Ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα και συστήματα μετάδοσης κίνησης

Τα συστήματα μετάδοσης κίνησης εξελίσσονται συνεχώς και απαιτούν ολοένα και περισσότερο έλεγχο και προληπτική συντήρηση, για τη βέλτιστη απόδοσή τους.

Του κ. Νικόλαου Σ. Κορακιανίτη*

Η ταχύτατη ανάπτυξη σύγχρονων μεθόδων ελέγχου για τον έλεγχο της λειτουργίας των ηλεκτρικών κινητήρων, αλλά και η ανάπτυξη των συστημάτων μετάδοσης κίνησης, διαδραμάτισαν καταλυτικό ρόλο στη χρησιμοποίηση των συγκεκριμένων μηχανημάτων, τόσο στον τομέα της βιομηχανικής παραγωγής όσο και σε πάρα πολλές εφαρμογές καθημερινής χρήσης που διευκολύνουν κάθε δραστηριότητά μας.

Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) έχουν μεταβλητές χαρακτηριστικές, χρησιμοποιούνται εκτεταμένα στα κινητήρια συστήματα μεταβλητής ταχύτητας και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη βιομηχανία. Οι κινητήρες Σ.Ρ. μπορούν να παρέχουν υψηλή ροπή εκκίνησης και είναι δυνατό να γίνεται έλεγχος ταχύτητας σε μία ευρεία περιοχή. Οι μέθοδοι ελέγχου ταχύτητας είναι συνήθως απλούστερες και λιγότερο ακριβές από αυτές των κινητήριων συστημάτων εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.).

Η ρύθμιση και ο έλεγχος της ταχύτητας των κινητήρων Σ.Ρ. επιτυγχάνεται είτε ρυθμίζοντας κατάλληλα την τάση είτε με διαμόρφωση του εύρους των παλμών (PWM, Pulse Width Modulation) των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα τροφοδοσίας τους.

Ο έλεγχος των κινητηρίων συστημάτων Ε.Ρ. χρησιμοποιεί πιο σύνθετους αλγόριθμους, οι οποίοι εκτελούνται από μικροεπεξεργαστές ή μικροϋπολογιστές με μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος. Κι αυτό διότι οι κινητήρες Ε.Ρ. είναι πολυπλοκότεροι από τους κινητήρες Σ.Ρ., και για εφαρμογές μεταβαλλόμενης ταχύτητας εφαρμόζεται έλεγχος συχνότητας, τάσης και ρεύματος. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιούνται γι’ αυτό το σκοπό είναι οι μετατροπείς Σ.Ρ. – Ε.Ρ. (αντιστροφείς, inverters ή Variable Frequency Drives [VFD])· οι μετατροπείς Ε.Ρ. – Ε.Ρ. (ομαλοί εκκινητές – soft starters) μπορούν να ελέγχουν την συχνότητα, την τάση ή την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος για την ικανοποίηση των λειτουργικών αναγκών και χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανικές και οικιακές εφαρμογές.

Συστήματα με μειωτήρες στροφών

Ένα σύστημα μετάδοσης κίνησης μπορεί να συνδέσει μια κινητήρια μηχανή με ένα φορτίο, να μεταφέρει τη ροπή στρέψης ενός ηλεκτρικού κινητήρα και να διατηρήσει ή/και να μετατρέψει την περιστροφική κίνηση σε άλλα είδη κίνησης.

H διαδικασία μετάδοσης ισχύος γίνεται από τους μειωτήρες στροφών και συνήθως περιλαμβάνει μια αρχική μείωση των στροφών του ηλεκτρικού κινητήρα, παράλληλα με μια αλλαγή του άξονα περιστροφής της μεταδιδόμενης κίνησης.

Ο μειωτήρας στροφών είναι ένας μηχανισμός μετάδοσης κίνησης που μεταδίδει την κίνηση μέσω ζευγών οδοντωτών τροχών, οι οποίοι τοποθετούνται μέσα σε ένα ειδικά διαμορφωμένο κιβώτιο που περιέχει λιπαντικό, κι έτσι επιτυγχάνεται η ομαλή μετάδοση της μηχανικής ισχύος από τον άξονα του ηλεκτρικού κινητήρα βάσει της επιθυμητής σχέσης μείωσης.

Ο άξονας περιστροφής που μεταδίδει την κίνηση μπορεί να είναι παράλληλος, τεμνόμενος ή ασύμβατος με τον άξονα του ηλεκτρικού κινητήρα, ενώ στο εσωτερικό του κελύφους του μειωτήρα είναι δυνατό να συνυπάρχουν διαφορετικών τύπων οδοντωτοί τροχοί, όπως μετωπικοί, κωνικοί, ελικοειδείς ή το σύστημα ατέρμονα κοχλία – κορόνας.

Ανάλογα με την αναγκαία μετατροπή κίνησης από κάθε εφαρμογή, οι μειωτήρες διακρίνονται σε μειωτήρες στροφών παράλληλων αξόνων, σε γωνιακούς μειωτήρες στροφών και σε πλανητικούς μειωτήρες στροφών.

Η ορθή, ασφαλής κι εύρυθμη λειτουργία των μειωτήρων δίχως θορύβους, κραδασμούς και ζημιές απαιτεί την ορθή έδραση και ευθυγράμμισή τους κατά τη σύνδεση των αξόνων τους, καθώς επίσης την επαρκή λίπανσή τους με ειδικά λιπαντικά από την είσοδο πλήρωσης. Όλες οι προαναφερόμενες απαιτήσεις, μαζί με την όσο το δυνατόν μακροβιότερη λειτουργία τους, επιτάσσουν την ενδεδειγμένη τακτική προληπτική συντήρησή τους, στην οποία περιλαμβάνονται οι εξής έλεγχοι:

• Έλεγχος ηλεκτρικών και μηχανικών συνδέσεων.
• Έλεγχος ύπαρξης ασυνήθιστων θορύβων, διαρροών και υπερθερμάνσεων.
• Έλεγχος στάθμης λίπανσης.
• Έλεγχος ποιότητας λιπαντικού.

Ηλεκτρομειωτήρες

Ο ηλεκτρομειωτήρας συνδυάζει τον ηλεκτροκινητήρα και τον μειωτήρα στροφών σε ένα ενιαίο σύστημα, μειώνοντας την ταχύτητα του ηλεκτροκινητήρα αυξάνοντας παράλληλα τη ροπή κι ελέγχοντας έτσι την ταχύτητα και τη μετάδοση της κίνησης στο φορτίο. Χρησιμοποιείται ευρύτατα σε βιομηχανικούς αυτοματισμούς για να επιτυγχάνεται η βέλτιστη λειτουργία ενός συστήματος, με σταθερή και διαρκώς ελεγχόμενη κίνηση. Η ταξινόμηση των ηλεκτρομειωτήρων ποικίλλει, καθώς μπορούν να διακρίνονται είτε μόνο βάσει της εξόδου τους (ακολουθώντας την αντίστοιχη των μειωτήρων) είτε και με βάση την πλευρά εισόδου τους·  κι ακόμα κατηγοριοποιούνται ανάλογα με την κατηγορία του ηλεκτροκινητήρα σε Ε.Ρ. ή Σ.Ρ., με τον χρησιμοποιούμενο έλεγχο των ηλεκτροκινητήρων (ηλεκτρομειωτήρες με inverter), ή με το είδος εφαρμογής τους.

Τα βασικά κριτήρια επιλογής που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για την κατάλληλη επιλογή ενός μειωτήρα ή ηλεκτρομειωτήρα στροφών συνοψίζονται στον πίνακα 1.

Βασικά κριτήρια επιλογής μειωτήρα ή ηλεκτρομειωτήρα

Α/Α     Τεχνικά χαρακτηριστικά μειωτήρα ή ηλεκτρομειωτήρα   Επεξήγηση   Συμβολισμός            Μονάδα μέτρησης

1. Μηχανική ισχύς εισόδου Πρέπει να είναι ίση με την μηχανική ισχύ εξόδου που παρέχεται από τον ηλεκτρικό κινητήρα P1       HP ή kW
2. Μηχανική ισχύς εξόδου Είναι η παρεχόμενη μηχανική ισχύς στο μηχανικό φορτίο           P2       HP ή kW
3. Ροπή εξόδου Πρέπει να είναι λίγο μεγαλύτερη της απαιτούμενης ροπής από το μηχανικό φορτίο (ροπή αδράνειας φορτίου)         Τ2       N∙m
4. Ταχύτητα εισόδου Ταυτίζεται με την ταχύτητα περιστροφής του ηλεκτροκινητήρα. n1 R.P.M. (Σ.Α.Λ.)
5. Ταχύτητα εξόδου Ταυτίζεται με την ταχύτητα περιστροφής του μηχανικού φορτίου        n2       R.P.M. (Σ.Α.Λ.)
6. Σχέση μετάδοσης στροφών Λόγος μείωσης μεταξύ των στροφών εισόδου και εξόδου του μειωτήρα ή ηλεκτρομειωτήρα    i           Κ.Α.
7. Βαθμός απόδοσης Λόγος μεταξύ της ισχύος εξόδου και εισόδου μειωτήρα ή ηλεκτρομειωτήρα          ημ

Κ.Α. ή %

8. Συντελεστής λειτουργίας Διαφοροποιείται αναλόγως διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων, τα οποία σχετίζονται με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κίνησης και του φορτίου, την διάρκεια λειτουργίας του μειωτήρα / ηλεκτρομειωτήρα, αλλά και τις περιβαλλοντικές συνθήκες λειτουργίας s.f.      Κ.Α.

*Ο Νικόλαος Σ. Κορακιανίτης είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός και Τεχνολογίας Υπολογιστών, MSc Electrical and Computer Engineering, MSc in Microelectronics, ακαδημαϊκός υπότροφος του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής, στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων & Ηλεκτρονικών Μηχανικών (Ερευνητικό Εργαστήριο Ευφυών Τεχνολογιών, Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και Ποιότητας).