Ontwikkelingen energiezuinige aandrijvingen in overdrive

Op naar (nog weer) duurzamer, slimmer en flexibeler

Aangezien duurzaamheid tegenwoordig hoog op de agenda staat, leggen fabrikanten zich steeds meer toe op het ontwerpen en produceren van energiezuinige aandrijvingen. De efficiëntie van het energiegebruik kan op diverse manieren worden verbeterd, variërend van het gebruik van geavanceerde motoren en frequentieregelaars tot optimale transmissie, regeneratieve remming en geavanceerde besturing. En wanneer een klant behoefte heeft aan aandrijfsystemen met 'special features', dan is er ook op dat punt van alles mogelijk.

Focus

Duurzaamheid staat hoog op de industriële agenda. De milieuproblematiek speelt daarbij zeker een rol, maar nog veel vaker zijn economische redenen – lees: de fors toegenomen energiekosten – de trigger. En waar vraag is laat het aanbod doorgaans niet (al te) lang op zich wachten: fabrikanten leggen zich meer en meer toe op het ontwerpen en produceren van energiezuinige aandrijvingen.

Werkingsprincipe

Een aandrijving zet via de volgende hoofdonderdelen energie om in beweging.

Energiebron

Deze levert via een motor of actuator de initiële kracht waarna deze wordt omgezet in bijvoorbeeld een roterende of een lineaire beweging. Bij een elektromotor betreft het elektromagnetische krachten, hydraulisch en pneumatisch aangedreven motoren gebruiken daarvoor respectievelijk een vloeistof of een gas, en bij een verbrandingsmotor wordt de benodigde energie verkregen via verbranding van bijvoorbeeld benzine, (bio)diesel, kerosine, lpg dan wel waterstof.

Transmissiesysteem

Dit systeem draagt de mechanische beweging over aan de werkende delen van de machine, en is daarbij in staat de snelheid, de kracht of de richting van de beweging te wijzigen. Zo verandert een versnellingsbak de verhouding tussen het motortoerental en de snelheid van de uitvoer terwijl tandwielen of riemen de kracht overbrengen van de motor naar de uitvoerende delen.

Fabrikanten leggen zich meer en meer toe op het ontwerpen en produceren van energiezuinige aandrijvingen

Uitvoerelement

Uitvoerelementen zijn de onderdelen die de beweging/kracht omzetten in een daadwerkelijke actie of beweging. Voorbeelden daarvan zijn een wiel (veroorzaakt een beweging), een transportband (verplaatsing van een object), een schroef (voortstuwing door water), een propeller (voorstuwing door lucht), een lineaire actuator (zet een draaibeweging om in een lineaire beweging) en een tandwiel (overdracht van de beweging op een ander mechanisme).

Capaciteit

Overdimensionering (zie kader) is in industriële installaties eerder regel dan uitzondering, vaak ten onrechte. Feitelijk dient er al voor de ontwerpfase sprake te zijn van een grondige analyse van de daadwerkelijke behoeften en systeemvereisten en van een goede kosten-batenanalyse, en ook is het zaak adaptieve technologieën – sensoren, algoritmen, automatisering – te omarmen. Bij het ontwerp kan dan gericht worden gekozen voor modulaire of schaalbare systemen die het mogelijk maken de capaciteit van een asset aan te passen aan de vraag en de behoeften van dat moment.

Overdimensionering
Hiervan is sprake wanneer in de ontwerpfase wordt gekozen voor grotere capaciteit, omvang en/of kracht dan feitelijk noodzakelijk is, dit om veiligheidsmarges inzake betrouwbaarheid en duurzaamheid in te bouwen. De voordelen daarvan zijn onder meer flexibiliteit ten aanzien van toekomstige uitbreidingen en verminderde slijtage doordat niet continu op maximale capaciteit wordt gedraaid. Daar tegenover staan onnodig materiaal- en/of grondstofverbruik, hogere initiële kosten en op den duur hogere energiekosten. Het is zaak de juiste balans te vinden tussen de mate van overdimensionering en het efficiënt gebruik van middelen.

Energetische efficiëntie

De efficiëntie van energiegebruik kan op verschillende manieren worden verbeterd. Hieronder volgen een aantal voorbeelden.

Gebruik geavanceerde motoren

• elektromotoren met de classificatie IE3 en IE4 – of hoger – hebben een hoog rendement doordat het wrijvings- en warmteverlies minimaal is door het gebruik van onder meer hoogwaardige materialen, wikkelingen met grotere koperdraadsecties, nauwere toleranties en innovatieve isolatiematerialen of doordat ze ten behoeve van de rotor en/of de stator gebruikmaken van permanentmagneettechnologie;
• permanentmagneet(PM-)motoren waarbij een constant magnetisch veld wordt genereerd zonder een externe stroombron. De elektrische verliezen in de spoelen liggen daardoor lager, de vermogensdichtheid is hoger en de respons en de nauwkeurigheid zijn beter. Hoogkwalitatieve permanentmagneetmotoren kunnen daardoor een rendement halen dat die van de IE5-classificatie overstijgt;
• synchroonreluctantie(SR-)motoren die gebruikmaken van magnetische reluctantie (zie kader), waarbij geldt: hoe hoger de reluctantie, hoe moeilijker de magnetische flux door het materiaal kan stromen.

Frequentieregelaars

Deze regelaars, ook wel bekend onder de naam Variable Frequency Drives (VFD's), zijn in staat de snelheid van de motor aan te passen aan de mate van belasting. Dit werkt met name energiebesparend in systemen die vaak onder deellast draaien zoals pompen, ventilatoren en compressoren. Ze worden vooral toegepast bij wisselstroommotoren.

Geavanceerde besturing

Voorbeelden daarvan zijn:

• directe koppelregeling (Direct Torque Control, DTC), waarbij het koppel en de flux van een
  wisselstroommotor worden geregeld zonder complexe vectortransformaties of snelheidssensoren. Dit resulteert in hogere koppelrimpels en variaties in de schakelfrequentie;
• vectorregeling of veldgeoriënteerde regeling (Field-Oriented Control, FOC), waarbij de statorstroom wordt opgesplitst: de ene component regelt het koppel, de andere de magnetisatie. Doordat dit onafhankelijk gebeurt, is er sprake van een optimale koppelregeling en een constante schakelfrequentie.

Optimalisatie transmissie

Mechanische verliezen door wrijving en/of onbalans kunnen worden teruggedrongen door optimalisatie van de transmissiecomponenten. Voorbeelden daarvan zijn aanpassing van de overbrengingsverhoudingen, vermindering van speling en vibratie, elektronische en mechanische optimalisatie, het gebruik van lage-wrijvingsmeermiddelen: en/of vervanging van de traditionele V-riemen door zogeheten synchrone riemen of door tandriemen.

Regeneratieve remming

Een geschikte techniek voor systemen waarbij de aandrijving ook remt of vertraagt, bijvoorbeeld bij liften, kranen en elektrische voertuigen; de motor fungeert dan tijdens het remmen als generator. De kinetische energie wordt omgezet in elektrische energie die kan worden hergebruikt of kan worden teruggevoerd richting het stroomnet.

Warmtebeheersing

Warmtebeheersing bevordert de prestaties en betrouwbaarheid en verlengt de levensduur van de componenten:

• geavanceerde koelsystemen voorkomen oververhitting en verminderen het energieverbruik tijdens de koeling;
• efficiënte warmteafvoer vermindert energieverlies in de vorm van warmte. De bedrijfstemperaturen zijn daardoor lager (minder koelenergie nodig) en het werkt levensduurverlengend (minder onderhouds- en vervangingskosten).

Magnetische reluctantie
Deze grootheid is een maat voor de weerstand die de magnetische flux – het aantal magnetische veldlijnen door een oppervlakte – ondervindt in een magnetisch circuit. Een hoge reluctantie betekent dat een materiaal moeilijk een magnetisch veld doorlaat, wat uiteraard effect heeft op het functioneren van elektromagneten, transformatoren en motoren.
De synchroonreluctantiemotor gebruikt de eigenschap van bepaalde materialen om weerstand te (kunnen) bieden aan de magnetische flux. Dit type motor draait synchroon met het magnetische veld van de stator; de rotor en het roterende magnetische veld hebben daardoor dezelfde snelheid.

Special features

Soms zijn aandrijfsystemen met specifieke functies noodzakelijk, bijvoorbeeld wanneer een standaard aandrijfsysteem niet kan voldoen aan bepaalde toepassings- en/of omgevingsvereisten.

Hoge koppels

Hoge koppels zijn nodig daar waar een aanzienlijke kracht nodig is om zware lasten te verplaatsen, een grote weerstand te overwinnen valt of in korte tijd grote versnellingen gerealiseerd moeten worden. Het is dan zaak dat:

• de aandrijving en de bijbehorende mechanische componenten bestand zijn tegen aanzienlijke krachten, dit om mechanische storingen en versnelde slijtage te voorkomen;
• er sprake is van adequate koeling. De gegenereerde hoeveelheid warmte kan leiden tot oververhitting, wat de efficiëntie vermindert en schadelijk is voor de motor.

Overdimensionering is in industriële installaties eerder regel dan uitzondering, maar is vaak niet nodig

Hoge snelheden

Hoge snelheden zijn vereist wanneer snelle bewegingen, verwerkingscycli of doorvoersnelheden nodig zijn. Hoge snelheden

• vragen om stabiliteit en een goede balans van de componenten. Onbalans kan leiden tot trillingen die schadelijk (kunnen) zijn voor mechanische onderdelen;
• vereisen doorgaans meer stroom. Het ontwerp moet derhalve voorzien in een efficiënt beheer via de voeding en de besturing;
• kunnen meer energieverliezen veroorzaken door wrijving en luchtweerstand. Het ontwerp moet zodanig zijn dat deze verliezen worden geminimaliseerd.

Combinatie van hoge koppels en hoge snelheden

Een dergelijke combinatie is onder meer te vinden bij aandrijvingen van vliegtuigmotoren, industriële spuitgiet- en lasermachines en CNC-bewerkingscentra. Aandachtspunten daarbij:

• dit type aandrijving werkt doorgaans met dure componenten en een geavanceerd regelingssysteem en is daardoor kapitaalintensief;
• het regelen en coördineren van beide vergt complexe algoritmen en sensoren, en regelstrategieën die onderling goed zijn afgestemd.

Variabele belastingen

Hiervan is sprake wanneer de aard van de belasting tussentijds wijzigt, bijvoorbeeld bij kleur- en drukpersen, transportsystemen en windturbines, maar ook bij liften en roltrappen. Het is dan nodig dat:

• de regelsystemen snel kunnen reageren op fluctuaties in belasting om zo aan de vraag te kunnen (blijven) voldoen;
• de motor niet meer energie verbruikt dan strikt noodzakelijk is. Dit zou anders leiden tot hogere energiekosten en meer slijtage;
• de systeemstabiliteit behouden blijft. Onvoldoende regulering kan leiden tot trillingen, overspanning – het overschrijden van elektrische spanningslimieten – of schade.

Dat de aandrijftechniek voorlopig nog niet is uitontwikkeld, mag duidelijk zijn. Innovaties op het gebied van elektrificatie, duurzaamheid en slimme technologieën zullen leiden tot duurzamere, slimmere en flexibelere systemen die nog weer beter kunnen inspelen op de veranderende eisen.

Met medewerking van Lenze en NORD Drivesystems