Silniki elektryczne trójfazowe pod oświetlenie świąteczne

Silniki elektryczne trójfazowe pod oświetlenie świąteczne nie służą do zasilania samych lampek – za światło odpowiadają zasilacze LED i oprawy. Silnik pojawia się tam, gdzie iluminacja ma się ruszać: obracająca się choinka na rynku, wirująca gwiazda nad wejściem do galerii, kręcące się bombki w witrynie, ruchome figury w szopce czy dekoracyjna karuzela na jarmarku. W każdej z tych instalacji napęd musi pracować wolno, cicho i bez przerwy przez kilka tygodni, często na mrozie i w deszczu ze śniegiem.

Taki napęd to zwykle silnik trójfazowy z reduktorem, czyli motoreduktor, zasilany z rozdzielnicy obiektu lub z przyłącza jarmarcznego. Mniejsze dekoracje obywają się silnikiem jednofazowym, ale przy większych masach obrotowych i dłuższej pracy rozwiązanie trójfazowe jest zwykle prostsze w sterowaniu i zabezpieczeniu.

W artykule pokazujemy, jak dobrać prędkość i moment dla obrotowej dekoracji, jak przygotować napęd do pracy na zewnątrz zimą, jak doprowadzić zasilanie do oświetlenia na obracającym się elemencie oraz o czym pamiętać ze względu na bezpieczeństwo osób postronnych.

Silniki trójfazowe w oświetleniu świątecznym – gdzie pracują

Ruch przyciąga wzrok, dlatego projektanci dekoracji miejskich i komercyjnych coraz chętniej łączą światło z mechaniką. Typowe przykłady to:

• obrotowe choinki i stożki świetlne – konstrukcja stalowa z girlandami LED obracająca się wokół pionowej osi;
• wirujące gwiazdy, płatki śniegu i kule zawieszone nad ulicą lub w atrium;
• ruchome figury – kiwające się renifery, sanie, postacie w szopce z napędem korbowym lub krzywkowym;
• obrotowe podesty w witrynach sklepowych, na których eksponuje się towar lub kompozycję świąteczną;
• dekoracyjne karuzele i diabelskie młyny w skali makiety, będące elementem jarmarku.

Wspólny mianownik: mała prędkość wyjściowa, umiarkowany moment, długi czas pracy i środowisko zewnętrzne lub co najmniej nieogrzewane.

Jak dobrać prędkość obrotową dekoracji

Zaczyna się od pytania, jak szybko dekoracja ma się poruszać, żeby wyglądała efektownie i bezpiecznie. Decydująca jest prędkość obwodowa na zewnętrznej krawędzi elementu, a nie same obroty. Duża choinka o średnicy kilku metrów obracająca się z prędkością kilkunastu obrotów na minutę wygląda nerwowo, a jej krawędź porusza się zbyt szybko jak na przestrzeń, w której stoją ludzie. Mała kula w witrynie może się kręcić wyraźnie szybciej.

Prędkość obwodową liczy się prosto: obwód (π × średnica) pomnożony przez liczbę obrotów na minutę. Przykładowo element o średnicy 3 m obracający się 2 razy na minutę ma na krawędzi prędkość około 19 m/min, czyli około 0,3 m/s – to spokojny, płynny ruch.

Wartości w tabeli są orientacyjne i zależą od wielkości dekoracji oraz miejsca ustawienia. Silnik czterobiegunowy o obrotach około 1400 obr/min z jednym stopniem przekładni ślimakowej daje na wyjściu kilkanaście–kilkadziesiąt obrotów na minutę. Najwolniejsze gotowe zestawy, takie jak motoreduktory o prędkości 14 obr/min, wymagają przy dużych choinkach jeszcze jednego stopnia redukcji – wieńca zębatego pod platformą obrotową albo przekładni łańcuchowej. Alternatywą jest obniżenie prędkości falownikiem, ale przy silniku z własnym przewietrznikiem trzeba pamiętać, że przy niskiej częstotliwości chłodzenie słabnie.

Moment obrotowy, wiatr i bezwładność

Moc potrzebna do obracania dekoracji jest zwykle niewielka, ale nie należy jej szacować „na oko”. Na napęd działają:

• opory łożyskowania platformy – zależne od masy i rodzaju łożyska wieńcowego lub rolek;
• bezwładność – przy rozruchu cała masa musi zostać rozpędzona, a przy zatrzymaniu wyhamowana;
• obciążenie wiatrem – płaska, ażurowa konstrukcja pokryta girlandami działa jak żagiel; przy porywistym wietrze moment od wiatru może wielokrotnie przewyższać moment potrzebny przy bezwietrznej pogodzie;
• niewyważenie – nierównomiernie rozmieszczone ozdoby i śnieg osiadający po jednej stronie.

Na wietrze reduktor ślimakowy o dużym przełożeniu ma zaletę: utrudnia „pchanie” napędu od strony wyjścia. Nie należy jednak traktować samohamowności przekładni jako zabezpieczenia – zależy ona od przełożenia, smarowania i drgań. Jeżeli dekoracja musi bezwzględnie stać w miejscu po wyłączeniu, stosuje się silnik z hamulcem albo blokadę mechaniczną. Przy konstrukcjach wolnostojących o dużej powierzchni projektant powinien też przewidzieć wyłączanie ruchu przy silnym wietrze.

Ponieważ dekoracja pracuje kilka do kilkunastu godzin dziennie przez cały sezon, napęd dobiera się do pracy ciągłej S1, z zapasem momentu. Co oznaczają poszczególne rodzaje pracy, wyjaśnia artykuł o klasach pracy silników S1–S9, a różnice między gotowym zestawem a kompletowaniem silnika i reduktora osobno omawia poradnik o motoreduktorze ślimakowym.

Praca na zewnątrz zimą: woda, mróz i kondensacja

Napęd świątecznej dekoracji pracuje w warunkach trudniejszych niż większość silników w halach. Wilgoć, szron, sól drogowa i zmiany temperatury między dniem a nocą to codzienność.

Stopień ochrony i ustawienie

Silnik i reduktor montowane na zewnątrz powinny mieć stopień ochrony co najmniej IP55, a najlepiej dodatkowo daszek lub osłonę chroniącą przed bezpośrednim opadem, która nie ogranicza przepływu powietrza chłodzącego. Szczegółowe znaczenie poszczególnych cyfr kodu wyjaśnia artykuł o stopniu ochrony IP. Skrzynka zaciskowa powinna być skierowana tak, aby woda nie spływała po przewodzie do dławnicy; przewód warto wyprowadzić z pętlą okapową.

Kondensacja

Gdy napęd stoi w nocy, wychładza się, a rano wilgotne powietrze skrapla się wewnątrz obudowy. Pomaga praca ciągła lub regularna, otwarte (lub odkręcone przy montażu) otwory odwadniające w najniższym punkcie korpusu, jeśli silnik je ma, a w krytycznych miejscach – grzałka postojowa.

Niska temperatura

Na mrozie gęstnieje olej w przekładni, rośnie więc moment potrzebny do ruszenia. Należy sprawdzić w dokumentacji reduktora, do jakiej temperatury otoczenia przewidziano jego środek smarny. Uszczelnienia gumowe twardnieją, dlatego pierwszy rozruch po mroźnej nocy powinien być łagodny – tu przydaje się falownik z rampą.

Zasilanie lampek na obracającym się elemencie

To pytanie, o którym często zapomina się na etapie projektu. Jeżeli girlandy są zamontowane na obracającej się konstrukcji, przewód nie może po prostu z niej zwisać – po kilku obrotach się nawinie i zerwie. Stosuje się trzy rozwiązania:

1. Pierścień ślizgowy (złącze obrotowe) na osi obrotu, przenoszący zasilanie z części stałej na ruchomą. Musi mieć odpowiedni stopień ochrony i obciążalność prądową.
2. Ruch wahadłowy zamiast obrotowego – dekoracja obraca się w jedną stronę o ograniczony kąt, a potem wraca. Wymaga sterowania kierunkiem obrotów i krańcówek.
3. Zasilanie autonomiczne na ruchomej części, np. z akumulatorów – sprawdza się tylko przy małych dekoracjach.

Obwody oświetlenia najlepiej realizować na bezpiecznym napięciu, z zasilaczem umieszczonym poza strefą dostępną dla osób postronnych. Silnik i oświetlenie powinny mieć oddzielne zabezpieczenia, aby awaria girlandy nie zatrzymywała napędu i odwrotnie.

Bezpieczeństwo ruchomych dekoracji w przestrzeni publicznej

Ruchoma dekoracja stoi wśród ludzi, w tym dzieci. Napęd i konstrukcję trzeba więc traktować jak maszynę, a nie jak ozdobę. Lista kontrolna przed uruchomieniem:

• wszystkie miejsca zgniatania i wciągania (wieńce, łańcuchy, koła pasowe, krawędź platformy) zakryte osłonami;
• bariera lub odległość uniemożliwiająca dotknięcie obracającej się części;
• obwód silnika zabezpieczony wyłącznikiem silnikowym z nastawą odpowiadającą prądowi znamionowemu, a obwody zewnętrzne – wyłącznikiem różnicowoprądowym zgodnie z wymaganiami dla instalacji zewnętrznych;
• wyłącznik awaryjny dostępny dla obsługi, jednoznacznie oznaczony;
• uziemienie konstrukcji stalowej i korpusu silnika;
• sterownik czasowy lub zmierzchowy, który wyłącza ruch poza godzinami ekspozycji;
• po montażu: sprawdzenie kierunku obrotów, pomiar prądu pod obciążeniem i kontrola temperatury silnika po kilku godzinach pracy.

Podłączenie napędu, zabezpieczeń i oświetlenia powinna wykonać osoba z uprawnieniami SEP, a przy instalacjach w przestrzeni publicznej należy uwzględnić wymagania zarządcy terenu.

Najczęstsze pytania

Czy do obrotowej choinki wystarczy silnik jednofazowy?

Przy małych i lekkich konstrukcjach – tak. Przy dużych, ciężkich lub narażonych na wiatr instalacjach lepiej sprawdza się silnik trójfazowy, który łatwiej zabezpieczyć i sterować falownikiem. Różnice opisuje artykuł czy wybrać silnik jednofazowy, czy trójfazowy.

Jaka moc silnika jest potrzebna do obrotowej dekoracji?

Zwykle mała, często poniżej 1 kW, ale konkretną wartość wyznacza się z momentu potrzebnego na wyjściu – z uwzględnieniem łożyskowania, bezwładności i wiatru – oraz z prędkości wyjściowej.

Czy napęd może pracować całą dobę przez cały sezon?

Tak, jeśli dobrano go do pracy ciągłej, ma zapas momentu i zapewnione chłodzenie. Warto jednak wyłączać ruch nocą, co zmniejsza zużycie przekładni i energii.

Czy można zwolnić obroty falownikiem zamiast dokładać przekładnię?

Do pewnego stopnia tak. Przy bardzo niskiej częstotliwości silnik z własnym przewietrznikiem słabiej się chłodzi, a moment może okazać się za mały. Przy dużych dekoracjach bezpieczniej jest uzyskać niską prędkość mechanicznie, a falownika użyć do łagodnego rozruchu i korekty prędkości.

Jak przechowywać napęd po sezonie?

W suchym miejscu, oczyszczony i z zabezpieczonym czopem wału. Przed kolejnym sezonem warto zmierzyć rezystancję izolacji uzwojenia i sprawdzić poziom oraz stan oleju w reduktorze.

Gotowe zespoły napędowe do ruchomych iluminacji znajdziesz w kategorii motoreduktory, uporządkowanej według prędkości wyjściowej – przykładem wolnoobrotowego zestawu jest silnik 0,37 kW z reduktorem CMI63 i=1/100 o prędkości 14 obr/min. Zabezpieczenie obwodu silnika dobierzesz w dziale wyłączniki silnikowe.