Új lehetőségek a hajtásszabályozásban a lég- és klímatechnika területén (Dr Szekeres József Rosenberg Hungária Kft Ügyvezető igazgató, Költő Sebestyén Rosenberg Hungária Kft illamos 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 1 ábra Az EC-Motor (Electronically Commutated), elektromos kommutátorral ellátott motor / Kefék nélküli egyenáramú motor, Brushless DC (BLDC)/ 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 hűtést Radiális 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 - p görbe és a rendszerre jellemző terhelési görbe alapján (4/a ábra) 2
p p n 1 n 2 n 3 p 3 p 2 M 3 M 2 p 1 M 2 M 1 p 1 M 1 p 2 M 3 p 3 4/a ábra 32 1 3 4/b ábra 2 1 Abban az esetben, ha változó térfogatáramú rendszerünk (R) van, akkor a 4/b ábra szerint a kevesebb térfogatáram mellett a rendszer nagyobb és nagyobb nyomásviszonyok mellett fog üzemelni iszont a kevesebb térfogatáram ellenére a teljesítményfelvétel közel azonos, az ismert összefüggés alapján P= p η Ez a felismerés ösztönözte a Rosenberg fejlesztőmérnököket a R 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 31 EC motor felépítése Hall szenzor áramkör Rotor Tekercselés Golyóscsapágy Állandó mágnesek p 5 ábra n 1 n 2 n 3 p M 3 M 2 M 1 állandó beállított 3 2 1 6 ábra 4
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= p η, mivel p állandó, így, a térfogatáramok 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 32 EC technika előnyei 7 ábra 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 33 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 EKS vezérlő 8/a ábra 34Integrált 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
41 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) 42Az 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: 0,75 KW Üzemeltetési idő (11h/nap 5nap/hét 50hét): 2750 h illamos energiaköltség: 35 Ft/KWh Üzemeltetési költségmegtakarítás éves szinten: 0,75KW 2750h 35Ft/KWh= 72 187Ft 43Üzemeltetési 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 44 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 50 eszteségek [%] 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 45 Frekvenciaváltós és az EC motoros hajtásszabályozás beruházási költségeinek összehasonlítása (11 ábra) 10
100 Költségek arányai 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 46 AC hajtás frekvenciaváltóval és EC hajtás közötti különbségek: 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 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 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 51 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) 52 Master-Slave alkalmazás 12 ábra Lényege, hogy egy Master ventilátort nyomásra szabályozva vezérlő jelet (0-10) ad a többi ventilátornak A Slave ventilátorok a vezérlőjellel átveszik a Master ventilátor fordulatszámát, munkapontját (13 ábra) 13 ábra 12
53 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) 3~380-480 50 / 60Hz Számítógép RS485-csatlakozással Az RS 485 kimenet épületfelügyeleti rendszerre köthető 14 ábra 54 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 55 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 m 3 /óra légszállításra telepítést követően azonnal üzembehelyezhető Rotációs Szabályozás Rosenberg EC-motorok hővisszanyerő EC-vezérlők 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