Akustyka w wentylacji

Akustyka – temat-rzeka, do tego stopnia, że potrzeba 5-letnich studiów magisterskich, żeby ten temat zgłębić. Jednakże, jako inżynierzy sanitarni w pracy zawodowej, coraz częściej przekonujemy się, że musimy być niejako ludźmi renesansu i nie tylko mieć pojęcie, ale dość sprawnie poruszać się po wielu różnych gałęziach sztuki inżynierskiej.

Generalnie w naszej branży temat, a raczej problem, akustyki pojawia się głównie przy projektowaniu systemów wentylacyjnych. Chcemy wyeliminować mniejszy lub większy hałas generowany przez nasze urządzenia. Z iloma projektantami nie rozmawiałam, w ilu zakładach pracy nie pracowałam, tyle różnych sposobów doboru tłumików poznałam. Jaki jest więc ten właściwy, najbardziej wiarygodny i wygodny sposób? Postaram się zgłębić ten temat i przedstawić go w tym artykule.

Najpierw garść teorii.

Dwa najistotniejsze parametry, które podawane są przez producentów urządzeń (wentylatorów, tłumików) w każdym katalogu, w każdej DTR to poziom ciśnienia i mocy akustycznej. Właściwe ich zrozumienie jest kluczem do całego tematu tłumienia hałasu. Warto je dobrze poznać, żeby nie dać się chociażby omamić producentom odnośnie wyższości jednego urządzenia nad drugim.

Te dwa pojęcia są często mylone, co powoduje sporo problemów. Dzieje się tak głównie ze względu na jednostkę, która w obu przypadkach jest taka sama – dB. Taka sama jednostka dla ciśnienia i mocy? Coś tu nie gra…

Rzeczywiście – bel (B) bowiem, nie jest stricte jednostką taką jak metr czy sekunda, jest „kryptojednostką”. W tym skrócie zawarta jest informacja, że wartość liczbowa, za którą znajduje się symbol dB jest wartością ilorazową, logarytmiczną. Oba bowiem parametry, zarówno poziom mocy jak i ciśnienia akustycznego, są wartościami bezwymiarowymi. Są to stosunki mierzonej przez nas wartości do wartości odniesienia, a jak wiemy przy dzieleniu jednostki w liczniku i mianowniku skracają się i oto finalnie voi la – mamy wartość bezwymiarową.

Ciśnienie akustyczne

Słyszalne przez nas dźwięki rozchodzą się falą w ośrodku jakim jest powietrze atmosferyczne. Mówiąc obrazowo: taka fala uderza w nasz bębenek w uchu z pewną siłą zależną oczywiście od źródła dźwięku, który słyszymy. Ta siła wywierana na powierzchnię, którą jest nasz bębenek jest ciśnieniem akustycznym, wyrażonym w Pascalach.

Oczywiście, przez to, że fala dźwiękowa od źródła rozchodzi się sferycznie, czyli coraz bardziej rozprasza się im dalej od źródła dźwięku, wartość siły będzie zmniejszała się wraz ze zwiększaniem tej odległości. Dlatego w katalogach przy wartości poziomu ciśnienia akustycznego powinna znaleźć się informacja, w jakiej odległości od urządzenia wentylacyjnego dokonany był pomiar. Zwykle jest to 1 m, ale „sprytny” producent może podać tę wartość w większej odległości, przez co jego urządzenie wydawać się będzie korzystniejsze akustycznie. Warto zwrócić na to uwagę.

Poziom ciśnienia akustycznego, podawany w decybelach i zwykle podawany w dokumentacji technicznej urządzeń wentylacyjnych, jest to stosunek ciśnienia akustycznego pochodzącego od interesującego nas źródła hałasu do ciśnienia odniesienia. Ciśnieniem odniesienia jest umowna najmniejsza wartość ciśnienia akustycznego, którą jest w stanie wychwycić „gołe” ludzkie ucho.

Po co takie komplikacje, czemu nie można byłoby podawać tych wartości po prostu w Pascalach i uniknąć problemów i nieporozumień? Otóż poziomy dźwięku słyszalne przez ludzkie ucho i powodujące różnicę w odbiorze są na tyle rozłożone na osi, że wygodniej po prostu posługiwać się skalą logarytmiczną.

Moc akustyczna

Fala dźwiękowa, powstaje w ośrodku (powietrzu atmosferycznym) ponieważ, przykładowo, silnik wentylatora w trakcie swojej pracy przenosi drgania na jego obudowę, a ta z kolei na otaczające ją cząsteczki powietrza. Tak poruszone cząsteczki powietrza, rozchodzą się ponieważ zostały obdarzone przez wentylator energią kinetyczną. To ile tej energii (wyrażonej w J) zostanie wyemitowane w jednostce czasu jest właśnie mocą akustyczną. Jak wiemy J/s to W, dlatego moc akustyczna wyrażona jest w watach.

Jak widać jest to parametr opisujący bezpośrednio źródło dźwięku a nie falę, interesuje nas ilość energii wydzielona przez wentylator w czasie, dlatego na moc akustyczną nie ma wpływu odległość od źródła, mierzy się ją bezpośrednio przy źródle, to tak w dużym uproszczeniu.

Analogicznie jak przy ciśnieniu akustycznym, ze względu na charakter dźwięku, łatwiej i wygodniej wyrażać zmiany mocy akustycznej przy pomocy jej stosunku logarytmicznego do mocy odniesienia. Podobnie jak w przypadku ciśnienia akustycznego – mocą odniesienia jest minimalna moc źródła dźwięku słyszalna przez człowieka.

Poziom dźwięku

Często w opracowaniach, literaturze, czy materiałów producentów autorzy posługują się zagadkowym terminem „poziom dźwięku”. Mimo dość mało fizycznej nazwy, jest to po prostu skrót myślowy odnoszący się do poziomu ciśnienia akustycznego skorygowanego wg krzywej częstotliwościowej.

Co to są i po co te krzywe częstotliwościowe?

Krzywe korekcyjne mają za zadanie skorygować wartości rzeczywistego ciśnienia akustycznego dostosowując je do faktycznych właściwości, odczuć ludzkiego ucha. Człowiek najlepiej słyszy w zakresie średnich częstotliwości, natomiast najgorzej w niskich i wysokich. Na podstawie tych badań ucha ludzkiego stworzono krzywe korekcyjne A, B, C, D. W naszej branży jednak, ze względu na skalę hałasu, wykorzystuje się krzywą A. Zwykle mierniki ciśnienia akustycznego podają już wartości „przemielone” przez tą poprawkę. W danych urządzeń oznaczenie, że dany pomiar został skorygowany przez krzywą A oznacza się podając jako jednostkę dB(A).

Tłumienie dźwięku

Jak łatwo się domyślić, zadaniem tłumików i materiałów tłumiących jest zapobieżenie rozprzestrzenianiu się fal dźwiękowych od źródła dźwięku lub zmniejszenie ciśnienia akustycznego tej fali – mocy nie zmniejszymy, taką moc generuje nasze urządzenie przy zadanym trybie pracy, to jest jego parametr.

Hałas, niechciana fala dźwiękowa, który generuje np. urządzenie wentylacyjne rozchodzi się w ośrodku sprężystym (powietrzu) z taką mocą i siłą jaka została nadana cząsteczkom energia kinetyczna.

Hałas w instalacji wentylacyjnej powstaje głównie od silnika wentylatora – na stronę ssawną i tłoczną, ale również generuje go powietrze zmieniając prędkość przepływu i lawirując, często zawiłymi i krętymi „ścieżkami” kanałów wentylacyjnych.  

Żeby ten hałas zredukować wstawiamy materiał tłumiący, tłumik, który tworzy barierę przed tą falą uderzeniową. Część fali odbije się od tego materiału, część zostanie zaabsorbowana, a część przejdzie przez niego, wywołując drgania cząstek po drugiej stronie tłumika.

Właśnie strata, różnica w poziomie dźwięku przed i za przegrodą, wyrażona w decybelach, jest miarą izolacyjności akustycznej materiału. Odnosi się to nie tylko do tłumików, ale również do wszystkich przegród budowlanych.

Materiały służące do tłumienia w wentylacji to zwykle: wełna mineralna lub wełna szklana. Dzięki swojej porowatej, nieregularnej strukturze stwarzają spory opór dla fali akustycznej. Energia fali akustycznej zamiast być przekazana dalej, dzięki temu oporowi zostaje zamieniona w energię cieplną.

Właśnie proces obniżania poziomu ciśnienia akustycznego nazywa się tłumieniem dźwięku.

Wyróżniamy 2 zasadnicze rodzaje tłumienia – naturalnie i sztucznie. Cząsteczki powietrza powodujące hałas wytracają swoją energię wraz z pokonywaniem kolejnych odległości od źródła hałasu, nawet w kanale. Niestety, jak pisałam wcześniej, hałas jest również generowany przez przepływ powietrza przez kanały, a zwłaszcza kształtki wentylacyjne, co w praktyce pozwala pominąć tłumienie naturalne jako efektywne.

Tłumienie sztuczne odbywa się poprzez zastosowanie tłumików akustycznych. Najefektywniej robić to od razu za źródłem hałasu.

Tłumiki w zależności od potrzeb i rodzaju kanału mamy prostokątne i okrągłe.

Prostokątny tłumik jest zbudowany z obudowy z blachy ocynkowanej, a wewnątrz posiada tzw. kulisy – wkłady z wełny mineralnej ustawione wzdłuż przepływu powietrza przez kanał. Fala akustyczna przepływając przez tłumik wytraca swoją energię kinetyczną na kulisach.

Tłumiki okrągłe zbudowane są z rury spiro, która od środka wyłożona jest absorpcyjnym materiałem tłumiącym, który absorbuje energię kinetyczną fali dźwiękowej.

Poniżej kilka zasad dotyczących doboru tłumików:

Tłumić należy hałas generowany przez wentylator do wartości podanych w normie dotyczącej wymaganych poziomów ciśnień akustycznych dla poszczególnych pomieszczeń. Dla uproszczenia można założyć, że tłumienie naturalne w kanałach oraz wzrost poziomu hałasu w kanałach wzajemnie się znoszą. Doboru dokonujemy dla częstotliwości 125 i 250 Hz, przy większych częstotliwościach tłumienie jest z reguły wyższe niż wymagane.

Ważną kwestią wymagającą zwrócenia szczególnej uwagi są tzw. szumy własne tłumika, inaczej szumy przepływowe, pojawiające się przy przepływie powietrza przez tłumik. Jest to można powiedzieć, wypadkowa dźwięku, który powstaje z połączenia fali dźwiękowej wchodzącej do tłumika, obniżona o zaabsorbowany poziom ciśnienia akustycznego, ale znów powiększona o hałas, który powstaje przez opory przepływu przez tłumik. Tłumik, by tłumić wyłożony jest, jak pisałam wcześniej, materiałem dźwiękochłonnym, czyli niegładkim. Fala dźwiękowa nie ślizga się po nim bez strat, tylko częściowo wchłania w niego, częściowo odbija pod przypadkowymi kątami generując dźwięk.

To jak duży poziom ciśnienia akustycznego będzie generowany przez tłumik zależy w głównej mierze od prędkości powietrza, które przez niego przepływa. Większa prędkość, generuje większe zawirowania, wibracje, przez co zwiększa dodatkowy hałas, a przecież naszym celem jest hałas od wentylatora zmniejszyć, a nie dodawać go od dodatkowych czynników.

W literaturze podaje się, na podstawie licznych pomiarów, że optymalny zakres prędkości, który należy przyjmować przy doborze tłumików to 3-5 m/s. Generalnie z własnego doświadczenia i obserwacji dodam, że 8 m/s to graniczna prędkość do której „opłaca się” dobierać tłumiki. Powyżej tej prędkości szumy własne zwykle przekraczają zakładane przez nas poziomy ciśnienia akustycznego, które chcemy osiągnąć.  

Kolejnym parametrem, na który należy zwrócić uwagę dobierając tłumik, może już nie do końca akustycznym, jest opór przepływu na tłumiku. Wiadomo – im więcej kulis lub im grubsza izolacja w tłumiku, tym tłumienie będzie skuteczniejsze. Jednak strumień powietrza płynący przez kanał wytłumiając się, wytraca energię kinetyczną na tłumiku. Im więcej ma przeszkód, tym bardziej ją wytraca, przez co może jej nie starczyć na dalsze rozprowadzenie powietrza. Najlepszym rozwiązaniem będzie więc również i pod tym względem zachowanie niskiej prędkości przepływowej.

Powyższe porady stanowią tak naprawdę kompendium najistotniejszych informacji potrzebnych do prawidłowego doboru, bądź zweryfikowania doboru automatycznego, tłumika akustycznego do własnych potrzeb. Można to zrobić dokładniej, licząc skoki ciśnienia akustycznego na każdej kształtce, wytłumienia na prostkach, analizując całe pasmo oktawowe lub jeszcze bardziej upraszczając. Jak pisałam na początku, ilu projektantów, tyle pomysłów na dobór tłumika. Subiektywnie uważam, że obecnie, przy ogromie programów doborowych, absolutnie wystarczającym są podane wyżej informacje, chociażby dla zweryfikowania doborów, które sugerują programy.

Typy rozruchu wentylatorów oddymiających

W swojej pracy, choćby w niewielkim stopniu, często musimy podejmować liczne decyzje, które nie do końca pokrywają się z wiedzą zdobytą na studiach. Musimy np. proponować rozwiązania konstrukcyjne czy wsporcze pod montaż wentylatorów i central, o których jednak dzięki wytrzymałości materiałów i innych podobnych przedmiotów mamy jakieś pojęcie, ale do najczęstszych „trudnych spraw” projektowania należą wybory dotyczące elektryki.

Ten wpis niejako wynika z poprzedniej serii wpisów o silnikach elektrycznych. W tym wpisie chciałabym skupić się na opisaniu różnych typów rozruchu wentylatorów asynchronicznych. Zwykle wyboru tego musimy dokonać przy okazji projektowania systemu wentylacji oddymiającej. Typy rozruchu determinują zużycie prądu, ale poszczególne rozwiązania wiążą się często z innymi kosztami inwestycyjnymi. Warto poznać specyfikę każdego z typów rozruchu, choćby po to, żeby wiedzieć, czy w danym projektowanym systemie możemy pozwolić sobie na oszczędność, czy jednak powinniśmy postawić na „Mercedesa” rozruchu.

Co kryje się pod pojęciem „rozruch” silnika (wentylatora)? Jest to nazwa całego procesu od uruchomienia silnika, czyli podania mu napięcia, aż do osiągnięcia przez niego ustalonej prędkości obrotowej, czyli dla wentylatora prędkości znamionowej obrotu łopatek. Rozruch silnika indukcyjnego, możliwy jest wtedy, gdy jego moment obrotowy pokona moment obciążenia. Czyli mówiąc wprost, gdy praca, którą będzie mógł wykonać silnik będzie dostatecznie duża, by przezwyciężyć jego opór. Na przykład by wprawić w ruch całą tę ogromną masę składającą się na metalowe łopatki wirnika wentylatora oddymiającego.

Z pojęciem rozruchu wiążą się 3 określające go parametry, które zwykle można spotkać w DTR wentylatorów, ale nie koniecznie wiemy o co w nich chodzi. Są to:

  • prąd rozruchowy Ir – natężenie prądu, które musi być podane by wyprowadzić silnik ze stanu spoczynku, by wprawić go w ruch
  • moment rozruchowy Mr,- moment siły, siła, która musi być przyłożona by zacząć pracę silnika
  • czas rozruchu – czas od rozpoczęcia podawania zasilania do osiągnięcia przez silnik pełnej, znamionowej prędkości obrotowej

W wentylacji najczęściej spotyka się kilka rodzajów rozruchu, które różnią się między sobą zarówno poziomem skomplikowania, energooszczędnością oraz ceną. Jako, że niestety elektrycy najchętniej wszystko, co związane z urządzeniami HVAC zrzuciliby na projektantów sanitarnych, postaram się przybliżyć czym różnią się poszczególne typy rozruchu, oczywiście w stopniu uproszczonym dla nas laików nie-elektryków. Warto się z nimi zapoznać, jeśli nawet nie po to by samemu dokonać wyboru, to przynajmniej, żeby móc brać udział w czynnej dyskusji a propos działania całego systemu wentylacji w danej inwestycji.

Tak naprawdę czołówkę typów rozruchu wentylatorów oddymiających stanowią:

  • rozruch bezpośredni
  • rozruch przez przemiennik częstotliwości (tzw. falownik)
  • rozruch gwiazda-trójkąt
  • rozruch soft-start

ROZRUCH BEZPOŚREDNI

Najprostsza, ale też najmniej efektywna forma rozruchu. Polega po prostu na podaniu zasilania prądem 3-fazowym na uzwojenia stojana. Niestety, kłopot jest taki, że żeby taka wielka i ciężka maszyna jak wentylator oddymiający ruszył punktu 0 i zaczął w ogóle się kręcić, a co dopiero osiągnął prędkość znamionową, musimy tego prądu na start przyłożyć bardzo dużo, nawet do 8 razy więcej niż prąd znamionowy (czyli taki, który jest podawany przy „rozhulanym” wentylatorze). Nie jest to więc metoda proekologiczna ani ekonomiczna. Tak duże napięcia przechodzące przez uzwojenia powodują też ich ogromne nagrzewanie, a co za tym idzie zużywanie i powolne niszczenie. Ponadto, jak możemy sobie wyobrazić, podanie tak dużego prądu na start tak obciążonego urządzenia jak wentylator oddymiający, spowoduje jego niewielki obrót, który dopiero stopniowo, powoli będzie się zwiększał. Jest to kolejna cecha rozruchu bezpośredniego – długi czas rozruchu spowodowany niskim momentem rozruchu. Ponadto przy takim rozruchu godzimy się niejako na stałą prędkość obrotową, wynikającą z nominalnego zasilania.  Poza swą prostotą i niewielkim kosztem, dla wentylacji oddymiającej rozruch bezpośredni nie ma więcej zalet.

ROZRUCH PRZEZ PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI (FALOWNIK)

Ten typ rozruchu, choć stosunkowo najdroższy z wszystkich wymienionych, jest również najbardziej wydajny energetycznie. Zaraz postaram się skrótowo wyjaśnić dlaczego.

Przemiennik częstotliwości, czy jak przyjęło się mówić, falownik, to urządzenie, które ma sterować prędkością obrotową silnika zmieniając częstotliwość prądu zasilającego. Żeby to uczynić, falownik musi przerobić swoisty „półprodukt” jakim jest prąd sieciowy o częstotliwości 50 Hz (w Europie) na zadany, żądany w danej chwili przez system. W skrócie, najczęściej tłumaczy sinusoidę prądu zmiennego na prąd stały i z powrotem ten prąd stały na zmienny, już o zadanej częstotliwości.

Zadaniem falownika, w dużym uproszczeniu, jest to, by nasz wentylator zachował stały moment obrotowy, przy zmiennej prędkości obrotowej. Innymi słowy – moment potrzebny do rozruchu wentylatora pozostanie stały, ale chcemy tak dobrać prędkość obrotową i częstotliwość prądu, żeby jego pobór przy rozruchu nie był tak zatrważająco wielki jak np. przy rozruchu bezpośrednim. Chcemy przecież oszczędzić energię i pieniądze.   

Można tak zmienić prędkość obrotową silnika indukcyjnego zachowując stały moment obrotowy. Musimy tylko zasilić ten silnik ze źródła, które może zmieniać częstotliwość, czyli tu wkracza nasz falownik. Jednak zawsze proporcjonalnie do wartości napięcia. Jest to tak zwane sterowanie U/f – U – napięcie, f – częstotliwość. Wszystkie dostępne na rynku falowniki taką możliwość mają.

Czyli w praktyce – falownik dzięki swojej właściwości U/f umożliwia nam zachowanie dużego momentu obrotowego przy zmniejszeniu poboru prądu.

ROZRUCH GWIAZDA-TRÓJKĄT

Silnik indukcyjny posiada uzwojenia, obręcze z przewodnika, przez które przepływa prąd powodując indukcję magnetyczną. Żeby prąd przepływał musi mieć swoje wejście i wyjście, czyli każde z uzwojeń ma 2 końce. I właśnie te końce i ich połączenie stanowią o działaniu rozruchu gwiazda trójkąt. Otóż Można jeden z końców każdego uzwojenia połączyć do pozostałych końców w 1 wspólnym puncie – jak w symbolu gwiazdki, gdy tworzące ją odcinki przecinają się w jednym punkcie. Dostarczając napięcie na ten punkt powodujemy, że każdy koniec uzwojenia otrzymuje mniejsze napięcie, bo musi „obdzielić” nim pozostałe końce. W efekcie na każdym uzwojeniu mamy mniejsze napięcie, a co za tym idzie prąd. Jeśli natomiast połączymy końce uzwojeń po sąsiedzku, czyli w pary, i również dostarczymy do nich prąd trójfazowy o napięciu 400 V, pobór prądu będzie proporcjonalnie większy.

 Jak łatwo się domyślić mniejszy prąd przy rozruchu w ustawieniu gwiazdy, powoduje też mniejszy moment rozruchowy, jednak dla wentylatorów jest on na tyle wystarczający by uznać to rozwiązanie za opłacalne.

Jak zwykle dla zobrazowania działania rozruchu proponuję obejrzenie filmu, do którego link załączam.

Zaletą tego rozwiązania, mimo obniżonego momentu rozruchu, jest brak uderzeniowej wartości prądu rozruchu jak przy rozruchu bezpośrednim, który może doprowadzić do spięć, zbyt dużych obciążeń. 

Gwiazda/trójkąt jest popularnym rozwiązaniem ze względu na jego małe wymiary, niską cenę i uzyskiwane zmniejszenie natężenia prądu rozruchowego. Jednak za tymi zaletami stoi również sporo wad. Największą z nich, często wykluczającą możliwość takiego rozruchu w danej instalacji oddymiającej, jest brak możliwości regulacji, co jest możliwe przy falowniku. Ponadto mimo swej prostej budowy, taki rozruch wymaga sporego okablowania (aż 6 przewodów zasilających). Przełączenie z gwiazdy na trójkąt może również powodować udary prądowe, które przecież są powodem, dla którego w ogóle uciekamy się do innych rozwiązań niż bezpośredni rozruch.

ROZRUCH SOFT-START

Soft-start, czyli miękki rozruch, dosłownie tak właśnie działa. Jego zadaniem jest stopniowej podnoszenie napięcia od początkowej wartości, aż do znamionowej. Razem z napięciem stopniowo podnoszone jest natężenie prądu i moment obrotowy. Tym sposobem miękko urządzenie się rozpędza aż do osiągnięcia wymaganych obrotów.

Istotą urządzenia zwanego soft-startem są tyrystory, czyli półprzewodniki, które ograniczają odpowiednio przepływ prądu. Na początku są izolacją, z upływem czasu przewodzą już 100% dostarczanego zasilania i nasz wentylator może działać z zadaną wydajnością. Taki czas to zwykle do 30 s. Po tym czasie prąd powinien przechodzić by-passem omijając tyrystory.

Zaletami soft-startów jest niższy koszt niż falownika, bardzo duża sprawność, niewielkie gabaryty urządzenia, łatwość w serwisowaniu.

Jednak jeśli w naszej instalacji konieczne jest regulowanie prędkości obrotowej wentylatora, spowodowane zmianą wydajności, soft-start nie znajdzie zastosowania.

Na tym kończę streszczenie najpopularniejszych metod rozruchu wentylatorów oddymiających. Mam nadzieję, że udało mi się skrótowo ująć istotę każdego z nich.

https://silnikielektryczne.prv.pl/html/asynchroniczne.html

https://www.libra.com.pl/baza-wiedzy/o-falownikach-prosto-i-zrozumiale-napedzamy-przysz%C5%82osc-z-firma-aniro

http://www.energoelektronika.pl/do/ShowNews?id=2687&spis_artykulow,Jak%20dzia%C5%82a%20falownik?%20Prosto%20i%20na%20temat,HF%20Inverter%20Polska

SILNIKI KROKOWE

Niewykorzystywane w wentylacji, ale w branży HVAC można spotkać je w zaworach elektromagnetycznych, dlatego zasługują na kilka słów wyjaśnienia.

Jak zwykle takie silniki składają się z 2 głównych części – wirnika i stojana. Praca silnika krokowego na tle pozostałych opisanych urządzeń rózni się jego skokową, czy jak kto woli, krokową pracą. Nie działa on płynnie, dlatego nie nadaje się do zastosowania w pracy urządzeń, które działać muszą ciągle.

Stojan takiego silnika jest jego zewnętrzną częścią, o przekroju kołowym. Od wewnętrznej strony okręgu stojan posiada „zęby”, na które nawinięte jest uzwojenie. Zęby zawsze występują parami, są biegunami stojana. Każda z par biegunów zasilana jest z odrębnego źródła.

Wirnik, choć w tym wypadku ta nazwa nie jest w pełni adekwatna, to element zbudowany z przewodnika o przekroju znaku + lub gwiazdki.

Skoro mamy już główne elementy silnika, to teraz wystarczy dostarczyć zasilanie do biegunów stojana – to zasilanie dostarczamy pojedynczo tworząc elektromagnesy na poszczególnych biegunach. Dostarczając zasilanie do pierwszej pary biegunów, przyciągana przez pole elektromagnetyczne  najbliższa „wypustka” wirnika przeskoczy do niego. Kiedy to się stanie, podajemy zasilanie na sąsiednią parę biegunów i wypustka zrobi krok w jego kierunku. I tak  oto w tym skokowym rytmie kręcić się będzie nasz silnik krokowy.

Zaletą tego silnika jest niewątpliwie jego wyjątkowo prosta budowa, przez co osiąga on małe rozmiary oraz duża precyzja działania, która przydaje się właśnie w pracy zaworów z elektromagnesem.

Ponizej filmik, który doskonale obrazuje działanie silnika.

Mam nadzieję, że w tym cyklu udało mi się uchwycić najważniejsze, podstawowe zasady działania silników stosowanych w przemyśle HVAC. Myślę, że wiedza czym tak naprawdę różnią się silniki AC i EC, czym tak często chwalą się producenci, pomoże dokonywać świadomych wyborów w projektowaniu.

SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU ZMIENNEGO

SILNIKI UNIWERSALNE

Silniki uniwersalne są doskonałym wstępem do silników prądu zmiennego, ponieważ w swej uniwersalności łączą w sobie możliwość zasilania zarówno prądem stałym, jak i zmiennym.

W skrócie silnik uniwersalny, zasilany prądem stałym nie różni się niczym od szczotkowego silnika prądu stałego. No może po za tym, że w tym wypadki zawsze stojan zasilany będzie elektrycznie, czyli mamy elektromagnes, a nie magnes stały.

Jeśli ten sam silnik zasilimy prądem zmiennym… w dużym uproszczeniu, w sumie nic więcej nie musimy robić. Dlaczego? Zasilamy prądem zmiennym zarówno stojan jak i wirnik. Obie składowe silnika, zasilane tym samym prądem, będą zmieniały kierunki przepływu prądu w tym samym czasie, tak jak zmiennie płynie on po kablu z elektrowni. Czy na pewno nie spowoduje to zamieszania jeśli chodzi o kierunek obrotu całego wirnika? Nie, dlatego, że podczas zmiany kierunku prądu w stojanie, również kierunek pola magnetycznego zmieni się na przeciwny, a jeśli skorzystamy z reguły lewej dłoni dla obu kierunków przepływu prądu, zobaczymy, że kierunek siły elektrodynamicznej powodującej ruch wirnika nie zmieni się.

Poniżej filmik obrazujący to zjawisko

SILNIKI SYNCHRONICZNE

Silnik synchroniczny, jak wszystkie opisane powyżej, składa się z 2 głównych elementów: wirnika i stojana. W tym wypadku stojan jest częścią zewnętrzną, tworzącą obręcz, a wirnik kręci się wewnątrz tej obręczy.

Stojan zasilany jest prądem trójfazowym zmiennym, wirnik natomiast zasilany jest prądem stałym lub jest magnesem stałym. Tym sposobem mamy znów 2 pola magnetyczne – od stojana i od wirnika. Z poprzednich przykładów wiadomo, że już niewiele brakuje, żeby to wszystko zaczęło działać!  

Zasilanie stojana odbywa się poprzez pary uzwojeń, które tworzą bieguny elektromagnetyczne.  Pole magnetyczne stojana jest zmienne, przez co zmieniają się systematycznie, z częstotliwością płynącego prądu, znaki biegunów na każdym zwoju. Dodajmy do tego jeszcze fakt, że każda para zwojów zasilana jest przez inną fazę (żyłę) prądu, więc znaki biegunów na kolejnych 3 zwojach będą zmieniały się po kolei, przesunięte w fazie tak jak prąd płynący przez poszczególne żyły w prądzie trójfazowym. Możemy powiedzieć, że znaki te zmieniają się w sposób synchroniczny, ustalony, a gdyby sobie to rozrysować lub puścić na filmiku (polecam film w linku poniżej) zobaczymy, że mimo, że sam stojan nie porusza się, to wytwarza on niewidoczne pole magnetyczne, które wiruje. sam Zmieniają się w sposób synchroniczny, przez co można powiedzieć, że pole magnetyczne wiruje synchronicznie.

Ilość par biegunów na stojanie musi równać się ilości par biegunów na wirniku. To taki imperatyw silników synchronicznych. Każdy biegun na stojanie ma swój odpowiednik na wirniku. Kiedy znaki biegunów na stojanie przesuwają się, powinny przesuwać się również bieguny na wirniku, ciągnięte przez swoje odpowiedniki na stojanie (oczywiście o przeciwnym znaku). Niestety jednak przez wzgląd na bezwładność wirnika, zanim do tego magnetycznego „pociągnięcia” dojdzie, już pojawia się biegun o tym samym znaku na stojanie i wirnik znów jest odpychany. Przez co niestety nie będzie mógł się rozruszać.

Dlatego właśnie w budowie silników synchronicznych pojawił się kolejny element, czyli klatka zbudowana z prętów przewodzących wokół wirnika. Każdy pręt oddziela bieguny między sobą.

Opis zdarzeń w skrócie, od naciśnięcia „POWER ON” na naszym wentylatorze czy pompie (czyli w momencie rozruchu urządzenia): najpierw następuje dostarczenie prądu trójfazowego na stojan. Jak już wiemy, wytwarza się wirujące pole magnetyczne. W tym polu magnetycznym (ruchomym) znajdują się pręty klatki zbudowane z przewodnika. Mamy podręcznikowy wręcz przykład indukcji magnetycznej – w prętach zaczyna płynąć prąd, przez co wytwarza się siła elektrodynamiczna i cały wirnik z klatką zaczyna pomału się toczyć. Kiedy wirnik osiągnie odpowiednią prędkość rozruchową, potrzebną, żeby wirnik mógł „zaskoczyć”, pokonał bowiem już swoją bezwładność i odpowiednie bieguny mogą sparować się z wirującymi biegunami stojana, czas włączyć zasilanie prądem stałym na wirniku. Prąd potrzebny do zasilenia i zapewnienia ruchu wirnikowi nazywa się prądem wzbudzenia i jest niewielki, ok. 1% mocy znamionowej wentylatora.

Inną opcją rozruchu wirnika, nieco droższą, jest rozruch częstotliwościowy. Wymaga on zastosowania przemiennika częstotliwości (falownika), dzięki któremu zaczynamy zasilać stojan od niewielkich częstotliwości prądu, powoli je zwiększając, dzięki czemu wirnik ma szansę „nadążyć” za zmianami biegunów i zacząć się kręcić synchronicznie z polem magnetycznym stojana. W przypadku wirnika wyposażonego w magnes stały rozruch za pomocą falownika jest tak naprawdę koniecznością.

Podsumowując powyższe, silnik synchroniczny był dość prosty w swej budowie i idei, dopóki nie pojawił się problem związany z jego rozruchem, a konkretnie z bezwładnością wirnika. Jest to też największa wada tych silników – skomplikowany i długi rozruch.

Niewątpliwą za to zaletą takich silników jest ich stała, niezależna od obciążenia prędkość obrotowa oraz duża sprawność. Wobec czego takie silniki nadają się świetnie do dużych urządzeń takich jak np. wentylatory oddymiające. 

https://silnikielektryczne.prv.pl/html/ac_-_wprowadzenie.html

SILNIKI ASYNCHRONICZNE (INDUKCYJNE) – SILNIK AC

Jeśli jakiś silnik elektryczny w branży wentylacyjnej i nie tylko zasługuje na miano gwiazdy, jest to właśnie silnik asynchroniczny. Nie tylko został wymyślony przez gwiazdę nauki Nikolę Teslę, ale mając ponad 100 letnią historię dane statystyczne pokazują, że około 50% energii elektrycznej obecnie na Ziemi zużywana jest właśnie na te silniki.

Te informacje robią wrażenie. No więc poznajmy lepiej te silniki, z którymi stykamy się w codziennej pracy zawodowej.

Nazwa tego silnika w bezpośredni sposób nawiązuje do poprzednio opisywanego silnika synchronicznego. Jakie są więc różnice?

Paradoksalnie silnik asynchroniczny ma prostszą budowę niż jego synchroniczny kuzyn. Jak każdy silnik elektryczny składa się ze stojana i wirnika. Stojan tworzy wydrążony walec, którego ściany od wewnątrz pokrywają wyżłobienia zwane żłobkami, w których zlokalizowano uzwojenia stojana dla lepszego ich odizolowania od siebie. Przez uzwojenia przepływać będzie prąd zmienny trójfazowy, co jak widzieliśmy przy okazji wentylatorów asynchronicznych spowoduje powstanie wirującego pola magnetycznego (naprawdę obrazowo przedstawiono to na filmie, do którego link poniżej).

Wirnik w tym wypadku jest uproszczoną wersją wirnika silnika synchronicznego – nie mamy tu magnesu, a jedynie klatkę, która w silniku synchronicznym służyła rozdzieleniu pojedynczych biegunów. Wirnik w praktyce więc jest przypominającą walec klatką z podłużnymi prętami osadzoną na trzpieniu.

Mamy więc ruchome pole magnetyczne od stojana i pręty z przewodnika umieszczone w tym polu – idealne warunki dla indukcji elektromagnetycznej, i zgodnie z prawem Lorentza, powstania siły elektrodynamicznej. Zaczyna się więc ruch obrotowy wirnika. Tak, jest to dokładnie ten sam mechanizm, który stosuje się do rozruchu silników synchronicznych. Tylko w tym wypadku nie mamy magnesu w wirniku. Klatka wirnika przesuwa się więc cały czas napędzana siłą elektrodynamiczną wytworzoną przez wirujące pole magnetyczne. Im szybciej się kręci względem otoczenia, tym mniejsza jest różnica prędkości między polem magnetycznym a klatką. Wobec tego zmniejsza się też oddziaływanie pola magnetycznego na pręty klatki i prędkość obrotowa całego wirnika zmniejsza się. Ustali się ona gdy osiągnie minimalną prędkość wymaganą do ruszenia wirnika z miejsca. Fachowo można powiedzieć, że stanie się tak, gdy moment elektromagnetyczny zrównoważy moment obciążenia wirnika.    

Prędkość w sytuacji tej równowagi nazywa się właśnie prędkością asynchroniczną. Zwykle jest ona niewiele mniejsza niż prędkość synchroniczna (czyli równa prędkości wirowania pola magnetycznego). Jednak ta różnica zawsze jest i umożliwia ruch silnika. Różnica tych prędkości (wyrażona jako stosunek) nazywa się poślizgiem, który mieści się w zakresie 0-1.

Rozruch i sterowanie silnikiem asynchronicznym daje szerokie pole do popisu dla automatyków i producentów urządzeń wentylacyjnych, dlatego poświęcę temu osobny wpis.

Do niewątpliwych zalet silnika asynchronicznego można zaliczyć jego prostą budowę, która wpływa na cenę wg prostego przełożenia – prosty-tani.  Mają bardzo wysoką sprawność i jak wspomniałam wcześniej, szerokie możliwości rozruchu. Podobnie jak silniki synchroniczne mogą osiągać duże moce.

https://silnikielektryczne.prv.pl/html/asynchroniczne.html

SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU STAŁEGO

SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU STAŁEGO BEZSZCZOTKOWE – SILNIKI EC

To w skrócie silniki BLDC od angielskiej nazwy BrushLess Direct-Current motor i z tą skrótową nazwą najczęściej można spotkać się w DTR urządzeń wentylacyjnych. Choć w przemyśle wentylacyjnym najbardziej popularna nazwa to silnik EC – z angielskiego silniki elektronicznie komutowane. Mądra nazwa do szpanowania, ale póki co dowiedzmy się jak one w ogóle działają i czemu są tak obecnie popularne i tak bardzo promowane.

Jak każdy silnik również silniki BLDC składają się z 2 podstawowych elementów – wirnika i stojana. Wirnik w tym przypadku jest magnesem stałym i jako taki wytwarza stałe pole magnetyczne. Stojan składa się natomiast z kilku par biegunów – w praktyce wyglądają one jak ramiona (tzw. cewki), na które nawinięte jest uzwojenie. Wirnik jest w tym wypadku zewnętrzną częścią silnika, a stojan wewnętrzną, Ok, ale skoro wirnik wytwarza pole magnetyczne stałe, a do stojana również podajemy prąd stały (bo o takim silniku mowa), czyli również mamy pole magnetyczne stałe… to skąd indukcja?

Magnes stały w wirniku, jak każdy magnes ma 2 bieguny S i N. Żeby wirnik wykonał ruch, trzeba go jakoś „pociągnąć”. Stojan robi to wykorzystując prawa fizyki. W przypadku stojana np. 6-biegunowego, żeby wymusić ruch wirnika, podajemy prąd na 1 cewce wytwarzając biegun S, wówczas biegun N wirnika będzie do niej przyciągany. Gdy biegun N już „wita się z gąską”, wówczas przełączamy prąd na kolejną cewkę, a potem kolejną, i tak kółko, dzięki czemu otrzymujemy płynny ruch wirnika, a co za tym idzie, wentylatora. Żeby wspomóc ruch obrotowy dodaje się również napięcie na cewce biegunem wirnika, który „goni” podawany prąd o tym samym biegunie. Dzięki temu „goniący” biegun będzie z jednej strony ciągnięty, a z drugiej popychany.

Idealne zobrazowanie działania tego silnika można znaleźć tu:

https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3310139.html

Wygląda to na rozwiązanie nie tylko genialne w swej prostocie, ale również i bezawaryjne ze względu na niewielką ilość elementów, które mogą ulec uszkodzeniu. Niestety nie jest tak pięknie. Problem stanowi sterowanie przełączaniem prądu na poszczególne cewki – to właśnie ten element „elektronicznej komutacji”. Układ musi „wiedzieć”, w jakim położeniu jest aktualnie wirnik, na które cewki podać zasilanie. Problem powiększa się, kiedy chcemy zwiększyć prędkość obrotową całego wirnika. Wówczas układ musi dostosować przełączanie prądu na cewkach do oczekiwanej przez nas prędkości… Żeby powiadomić układ o położeniu wirnika wykorzystuje się zwykle sensory zwane Hallotronami, które są urządzeniami delikatnymi… Zaczyna się robić skomplikowanie?

Pewnie dlatego silniki BLDC mimo swojej niezawodności, nie należą do najtańszych.

Podsumowując wady i zalety, które wynikają głównie z budowy i zasady działania opisanej powyżej:

WADY:

– cena

– konieczność stosowania czujników położenia

ZALETY:

– prosta budowa – mało elementów mechanicznych, które mogą ulec uszkodzeniu

– niezawodność

– duża sprawność – małe straty energii

– nie nagrzewają się

– cicha praca

SILNIKI SZCZOTKOWE PRĄDU STAŁEGO

W tym przypadku znów głównymi elementami składowymi są wirnik i stojan. Stojan stanowi magnes stały lub elektromagnes, ze względu na możliwe osiągnięcie większego natężenia pola magnetycznego. Stojan jest w tym wypadku zewnętrzną stroną konstrukcji, część wirująca  zlokalizowana jest pomiędzy biegunami magnesu.

Wirnik wygląda już bardziej skomplikowanie i składa się z kilku części – ramki z uzwojeniem (w praktyce zwój drucików przez, które będzie przepływał prąd indukowany między magnesami stojana, uformowany w postaci ramki). Oba końce tej ramki przyczepione są komutatorów.  Ta strasznie brzmiąca nazwa odnosi się do najczęściej wyprofilowanych miedzianych elementów, których zadaniem jest „przełączanie” kierunku prądu w ramce wraz z obrotem całego wirnika. Sekwencja komutatorów, gdyż zawsze występują one w parach, tworzy razem kształt wydrążonego w środku walca. Każdy koniec ramki przyczepiony jest do jednego komutatora – w przypadku, gdy mielibyśmy jedną ramkę, mamy 2 komutatory, każdy wyglądający jak pół przeciętej wzdłuż rury PVC. Komutatorom prąd dostarczają szczotki, którym to ten cały konstrukt zawdzięcza swą nazwę. Każdy z pary komutatorów podłączony jest do innego bieguna prądu – dodatniego i ujemnego.

No i teraz do meritum – jak ta cała kupa złomu ma sprawić, że będzie to się ruszać?

Otóż znów mamy do czynienia z 2 stałymi polami elektromagnetycznymi – od stojana (który jest albo magnesem stałym, albo elektromagnesem, ale zasilanym z tego samego źródła prądu co wirnik – czyli prądem stałym) i od ramki uzwojenia, przez, którą przepływa prąd. Są to, zgodnie z podręcznikową definicją, idealne warunki do powstania siły elektrodynamicznej (to ta siła z lekcji fizyki związana z regułą lewej dłoni). Budowa wirnika jako dwóch połówek rury (komutatory) przyczepionych do osi, do których z kolei podłączona jest ramka, na którą działa siła ciągnąca ją od jednej strony w dół, a z drugiej w górę (ze względu na kierunek przepływu prądu) powoduje ruch obrotowy całego wirnika. Kiedy ramka początkowo w położeniu równoległym do podłoża znajdzie się w pozycji pionowej, już tylko dzięki swojej bezwładności, czy jak kto woli, siłą rozpędu, przeważy powodując dalszy ruch wirnika. A połowa rury podłączona dotychczas do szczotki zasilanej biegunem dodatnim prądu, przeniesie się „pod opiekę” szczotki z biegunem ujemnym. Tym sposobem zmieni się kierunek prądu w ramce, umożliwiając płynny ruch obrotowy.

Najlepiej całą zasadę działania obrazują filmy, których można parę znaleźć na youtube, najlepszy wg mnie z nich w linku poniżej.

Żeby całość urządzenia działała płynnie nie powodując zastojów w ruchu na czas zadziałania bezwładności na ramkę, zwykle w wentylatorach układów ramka-komutatory-szczotki-prąd jest kilka. Same komutatory oddzielone są od siebie izolatorami.

Na rynku można spotkać wiele wariantów silników szczotkowych prądu stałego, różniących się budową, ale ogólna zasada pozostaje bez zmian i myślę, że taka wiedza o działaniu tego silnika jest wystarczająca dla nie-mechaników.

Największą zaletą silników szczotkowych prądu stałego jest bardzo łatwa możliwość zmiany prędkości obrotowej, co w wentylacji hybrydowej, czy sterowanej parametrami pomieszczenia ma bardzo duże znaczenie. Zmianę tę dokonać można przez zmianę napięcia na wirniku lub stojanie, jeśli jest tam zastosowany elektromagnes.

Największą bolączką producentów wentylatorów z takim silnikiem jest połączenie szczotka-komutator. Szczotka zasila komutator prądem, ale nie jest, bo nie może być, podłączona do niego na stałe. Ślizga się po nim stale podczas obrotu wirnika, co powoduje tarcie, z czasem nawet iskrzenie. Tarcie w każdej maszynie powoduje zużywanie się części, a wiadomo, że każdy klient chciałby, żeby jego urządzenie nie zużywało się, tylko pracowało wiecznie, dlatego jest to duża wada tych silników J

https://mechanika-obrobka.pl/silniki-elektryczne-pradu-stalego/

Silniki w instalacjach HVAC – zarys wstępu do podstaw

Studia inżynierskie zawsze opierają się na fizyce – w zależności od specjalizacji na konkretnym jej dziale. Studiując inżynierię środowiska skupiamy się głównie na termodynamice i mechanice płynów. Później, w pracy w zawodzie, okazuje się, że kompletnie zaniedbane zostały działy fizyki odpowiadające za pracę maszyn, które przecież są integralną częścią każdego nowoczesnego systemu instalacyjnego – wentylatorów. W XXI w. wszystko ulega automatyzacji, a coraz bardziej zaawansowane systemy inżynierskie wymagają od nas poszerzania swojej wiedzy w dziedzinie elektryki i automatyki. Dziś mamy inteligentne domy, zaawansowane panele sterujące całymi systemami na halach produkcyjnych, czy choćby zawory z siłownikami i liczniki wody obsługiwane automatycznie. Warto uzupełnić wiedzę, chociażby po to, żeby nie dać sobie wmówić przewagi działania jednego rozwiązania nad drugim. W tym artykule postaram się z grubsza przybliżyć zasady działania oraz powiedzieć parę słów na temat zastosowania najbardziej powszechnych w instalacjach HVAC silników.

Zacznijmy od początku, podążając za starą, dobrą zasadą: od ogółu do szczegółu. Są to może podstawy, ale lepiej początkowo zrobić małą powtórkę, niż zaczynać w połowie tematu.

Czym właściwie jest silnik?

Silnik, powtarzając za najprostszą definicją z lekcji fizyki, jest to maszyna, która zamienia energię na pracę. W przypadku wentylacji mechanicznej, o której mówimy, tą energią jest energia elektryczna.

No dobrze, ale jak on to robi?

U podstaw działania silnika elektrycznego stoi fizyka, a właściwie zjawisko, które poznaliśmy już w szkole, ale przyznajmy to szczerze, nie do końca w późniejszym życiu o tym zjawisku pamiętamy – indukcja elektromagnetyczna.

Odpowiada ona za powstawanie prądu w przewodniku, który znajduje się w zasięgu działania zmiennego pola magnetycznego. Tą zmianę pola można wywołać np. zmieniając odległość przewodnika od pola magnetycznego lub ich wzajemne ustawienie.

W silniku elektrycznym rolę „przewodnika” odgrywa wirnik, a za zmienne pole magnetyczne odpowiada stojan. Są to w dużym uogólnieniu 2 główne części budowy silników elektrycznych. Jak sama nazwa wskazuje – stojan jest jego częścią nieruchomą, a wirnik częścią wirującą. Prąd zmienny z sieci miejskiej podłączany jest właśnie do stojana, a ponieważ z zasad fizyki wiadomo, że pole magnetyczne jest wywoływane przez ładunki elektryczne znajdujące się w ruchu jednostajnym, przepływ prądu zmiennego przez stojan powoduje powstanie na nim zmiennego pola magnetycznego.

Z zasady indukcji magnetycznej wynika zatem, że dzięki temu polu magnetycznemu, w wirniku musi pojawić się prąd indukcyjny, który również generuje swoje pole magnetyczne. Te 2 pola magnetyczne – od stojana i od wirnika – oddziałują wzajemnie na siebie, jak odpychające się magnesy, powodując moment elektromagnetyczny, który dzięki budowie wirnika umożliwiającej jego ruch, wytwarza moment obrotowy.

I tak oto kręci się nasz wentylator. Teraz przejdźmy do przypadków szczególnych.

Jakie mamy dostępne na rynku rodzaje silników elektrycznych?

Najbardziej ogólny podział zamieściłam poniżej. Zasadniczo można wyróżnić 3 główne grupy, z których każda ma zastosowanie w instalacjach HVAC. Silniki elektryczne prądu stałego są zwykle niewielkie, charakteryzują się niewielkim sprężem i tak samo niewielkim poborem mocy. Silniki prądu zmiennego to grupa mająca najszersze zastosowanie zwłaszcza w wentylacji mechanicznej, czy pompach. O ostatniej grupie, czyli silnikach krokowych też powiem kilka słów, z uwagi na to, że można się na nie natknąć choćby przy zaworach regulacyjnych.

  • Silniki elektryczne prądu stałego
    • bezszczotkowe z magnesem trwałym
    • szczotkowe
  • Silniki elektryczne prądu zmiennego
    • uniwersalne
    • synchroniczne
    • asynchroniczne
  • Silniki krokowe

Na tym kończę pierwszą podstawową dawkę informacji ogólnych o silnikach. W kolejnych wpisach przybliżę specyfikę poszczególnych rodzajów silników elektrycznych.