Οι ηλεκτροκινητήρες και τα σύγχρονα συστήματα μετάδοσης κίνησης έχουν αλλάξει ριζικά τον τρόπο παραγωγής στην βιομηχανία. Για την καλύτερη δυνατή λειτουργία τους απαιτούνται και συγκεκριμένοι μέθοδοι ελέγχου ταχύτητας, ενώ η σχεδίαση και περαιτέρω ανάπτυξή τους πρέπει να συμβαδίζουν με τα σύγχρονα πρότυπα που αφορούν την προστασία του περιβάλλοντος.
Του κ. Νικόλαου Σ. Κορακιανίτη*
Η ανάπτυξη σύγχρονων μεθόδων ελέγχου για τη διαχείριση της λειτουργίας των ηλεκτρικών κινητήρων, ταυτόχρονα με αυτήν των συστημάτων μετάδοσης κίνησης, διαδραμάτισε καθοριστικό ρόλο στην ευρεία διάδοση και χρήση τους. Αυτή η εξέλιξη επηρέασε ουσιαστικά όχι μόνο το χώρο της βιομηχανικής παραγωγής, αλλά και πολλές καθημερινές εφαρμογές που διευκολύνουν τις καθημερινές μας δραστηριότητες.
Οι ηλεκτρικοί κινητήρες συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) εμφανίζουν μεταβλητές χαρακτηριστικές και χρησιμοποιούνται ευρέως στα κινητήρια συστήματα μεταβλητής ταχύτητας, διαδραματίζοντας σημαντικό ρόλο στο σύγχρονο βιομηχανικό τομέα. Διαθέτουν υψηλή ροπή εκκίνησης και επιτρέπουν τον έλεγχο της ταχύτητας σε ένα ευρύ φάσμα στροφών.
Συνήθως, οι μέθοδοι ελέγχου ταχύτητας τέτοιων κινητήριων συστημάτων Σ.Ρ. είναι απλούστερες και οικονομικότερες συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.). Η ρύθμιση και ο έλεγχος της ταχύτητας επιτυγχάνεται κυρίως με τη ρύθμιση της τάσης τροφοδοσίας τους ή μέσω κατάλληλης διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (PWM, Pulse Width Modulation) που παράγονται από τα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία του μετατροπέα τροφοδοσίας τους.
Επειδή οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.) παρουσιάζουν υψηλότερο βαθμό πολυπλοκότητας σε σύγκριση με τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.), ο έλεγχός τους απαιτεί την εφαρμογή περισσότερο περίπλοκων αλγορίθμων, οι οποίοι εκτελούνται από προηγμένους μικροεπεξεργαστές ή μικροϋπολογιστές για τον έλεγχο των μετατροπέων ηλεκτρονικών ισχύος.
Ειδικότερα, για εφαρμογές μεταβλητής ταχύτητας είναι αναγκαίος ο έλεγχος συχνότητας, τάσης και ρεύματος. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιούνται γι’ αυτό το σκοπό είναι οι μετατροπείς Σ.Ρ. – Ε.Ρ. (αντιστροφείς – inverter ή Variable Frequency Drives [VFD]) και οι μετατροπείς Ε.Ρ. – Ε.Ρ. (ομαλοί εκκινητές – Soft Starters), που μπορούν να ελέγχουν τη συχνότητα, την τάση ή την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος για την ικανοποίηση των λειτουργικών αναγκών, και χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανικές και οικιακές εφαρμογές.
Μετάδοση με μειωτήρες και ηλεκτρομειωτήρες
Οι μειωτήρες και οι ηλεκτρομειωτήρες στροφών είναι συσκευές που μεταβάλλουν την ταχύτητα περιστροφής και τη ροπή ενός ηλεκτρικού μοτέρ. Η βασική λειτουργία τους είναι να μειώσουν τις στροφές ανά λεπτό (RPM) ενός ηλεκτρικού κινητήρα σε μια επιθυμητή τιμή βάσει των αναγκών του φορτίου, ενώ παράλληλα αυξάνουν τη ροπή που παράγεται, βασιζόμενοι στην αρχή της διατήρησης της ισχύος.
Ηλεκτρομειωτήρες στροφών
Οι ηλεκτρομειωτήρες στροφών είναι ηλεκτρονικές συσκευές που ελέγχουν την ταχύτητα ενός ηλεκτρικού μοτέρ. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της ρύθμισης της τάσης ή/και της συχνότητας της ηλεκτρικής ενέργειας που τροφοδοτεί το μοτέρ. Η χρήση ηλεκτρομειωτήρων επιτρέπει την ακριβέστερη και πιο ευέλικτη ρύθμιση της ταχύτητας σε σύγκριση με τους μηχανικούς μειωτήρες, αλλά συχνά επιφέρει υψηλότερο κόστος και πολυπλοκότητα.
Εφαρμογές
Οι εφαρμογές των συστημάτων μετάδοσης κίνησης με μειωτήρες και ηλεκτρομειωτήρες στροφών είναι πολυάριθμες και ποικίλλουν σημαντικά, ανάλογα με τον τομέα χρησιμοποίησής τους.
– Στον τομέα της βιομηχανικής αυτοματοποίησης χρησιμοποιούνται ευρέως για την κίνηση μηχανών, ταινιόδρομων, ανυψωτικών μηχανισμών, ρομπότ και άλλων ηλεκτρομηχανολογικών συστημάτων. Αυτά τα συστήματα είναι κρίσιμα για την επίτευξη ακρίβειας, αξιοπιστίας και αποδοτικότητας στις γραμμές παραγωγής και στις διεργασίες κατασκευής.
– Στον κλάδο των μεταφορών, χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα, φορτηγά, ποδήλατα και άλλα είδη οχημάτων για τη μείωση της ταχύτητας και την αύξηση της ροπής του κινητήρα.
– Στον τομέα της ρομποτικής και των έξυπνων συστημάτων, χρησιμοποιούνται για την κίνηση των βραχιόνων, των κινητήρων και άλλων μηχανισμών, επιτρέποντας την εκτέλεση ποικίλων κινήσεων και λειτουργιών με ακρίβεια, αξιοπιστία και αποδοτικότητα.
– Στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως είναι οι ανεμογεννήτριες, χρησιμοποιούνται στη γεννήτρια και στις συσκευές ελέγχου για τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια με βέλτιστη απόδοση και αξιοπιστία.
Μελλοντικές προκλήσεις και προσδοκίες
Η σχεδίαση και οι εφαρμογές των συστημάτων μετάδοσης κίνησης αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις. Η ανάγκη για υψηλή ακρίβεια, αξιοπιστία και διάρκεια ζωής συγκρούεται με τις απαιτήσεις για χαμηλό κόστος και ευκολία συντήρησης.
Επιπροσθέτως, η ενεργειακή απόδοση αποτελεί συνεχώς μια εντεινόμενη πρόκληση, καθώς οι σχεδιαστές επιδιώκουν να μειώσουν τις απώλειες ισχύος κατά τη μετάδοση της κίνησης, αυξάνοντας τον βαθμό απόδοσής τους.
Από την άλλη πλευρά, η νομοθεσία γίνεται διαρκώς απαιτητικότερη σχετικά με θέματα που αφορούν την προστασία του περιβάλλοντος και την ασφάλεια των μηχανημάτων, προσθέτοντας επιπλέον επίπεδα πολυπλοκότητας στην ανάπτυξη και εφαρμογή των συστημάτων αυτών.
Τα συστήματα μετάδοσης κίνησης με μειωτήρες ή ηλεκτρομειωτήρες στροφών αποτελούν ακρογωνιαίο λίθο για τη σύγχρονη μηχανολογία και τον αυτοματισμό. Η συνεχής εξέλιξη στην τεχνολογία των υλικών, στην ηλεκτρονική και στην μηχανολογική σχεδίαση ανοίγει νέους δρόμους για την ανάπτυξη περισσότερο αποδοτικών, αξιόπιστων και οικονομικά βιώσιμων συστημάτων.
Η σημαντικότερη και πιο σύνθετη πρόκληση είναι η εύρεση της ισορροπίας μεταξύ τεχνικών προδιαγραφών, κόστους και επιδόσεων, υπό το πρίσμα των αυξανόμενων περιβαλλοντικών και κοινωνικών απαιτήσεων.
*Ο Νικόλαος Σ. Κορακιανίτης είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός & Τεχνολογίας Υπολογιστών, MSc Electrical and Computer Engineering, MSc in Microelectronics, υποψήφιος διδάκτορας και ακαδημαϊκός υπότροφος του Ερευνητικού Εργαστηρίου Ευφυών Τεχνολογιών, Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και Ποιότητας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων & Ηλεκτρονικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής.
