Особенности и преимущества BLDC-компрессоров при управлении производительностью систем кондиционирования

Благодаря постоянному развитию технологий производства электронных компонентов и появлению материалов с прежде недостижимыми характеристиками создаются условия для улучшения параметров широкого спектра оборудования, в том числе климатической техники.

, обеспечивающий сжатие газообразного хладагента перед подачей его в конденсатор.

Во многом именно от компрессора зависят такие характеристики холодильного контура, как количество тепла, переносимого от испарителя к конденсатору, и необходимый для этого объем потребления электрической энергии.

Линейка инверторов Power+ производства компании Carel

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПРЕССОРОВ

Отношение тепловой энергии, переносимой компрессором, к затрачиваемой при этом электрической энергии называется коэффициентом энергоэффективности установки. При работе на тепло применяется коэффициент производительности (Coefficient of Performance, COP):

COP = Q_тепло/N_потр,

а при работе на холод — коэффициент энергетической эффективности (Energy Efficiency Ratio, EER):

EER = Q_холод/N_потр.

Указанные коэффициенты используются для оценки энергоэффективности системы, поэтому они стандартизированы и объединены в несколько классов: от A до G. Наиболее эффективным является оборудование класса A.

Графики зависимости коэффициента энергоэффективности от нагрузки для различных типов компрессоров

До недавнего времени номинальные параметры установки COP и EER рассматривались как основные показатели энергетической эффективности, при этом фактический режим работы компрессора не учитывался. Однако если принять во внимание сезонное изменение нагрузки на холодильное оборудование, то выясняется, что:

• значительный период времени компрессор загружен не полностью (см. рис. 1);
• наиболее эффективно — с точки зрения COP — он работает при частичной загрузке (см. рис. 2).

Рис. 1. Диаграмма распределения нагрузки компрессора по времени

Рис. 2. Зависимость COP компрессора от нагрузки

Как следствие, возникает необходимость в управлении производительностью компрессора с целью оптимизации энергопотребления системы в целом.

По мере развития технологических возможностей приводного оборудования производители компрессоров стали предлагать все новые методы решения данной задачи. Параллельно была обновлена классификация энергоэффективности климатических систем, которая теперь основывается на значениях коэффициентов COP и EER при работе установки с частичной нагрузкой.

В этой связи интересно сравнить существующие типы компрессоров, обладающих разными возможностями по управлению производительностью. В таблице приведены характеристики наиболее распространенных модификаций компрессоров.

Характеристики регулирования производительности  наиболее распространенных модификаций компрессоров

Приведенное сравнение показывает, что наиболее перспективными с точки зрения сезонной эффективности являются компрессоры, оснащенные бесщеточными двигателями постоянного тока (Brush Less Direct Current, BLDC). Данный вывод подтверждается графиками зависимости коэффициента энергоэффективности от нагрузки для различных типов компрессоров (см. график). Таким образом, BLDC-компрессоры обеспечивают наивысшую эффективность в наиболее часто используемом диапазоне нагрузок.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ

До недавнего времени в компрессорной технике применялся единственный тип моторов — асинхронный двигатель переменного тока. В нем используется принцип взаимодействия магнитного поля ротора, которое создается наведенными статором вихревыми токами, с вращающимся магнитным полем статора. Вращение поля статора обеспечивается соответствующей конструкцией его обмоток.

В отличие от двигателя переменного тока, моторы постоянного тока используют эффект магнитного взаимодействия полюсов постоянных магнитов с полем статора (или ротора — в зависимости от конструкции мотора), секции которого последовательно подключаются к источнику постоянного напряжения, создавая тем самым вращающееся магнитное поле.

Известные моторы постоянного тока, в которых магниты расположены на статоре, а вращающееся магнитное поле создается ротором, требуют наличия так называемых щеток — контактов, подающих напряжение на обмотки ротора. Из-за постоянного трения щеток и контактов движущегося ротора возникают:

• износ щеток, требующий их регулярной замены;
• повышенный уровень электромагнитных помех вследствие искрообразования в моменты размыкания цепи щетка-контакт.

По перечисленным причинам моторы такого типа не используются в компрессорном оборудовании.

По мере развития силовых электронных компонентов и с появлением новых типов магнитных материалов, в частности редкоземельных магнитов Nd-Fe-B, появилась возможность разместить постоянные магниты на роторе, а вращающееся магнитное поле создавать электронно коммутируемыми электромагнитами, расположенными на статоре.

На рис. 3 схематично показана конструкция статоров и роторов асинхронного двигателя переменного тока, а также BLDC-двигателей с различными вариантами размещения постоянных магнитов.

Рис. 3. Варианты конструкции статоров и роторов асинхронного двигателя переменного тока и BLDC-двигателей

Технология BLDC имеет следующие фундаментальные преимущества:

• отказ от щеток как наименее надежного элемента конструкции мотора постоянного тока;
• плавное управление скоростью вращения ротора путем изменения продолжительности подачи напряжения питания на каждую из обмоток;
• изменение направления вращения ротора простым изменением последовательности переключения обмоток;
• управление разгонными и тормозными характеристиками мотора за счет изменения величины напряжения, подаваемого на каждую обмотку (и, как следствие, изменение момента, создаваемого на валу двигателя);
• снижение потерь благодаря отсутствию рассеивания энергии, которое иначе имело бы место при протекании тока через обмотки ротора в соответствии с законом Ома.

Перечисленные достоинства BLDC-моторов делают их весьма привлекательными для использования в качестве приводов компрессорного оборудования — прежде всего с точки зрения возможности регулирования производительности в широких пределах.

ПРЕИМУЩЕСТВА BLDC-КОМПРЕССОРОВ

Для извлечения всех возможных выгод от применения компрессоров с BLDC-моторами требуется соответствующая система управления, наиболее критическим элементом которой является BLDC-инвертор, генерирующий питающее напряжение с необходимыми параметрами для корректной работы компрессора.

Одно из наиболее передовых в технологическом отношении решений этой задачи реализовано в линейке инверторов Power+ производства компании Carel. Данное семейство инверторов является частью комплексного предложения для производителей чиллеров, тепловых насосов и центральных кондиционеров, в состав которого также включены:

• широкая линейка свободно программируемых контроллеров, используемых для управления инженерными системами;
• готовые проверенные программные решения по управлению всеми существующими типами установок, в том числе сертифицированные большинством производителей компрессоров, что гарантирует корректное и безопасное управление режимами работы этого оборудования;
• датчики параметров среды и исполнительные устройства.

Основные достоинства BLDC-компрессоров — более высокая энергоэффективность установки, повышенная надежность и улучшенные эксплуатационные характеристики системы (см. подробнее ниже) — способствуют стабильному росту их популярности среди производителей промышленного климатического оборудования.

Более высокая энергоэффективность установки:

• при частичной нагрузке показатель COP выше на 10–35% — по сравнению с таким же контуром, оснащенным компрессором, который работает в режиме пуск-остановка;
• COP контура с BLDC-компрессором в среднем до 10% больше, чем в случае типового контура, имеющего в своем составе четыре компрессора старт-стоп.

Повышенная надежность:

• плавный старт компрессора с управляемой характеристикой разгона снижает негативное влияние механических нагрузок на клапаны, трубки и другие компоненты холодильного контура в момент запуска системы, а кроме того, уменьшает пусковые токи;
• использование плавного регулирования производительности позволяет радикально уменьшить количество пусков-остановок компрессора за определенный период времени, вплоть до одного раза в день;
• при наступлении аварийной ситуации производительность компрессора может быть снижена с целью предотвращения перегрева компрессора и выхода его из строя; при отсутствии же возможности регулирования производительности в аварийной ситуации компрессор необходимо полностью остановить, что снижает надежность работы системы в целом.

Улучшенные эксплуатационные характеристики системы:

• более точное поддержание требуемой температуры за счет отсутствия циклов включения-выключения;
• снижение уровня шума благодаря тому, что основную часть времени компрессор работает на пониженных оборотах;
• уменьшенные габариты и масса компрессора при сохранении производительности вследствие более высоких максимальных оборотов и меньшего нагрева компрессора во время работы (по сравнению с традиционным компрессором).

Дмитрий Смелов — директор по развитию бизнеса автоматики для вентиляции и кондиционирования представительства Carel в России.