Suomen ensimmäiset teolliset reluktanssimoottorit AMK-opetuksessa

Kirjoittaja: Kari Kenttä, Insinööri (ylempi AMK), lehtori, Uudistuva teollisuus -osaamisryhmä, Lapin ammattikorkeakoulu

Lapin ammattikorkeakoulu on hankkinut ensimmäiset sykronireluktanssimoottorit Sähkö- ja automaatiotekniikan opetukseen. Moottorit on hankittu yhteistyössä VEM motors Finland Oy:n kanssa. Moottoritoimittajan tietojen mukaan nämä koneet ovat ensimmäiset reluktanssimoottorit, jotka on toimitettu oppilaitoskäyttöön Suomessa (Kujala, S. 2024).

Kemin kampuksen Sähkövoimatekniikan laboratorioon moottoreita hankittiin tässä vaiheessa kaksi kappaletta, 1,1 kW ja 1,5 kW tehoisina.

Tällä hetkellä teollisuudessa käytössä olevat sähkömoottorit ovat pääsääntöisesti oikosulkumoottoreita. Oikosulkumoottori ei enää jatkossa täytä tällä hetkellä voimassa olevia EU-asetuksen energiatehokkuusvaatimuksia. Reluktanssimoottori on toiminnaltaan samanlainen kuin mikä tahansa oikosulkumoottori ja taajuusmuuttajakäyttö -yhdistelmä. Tämän ominaisuuden ansiosta reluktanssimoottorilla voidaan suoraan korvata oikosulkumoottori, ottaen huomioon taajuusmuuttajan ominaisuudet.

Sykronireluktanssimoottori SynRM

Synkronireluktanssimoottorista käytetään myös nimitystä reluktanssimoottori tai SynRM-moottori. Nämä moottorit edustavat sähkökoneiden uusinta ja energiatehokkainta sukupolvea. Moottori on samanlainen rungon staattorin osalta kuin oikosulkumoottori, mutta reluktanssimoottorin roottorissa ei ole kuparista tai alumiinista valmistettuja roottorisauvoja.

Roottorissa on vain sähkölevyt, jotka mukailevat staattorin synnyttävää magneettikenttää. Tällä roottori mallilla saavutetaan monta etua. Näistä eduista suurin on roottorihäviöiden poistuminen. Tämä parantaa huomattavasti sähkökoneen energiatehokkuutta. Nämä nyt hankitut reluktanssimoottorit edustavat sähkökoneiden parasta energiatehokkuusluokkaa IE5.

Parempia moottoreita tarvitaan, sillä EU-asetus 2019/1781 velvoittaa käyttämään entistä energiatehokkaampia sähkömoottoreita entistä laajemmalla tehoalueella. Hyötysuhdeluokan IE4 vaatimukset laajenivat 1.7.2023 koskemaan 75 – 200 kW 2-, 4-, ja 6-napaisia alle 1000 V sähkökoneita ja taajuusmuuttajakäyttöjä.

Asteittain kiristyneet energiatehokkuusvaatimukset ovat asettaneet haasteita sähkömoottorivalmistajille ja lisänneet panostuksia uusien ratkaisujen, kuten reluktanssimoottoreiden, kehittämiseen. Reluktanssimoottorilla saavutetaan IE4 ja korkeimman määritellyn hyötysuhdeluokan IE5 vaatimukset. Tällä hetkellä IE5-taso ylittää EU-lainsäädännön vaatimukset. Oletettavasti energiankulutuksen hillitseminen on jatkossakin tarpeen ja IE5-taso tullee jollain tehoalueella pakolliseksi. (EU 2019/1781, Kujala, S. 2024)

Kuva 1. Lapin AMK:n ensimmäiset reluktanssimoottorit sähkövoimatekniikan laboratoriossa. Moottoreissa on Lapin AMK:n 3D-labrassa tulostetut kytkentäkotelot, joissa on valmiit kytkentäliittimet kytkentäjohtimille.

Reluktanssimoottori itsessään ei ole uusi keksintö, moottori on ollut tunnettu sähköalalla pitkään. Moottorin käyttöä on rajoittanut sähkökäyttöjen tekniikka, koska reluktanssimoottorin pyörittäminen vaatii sähkökäytöltä entistä kehittyneempää laskentatekniikkaa. Reluktanssimoottori vaatii aina käytön eli konetta ei voida käyttää suorassa sähkökäytössä.

Koneen yksi merkittävä ominaisuus on se, että se pyörii aina staattorin tahtinopeudella. Näin ollen korvattaessa oikosulkumoottoria reluktanssimoottorilla tulee huomioida kasvavan pyörimisnopeuden vaikutus.

Sähkövoimatekniikan laboratorio

Nyt hankittuja koneita tullaan käyttämään sähkökoneiden ja sähkökäyttöjen opetuksessa. Opetusympäristönä toimii Kemin Kosmos-talon Sähkövoimatekniikan laboratorio.

Laboratoriosta löytyy yhteensä neljä sähkömoottoreiden kuormituspenkkiä. Näissä kuormituspenkeissä voidaan mitata moottorille meneviä sähköisiä suureita ja mitata akselilta ulos otettavaa tehoa. Akselille tuotettava kuorma saadaan aikaan tasasähkömoottorilla sen toimiessa generaattorina. DC-generaattorilla tuotettu energiaa ohjataan eteenpäin kuormitusvastuksille. Näin ollen akselilta otettavaa kuormaa voidaan hallita säätämällä tasasähkökoneen magnetointia tai kuormitusvastuksen suuruutta. Sähkö- ja automaatiotekniikan opiskelijat tekevät näitä kuormituskokeita yleisesti labroissa.

Kuva 2. Kuvassa moottorin kuormituspenkki, jossa kuormitettava moottori on vasemmalla puolella vaakaa ja generaattorina toimiva tasasähkömoottori oikealla puolella. Sähköisiä arvoja voidaan lukea analysaattorista, kuvan oikeassa laidassa.

Kuva 3. Uudet reluktanssimoottorit tulevat olemaan tärkeä vertailukohde tarkasteltaessa moottoreiden energiatehokkuutta kuormituspenkissä. Reluktanssimoottori kuvassa etualalla vasemmalla ja etualalla lisäksi jännitevaunu sekä vastusvaunu.

Kuva 4. Pitkä historia sähkökoneiden opetuksessa näkyy laitteistojen erilaisuutena.

Sähkökoneiden ja käyttöjen opetuksella on ollut vahvat juuret Lapin ammattikorkeakoulun insinöörikoulutuksessa. Tähän on luonnollisesti vaikuttanut aluettamme ympäröivä raskas teollisuus ja kaivostoiminta. Valmistuvien opiskelijoiden sijoittuminen teollisuuteen on ollut merkittävää ja oppilaitoksemme tunnettavuus on hyvä paikallisessa teollisuudessa.

Sähkövoimatekniikan laboratoriosta löytyy myös älykäs moottorikeskus MNS iS. Tämä mahdollistaa Simocode, UMC- ja MNSiS-ohjaukset joko suorina tai väyläohjattuina eri moottorilähdöille. Moottoreita voidaan ohjata Siemens S7 logiigan tai ABB:n AC800M-automaatiojärjestelmän väyläohjausten avulla.

Nyt hankituilla uusinta sähkömoottoreiden sukupolvea edustavilla reluktanssimoottoreilla varmistamme mukana olomme kehittyvässä teollisuudessa. Uusien moottoreiden myötä hankimme myös kaksi uutta taajuusmuuttajaa moottoreiden ohjaamiseksi. Tällä nyt tehdyllä investoinnilla takaamme opiskelijoillemme ajanmukaisen opetuksen sisällön sekä tietotaidon energiatehokkuuden parantamiseksi uusissa ja käyvissä teollisuuslaitoksissa.

Kuva 5. Älykäs moottorikeskus MNS iS joka sisältää väyläpohjaista moottoriohjaustekniikka.

Lähteet

Kuvat: Kari Kenttä 2024

Kujala, S. 2024 VEM motors Finland Oy. Toimitusjohtajan haastattelu 8.1.2024.

Komission asetus (EU) 1.10.2019/1781. Viitattu 25.1.2024 https://eur-lex.europa.eu/legal-content/FI/ALL/?uri=CELEX:32019R1781