Elektrikli boya sirkülasyon pompaları: Niçin fırçasız DC motorlar AC motorlardan daha iyidir?

Elektrikli pompalar, sirkülasyon pompası motorunu çalıştırmak için elektrik gücünü mekanik güce dönüştürmek üzere bir çeşit elektrik motoru gerektirir. AC endüksiyon motorları ve fırçasız DC (BLDC) motorlar en yaygın olanlardır. BLDC motorların niçin AC motorlardan daha iyi olduğunu keşfedin.

Pnömatik pompalar, yıllarca boya sirkülasyonunda temel dayanak olmuştur ve bunun iyi bir nedeni vardır. Solvent bazlı boyalar bulunan tehlikeli boya mutfakları için basit, güvenilir ve doğası gereği güvenlidirler. 

Bununla birlikte önemli bir dezavantajları vardır: yüksek enerji tüketimi. Yalnızca %10'luk bir verimlilikle çalışan pnömatik motorların 7/24 kullanılması gerçekten enerji giderlerini artırabilir. Pnömatik pompaların verimsizliği nedeniyle, pazar elektrikle çalışan pistonlu pompalar gibi diğer çözümlere doğru kaymaktadır.

Elektrik motorlarının çeşitleri

Elektrikli boya pompaları, pompayı çalıştırmak için elektrik gücünü mekanik güce dönüştürmek üzere bir çeşit elektrik motoru gerektirir. Endüstride kullanılan farklı elektrik motorları vardır, ancak AC endüksiyon motorları ve fırçasız DC (BLDC) motorlar en yaygın olanlardır.

Çoğu genel endüstriyel uygulama için AC endüksiyon motorları daha popüler olan seçimdir. Basit ve uygun maliyetlidir, ayrıca hız kontrolü için bir gereklilik olmadığında herhangi bir kontrol gerektirmezler. BLDC motorlar bir kontrol ünitesi gerektirir ve 1970'lerin sonlarında başlayan düşük maliyetli güç elektroniğinin bulunmasından bu yana daha yaygın hale gelmiştir.
 

AC ve BLDC sirkülasyon pompası motorları arasındaki farklar

AC endüksiyon motorları ve BLDC motorlar çok benzerdir; temel fark rotorun yapısındadır. Bir AC endüksiyon motorunun rotorunda mıknatıs yoktur, bunun yerine bir dizi laminasyon ve sargıya sahiptir. Motorun statoruna üç fazlı güç uygulandığında, dönen bir manyetik alan üretilir. Bu dönen manyetik alan, rotorda indüksiyon yoluyla bir akım akışı oluşturur. Rotor akımı, stator alanıyla etkileşime giren ve tork üreten kendi mıknatısını oluşturur.
 

Değişken frekans sürücülü (VFD) AC motor

Çoğu AC endüksiyon motoru, kontrol ünitesi olmadan doğrudan AC gücüyle çalıştırılabilir. Birçok pompa uygulamasında olduğu gibi değişken hız gerekiyorsa bu avantaj ortadan kalkar. Bu durumda değişken frekanslı bir sürücü (VFD) gereklidir.

VFD, motora sağlanan gücün frekansını değiştirerek motorun hızını değiştirir. Örneğin, 1800 dev/dak ve 60 Hz olarak derecelendirilmiş bir motor 30 Hz'de çalıştırılarak 900 dev/dak'ya yavaşlatılabilir. Bir VFD ile bile olsa endüstriyel AC endüksiyon motorları, nominal hızın yaklaşık %30 ila %130'u kadar sınırlı bir hız aralığına sahiptir. Çok düşük hızlardayken veya durduklarında nominal torku sağlamak için uygun değildirler.

Fırçasız DC (BLDC) motorun avantajları

AC endüksiyon motorları BLDC motorlardan daha yaygınsa operatörler bir pompa uygulaması için niçin BLDC motoru tercih etsin? Aşağıdakiler dahil yalnızca bir BLDC'nin sunabileceği çeşitli avantajlar ve özellikler vardır:

• Yüksek verimlilik: BLDC motor, güç tüketimini ve ısı oluşumunu azaltır.
• Hassas tork ve hız kontrolü: Bir pompa, sistemdeki talep değişikliklerine hızla yanıt verebilir. Pompa aynı zamanda motorun sıfır hızda tam tork üretmesine olanak tanıyacak şekilde “kör tapalı” olabilir. Ek olarak, motor sabit tork üretebilir. Bu, bir sirkülasyon sistemindeki değişikliklere pnömatik bir pompaya benzer şekilde tepki veren sabit basıncı oluşturmak için motorun kontrol edilmesini sağlar. 
• Düşük rotor ataleti: Bu, benzer güçle çalışan bir AC endüksiyon motoruna göre pompanın sistem basıncındaki değişikliklere önemli ölçüde daha hızlı yanıt vermesini sağlar.
• Küçük boyut: Herhangi bir güç çıkışı için BLDC motorlar tipik olarak AC motorlardan daha küçüktür ve bu da pompanın daha küçük olmasına imkan tanır.

Geliştirilmiş BLDC motor verimliliği aşağıdaki grafiklerde görülebilir. Grafik 1’de AC endüksiyon motorları BLDC motorlarla karşılaştırılmaktadır. Grafik 2’de sirkülasyon pompası çeşitlerinin toplam elektriksel ve mekanik verimliliği gösterilmektedir.

^{Grafik 1: Güç verimliliği 
Beygir gücü
(yeşil) BLDC motor     (mavi) Üç fazlı AC motor     (sarı) Tek fazlı AC motor}
 

^{Grafik 2: Akış verimliliği 
Akışkan debisi (galon/dakika)
(mavi) BLDC motorlu elektrikli sirkülasyon pompası     (sarı) AC motorlu elektrikli sirkülasyon pompası}

AC motorlar karmaşık bir kurulum gerektirir

AC ve BLDC motorların her ikisi için de, motorun dönme hareketini pozitif deplasmanlı bir pistonlu pompanın doğrusal ileri geri hareketine dönüştürmek için bir yöntem gerekir. Bir AC endüksiyon motorunun nispeten sabit hızlı çalışması ve yavaş dinamik tepkisi nedeniyle bunu başarmak için karmaşık bir mekanik mekanizma gerekir. Örneğin, bir kam veya çatal düzeneği kullanılabilir. 

Aşağıda AC endüksiyon motorlu bir pompa örneği yer almaktadır. AC motor, dişli kutusu ve kam tahrik sisteminin ayrı oluşlarına ve dönme hareketini doğrusal harekete dönüştürmek için gerekli oluşlarına dikkat edin. Kam tahrik sistemi birden fazla parçadan oluşur ve gerçek motordan iki-üç kat daha büyüktür. Ayrıca, kolayca bozulabilecek veya aşınabilecek ve maliyetli bakım ya da değiştirme gerektirecek aşınma noktaları ve rulmanlara da sahiptirler.

Niçin daha basit olan daha iyidir?

Daha düşük atalet ve daha iyi tork kontrolüne ek olarak bir BLDC motorun doğası gereği hızlı tepkisi, mekanik bağlantının önemli ölçüde basitleştirilmesine olanak tanır. 

AC endüksiyon motorlu bir pompanın büyüklüğüyle karşılaştırıldığında bir boya sirkülasyon pompası sisteminde döner hareketi doğrusal harekete dönüştürmek için küçük bir BLDC motor, iki aşamalı dişli redüksiyonu ve basit bir kremayer ve pinyon tahrik sistemi kullanılabilir. 

Gidip gelme hareketi oluşturmak için BLDC motorun dönüş yönü basitçe tersine çevrilir. Daha düşük atalet ve hassas tork kontrolü sayesinde BLDC motor bunu basit ve verimli hale getirir.