Инверторные компрессоры постоянного тока

В последнее время на рынке климатического оборудования зародилась тенденция, когда производители стали использовать инверторные компрессоры с двигателем постоянного тока. Такими устройствами оснащаются даже масштабные системы кондиционирования.

Инверторные компрессоры давно интегрируют в климатические системы бытового назначения, поэтому данные технологии вряд ли покажутся удивительными. Что касается мультизональных систем, чиллеров и высокопроизводительных промышленных кондиционеров, их стали оснащать инверторными приводами совсем недавно. От подобных приводов отказывались по той причине, что у производителей отсутствовали нужные технологические решения, а соответствующие электродвигатели были дорогостоящими. В данный момент компании не сталкиваются с аналогичными трудностями.

Использование мощных инверторных приводов в компрессорах одной из первых начала практиковать итальянская корпорация RC Group, которая является лидирующим производителем устройств, используемых в дата-центрах систем кондиционирования. Три года назад технология применялась в компрессорно-конденсаторных блоках серии Coolside EVО, в которые входит один внешний блок и несколько внутренних (максимум 5).

ККБ Coolside EVО

Подробная информация об инверторных приводах в ДПТ

Реализация плавного управления нагнетателем воздуха кондиционера при использовании традиционного инвертора (мотора, использующего переменный ток) возможна в случае преобразования переменного тока в постоянный и наоборот. С этой целью требуется использование инвертора и выпрямителя, из-за наличия которых технология является дорогостоящей. Также дополнительные элементы – причина повышенного расхода электричества.

Оборудование, изготовленное согласно технологии DC Inverter, имеет инвертор постоянного тока, который требует однократного преобразования переменного тока. Для питания компрессора и электромотора здесь используется постоянный ток.

Первопроходцем в использовании инвертора постоянного тока является корпорация Hitachi. Данную технологию решили назвать DC Inverter. Для того чтобы подробно ознакомиться с технологией, мы должны знать принцип работы электродвигателя постоянного тока и методы регулирования его оборотов.

Регулирование частоты вращения ДПТ

В основе функционирования электродвигателя, использующего постоянный ток, заложена электромагнитная индукция. Вместе с тем проводник с током, находящийся в магнитном поле, попадает под действие силы, которая рассчитывается как произведение тока, проходящего сквозь проводник, магнитной индукции и размера самого проводника, в частности, его длины.

После того, как проводник пересекает магнитные силовые линии, вокруг него формируется ЭДС, позиционирующаяся как обратная или противодействующая по той причине, что имеет направление обратное току в проводнике. Далее, происходит трансформация электрической мощности в механическое движение, в результате чего проводник частично нагревается.

Если обратить внимание на конструкционные особенности электрических двигателей постоянного тока – в их состав входят якорь и индуктор, между которыми находится воздушное пространство.

ДПТ оборудованы электроприводы, требующие:

• широкого диапазона регулирования частоты оборотов;
• удерживания постоянной скорости;
• корректировки частоты вращения ближе к максимальной.

Чтобы определить частоту вращения электрического двигателя постоянного тока, нам нужно знать формулу:

n = (U - I_я × R_я)/k_c × Ф,

где U – напряжение электросети,

I_я – сила тока, воздействующая на якорь,

R_я – сопротивление,

k_с – коэффициент магнитной системы,

Ф – магнитный поток ДПТ.

Представленная формула – уравнение электромеханической характеристики ДПТ с независимым возбуждением. Оно означает, что угловая скорость регулируется 3-мя способами:

• изменением сопротивления якоря;
• изменением магнитного потока электромотора;
• изменением напряжения.

При этом на силу тока и крутящий момент мотора влияет нагрузка на его вал.

Подробная информация о способах регулирования скорости ДПТ

При регулировании скорости двигателя постоянного тока посредством управления сопротивлением сильно изменяется жесткость параметров, поэтому если скорость составляет 50 процентов от привычной, то двигатель начинает работать нестабильно. В связи с этим скорость устанавливается в небольшом диапазоне. Ее регулирование осуществляется в меньшую сторону согласно электромеханическим и механическим характеристикам. Достичь высокой плавности регулирования очень тяжело. В качестве недостатка можно обозначить и существенные мощностные потери во время регулирования.

Второй метод регулирования заключается в манипулировании магнитным потоком. Для этого используется дополнительный реостат, который вводится в цепь якоря. Слабый поток приводит к увеличению угловой скорости мотора при высоких и холостых оборотах. Усиление потока является причиной обратного процесса. Как показали практические наблюдения, в таком случае скорость может изменяться, увеличиваясь. Постепенно изменяемое сопротивление реостата позволяет медленно регулировать скорость электрического двигателя. Данный метод отличается простотой и высокой экономичностью. При этом его использование приводит к невозможности даже на короткий период времени прервать подачу электричества. Из-за этого подобным способом пользуются в редких случаях, когда двигатель вращается на холостых оборотах.

При третьем способе регулирования крутящего момента изменяется напряжение, подводимое к якорю. В таком случае существует прямо пропорциональная связь между напряжением и угловой скоростью ДПТ.

Отметим жесткость всех регулировочных характеристик и неизменный ее уровень. В итоге двигатель работает стабильно при любой угловой скорости, что позволяет свободно регулировать скорость даже под воздействием сильных нагрузок. Помимо этого, угловая скорость может увеличиваться и уменьшаться по отношению к номинальному ее значению. Частоту вращения ДПТ также можно плавно регулировать через изменение напряжения.

Преимуществом последнего способа считается экономичность, так как угловая скорость мотора изменяется, не влияя на мощность в обмотке якоря.

Подробный анализ трех методов регулирования скорости ДПТ показал, что самым оптимальным из них является последний. По этой причине разработчики климатического оборудования используют двигатели постоянного тока, в которых скорость зависит от напряжения.

Методы регулирования напряжения постоянного тока

Эффективно регулировать скорость электрического силового агрегата можно управляя напряжением и силой тока. В случае с постоянным током изменяется только величина обозначенных параметров.

Напряжение регулируется при помощи двух методов:

• выпрямления напряжения через диодные мосты;
• широтно-импульсной модуляции.

Первый метод заключается в использовании двухполупериодных регуляторов постоянного напряжения. Ими оснащаются выпрямительные микросхемы.

Двухполупериодный регулятор постоянного напряжения

Второй метод предусматривает поступление прямоугольных импульсов напряжения, которые имеют большую частоту. Это необходимо для того, чтобы поддерживать постоянную частоту вращения ротора, которая может уменьшаться во время импульсных пауз. При этом измененная скважность является причиной измененного среднего значения напряжения, необходимого для работы двигателя. Результатом данного процесса является изменение скорости ротора.

Электросхема мотора может составляться с установкой ключевого элемента, имеющего 2 состояния и способного в любой момент находиться в одном из них. Управляющие прямоугольные импульсы появляются, к примеру, при использовании мультивибратора или другого специального устройства.

Широтно-импульсная модуляция является изменением скважности импульсов при их повторении через одинаковый промежуток времени. Она позволяет изменять среднее напряжение или силу тока при воздействии нагрузки.

Теперь нам следует возвратиться к ДПТ, которые используются в компрессорах систем кондиционирования. В следующих разделах мы ознакомимся с их преимуществами и вариантами применения в разных вариантах кондиционеров.

Японская технология DC Inverter

После создания технологии DC Inverter, ее название стали использовать при обозначении типа климатической техники. Инверторными кондиционерами наполнен и российский рынок. Если описать технологию поверхностно, то ее суть заключается в изменении скорости электрического мотора, которая влияет на производительность воздухонагнетателя. Японские разработчики из компании Hitachi сделали вывод, что скорость лучше всего изменять, регулируя напряжение постоянного тока, при этом преобразовывая переменный ток в постоянный.

Использование данного принципа направлено на:

• уменьшение электромагнитного излучения от преобразователя;
• повышение степени устойчивости системы к изменениям тока;
• повышение эффективности системы преобразования (почти до 100%);
• снижение нижнего предела мощности обогрева и охлаждения кондиционера.

Также использование постоянного тока позволяет потребителям получать другие преимущества. В частности, на внутренний блок подается безопасное для жизни человека напряжение. Помимо этого, двигатель постоянного тока сильно не шумит.

Плюсы инверторного управления

Инверторный привод постоянного тока обладает следующими преимуществами:

1. Уменьшенное энергопотребление. Экономичность системы может составлять более 15 процентов.
2. Упрощенная схема является залогом надежности и стабильности работы кондиционера, так как в ней отсутствует элемент, преобразующий постоянный ток в переменный.
3. Использование производительных кондиционеров (мощность охлаждения более 10 киловатт) однофазного питания.
4. Нормальная работа функции охлаждения в неблагоприятных климатических условиях, например, при температуре 15 градусов Цельсия со знаком минус.
5. Ничем не уступает инверторному приводу переменного тока, так как работает тихо, точно контролирует температуру, экономит электроэнергию и имеет длительный срок эксплуатации.

Инверторный привод и мультизональные климатические системы

Тенденция последних лет складывается таким образом, что большинство производителей центральных климатических систем оборудуют компрессоры инверторными приводами постоянного тока. К примеру, компания Toshiba предпочитает установку двухроторных компрессоров постоянного тока в линейке SMMS-i. Так, 2 наружных блока имеют по 3 двухроторных компрессора с инверторным управлением. В остальных 3-х блоках установлено по паре воздухонагнетателей. Работа таких устройств направлена на повышение энергоэффективности и комфортабельности.

Toshiba SMMS-i

Систему SMMS-i решили сделать таким образом, чтобы расширить площадь роторных магнитов. Наличие специальных отверстий является причиной повышенной эффективности и тихоходности электродвигателя. Компактные магнитные роторы способствуют уменьшению вихревых потерь. Использование таких инновационных решений привело к повышению эффективности VRF-систем Toshiba.

Технология DC Inverter применялась и при производстве мультизональных климатических систем Hitachi, презентованных в прошлом году. За счет использования таких систем в помещении очень быстро устанавливается необходимый температурный режим. В них инверторный преобразователь постоянно регулирует скорость ДПТ.

Представители Hitachi говорят, что компрессоры постоянного тока с инверторным управлением позволяют экономить до 30 процентов электричества, при этом не оказывая негативного влияния на обеспечение комфортабельности. Также благодаря ДПТ оборудование становится на 10 процентов эффективнее.

Инженеры японской корпорации исследовали эффективность функционирования VRF-систем в условиях высоких нагрузок (до 80 процентов). Такой эксперимент необходимо было сделать по той причине, что на практике мультизональные системы не используют свой потенциал даже наполовину. В Hitachi выяснили, что оптимальной системой является та, которая демонстрирует высокую эффективность при работе на средней мощности, а не на предельной. Системы, входящие в серию Set Free, оснащены компрессорами с ДПТ DC Inverter, особенностью которых является повышенная эффективность в случае работы на частоте 30-40 герц.

Hitachi Set Free

Мультизональная система Panasonic ECOi также оборудована спиральными компрессорами с инверторным управлением.

Panasonic ECOi

Инверторный привод в прецизионных кондиционерах

Несколько лет назад некоторые компании, специализирующиеся на прецизионной климатической технике, объявили о выпуске серии кондиционеров с инверторами постоянного тока. До этого такое оборудование выпускалось в ограниченном количестве по причине его высокой себестоимости. Также оно имело внушительные размеры и приличную массу.

Технологическое развитие позволило компании Mitsubishi Electric разработать новую микросхему инвертора, предназначенную для контроля работы бесколлекторных двигателей постоянного тока. Такой чип называется BLDC. Подобный тип электродвигателей используется, когда необходимо сделать синхронный привод. Они способны самосинхронизироваться, так как магнитное поле здесь меняется в зависимости от положения ротора.

Для разработки нового инвертора использовались IGBT-транзисторы и быстродействующие диоды. Примечательно, что устройство устойчиво к блокировке, низкому напряжению, высокой рабочей температуре и короткому замыканию.

Немецкие шкафные прецизионные кондиционеры Stulz CyberAir 3 также изготовлены по технологии BLDC. За счет инверторных приводов холодильный контур CyberAir 3 имеет повышенную энергоэффективность. Также кондиционеры умеют точно поддерживать температурную среду в центре обработки данных. Благодаря такой технике происходит быстрая адаптация к новой обстановке в помещении. Ее рекомендуется использовать на объектах, которые находятся на стадии развития.

Прецизионное климатическое оборудование с инверторными компрессорами способно нагнетать свежий воздух, учитывая имеющийся микроклимат помещения. При этом инверторное управление способствует практически бесшумной работе оборудования, уменьшению потребления электроэнергии и исчезновению проблемы высоких токов во время запуска.

Будущее, медленно переходящее в настоящее

Следует подчеркнуть, что использование компрессоров постоянного тока в самых новых системах кондиционирования является приоритетным. Раньше их интегрировали в бытовые спит-системы, но сейчас тенденция изменилась, поэтому инверторы часто встречаются в центральных климатических системах, прецизионных кондиционерах, а также холодильных установках.

Компрессоры постоянного тока очень востребованы по причине отсутствия инвертора переменного тока, из-за которого снижается производительность и значительно увеличивается стоимость климатической системы. Также из-за использования постоянного тока работающее оборудование становится безопасным при контакте с человеком.

На основе материалов из журнала "Мир Климата"