Wstęp

W ostatnich dwóch artykułach wyjaśniliśmy zródło pochodzenia szeregu mocy silników AC stosowanych w przemyśle (0,37; 0,55; 0,75; 1,1; 1,5; 2,2; 3; 4; 5,5; 7,5 kW, itd) oraz szeregu średnic wentylatorów (100, 125, 160, 200, 250, 315, 355 mm , itd).

Dowiedzieliśmy się, że oba szeregi są oparte na tzw. liczbach preferowanych i ciągach Renarda.

Inżynierowie przyzwyczajeni do pewnego porządku opartego na rosnącym ciągu liczb, gdzie każda kolejna jest większa od poprzedniej o stały przyrost procentowy wynikający z ciągów Renarda, często są zdezorientowani stając wobec chaotycznego z pozoru szeregu mocy spotykanych w silnikach EC.

Dlaczego w katalogach wentylatorów EC spotykamy moce takie jak 0,17; 0,50; 0,78; 1,35; 1,80; 2,50; 3,30 czy 5,40 kW? Nie przypominają one ani szeregu R10, ani znanych mocy silników asynchronicznych.

Dziś przyjrzymy się zatem, czy rzeczywiście moce te są chaotyczne i sprawdzimy z czego dokładnie wynikają.

Co to są wentylatory EC i dlaczego stały się tak popularne?

Wentylatory EC (Electronically Commutated) wykorzystują silniki z magnesami trwałymi, w których pracą silnika steruje układ elektroniczny. W przeciwieństwie do klasycznych silników nie wymagają one mechanicznej komutacji za pomocą szczotek.

Najważniejszą cechą technologii EC jest jednak nie sam rodzaj silnika, lecz to, że silnik, elektronika sterująca i układ regulacji prędkości tworzą jeden zintegrowany zespół. Dzięki temu wentylator można płynnie regulować bez stosowania zewnętrznego falownika.

Jednak nie tylko sama wygoda wynikająca z wyeliminowania konieczności stosowania zespołu silnik + falownik i zastąpienia ich jednym podzespołem w postaci silnika EC zadecydowała o popularności tych napędów.

Kluczowe zalety wentylatorów z silnikami EC to:

Wysoka sprawność w szerokim zakresie pracy

Silniki EC osiągają wysoką sprawność również wtedy, gdy wentylator pracuje z mniejszą niż nominalna wydajnością. Ma to szczególne znaczenie w instalacjach wentylacyjnych, w których przez większość czasu nie jest potrzebne 100% wydajności urządzenia.

Płynna regulacja wydajności

Prędkość obrotową można zadawać bezpośrednio za pomocą sygnału analogowego, np. 0–10 V, albo cyfrowo poprzez magistralę komunikacyjną, np. Modbus. Pozwala to łatwo uzależnić pracę wentylatora od temperatury, ciśnienia, stężenia CO₂ czy aktualnego zapotrzebowania instalacji.

Brak szczotek

Elektroniczna komutacja oznacza brak szczotek i komutatora, czyli elementów, które w tradycyjnych silnikach prądu stałego ulegają mechanicznemu zużyciu. Przekłada się to na dużą trwałość i niewielkie wymagania serwisowe.

Kompaktowa konstrukcja

Elektronika odpowiedzialna za sterowanie silnikiem jest najczęściej zabudowana bezpośrednio w wentylatorze. Nie trzeba więc montować osobnego falownika, prowadzić do niego przewodów silnikowych ani przeznaczać na niego miejsca w szafie automatyki.

W efekcie otrzymujemy nie tyle silnik EC, do którego później dobieramy resztę instalacji, lecz kompletny, regulowany wentylator z własnym napędem i elektroniką sterującą.

Skąd się biorą moce silników EC?

Tak jak szereg mocy silników AC był odpowiedzią na potrzebę standaryzacji — ten sam silnik mógł napędzać wentylator, pompę, obrabiarkę czy przenośnik — tak w przypadku wentylatorów EC sytuacja wygląda zupełnie inaczej.

W klasycznym układzie z silnikiem AC mieliśmy dwa osobne, znormalizowane produkty: wentylator i silnik. Producent wentylatora określał wymaganą moc, a następnie dobierało się do niego najbliższy większy silnik ze standardowego szeregu, np. 1,1; 1,5; 2,2; 3,0 czy 4,0 kW.

W przypadku nowoczesnych wentylatorów EC silnik nie jest już niezależnym elementem dobieranym z uniwersalnego szeregu mocy. Silnik, jego elektronika oraz wirnik są projektowane jako jeden współpracujący układ.

Dlatego moc napędu EC może wynosić np. 1,35; 1,8; 2,5 czy 3,3 kW. Producent nie musi dopasowywać się do szeregu mocy klasycznych silników AC — może zaprojektować napęd dokładnie pod wymagania konkretnej wielkości i rodziny wentylatorów.

I właśnie dlatego w typowym wentylatorze EC nie traktujemy silnika jako uniwersalnego elementu, który po prostu zdejmuje się z jednego wentylatora i montuje w innym. Podstawowym produktem jest cały zespół: wirnik + silnik + elektronika.

Projektując zatem wentylator z silnikiem EC wychodzimy od zależności:

P = (Q × Δp)/η

gdzie:

P – moc pobierana z sieci [kW]

Q – strumień powietrza [m³/s]

Δp – przyrost ciśnienia [Pa]

η – sprawność całkowita układu

Przykład

Załóżmy, że wentylator ma przetłoczyć 5000 m³/h przy sprężu 650 Pa.

Najpierw zamieniamy wydajność na metry sześcienne na sekundę:

5000 m³/h = 1,39 m³/s

Moc przekazana powietrzu wynosi więc:

1,39 × 650 = 904 W

Te 904 W nie są jeszcze mocą pobieraną z sieci. Część energii tracimy w wirniku, silniku i elektronice.

Jeżeli sprawność całego zespołu wynosi 67%, pobór elektryczny będzie równy:

P₁ = 904 / 0,67 = 1349 W, czyli około 1,35 kW

W ten sposób może pojawić się w katalogu pozornie „nierówna” wartość jak np. 1,35 kW. Wynika ona z konkretnej kombinacji wydajności, sprężu i sprawności, a nie z ukrytego ciągu liczb.

Nie znaczy to, że każdy wentylator 1,35 kW został zaprojektowany dokładnie dla 5000 m³/h i 650 Pa. Przykład pokazuje jedynie, dlaczego wartości mocy EC nie muszą przypominać tradycyjnego szeregu silników AC.

Dlaczego w EC nie ma jednego szeregu mocy?

Do jednego rozmiaru wirnika można zastosować słabszy napęd o niższych obrotach maksymalnych albo mocniejszy, który pozwoli temu samemu wirnikowi wytworzyć większy spręż. Ten sam punkt pracy można też czasem osiągnąć mniejszym wirnikiem obracającym się szybciej albo większym obracającym się wolniej.

Dlatego typoszereg EC nie jest jedną linią mocy. Jest raczej zestawem kombinacji:

średnica wirnika × wariant napędu × maksymalne obroty

Średnice mają swój matematyczny porządek wynikający z szeregu Renarda. Potrzebna moc wynika z aerodynamiki. Konkretne wartości 1,35; 1,8; 2,5 czy 3,3 kW są natomiast granicami możliwości poszczególnych, zintegrowanych konstrukcji danego producenta.

Czy porównywanie mocy AC i EC ma sens?

Nie zawsze.

W klasycznym silniku AC moc podana na tabliczce znamionowej, np. 1,5 kW, oznacza moc mechaniczną, którą silnik może oddać na wale.

Silnik musi jednak pobrać z sieci więcej energii, ponieważ część z niej traci w postaci ciepła.

Jeżeli silnik o mocy 1,5 kW ma sprawność 80%, to z sieci pobierze:

P₁ = 1,5 / 0,80 = 1,88 kW

W przypadku kompletnego wentylatora EC producenci podają natomiast moc elektryczną pobieraną przez cały wentylator, czyli przez silnik razem z elektroniką.

Zatem moc silnika EC, to moc elektryczna pobierana z sieci na zaciskach zasilających wentylator EC. Z tej mocy elektronika zasila silnik, silnik przekazuje moc mechaniczną na wirnik, a wirnik przekazuje część tej mocy powietrzu.

W pierwszym przypadku możemy mówić o mocy mechanicznej dostępnej na wale samego silnika, w drugim – o mocy pobieranej z sieci przez cały zespół wentylatorowy.

Obie wartości podajemy w kilowatach, ale oznaczają one co innego:

  • 1,5 kW dla silnika AC – moc mechaniczna oddawana na wale.
  • 1,5 kW dla wentylatora EC – moc elektryczna pobierana z sieci.

Dlatego tych wartości nie można porównywać bezpośrednio.

Podsumowanie: w pozornym chaosie jest logika

Moce wentylatorów EC nie są przypadkowe, ale nie tworzą też jednego ciągu podobnego do szeregu mocy silników AC.

Najpierw fizyka określa, ile mocy potrzeba do przetłoczenia danej ilości powietrza i wytworzenia wymaganego sprężu. Prawa podobieństwa pokazują, dlaczego niewielka zmiana obrotów albo średnicy może bardzo mocno zmienić zapotrzebowanie na moc.

Następnie konstruktor dobiera silnik, elektronikę, chłodzenie i dopuszczalne obroty. Dopiero wynikiem tego procesu jest wentylator opisany mocą 1,35; 1,8; 2,5 czy 3,3 kW.

Wyjątkowa energooszczędność i niskie rachunki za prąd mają swoją cenę, którą trzeba zapłacić z góry. Wentylatory EC wymagają znacznie wyższych nakładów inwestycyjnych niż ich tradycyjni zmiennoprądowi (AC) poprzednicy. Wynika to nie tylko ze skomplikowanej elektroniki ukrytej w obudowie, ale też z rynkowego paradoksu: całkowitego braku unifikacji.

O ile spalony silnik AC o mocy 1,5 kW można łatwo zastąpić produktem dowolnej innej marki, o tyle w świecie EC taka zamiana graniczy z cudem. Ponieważ moce i konstrukcje napędów EC są szyte na miarę przez każdego producenta z osobna. Klient zostaje mocno przywiązany do jednej marki. Liderzy rynku, tacy jak EBM-Papst czy Ziehl-Abegg tworzą własne zamknięte systemy. Projektują unikalne moce pod konkretną aerodynamikę, stosują własne protokoły elektroniki sterującej oraz specyficzne układy otworów montażowych. W praktyce wentylatora o specyficznej mocy np. 1,35 kW od jednego dostawcy nie da się zastąpić urządzeniem konkurencji – ani pod kątem parametrów, ani montażu. Chociaż napędy EC są ze swej natury mniej awaryjne niż AC, to w przypadku awarii koszty są zazwyczaj wyższe, gdyż zunifikowane napędy trzeba wymieniać w całości (wentylator, silnik, elektronika).