案例-通信設備機房空調系統中的風機進行風機EC電機改造效益分析

通信設備在機房中運行時對環境要求較高,尤其是空氣清潔度以及溫濕度等方面主要通過空調系統來實現，而這些實現必須通過大量能源的消耗，因此需要改造達到效率上的提升完成節能的目標。

一  風機EC電機改造的意義
在機房中通信設備與空調風機具有全年每天24h不間斷運行的特點,其中空調設備中風機是所有部件中的高能耗部件,因此通過對風機的改造降低能耗是勢在必行的。相比于使用其它冷源的節能方案,直接從風機上入手的局限性較小且便利。EC風機的改造可降低30%左右的能耗,并且在改造后不會減少送風風量、不改變送風方式,同時還能提高安全性與穩定性,大大降低故障率,減少維護工作量。以廣泛使用的尺寸68AC電機為例,假設過去五年平均功耗實時150W,占空比為75%,2500萬臺該類型AC電機總耗電量為25TWh,一旦換上了風機EC電機成EC風機系統,那么就可以省下7.5TWh電能。  

二  EC風機的原理特點及改造技術
1、EC風機的原理特點
  無刷直流電機與傳統直流電機的區別是省去了勵磁集電環和電刷,使得結構更為簡單。與此同時繼續改進電機的工藝性,而且電機運行的機械可靠性大為增強,壽命增加。不僅如此,氣隙磁密同樣也逐步提升,電機指標可達到最佳設計,最直觀的體現在電機體積縮小、重量減輕等方面。除此之外,對比其它電機而言,仍具備非常出色的控制性能。
原因有三:
第一,因為永磁材料的高性能使電機的力矩常數、轉矩慣量比和功率密度等大幅提升。通過合理設計又能使電機中轉動慣量、電氣及機械時間常數等一系列指標大幅下降,較之伺服控制性能的主要指標有了非常大改善。
第二,現代永磁磁路設計已經是比較完善得了,再加上永磁材料的矯頑力高，使得永磁電機的抗電樞反應和抗去磁能力得到極大的提升，外部的擾動對電機的控制參量影響也是降低許多。
第三，由于電勵磁被永磁體所代替，相應減少勵磁繞組及勵磁磁場的設計，從而少了勵磁磁通、勵磁繞組電感、勵磁電流等相關參數，進而直接減少了可控變量或參量。  
  結合上述多種因素,可以說永磁同步電機具備出色的可控性。當前大容量風機調節風量已有很多采用變頻調速方式,這種類型的變頻器主要靠進口,價格十分昂貴。例如,目前1kW以下功率等級的風機,尤其是家用空調上的風機已經有許多是永磁無刷直流電機驅動,并且直接采用調速調風量方式。1～10kW功率范圍的風機用量非常大,大多都采用的感應電機驅動,同時采用調節風口開度的方式來實現風量的調節。對于該功率范圍的風機,利用永磁無刷直流電機驅動來取代之前感應電機驅動具有極高的優越性。  
  ①損耗低、效率高
  由于采用永磁體勵磁,直接消除了感應電機勵磁電流產生的損耗;與此同時,永磁無刷直流電動機的工作模式是同步運行方式,沒有了感應電機轉子鐵心的轉頻損耗。以上兩點使得永磁無刷直流電機的運行效率高出感應電機很多,尤其是在小容量電機方面。
  ②高功率因數
  因為無刷直流電機勵磁磁場無需使用電網的無功電流,所以功率因數比感應電機高很多,無刷直流電機可實現運行于1的功率因數,這在小功率電機方面更為明顯。無刷電機與感應電機相比不僅僅額定負載時具有較高效率以及功率因數,同時在輕載條件下更具優勢。  
  ③易于控制、調速性能良好
  相比于感應電機的變頻調速方式,無刷直流電機調速控制方面不僅更方便,同時具備更好的調速性能。  
  ④逆變器成本因逆變器容量低而降低
  無刷直流電動機運行需要矩形波電流,逆變器持續運行時電流額定值指的就是這個矩形波的峰值。而感應電機運行需要正弦波電流,逆變器持續運行時的電流額定值一般指的是這個正弦波的有效值。為保證逆變器對電動機電流的控制能力,逆變器直流電壓與電動機感應電動勢間應具備一定差值。因此無刷直流電動機梯形波感應電動勢和感應電動機正弦波感應電動勢可以達到的峰值都受到逆變器直流電壓的限制。基于此,假設無刷直流電動機和感應電動機電流的峰值相等,則無刷直流電動機功率輸出比感應電動機要高出33%,換言之,同一臺整流器/逆變器可驅動比感應電機的輸出功率高出33%的無刷直流電動機。

2、EC風機改造
  目前機房中的專用空調大多仍為AC風機,該風機不僅效率較低,而且噪聲很大。至于EC風機本身為數字化無刷直流外轉子電機的離心式風機,其中外轉子永磁同步電機搭配上后傾式風機直接提高了約30%的整體效率(后傾式風機比前傾式風機效率高10%左右),轉子電機可以有效減少傳動損失優化散熱。
  
  改造過程中需要注意的兩個點:
  ①機房空調設備的剩余使用年限應該低于EC風機投資回收年限,若制冷效果不佳則應重新考慮該方案;
  ②對于機房中下送風空調EC風機進行改造需要一定的空間條件,依據實際情況進行改造方案的制定。

3、EC風機系統結構
  風機的節能改造系統往往通過風壓傳感器、控制器、變頻器及輸出電抗器等一系列設備組成。其中節能系統的核心控制器集成了模擬量和數字量作為輸入與輸出,充分優化了其可操作性與實用性,并且在一定程度上提升了通訊能力。與此同時,風機的系統改造應基于不影響原始空調系統運行狀態的初衷上開展,因此需要在系統中添加旁路切換功能,即在控制箱中對變頻回路的交流接觸器和旁路工頻的交流接觸器進行設置,同時在軟件端增加電氣互鎖程序,以免接觸器同時閉合。 

三 改造效益分析
  基于上述EC風機的系統結構進行改造,江西電信在某核心機房中對其中2臺機房專用空調進行了改造,對改造前后風機運行電流進行記錄。
 測試中原始AC風機電流值為15.5A,接下來對該系統進行改造成EC風機,并分別對有無需求(即壓縮機是否工作)兩方面進行測試:

改造前：

改造后：

  改造EC風機后針對壓縮機是否工作所測是的電流值,其中壓縮機不工作時電流值是0.23A,壓縮機工作時的電流值為0.51A。
 測試結論:當前環境測試每天節約超600度,每年節約10～20萬度,1～1.5年可收回全部投資。測試說明:

①AC風機開機運行就是滿載運行,EC風機運行分兩種:  
  ·空調無制冷、加熱需求,風機降載低速運行,滿足空調送風循環即可,即上述改造后(無需求);  
  ·空調有制冷、加熱需求,風機加載常速運行,滿足空調制冷、加熱需求,即上述改造后(有需求);  
②本EC風機更換,通過檢測改造AC風機和改造EC風機運行電流,可以計算出更換前和更換后的能耗;三相電功率參照圖片；
③因有制冷需求與無制冷需求通過機房溫度空調主板電腦計算切換,以上數據按有需求記錄,實際風機運行還更節能。

  綜上所述,將機房空調系統中傳統AC風機改造成EC風機后,能大大降低其電流值,在不改變其送風量、風速以及送風方式的前提下,同時還具備降噪功能,可以有效實現降低風機運行時能耗的需求,達到了非常可觀的節能減排目的。不僅如此,EC風機還可以降低由皮帶和皮帶輪等傳動裝置故障,進一步提高空調系統的穩定性,減少因故障帶來的維修工作量。

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