EC风机改造效益分析

江传来，郑 立

（江西电信网络运营支撑事业部，江西 南昌 330002）

0 引 言

通信设备在机房中运行时对环境要求较高，尤其是空气清洁度和温湿度方面。这些指标主要通过空调系统来调节，消耗大量的能源。因此，可以通过技术改造提升效率，从而实现节能的目的。早在20世纪70年代就出现了电子整流电机，在当下我国HVAC领域，EC技术已经逐步向机房空调和工业通风等方面发展。

1 EC风机改造的意义

机房中，通信设备与空调风机具有全年每天24 h不间断运行的特点。由于空调设备中的风机是所有部件中的高能耗部件，因此对风机进行改造来降低能耗是重中之重。相比于使用其他的冷源节能方案，直接从风机上入手的局限性较小。通过对风机进行EC风机改造，可降低30%左右的能耗，且在改造后不会减少送风量，不改变送风方式，还能提高安全性与稳定性，大大降低故障率，减少维护工作量。以广泛使用的68AC电机为例，假设过去5年平均功耗为150 W，占空比为75%，则5×106台该类型AC电机总耗电量为150×5×24×365×500×75%=25 TW·h。一旦换上EC风机，将可以省下7.5 TW·h的电能。

2 EC风机的定义、优点及改造建议

2.1 EC风机的定义及组成

嵌入式控制器（Embedded Controller，EC）风机指采用数字化无刷直流外转子电机的离心式风机或者采用EC电机，EC 电机电源为直流电源，内置直流变交流模块，采用转子位置反馈、三相交流、永磁以及同步电机的离心风机。

2.2 EC风机的优点

首先，相较于传统直流电机而言，无刷直流电机的优势在于无电刷与励磁集电环，具有更简单的机械结构。其次，在传统电机的基础上提升了电机工艺性，并提高了机械使用寿命和可靠性。再次，电机的气隙磁密逐步提升，主要指标已达到最佳设计要求，直观地体现在电机体积减小和电机重量降低等方面。最后，无刷直流电机具备其他电机不具有的出色的控制性能，主要表现在3个方面。第一，永磁材料的高性能大幅提升了电机力矩常数、功率密度以及转矩惯量比等相应参数。同时，合理的设计方案可以降低电机的转动惯量、电机及机械时间常数等，极大地提高了伺服控制性能的主要指标。第二，从现有永磁磁路的设计方面入手比较困难，因为目前该方面的设计已经相对完善，加上电机所用的永磁材料矫顽力高，降低了电机的控制参量受外部扰动的影响。第三，目前电机中电励磁被永磁体所代替，相应减少了励磁绕组和励磁磁场两方面的设计工作，也直接减少了电机方面的可控变量与参量[1]。

当前，变频调速方式已经应用于大容量风机风量调节方面。这种类型的变频器一般进口获得，价格较高。当今普遍使用的1 kW以下功率等级的风机，尤其是家用空调上使用的风机，已经有许多是永磁无刷直流电机驱动的，且直接采用调速调风量的方式。目前，用量大的1～10 kW功率范围的风机大都使用感应电机进行驱动，同时利用调节风口开度的方式调节风量。对于该功率范围内的风机，利用永磁无刷直流电机驱动的方式取代感应电机驱动具有明显优势。

（1）高效低损。通过永磁体励磁可直接消除之前感应电机励磁电流产生的损耗。此外，得益于同步运行方式和永磁无刷直流电动机的工作模式，运行过程中消除了感应电机转子铁心的转频损耗，提高了永磁无刷直流电机效率，且损耗下降较为可观。

（2）易于控制，调速性能良好。相比于感应电机的传统变频调速方式，无刷直流电机在调速控制和调速性能两方面具有简单和便捷的特点。

（3）高功率因数。无刷直流电机励磁磁场不需使用电网中的无功电流，因此功率因数比感应电机高，可实现高功率因数运行，尤其对于小功率电机。无刷电机与感应电机相比，不仅在额定负载条件下具有较高的效率和功率因数，而且在轻载条件下更具优势[2]。

（4）逆变器成本因逆变器容量低而降低。矩形波电流是运行无刷直流电动机的关键。矩形波的峰值代表的是逆变器持续运行时的电流额定值。感应电机运行则依靠正弦波电流，其中正弦波的有效值代表的是逆变器在持续运行时的电流额定值。逆变器直流电压与电动机感应电动势间必须有一定的差值，以保证对电动机电流的控制。因此，逆变器直流电压的限制将直接影响无刷直流电动机梯形波的感应电动势和感应电动机的感应电动势最大值。假设无刷直流电动机和感应电动机两者之间的电流峰值相等，那么无刷直流电动机输出功率要比感应电动机高33%。基于该结论，在相同情况下（即相同整流/逆变器条件下），无刷直流电机输出功率比感应电机要高33%。

综上所述，因为EC风机的电机采用无刷电流电机，所以它具有高智能、高节能、高效率、寿命长、振动小、噪声低以及可连续不间断工作等优点。同时，在制作上改善点击的工艺性，可有效增强点击运行的机械可靠性[3]。

2.3 EC风机系统改造建议

目前，机房中的专用空调大多仍为AC风机。该风机不仅效率低，而且噪声大。EC风机本身为数字化无刷直流外转子电机的离心式风机，其中外转子永磁同步电机搭配上后倾式风机，直接提高了约30%的整体效率，后倾式风机比前倾式风机效率高10%左右。转子电机可以有效减少传动损失来优化散热，且改造后的节能效果相当可观[4]。但是，在改造过程中需要注意两个方面。一方面，机房空调设备的剩余使用年限应该低于EC风机投资回收年限，若制冷效果不佳，则应重新考虑该方案。另一方面，对机房中下送风空调EC风机进行改造，需要一定的空间条件，建议依据实际情况制定改造方案。

3 改造效益分析

基于以上阐述，江西电信在某核心机房中对其中2台机房专用空调进行EC风机改造。图1为原始AC风机电流图，可以看到原始AC风机电流值为15.5 A。对该系统进行改造，分别对有无需求（即压缩机是否工作）进行测试。图2和图3为改造后针对压缩机是否工作所测试的电流值，其中压缩机不工作时电流值为0.23 A，压缩机工作时的电流值为0.51 A。通过测试可得出结论，当前环境测试每天节约超600 kW·h，每年节约100 000～200 000 kW·h，1～1.5年可收回全部投资。以下为测试说明。首先，AC风机开机运行就是满载运行，而EC风机运行分两种。一种是空调无制冷和加热需求，风机降载低速运行，满足空调送风循环即可，即表1中改造后（无需求）。另一种是空调有制冷和加热需求，风机加载常速运行，满足空调制冷和加热需求，即表1中改造后（有需求）。其次，本次EC风机更换，通过检测改造AC风机和改造EC风机运行电流，可以计算出更换前和更换后的能耗，其中三相电功率参照最后，有制冷需求与无制冷需求可通过机房温度空调主板电脑计算进行切换。表1中数据按有需求记录，实际风机运行更节能。

表1 江西电信室内风机更换前后测试数据表

图1 原始AC风机电流数值

图2 改造EC风机后压缩机不工作时电流值

图3 改造EC风机后压缩机工作时电流值

4 结 论

综上所述，将机房空调系统中传统AC风机改造成EC风机后，能大幅降低风机运行的电流值，在不改变送风量、风速以及送风方式的前提下，有效降低风机运行时的能耗，达到了节能减排的目的，同时具有降噪功能。此外，EC风机可以减少皮带和皮带轮等传动装置的故障，进一步提高空调系统的稳定性，减少了因故障带来的维修工作量。