CONTACTLOZE MAGNEETKOPPELING ALS GAMECHANGER

In het streven naar energiesbesparing en lagere onderhoudskosten

Figuur 1: Proefopstelling met contactloze magneetkoppeling. Het koppel wordt contactloos overgedragen en is mechanisch te regelen door de spleetbreedte te variëren

Een aantal jaar geleden introduceerde het Nieuwegeinse bedrijf Zytec een contactloze magneetkoppeling, waarvan de werking gebaseerd is op een koperen schijf in combinatie met sterke permanente magneten. Inmiddels is een flink aantal interessante praktijkcases beschikbaar met verschillende onderscheidende voordelen. Het meest in het oog springend is wellicht de bijdrage aan een lager energieverbruik en de daaraan gekoppelde kleinere CO₂-footprint. Daarnaast profiteren de gebruikers van stukken lagere onderhoudskosten, een hogere betrouwbaarheid en dito veiligheid.

BRON HUIDIGE ENERGIEVERLIEZEN

De energieverliezen die optreden bij de aandrijving van pompen of ventilatoren zijn toe te schrijven aan verschillende oorzaken.

1. uitlijnfouten

Een eerste oorzaak ligt in uitlijnfouten bij de huidige toegepaste koppelingen of -veranderingen die tijdens bedrijf ontstaan door vervormingen. Iedere afwijking van een perfecte lijn leidt hierbij tot slijtage, trillingen, bijbehorende verhoogde geluidsniveau en extra warmteontwikkeling. Naast de zojuist genoemde energieverliezen is deze situatie tevens onwenselijk omdat aandrijvingen en componenten als lagers en afdichtingen hierdoor eerder onderhoud nodig hebben.

2. de pomp

Een tweede factor die het energieverbruik opdrijft is de regeling van de pomp. Ook in de procesindustrie worden pomp/motorcombinaties voor een specifieke applicatie in de ontwerpfase in de meeste gevallen ruimer bemeten dan nodig is. Dit heeft in veel gevallen te maken met veiligheidsfactoren die in praktisch iedere fase van het ontwerpproces extra worden toegevoegd. Ook eventuele toekomstige uitbreidingsmogelijkheden kunnen ten grondslag liggen aan overdimensionering. Om met deze (feitelijk te grote) uitvoering het gewenste debiet van de pomp te realiseren, wordt vervolgens een smoorklep of bypass toegepast. Qua debiet weliswaar effectief, maar de pomp draait hierdoor niet in het optimale werkpunt waardoor energieverliezen optreden die kunnen oplopen tot 30-50%. Het systeem staat immers maximaal tegen een deels gesloten smoorklep aan te draaien. Een negatieve bijkomstigheid is dat de drukken hierdoor hoog oplopen en de installatie onnodig zwaar belasten.

3. frequentieregeling

Een deel van het 'regel'-probleem is op te lossen door toepassing van een frequentieregelaar. Een ogenschijnlijk goede oplossing die sinds de jaren 70 bestaat, maar wereldwijd echter in nog maar 15% van de gevallen wordt toegepast, terwijl de verwachting is dat deze groei tot een maximaal percentage van 30% zal aanhouden. Waar in de industrie sprake is van lagere vermogens is dit aandeel hoger, echter bij de hogere vermogens is dit aandeel (dus) lager terwijl juist hier grotere energiebesparingen zijn te behalen!

De tegenvallende toepasbaarheid van frequentieregelaars hangt onder meer samen met de complexiteit van deze component. Een ander nadeel is dat zij het net vervuilen omdat zij - evenals ledverlichting en zonnepanelen - gebruik maken van vermogenselektronica die zogenaamde harmonischen introduceert. Wanneer deze componenten binnen één systeem veelvuldig worden toegepast bestaat de kans dat het net (door ongewenste harmonische) uiteindelijk zó vervuild raakt, dat de Power Quality tot onder het vereiste niveau zakt en machines en sensoren in de nabije omgeving in storing vallen. Daarnaast zijn alleen de zeer dure varianten frequentieregelaars geschikt voor toepassing in ATEX-zones (zoals deze veelvuldig voorkomen in de procesindustrie) en hoog voltage motoren. Verder hebben ze in de praktijk vaak een beperkte levensduur van 7 - 10 jaar.

Figuur 5: Opengewerkte versie van de contactloze magneetkoppeling

CONTACTLOZE MAGNEETKOPPELING

Bovenstaande 'energieverslindende' factoren zijn deels te ondervangen door de eerder genoemde contactloze magneetkoppeling.

Figuur 2: Schematische opbouw contactloze magneetkoppeling met permanente magneten en inductors

Figuur 3: Door de mogelijkheid de contactloze magneetkoppeling mechanisch te regelen, is een speciale uitvoering ook toe te passen in Ex-omgevingen

De opbouw van de contactloze koppeling is te zien in de Figuren 2 en 3 terwijl een toepassing in een proefopstelling wordt weergegeven door Figuur 1. In principe is dit een magneetkoppeling te noemen, maar toch zijn er belangrijke verschillen die deze oplossing enkele bijzondere eigenschappen geven.

Ten eerste maakt een klassieke magneetkoppeling gebruik van twee permanente magneten tegenover elkaar terwijl in deze uitvoering alleen een rotor met permanente magneten is aangebracht in het deel van de koppeling dat verbonden is met de aan te drijven zijde (de lastkant). Aan de motorkant beschikt de koppeling over een koperen schijf (de inductor) die roteert. De koppelende werking berust op het feit dat de permanente magneet een magnetisch veld in de inductor genereert wanneer de elementen ten opzichte van elkaar bewegen. Hierdoor gaan in de inductor wervelstromen lopen waardoor een magnetisch veld wordt opgewekt en hierbij een koppel dat via een luchtspleet - dus contactloos - wordt overgedragen op de aan te drijven component. Het bijzondere is dat dit koppel regelbaar is door de afstand aan te passen tussen de inductor en de magneetrotor. Hoe groter de afstand, hoe lager het koppel en andersom. Dit maakt de koppeling niet alleen geschikt voor vermogensoverdracht, maar levert tevens de mogelijkheid om de aandrijving mechanisch te regelen, dus zonder de noodzaak van elektronica.

Frank Boekholtz, algemeen directeur van Zytec: “De combinatie van deze koperen schijf en de zeer sterke permanente magneten biedt een koppeloverdracht dat sterk genoeg is voor industriële toepassingen. Voor variabele instelbare koppelingen hebben we het over vermogens van 7,5 kW - 375 kW en bij koppelingen voor toepassingen met een vaste snelheid loopt dit op tot 2 MW."

Voordelen

De belangrijkste voordelen van de contactloze magneetkoppeling liggen uiteindelijk op het vlak van betrouwbaarheid en energiebesparing. De betrouwbaarheid van de aandrijving wordt hoger omdat de contactloze overdracht slijtage en het falen van onderdelen voorkomt. Hierdoor is het minder vaak nodig om onderdelen te vervangen wat weer een positieve invloed heeft op de onderhoudsbehoefte en de algehele veiligheid. Bovendien levert het een aandeel in het streven naar een circulaire economie en het minimaliseren van voorraad reserveonderdelen.

Figuur 4A: De F-TORQ heeft een vaste snelheid en een luchtspleet van 3 mm waarmee een overbrengverhouding van 1:≈1 is te realiseren

Figuur 4B: Met de V-TORQ beschikt de gebruiker over een koppeling met een variabele snelheid en luchtspleet van 3 – 25 mm waarmee een overbrengverhouding is te realiseren van ≈1 > n> 0

Verder is het door de benodigde ruimte (air gap) tussen de inductor en de magneetrotor mogelijk om uitlijnveranderingen door vervormingen en dergelijke tot 2 mm te compenseren. Een belangrijke eigenschap aangezien misuitlijning tijdens bedrijf verantwoordelijk is voor meer dan 50% van schade aan rotating equipment. Men probeert de uitlijning regelmatig te controleren en bij te stellen, echter in bedrijf treden allerlei vervormingen op door bijvoorbeeld temperatuurwisselingen, beperkte constructiestijfheid, montagefouten, leidingspanningen, verzakkingen, etc. In veel gevallen is hiervoor echter een dure, tijdrovende laseruitlijning nodig die bovendien regelmatig moet worden herhaald. Omdat de koppeling contactloos verbindt, ontstaan er bovendien geen radiale krachten op de motoras en ventilatoras waardoor de levensduur van de motorlagers naar de 'designlife' gaat. De standtijd van lagers wordt dus significant vergroot. Tot slot maakt de constructie met de luchtspleet het mogelijk om meer dan 80% van de trillingen te reduceren.

Energiebesparing

De energiebesparing is in eerste instantie te realiseren door gebruik te maken van het regelend vermogen van de koppeling. Dit maakt het mogelijk het toerental van de pomp tijdens de inbedrijfstelling eenvoudig af te stemmen op de vraag. Ook de wrijvingsloze verbinding die onnodige slijtage voorkomt, levert zijn aandeel in het besparen van energie.

Danny van Nielen, Partner: “En dan zijn er nog voordelen als de mechanische softstart, eenvoudige installatie en de afwezigheid van elektronica die de power quality van het net kan beïnvloeden. Verder is deze oplossing ook zonder problemen in warme, vochtige, vuile én explosiegevaarlijke gebieden veilig in te zetten, wat zeker in de procesindustrie voordelen oplevert. In tegenstelling tot een vloeistofkoppeling heeft de gebruiker bovendien te maken met een 'droge' oplossing waarbij geen olie of andere vloeistoffen in het milieu of de installatie kunnen terechtkomen. Daarbij is de koppeling ontwikkeld voor een levensduur van ruim 20 jaar."

VENTILATOR MET VLOEISTOFKOPPELING

In een fabriek waar cyclohexaan wordt geproduceerd (halffabricaat voor kunststof) werd voorheen een viertal radiaal ventilatoren opgestart met een vloeistofkoppeling. Drie van deze ventilatoren hebben een vermogen van 200 kW en een massatraagheid van 170 kgm2. Omdat deze ventilatoren zijn opgesteld in een Ex-ruimte (T3 = 200 °C) betekent het gebruik van olie in de vloeistofkoppelingen een risico in het kader van HSE. Zo kan de koppeling falen bij een gering verlies van de olie waardoor dit medium in het proces of omgeving terecht kan komen en hier ontbranden. Door het vervangen van de vloeistofkoppeling door een contactloze magneetkoppeling F1200.HI.EX (explosieveilige uitvoering) zijn direct de 'nadelen' van het gebruik van vloeistof in een koppeling geëlimineerd. Het olieniveau hoeft niet meer te worden gecontroleerd en ook de kans op olielekkage is hiermee tot nul gereduceerd. Verder is er geen sprake meer van verbruiksonderdelen die wél voorkomen in een vloeistofkoppeling zoals lagers, afdichtingen en olie. Dit betekent dat het onderhoudsinterval van de koppeling oploopt van 2 naar 20+ jaar en de onderhoudskosten dalen. Bovendien verkleint de nieuwe situatie de kans op ongevallen door het verminderde benodigde onderhoud in een Ex-omgeving.

Tot slot is het opstarten van dergelijke zware ventilatoren met een contactloze magneetkoppeling minder belastend voor het elektriciteitsnet. Zo halveerde de duur van de piekstroombelasting (630%) van 3 naar 1,5 seconde en de aanloopstroombelasting van 250% gedurende 15 s naar 150% gedurende 25 s. Procesmatig betekent dit een gelijkmatiger start waarbij bovendien spanningsdips in het net worden voorkomen. Vanwege de lagere temperaturen van een Zytec-koppeling ten opzicht van een vloeistofkoppeling zijn tevens alle motoren sneller in een bepaalde volgorde aan te zetten zonder verstoringen; vooral bij het opstarten van installaties levert dat de nodige voordelen op.

FLOWREGELING VAN POMP MET SMOORKLEP IN STAALFABRIEK

FLOWREGELING VAN POMP MET SMOORKLEP IN STAALFABRIEK

Een mooie toepassing van de contactloze magneetkoppeling is te vinden in de koudbandwalserij van een staalfabriek. Hier worden in een koelwatersysteem vier pompen met elk een vermogen van 75 kW toegepast. Het debiet werd voorheen geregeld met behulp van gesloten smoorkleppen in combinatie met vaste koppelingen waardoor relatief veel energie verloren ging. Om deze verliezen te elimineren zijn de vier vaste koppelingen vervangen door vier Zytec A-TORQ-koppelingen en zijn de smoorkleppen open gezet.

De eerste resultaten waren direct meetbaar in een afname van het stroomverbruik hetgeen voor deze vier pompen uiteindelijk een energiebesparing van 1.100.000 kWh per jaar opleverde. Ter illustratie: dit komt overeen met het energieverbruik van 340 huishoudens en is een equivalent voor 600 ton CO₂-besparing. De terugverdientijd bedroeg minder dan 1,5 jaar.

Naast de directe energiebesparing kon na enige tijd ook worden vastgesteld dat er minder slijtage optrad wat leidde tot lagere onderhoudskosten en een langere levensduur. De lagere slijtage hangt enerzijds samen het feit dat uitlijnvariaties niet meer relevant zijn waardoor ook geen sprake meer was van asdoorbuiging en de bijhorende verhoogde kans op lekkende afdichtingen.

Bovendien nam het aantal lekkages van de leidingen af door het uitblijven van cavitatie die voorheen wel optrad door de imploderende luchtbelletjes die ontstaan bij smoren in water.

Omdat in de nieuwe situatie niet meer gesmoord wordt, zijn drukken in het systeem bovendien verlaagd wat de belasting en levensduur van de volledige installatie ten goede komt.

Contactloze magneetkoppeling