Электрические циркуляционные насосы для краски: в чем преимущество бесщеточных моторов постоянного тока по сравнению с моторами переменного тока.

Для работы электрических насосов требуются электромоторы, позволяющие преобразовывать электрическую энергию в механическую для приведения циркуляционного насоса в движение. Наиболее распространены асинхронные двигатели переменного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC). Узнайте, в чем преимущество моторов BLDC перед моторами переменного тока.

На протяжении долгого времени пневматические насосы являлись самым популярным оборудованием для циркуляции краски. Они просты, надежны и подходят для безопасного использования в цехах подготовки краски с красками на основе растворителей. 

Однако у них есть один важный недостаток: высокое энергопотребление. Поскольку их КПД составляет всего 10 %, круглосуточное использование пневматических моторов может значительно увеличить расходы на электроэнергию. Поскольку у пневматических насосов слишком низкий КПД, появилась потребность в переходе к использованию других видов оборудования, в частности поршневых насосов с электрическим приводом.

Типы электрических моторов

Для работы насосов с электроприводом требуются электромоторы, преобразующие электрическую энергию в механическую для приведения насоса в движение. В отрасли используются различные типы электродвигателей, но чаще всего для этого используются индукционные моторы переменного тока и бесщеточные моторы постоянного тока (BLDC).

Для промышленного применения, как правило, используются индукционные моторы переменного тока. Они просты в эксплуатации, рентабельны и, если вам не нужен контроль частоты вращения, не требуют каких-либо дополнительных элементов управления. Моторы BLDC, которые стали популярны после появления недорогой силовой электроники в конце 1970-х годов, требуют наличия контроллера.
 

Различия между асинхронными моторами переменного тока (AC) и бесщеточными моторами постоянного тока (BLDC)

Асинхронные моторы переменного тока (АС) и бесщеточные моторы постоянного тока (BLDC) конструктивно очень похожи: основное отличие заключается в конструкции ротора. Асинхронный мотор переменного тока не имеет магнитов на роторе, вместо этого в нем используется несколько тонких пластин и обмоток. При подключении статора мотора к трехфазной сети возникает вращающееся магнитное поле. Под воздействием вращающегося магнитного поля индукционный ток проходит в ротор. Ток ротора создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора, в результате чего возникает крутящий момент.
 

Мотор переменного тока с частотно-регулируемым преобразователем (ЧРП)

Большинство асинхронных двигателей переменного тока могут работать непосредственно от сети переменного тока без контроллера. Если требуется регулировка частоты вращения (как во многих вариантах применения насосов), это преимущество теряет актуальность. В таком случае требуется использование частотно-регулируемого привода (ЧРП).

ЧРП изменяет скорость вращения мотора за счет изменения частоты переменного тока, поступающего в мотор. Например, на моторе, имеющем номинальную скорость вращения 1800 об/мин при частоте 60 Гц, можно уменьшить скорость вращения до 900 об/мин, уменьшив частоту до 30 Гц. Но даже при наличии ЧРП, частота вращения промышленных индукционных моторов находится в пределах 30–130 % от номинальной частоты вращения. Такие моторы не подходят для создания номинального крутящего момента на малых скоростях вращения или в случае остановки мотора.

Преимущества бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC)

Если индукционные моторы переменного тока более универсальны по сравнению с бесщеточными моторами постоянного тока (BLDC), почему для насосов используются моторы BLDC? Существует несколько преимуществ и функциональных особенностей, присущих только моторам BLDC:

• Высокая эффективность Использование моторов BLDC позволяет сократить энергопотребление и уменьшить выработку тепла.
• Точный контроль крутящего момента и частоты вращения мотора Насос может быстро реагировать на изменения в системе. Насос также может работать вхолостую, что позволяет мотору выдавать полный крутящий момент при нулевой скорости. Кроме того, этот мотор способен выдавать постоянный крутящий момент. Это помогает контролировать работу мотора для обеспечения постоянного уровня давления, что позволяет реагировать на изменения в системе циркуляции так же, как в случае с пневматическим насосом. 
• Низкий момент инерции ротора Позволяет насосу значительно быстрее реагировать на изменение уровня давления в системе по сравнению с насосами с приводом от индукционного мотора переменного тока.
• Более компактный размер При любых одинаковых мощностях моторы BLDC обычно имеют меньшие габаритные размеры, чем моторы переменного тока, что позволяет использовать насосы меньшего размера.

Высокая эффективность моторов BLDC наглядно представлена на графиках. На графике 1 представлены характеристики индукционных моторов переменного тока и моторов BLDC. На графике 2 показаны общие электрические и механические КПД разных моделей циркуляционных насосов.

^{График 1: Энергоэффективность 
Мощность
(зеленый) мотор BLDC     (синий) 3-фазный двигатель переменного тока     (желтый) 1-фазный мотор переменного тока}
 

^{График 2: Эффективность расхода 
Расход материала, галлонов в минуту
(синий) Электрический циркуляционный насос с мотором BLDC     (желтый) Электрический насос с мотором переменного тока}

Моторы переменного тока требуют сложной настройки

Для обоих типов моторов (переменного тока и постоянного тока) необходимо использовать метод преобразования вращательного движения мотора в линейно-поступательное движение поршня насоса. Для этого в индукционных моторах переменного тока, обладающих постоянной скоростью работы и медленной динамической реакцией, используется специальный сложный механизм. К примеру, может использоваться кулачковый привод или хомут. 

Ниже представлен пример насоса, работающего от индукционного мотора переменного тока. Обратите внимание, что мотор переменного блока, редуктор и кулачковый привод являются отдельными блоками, трансформирующими вращательное движение в линейно-поступательное движение. Система кулачкового привода состоит из нескольких частей и в два–три раза больше фактического мотора. В них также имеются точки износа и подшипники, подверженные износу и поломкам и требующие затрат на техническое обслуживание или замену.

Преимущества простоты конструкции

Помимо меньшей инерции и оптимального управления крутящим моментом, присущая бесщеточному мотору постоянного тока (BLDC) быстрая реакция позволяет значительно упростить механическое соединение. 

По сравнению с габаритной конструкцией насоса с приводом от индукционного мотора переменного тока, в циркуляционном насосе краски может использоваться небольшой двигатель BLDC, двухступенчатый редуктор и простой реечный привод, используемый для преобразования вращательного движения в линейно-поступательное. 

Для выполнения возвратно-поступательного движения необходимо просто изменить направление вращения мотора BLDC. Благодаря низкому моменту инерции и лучшему контролю крутящего момента, моторы BLDC позволяют выполнить это быстро и эффективно.