Elektrische verfcirculatiepompen: waarom gelijkstroommotoren zonder koolstofborstels beter zijn dan AC-motoren

Elektrische pompen vereisen een soort elektrische motor om het elektrisch vermogen om te zetten in mechanisch vermogen om de circulatiepompmotor aan te drijven. AC-inductiemotoren en gelijkstroommotoren (BLDC) zonder koolstofborstels zijn de meest voorkomende. Ontdek waarom BLDC-motoren beter zijn dan AC-motoren.

Pneumatische pompen vormen al vele jaren de steunpilaar van de verfcirculatiewereld en daar zijn goede redenen voor. Ze zijn eenvoudig, betrouwbaar en inherent veilig voor gevaarlijke verfkeukens met verf op oplosmiddelbasis. 

Ze hebben echter één belangrijk nadeel: een hoog energieverbruik. Met een rendement van slechts 10% kan het 24/7 gebruik van pneumatische motoren de energiekosten behoorlijk opdrijven. Door de inefficiëntie van pneumatische pompen is de markt aan het overstappen naar andere oplossingen, zoals elektrisch aangedreven zuigerpompen.

Soorten elektromotoren

Elektrische verfpompen vereisen een soort van elektrische motor om het elektrisch vermogen om te zetten in mechanisch vermogen om de pomp aan te drijven. Er zijn verschillende soorten elektrische motoren die in de industrie worden gebruikt; AC-inductiemotoren en gelijkstroommotoren (BLDC) zonder koolstofborstels komen echter het vaakst voor.

Voor de meeste algemene industriële toepassingen zijn de AC-inductiemotoren de meest populaire keuze. Ze zijn eenvoudig, kosteneffectief en als de snelheid niet geregeld hoeft te worden, is er geen enkele vorm van bediening nodig. BLDC-motoren vereisen wel een regelaar en worden pas vaker gebruikt sinds de beschikbaarheid van goedkope vermogenselektronica eind jaren 70.
 

Verschillen tussen AC- en BLDC-circulatiepompmotoren

AC-inductiemotoren en BLDC-motoren lijken sterk op elkaar; het primaire verschil zit hem in de constructie van de rotor. Een AC-inductiemotor heeft geen magneten op de rotor; in plaats daarvan heeft deze een reeks van lamineringen en wikkelingen. Wanneer driefasestroom wordt toegevoerd naar de stator van de motor, wordt een roterend magnetisch veld gegenereerd. Dit roterende magnetische veld creëert een stroom in de rotor via inductie. De rotorstroom creëert een eigen magneet die in verbinding staat met het statorveld en koppel genereert.
 

AC-motor met variabele frequentieaandrijving (VFD)

De meeste AC-inductiemotoren kunnen direct op wisselstroom worden gezet zonder dat er een regelaar nodig is. Als er een variabele snelheid nodig is, zoals bij veel pomptoepassingen, wordt dit voordeel geëlimineerd. In dit geval is een variabele frequentieaandrijving (VFD) nodig.

De VFD wijzigt de snelheid van de motor door de frequentie van de stroom die door de motor wordt voorzien te veranderen. Wanneer de motor bijvoorbeeld op 1.800 tpm en 60 Hz draait, kan deze worden vertraagd tot 900 tpm door op 30 Hz te gaan draaien. Zelfs met een VFD heeft een industriële AC-inductiemotor een beperkte snelheid van ongeveer 30 tot 130% van de nominale snelheid. Ze zijn niet optimaal voor het leveren van nominale koppel bij zeer langzame snelheden of wanneer ze zijn stilgevallen.

Voordelen van een gelijkstroommotor (BLDC) zonder koolstofborstels

Als AC-inductiemotoren vaker voorkomen dan BLDC-motoren, waarom zouden operators dan een BLDC-motor kiezen voor pomptoepassingen? Er zijn verschillende voordelen en functies die alleen een BLDC kan bieden, zoals:

• Hogere efficiëntie: een BLDC-motor vermindert stroomverbruik en warmteopwekking.
• Precieze regeling van koppel en snelheid: een pomp kan snel reageren op wijzigingen in de vraag van het systeem. De pomp kan ook 'deadheaded' zijn, waardoor de motor het volledige koppel kan genereren bij nulsnelheid. Bovendien kan de motor constant koppel genereren. Hierdoor kan de motor zo worden geregeld dat deze constante druk creëert, die reageert op wijzigingen in een circulatiesysteem zoals een pneumatische pomp. 
• Lagere traagheid van rotor: hierdoor reageert de pomp aanzienlijk sneller op veranderingen aan de systeemdruk dan een gelijkaardig aangedreven AC-inductiemotor.
• Kleinere afmetingen: BLDC-motoren zijn meestal kleiner dan AC-motoren van een bepaald vermogen, waardoor de pomp ook kleiner mag zijn.

De verbeterde efficiëntie van BLDC-motoren wordt in de volgende grafieken geïllustreerd. Grafiek 1 vergelijkt AC-inductiemotoren met BLDC-motoren. Grafiek 2 toont de totale elektrische naar mechanische efficiëntie van verschillende soorten circulatiepompen.

^{Grafiek 1: vermogensefficiëntie 
Paardenkracht
(groen) BLDC-motor     (blauw) 3-fase-AC-motor     (geel) 1-fase-AC-motor}
 

^{Grafiek 2: debietefficiëntie 
Vloeistofdebiet (gpm)
(blauw) Elektrische circulatiepomp met BLDC-motor     (geel) Elektrische circulatiepomp met AC-motor}

AC-motoren vereisen een gecompliceerde configuratie

AC- en BLDC-motoren vereisen beide een methode om de roterende beweging van de motor om te zetten naar de lineaire heen-en-weer gaande beweging van een positieve verdringingszuigerpomp. Door de relatief constante snelheid van een AC-inductiemotor en de langzame dynamische respons is een complex mechanisch mechanisme vereist om dit te bereiken. Er kan bijvoorbeeld een opstelling met een nok of juk worden gebruikt. 

Hieronder ziet u een voorbeeld van een pomp die is aangedreven door een AC-inductiemotor. Merk op hoe de AC-motor, tandwielkast en het nokaandrijfsysteem afzonderlijk staan en allemaal vereist zijn om de roterende beweging om te zetten naar een lineaire beweging. Het nokaandrijfsysteem bestaat uit meerdere onderdelen en is twee tot drie keer zo groot als de eigenlijke motor. Ze hebben ook slijtagepunten en lagers die snel kunnen breken of verslijten en vereisen duur onderhoud of vervanging.

Waarom eenvoudiger beter is

Naast de lagere traagheid en een betere koppelregeling, maakt de inherent snelle reactie van een BLDC-motor het mogelijk om de mechanische verbinding aanzienlijk te vereenvoudigen. 

Een pompsysteem voor verfcirculatie kan, in vergelijking met de grote installatie van een pomp met AC-inductiemotor, een kleine BLDC-motor, tweetraps-vertragingsmechanisme en een eenvoudig tandheugelaandrijfsysteem gebruiken om de roterende beweging om te zetten in een lineaire beweging. 

Om de heen-en-weer gaande beweging te bewerkstelligen, wordt de draairichting van de BLDC-motor gewoonweg omgekeerd. Dankzij een lagere traagheid en preciezere koppelregeling is dit eenvoudig en efficiënt met een BLDC-motor.