Двигатели с переменной скоростью вращения (VSD-двигатели)

В 1888 году Никола Тесла разработал первый в мире трехфазный индукционный двигатель переменного тока. Тесла знал, что его изобретение является более надежным и эффективным в сравнении с двигателем постоянного тока, разработанным Эдисоном. Однако, для управления скоростью вращения двигателя переменного тока требуется изменение величины магнитного потока, либо изменение числа полюсов в двигателе. И даже спустя десятилетия после того, как индукционный двигатель стал широко применяться, изменение частоты питающего тока для управления скоростью вращения оставалось крайне непростой задачей, а физическая конструкция двигателя не позволяла производителям создавать устройства более чем с двумя скоростями.

Промышленные чиллеры wheil.pro/articles/chiller-chto-eto-takoe/.

Таким образом, двигатели постоянного тока применялись там, где требовался точный контроль над скоростью вращения и высокая выходная мощность. Управление скоростью вращения в таких двигателях осуществлялось путем установки реостата в маломощную цепь постоянного тока, что было вполне осуществимо при существующем уровне развития техники. Подобная простая схема управления позволяла изменять скорость работы двигателя и крутящий момент.

К началу 1980х, повышение надежности двигателей переменного тока и снижение цен на устройства позволило им начать конкурировать с традиционными двигателями постоянного тока. Технология частотно-регулируемых приводов (VFD) позволяет осуществлять точный контроль над скоростью вращения синхронных и индукционных (асинхронных) двигателей. Использование VFD позволяет изменять скорость вращения в диапазоне от нуля до максимума (оборотов в минуту) при максимальном крутящем моменте, также существует возможность превысить максимально допустимую скорость вращения при снижении крутящего момента. VFD управляют частотой выходного тока за счет преобразования входного переменного тока в постоянный, далее выполняется широтно-импульсная модуляция по напряжению для получения переменного тока с необходимыми характеристиками на выходе.

Типы частотно-регулируемых приводов

Существует три основных типа частотно-регулируемых приводов. Приводы на основе инвертора тока (CSI) давно и успешно применяются в области обработки сигналов и в промышленном силовом оборудовании. CSI VFD являются единственным типом приводов, позволяющим выполнять рекуперацию мощности. Другими словами, приводы данного класса могут направлять вырабатываемую двигателем мощность обратно в цепь источника питания. CSI VFD дают очень качественную характеристику выходного тока, однако, для работы им требуются большие и дорогие катушки индуктивности.

Приводы на базе инвертора напряжения (VSI) обладают низким коэффициентом мощности, могут вызывать пульсацию двигателя при частоте ниже 6Гц и не позволяют осуществлять рекуперацию. Частотно-регулируемые приводы типа CSI и VSI не получили широкого распространения.

Индукционный (асинхронный) двигатель в разрезе.

Приводы с широтно-импульсной модуляцией (PWM) являются наиболее часто используемым типом приводов по причине отличного показателя входного коэффициента мощности, отсутствия пульсации двигателя, высокой эффективности работы и более низкой стоимости в сравнении с аналогами. Привод типа PWM использует набор импульсов напряжения различной ширины для моделирования синусоидальной волны. Получение выходной волны достигается за счет пропуска треугольной волны и синусоидальной волны через компаратор, на выходе которого образуется импульс напряжения в случае, если величина синусоиды превосходит величину треугольной волны. Для получения импульсов напряжения чаще всего применяется биполярный транзистор с изолированным затвором.

VSD-двигатели в системах вентиляции и кондиционирования

Применение частотно-регулируемых приводов в системах вентиляции и кондиционирования

Частотно-регулируемый привод (VFD), является одним из наиболее эффективных инструментов для управления энергопотреблением, когда-либо применявшихся в системах вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). В течение более чем двадцати лет VFD успешно устанавливаются на вентиляторы и насосы, используемые в условиях переменной рабочей нагрузки. Экономия энергии при использовании VFD составляет от 35% до 50% в сравнении с традиционными двигателями с постоянной скоростью вращения, что позволяет окупить затраты на установку оборудования за период от 6 месяцев до двух лет.

Частотно-регулируемые приводы первого поколения имели ограниченную область применимости. В настоящее время, VFD могут использоваться практически в любой системе вентиляции и кондиционирования воздуха, устанавливаемой в коммерческих и муниципальных зданиях. Современные двигатели могут работать при более высоком уровне напряжения по сравнению с их ранними аналогами, что позволяет серийно выпускать модели мощностью до 500л.с.

Устройства первых поколений также отличались низким коэффициентом мощности. Низкое значение коэффициента мощности негативно сказывается на качестве распределения электроэнергии на объекте, что может стать причиной штрафных санкций со стороны энергетических компаний. Современные системы VFD обладают близким к постоянному коэффициентом мощности по всему диапазону скоростей работы привода.

Еще одной характерной проблемой оборудования, которая устранена в новых моделях VFD, являлся рабочий шум. По мере того, как выходная частота привода снижалась в ответ на изменение нагрузки, возбуждаемая в двигателе вибрация приводила к возникновению шума, который распространялся от двигателя по всему рабочему помещению. Современные частотно-регулируемые приводы работают на повышенных частотах, так что возникающий во время работы шум находится выше воспринимаемого человеком звукового диапазона.

Сердце частотно-регулируемого привода

Традиционные системы вентиляции и кондиционирования, как правило, используют вентиляторы и насосы, работающие с постоянной скоростью. Однако, рабочая нагрузка на объекте не является постоянной. В традиционной системе с целью снижения расхода уровня воды или воздуха может быть применен дроссельный механизм. При этом, двигатель продолжает работать на полной скорости, используя практически неизменный объем энергии вне зависимости от уровня нагрузки на систему кондиционирования. Дроссельный механизм позволяет достаточно точно контролировать подачу жидкости/газа, но он является не слишком эффективным. VFD представляют собой эффективную и экономичную альтернативу дроссельному механизму.

Эффективность работы VFD обеспечивается следующими тремя факторами:

1.       Работа при неполной загрузке системы. Системы вентиляции разрабатываются с учетом пиковой нагрузки. Пиковые нагрузки, как правило, наблюдаются в течение 1-5% рабочих часов ежегодно. Это означает, что используемые в насосах и вентиляторах двигатели расходуют лишнюю энергию в течение 95-99% рабочих часов.

2.       Завышение мощности системы. Разработка систем вентиляции с учетом пиковой нагрузки приводит к завышенному энергопотреблению при работе в штатном режиме. Более того, система может разрабатываться с учетом непредвиденных и внештатных нагрузок, а также потенциальных нагрузок, которые могут возникнуть в связи с изменениями в механизме использования внутреннего пространства здания.

3.       Энергопотребление двигателя является функцией скорости. Наиболее часто применяемым типом двигателя в системах вентиляции и кондиционирования является индукционный двигатель. Для индукционного двигателя характерна кубическая зависимость потребляемой мощности от скорости вращения привода. Это означает, что если снизить скорость работы двигателя на 25%, его энергопотребление упадет почти на 60%. В случае 50% снижения скорости, экономия электроэнергии достигает 90%.

Использование VFD в системах вентиляции и кондиционирования позволяет устранить влияние первых двух факторов, а третий фактор способствует росту энергоэффективности. VFD преобразует ток с частотой 60Гц в постоянный ток, а затем снова в переменный, напряжение и частота которого меняется в зависимости от уровня нагрузки на систему. По мере снижения нагрузки, VFD-контроллер уменьшает скорость вращения привода, что позволяет поддерживать необходимый уровень охлаждения при пониженном энергопотреблении.

Преимущества VFD

Наиболее важным преимуществом VFD является экономия электроэнергии. За счет соответствия текущей потребляемой мощности системы реальной загрузке, на протяжении всего года достигается значительная экономия энергии.

Еще одним преимуществом частотно-регулируемых приводов является уменьшение степени износа оборудования. В момент запуска, индукционный двигатель потребляет значительно более высокий ток в сравнении со штатным режимом функционирования. Величина пускового тока может в 3-10 раз превышать величину тока при полной загрузке системы, что приводит к нагреву оборудования и к повышению нагрузки на обмотку и на другие компоненты двигателя. В случае, если включение и отключение двигателя происходит достаточно часто, может наблюдаться ранний выход оборудования из строя.

Частотно-регулируемый привод из линейки P-series от компании Cerus Industrial

В противоположность этому, когда происходит запуск двигателя, подключенного к VFD, частотно-регулируемый привод прикладывает к двигателю низкое напряжение с низкой частотой. Обе величины постепенно повышаются до нормального рабочего состояния, что позволяет продлить жизнь двигателю.

Частотно-регулируемый привод также позволяет более точно управлять работой систем кондиционирования. К примеру, в высотных зданиях применяются специальные насосы для поддержания необходимого уровня давления воды по всем этажам. Традиционные механизмы управления могут поддерживать уровень давления в рамках определенного диапазона, однако, VFD-система позволяет более точно контролировать поток воды в более широких пределах, что приводит к снижению энергопотребления и к уменьшению степени износа насосного оборудования.

Применение VFD

Наиболее часто используемым типом двигателя в системах вентиляции и кондиционирования является трехфазный индукционный двигатель. Впрочем, в некоторых ситуациях может применяться однофазный индукционный двигатель. Оба типа двигателей могут быть оснащены частотно-регулируемым приводом.

VFD-контроллеры имеют широкий спектр применимости, однако, наибольших преимуществ можно добиться при использовании в условиях, требующих переменной скорости вращения двигателя. К примеру, скорость течения жидкости, регулируемая насосами, используемыми в системах водоснабжения, может быть адаптирована к существующему в здании уровню нагрузки за счет применения VFD для изменения скорости течения жидкости. Аналогичным образом, в системах, требующих поддержания постоянного уровня давления вне зависимости от скорости течения жидкости (к примеру, системы горячего и холодного водоснабжения), может применяться VFD с контролем по реперной точке.

Большая часть коммерческих систем кондиционирования и вентиляции использует для распределения воздуха регулируемые вентиляционные системы. Эти системы, как правило, контролируются механизмом регулируемых лопаток входного направляющего аппарата, устанавливаемым в вентиляционных системах и в воздушных камерах переменного объема. По мере того, как нагрузка на систему снижается, воздушные камеры переменного объема закрываются, что приводит к росту статического давления в системе. Контроллер вентилятора замечает изменения и закрывает входные лопатки. И хотя применение подобного механизма контроля позволит снизить энергопотребление вентиляторов в системе, он является менее эффективным и менее точным, чем VFD.

Еще одной потенциальной областью применения для VFD является система с регулируемым потоком хладагента. Подобные системы используются для подключения одного или нескольких компрессоров к общей системе подачи хладагента, которая питает несколько испарителей. За счет применения труб вместо воздуховодов для подачи хладагента удается существенно снизить энергопотребление. Поскольку нагрузка на компрессор постоянно меняется в зависимости от режима работы испарителей, VFD может применяться для контроля над рабочей скоростью компрессора с целью соответствия текущей величине нагрузки, что позволяет снизить потребление энергии при неполной загрузке.

Применение технологии VFD в отрасли ЦОД

Вентиляторы с переменной скоростью вращения

Вентиляторы в модулях CRAC потребляют большой объем энергии, примерно соответствующий 5-10% от общего энергопотребления дата-центра (больше потребляют только компрессоры). Модули, как правило, не умеют адаптировать скорость вращения вентиляторов к постоянно меняющейся нагрузке на сервера. Рабочие условия ЦОД подвержены изменениям, и поэтому вентиляторы с переменной скоростью вращения (VSD) имеет смысл использовать везде, где это возможно. Для многих модулей CRAC существует возможность апгрейда на использование VSD. Одной из разновидностей VSD является частотно-регулируемый привод (VFD), позволяющий вентилятору работать на пониженной скорости за счет изменения частоты электрического тока, подаваемого на двигатель вентилятора.

Для обеспечения качественного охлаждения и поддержки механизма многократного резервирования, дата-центры одновременно используют несколько модулей CRAC. Это может приводить к сокращению цикла работы системы охлаждения и к возникновению высокого давления в камере охлаждения, что в свою очередь вызывает повышение энергопотребления (компрессор в модуле CRAC, работающий по сокращенному циклу, включается и выключается слишком часто, что снижает эффективность работы системы). VSD позволяют экономить энергию за счет колебаний в уровне нагрузки ЦОД. Энергопотребление вентилятора пропорционально кубу скорости, так что снижение скорости вращения позволяет серьезно уменьшить потребление энергии. Снижение скорости вращения вентиляторов на 10% сокращает энергопотребление примерно на 25%. Снижение скорости на 20% приводит к экономии до 45%.

Вентиляционный модуль PowerAire Quad от компании Tate.

Ряд компаний уже внедрили в принадлежащих им ЦОД вентиляторы с переменной скоростью вращения. Это позволяет им экономить сотни тысяч долларов ежегодно.

ЦОД BNY Mellon

Компания BNY Mellon работает в сфере инвестиционного менеджмента. В принадлежащем компании дата-центре площадью 6500 кв. м., расположенном в северной части штата Пенсильвания, были установлены вентиляторы с переменной скоростью вращения. В результате, удалось добиться снижения скорости работы вентиляторов на 25%, что привело к сокращению энергопотребления вентиляторными системами на 58%.

ЦОД Target

Два принадлежащих компании Target дата-центра, Brooklyn Park и Elk River, имеющие общую мощность 3,4МВ, были оснащены вентиляторами с частотно-регулируемыми приводами (VFD). До установки VFD, система кондиционирования воздуха и вытяжные вентиляторы вращались с постоянной скоростью каждый день на протяжении всего года. Установка VFD позволила снизить скорость вращения вентиляторов, что привело к существенному сокращению энергопотребления. В некоторых случаях скорость удалось снизить на 78%, что привело к сокращению энергопотребления оборудования на 99%. Мощность двигателей, устанавливаемых в кондиционерах и вентиляционных модулях, находится в диапазоне от 7,5 до 15лс. Вытяжные вентиляторы обладают мощностью в 1,5лс.    

ЦОД EBAY

Компания EBAY установила VSD в дата-центре, расположенном в г. Феникс и имеющем общую площадь 13000 кв. м. На данном объекте были установлены 83 модуля CRAH с водяным охлаждением, каждый из которых был оснащен вентиляторами с постоянной скоростью вращения. Подача охлажденной воды в каждом модуле регулировалась датчиком температуры отработанного воздуха, установленным в вытяжной камере.

В рамках выполнения модернизации были установлены новые высокоэффективные двигатели (эффективность 95%), и каждый модуль CRAH был оснащен вентиляторами с переменной скоростью вращения. Наборы для модернизации CRAH поставлялись непосредственно производителем. Установка VSD позволила сократить энергопотребление воздушных кондиционеров практически в 4 раза, что соответствует ежегодной экономии в $283,596 при стоимости одного кВт электричества в 6,5 центов.

ЦОД RagingWire

В принадлежащем компании дата-центре CA1 общей мощностью 20МВт были установлены вентиляторы с частотно-регулируемым приводом. Каждый насос системы охлаждения, насос подачи охлажденной воды и модуль CRAH был оснащен VFD. В результате, среднее сокращение скорости вращения вентиляторов составило 42%, что соответствует ежегодной экономии в $473000.

Оригинальная система управления модулями кондиционирования обладала одним недостатком: если один из модулей отключался, требовалось подключение другого модуля. В случае использования VFD, отказ одного из модулей приводит к повышению скорости вращения вентиляторов в других модулях, что также способствует эффективности работы системы.

Использование VFD в России

В настоящее время, технология частотно-регулируемых приводов в российских ЦОД практически не применяется. Впрочем, примеры успешного внедрения данной технологии все же существуют. Одним из таких примеров является дата-центр КОМКОР, расположенный на Варшавском Шоссе в Москве. Энергопотребление ЦОД составляет 3,5мВт, и он соответствует классу надежности TIER 3+. Установленные на насосной станции моторы оснащены частотно-регулируемым приводом для плавного пуска/переключения скорости работы, что положительно сказывается на энергоэффективности и снижает степень износа оборудования. VFD также оснащены расположенные на внешней ферме вентиляторы, что позволяет без проблем раскрутить мощное оборудование даже при сильном ветре.

Мнение экспертов о технологии VFD

Эрик Галлант, эксперт по критически-важным приложениям, Lee Technologies

Последние технологические достижения в области разработки модулей CRAH позволили добиться существенного снижения энергопотребления, которое легко измерить. Ранее в этом году мне выпала уникальная возможность провести сравнение кондиционера с традиционными вентиляторами, имеющими постоянную скорость вращения, и кондиционера с технологией VFD.

Один из моих клиентов захотел установить в серверное помещение дополнительный кондиционер с целью обеспечения избыточности. На тот момент, в серверной уже был установлен модуль CRAH Stulz-@@12@@, запущенный в 1999 году. Мы установили новый кондиционер Stulz-@@13@@ Cyberair 2, имеющий такую же мощность, но оснащенный VFD (реализация технологии VFD от Stulz называется EC fan). Установив модули друг возле друга и поддерживая постоянный температурный режим в помещении, мы смогли измерить энергопотребление каждого кондиционера. Таким образом, мы выяснили, что новый модуль поддерживал требуемый уровень температуры, потребляя при этом на 50% меньше энергии. Более того, Stulz-ATS Cyberair 2 работает гораздо тише и требует минимального техобслуживания.

Модули CRAH, выпускаемые компанией Stulz-ATS.

Разумеется, далеко не всегда удается добиться 50% снижения энергопотребления для модулей CRAH. Впрочем, экономия в размере 20-60% - это вполне реальная перспектива. Если предположить, что стоимость электроэнергии составляет 10 центов/кВт, то можно добиться ежегодной экономии в размере $1700-$4900 на каждый модуль CRAH, установленный в ЦОД. Дополнительная экономия достигается за счет того, что VFD-вентиляторы не используют ремней, шкивов, приводов и прочих механических деталей, требующих регулярного техобслуживания.

Деннис Симански, старший менеджер проектов в научно-исследовательском институте электроэнергетики

Большой интерес представляет использование технологии VFD в системах непосредственного охлаждения (DX), где воздух пропускается через охладительные катушки системы кондиционирования (вместо охлаждения с помощью контура с охлажденной водой). Некоторые производители предостерегали специалистов отрасли ЦОД от использования приводов с переменной скоростью в критически-важных системах, где применяется непосредственное охлаждение. Проблема заключается в том, что сокращение воздушного потока, проходящего через модули DX, может приводить к появлению конденсата и к обледенению.

Однако, существует огромное количество экспериментальных данных, которые подтверждают обратное. Решено было провести тестирование технологии VFD в системе непосредственного охлаждения на базе принадлежащего ERPI дата-центра. В результате, команда ERPI смогла сократить энергопотребление вентиляторов на 77% (с 0,17кВт до 0,04кВт). Мы оснастили вентиляторы частотно-регулируемыми приводами и начали постепенно сбрасывать скорость их работы. Был протестирован широкий диапазон скоростей. Единственное, на что обратил внимание ИТ-персонал в ходе проведения тестирования – в ЦОД стало значительно тише.

Мы продолжаем анализировать полученные данные, но на данный момент полученный результат выглядит потрясающе. Каждый раз, когда мы меняем скорость вращения вентиляторов, мы анализируем работу дата-центра. Проблем пока не возникало. Подобную модернизацию легко осуществить. Мы установили VFD в режиме байпасс, так что при необходимости их всегда можно отключить. Данная стратегия может быть особенно привлекательной для небольших старых ЦОД, в которых изоляция холодных и горячих участков будет стоит слишком дорого.