案例-通信设备机房空调系统中的风机进行风机EC电机改造效益分析

通信设备在机房中运行时对环境要求较高,尤其是空气清洁度以及温湿度等方面主要通过空调系统来实现，而这些实现必须通过大量能源的消耗，因此需要改造达到效率上的提升完成节能的目标。

一  风机EC电机改造的意义
在机房中通信设备与空调风机具有全年每天24h不间断运行的特点,其中空调设备中风机是所有部件中的高能耗部件,因此通过对风机的改造降低能耗是势在必行的。相比于使用其它冷源的节能方案,直接从风机上入手的局限性较小且便利。EC风机的改造可降低30%左右的能耗,并且在改造后不会减少送风风量、不改变送风方式,同时还能提高安全性与稳定性,大大降低故障率,减少维护工作量。以广泛使用的尺寸68AC电机为例,假设过去五年平均功耗实时150W,占空比为75%,2500万台该类型AC电机总耗电量为25TWh,一旦换上了风机EC电机成EC风机系统,那么就可以省下7.5TWh电能。  

二  EC风机的原理特点及改造技术
1、EC风机的原理特点
  无刷直流电机与传统直流电机的区别是省去了励磁集电环和电刷,使得结构更为简单。与此同时继续改进电机的工艺性,而且电机运行的机械可靠性大为增强,寿命增加。不仅如此,气隙磁密同样也逐步提升,电机指标可达到最佳设计,最直观的体现在电机体积缩小、重量减轻等方面。除此之外,对比其它电机而言,仍具备非常出色的控制性能。
原因有三:
第一,因为永磁材料的高性能使电机的力矩常数、转矩惯量比和功率密度等大幅提升。通过合理设计又能使电机中转动惯量、电气及机械时间常数等一系列指标大幅下降,较之伺服控制性能的主要指标有了非常大改善。
第二,现代永磁磁路设计已经是比较完善得了,再加上永磁材料的矫顽力高，使得永磁电机的抗电枢反应和抗去磁能力得到极大的提升，外部的扰动对电机的控制参量影响也是降低许多。
第三，由于电励磁被永磁体所代替，相应减少励磁绕组及励磁磁场的设计，从而少了励磁磁通、励磁绕组电感、励磁电流等相关参数，进而直接减少了可控变量或参量。  
  结合上述多种因素,可以说永磁同步电机具备出色的可控性。当前大容量风机调节风量已有很多采用变频调速方式,这种类型的变频器主要靠进口,价格十分昂贵。例如,目前1kW以下功率等级的风机,尤其是家用空调上的风机已经有许多是永磁无刷直流电机驱动,并且直接采用调速调风量方式。1～10kW功率范围的风机用量非常大,大多都采用的感应电机驱动,同时采用调节风口开度的方式来实现风量的调节。对于该功率范围的风机,利用永磁无刷直流电机驱动来取代之前感应电机驱动具有极高的优越性。  
  ①损耗低、效率高
  由于采用永磁体励磁,直接消除了感应电机励磁电流产生的损耗;与此同时,永磁无刷直流电动机的工作模式是同步运行方式,没有了感应电机转子铁心的转频损耗。以上两点使得永磁无刷直流电机的运行效率高出感应电机很多,尤其是在小容量电机方面。
  ②高功率因数
  因为无刷直流电机励磁磁场无需使用电网的无功电流,所以功率因数比感应电机高很多,无刷直流电机可实现运行于1的功率因数,这在小功率电机方面更为明显。无刷电机与感应电机相比不仅仅额定负载时具有较高效率以及功率因数,同时在轻载条件下更具优势。  
  ③易于控制、调速性能良好
  相比于感应电机的变频调速方式,无刷直流电机调速控制方面不仅更方便,同时具备更好的调速性能。  
  ④逆变器成本因逆变器容量低而降低
  无刷直流电动机运行需要矩形波电流,逆变器持续运行时电流额定值指的就是这个矩形波的峰值。而感应电机运行需要正弦波电流,逆变器持续运行时的电流额定值一般指的是这个正弦波的有效值。为保证逆变器对电动机电流的控制能力,逆变器直流电压与电动机感应电动势间应具备一定差值。因此无刷直流电动机梯形波感应电动势和感应电动机正弦波感应电动势可以达到的峰值都受到逆变器直流电压的限制。基于此,假设无刷直流电动机和感应电动机电流的峰值相等,则无刷直流电动机功率输出比感应电动机要高出33%,换言之,同一台整流器/逆变器可驱动比感应电机的输出功率高出33%的无刷直流电动机。

2、EC风机改造
  目前机房中的专用空调大多仍为AC风机,该风机不仅效率较低,而且噪声很大。至于EC风机本身为数字化无刷直流外转子电机的离心式风机,其中外转子永磁同步电机搭配上后倾式风机直接提高了约30%的整体效率(后倾式风机比前倾式风机效率高10%左右),转子电机可以有效减少传动损失优化散热。
  
  改造过程中需要注意的两个点:
  ①机房空调设备的剩余使用年限应该低于EC风机投资回收年限,若制冷效果不佳则应重新考虑该方案;
  ②对于机房中下送风空调EC风机进行改造需要一定的空间条件,依据实际情况进行改造方案的制定。

3、EC风机系统结构
  风机的节能改造系统往往通过风压传感器、控制器、变频器及输出电抗器等一系列设备组成。其中节能系统的核心控制器集成了模拟量和数字量作为输入与输出,充分优化了其可操作性与实用性,并且在一定程度上提升了通讯能力。与此同时,风机的系统改造应基于不影响原始空调系统运行状态的初衷上开展,因此需要在系统中添加旁路切换功能,即在控制箱中对变频回路的交流接触器和旁路工频的交流接触器进行设置,同时在软件端增加电气互锁程序,以免接触器同时闭合。 

三 改造效益分析
  基于上述EC风机的系统结构进行改造,江西电信在某核心机房中对其中2台机房专用空调进行了改造,对改造前后风机运行电流进行记录。
 测试中原始AC风机电流值为15.5A,接下来对该系统进行改造成EC风机,并分别对有无需求(即压缩机是否工作)两方面进行测试:

改造前：

改造后：

  改造EC风机后针对压缩机是否工作所测是的电流值,其中压缩机不工作时电流值是0.23A,压缩机工作时的电流值为0.51A。
 测试结论:当前环境测试每天节约超600度,每年节约10～20万度,1～1.5年可收回全部投资。测试说明:

①AC风机开机运行就是满载运行,EC风机运行分两种:  
  ·空调无制冷、加热需求,风机降载低速运行,满足空调送风循环即可,即上述改造后(无需求);  
  ·空调有制冷、加热需求,风机加载常速运行,满足空调制冷、加热需求,即上述改造后(有需求);  
②本EC风机更换,通过检测改造AC风机和改造EC风机运行电流,可以计算出更换前和更换后的能耗;三相电功率参照图片；
③因有制冷需求与无制冷需求通过机房温度空调主板电脑计算切换,以上数据按有需求记录,实际风机运行还更节能。

  综上所述,将机房空调系统中传统AC风机改造成EC风机后,能大大降低其电流值,在不改变其送风量、风速以及送风方式的前提下,同时还具备降噪功能,可以有效实现降低风机运行时能耗的需求,达到了非常可观的节能减排目的。不仅如此,EC风机还可以降低由皮带和皮带轮等传动装置故障,进一步提高空调系统的稳定性,减少因故障带来的维修工作量。

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