Regulacja wydajności pomp i wentylatorów

[d.baczek]

Pompy stosowane w instalacjach hydraulicznych, podobnie jak wszelkiego rodzaju wentylatory stosowane w układach dystrybucji powietrza, napędzane są silnikami elektrycznymi. Często zachodzi konieczność regulowania intensywności przepływu cieczy czy powietrza. Zdecydowana większość silników stosowanych do napędu pomp czy wentylatorów to silniki indukcyjne klatkowe. Istnieje kilka sposobów regulacji prędkości tych silników, które mogą być stosowane w praktyce.

1. Przełączanie uzwojeń.
Jest to metoda skokowej regulacji prędkości silnika, polegająca na odpowiednim połączeniu ze sobą uzwojeń (stosowana na przykład do sterowania biegami pompy obiegowej) lub wpięciu się w odpowiedni odczep uzwojenia silnika (stosowana w wentylatorach).
Wiele silników stosowanych na przykład w centralach wentylacyjnych posiada wyprowadzone kilka przewodów, do których należy odpowiednio podłączyć zasilanie aby włączyć konkretny bieg silnika. Przykładowe rozwiązanie przedstawione jest poniżej:



Przewód neutralny sieci 230V podłączony jest na stałe do silnika.
Po podaniu fazy zasilania na przewód nr 1 silnik pracuje na pierwszym biegu.
Po podaniu fazy zasilania na przewód nr 2 silnik pracuje na drugim biegu.
Po podaniu fazy zasilania na przewód nr 3 silnik pracuje na trzecim biegu.
Jeżeli faza nie jest podawana na żaden z przewodów 1-3 (przełącznik w pozycji "OFF"), silnik jest wyłączony.
Faza zasilania nie powinna być nigdy podawana na więcej niż jeden z przewodów 1-3.

Taką prostą regulację prędkości z powodzeniem może realizować sterownik z wyjściami typu załącz/wyłącz. Sterownik na podstawie algorytmu działania wybiera bieg, na którym ma pracować silnik i podaje fazę na odpowiednie wyjście. W naszej ofercie posiadamy sterownik wentylacji IB-Tron 3100FAN, przeznaczony do sterowania dokładnie takim typem silników 3-biegowych.

Oczywiście silnik może mieć wyprowadzone więcej przewodów, w zależności od liczby biegów, którymi dysponuje.

2. Regulacja napięciowa.
Małe silniki indukcyjne, w przeciwieństwie do dużych jednostek, mogą być z powodzeniem sterowane napięciowo. O ile w dużych silnikach regulacja napięciowa daje możliwość jedynie niewielkiej zmiany prędkości obrotowej i to przy bardzo dużym wzroście mocy strat (ryzyko spalenia silnika), o tyle silniki stosowane w pompach czy wentylatorach można w ten sposób regulować w zakresie od około 50% do 100% prędkości znamionowej.

Najprościej rzecz biorąc, regulacja napięciowa sprowadza się zmiany wartości napięcia zasilającego silnik, bez zmiany częstotliwości tego napięcia. Pod pojęciem "zmiana wartości napięcia" kryje się właściwie jedynie możliwość jego zmniejszania, aby nie przekraczać dopuszczalnego napięcia zasilania silnika.
Jest co najmniej kilka sposobów na zmniejszenie napięcia zasilającego silnik, wśród nich:

• Zasilanie silnika przez dodatkowy rezystor.
  
  
  Wadą rozwiązania jest to, że na rezystorze występują straty energii, musi on więc mieć odpowiednią moc. W trakcie pracy silnika rezystor może silnie się nagrzewać.
  Kolejną wadą jest to, że napięcie na rezystorze zmienia się w zależności od prądu płynącego w układzie, zmienia się więc również napięcie zasilające silnik - może to być powodem na przykład problemów z rozruchem silnika.
  Zaletą jest natomiast to, że stosując rezystor nastawny można płynnie regulować prędkość silnika. Można również zastosować kilka przełączanych rezystorów (rozwiązanie prostsze z punktu widzenia automatyki) i uzyskać w ten sposób skokową zmianę prędkości:
  
  
  

• Zasilanie silnika przez transformator z odczepami lub autotransformator:
  
  
  
  Jest to najlepsza metoda regulacji napięcia, jednak z uwagi na konieczność stosowania transformatora lub autotransformatora - rzadko stosowana. Zaletą jest to, że uzyskiwane napięcie jest stabilne i ma prawidłowy kształt (sinusoidalny). Napięcie można zmieniać płynnie (autotransformator) lub skokowo (transformator z odczepami).
  Wadą jest znaczny wzrost kosztów związany z zakupem transformatora i konieczność wygospodarowania dodatkowego miejsca, aby go zamontować.
  

• Regulacja fazowa:
  
  
  
  Jest to bardzo popularna metoda regulacji wartości średniej napięcia zasilającego. Najprościej mówiąc, w metodzie tej napięcie nie jest podawane na silnik przez cały czas, a jedynie chwilowo. Na wyjściu sterownika umieszczony jest specjalny klucz (tyrystor lub triak), który może być otwarty (przepuszcza napięcie) lub zamknięty (nie przepuszcza napięcia). Jeżeli napięcie w sieci zmienia się w sposób sinusoidalny, to odpowiednio załączając i wyłączając klucz w odpowiednich momentach, nie podajemy na silnik "całej sinusoidy", a jedynie jej "kawałki". Zmieniany więc jest kształt napięcia zasilającego, co często pozostaje nie bez konsekwencji. W urządzeniach "czułych" na kształt napięcia zasilającego, a takimi niestety często są silniki, może to powodować drgania, hałaśliwą pracę lub nadmierne wydzielanie ciepła. Ten typ regulacji szczególnie dobrze nadaje się do sterowania obiektami dobrze uśredniającymi zmiany napięcia, jak klasyczne żarówki czy grzałki oporowe. Małe silniki indukcyjne są jednak dość dobrze sterowalne w ten sposób.
  
  Dlatego też metoda ta często znajduje wykorzystanie w sterowaniu pomp i wentylatorów małej mocy. W naszej ofercie posiadamy sterownik IB-Tron 4000SOL, który steruje prędkościami pomp solarnych właśnie w ten sposób.
  

3. Przekształtniki częstotliwości (falowniki).
Metoda regulacji prędkości obrotowej za pomocą falowników jest zdecydowanie najlepsza, ale również najdroższa (nawet kilkadziesiąt razy droższa od metod opisanych powyżej). W metodzie tej zmieniana jest zarówno wartość napięcia zasilającego silnik, jak i jego częstotliwość:



Metoda ta pozwala nie tylko na płynne zmniejszanie, ale również na zwiększanie prędkości obrotowej, praktycznie do granicy wytrzymałości mechanicznej silnika. Utrzymywany jest sinusoidalny kształt napięcia zasilającego, więc kultura pracy silnika jest zachowana.
Wadą metody jest praktycznie jedynie cena falownika i konieczność wygospodarowania dodatkowego miejsca do jego zamontowania.

Wnioski:
O ile stosowanie przekształtników częstotliwości jest absolutną koniecznością w średnich i dużych silnikach, o tyle w małych jednostkach można z powodzeniem stosować regulację napięciową (zwłaszcza fazową) lub regulację za pomocą przełączania uzwojeń (jeżeli pozwala na to konstrukcja silnika).
Większość pomp obiegowych posiadających skokową regulację prędkości obrotowej posiada przełącznik służący właśnie do przełączania uzwojeń.
Większość pomp z automatyczną regulacją prędkości obrotowej posiada regulację napięciową fazową.
Sporo wentylatorów posiada odczepy uzwojenia roboczego do skokowego sterowania prędkością.