EC風機改造效益分析

江傳來，鄭 立

（江西電信網絡運營支撐事業部，江西 南昌 330002）

0 引 言

通信設備在機房中運行時對環境要求較高，尤其是空氣清潔度和溫濕度方面。這些指標主要通過空調系統來調節，消耗大量的能源。因此，可以通過技術改造提升效率，從而實現節能的目的。早在20世紀70年代就出現了電子整流電機，在當下我國HVAC領域，EC技術已經逐步向機房空調和工業通風等方面發展。

1 EC風機改造的意義

機房中，通信設備與空調風機具有全年每天24 h不間斷運行的特點。由于空調設備中的風機是所有部件中的高能耗部件，因此對風機進行改造來降低能耗是重中之重。相比于使用其他的冷源節能方案，直接從風機上入手的局限性較小。通過對風機進行EC風機改造，可降低30%左右的能耗，且在改造后不會減少送風量，不改變送風方式，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68AC電機為例，假設過去5年平均功耗為150 W，占空比為75%，則5×106臺該類型AC電機總耗電量為150×5×24×365×500×75%=25 TW·h。一旦換上EC風機，將可以省下7.5 TW·h的電能。

2 EC風機的定義、優點及改造建議

2.1 EC風機的定義及組成

嵌入式控制器（Embedded Controller，EC）風機指采用數字化無刷直流外轉子電機的離心式風機或者采用EC電機，EC 電機電源為直流電源，內置直流變交流模塊，采用轉子位置反饋、三相交流、永磁以及同步電機的離心風機。

2.2 EC風機的優點

首先，相較于傳統直流電機而言，無刷直流電機的優勢在于無電刷與勵磁集電環，具有更簡單的機械結構。其次，在傳統電機的基礎上提升了電機工藝性，并提高了機械使用壽命和可靠性。再次，電機的氣隙磁密逐步提升，主要指標已達到最佳設計要求，直觀地體現在電機體積減小和電機重量降低等方面。最后，無刷直流電機具備其他電機不具有的出色的控制性能，主要表現在3個方面。第一，永磁材料的高性能大幅提升了電機力矩常數、功率密度以及轉矩慣量比等相應參數。同時，合理的設計方案可以降低電機的轉動慣量、電機及機械時間常數等，極大地提高了伺服控制性能的主要指標。第二，從現有永磁磁路的設計方面入手比較困難，因為目前該方面的設計已經相對完善，加上電機所用的永磁材料矯頑力高，降低了電機的控制參量受外部擾動的影響。第三，目前電機中電勵磁被永磁體所代替，相應減少了勵磁繞組和勵磁磁場兩方面的設計工作，也直接減少了電機方面的可控變量與參量[1]。

當前，變頻調速方式已經應用于大容量風機風量調節方面。這種類型的變頻器一般進口獲得，價格較高。當今普遍使用的1 kW以下功率等級的風機，尤其是家用空調上使用的風機，已經有許多是永磁無刷直流電機驅動的，且直接采用調速調風量的方式。目前，用量大的1～10 kW功率范圍的風機大都使用感應電機進行驅動，同時利用調節風口開度的方式調節風量。對于該功率范圍內的風機，利用永磁無刷直流電機驅動的方式取代感應電機驅動具有明顯優勢。

（1）高效低損。通過永磁體勵磁可直接消除之前感應電機勵磁電流產生的損耗。此外，得益于同步運行方式和永磁無刷直流電動機的工作模式，運行過程中消除了感應電機轉子鐵心的轉頻損耗，提高了永磁無刷直流電機效率，且損耗下降較為可觀。

（2）易于控制，調速性能良好。相比于感應電機的傳統變頻調速方式，無刷直流電機在調速控制和調速性能兩方面具有簡單和便捷的特點。

（3）高功率因數。無刷直流電機勵磁磁場不需使用電網中的無功電流，因此功率因數比感應電機高，可實現高功率因數運行，尤其對于小功率電機。無刷電機與感應電機相比，不僅在額定負載條件下具有較高的效率和功率因數，而且在輕載條件下更具優勢[2]。

（4）逆變器成本因逆變器容量低而降低。矩形波電流是運行無刷直流電動機的關鍵。矩形波的峰值代表的是逆變器持續運行時的電流額定值。感應電機運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運行時的電流額定值。逆變器直流電壓與電動機感應電動勢間必須有一定的差值，以保證對電動機電流的控制。因此，逆變器直流電壓的限制將直接影響無刷直流電動機梯形波的感應電動勢和感應電動機的感應電動勢最大值。假設無刷直流電動機和感應電動機兩者之間的電流峰值相等，那么無刷直流電動機輸出功率要比感應電動機高33%。基于該結論，在相同情況下（即相同整流/逆變器條件下），無刷直流電機輸出功率比感應電機要高33%。

綜上所述，因為EC風機的電機采用無刷電流電機，所以它具有高智能、高節能、高效率、壽命長、振動小、噪聲低以及可連續不間斷工作等優點。同時，在制作上改善點擊的工藝性，可有效增強點擊運行的機械可靠性[3]。

2.3 EC風機系統改造建議

目前，機房中的專用空調大多仍為AC風機。該風機不僅效率低，而且噪聲大。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來優化散熱，且改造后的節能效果相當可觀[4]。但是，在改造過程中需要注意兩個方面。一方面，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。另一方面，對機房中下送風空調EC風機進行改造，需要一定的空間條件，建議依據實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房中對其中2臺機房專用空調進行EC風機改造。圖1為原始AC風機電流圖，可以看到原始AC風機電流值為15.5 A。對該系統進行改造，分別對有無需求（即壓縮機是否工作）進行測試。圖2和圖3為改造后針對壓縮機是否工作所測試的電流值，其中壓縮機不工作時電流值為0.23 A，壓縮機工作時的電流值為0.51 A。通過測試可得出結論，當前環境測試每天節約超600 kW·h，每年節約100 000～200 000 kW·h，1～1.5年可收回全部投資。以下為測試說明。首先，AC風機開機運行就是滿載運行，而EC風機運行分兩種。一種是空調無制冷和加熱需求，風機降載低速運行，滿足空調送風循環即可，即表1中改造后（無需求）。另一種是空調有制冷和加熱需求，風機加載常速運行，滿足空調制冷和加熱需求，即表1中改造后（有需求）。其次，本次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，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房溫度空調主板電腦計算進行切換。表1中數據按有需求記錄，實際風機運行更節能。

表1 江西電信室內風機更換前后測試數據表

圖1 原始AC風機電流數值

圖2 改造EC風機后壓縮機不工作時電流值

圖3 改造EC風機后壓縮機工作時電流值

4 結 論

綜上所述，將機房空調系統中傳統AC風機改造成EC風機后，能大幅降低風機運行的電流值，在不改變送風量、風速以及送風方式的前提下，有效降低風機運行時的能耗，達到了節能減排的目的，同時具有降噪功能。此外，EC風機可以減少皮帶和皮帶輪等傳動裝置的故障，進一步提高空調系統的穩定性，減少了因故障帶來的維修工作量。