Sustainable lifecycle management for alternating current drives

Abstract

Alternating current (AC) drives are devices connected between the electrical grid and an electric motor. They regulate the rotational speed and torque of the motor by adjusting the frequency and voltage of the supplied electricity. Stepless control of frequency and voltage enables electric motors to operate according to load requirements, improving energy efficiency and reducing motor energy consumption by up to 65%. Additionally, AC drives reduce the mechanical wear of electric motors and extend their service life.

This bachelor's thesis is conducted for ABB Oy as part of an internship. The study investigates and develops lifecycle management of medium-sized AC drives from a sustainability perspective. The primary objective was to design innovative repair kits for selected AC drive models to extend their service life, reduce warranty costs, and align with circular economy principles. The development process focused on material efficiency, cost-effectiveness, and minimizing environmental impact. The study draws upon a diverse range of sources, including technical documentation from industry leaders, peer-reviewed academic research, international standards, and sustainability reports.

The results of the study indicate that implementing repair kits could reduce warranty costs related to main circuit failures by up to 50% while significantly decreasing the amount of electronic waste generated from faulty devices. The repair kits support the principles of sustainable development by combining economic and ecological benefits. The study also recognizes that a repair-oriented approach is an essential step in the transition of the industry toward circular economy principles.

Taajuusmuuttajat ovat sähköverkon ja sähkömoottorin väliin kytkettäviä laitteita, jotka säätelevät sähkömoottorin pyörimisnopeutta ja vääntömomenttia muuttamalla niihin syötetyn sähkön taajuutta ja jännitettä. Jännitteen ja taajuuden portaaton säätäminen mahdollistavat sähkömoottoreiden toiminnan kuormitusvaatimusten mukaan parantaen energiatehokkuutta ja vähentäen moottorin energiankulutusta jopa 65 %. Lisäksi taajuusmuuttajat vähentävät sähkömoottorin mekaanista kulumista ja pidentävät niiden käyttöikää.

Kandidaatintyö toteutetaan ABB Oy:lle osana työharjoittelua. Tässä työssä tutkitaan ja kehitetään keskikokoisten taajuusmuuttajien elinkaaren hallintaa kestävän kehityksen näkökulmasta. Työn tavoitteena oli suunnitella korjaussarjat valituille taajuusmuuttajamalleille niiden käyttöiän pidentämiseksi ja takuuajan kustannusten minimoimiseksi, samalla huomioiden kiertotalouden periaatteet. Korjaussarjojen kehittämisessä on keskitytty materiaalitehokkuuteen, kustannuksiin sekä ympäristövaikutusten arviointiin. Tutkimus perustuu laajaan lähdeaineistoon, joka sisältää alan johtavien toimijoiden teknisiä asiakirjoja, vertaisarvioituja akateemisia tutkimuksia, kansainvälisiä standardeja sekä kestävyyttä käsitteleviä raportteja.

Työn tulokset osoittavat, että korjaussarjojen käyttöönotto voisi vähentää pääpiirin vikaantumiseen liittyviä takuukustannuksia jopa 50 % ja samalla pienentää merkittävästi elektroniikkajätteen määrää. Korjaussarjat tukevat kestävän kehityksen periaatteita yhdistämällä taloudelliset ja ekologiset hyödyt. Työssä tunnistetaan myös korjausperusteisen lähestymistavan olevan tärkeä askel teollisuuden siirtymisessä kohti kiertotalouden periaatteita.