EC-fläktar med integrerad effektfaktorkorrigering

Behovet av integrerad PFC har successivt vuxit i takt med att behovet av energibesparande lösningar ökat inom många olika applikationsområden. Kraven på energieffektivisering finns i allt från belysningssystem till elektriska drivsystem. De möjligheter som idag finns att reglera exempelvis hastigheten och effekten hos EC-fläktar till aktuellt behov kan ge stora energibesparingar och även reducerade driftskostnader.

Samtidigt som detta är en positiv utveckling ur både energi- och miljösynpunkt leder den nya tekniken till att det uppstår krav på att lösa den effekt som uppstår med fasskiftande ingångsströmmar som pulserar och kan orsaka förluster i strömförsörjningen till olika elektriska utrustningar. Den reaktiva effekt som orsakas av fasskiftningen måste också kompenseras, och detta har särskilt stor betydelse i datacenters.

EC-fläktar som inte kräver frekvensomformare
Strömförsörjningen i ett datacenter består i huvudsak av nätinmatningstransformatorer, UPS-system och standbygeneratorer. Tillsammans måste dessa komponenter säkerställa en tillförlitlig strömförsörjning med de höga krav som ställs på redundans i denna typ av applikationer. Å andra sidan kräver tillhandahållandet av ytterligare reaktiv effekt att alla komponenter som är involverade i strömförsörjningen utnyttjas för att leverera högre prestanda. En överdimensionering av strömförsörjningssystemen för att svara upp mot kraven kan dock leda till oönskade och höga kostnaderna för bland annat utrustning som ska förhindra de problem som kan uppstå med övertoner. Det är olinjära belastningar som ger upphov till övertoner genom att förhållandet mellan ström och spänning inte är konstant under en period.

Om en olinjär belastning ansluts till elnätet kommer den att dra en ström som avviker från sinusformen vilket ger upphov till övertoner. Strömmen orsakar sedan ett motsvarande spänningsfall vilket förvränger spänningskurvans sinusform, och man får motsvarande övertoner i spänningen. Asynkronmotorer är som regel försedda med frekvensomformare samt skärmade kablar mellan omformare och fläktmotorer för att reducera problemet. ebm-papst EC-fläktar har dock integrerad elektronik som eliminerar behovet av frekvensomformare och skärmade kablar. Att fläktarna dessutom har en aktiv PFC (Power Factor Correction = effektfaktorkorrigering) gör att de uppfyller alla de krav på störningsfri teknik som ställs i många känsliga miljöer.

Figuren nedan visar ingångsströmmen hos ett serverkylsystem med två fläktar som är monterade parallellt och den reaktiva effekten vid 6,69 kVA. Den reaktiva effekten är effekt som inte förbrukas av den anslutna lasten utan sänds tillbaka till växeleffektkällan. Sändandet och mottagandet av reaktiv effekt ger överföringsförluster och de reaktiva strömmarna reducerar elkraftsledningarnas kapacitet att överföra nyttig effekt. För att minska den reaktiva effekten finns olika metoder för faskompensering. Ett sätt att ta reda på hur effektivt energin används är att mäta effektfaktorn.

Den kraft som upptas i en last är produkten av spänningen och strömmen. Om en last är rent resistiv, är spänningen och strömmen i fas och all kraft kan utnyttjas på ett bra sätt. Om en last har en reaktiv komponent (dvs har kapacitans eller induktans) hamnar spänning och ström ur fas med varandra. För att optimera ett strömförsörjningssystem bör effektfaktorn ligga nära ett värde av 1.

Två EMC-standarder i fokus
Det finns två viktiga EMC-standarder (EMC-Electromagnetic Compability) som måste följas när större fläktar ska anslutas till nätet och i miljöer där det ställs höga krav på störningsfrihet och elkvalitet. Datacenters är en typisk sådan miljö. Dels är det EN 61000-3-2 (för fläktar med högst 16 A per fas) och EN 61000-3-12 (för fläktar och installationer med mer större än 16 A men högst 75 A per fas.

Många vet till exempel inte om att det finns en EMC-standard för apparater med en matningsström på högst 16 A per fas, och en standard för utrustningar med en matningsström större än 16 A men högst 75 A per fas. Det kan också vara lätt att missa att om det installeras två fläktar med en matningsström på exempelvis 10 A vardera så går det över 16 A per fas och då är det standarden för 16-75 A som är aktuell. Med de stora krav på fläktkapacitet som ofta ställs i datacenters kan det många gånger vara standarden EN 61000-3-12 som är aktuell.

När det gäller dessa standarder är det viktigt att tänka på att det inte görs någon principiell skillnad mellan apparater och installationer. Kravet på EMC gäller i gränssnittet mellan dessa och den yttre miljön. Fasta installationer, som kan vara en produktionslinje i en fabrik, kan bestå av både CE-märkta och inte CE-märkta apparater.

Då det inte finns några harmoniserade standarder för fasta installationer ställs idag krav på att en totalentreprenör använder sig av andra metoder för att visa att en installation överensstämmer med EMC-kraven. Skyddskraven i EMC-direktivet – om immunitet och emission – gäller också för fasta installationer där det sker en anpassning efter förutsättningarna på installationsplatsen. Den som utför en fast installation måste dokumentera hur skyddskraven uppfyllts och ägaren till installationen ska spara denna dokumentation så länge som exempelvis en produktionslinje är i drift.

Aktiv PFC i EC-fläktar som smidig plug & play-lösning
Vid en beskrivning av de problem som övertoner kan orsaka är det viktigt att också nämna de olinjära laster (likriktare, frekvensstyrningar, ljusbågsvakter, invertrar, switchade aggregat mm.) genererar icke-sinus strömmar. Dessa strömmar skapas av 50 Hz eller 60 Hz (beroende på land) grundton samt en mängd överlagrade strömmar som kallas övertoner. Resultatet är en distorison på spänningen och strömmen som ger en serie av relaterade sekundära effekter.

Historiskt sett har det varit vanligt att installera filterutrustning och annan teknik för att minska övertonerna. Då detta både är kostsamt och många gånger också tekniskt komplicerat har ebm-papst bedrivit ett intensivt tekniskt utvecklingsarbete för att hitta en effektivare, mer smidig och även en kostnadseffektiv lösning.

Resultatet är att ebm-papst blev den första fläkttillverkaren i världen som integrerade en trefasig aktiv PFC i vissa av företagets EC-fläktar. PFC omvandlar den pulserade ingångsströmmen hos EC-motorerna till en sinusformad ström, vilken sedan skiftas så att den befinner sig i fas med spänningen. Detta minskar kraftigt risken för övertoner vilket gör det möjligt att uppfylla kraven i standarden EN 61000-3-2 utan några konstruktionsförändringar.

Först ut att få integrerad PFC var RadiPac-fläktar i storlekarna 450, 500 och 560 mm med motoreffekten 3 kW. Därefter skedde samma anpassning av fläktarna RadiCal med storlekarna 500, 560 och 630 mm. För exempelvis datacenters innebär ebm-papst utveckling av en integrerad och smidig plug & play lösning för PFC att man på ett enkelt sätt kan försäkra sig om ett skydd mot övertoner och en störningsfri miljö med hög elkvalitet. Till detta ska också läggas de stora möjligheter som finns att med EC-fläktarna uppnå betydande energibesparingar.



Källa: ebm-papst