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

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *