EC風(fēng)機(jī)改造效益分析

江傳來，鄭 立

（江西電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)支撐事業(yè)部，江西 南昌 330002）

0 引 言

通信設(shè)備在機(jī)房中運(yùn)行時(shí)對(duì)環(huán)境要求較高，尤其是空氣清潔度和溫濕度方面。這些指標(biāo)主要通過空調(diào)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)，消耗大量的能源。因此，可以通過技術(shù)改造提升效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。早在20世紀(jì)70年代就出現(xiàn)了電子整流電機(jī)，在當(dāng)下我國(guó)HVAC領(lǐng)域，EC技術(shù)已經(jīng)逐步向機(jī)房空調(diào)和工業(yè)通風(fēng)等方面發(fā)展。

1 EC風(fēng)機(jī)改造的意義

機(jī)房中，通信設(shè)備與空調(diào)風(fēng)機(jī)具有全年每天24 h不間斷運(yùn)行的特點(diǎn)。由于空調(diào)設(shè)備中的風(fēng)機(jī)是所有部件中的高能耗部件，因此對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造來降低能耗是重中之重。相比于使用其他的冷源節(jié)能方案，直接從風(fēng)機(jī)上入手的局限性較小。通過對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行EC風(fēng)機(jī)改造，可降低30%左右的能耗，且在改造后不會(huì)減少送風(fēng)量，不改變送風(fēng)方式，還能提高安全性與穩(wěn)定性，大大降低故障率，減少維護(hù)工作量。以廣泛使用的68AC電機(jī)為例，假設(shè)過去5年平均功耗為150 W，占空比為75%，則5×106臺(tái)該類型AC電機(jī)總耗電量為150×5×24×365×500×75%=25 TW·h。一旦換上EC風(fēng)機(jī)，將可以省下7.5 TW·h的電能。

2 EC風(fēng)機(jī)的定義、優(yōu)點(diǎn)及改造建議

2.1 EC風(fēng)機(jī)的定義及組成

嵌入式控制器（Embedded Controller，EC）風(fēng)機(jī)指采用數(shù)字化無刷直流外轉(zhuǎn)子電機(jī)的離心式風(fēng)機(jī)或者采用EC電機(jī)，EC 電機(jī)電源為直流電源，內(nèi)置直流變交流模塊，采用轉(zhuǎn)子位置反饋、三相交流、永磁以及同步電機(jī)的離心風(fēng)機(jī)。

2.2 EC風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

首先，相較于傳統(tǒng)直流電機(jī)而言，無刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于無電刷與勵(lì)磁集電環(huán)，具有更簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)。其次，在傳統(tǒng)電機(jī)的基礎(chǔ)上提升了電機(jī)工藝性，并提高了機(jī)械使用壽命和可靠性。再次，電機(jī)的氣隙磁密逐步提升，主要指標(biāo)已達(dá)到最佳設(shè)計(jì)要求，直觀地體現(xiàn)在電機(jī)體積減小和電機(jī)重量降低等方面。最后，無刷直流電機(jī)具備其他電機(jī)不具有的出色的控制性能，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。第一，永磁材料的高性能大幅提升了電機(jī)力矩常數(shù)、功率密度以及轉(zhuǎn)矩慣量比等相應(yīng)參數(shù)。同時(shí)，合理的設(shè)計(jì)方案可以降低電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電機(jī)及機(jī)械時(shí)間常數(shù)等，極大地提高了伺服控制性能的主要指標(biāo)。第二，從現(xiàn)有永磁磁路的設(shè)計(jì)方面入手比較困難，因?yàn)槟壳霸摲矫娴脑O(shè)計(jì)已經(jīng)相對(duì)完善，加上電機(jī)所用的永磁材料矯頑力高，降低了電機(jī)的控制參量受外部擾動(dòng)的影響。第三，目前電機(jī)中電勵(lì)磁被永磁體所代替，相應(yīng)減少了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁磁場(chǎng)兩方面的設(shè)計(jì)工作，也直接減少了電機(jī)方面的可控變量與參量[1]。

當(dāng)前，變頻調(diào)速方式已經(jīng)應(yīng)用于大容量風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)方面。這種類型的變頻器一般進(jìn)口獲得，價(jià)格較高。當(dāng)今普遍使用的1 kW以下功率等級(jí)的風(fēng)機(jī)，尤其是家用空調(diào)上使用的風(fēng)機(jī)，已經(jīng)有許多是永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，且直接采用調(diào)速調(diào)風(fēng)量的方式。目前，用量大的1～10 kW功率范圍的風(fēng)機(jī)大都使用感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)利用調(diào)節(jié)風(fēng)口開度的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量。對(duì)于該功率范圍內(nèi)的風(fēng)機(jī)，利用永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式取代感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（1）高效低損。通過永磁體勵(lì)磁可直接消除之前感應(yīng)電機(jī)勵(lì)磁電流產(chǎn)生的損耗。此外，得益于同步運(yùn)行方式和永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作模式，運(yùn)行過程中消除了感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心的轉(zhuǎn)頻損耗，提高了永磁無刷直流電機(jī)效率，且損耗下降較為可觀。

（2）易于控制，調(diào)速性能良好。相比于感應(yīng)電機(jī)的傳統(tǒng)變頻調(diào)速方式，無刷直流電機(jī)在調(diào)速控制和調(diào)速性能兩方面具有簡(jiǎn)單和便捷的特點(diǎn)。

（3）高功率因數(shù)。無刷直流電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)不需使用電網(wǎng)中的無功電流，因此功率因數(shù)比感應(yīng)電機(jī)高，可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行，尤其對(duì)于小功率電機(jī)。無刷電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)相比，不僅在額定負(fù)載條件下具有較高的效率和功率因數(shù)，而且在輕載條件下更具優(yōu)勢(shì)[2]。

（4）逆變器成本因逆變器容量低而降低。矩形波電流是運(yùn)行無刷直流電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。矩形波的峰值代表的是逆變器持續(xù)運(yùn)行時(shí)的電流額定值。感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行則依靠正弦波電流，其中正弦波的有效值代表的是逆變器在持續(xù)運(yùn)行時(shí)的電流額定值。逆變器直流電壓與電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)間必須有一定的差值，以保證對(duì)電動(dòng)機(jī)電流的控制。因此，逆變器直流電壓的限制將直接影響無刷直流電動(dòng)機(jī)梯形波的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值。假設(shè)無刷直流電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)兩者之間的電流峰值相等，那么無刷直流電動(dòng)機(jī)輸出功率要比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高33%。基于該結(jié)論，在相同情況下（即相同整流/逆變器條件下），無刷直流電機(jī)輸出功率比感應(yīng)電機(jī)要高33%。

綜上所述，因?yàn)镋C風(fēng)機(jī)的電機(jī)采用無刷電流電機(jī)，所以它具有高智能、高節(jié)能、高效率、壽命長(zhǎng)、振動(dòng)小、噪聲低以及可連續(xù)不間斷工作等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在制作上改善點(diǎn)擊的工藝性，可有效增強(qiáng)點(diǎn)擊運(yùn)行的機(jī)械可靠性[3]。

2.3 EC風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造建議

目前，機(jī)房中的專用空調(diào)大多仍為AC風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)不僅效率低，而且噪聲大。EC風(fēng)機(jī)本身為數(shù)字化無刷直流外轉(zhuǎn)子電機(jī)的離心式風(fēng)機(jī)，其中外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)搭配上后傾式風(fēng)機(jī)，直接提高了約30%的整體效率，后傾式風(fēng)機(jī)比前傾式風(fēng)機(jī)效率高10%左右。轉(zhuǎn)子電機(jī)可以有效減少傳動(dòng)損失來優(yōu)化散熱，且改造后的節(jié)能效果相當(dāng)可觀[4]。但是，在改造過程中需要注意兩個(gè)方面。一方面，機(jī)房空調(diào)設(shè)備的剩余使用年限應(yīng)該低于EC風(fēng)機(jī)投資回收年限，若制冷效果不佳，則應(yīng)重新考慮該方案。另一方面，對(duì)機(jī)房中下送風(fēng)空調(diào)EC風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，需要一定的空間條件，建議依據(jù)實(shí)際情況制定改造方案。

3 改造效益分析

基于以上闡述，江西電信在某核心機(jī)房中對(duì)其中2臺(tái)機(jī)房專用空調(diào)進(jìn)行EC風(fēng)機(jī)改造。圖1為原始AC風(fēng)機(jī)電流圖，可以看到原始AC風(fēng)機(jī)電流值為15.5 A。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造，分別對(duì)有無需求（即壓縮機(jī)是否工作）進(jìn)行測(cè)試。圖2和圖3為改造后針對(duì)壓縮機(jī)是否工作所測(cè)試的電流值，其中壓縮機(jī)不工作時(shí)電流值為0.23 A，壓縮機(jī)工作時(shí)的電流值為0.51 A。通過測(cè)試可得出結(jié)論，當(dāng)前環(huán)境測(cè)試每天節(jié)約超600 kW·h，每年節(jié)約100 000～200 000 kW·h，1～1.5年可收回全部投資。以下為測(cè)試說明。首先，AC風(fēng)機(jī)開機(jī)運(yùn)行就是滿載運(yùn)行，而EC風(fēng)機(jī)運(yùn)行分兩種。一種是空調(diào)無制冷和加熱需求，風(fēng)機(jī)降載低速運(yùn)行，滿足空調(diào)送風(fēng)循環(huán)即可，即表1中改造后（無需求）。另一種是空調(diào)有制冷和加熱需求，風(fēng)機(jī)加載常速運(yùn)行，滿足空調(diào)制冷和加熱需求，即表1中改造后（有需求）。其次，本次EC風(fēng)機(jī)更換，通過檢測(cè)改造AC風(fēng)機(jī)和改造EC風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流，可以計(jì)算出更換前和更換后的能耗，其中三相電功率參照最后，有制冷需求與無制冷需求可通過機(jī)房溫度空調(diào)主板電腦計(jì)算進(jìn)行切換。表1中數(shù)據(jù)按有需求記錄，實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行更節(jié)能。

表1 江西電信室內(nèi)風(fēng)機(jī)更換前后測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖1 原始AC風(fēng)機(jī)電流數(shù)值

圖2 改造EC風(fēng)機(jī)后壓縮機(jī)不工作時(shí)電流值

圖3 改造EC風(fēng)機(jī)后壓縮機(jī)工作時(shí)電流值

4 結(jié) 論

綜上所述，將機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中傳統(tǒng)AC風(fēng)機(jī)改造成EC風(fēng)機(jī)后，能大幅降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行的電流值，在不改變送風(fēng)量、風(fēng)速以及送風(fēng)方式的前提下，有效降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的能耗，達(dá)到了節(jié)能減排的目的，同時(shí)具有降噪功能。此外，EC風(fēng)機(jī)可以減少皮帶和皮帶輪等傳動(dòng)裝置的故障，進(jìn)一步提高空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了因故障帶來的維修工作量。