Изучение рынка систем кондиционирования показывает, что одной из наиболее заметных тенденций последнего времени является использование инверторных компрессоров постоянного тока даже в больших климатических установках.
Рис. 1. Наружный (на переднем плане) и внутренний
внутрирядный (на заднем плане, установлен вместе с
телекоммуникационной стойкой) блоки системы
кондиционирования Coolside EVO компании RC Group
Об инверторных компрессорах в бытовых системах кондиционирования известно очень давно, и удивить этими технологиями сложно. Но в более мощной технике, к которой относятся, например, чиллеры, мультизональные системы и мощные прецизионные кондиционеры, инверторные приводы до определенного момента не встречались. Причиной тому, вероятно, были отсутствие необходимых наработок и высокая стоимость двигателей с нужными характеристиками. Однако сегодня эти трудности решены.
Автор данной статьи впервые увидел мощные инверторные приводы для компрессоров в 2011 году на заводе итальянской компании RC Group, оборудование которой наиболее известно на рынке климатических систем для центров обработки данных. На тот момент это были оснащенные инвертором компрессорно-конденсаторные блоки линейки Coolside EVO (рис. 1), подразумевающей использование одного наружного блока и до пяти внутренних внутрирядных кондиционеров.
Особенности инверторного привода для двигателей постоянного тока
Как известно, чтобы реализовать плавное управление компрессором кондиционера в стандартном инверторе (для двигателя переменного тока), переменный ток сети необходимо преобразовать сначала в постоянный, а затем снова в переменный, который потребляет электродвигатель компрессора. Для этого необходимы, соответственно, выпрямитель и инвертор, каждый из которых является причиной удорожания технологии и дополнительной точкой отказа. Кроме того, в определенной мере увеличивается и потребление электроэнергии.
Кондиционеры, оснащенные технологией DC Inverter (инвертором постоянного тока), преобразовывают переменный ток один раз, поскольку и компрессор, и электродвигатель здесь являются приборами постоянного тока.
Схематично различия в схемах с инвертором постоянного и переменного токов изображены на рис. 2.
Рис. 2. Схемы работы инверторных приводов постоянного и переменного токов
Впервые такую схему в своих кондиционерах применила компания Hitachi. Технология получила название DC Inverter. Далее мы подробнее расскажем об этой технологии, однако сначала обратимся к физическим основам регулирования электродвигателей постоянного тока.
Способы регулирования электродвигателей постоянного тока
Как известно, работа электрического двигателя постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции. При этом на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, определяемая следующим образом:
F = B×I×L,
где I — ток, протекающий по проводнику [A], В — индукция магнитного поля [Тл]; L — длина проводника [м].
При пересечении проводником магнитных силовых линий в нем наводится электродвижущая сила (ЭДС), которая направлена против тока в проводнике и поэтому называется обратной или противодействующей ЭДС. Электрическая мощность в двигателе преобразуется в механическую и частично тратится на нагревание проводника.
Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором.
Электродвигатели постоянного тока применяют в электроприводах, где требуются большой диапазон регулирования скорости, большая точность поддержания скорости вращения, возможность регулирования скорости в большую сторону относительно номинальной.
С точки зрения регулирования электродвигателей нас будет интересовать формула для определения частоты вращения. Частота вращения электродвигателя постоянного тока определяется следующим образом:
где U — напряжение питающей сети [В], Iя — ток якоря [A], Rя — сопротивление цепи якоря [Ом], kс — коэффициент, характеризующий магнитную систему, Ф — магнитный поток электродвигателя [Вб].
Данное выражение называется уравнением электромеханической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Из него следует, что существует три способа регулирования угловой скорости:
- за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря;
- за счет изменения потока возбуждения двигателя Ф;
- за счет изменения подводимого к обмотке якоря двигателя напряжения U. Ток в цепи якоря Iя и момент М, развиваемый двигателем, зависят только от величины нагрузки на его валу.
Остановимся подробнее на каждом из этих способов.
Вариант регулирования скорости двигателя постоянного тока изменением сопротивления в цепи якоря приводит к изменению жесткости характеристик в широких пределах, а потому при скоростях менее половины номинальной стабильность работы двигателя резко ухудшается. По этой причине диапазон регулирования скорости ограничен. Скорость можно регулировать в сторону уменьшения от номинальной (об этом свидетельствуют электромеханические и механические характеристики). Высокую плавность регулирования обеспечить трудно. Также недостатком является и наличие значительных потерь мощности в процессе регулирования.
При втором способе регулирование осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока уменьшается. Однако на практике возможно изменение скорости только в сторону увеличения. Благодаря возможности плавного изменения сопротивления реостата появляется и возможность плавного регулирования скорости вращения электродвигателя. Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.
Однако данный вид регулирования практически не высвобождает мощности (энергопотребление постоянно), а потому используется в приводах только в качестве вспомогательного, причем, как правило, только в условиях холостого хода.
Третий способ регулирования скорости заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю.
При этом следует отметить, что все регулировочные характеристики являются жесткими, а степень их жесткости остается для всех характеристик неизменной. Таким образом, работа двигателя является стабильной на всех угловых скоростях, и, следовательно, обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости независимо от нагрузки. Более того, угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно номинальной. Также достаточно просто обеспечить и плавное регулирование частоты вращения электродвигателя: для этого достаточно плавно изменять напряжение постоянного тока.
Наконец, данный вариант регулирования является наиболее экономичным, поскольку регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря.
Учитывая все факторы вышеизложенного анализа существующих способов регулирования частоты двигателей постоянного тока, можно утверждать, что третий способ регулирования является наилучшим.
Именно поэтому в климатической технике регулирование двигателей постоянного тока реализовано посредством изменения питающего напряжения, в чем мы дальше и убедимся. Сейчас же рассмотрим варианты изменения (регулирования) напряжения постоянного тока.
Регулирование напряжения постоянного тока
Как известно, регулирование — это изменение напряжения и тока по заданному закону. Если напряжение и ток постоянные, то регулировать можно только их значения (величину).
Рис. 3. Схема двухполупериодного
регулятора постоянного напряжения
В целом можно выделить два основных способа регулирования напряжения — это выпрямление переменного напряжения посредством диодных мостов и широтно-импульсная модуляция.
В первом случае в выпрямительных микросхемах используются двухполупериодные регуляторы постоянного напряжения (схема таких регуляторов приведена на рис. 3).
Во втором случае питание осуществляется прямоугольными импульсами напряжения, с частотой, достаточно большой для того, чтобы паузы между импульсами не вызывали заметного снижения скорости вращения ротора, то изменением скважности (отношением периода повторения к длительности импульса) можно изменять среднее значение напряжения, подаваемого на двигатель, и таким образом менять частоту вращения его ротора. При этом в схеме питания электродвигателя можно использовать ключевой элемент, имеющий два состояния и способный в процессе работы быстро переходить из одного в другое. Для формирования управляющих прямоугольных импульсов может быть использован, например, мультивибратор или какое-либо другое устройство.
Изменение скважности импульсов при неизменном периоде их повторения для изменения среднего значения тока или напряжения на нагрузке называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Но вернемся к двигателям постоянного тока, используемым в качества привода для компрессоров кондиционеров, рассмотрим преимущества их использования и варианты реализации для систем кондиционирования различных типов.
Hitachi DC Inverter
Общее название технологии — DC Inverter — достаточно точно отражает основную особенность данной техники. В большинстве оборудования данного класса, представленного в России, используется принцип, который, не вдаваясь в глубокие технические подробности и особенности каждой марки, можно назвать частотным, то есть изменения частоты вращения электродвигателя, а значит, мощности компрессора, добиваются путем изменения частоты переменного тока.
В компании Hitachi выбрали другой путь: переменный ток из сети преобразуется в постоянный, а регулирование частоты вращения осуществляется изменением величины напряжения постоянного тока.
Данный принцип позволяет снизить электромагнитное излучение от блока преобразования, увеличить устойчивость системы к колебаниям тока в сети, повысить эффективность системы преобразования до 99,5%, а также снизить нижний предел регулирования холодо/теплопроизводительности климатического оборудования (диапазон регулировки достигает 12–100%).
Кроме того, Hitachi извлекает из наличия постоянного тока дополнительные выгоды для потребителей: питание внутреннего блока осуществляется постоянным током 35 В, что делает его практически электробезопасным, уровень шума внутреннего блока снижается и делается более «приятным» для человеческого уха за счет использования в качестве привода вентилятора внутреннего блока двигателя постоянного тока.
Преимущества инвертора постоянного тока
Технология инверторного привода постоянного тока обладает рядом преимуществ:
- Снижение энергопотребления. Величина экономии зависит от производителя и в среднем составляет 15% в сравнении с традиционной схемой.
- Более стабильная и надежная работа за счет использования упрощенной схемы, в частности, за счет отказа от преобразователя постоянного тока в переменный.
- Кондиционеры с таким устройством могут использовать однофазное питание (из сети переменного тока 220 В) даже в достаточно мощных моделях — до 14 кВт холодопроизводительности.
- Несомненным плюсом является возможность работы таких агрегатов в режиме «охлаждения» при низких температурах атмосферного воздуха (как правило, до –15ºС).
- При этом не теряется ни одно из преимуществ традиционного инвертора переменного тока: тихая работа, точный контроль температуры, экономичность, долговечность.
Использование в мультизональных системах кондиционирования
Рис. 4. Внешний вид наружных блоков
VRF-систем Toshiba серии SMMS-i.
Цифрами обозначены:
1 — новый двухроторный компрессор
постоянного тока,
2 — инвертор с точным векторным
управлением
В последнее время многие производители мультизональных систем кондиционирования анонсировали внедрение инверторных приводов постоянного тока для входящих в состав их систем компрессоров. Так, например, двухроторные компрессоры постоянного тока использованы в VRF-системах Toshiba серии SMMS-i, внешний вид наружных блоков которой представлен на рис. 4. Каждый наружный блок 14 и 16 НР оснащен тремя двухроторными компрессорами постоянного тока с инверторными приводами. Остальные блоки (8, 10, 12 HP) имеют по два компрессора. Новые компрессоры позволяют повысить как энергоэффективность, так и уровень комфорта.
В системе SMMS-i увеличена площадь поверхности магнитов ротора, а специальные прорези повышают эффективность и снижают шум двигателя. Кроме того, благодаря компактным магнитным роторам новой конструкции уменьшены вихревые потери в каждом двигателе. Все эти инновации позволили заметно повысить эффективность мультизональных систем Toshiba SMMS-i.
Кроме того, с использованием технологии DC Inverter изготовлены представленные в 2013 году мультизональные системы кондиционирования компании Hitachi. Данные системы способны быстро обеспечить заданную температуру воздуха в помещении за счет изменения частоты вращения, регулируемой инверторным преобразователем в режиме реального времени.
Как заявляют в Hitachi, использование инверторных компрессоров постоянного тока позволяет достичь 30-процентной экономии электроэнергии без ухудшения уровня комфорта. В то же время применение электродвигателей постоянного тока позволяет на 10% повысить эффективность оборудования.
В компании Hitachi было проведено отдельное исследование повышения эффективности работы мультизональных систем при загрузке 60–80%, поскольку температура, совпадающая с номинальной, бывает в российском климате лишь несколько дней в году, а большую часть времени VRF-система работает при низкой или средней загрузке. Поэтому оптимальной оказывается не система, обладающая максимальной производительностью при пиковой тепловой нагрузке, а та, что эффективнее всех работает при частичной загрузке компрессоров. Это соответствует частотам 30–40 Гц. Как результат — в системах Hitachi Set Free использованы компрессоры с электродвигателем постоянного тока DC Inverter, которые отличаются повышенной эффективностью как раз при вращении на частотах от 30 до 40 Гц.
Рис. 5. Компоновка наружных блоков
мультизональных систем кондициони-
рования Panasonic ECOi.
Цифрами обозначены:
1 — инверторный компрессор,
2 — печатная плата,
3 — накопитель,
4 — вентиляторный двигатель
постоянного тока,
5 — новая конструкция вентилятора,
6 — медные трубки и ребра
теплообменника,
7 — сепаратор масла
Отметим и тот факт, что спиральные компрессоры с постоянной скоростью вращения использованы и в мультизональной системе Panasonic ECOi. Компоновка кондиционеров данной серии представлена на рис. 5.
Использование в прецизионной климатической технике
Года два назад сразу несколько производителей прецизионных кондиционеров заявили о появлении в их линейке климатического оборудования с инверторными компрессорами. Ранее, главным образом из-за высокой стоимости, большой массы и габаритов подобных преобразователей частоты для мощных электродвигателей, их применение сдерживалось.
Но прогресс не стоит на месте. В компании Mitsubishi Electric была разработана новая микросхема инвертора для управления бесколлекторными двигателями постоянного тока (Brushless Direct Current Motor, BLDC) (рис. 6). Двигатели данного типа относятся к категории синхронных приводов. Они также обладают функцией самосинхронизации благодаря возможности управления вектором магнитного поля статора при изменяющемся положении ротора.
Новый инвертор в едином корпусе интегрирует схемы управления, питания и защиты, которые реализованы на основе IGBT-транзисторов, быстродействующих и бутстрепных диодов. Следует отметить, что инвертор имеет защиту от блокировки, короткого замыкания, низкого напряжения и от чрезмерного повышения рабочей температуры.
Рис. 6. Внешний вид однокристалльного
инвертора на 90 Вт, который предназначен
для управления бесколлекторными двигателя-
ми (BLDC). Однокристалльное устройство
получило маркировку M81500FP, оно нормиро-
вано на 500 В/1 А, интегрирует в своем корпусе
схемы управления, питания и защиты,
которые реализованы посредством
IGBT-транзисторов
Именно технология Mitsubishi BLDC использована в линейке шкафных прецизионных кондиционеров CyberAir 3 от немецкого производителя — компании Stulz. Инверторные приводы в данных кондиционерах способствовали повышению энергоэффективности холодильного контура, а также более точному поддержанию температуры в ЦОД. Кроме того, их применение позволяло обеспечить быструю адаптацию к новым условиям в обслуживаемом помещении (снижение/повышение ИТ-нагрузки, добавление новых стоек и серверов). Подобная функция очень важна для объектов, еще не вышедших на полную проектную мощность и постепенно наращивающих обороты.
Использование компрессоров с инверторным регулированием в прецизионных кондиционерах позволяет значительно более точно и быстро (как показывает практика, в среднем в два раза быстрее, нежели в неинверторных моделях) регулировать холодопроизводительность в зависимости от текущей тепловой нагрузки в обслуживаемом помещении. Кроме того, при использовании инверторных компрессоров постоянного тока значительно экономится электроэнергия, снижается уровень шума в кондиционере и исчезает проблема высоких пусковых токов при запуске (в неинверторных моделях пусковой ток в 5–9 раз выше номинального).
Общая тенденция: компрессоры постоянного тока
Итак, подводя итоги, нельзя не отметить, что компрессоры постоянного тока постепенно проникают во все виды систем кондиционирования. Если ранее речь могла идти только о бытовых сплит-системах, то сегодня это также и мультизональные системы кондиционирования, и прецизионное климатическое оборудование, и холодильные машины.
Одним из главных преимуществ компрессоров постоянного тока называют отсутствие необходимости в инверторе переменного тока, который вызывает дополнительные потери мощности и негативно сказывается на стоимости систем. Кроме того, зачастую за счет перехода на постоянный ток оборудование удается повысить электробезопасность оборудования.
Юрий Хомутский,
технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»
