電子換向為交流和直流風(fēng)扇應(yīng)用提供更佳的節(jié)能效果

將傳統(tǒng)的冷卻和通風(fēng)風(fēng)扇升級為電子換向等效產(chǎn)品，不僅可以提高效率，而且可以使運行更安靜，更可靠。

從計算機系統(tǒng)、工業(yè)自動化到住宅和商業(yè)建筑，全世界各種能耗中有很大一部分是用于為風(fēng)扇供電以進行冷卻和通風(fēng)。將常規(guī)的直流或交流供電電機更換成電子換向電機，它們也可變得更安靜、更可靠，從而可提高效率并節(jié)省大量的電能。

無刷直流風(fēng)扇

無刷直流 （BLDC） 電機已在許多使用低壓直流風(fēng)扇的領(lǐng)域中取代了傳統(tǒng)的有刷電機，例如冷卻電子部件。它們更高的效率帶來了諸多優(yōu)勢，其中包括提高了電器能效等級，并且可延長電池供電的設(shè)備運行時間。另外，沒有碳刷則消除了常見的缺點，例如機械磨損和電弧。此外，由于動力線圈位于轉(zhuǎn)子外部，可通過傳導(dǎo)進行冷卻，從而使電機能夠保持密封性，以防止灰塵或其他污染物進入內(nèi)部。可使用電壓控制（例如常見的1-10V信號）或者使用由微控制器或電機驅(qū)動電路生成的PWM信號，來調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

使用1-10V模擬控制，可通過熱敏電阻電路輕松地隨著溫度的升高或降低，而增加或降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。圖1顯示了負溫度系數(shù)（NTC）的熱敏電阻，如何確保所施加的電壓隨著，熱敏電阻的電阻隨溫度的升高，而線性增加，從而提高風(fēng)扇速度以增加冷卻能力。

圖1. 使用NTC熱敏電阻進行溫度相關(guān)的電壓控制。

或者，可將固定頻率的脈沖寬度調(diào)制（PWM）方波，應(yīng)用于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制的導(dǎo)線（圖2）。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和，導(dǎo)通時間與PWM周期之比，成正比。

圖2. 電子換向風(fēng)扇的簡單PWM控制。來源： Delta fans （https://www.delta-fan.com/Support/ApplicationNotes.htm）

電子換向風(fēng)扇助推交流應(yīng)用

作為傳統(tǒng)交流風(fēng)扇的替代品，集成了交流/直流轉(zhuǎn)換和電動馬達驅(qū)動電路的電子換向風(fēng)扇，是一項相對較新的選擇。采用最新的電子技術(shù)和葉輪空氣動力學(xué)特性，Sunon的EBM-Papst和CF4113系列的K3G、R3G、ACI44和S3G系列的電子換向風(fēng)扇可實現(xiàn)高達90％的效率，而最好的50Hz交流風(fēng)扇效率只有70-80％。除了幫助降低公用事業(yè)成本并進一步遵守生態(tài)設(shè)計法規(guī)（例如適用于額定功率從125W到500kW的所有應(yīng)用的歐盟ERP法規(guī)）外，能耗的大幅度降低還降低了自發(fā)熱，從而有助于提高設(shè)備的可靠性。另一個優(yōu)點是，根據(jù)EBM-Papst發(fā)布的信息，在可比的空氣性能下，電子換向風(fēng)扇的噪聲通常約為交流風(fēng)扇的一半，并且在某些工作場所可降低至6dB的低噪音，從而為工作人員或居住場所創(chuàng)造了更舒適的環(huán)境。

通過集成電源轉(zhuǎn)換和電機控制電子設(shè)備（使設(shè)備直接連接到交流電源），電子換向風(fēng)扇簡化了設(shè)計并節(jié)省了空間。選擇電子換向風(fēng)扇的工程師們，可以設(shè)定數(shù)據(jù)表的效率將代表整個系統(tǒng)的效率。而無需考慮傳統(tǒng)交流風(fēng)扇必須附帶的外部電源和控制電子設(shè)備的額外影響。通常還內(nèi)置了基本保護功能、干擾抑制功能、軟啟動電路和通信端口。但電子換向風(fēng)扇的尺寸可與類似的交流風(fēng)扇相似或相同。此種物理兼容性可以輕松替換現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計中的交流風(fēng)扇，因此升級到電子換向技術(shù)可以快速直接地進行。

傳統(tǒng)的交流風(fēng)扇，以相對于交流電源頻率固定的轉(zhuǎn)子速度運行。如果需要變速，則需要使用三端雙向可控硅開關(guān)以斬波輸入的交流波形（圖3）或使用逆變器變頻驅(qū)動器（圖4）進行相位控制。

圖3. 相位控制會截斷交流波形，以改變提供給電機的功率。（一般圖形，來源： https://www.orientalmotor.com/images/ac-motors/torque-motor-voltage-control.jpg

更高效率，更低噪音

采用相位控制，隨著電機速度的降低，則電能效率會顯著地降低，但電子換向風(fēng)扇則在很寬的負載范圍內(nèi)以接近最高效率的轉(zhuǎn)速連續(xù)運行。另一種選擇是逆變器驅(qū)動，這增加了系統(tǒng)的成本，并且還帶來了額外的電能損耗。而且，可能需要額外的保護以防止有害的軸電壓和相關(guān)的雜散電流，這些雜散電流會導(dǎo)致軸承腐蝕并產(chǎn)生早期的故障。

圖4. 用于交流電機變頻控制的變頻驅(qū)動器。來源： http://www.aircareautomation.com/data/article1.pdf

利用其內(nèi)置的電子控制器，電子換向風(fēng)扇允許使用簡單的模擬或PWM波形以與直流風(fēng)扇相同的方式控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。電機速度與電源頻率無關(guān)，并且不受交流電源電壓波動的影響。電子速度控制為產(chǎn)品開發(fā)人員提供了前所未有的靈活性，可以在應(yīng)用領(lǐng)域級上最大程度地節(jié)省電能，確保安靜運行并創(chuàng)建諸如遠程控制和監(jiān)視之類的額外增值功能。

EBM-Papst聲稱，在空調(diào)冷凝器中，與傳統(tǒng)的相控交流電機在標(biāo)稱速度下相比，電子換向風(fēng)扇能耗降低了10％以上，而在其他工作點上則降低了50％。

例如，在空調(diào)或機械通風(fēng)應(yīng)用領(lǐng)域中，可能需要系統(tǒng)隨著氣流的變化在管道中保持恒定的壓力。相反，在過濾系統(tǒng)中，隨著工作壓力在過濾器服務(wù)間隔之間的變化，可能要求風(fēng)扇保持恒定的氣流。如果風(fēng)扇速度恒定，則使用阻尼系統(tǒng)來調(diào)節(jié)氣流，這有效地浪費了一部分提供給風(fēng)扇的電能。通過響應(yīng)壓力傳感器數(shù)據(jù)改變電子換向風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，可以在任何給定時間內(nèi)調(diào)整氣流和壓力以滿足確切的要求，從而保持一致的性能并使能耗與系統(tǒng)需求相匹配，從而最大限度地提高效率并降低使用成本。

除了避免電能浪費之外，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速還可以減少來自電機和空氣運動的噪聲。

以恒定的電機速度改變氣流的另一種方法是開關(guān)多電機陣列。冷凝器可能有四個以恒定速度運行的交流風(fēng)扇。關(guān)閉兩個風(fēng)扇可將氣流減少50％，同時還降低50％的能耗。噪音降低約3dB。相比，當(dāng)速度降低到50％氣流時，可比的四個電子換向風(fēng)扇陣列消耗的電能不到最高能耗的三分之一，而噪音降低了15dB。

結(jié)論

最大限度地提高冷卻和通風(fēng)系統(tǒng)中使用的風(fēng)扇的效率，可顯著降低整體的能耗。有效利用設(shè)備外殼內(nèi)部的空間和降低可聽見噪聲，是采用改進冷卻風(fēng)扇技術(shù)可獲得另外兩大潛在優(yōu)勢。電子換向（EC）風(fēng)扇可以實現(xiàn)這些目標(biāo)，并在外形不超過可比的常規(guī)交流電機的外形下，結(jié)合了交流和直流電機的優(yōu)點。