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.