Elektriska färgcirkulationspumpar: därför är borstlösa likströmsmotorer bättre än växelströmsmotorer

Elektriska pumpar kräver någon form av elektrisk motor för att omvandla elektrisk effekt till mekanisk effekt för att driva cirkulationspumpmotorn. Växelströmsinduktionsmotorer och borstlösa likströmsmotorer (BLDC) är vanligast. Upptäck varför BLDC-motorer är bättre än växelströmsmotorer.

Pneumatiska pumpar har varit standard inom färgcirkulationsvärlden i många år, och det på goda grunder. De är enkla, tillförlitliga och egensäkra för riskfyllda färgstationer med lösningsmedelsbaserade färger. 

De har dock en betydande nackdel: hög energiförbrukning. Med en effektivitet på endast 10 % kan dygnet-runt-användning av pneumatiska motorer öka energikostnaderna väsentligt. På grund av de pneumatiska pumparna har marknaden rört sig mot andra lösningar såsom elektriskt drivna kolvpumpar.

Olika typer av elektriska motorer

Elektriska färgpumpar kräver någon form av elektrisk motor för att omvandla den elektriska effekten till mekanisk effekt för att driva pumpen. Det finns olika typer av elektriska motorer som används i branschen; växelströmsinduktionsmotorer och borstlösa likströmsmotorer (BLDC) är dock vanligast.

För de flesta allmänna industriella appliceringar är växelströmsinduktionsmotorer det populäraste valet. De är enkla, kostnadseffektiva och, om hastighetskontroll inte behövs, kräver de inte någon form av kontroll. BLDC-motorer kräver en styrenhet och har blivit mer vanliga sedan elektronik blev tillgänglig till en lägre kostnad i slutet av 1970-talet.
 

Skillnaderna mellan växelströms- och BLDC-cirkulationspumpmotorer

Växelströmsinduktionsmotorer och BLDC-motorer är mycket lika; den främsta skillnaden ligger i rotorns konstruktion. En växelströmsinduktionsmotor har inte några magneter på rotorn; i stället har den en rad med lameller och vindlingar. När trefasström appliceras på motorns stator, genereras ett roterande magnetfält. Detta roterande magnetfält skapar ett strömflöde i rotorn via induktion. Rotorströmmen skapar sin egen magnet som samverkar med statorfältet och genererar vridmoment.
 

Växelströmsmotor med variabel frekvensdrivning (VFD)

De flesta växelströmsinduktionsmotorer kan köras direkt på växelström utan styrenhet. Om variabel hastighet krävs, vilket det gör i många pumpapplikationer, försvinner denna fördel. I detta fall krävs en variabel frekvensdrivning (VFD).

VFD ändrar motorns hastighet genom att förändra frekvensen på strömmen som tillförs till motorn. Exempelvis kan en motor som är klassad för 1800 v/min. och 60 Hz saktas ner till 900 v/min. som körs vid 30 Hz. Även med VFD har industriella växelströmsinduktionsmotorer ett begränsat hastighetsintervall på cirka 30 till 130 % av den klassade hastigheten. De är inte optimala för att tillhandahålla klassat vridmoment vid mycket låga hastigheter eller stopp.

Fördelar med en borstlös likströmsmotor (BLDC)

Eftersom växelströmsinduktionsmotorer är vanligare än BLDC-motorer, varför ska operatörer välja en BLDC-motor till en pumpapplicering? Det finns åtskilliga fördelar och funktioner som bara en BLDC-motor kan erbjuda, inklusive:

• Högre effektivitet: En BLDC-motor minskar strömförbrukningen och värmealstringen.
• Exakt kontroll av vridmoment och hastighet: En pump kan reagera snabbt på ändrad systemefterfrågan. Pumpen kan även bli ”deadheaded”, vilket låter motorn generera ett fullt vridmoment vid noll hastighet. Dessutom kan motorn generera ett konstant vridmoment. Detta låter motorn kontrolleras för att skapa ett konstant tryck, som reagerar på ändringar i ett cirkulationssystem liknande en pneumatisk pump. 
• Lägre rotortröghet: Detta leder till en avsevärt snabbare pumprespons på ändringar i systemtrycket än för en snarlikt driven växelströmsinduktionsmotor.
• Mindre storlek: Oavsett uteffekt är, BLDC-motorer vanligtvis mindre än växelströmsmotorer, vilket även möjliggör en mindre pump.

Den förbättrade effektiviteten för BLDC-motorer kan ses i de följande graferna. Graf 1 jämför växelströmsinduktionsmotorer med BLDC-motorer. Graf 2 visar den totala elektriska till mekaniska effektiviteten för olika typer av cirkulationspump.

^{Graf 1: Strömeffektivitet 
Hästkraft
(grön) BLDC-motor     (blå) trefas växelströmsmotor     (gul) enfas växelströmsmotor}
 

^{Graf 2: Flödeseffektivitet 
Vätskeflöde (gpm)
(blå) Elektrisk cirkulationspump med BLDC-motor     (gul) Elektrisk cirkulationspump med växelströmsmotor}

Växelströmsmotorer kräver en komplicerad inställning

Både växelströms- och BLDC-motorer kräver en metod för att omvandla motorns rotationsrörelse till den linjära fram- och tillbakagående rörelsen hos kolvpump med positiv förträngning. En växelströmsinduktionsmotors relativt konstanta hastighet och långsamma dynamiska respons kräver en komplicerad mekanisk mekanism för att åstadkomma detta. Exempelvis kan ett kam- eller okarrangemang användas. 

Nedan finns ett exempel på en växelströmsinduktionsmotordriven pump. Lägg märke till hur växelströmsmotorn, växellådan och kamdrivningssystemet är helt separata och krävs för att omvandla den roterande rörelsen till linjär rörelse. Kamdrivningssystemet består av flera delar och är två till tre gånger större än den faktiska motorn. De har även slitagepunkter och lager som enkelt kan gå sönder eller slitas och kräva kostsamt underhåll eller utbyte.

Därför är enkelhet bäst

Utöver låg tröghet och bättre vridmomentskontroll, möjliggör en BLDC-motors inneboende snabba respons en avsevärd förenkling av den mekaniska anslutningen. 

I jämförelse med den stora installationen av en pump som drivs av en växelströmsinduktionsmotor, kan ett färgcirkulationspumpsystem använda en liten BLDC-motor, växelreduktion i två steg och ett enkelt kuggstångsdrivsystem för att omvandla den roterande rörelsen till linjär rörelse. 

För att skapa den framåt- och tillbakagående rörelsen ändrar man helt enkelt BLDC-motorns rotationsriktning. Med sin lägre tröghet och precis vridmomentskontroll, gör BLDC-motorn detta enkelt och effektivt.