Bài viết này sẽ phân tích sự khác biệt giữa quạt EC và quạt AC từ góc độ giải pháp sản xuất thực tế, nguyên lý hoạt động, dữ liệu động lực kế của các động cơ liên quan, dữ liệu kiểm tra thể tích không khí thực tế của quạt, kịch bản ứng dụng thực tế của quạt trục AC và quạt EC axial, cũng như xu hướng phát triển của ngành.
Giải pháp sản xuất thực tế cho động cơ xoay chiều
cuộn dây stato cánh quạt lồng sóc Sơ đồ lắp ráp stator-rotor
Từ hình ảnh thực tế, ta có thể thấy sơ đồ cuộn dây khe ngang của động cơ AC làm cho một phần dây tráng men nhô ra ngoài lõi.
Quy trình chính của nguyên lý hoạt động của động cơ xoay chiều như sau
1. Cuộn stato được nối với dòng điện xoay chiều, và một trường từ quay và thay đổi được tạo ra trong cuộn dây.
2. Các đường từ từ quay và thay đổi của stator đi qua rotor lồng sóc. Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, một trường từ cảm ứng quay và thay đổi sẽ được cảm ứng trên rôto, và từ trường rôto "theo" sự thay đổi của từ trường stato.
3. Hai trường từ này tương tác với nhau để điều khiển rotor quay.
Kế hoạch sản xuất thực tế của động cơ EC
Sơ đồ cuộn dây stator nam châm vĩnh cửu, rotator và cụm rotor
Từ các bức ảnh của vật thể thật, có thể thấy động cơ EC chủ yếu sử dụng cuộn dây trung tâm, tương tự như cuộn dây một răng quanh stato, và dây tráng men có khoảng cách dây chéo ngắn hơn. Dây tráng men vượt quá mặt phẳng lõi ít hơn.
Nguyên lý hoạt động của động cơ EC
Nguyên lý hoạt động của động cơ EC có thể được đơn giản hóa thành ba bước sau:
1. Công suất AC đầu vào được chỉnh lưu và chuyển đổi thành nguồn DC bởi bộ điều khiển, sau đó nguồn DC được chuyển thành nguồn AC tần số yêu cầu thông qua việc đảo ngược, sau đó đầu vào cuộn động cơ qua đầu dây tráng men nối với bảng điều khiển điện. Bộ điều khiển tạo ra từ trường quay bằng cách nối các cuộn dây theo thứ tự.
2. Từ trường quay tương tác với từ trường của rôto nam châm vĩnh cửu để điều khiển động cơ quay.
3. Bộ điều khiển có thể xác định chính xác vị trí của từ trường rôto bằng cách theo dõi cảm biến, lực điện động dòng điện và ngược cùng các tín hiệu khác, sau đó dẫn cuộn dây tương ứng để tạo thành từ trường điều khiển.
Phân tích tiết kiệm năng lượng của động cơ EC về nguyên tắc và ứng dụng so với động cơ AC
Từ phân tích trên, có thể thấy động cơ AC tạo ra từ trường hiệu dụng thông qua cảm ứng điện từ, do đó một phần năng lượng điện được dùng để tạo từ trường, và hiệu suất chuyển đổi động năng bị giảm. Động cơ EC sử dụng nam châm vĩnh cửu, nên không cần năng lượng điện để thiết lập từ trường rotor, do đó không mất năng lượng.
Thứ hai, có sự khác biệt về hiệu ứng cuộn dây và từ trường. Trong quá trình cuộn dây khe ngang của động cơ xoay chiều, một phần lớn dây men sẽ vượt quá lõi, gây rò rỉ và nhiệt, làm giảm hiệu suất chuyển đổi động năng của động cơ. Phương pháp quấn của động cơ EC có thể giảm tổn thất này.
Do nguyên lý thiết kế cảm ứng của động cơ xoay chiều, rotor và stator có thiết kế trượt cố định. Khi động cơ vượt quá tải thiết kế, độ trượt thực tế của động cơ sẽ lệch so với độ trượt thiết kế, từ đó thu hẹp phạm vi hiệu suất cao tổng thể. Thiết kế nam châm vĩnh cửu và thiết kế điều khiển truyền động của động cơ EC sẽ hiệu quả tránh được tình trạng này. Để giảm thiểu khuyết điểm này của động cơ xoay chiều, bộ biến tần thường được sử dụng trong các ứng dụng thực tế để điều chỉnh tốc độ của động cơ xoay chiều. Điều chỉnh tốc độ biến đổi tần số chủ yếu bao gồm ba quá trình: chỉnh lược, đảo ngược và điều khiển. Trong ba quy trình này, hiệu suất chuyển đổi thay đổi tùy theo điểm vận hành, dao động từ 85% đến 96%. Tổn thất năng lượng chính nằm ở các liên kết chỉnh lưu và đảo ngược, chiếm khoảng 90% tổng tổn thất. Giá trị thử nghiệm thực tế của hiệu suất bộ điều khiển của động cơ EC chủ yếu trên 97%. Nói chung, động cơ xoay chiều có bộ biến tần có thể cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ xoay chiều ở một mức độ nhất định, nhưng vẫn còn một khoảng cách so với EC.
Dưới đây là đường cong động lực kế của một động cơ AC nhất định và một động cơ EC có cùng công suất và dải tốc độ.
Từ đường cong, chúng ta có thể kết luận: động cơ EC hiệu quả hơn và có phạm vi hiệu suất cao rộng hơn.
Phân tích tiết kiệm năng lượng dữ liệu thử nghiệm của quạt AC với biến tần và quạt EC:
Qua phân tích dữ liệu, có thể thấy rằng tại điểm hoạt động điển hình 100Pa đối với các quạt dòng trục lớn, hiệu suất áp suất tĩnh của giải pháp EC cao hơn 3,3% so với giải pháp AC cộng biến tần.
Giải pháp sản xuất thực tế cho động cơ xoay chiều
cuộn dây stato cánh quạt lồng sóc Sơ đồ lắp ráp stator-rotor
Từ hình ảnh thực tế, ta có thể thấy sơ đồ cuộn dây khe ngang của động cơ AC làm cho một phần dây tráng men nhô ra ngoài lõi.
Quy trình chính của nguyên lý hoạt động của động cơ xoay chiều như sau
1. Cuộn stato được nối với dòng điện xoay chiều, và một trường từ quay và thay đổi được tạo ra trong cuộn dây.
2. Các đường từ từ quay và thay đổi của stator đi qua rotor lồng sóc. Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, một trường từ cảm ứng quay và thay đổi sẽ được cảm ứng trên rôto, và từ trường rôto "theo" sự thay đổi của từ trường stato.
3. Hai trường từ này tương tác với nhau để điều khiển rotor quay.
Kế hoạch sản xuất thực tế của động cơ EC
Sơ đồ cuộn dây stator nam châm vĩnh cửu, rotator và cụm rotor
Từ các bức ảnh của vật thể thật, có thể thấy động cơ EC chủ yếu sử dụng cuộn dây trung tâm, tương tự như cuộn dây một răng quanh stato, và dây tráng men có khoảng cách dây chéo ngắn hơn. Dây tráng men vượt quá mặt phẳng lõi ít hơn.
Nguyên lý hoạt động của động cơ EC
Nguyên lý hoạt động của động cơ EC có thể được đơn giản hóa thành ba bước sau:
1. Công suất AC đầu vào được chỉnh lưu và chuyển đổi thành nguồn DC bởi bộ điều khiển, sau đó nguồn DC được chuyển thành nguồn AC tần số yêu cầu thông qua việc đảo ngược, sau đó đầu vào cuộn động cơ qua đầu dây tráng men nối với bảng điều khiển điện. Bộ điều khiển tạo ra từ trường quay bằng cách nối các cuộn dây theo thứ tự.
2. Từ trường quay tương tác với từ trường của rôto nam châm vĩnh cửu để điều khiển động cơ quay.
3. Bộ điều khiển có thể xác định chính xác vị trí của từ trường rôto bằng cách theo dõi cảm biến, lực điện động dòng điện và ngược cùng các tín hiệu khác, sau đó dẫn cuộn dây tương ứng để tạo thành từ trường điều khiển.
Phân tích tiết kiệm năng lượng của động cơ EC về nguyên tắc và ứng dụng so với động cơ AC
Từ phân tích trên, có thể thấy động cơ AC tạo ra từ trường hiệu dụng thông qua cảm ứng điện từ, do đó một phần năng lượng điện được dùng để tạo từ trường, và hiệu suất chuyển đổi động năng bị giảm. Động cơ EC sử dụng nam châm vĩnh cửu, nên không cần năng lượng điện để thiết lập từ trường rotor, do đó không mất năng lượng.
Thứ hai, có sự khác biệt về hiệu ứng cuộn dây và từ trường. Trong quá trình cuộn dây khe ngang của động cơ xoay chiều, một phần lớn dây men sẽ vượt quá lõi, gây rò rỉ và nhiệt, làm giảm hiệu suất chuyển đổi động năng của động cơ. Phương pháp quấn của động cơ EC có thể giảm tổn thất này.
Do nguyên lý thiết kế cảm ứng của động cơ xoay chiều, rotor và stator có thiết kế trượt cố định. Khi động cơ vượt quá tải thiết kế, độ trượt thực tế của động cơ sẽ lệch so với độ trượt thiết kế, từ đó thu hẹp phạm vi hiệu suất cao tổng thể. Thiết kế nam châm vĩnh cửu và thiết kế điều khiển truyền động của động cơ EC sẽ hiệu quả tránh được tình trạng này. Để giảm thiểu khuyết điểm này của động cơ xoay chiều, bộ biến tần thường được sử dụng trong các ứng dụng thực tế để điều chỉnh tốc độ của động cơ xoay chiều. Điều chỉnh tốc độ biến đổi tần số chủ yếu bao gồm ba quá trình: chỉnh lược, đảo ngược và điều khiển. Trong ba quy trình này, hiệu suất chuyển đổi thay đổi tùy theo điểm vận hành, dao động từ 85% đến 96%. Tổn thất năng lượng chính nằm ở các liên kết chỉnh lưu và đảo ngược, chiếm khoảng 90% tổng tổn thất. Giá trị thử nghiệm thực tế của hiệu suất bộ điều khiển của động cơ EC chủ yếu trên 97%. Nói chung, động cơ xoay chiều có bộ biến tần có thể cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ xoay chiều ở một mức độ nhất định, nhưng vẫn còn một khoảng cách so với EC.
Dưới đây là đường cong động lực kế của một động cơ AC nhất định và một động cơ EC có cùng công suất và dải tốc độ.
Từ đường cong, chúng ta có thể kết luận: động cơ EC hiệu quả hơn và có phạm vi hiệu suất cao rộng hơn.
Phân tích tiết kiệm năng lượng dữ liệu thử nghiệm của quạt AC với biến tần và quạt EC:
Qua phân tích dữ liệu, có thể thấy rằng tại điểm hoạt động điển hình 100Pa đối với các quạt dòng trục lớn, hiệu suất áp suất tĩnh của giải pháp EC cao hơn 3,3% so với giải pháp AC cộng biến tần.