有刷直流电机中的电刷每转一圈，都会改变电机磁体的极性。本文图片来源：安川电机

作者 | Larry Gardner

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尽管在HVAC应用中均占有一席之地，但电子换向电机（ECM）和变频器 （VFD）在简单性、灵活性、成本和其它因素方面都存在着重要差异。

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电子换向电机（ECM）最近得到很多关注。有时，它们也被称为无刷直流电机和 EC 电机。变频器（VFD）有时也被称为变速驱动器和可调速驱动器，它们的含义都是一样的。

交流感应电机无处不在，消耗了世界上大约 45% 的能源。但你在哪里可以找到 ECM ？读到这篇文章的每个人的家里可能都有 ECM。从很早开始，ECM 就被用于计算机磁盘驱动器。

在供暖、通风和空调应用中，许多较新的住宅和一些商业设备制造商，将 ECM 用于轻载、 小马力应用。在工业控制领域，几乎所有冷却风机都由 ECM 驱动。

关于 ECM 的常见问题包括：它们是否更高效、更昂贵、更容易安装和更换，是否会导致谐波问题，控制是否与电机集成，是交流还是直流供电，这是一种新技术还是未来发展趋势？

答案取决于具体应用中的各种因素，例如规格、应用、系统组件、人员培训和许多其它因素。VFD 和 ECM 都有自己的定位。

让我们从最基本的开始，电机定子和转子都需要磁铁。定子和转子磁极相反，彼此之间的吸引力使转子转动。秘诀是在适当的时间改变磁铁的极性以保持转子的旋转。

有刷直流电机

有刷直流电机的工作原理是，电刷将电压连接到绕组以产生磁性，当转子到达正确位置后，电刷与换向器的下一部分连接，以反转磁铁的极性。因此，电机可以保持转动。

这些电机制造简单，价格相对便宜，并且仍在使用中。然而，电刷有一些固有的问题。它们会磨损并需要定期更换，因此科学家找到了更好的换向方式。有趣的是，这种更好的方式的主要影响来自于 第二次世界大战期间，当时高海拔飞机上的有刷直流电动机因电刷在 3 万英尺以上迅速恶化而失败。

所以现在，60或70年后的今天，我们有了 ECM，它使用功率开关晶体管等电子设备，来代替直流电机的机械换向器组件。ECM 使用电子元件（例如霍尔效应传感器）来感测转子的位置以进行磁体换向。在 HVAC 领域，ECM 通常被认为是集成到单个装置中的电机和控制装置。内置在控制装置中的智能将 ECM 转化为特定用途的设备。

由于控制器与电机集成在一起，并且控制器通常由原始设备制造商在工厂编程，因此各种类型和规格不可互换。即使不要求完全一样，至少也需要相同类型并且可能还需要来自同一电机制造商的电机才能更换，以确保正常运行。

电机差异：交流与直流

让我们来看看它们是如何工作的。首先，让我们看一下给交流感应电机供电的典型 VFD（变频器）。三相交流感应电机已经出现有 100 多年了，当直接由交流线路供电时，它是定速设备。电机转速由其极数和电源频率决定。

所有传统的 VFD 都具有相同的基本设计，使用输入换向器将交流电转换为直流电。然后将直流电源存储在电容器中（图 2）。输出部分从该直流电源中获取能源并经脉冲宽度调制后向电机发送脉冲。通过改变脉冲的时间和持续时间，VFD 可以改变脉冲频率，从而可以控制电机转速。

▎图2 ：变频器使用输入整流器、直流电容器和绝缘栅双极晶体管向外部交流电机发送脉宽调制。

这里有一个显著的区别是，ECM 将电机和转速控制集成到单一装置中（图 3）。这里的脉冲宽度会改变电机获得的平均电压，就像 VFD 一样。但请记住，这些 ECM 脉冲的发生频率为数十赫兹，而 VFD 以数万赫兹的开关频率发送脉冲。

▎图 3 ：ECM 使用与变频器相同的组件来完成脉 宽调制；但是，此处的电机位于 ECM 内部。

对于没有转速控制的轻量和小马力单相电机相比，ECM 具有更明显的优势（见表 1）；然而，在更大的功率的应用中，它们的成本比较高昂。VFD 和感应电机可满足任何 HVAC 应用。

ECM 通常根据工厂的单一目的而进行编程，而 VFD 可以根据实际工作需要随时进行编程。此外，由于 VFD 内置了众多功能，因此它们足够灵活，可以进行编程，不仅可以满足所需的应用，而且还可以适应变化并进行调整以应对各种问题和意外情况。通过嵌入式通信网络（例如 BACnet）,VFD 可以连接到楼宇自动化系统中，而大多数 ECM 缺乏这种功能。

由于内置了控件，ECM 在其环境中受到电子设备的限制。相比之下，VFD 是独立的，因此它们可以布置在比它们所驱动的电机更友好的位置。

至于标准化，与其应用（例如风机）集成的 ECM，通常是为特定目的而专门设计构建的。如果您有电机与 VFD 的组合需要更换，您可以从众多供应商中选择每个设备来完成工作。但是，如果其中的 ECM 风扇出了故障，并且该型号已无法购买，您可能会遇到麻烦。

电机效率和能耗

一般认为 ECM 比 VFD 与交流电机的组合更节能，在某些情况下，它们确实如此。效率提升主要来自在电机中使用了永磁体，这使它们能够避免传统交流电机中与定子电磁相关的损失，并且可以专为某个目的而设计。

无论是 ECM 还是 VFD 都能从亲和定律的特点中获得比固定速度电机更高的效率，亲和定律指出，离心负载消耗的功率随速度的立方而变化。这意味着，如果速度减半，功率只有八分之一。

另一方面，如果效率比初始成本更重要，VFD 不仅可以控制交流感应电机，还可以控制永磁和同步磁阻电机。

VFD 是独立的电机速度控制设备，涵盖了大多数设施中的功率范围。而且它们的功能远远超出了简单的速度控制。这些，再加上几十年的暖通空调行业的专业知识，使 VFD 供应商能够成为值得信赖的顾问，解决出现的应用问题。任何 VFD 供应商都可以提供这些信息。而且，HVAC 专用的 VFD 内置楼宇自动化网络，可与 BAS 集成，实现智能楼宇运行。

评估 VFD 与 ECM

那么如何在 VFD 和 ECM 之间做出选择呢？请记住，没有一种方法适用于所有情况。但是，下面所列出的这些因素，在所有评估中都应考虑。

VFD 的最新发展包括可在更高温度下工作的新型号，可以开辟更具挑战性的应用环境。除了在 VFD 键盘和 PC 软件上进行编程之外，还包括在移动设备，例如智能手机和平板电脑（如今每个技术服务人员都携 带这些设备）进行编程。这些智能设备甚至能够在不需要三相主电源的情况下，为 VFD 提供编程电源。

此外，还可以通过免费的云服务，从任何有互联网连接的地方，存储和检索 VFD程序。

ECM 在 10 到 15 马力以上实用的主要限制因素是其永磁体的成本。包括电动汽车和风力涡轮机发电在内的各种行业都在开展研究，以寻找成本更低、对世界稀土矿资源依赖度更低、更好的磁铁。到目前为止，性能比铁氧体更好的磁铁，如钕或钐钴，成本是铁氧体的 10、15 甚至是 100 倍。有了更好、成本更低的磁铁，ECM 可以扩大其功率范围。此外，标准化的设计也可以减少对精确替换的需求。

ECM 和 VFD 的一个非常有趣的应用是直流系统电源，这已在一些数据中心实现。一些公司通过在入口点将输入的交流电源转换为直流电源（具有适当的谐波缓解功能），并向整个系统提供 380 伏直流电源，以避免来自 ECM 和 VFD 的谐波，从而消除对所有速度控制装置输入换向器部分的需求。

关键概念：

■了解 ECM 电机和变频器之间的异同。

■了解 ECM 或 VFD 选择的重要标准，以及这些技术在 HVAC 应用中的发展方向。

思考一下：

您错过了哪些通过变频器提升能效的机会？