hét): Villamos energiaköltség:
0,75 KW 2750 h 35 Ft/KWh
Üzemeltetési költségmegtakarítás éves szinten: 0,75KW ¿ 2750h ¿ 35Ft/KWh= 72 187Ft 4.3.Üzemeltetési költség összehasonlításán felüli műszaki többletszolgáltatás Jóval nagyobb a megengedhető fordulatszám (n max=5500 min-1), ez a kommutátor és a kefék kiváltásának eredménye. Esetünkben a terhelhetőséget nem a kommutáció és a szeletfeszültség, hanem a teljesítményelektronika korlátai határozzák meg. A minimális fordulatszám (1 min-1), ami gyakorlatilag nem eredményez légszállítást. Állandó nyomatéktartás, egyszerű folyamatos fordulatszám-szabályozás, fix (előre beállítható) kapcsolható fordulatszámok a technika velejárója. Az EC motorok „IP” védelme hasonló a teljesítményben azonos általános motorokéhoz. 4.4. A gyakorlatban elterjedt hajtásszabályozások veszteségei Oszlopdiagramunk készítésénél figyelmen kívül hagytuk a rövidre zárt forgórészű háromfordulatú aszinkronmotorok mérési eredményeit. Alkalmazásuk nem számottevő a légtechnikában. Motortípusok összehasonlítását a veszteségek függvényében a 9. ábra mutatja. 70 60
Veszteségek [%]
50 40 30 20 10 0 Osztott pólusú motor
1 fázisú motor segédfázissal
3 fázisú motor
EC-motor
9. ábra
Az aszinkron motorok és az EC motorok veszteségeinek összehasonlítását a 10. ábra mutatja.
9
Aszinkron motor
EC-motor
P1: felvett teljesítmény Pm: mechanikai teljesítmény 10. ábra 4.5 Frekvenciaváltós és az „EC” motoros hajtásszabályozás beruházási költségeinek összehasonlítása. (11. ábra)
10
Költségek arányai
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Aszinkron motor állandó fordulatszámmal
Kétfordulatú aszinkron motor
Aszinkron motor frekvenciaváltóval
EC-motor ECelektronikával
11. ábra 4.6 AC hajtás frekvenciaváltóval és EC hajtás közötti különbségek: EC motoros hajtás a maximális fordulatszámot a motor kialakítása (nincsenek kefék) és az EC elektronika (vezérlő) határozza meg nmax=5500 min-1 nincs zaj, csendes üzem (beépített szűrő) a minimális fordulatszámot nem szükséges korlátozni, nmin=1min-1 lehetséges, azonos nyomaték tartása mellett! - integrált EC-motor esetében nem szükséges külön szerelés és kábelezés a motor és az EC- elektronika között
AC hajtás frekvenciaváltóval a maximális fordulatszámot a motor kialakítása határozza meg (függ a hálózati frekvenciától) nmax<3000 min-1 a felharmonikusok miatt „zajos” üzem, nagyfokú szűrés szükséges a frekvenciaváltót többnyire külön kell felszerelni, és árnyékolt kábellel bekábelezni
5. Alkalmazási lehetőségek
11
Minden új, sikeres termék elterjedése exponenciális görbe mentén terjed. Az EC technika először a tetőventilátoroknál került alkalmazásra, azt követően a légkezelőgépekben. A kezdeti sikerek további nagyobb teljesítményű motorok fejlesztését inspirálják. 5.1. Nyomásszabályozásos alkalmazás Az üzemeltetéshez nem szükséges külön szabályozó elektronika. A nyomásérzékelő közvetlenül a beépített EC elektronikára köthető. A szabályozást a beépített elektronika végzi. (12. ábra).
12. ábra 5.2. Master-Slave alkalmazás Lényege, hogy egy „Master” ventilátort nyomásra szabályozva vezérlő jelet (0-10V) ad a többi ventilátornak . A „Slave”ventilátorok a vezérlőjellel átveszik a „Master” ventilátor fordulatszámát, munkapontját. (13. ábra).
13. ábra
12
5.3. BUS rendszerű szabályozás
Lakótelepek lépcsőházainak és mellékhelyiségének gazdaságos elszívására, annak felügyeletére kiválóan alkalmas, a szükséges elszívott légmennyiség folyamatos biztosítása mellett. Bus rendszerben akár 64 EC vezérlő köthető össze egy PC-re . (14. ábra).
3~380-480V 50 / 60Hz
Számítógép RS485-csatlakozással
Az RS 485 kimenet épületfelügyeleti rendszerre köthető 14. ábra
5.4 Tetőventilátorok alkalmazása Lakótelepek mellékhelyiségeinek gazdaságos elszívására, annak felügyeletére kiválóan alkalmas az EC motorokkal üzemelő tetőventilátor. A fürdőszobákban és WC-ben szükséges elszívott légmennyiséget folyamatosan biztosítani lehet azáltal, hogy a helyiségekben a benttartózkodás alatt a légminőség-érzékelő jelzést ad a magasabb fordulaton történő üzemelésre. Abban az esetben, ha a fürdőszobában magasabb a páratartalom, akkor a légnedvességérzékelő szintén jelet ad a magasabb fordulaton történő üzemelésre. Egy tetőventilátor egy strang elszívását biztosítja. A rendszer képes egyidejűleg több strang felügyeleti funkcióinak ellátására. Buszrendszerben akár 64 EC-vezérlő köthető össze 1 PCre. (15. ábra).
13
8/1.
…8/8.
1/1.
…1/8.
Számítógép RS485-csatlakozással 15. ábra A fenti megoldás nagy csarnokok szellőztetésére is kiválóan alkalmas, ahol akár zónánkénti szellőztetés is megvalósítható.
5.5 EC ventilátorok alkalmazása légkezelőgépekben.
A légkezelőgépekben alkalmazott külső forgórészes motor és frekvencia váltóval üzemelő hajtást EC motoros hajtással kiválthatunk. Ezáltal a fent ismertetett üzemeltetési előnyök a napi életünk részévé válhat. Az alábbi 16. ábrán egy kompakt légkezelőgép felépítését látjuk, a működéshez szükséges automatika elemekkel. A kompakt gépek bevezetését, elterjedését a piac követelte meg. Szükség volt egy légkezelő berendezésre, amellyel csökkenteni lehet a telepítés, a beüzemelés, ill. az üzembehelyezés határidejét. Elkerülhető a szakipari munkák során ma jelentkező állagmegóvási probléma. A kompakt légkezelőgép gépészeti és villamos kivitelezése telephelyünkön történik. Az erőátvitel-automatika integrálva lett a mechanikai szerkezetben. Tulajdonképpen a szükséges terepi elemek csatlakozása szükséges, mint a villamos energia, vízoldali betáplálás, kondenz víz elvezetési csatlakozás és légcsatorna rácsatlakozást kell megoldani. A már említett EC
14
hajtások bevezetésével, előnyeinek ismeretében ez a berendezés újszerű, a max 8000 m3/óra légszállításra telepítést követően azonnal üzembehelyezhető.
EC-motorok
Rotációs hővisszanyerő
EC-vezérlők
Szabályozás Rosenberg AirTronic 100/200 DDC-vel
16. ábra Összegezve: A Rosenberg GmbH fejlesztőmérnökei az energiatakarékosság, a környezeti terhelés csökkentés kihívásaira kifejlesztett EC motoros hajtásszabályozással előremutató, lehetőséget kínálnak a lég-és klímatechnika területén.
15
