Αποδοτικότητα κινητήρων και συστημάτων μετάδοσης ισχύος : συνολική θεώρηση για βέλτιστα αποτελέσματα

Αποδοτικότητα, αξιοπιστία και συνολικό κόστος ιδιοκτησίας είναι όροι που βρίσκονται στην πρώτη γραμμή μιας βιομηχανικής εγκατάστασης. Ωστόσο, η επιμέρους εξέταση του κάθε στοιχείου του εξοπλισμού, δεν εξασφαλίζει τα μέγιστα οικονομικά οφέλη.

Η βελτιωμένη απόδοση ενός κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (PMSM) μεταφράζεται σε χαμηλότερο συνολικό κόστος ιδιοκτησίας, μείωση εκπομπών CO2 και συνεχή εξοικονόμηση ενέργειας.

Τα τελευταία χρόνια έχει δοθεί μεγάλη έμφαση στις βελτιώσεις που έχουν επιτευχθεί στην απόδοση των ηλεκτρικών κινητήρων, εν μέρει λόγω της αλλαγής των κανονισμών, στους οποίους έχουν επικεντρωθεί τόσο οι κατασκευαστές όσο και οι πελάτες. Ωστόσο, από την άποψη της συνολικής απόδοσης των συστημάτων μετάδοσης κίνησης που τροφοδοτούνται από ηλεκτροκινητήρες πρέπει να εξεταστεί και το μηχανικό σύστημα, το οποίο συχνά έχει πολύ σημαντικές δυνατότητες περαιτέρω βελτιστοποίησης.

Ανάμεσα σε έναν ηλεκτροκινητήρα και σε μια βιομηχανική μονάδα επεξεργασίας, υπάρχει συνήθως μια σειρά από μηχανικά εξαρτήματα (γρανάζια, σύνδεσμοι και έδρανα) για τη μετάδοση της μηχανικής ισχύος. Εξετάζοντας ξεχωριστά κάθε στοιχείο του μηχανικού τμήματος και βελτιστοποιώντας το σχεδιασμό του, μπορεί να επιτευχθεί σημαντική βελτίωση της απόδοσης και περαιτέρω εξοικονόμηση κόστους.

Βελτιωμένη απόδοση του κινητήρα

Είναι γνωστό ότι οι ηλεκτροκινητήρες καταναλώνουν το 65% της ενέργειας που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία, αλλά είναι λιγότερο γνωστό το γεγονός ότι το 96% του κόστους διάρκειας ζωής (lifetime cost) ενός ηλεκτροκινητήρα συνδέεται με την κατανάλωση ενέργειας. Αυτό δείχνει τη σημασία της συνολικής απόδοσης σε σχέση με το αρχικό κόστος αγοράς, σύμφωνα με τους όρους σπουδαιότητας του συνολικού κόστους ιδιοκτησίας (TCO-Total Cost of Ownership).

Οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη (PMSM-Permanent Magnet Synchronous Motors) πληρούν τις απαιτήσεις της ταξινόμησης IE4 (Super Premium). Αυτό αποδεικνύεται από τις δυνατότητές τους για εξοικονόμηση ενέργειας έως και 40% σε σύγκριση με έναν κινητήρα βραχυκυκλωμένου δρομέα κατηγορίας IE2 που ελέγχεται από inverter. Οι κινητήρες PMSM έχουν καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με τους επαγωγικούς κινητήρες σε συνθήκες λειτουργίας μερικού φορτίου και εξαιρετικά υψηλή απόδοση σε ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας. Έχουν, επίσης, σημαντικά υψηλότερη πυκνότητα ισχύος η οποία (για κινητήρες με κιβώτιο ταχυτήτων) εξασφαλίζει υψηλότερη απόδοση με μειωμένες ανάγκες σε χώρο και όγκο για την εγκατάσταση.

Ο σύγχρονος σχεδιασμός των PMSM τους καθιστά ανώτερους όχι μόνο σε ότι αφορά τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ισχύ, αλλά και στη δυνατότητα διατήρησης σταθερής ταχύτητας, ανεξάρτητα από το φορτίο. Αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητα του κινητήρα δεν αλλάζει σε τυχόν μεταβολές του φορτίου ή σε ενδεχόμενο πτώσης τάσεως (τουλάχιστον για όσο διάστημα η συχνότητα του δικτύου παραμένει σταθερή). Αυτός ο σχεδιασμός, μειώνει τις απώλειες θερμότητας από τον ρότορα κατά 100%, τις συνολικές απώλειες κατά περίπου 25% και αυξάνει την συνολική απόδοση κατά 10% ή και περισσότερο. Για τον πελάτη που εγκαθιστά έναν κινητήρα PMSM, αυτό μεταφράζεται σε χαμηλότερο συνολικό κόστος ιδιοκτησίας, μείωση των εκπομπών CO2, και διαρκή εξοικονόμηση ενέργειας. Το χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης των PMSMs τους καθιστά ιδανικούς για εφαρμογές όπως ανεμιστήρες, αντλίες και αεροσυμπιεστές, καθώς και για εφαρμογές φορτίου σταθερής ροπής όπως είναι οι ανελκυστήρες και οι μεταφορικές ταινίες.

Σημειώνεται ότι από τον Ιανουάριο του 2015 και μετά, οι κινητήρες με ονομαστική ισχύ από 7,5 έως 375 kW (και από τον Ιανουάριο του 2017 και μετά κινητήρες με ονομαστική ισχύ από 0,75 έως 375 kW) θα πρέπει να ικανοποιούν τις απαιτήσεις της κατηγορία ενεργειακής αποδοτικότητας IE3 (Premium). Αντίθετα, κινητήρες που ελέγχονται από μετατροπείς συχνότητας εξαιρούνται από αυτόν τον κανονισμό, και θα πρέπει να πληρούν το πρότυπο  ΙΕ2.

Σχήμα 1: Η θεώρηση της συνολικής αποδοτικότητας των ηλεκτροκινούμενων συστημάτων μετάδοσης κίνησης, επιβάλει να λαμβάνεται υπόψη και το μηχανικό σύστημα, το οποίο συνήθως έχει πολύ σημαντικές δυνατότητες βελτίωσης

Η βελτιωμένη τεχνολογία και αποδοτικότητα ενός κινητήρα PMSM συνεπάγεται ένα υψηλότερο αρχικό κόστος αγοράς. Το κόστος αυτό, όμως, ανακτάται αργότερα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του κινητήρα.

Στη συνέχεια, δίνεται μια σύγκριση, όπου ένας ασύγχρονος κινητήρας (ASM-Asynchronous Motor) που ελέγχεται από μετατροπέα συχνότητας και ένας κινητήρας μόνιμου μαγνήτη εκτελούν πανομοιότυπα καθήκοντα. Η σύγκριση έγινε σε ένα εργοστάσιο επεξεργασίας αποβλήτων στη Γερμανία. Και τα δύο μοτέρ τροφοδοτούν έναν παχυντικό δίσκο για επτά ώρες κάθε μέρα. Προκειμένου να εξασφαλιστεί ότι ο ασύγχρονος κινητήρας λειτουργεί υπό  βέλτιστη αποδοτικότητα, χρησιμοποιήθηκε ένας μετατροπέας συχνότητας για την παρακολούθηση των φορτίων του κινητήρα. Τέλος, προκειμένου να είναι βέβαιο ότι ενδεχόμενες διαφορές στην απόδοση θα αποδοθούν μόνο στους κινητήρες, τα δύο συστήματα κίνησης χρησιμοποιούν το ίδιο ακριβώς κιβώτιο ταχυτήτων. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης, φαίνονται στον παρακάτω πίνακα:

	Ροπή (Nm)	Ταχύτητα (RPM)	% απόδοση ενέργειας	Κατανάλωση (kW/hr)	Τετραετής κατανάλωση (kW)
ASM	2,62	1350	61,5	0,26	2657
PMSM	3,50	1500	87,7	0,16	1635

ASM : Ασύγχρονος Κινητήρας

PMSM : Σύγχρονος κινητήρας Μόνιμης Μαγνήτισης

Η δοκιμή έδειξε ότι ο κινητήρας PMSM εξοικονόμησε 40% ενέργεια σε σχέση με τον ASM, η οποία για μια περίοδο τεσσάρων ετών μεταφράζεται σε 1022 kW/hr. Δεδομένου ότι πιθανότατα η τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας θα αυξηθεί μέσα σε αυτό το διάστημα, θα αυξηθεί και η πραγματική αξία της εξοικονόμησης.

Σχεδιασμός του συστήματος μετάδοσης

Ο σχεδιασμός των σύγχρονων συστημάτων μετάδοσης ισχύος απαιτεί εξειδικευμένες γνώσεις και εμπειρία ώστε το προϊόν όχι μόνο θα πληροί τις προδιαγραφές αλλά θα παρέχει αυξημένη αποδοτικότητα, ομαλή λειτουργία, χαμηλή στάθμη θορύβου και εξαιρετική αξιοπιστία. Ωστόσο, πέρα από το σχεδιασμό, μπορούν να ανακτηθούν περαιτέρω οφέλη με την διασφάλιση ότι ο εξοπλισμός μετάδοσης ισχύος είναι σωστά ενσωματωμένος, πράγμα που απαιτεί μια σε βάθος κατανόηση της συγκεκριμένης εφαρμογής.

Λιγότερο αποδοτικοί σχεδιασμοί, όπως π.χ. κινητήρες με φθειρόμενα (κοινά) γρανάζια μπορούν να αντικατασταθούν με κινητήρες με ενσωματωμένα ελικοειδή-κωνικά γρανάζια τα οποία είναι πολύ πιο αποδοτικά και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Αυτή η προσέγγιση, εξαλείφει την ανάγκη για σύζευξη μέσω εδράνου εξασφαλίζοντας σχεδόν τέλεια μετάδοση κίνησης. Σε ορισμένες περιπτώσεις μια ειδική λύση, που μπορεί να κατασκευαστεί από υπάρχοντα αλλά απολύτως συσσωματωμένα στοιχεία, μπορεί να είναι επωφελής.

Σύνδεσμοι συστημάτων κίνησης

Οι μηχανικοί σύνδεσμοι μεταξύ του ηλεκτροκινητήρα και του άξονα έχουν σημαντική επίδραση στην απόδοση. Ανάλογα με την εφαρμογή, τις απαιτήσεις συντήρησης και τις προδιαγραφές ροπής, ο σχεδιασμός του συνδέσμου θα πρέπει να γίνεται προσεκτικά ώστε να εξασφαλίζει αξιοπιστία, απόδοση και ευκολία συντήρησης. Ο εσφαλμένος σχεδιασμός ενός συνδέσμου μπορεί να οδηγήσει σε μη ικανοποιητική μετάδοση ισχύος.

Οι σύνδεσμοι πρέπει να σχεδιάζονται ώστε να μπορούν να αντιμετωπίζουν μια πιθανή κακή ευθυγράμμιση του άξονα, που συμβαίνει συχνά όταν ένας από τους συνδεόμενους άξονες ελέγχεται από ένα αυτο-ευθυγραμμιζόμενο έδρανο ή όταν ένας μη υποστηριζόμενος ενδιάμεσος άξονας τοποθετείται μεταξύ του οδηγού κίνησης και του φορτίου. Μηχανικές ζεύξεις και σύνδεσμοι είναι οι οποίοι είναι ικανοί να ανταπεξέλθουν στην γωνιακή μετατόπιση ενός άξονα, είναι οι ενιαίες συνδέσεις (single universal joint) που έχουν την ικανότητα να χειριστούν μεγάλες μετατοπίσεις και στρεπτικές αποσβέσεις.

Αν οι δύο άξονες (του κινητήρα και του άξονα μετάδοσης κίνησης) συναρμολογούνται με αυτό-ευθυγραμμιζόμενα έδρανα τότε μπορεί να επιτευχθεί μηδενική από-ευθυγράμμιση, επιτρέποντας τη χρήση ενός στερεού συνδέσμου που απλώς υποστηρίζει τον άξονα, ώστε να επιτυγχάνεται μια τέλεια ευθυγράμμιση.

Πριν από την εγκατάσταση ενός σταθερού συνδέσμου, ένα ενδιαφέρον τεστ είναι να δοκιμαστεί πρώτα μια εύκαμπτη μηχανική σύζευξη. Με το μηχάνημα σε κανονική θερμοκρασία λειτουργίας καταγράφεται η ταχύτητα ή το ρεύμα που τραβάει το μοτέρ. Η διαφορά μεταξύ αυτών των μετρήσεων και εκείνων με την στερεά μηχανική σύζευξη δείχνει τις απώλειες που δημιουργούνται από την εύκαμπτη σύζευξη. Αυτό αποδεικνύει την επιπλέον εξοικονόμηση που μπορεί να γίνει με τη σωστή ευθυγράμμιση του άξονα.

Η βασική δομή των εύκαμπτων συνδέσμων είναι δύο φλάντζες (ή κόμβοι) οι οποίες προσαρμόζονται στους συνδεόμενους άξονες, και ένα συνδετικό στοιχείο που μπορεί να είναι μεταλλικό (όπως οι συζεύξεις τύπου δίσκου). Μπορεί, επίσης, να είναι ένα χιτώνιο κατασκευασμένο από ελαστομερές υλικό (όπως το ελαστικό EPDM), το νεοπρένιο, το Hytrel ή η ουρεθάνη, ή ακόμα μπορεί να είναι μηχανική όπως ο σύνδεσμος U ή ένας σύνδεσμος με γρανάζια.

Σχήμα 2: Με την εξέταση κάθε στοιχείου του μηχανικού τμήματος και τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του, προκύπτει περαιτέρω βελτίωση της αποδοτικότητας και αύξηση της εξοικονόμησης ενέργειας

Συμπεράσματα

Η εξέταση καθενός από τα ζητήματα που αναφέρθηκαν δίνει μια εικόνα για τις δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας που υπάρχουν σε κάθε επιμέρους πτυχή ενός συστήματος μετάδοσης κίνησης. Ο συνδυασμός των επιμέρους αποδόσεων σε μία εφαρμογή μπορεί να αποφέρει εντυπωσιακά αποτελέσματα τα οποία μπορεί να ενισχυθούν περαιτέρω, όταν ο συνολικός σχεδιασμός γίνεται από έναν εξειδικευμένο κατασκευαστή. Με τον τρόπο αυτό, καθένα από τα επιμέρους στοιχεία του εξοπλισμού ταιριάζει και έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί με ακρίβεια με τα υπόλοιπα στοιχεία. Επίσης, θέματα κατάρτισης ή συντήρησης μπορούν να λυθούν από ένα και μόνο εξειδικευμένο συνεργείο. Η ενδελεχής εξέταση των μηχανικών αποδόσεων, και ενδεχόμενες βελτιώσεις σε αυτόν τον τομέα, μπορεί να οδηγήσουν σε μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας από τον ηλεκτρικό κινητήρα.

Για παράδειγμα, με την εγκατάσταση ενός μικρότερου κινητήρα, ο οποίος συνδέεται με ένα πιο αποτελεσματικό μηχανικό σύστημα κίνησης, το συνολικό αποτέλεσμα είναι να μειωθεί η κατανάλωση ενέργειας και να βελτιωθεί η αξιοπιστία. Η προδιαγραφή των συστημάτων μετάδοσης κίνησης, ιδιαίτερα σε απαιτητικά περιβάλλοντα, είναι καλό να γίνεται από έναν εξειδικευμένο σύμβουλο - πάροχο λύσεων που διαθέτει την κατάλληλη εμπειρία ώστε να κατανοήσει τις ανάγκες κάθε ξεχωριστής περίπτωσης.