Technologie für Gebläsekonvektoren: EC-Motoren

Bereits im Juli 2021 traten EU-weit neue Ökodesign-Maßnahmen für Elektromotoren und drehzahlvariable Antriebe in Kraft. Damit wurden neue Normen für Motoren und Antriebe eingeführt, die die Energieeffizienz verbessern sollen. 

Motoren und die Ökodesign-Maßnahmen

Mit den neuen Vorschriften wurden die früheren Verordnungen aus dem Jahr 2009 aktualisiert, um den Anwendungsbereich zu erweitern und dem raschen technologischen Wandel Rechnung zu tragen. Die neue Verordnung umfasst Motoren mit einem Leistungsbereich von 0,12 kW bis 1000 kW und drehzahlvariable Antriebe. Sowohl Motoren als auch Antriebe müssen ihren Wirkungsgrad bei verschiedenen Lastpunkten in Bezug auf Drehzahl und Drehmoment angeben, um Konstrukteuren und Ingenieuren zu helfen, die Effizienz ganzer Systeme zu optimieren.

Die aktualisierten Vorschriften werden zu erheblichen Energieeinsparungen führen. Die Europäische Kommission schätzt die jährlichen Einsparungen bis 2030 auf etwa 110 TWh - das entspricht dem Stromverbrauch der Niederlande und 40 Millionen Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr.

Im Bereich HLK gelten die Ökodesign-Maßnahmen für Motoren, die eine Reihe von Systemen antreiben, darunter auch Gebläsekonvektoren. Elektronisch kommutierte Motoren (EC-Motoren) ersetzen aufgrund ihrer höheren Energieeffizienz zunehmend die traditionellen Wechselstrom- (AC) und Gleichstrommotoren (DC).

Der Unterschied zwischen AC-, DC- und EC-Motoren

AC-Induktionsmotoren werden mit Wechselspannung betrieben. Sie verwenden eine Reihe von Spulen (Kupferwicklungen) im Statorfeld, um ein elektromagnetisches Drehfeld zu erzeugen, das in Stärke und Polarität variiert.  Ein Eichhörnchenkäfig im Rotorfeld wird durch den Stator induziert (und erzeugt ein Magnetfeld). Diese beiden Magnetfelder interagieren miteinander, um den Rotor in Drehung zu versetzen.

Wechselstrommotoren sind so konstruiert, dass sie in einem bestimmten Punkt auf einer Leistungskurve mit einer einzigen Drehzahl arbeiten (bei maximalem Wirkungsgrad des Motors). Außerhalb dieses Punktes sinkt der Wirkungsgrad erheblich. Außerdem verbrauchen AC-Motoren bei der Induktion von Strom auf dem Rotor Energie, was den Wirkungsgrad weiter beeinträchtigt. Das bedeutet, dass AC-Motoren von allen Motoren am wenigsten effizient sind. 

Gleichstrommotoren werden mit Gleichspannung betrieben. Sie verwenden Permanentmagnete im Rotor und stützen sich auf Kohlebürsten und einen Kommutierungsring, um die Stromrichtung und die Polarität des Magnetfelds in den Statorwicklungen umzuschalten. Dadurch entstehen magnetische Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die den Rotor in Drehung versetzen. 

Da Gleichstrommotoren ein Magnetfeld von Dauermagneten nutzen (anstatt Strom auf dem Rotor zu induzieren), können sie 30 % effizienter sein als Wechselstrommotoren. Gleichstrommotoren können auch mit variablen Drehzahlen betrieben werden und bieten eine präzisere Steuerung. Allerdings können sie aufgrund von Aspekten wie Bürstenreibung und Wirbelstromverlusten an Effizienz verlieren. Gleichstrommotoren sind auch störanfälliger und haben eine geringere Lebensdauer, da die Bürsten Funken schlagen können und sich mit der Zeit abnutzen.

Bei EC-Motoren erfolgt die Kommutierung nicht mechanisch, sondern elektronisch. Der Motor kombiniert Wechsel- und Gleichspannungen und erreicht die elektronische Kommutierung durch eine integrierte Elektronik. 

Wenn Sie AC-, DC- und EC-Motoren vergleichen, werden Sie feststellen, dass EC-Motoren ihren DC-Pendants am ähnlichsten sind. EC-Motoren sind im Wesentlichen bürstenlose Gleichstrom-Außenläufermotoren, die die besten Eigenschaften ihrer AC- und DC-Konkurrenten vereinen. Entscheidend ist, dass diese Motoren zusätzliche Funktionen wie Drehzahlregelung, Druckregelung, konstanter Druck und konstanter Luftstrom bieten. 

Von allen Motoren sind EC-Motoren am energieeffizientesten und bieten aufgrund ihrer bürstenlosen Bauweise eine hohe Zuverlässigkeit. EC-Motoren können auch eine präzisere Kühlung bieten, da sie weniger Wärme erzeugen. Das bedeutet, dass die kalte Luft, die vom Gebläsekonvektor abgegeben wird, weniger Motorwärme absorbiert.  

Wie funktionieren EC-Motoren?

EC-Motoren bestehen aus den folgenden Komponenten:

• Rotor
• Permanentmagnete
• Lagersystem
• Stator
• Wicklungen
• Kommutierungselektronik
• Hall-Sensoren 
• Gehäuse
• Netz- und Steueranschlüsse

EC-Motoren werden mit einer Wechselspannung versorgt, die durch einen Kommutator in Gleichspannung umgewandelt wird. Dies ist wichtig, weil Gleichspannung im Vergleich zu Wechselspannung eine effizientere Energieleistung bietet und variable Drehzahlen möglich sind. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren ist der Stator (stationärer Teil des Motors) größer als bei Gleichstrommotoren, um den Einbau von Kommutierungselektronik zu ermöglichen, einschließlich einer Leiterplatte und eines Gleichrichters, der die Spannung von Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt.

EC-Motoren verwenden Permanentmagnete und elektrische Wicklungen, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Die Kommutierungselektronik leitet in Abhängigkeit von der Position des Motors, der Drehrichtung und dem Drehzahlsollwert bestimmte Strommengen in bestimmten Richtungen durch jede der Wicklungen. Dies ist perfekt getaktet, um Magnetpole im Stator zu erzeugen, die dann mit den Permanentmagneten im Rotor zusammenwirken. 

Je nach der gewünschten Drehzahl des Lüfters werden die entsprechenden Magnete nacheinander von den Magnetpolen im Stator angezogen. Nicht jede Statorwicklung ist mit der gleichen Polarität geladen - um Bewegung zu erzeugen, werden einige der Statorwicklungen positiv, andere negativ geladen. Dadurch entstehen magnetische Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die den Rotor mit dem optimalen Drehmoment drehen. Ein Motor, der mit seinem idealen Drehmoment (bei allen Drehzahlen) läuft, hat seinen besten Wirkungsgrad.

Da die Elektrik die Stromzufuhr perfekt variieren kann, wird eine sehr präzise Überwachung und Steuerung erreicht. Dies bedeutet nicht nur, dass EC-Ventilatoren mit variablen Drehzahlen betrieben werden können, sondern auch, dass sie selbst dann noch hocheffizient sind, wenn sie mit nur 20 % der vollen Drehzahl laufen. 

Obwohl EC-Motoren einen größeren Stator als Gleichstrommotoren haben, sind keine Kohlebürsten oder ein Kollektor erforderlich. Das bedeutet, dass die EC-Einheit insgesamt kleiner ist und weniger anfällig für verschleißbedingte Ausfälle ist.

Wie viel Energie sparen EC-Motoren ein?

EC-Motoren sind äußerst energieeffizient, mit Wirkungsgraden von über 90 % bei 100 % Leistung. Selbst bei variablen Drehzahlen übertreffen EC-Motoren ihre AC- und DC-Pendants, was sie zu einer hervorragenden Wahl für Gebläsekonvektoren macht.

Außerdem können EC-Motoren nachgerüstet werden, um den Wirkungsgrad bestehender Systeme zu erhöhen. Bei Gebläsekonvektoren, die mit EC-Motoren nachgerüstet und wieder in Betrieb genommen wurden, um einen optimalen Betrieb zu erreichen, wurden in der Praxis Effizienzverbesserungen im Bereich von 46-82 % bei niedriger Drehzahl und 52-80 % bei hoher Drehzahl festgestellt.

Vorteile von EC-Motoren

EC-Motoren bieten eine Reihe von Vorteilen, darunter: 

• Sehr energieeffizient
• lange Lebensdauer
• Geringere Verschleißanfälligkeit (bürstenlose Technologie)
• Hoher Grad an Systemüberwachung und -steuerung
• Voll variable Drehzahl
• Zusatzfunktionen wie Druck- und Luftstromregelung
• Geringere Wärmeentwicklung - präzisere Kühlung
• Mehr Flexibilität
• Geringere Größe
• Weniger Lärm
• Längere Lebensdauer der Lager 
• Kann in jede Art von Gebläsekonvektoren eingebaut werden
• Kann zur Verbesserung der Energieeffizienz bestehender Systeme nachgerüstet werden
• Sie können kostengünstiger installiert werden als Gleichstrommotoren, da sie keine zusätzliche Technologie wie Transformatorsteuerung, Frequenzumrichter oder Phasenanschnittsteuerung erfordern.

Wie man energieeffiziente Gebläsekonvektoren auswählt

Bei Eurovent Certita Certification zertifizieren wir die Leistung einer Reihe von Gebläsekonvektoren, die EC-Motoren verwenden. Die Zertifizierung macht es möglich, unabhängig geprüfte Produkte zu vergleichen, da zertifizierte Produkte:

• Ihre Leistung wird nach denselben Kriterien bewertet, und die Ergebnisse werden in derselben Maßeinheit ausgedrückt, unabhängig vom Land, in dem die Produkte hergestellt oder vermarktet werden
• Die Leistung wird von einer unparteiischen, unabhängigen und kompetenten akkreditierten Stelle überprüft.
• Mit den Normen übereinstimmen
• Funktionieren gemäß den vom Hersteller angegebenen Spezifikationen.

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