Obrábět stejně za méně - Energetická efektivita obráběcích strojů

Se spotřebou elektrické energie během provozu stroje je velmi přímo spjat i jeho vliv na životní prostředí. Proto, bavíme-li se o ekodesignu strojů, jde zejména o jejich energetickou efektivitu při jejich provozu. Následující článek (navazující na sérii článků zveřejněných v MM Průmyslovém spektrum 11/2012) popisuje aktuální poznatky o možnostech snižování spotřeby energie, získané během řešení několika projektů s českými výrobci obráběcích strojů.

Standardním parametrem stroje je jeho katalogový instalovaný příkon uváděný v kVA (zdánlivý výkon), podle kterého se také dimenzují jističe a přívodní kabely a který má vliv na výši plateb za elektrickou energii. V praxi nikdy neběží všechny komponenty stroje na maximální výkon současně, a pokud bychom jen sečetli všechny výkony dohromady, dostaneme nereálně vysoké číslo. To platí zejména u servopohonů interpolujících os, které dosahují špiček příkonu pouze krátkodobě a v jiných okamžicích než např. vřeteno. Proto se hodnota empiricky krátí tak, aby představovala limit, který v praxi nebude překročen.

Instalovaný výkon je však stále velmi vzdálen střednímu příkonu, tedy aritmetickému průměru za delší pracovní čas. Ten zohledňuje nejen nominální pracovní výkon/příkon komponent stroje, ale i jeho rozložení v čase. Teprve ze středních výkonů plyne význam jednotlivých spotřebičů a jejich priorita při energetické optimalizaci. Snadno se totiž může stát, že významnějším než pohony všech lineárních os se u malého frézovacího centra stane např. odsávání mlhy z pracovního prostoru, přestože má zlomkový instalovaný výkon. Pro korektní stanovení středních příkonů komponent strojů je nejlepší provést měření s vícekanálovým wattmetrem během typických pracovních režimů.

Obráběcí stroje obsahují mnoho komponent a dílčích spotřebičů energie. Je však možné od sebe rozlišit tři základní skupiny:
1) numericky řízené hlavní a vedlejší pohony;
2) další elektrické spotřebiče (čerpadla pro chlazení řezného procesu; hydraulika pro upínání nástroje a další pomocné funkce; chlazení pohonů stroje klimatizace rozvaděče a další spotřebiče);
3) u strojů připojených na společné rozvody stlačeného vzduchu (prakticky všechny obráběcí stroje) elektrický ekvivalent spotřeby vzduchu.

U první skupiny spotřebičů, servopohonů pohybových os, nelze hledat velký potenciál pro úspory. Jejich spotřeba je přímo dána požadavkem na dynamiku a řezný proces a úspora by měla negativní vliv na užitné vlastnosti stroje. Ani snížení pohyblivých hmot, experimentálně testované na stojanu horizontálního frézovacího stroje odlehčeného o 40 %, nevedlo k celkové úspoře energie u pohonů. Důvodem je vysoká účinnost servomotorů a schopnost měničů rekuperovat brzdnou energii zpět do systému. Určitý efekt však může mít snížení pasivních odporů uložení, náhonu a případně převodovky vřetena, například snížením viskozity maziva.

U třetí skupiny, komponentů pro rozvod a využití stlačeného vzduchu, je vhodné minimalizovat zejména tlaky a množství vzduchu využívaného ke stálým funkcím, jako přetlakování vřetena či ofuky pravítek odměřování. Pro přepočet průtoku vzduchu na elektrický ekvivalent je možné využít zjednodušeného poměru: 1 l.min-1 je cca 30 W, platí pro systémy s provozním tlakem 6 bar. Pokud měření u standardního frézovacího stroje odhalí fixní průtok větší než cca 100 l.min-1, je to obvykle signál pro hledání možností úspor.

Nejzajímavější z pohledu úspor je většinou druhá skupina spotřebičů, kterou tvoří různorodé periferie strojů. Mezi ně patří i složitější celky, jako je výměna nástrojů či palet, typickým představitelem však jsou systémy hospodaření s kapalinami a zejména mnoho čerpadel. Pokud se podíváme na střední příkony periferií, tedy kombinaci instalovaných příkonů a reálného využití komponent (jak je uvedeno na prvním obrázku), u většiny obráběcích strojů zjistíme, že nejjednodušší a nejefektivnější jsou úspory právě v této oblasti.
Hydraulika bez přepouštění

Stále rozšířeným je u obráběcích strojů přístup, kdy je požadovaný tlak v okruhu hydrauliky nastaven pomocí přepouštěcího ventilu a čerpadlo běží prakticky nonstop. Výhodnější je využít aktivní regulace On/Off a sedlového ventilu za vhodně dimenzovaným akumulátorem, neboť hydraulika plní jen velmi krátkodobé mechanické funkce. U dvou obráběcích strojů v partnerských podnicích byla provedena výše popsaná záměna a bylo dosaženo nadpoloviční úspory energie.

Následující příklad ilustruje rozdíl mezi frekvenčním řízením a standardním přepouštěním u vysokotlakých čerpadel využívaných pro chlazení řezného procesu středem nástroje. Vysokotlaká čerpadla pracují na geometrickém principu, průtok je přibližně úměrný otáčkám motoru, tedy frekvenci napájení. Frekvenčně řízená čerpadla obsahují řídicí jednotku, která sleduje výstupní tlak a otáčky motoru upravuje podle potřeby, obvykle v rozsahu 15–80 Hz. Regulace přepouštěcím ventilem znamená to, že při daném tlaku je část kapaliny akceptována systémem nástroje, zbylý průtok je však přepouštěn za plného tlaku zpět do nádrže. Záleží pak na počtu a průměru otvorů v nástroji, jak velký podíl energie se bez užitku maří. Obrázky představují změřené mapy účinnosti při obou typech řízení.

Mapy účinnosti (poměr mezi hydraulickým výkonem a elektrickým příkonem) získané měřením na vysokotlakém emulzním agregátu ChipBlaster JV40 při použití frekvenčního řízení (vlevo) a pouze s přepouštěcím ventilem (vpravo)

Z měření jasně vyplývá, že pokud se požadavky na tlak a průtok v praxi mění a všechny technologie nevyžadují, aby čerpadlo pracovalo na svůj maximální průtok (resp. daný nástroj není schopný při nastaveném tlaku pojmout dodávaný objem), je frekvenční řízení výraznou výhodou. Variabilní požadavky jsou realitou většiny aplikací vysokotlakého chlazení obráběcího procesu a frekvenční řízení šetří desítky procent energie.

Následující studie vychází z měření na reálném obráběcím stroji, na kterém chlazení řezného procesu zajišťuje řezný olej, který je potřeba dochlazovat na teplotu okolí pomocí okruhu napojeného na hlavní vanu čerpadla.

Základní požadavky referenční technologie jsou: řezný výkon 5 kW s potřebou vysokotlakého chlazení o tlaku 60 bar, při kterém daný nástroj akceptuje 20 l.min-1 kapaliny. To odpovídá hydraulickému výkonu 2 kW. Kvůli připravenosti stroje na technologie a nástroje vyžadující ještě intenzivnější chlazení a vyplavování třísek však bylo požadováno čerpadlo s instalovaným hydraulickým výkonem až 7 kW (70 l.min-1 při 60 bar). Chladicí výkon lednice je pak dán součtem tepelného výkonu odebraného kapalinou z řezného procesu a tepla z agregátu tvořeného hydraulickými ztrátami na čerpadle a ztrátami na pojistném ventilu nastavujícím maximální tlak v systému.

U varianty s přepouštěcím ventilem je čerpadlo nehledě na technologii zatíženo svým maximálním tlakem, dodává nominální průtok a spotřebovává instalovaný příkon, tj. cca 10 kW. U varianty s frekvenčním řízením pro danou technologii kompletně odpadá přepouštění, agregát měří tlak dodávaný do systému a jemu přizpůsobuje otáčky motoru čerpadla. Při nástrojích s malým počtem otvorů tak stačí nižší otáčky pro dosažení stejného efektu z pohledu technologie. V našem referenčním případě tak potřebujeme pouze příkon cca 3 kW.

Vizualizace energetických toků: celkový příkon vřetena, čerpadla a chlazení činí v původní konfiguraci cca 20 kW (první obr.), kdežto při využití frekvenčního řízení je o cca 9 kW nižší.

Po investici do frekvenčního řízení vysokotlakého čerpadla už jenom spoříme, a to rovnou třikrát: na příkonu vysokotlakého čerpadla, na příkonu chladnice a při nákupu chladnice, neboť stačí dimenzování na nižší chladicí výkon.

Přestože je snahou minimalizovat ztrátové teplo v komponentech (typicky hlavní pohony, převodovky, skříň rozvaděče), určité teplo je potřeba odvádět od stroje pomocí chladicích okruhů. Kapalina v těchto okruzích je pak dochlazována buď ve výměnících kapalina/vzduch nebo v kompresorových chladicích jednotkách. Tyto kompresorové jednotky však obvykle ztrácejí svou nominální energetickou efektivitu (poměr mezi chladicím výkonem a elektrickým příkonem) při nižším než nominálním vytížení. Velmi důležité je tak znát skutečně potřebné chladicí výkony, které lze zjistit pouze měřením, a chladicí jednotky správně dimenzovat.

Měření chladicích výkonů na dvouokruhové chladicí jednotce HYDAC

Po provedených měřeních spotřeby energie na mnoha obráběcích strojích, od malých frézovacích center a vícevřetenových automatů po velké karusely a horizontky, lze udělat několik následujících závěrů.

Spotřebu energie nelze příliš ovlivnit u numericky řízených pohonů hlavních a vedlejších os. Tam jsou požadavky jasně definované technologií a při aktuální účinnosti servomotorů není příliš prostoru pro zlepšení. Větší potenciál je však na úrovni pomocných funkcí – periferií, jako je systém hydrauliky, čerpadla pro chlazení řezného procesu nebo rozvody stlačeného vzduchu.

Aktuálně se ukazuje, že stroje konstruované, montované a provozované standardním způsobem často obsahují jednu nebo více energetických „černých děr“. Těmi jsou např. příliš velké tlaky a úniky stlačeného vzduchu nebo emulzní čerpadla pracující na plný výkon i v situacích, kdy to není technologicky opodstatněné. Jejich nápravou je často možné uspořit až několik desítek procent celkového příkonu při relativně nízkých nákladech.

Jakmile stroj už jednou prošel úpravami pro snížení energetické náročnosti a byly napraveny hlavní nedostatky, je náročné hledat další zlepšení a bojuje se doslova o procenta.

V centru zájmu stále zůstává celková produktivita stroje a jeho tradiční užitné vlastnosti, neboť energii je potřeba vztahovat ne na jednotku času, ale na hotový dílec. Velký potenciál tak mají i opatření na straně uživatelů strojů, kteří volí výrobní strategie, nástroje, podmínky a stroj obsluhují.

Ing. Tomáš Holkup, Ph.D., a kol.

V článku byly použity informace získané během řešení projektu „FR TI3/655 – Ecodesign ve stavbě obráběcích strojů“ podporovaného Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR.

VCSVTT, FS ČVUT v Praze
T.Holkup@rcmt.cvut.cz