כיצד להפיק את המירב ממנועים יעילים מבחינה אנרגטית: לא מספיק להסתכל על הערכים הנקובים של המנוע כדי לחסוך את מירב האנרגיה. האם אתם מוכנים ל-19 בדצמבר 2010, מועד הציות האחרון החשוב הבא ליעילות מנועים בארה”ב? מי שבאמת מעוניין בהגדלת היעילות ינקוט בגישה הוליסטית בתכנון הכולל של המכונה. הנה איך להתעמק ביעילות מנועים כדי להפיק את החיסכון המירבי.
מאת: C.G. Masi
הדאגה לסביבה יכולה להניע אנשים פרטיים ואת כלל הציבור, אבל זאת סיבה גרועה לקבלת החלטות עסקיות. לחברות שקונות ומתקינות מנועים חשמליים יש סיבה עסקית טובה בהרבה כדי לנסות לחסוך באנרגיה – הפיכת הפעילות שלהן ליעילה יותר מבחינת עלויות. בשילוב גורמים נדיר, הפחתת השימוש בחשמל על ידי התקנת מנועים חשמליים יעילים יותר מבחינה אנרגטית מקדמת את שתי המטרות האלה. כשמדברים על מנועים מאוד יעילים, חשוב לציין שהמונח הזה בעצם מתייחס למנועים חשמליים עם ארכיטקטורה מסורתית המורכבים מעוגן וליפוף שדה. “במנועי השראה יש דגמים עם יעילות רגילה, גבוהה ופרימיום”, אמר דייוויד הנסן, מנהל מוצר גלובלי, בקרת תנועה, Kinetix Rockwell Automation, “ואילו במנועי מגנט אין”.
הסיבה היא שהארכיטקטורה של המנוע החשמלי עם המגנט הקבוע היא יעילה יותר במהותה, משום שאין שימוש בכוח כדי ליצור את השדה המגנטי של הסטטור. ג’ון מלינובסקי, מנהל מוצר בכיר – מנועי זרם חליפין, Baldor Electric Company, מציין: “למנועי השראה ז”ח יש משפחה של מנועים שתואמים ליעילות פרימיום של NEMA בהתאם ל-NEMA MG 1, טבלאות 12-12 ו-12-13, והתקנים IEC 60034- 30 ליעילות IE3”.
מסיבה זאת, הגבלנו את הדיון הזה למנועי השראה עם סלילי סטטור המלופפים על ליבות פרומגנטיות, ושמרנו את ההתבוננות במאפייני היעילות האנרגטית של מנועים עם מגנט קבוע לפעם אחרת.
“מנועי פרימיום”, המשיך מלינובסקי, “בנויים לסבולות קרובות יותר ממנועים ישנים, מפיקים פחות חום, יש להם פחות רעידות, הם שקטים יותר ומחזיקים מעמד זמן רב יותר”.
אולם, “יעילות גבוהה במנועי ההשראה ז”ח העכשוויים”, אמר פיטר פישבך, מנהל מגזר התעשייה, Bosch Rexroth Corp, “מושגת על ידי שיפור נתיבי המרת האנרגיה והתכונות הפיזיקליות, באמצעות גיאומטריות חריצים וליפוף חדשות, חומרי מגנט וליבה מתקדמים, והשימוש ברוטורים מנחושת במנועי השראה ז”ח”.
מה הופך מנוע ליעיל?
“המפתח ליעילות גבוהה יותר הוא הפחתת הפסדים”, אמר מלינובסקי. “יותר נחושת בליפוף כדי להפחית הפסדים בסטטור, ופלדה חשמלית בדרגה גבוהה יותר מפחיתה הפסדים בליבת הברזל. הפסדים נמוכים יותר משמעם לקרר פחות הספק, כך שאפשר להשתמש במניפות קטנות יותר ובכך להפחית [עוד יותר] את ההפסדים”.
פישבך הוסיף: “רוב ההפסדים נגרמים מהפסדי מוליכים בסטטור וברוטור והפסדי ליבה, הנקראים גם הפסדי ברזל או חשל (היסטרזיס).
הנסן ציין מספר תכונות תכנון שמעניקות למנועים האלה את היעילות הגבוהה שלהם:
התנגדות הליפוף – ככל שההתנגדות של הליפוף גדלה, היעילות יורדת. כדי למקסם את יעילות המנוע, מתכנני מנועים ממזערים את ההתנגדות על ידי הגדלת המילוי של החריצים (כמות ליפופי הנחושת בתוך חריצי הסטטור) והקטנת רדיוס הקצה (כמות ליפופי הנחושת מחוץ לחריצי הסטטור).
חומר הלבידה – הפסדי ליבה מושפעים באופן ישיר מתכונות החומר והאיכות של הפלדה שבה משתמשים בלבידה של הסטטור. בנוסף, ליבודים דקים יותר יובילו להפסדי ליבה קטנים יותר בסטטור בהשוואה לליבודים עבים יותר
הגיאומטריה של שיני הלבידה – הגיאומטריה של שיני הלבידה משפיעה על הריכוז של השטף המגנטי בתוך המנוע. לגיאומטריות שמספקות ריכוז גבוה יותר של שטף מגנטי יהיו הפסדים תועים קטנים יותר ולכן יעילות גדולה יותר.
המערכת היא שקובעת
“המטרה ברוב היישומים של אוטומציה בבתי חרושת וביישומים תעשייתיים”, טוען פישבך, “היא שימוש יעיל באנרגיה עם הפרודוקטיביות הגבוהה ביותר. לכן חיוני לנתח, למדל ולמטב את המערכת השלמה לפני שמשקיעים ברכיבים פרטניים כגון מנועים חדשים”.
“מלינובסקי מסכים: “קל לעשות מנועים טובים יותר כהחלפות נקודתיות [של מנועים פחות יעילים] אבל תוספת היעילות מוגבלת. שימוש במנוע שהיעילות שלו 95% זה טוב, אבל לא כשהוא מחובר להפחתה כפולה [תמסורת גלגלי שיניים] שהיעילות שלה 50-60%, כאשר מפחית מהירות ספירלי או משופע יכול להיות 90-95% יעיל”.
גם פישבך הסכים: “יעילות גבוהה יותר היא מונח יחסי שם משום שעלינו להביא בחשבון גורמים אחרים שמשפיעים על היעילות הכוללת של המערכת, כמו זמן מחזור או תפוקת תוצרים. לדוגמה, מנוע מומנט עם הינע ישיר עם יעילות של 80% יכול לחסוך יותר אנרגיה ממנוע סרוו עם יעילות של 95% על ידי ביטול רכיבים לא יעילים של שרשרת ההינע כמו תיבות תמסורת – וגם להגדיל משמעותית את התפוקה”.
מה לא לעשות
“השגיאות הכי גדולות”, הזהיר פישבך, “נעשות על ידי מהנדסים שמתמקדים רק ביעילות הנקובה של המנוע, ומצפים לחסכון באנרגיה בשיעור דומה ביישום הספציפי שלהם.
“למנועים שונים יש מאפיינים שונים, שצריך להתאים אותם ליישום כדי להפיק תועלת מההשקעה במנוע יעיל יותר. לדוגמה, מנוע השראה ז”ח יקר יותר עם יעילות פרימיום לא יחסוך הרבה אנרגיה אם הוא מופעל בעומס חלקי או במצב סרק פרקי זמן ארוכים”.
מלינובסקי הביא כדוגמה החלפה של מנוע הרבה יותר ישן במנוע פרימיום חדש במשאבה צנטריפוגלית. הגודל של המאיץ (אימפלר) תוכנן למהירות של המנוע הישן. אבל המנוע החדש, היעיל יותר, סביר שיפעל מהר יותר עם אותו מעמס, וזה יגדיל את השימוש הכולל בחשמל. המערכת עשויה להיות יותר יעילה מבחינה אנרגטית, אבל בגלל העבודה הנוספת שהיא מבצעת אולי לא יהיה בה שום יתרון.
“מתכננים שבאמת מעוניינים להגדיל את היעילות”, יעץ הנסן, “לא רק יחליפו מנוע אלא ינקטו בגישה הוליסטית בתכנון הכולל של המכונה. אפילו מנוע עם יעילות מושלמת, אם הוא מחובר למערכת מכאנית שתוכננה גרוע, לא יפיק תועלת משמעותית מבחינת חיסכון באנרגיה. בכל התקן תמסורת כוח מכאני בין המנוע לעומס תהיה אי-יעילות אינהרנטית. התמסורות הפלנטריות הספירליות המדויקות ביותר, חדשות מהאריזה, היעילות שלהן היא 90-95% במקרה הטוב ביותר. היעילות של תיבות תמסורת חלזוניות יכולה להיות נמוכה עד כדי 50-60%”.
“הפתרון האולטימטיבי מבחינת היעילות של המכונה”, סיכם, “יהיה לסלק בכלל את התקני תמסורת הכוח המכאני באמצעות שימוש במנועי סרוו עם מגנט קבוע והינע ישיר”.
