Invertteri
Taajuusmuuttaja, taajuudenmuuttaja, invertteri, moottorivaihtosuuntaaja. Rakkaalla lapsella on monta nimeä. Taajuusmuuttajasta on tullut yksi teollisuuden sähkönkäyttötekniikan kulmakivistä; sillä hoidetaan sähkömoottorin nopeudensäätö. Suomalainen taajuusmuuttaja on kansainvälisestikin tunnettu ja suomalainen tuotanto kattaa noin viidenneksen maailman taajuusmuuttajamarkkinoista.
Oy Strömberg Ab:n tuotekehitysinsinööri Martti Harmoinen ryhtyi 1970-luvulla ryhmineen kehittämään tekniikkaa oikosulkumoottorin pyörimisnopeussäätöä varten. Harmoisen haave oli kehittää oikosulkumoottori, joka olisi yhtä helposti säädettävä kuin tasavirtamoottori.
Harmoisen kehittämän tekniikan vaativimmat ensisovellukset ovat Helsingin metrojunien sähkömoottorikäytöt. Helsingin metro taas on maailman ensimmäinen AC-käyttöjä soveltava metro (AC; alternating current; vaihtovirta), jossa alkuperäiset käytöt ovat edelleen toiminnassa.
Taustalla taajuusmuuttaja SAMI B 10 kVA ja edessä taajuusmuuttaja ACS800 10 kVA; väliin mahtuu 4 sukupolvea. - LTY on ollut tiiviisti mukana kehitystyössä.
Nopeudensäätö
Sähkömoottorin nopeudensäätö:
- tasavirtamoottori: muutetaan pelkästään jännitettä
- oikosulkumoottori: muutetaan sekä jännitettä että sen taajuutta
Tasavirtamoottorin vääntömomenttisäätökin on suoraviivasta, sillä moottorin ankkurivirta määrää suoraan verrannollisesti vierasmagnetoidun tasavirtakoneen vääntömomentin. Oikosulkumoottorin virta puolestaan sisältää sekä moottorin magnetoinnin että vääntömomentin tuottavat komponentit, minkä vuoksi vääntömomentin säätöä varten tarvitaan ns. vektorisäätöä. Tämä tarkoittaa sitä, että taajuusmuuttajan sulautettuun prosessorijärjestelmään on luotu moottorista matemaattinen malli. Malli ratkaisee riittävän reaaliaikaisesti, mikä osuus oikosulkumoottorin virrasta on magnetointivirtaa ja mikä vastaavasti vääntömomenttia tuottavaa virtaa. Oheinen kuva esittää oikosulkumoottorin ns. vektoripiirrosta, jonka avulla mikroprosessori voi päätellä moottorin käyttöön liittyvät toimet.
GTO-tyristori on ratkaisevassa asemassa
Taajuudenmuuttajien kehitys on ollut nopeaa viime vuosikymmeninä. Kehityksen pohjana on ollut tehoelektroniikan komponenttien nopea tehostuminen. Matti Harmoinen käytti vielä tavallisia tyristoreita moottorivaihtosuuntaajassaan. Tyristori on siitä hankala komponentti, että sitä voidaan kytkeä varsin hitaasti eikä se sammu ilman ulkoista apujärjestelmää.
Siinä vaiheessa, kun hilalta sammutettavat GTO-tyristorit kehitettiin, saatiin ensimmäiset vektorisäätöiset Strömbergin invertteritkin markkinoille.
Invertteri sisäpuolelta katsottuna
Seuraavassa vaiheessa käytettiin suuria Darlington-transistoreita moottorivaihtosuuntaajien pääteasteissa ja lopuksi käyttöön otettiin IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), jossa yhdistyvät MOSFET:ien (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) helppo ohjattavuus ja bipolaaritransistorien hyvä virranjohtokyky. Nyt käytössä on jo neljännen sukupolven IGBT, jonka ympärille voidaan rakentaa jopa 5 000 kilowatin (kW) 690 voltin (V) taajuusmuuttajia. Suurjännitetaajuusmuuttajiakin on markkinoilla, ja niissä sovelletaan joko GTO- tai IGC-tyristoreita (Integrated Gate Controlled).
Prosessorit hoitavat mallinnuksen taajuusmuuttajissa
Tehoelektroniikan komponenttien lisäksi välttämättömiä ovat prosessorit. Erilaiset mm. matkapuhelimissakin käytetyt signaaliprosessorit suorittavat nykyajan taajuusmuuttajissa tarvittavat laskutoimet ja käyttöliittymien sekä teollisuusautomaation pyörittämiseen tarvittavat ohjelmat.
Taajuusmuuttaja ja ympäristötekniikka
Taajuusmuuttajaa voidaan pitää merkittävänä ympäristöteknisenä laitteena. Kun moottoreita voidaan taajuusmuuttajan avulla säätää täsmälleen tarpeen mukaisesti, vähenee sähkönkulutus merkittävästi.
On laskettu, että Suomessakin voitaisiin säästää satoja megawatteja tehoa, jos kaikki soveliaat moottorikäytöt varustettaisiin taajuusmuuttajilla. Esimerkiksi kiinteistöjen energiansäästöä voitaisiin merkittävästi tehostaa ohjaamalla ilmanvaihtoa juuri oikean tarpeen mukaisesti taajuusmuuttajien avulla. Taajuusmuuttajat ovat yleisiä uusissa rakennuksissa, mutta sopivia vanhempia käyttökohteita löytyy lähes mittaamattomasti.
Pienikokoinen invertteri
Sähkökäyttötekniikka - suomalainen teollisuus edelläkävijänä
Suomalainen teollisuus on tehostanut energiankäyttöään varsin hyvin ja yksi avainsana on juuri taajuusmuuttaja. Varsinkin metsäteollisuus on toiminut sähkökäyttötekniikan kehitystä edistäneenä veturina. Taajuusmuuttajakäyttöiset kestomagneettimoottorit pyörivät jo suomalaisessa paperiteollisuudessa. Myös suomalainen hissiteollisuus on ollut ensimmäisten joukossa käyttämässä kestomagneettimoottoreita ja taajuusmuuttajia hissien sähkökäytöissä.
Moottorinohjaustekniikan kehityksen, ja erityisesti vektorisäädön, ansiosta kaikkia kiertokenttäkonetyyppien säätäminen on mahdollista. Oikosulkumoottorin, tahtikoneen, kestomagneettitahtikoneen ja synkronireluktanssimoottorin tarkka nopeudensäätö on mahdollista.
Kestomagneettikoneitten tulo teollisuuden käyttömarkkinoille muuttaa moottorikäyttöjä ratkaisevasti.
LTY:n laboratoriot Suomen parhaita
Lappeenrannan teknillisen yliopiston (LTY) sähkönkäyttötekniikan laboratoriot tekevät yhteistyötä teollisuuden sähkökäyttöjen kehittämiseksi kaikkien merkittävien suomalaisyritysten kanssa. Sähkökäyttötekniikan laboratoriot tarjoavat poikkeuksellisen hyvin varustetun kehitysympäristön teollisuuden sähkökäyttöjen tutkimuksen ja tuotekehityksen tarpeisiin.
LTY on osaltaan vaikuttanut siihen, että Suomi on säilyttänyt paikkansa taajuusmuuttajakehityksen kärjessä. Joka viides invertteri koko maailmassa on suomalaista tuotantoa.
Taajuusmuuttajat testissä