Wybór odpowiedniego silnika krokowego prądu zmiennego: Przewodnik po rozmiarze i mocy

Wejdź na dowolny blog poświęcony silnikom krocznym prądu przemiennego i usłyszysz tam opowieści o silnikach krocznych prądu przemiennego, zaniedbując najważniejsze zastosowanie tych silników. Tutaj skupienie nie będzie dotyczyć samych silników, lecz ich zastosowania w systemie klimatyzacji. Silniki te stanowią centrum całego systemu klimatyzacji. Co więcej, dostępne są w optymalnym rozmiarze i mocy niezbędnych do utrzymania efektywnego zużycia energii, wysokiej skuteczności oraz długiej żywotności urządzenia. Pamiętaj, że wszystkie jednostki działają zgodnie z tymi samymi zasadami. Jeżeli silniki kroczne nie będą dopasowane do jednostek lub zostaną niewłaściwie dobrane, może to prowadzić do znacznych wydatków na energię, częstszych awarii urządzenia, a nawet do niebezpiecznego przegrzewania się.

To właśnie temat poruszony w tym przewodniku. Zbadamy szczegółowo parametry wielkości i mocy, aby określić najlepszy dobór do Twoich potrzeb związanych z klimatyzacją. Dla większości osób szukających klimatyzatorów czy systemów chłodzenia nie jest konieczne dokładne zapoznanie się z silnikami przekładniowymi, jednak co dziesiąta osoba może być bardzo zainteresowana kwestią oszczędności energii i szukać właśnie takich szczegółów.

Na początku, przy wyborze silników prądu przemiennego (AC), istotne jest zidentyfikowanie, do jakiego systemu AC będą one przypisane. Każdy system AC posiada silniki realizujące określone zadania. Niektóre silniki napędzają wentylatory nawiewne do cyrkulacji powietrza, napędzają wentylatory skraplacza do odprowadzania ciepła, napędzają zawory przepustowe do kontroli przepływu powietrza lub napędzają silniki sprężarki w niektórych modelach. Każdy z tych elementów ma swoje własne wymagania; wentylatory nawiewne wymagają stałego momentu obrotowego i prędkości, podczas gdy wentylatory skraplacza muszą działać w ekstremalnych warunkach zewnętrznych. Istnieją również warunki eksploatacyjne, które należy wziąć pod uwagę; silniki wewnętrzne mniej są narażone na warunki atmosferyczne, natomiast silniki zewnętrzne muszą być odporne na wilgoć, kurz i ekstremalne temperatury. Znajomość tych szczegółów ułatwia określenie wymaganych mocy i rozmiarów.

Moment obrotowy to ilość siły obrotowej, jaką silnik musi wygenerować, aby uruchomić jednostkę klimatyzacji, i jest jednym z najważniejszych aspektów przy doborze rozmiaru. Silnik zatrzyma się, jeśli moment obrotowy jest zbyt mały, a zbyt wysoki moment obrotowy oznacza stratę energii. Aby obliczyć moment obrotowy, należy znać siłę obciążenia, czyli przeciwdziałającą siłę elementu (w przypadku wentylatora – opór aerodynamiczny) oraz promień wału silnika, na którym działa obciążenie. Moment obrotowy = Siła obciążenia x Promień wału. Na przykład, jeśli wentylator ma promień wału 2 cala i siłę obciążenia 10 funtów, to moment obrotowy wynosi 20 funt-cal (lb-in). W przypadku bardziej zaawansowanych elementów, takich jak tłumiki, należy sprawdzić ich kartę techniczną, aby poznać zalecany moment obrotowy.

Moc jest wyrażana w watach (W) lub w koniach mechanicznych (KM) i odnosi się do ilości energii, jaką silnik musi zużyć, aby osiągnąć określony moment obrotowy przy zadanej prędkości. Ważna jest zależność między mocą, momentem obrotowym i prędkością (obr/min). Moc silnika w watach można obliczyć za pomocą następującego wzoru: Moc (W) = (Moment obrotowy (N·m) x Prędkość (obr/min) x π) ÷ 60. Odchodząc od żartów, w jednostkach imperium 1 KM wynosi 746 W. Przykładowo, silnik, który musi zapewnić 1500 obr/min przy momencie obrotowym 10 N·m, wymaga mocy około 2,1 KM lub 1570 W. Te obliczenia dotyczą silników obrotowych liniowych. Nikt nie chce być nieprzygotowany na niespodzianki. Dlatego warto przewidzieć zapas mocy rzędu 10–15%, który pomoże sobie poradzić z nieoczekiwanymi wzrostami obciążenia, takimi jak chwilowe szpilki oporu czy kurz na łopatkach wentylatora.

Wielkość silnika wskazuje jego rozmiary fizyczne, takie jak długość i średnica, a także rozmiar wału silnika oraz odpowiednie dane elektryczne, takie jak numer obudowy, który jest zgodny ze standardami branżowymi, takimi jak NEMA w Ameryce Północnej czy IEC w pozostałych częściach świata. Jak wspomniano wcześniej, rozmiary fizyczne muszą odpowiadać przestrzeni wydzielonej dla jednostki klimatyzacyjnej. Proponowane wymiary silnika oraz średnica wału muszą zostać zweryfikowane zgodnie z dokumentacją techniczną systemu klimatyzacji. To właśnie te wymiary system oczekuje, że średnica wału i wymiary silnika będą miały. Zbyt duże silniki również stanowią problem. Numer obudowy, taki jak NEMA 56, IEC 112, musi być kompatybilny z uchwytami montażowymi i sprzęgłami. Innymi słowy, silnik o obudowie NEMA 56 jest wyposażony w określonej wysokości wału i wzór otworów montażowych, które są standardem dla wielu wentylatorów klimatyzacji domowej. Jeżeli odstępy nie zostaną odpowiednio sprawdzone, nieprawidłowe odstępy i wady montażu prawdopodobnie spowodują niestabilność.

Stosowanie silnika prądu przemiennego (AC) w silnikach z przekładnią ma na celu wzbogacenie silnika o przekładnię w celu zmiany funkcji prędkości i momentu obrotowego silnika. Wykorzystując przełożenie przekładni do skalowania prędkości wejściowej na prędkość wyjściową, można określić całkowite zmniejszenie prędkości danego silnika oraz wzmocnienie momentu obrotowego. Jeżeli przełożenie wynosi 10 do 1, to prędkość wyjściowa to 180 RPM przy pomnożonym momencie obrotowym równym 10, przy czym silnik pracuje przy 1800 RPM. Przełożenie o większej wartości spowoduje niższą prędkość wyjściową, a więc wyższy moment obrotowy, co jest szczególnie przydatne w zastosowaniach wymagających dużych obciążeń, jak np. duże wentylatory kondensatorów. Z kolei przełożenie o mniejszej wartości będzie idealne do zastosowań wymagających wysokiej prędkości i niskiego momentu obrotowego, na przykład małe wentylatory wdmuchowe. Wszystko to pokazuje, dlaczego przełożenie przekładni musi być dopasowane do prędkości potrzebnej dla danego komponentu. Aby rozwiać wszelkie wątpliwości, można sprawdzić kartę danych silnika prądu przemiennego i skorzystać z rekomendowanych prędkości pracy, aby określić optymalną wartość.

Koszty eksploatacji silników prądu przemiennego (AC) są klasyfikowane zgodnie z ich zastosowaniem jako podstawowe części, podczas gdy pozostałe silniki E-grade są dzielone i przypisywane do standardów IE1, IE2, IE3 oraz IE4, osiągając odpowiednio poziomy efektywności: 1 – standardowa, 2 – wysoka, 3 – premium oraz 4 – super premium. Silniki przypisane do standardu IE3 mogą zużywać o 10% mniej energii niż zwykle zużywane przy niższym standardzie 1, oszczędzając więcej energii dla wyższych wyjść. Silniki o wysokiej efektywności są bardziej opłacalne, ponieważ ich koszty zwracane są w czasie eksploatacji systemów prądu przemiennego, zwłaszcza w zastosowaniach komercyjnych. Regulacje krajowe określają konieczność stosowania silników zatwierdzonych przez systemy ENERGY oraz podobne grupy oszczędzające energię.

Zasilanie elektryczne systemu prądu przemiennego (AC) musi być kompatybilne z systemem silnika. W związku z tym należy upewnić się, że napięcie silnika (110, 220, 380) oraz wymagana liczba faz (w przypadku zastosowania domowego – jednofazowe, a komercyjnego – trójfazowe) są zgodne z dostępnym zasilaniem. Używanie silnika z napięciem nieodpowiednim dla danego układu spowoduje jego natychmiastowe uszkodzenie lub zmniejszenie wydajności. Czynniki wiarygodności silnika obejmują klasę izolacji (B, F, H) oraz klasę silnika, które określają zdolność silnika do wytrzymywania ciepła. Klasa izolacji F jest najbardziej zalecana do zastosowań w systemach prądu przemiennego, z górnym progiem 155°C. Dodatkowo ważna jest gwarancja producenta – dłuższa gwarancja (od dwóch do pięciu lat) oraz lepsze wsparcie serwisowe zmniejszają ryzyko nieoczekiwanych awarii, co oferują znane i cenione marki.

Jak zawsze, należy przejrzeć specyfikacje producenta, zrównoważyć obciążenie sprzętu napędzanego oraz sprawdzić cechy sterowania prędkością silnika. W przypadku systemów, które mają większą moc niż wymagany proces czy system, konieczne jest ostrożne zrównoważenie ciśnienia hydraulicznego lub pneumatycznego z mechanizmem toroidalnym. Ceny oraz czas realizacji oferowane przez producenta w zakresie montażu i eksploatacji silników pomagają w wyborze silnika o wysokiej dostępności. W konfiguracji, w której silnik musi być zintegrowany z asynchronicznymi generatorami zasilanymi dwukrotnie, zaleca się skorzystanie z pomocy eksperta, aby bezbłędnie zsynchronizować go z obracającym się sprzętem.