Elektryczne pompy obiegowe: dlaczego bezszczotkowe silniki prądu stałego są lepsze niż silniki prądu zmiennego

Pompy elektryczne wymagają pewnego rodzaju silnika elektrycznego w celu zamiany energii elektrycznej na mechaniczną, aby napędzać silnik pompy obiegowej. Najczęściej spotykane są silniki indukcyjne prądu zmiennego i bezszczotkowe silniki prądu stałego (silniki BLDC). Dowiedz się, dlaczego silniki BLDC są lepsze od silników prądu zmiennego.

Pompy pneumatyczne są wykorzystywane od wielu lat w systemach cyrkulacji farb, nie bez powodu. Są one proste, niezawodne i z natury bezpieczne w niebezpiecznych warunkach panujących w kabinach lakierniczych z farbami rozpuszczalnikowymi. 

Mają one jednak jedną ważną wadę – wysokie zużycie energii. Przy pracy z wydajnością zaledwie 10% całodobowe stosowanie silników pneumatycznych może naprawdę zwiększyć wydatki na energię. Ze względu na nieefektywność pomp pneumatycznych rynek przesunął się w kierunku innych rozwiązań, takich jak pompy tłokowe z napędem elektrycznym.

Rodzaje silników elektrycznych

Elektryczne pompy malarskie wymagają pewnego rodzaju silnika elektrycznego, aby przekształcić energię elektryczną w energię mechaniczną służącą do napędu pompy. Istnieją różne rodzaje silników elektrycznych wykorzystywanych w przemyśle;, jednak najczęściej stosowane są indukcyjne silniki prądu zmiennego i bezszczotkowe silniki prądu stałego.

W większości ogólnych zastosowań przemysłowych najbardziej popularnym wyborem są silniki indukcyjne prądu zmiennego. Są one proste, ekonomiczne, a jeśli nie ma wymogu kontroli prędkości, to nie wymagają żadnego rodzaju sterowania. Silniki BLDC wymagają regulatora i stały się bardziej powszechne od czasu dostępności tanich układów energoelektronicznych, które zostały wprowadzone na rynek pod koniec lat 70.
 

Różnice pomiędzy silnikami pomp cyrkulacyjnych AC i BLDC

Silniki indukcyjne prądu zmiennego (indukcyjne silniki AC) i bezszczotkowe silniki prądu stałego (silniki BLDC) są bardzo podobne; – podstawowa różnica polega na konstrukcji wirnika. Indukcyjny silnik AC nie posiada magnesów na wirniku; – zamiast tego jest wyposażony w szereg laminatów i uzwojeń. Po doprowadzeniu zasilania trójfazowego do stojana silnika wytwarzane jest wirujące pole magnetyczne. To wirujące pole magnetyczne wytwarza w wirniku przepływ prądu poprzez indukcję. Prąd wirnika tworzy własny magnes, który wchodzi w interakcję z polem stojana i wytwarza moment obrotowy.
 

Silnik prądu zmiennego z napędem o zmiennej częstotliwości (VFD)

Większość indukcyjnych silników prądu zmiennego może być zasilana bezpośrednio z sieci bez sterownika. Jeśli wymagana jest zmienna prędkość obrotowa, jak w wielu zastosowaniach pomp, ta zaleta zostaje wyeliminowana. W tym przypadku wymagany jest napęd o zmiennej częstotliwości (VFD).

Napęd VFD zmienia prędkość obrotową silnika, modyfikując częstotliwość doprowadzania mocy do silnika. Na przykład, silnik o znamionowej prędkości obrotowej 1800 obr./min i częstotliwości 60 Hz może zostać zwolniony do 900 obr./min poprzez pracę z częstotliwością 30 Hz. Nawet w przypadku technologii VFD przemysłowe silniki indukcyjne prądu zmiennego mają ograniczony zakres prędkości, od około 30 do 130% prędkości znamionowej. Nie są one optymalne do dostarczania znamionowego momentu obrotowego przy bardzo niskich prędkościach obrotowych lub w czasie postoju.

Zalety bezszczotkowego silnika prądu stałego (silnika BLDC)

Skoro silniki indukcyjne prądu zmiennego są bardziej powszechne niż silniki BLDC, to dlaczego operatorzy wybierają silniki BLDC do zastosowań pompowych? Istnieje kilka zalet i funkcji, które może zapewnić tylko technologia BLDC:

• Większa wydajność: Silnik BLDC zmniejsza zużycie energii i wytwarzanie ciepła.
• Precyzyjna kontrola momentu obrotowego i prędkości: Pompa może szybko reagować na zmiany w zapotrzebowaniu systemu. Praca pompy może również zostać „zamrożona”, co pozwala silnikowi na generowanie pełnego momentu obrotowego przy zerowej prędkości. Ponadto silnik może generować stały moment obrotowy. Pozwala to na sterowanie silnikiem w celu wytworzenia stałego ciśnienia, które reaguje na zmiany w układzie obiegowym w sposób podobny do pompy pneumatycznej. 
• Bezwładność wirnika pompy: Zapewnia znacznie szybszą reakcję pompy na zmiany ciśnienia w układzie niż w przypadku silnika indukcyjnego prądu zmiennego o podobnej mocy.
• Mniejszy rozmiar: Dla dowolnej mocy wyjściowej silniki BLDC są zazwyczaj mniejsze niż silniki AC, co również pozwala na zmniejszenie pompy.

Poprawa wydajności zapewniana przez silniki BLDC została zilustrowana na poniższych wykresach. Na wykresie 1 porównano silniki indukcyjne prądu zmiennego z silnikami BLDC. Wykres 2 przedstawia całkowitą sprawność elektryczną i mechaniczną różnych typów pomp obiegowych.

^{Wykres 1: Efektywność energetyczna 
Moc w koniach mechanicznych
(zielony) Silnik BLDC     (niebieski) Trójfazowy silnik prądu zmiennego     (żółty) Jednofazowy silnik prądu zmiennego}
 

^{Wykres 2: Efektywność przepływu 
Przepływ cieczy (gpm)
(niebieski) Elektryczna pompa obiegowa z silnikiem BLDC     (żółty) Elektryczna pompa obiegowa z silnikiem prądu zmiennego}

Silniki prądu zmiennego wymagają skomplikowanej konfiguracji

Zarówno silniki prądu zmiennego, jak i silniki BLDC wymagają metody konwersji ruchu obrotowego silnika na liniowy ruch tłokowy pompy wyporowo-tłokowej. Stosunkowo stała prędkość obrotowa silnika indukcyjnego prądu zmiennego i powolna reakcja dynamiczna wymagają skomplikowanego mechanizmu, aby to osiągnąć. Można na przykład użyć krzywki lub układu jarzma. 

Poniżej pokazana została przykładowa pompa napędzana silnikiem indukcyjnym prądu zmiennego. Należy zwrócić uwagę, że silnik trójfazowy, przekładnia oraz układ napędowy z krzywką są oddzielone i konieczne do przekształcenia ruchu obrotowego na ruch liniowy. System napędu krzywkowego składa się z wielu części i jest od dwóch do trzech razy większy od samego silnika. Posiadają one również punkty zużywania się i łożyska, które mogą łatwo pęknąć lub ulec zużyciu i wymagają kosztownej konserwacji lub wymiany.

Dlaczego prostsze jest lepsze

Oprócz niższej bezwładności i lepszej kontroli momentu obrotowego szybko reagujący silnik BLDC z natury rzeczy pozwala na znaczne uproszczenie połączenia mechanicznego. 

W porównaniu z dużą instalacją pompy indukcyjnej zasilanej silnikiem prądu zmiennego, system pompy cyrkulacji farby może wykorzystywać mały silnik BLDC, dwustopniową przekładnię redukcyjną i prosty system napędu zębatkowego w celu przekształcenia ruchu obrotowego na liniowy. 

W celu wytworzenia działania tłokowego kierunek obrotów silnika BLDC jest po prostu odwracany. Dzięki mniejszej bezwładności i precyzyjnej regulacji momentu obrotowego silnik BLDC sprawia, że rozwiązanie to jest proste i wydajne.