EMC ja taajuusmuuttajat, insinöörin näkökulmia

Transkriptio

1 Mika Masti, ABB Oy drives/teknologia, EMC ja taajuusmuuttajat, insinöörin näkökulmia March 23, 2010 Slide 1

2 Luennoitsijan esittely Tampereella syntynyt, koulutettu ja edelleen asuva TTY -92, DI -00 ja TkT -06, Drives/Teknologia -06 pääaineina sähkömagnetiikka ja laskennallinen fysiikka dippatyö/väitös suprajohteiden karakterisointia/mallinnusta käytännön kokemusta mm. simuloinneista, mittauksista, ohjelmoinnista, opetuksesta, tutkimuksesta, prosessinkehityksestä ja projektijohtamisesta nyt kehitän työkseni LV Drivesin EMC simulointia March 23, 2010 Slide 2

3 Mika Masti, ABB LV Drives/Technology, Liiketoiminnan peruslainalaisuudet March 23, 2010 Slide 3

4 Liiketoiminnan peruslainalaisuudet, insinöörin näkökulma mahdollisimman hyvin määritelmät täyttäviä tuotteita ja palveluita vähimmällä mahdollisella panostuksella ja suurimmalla mahdollisella voitolla suuri määrä ristiriitaisia vaatimuksia, jotka muuttuvat jatkuvasti ajan, maantieteellisen alueen, teknologian, sovellusten ja muiden tekijöiden mukana tavoitteena olla yritys, joka parhaiten yhdistää asiakkaiden vaatimukset teknisiin ratkaisuvaihtoehtoihin ja muuttuviin toimintaympäristöihin johtaa päättymättömään optimointiprosessiin, jolla ei ole stabiilia ratkaisua -> se joka hallitsee asioiden riippuvuussuhteet parhaiten, pääsee useimmin lähelle kokonaisoptimia March 23, 2010 Slide 4

5 Paljon vaatimuksia tuotteille ja palveluille kansainväliset/kansalliset vaatimukset esim. EMC, tulo/lähtöjännitetasot, turvallisuus, kierrätys, EuP, ROHS, yms. alakohtaiset vaatimukset esim. läpilyönti, säätötarkkuus, elinaika, vikakäytös, jne. asiakaskohtaiset vaatimukset esim. lämpötila, kosteus, tärinä, yms. sovelluskohtaiset vaatimukset esim. STO, kommunikointiprotokollat, jne. käyttökohdekohtaiset vaatimukset esim. heikon maadoituksen sieto, yhteensovitus vanhojen/kilpailijan tuotteiden kanssa, vanhoja operointiprotokollia, yms. March 23, 2010 Slide 5

6 Mitä tämä tarkoittaa EMC:n näkökulmasta? EMC ei ole tärkein ominaisuus, mutta ilman EMChyväksyntää tuotetta ei voi myydä EMC-ongelmia ei voi ratkaista oppikirjaratkaisuilla, koska mm. tuotannollisuus, hinta, energiatehokkuus ja tilavaatimukset pakottavat rikkomaan tuttuja ja turvallisia suunnittelusääntöjä myös EMC-hyväksytty laite voi aiheuttaa ongelmia tietyissä kohteissa ja olosuhteissa pitää ymmärtää asioiden riippuvuussuhteet, jotta asiakasta voidaan auttaa kaikissa tilanteissa EMC koostuu laitteesta ja toimintaympäristöstä EMCongelmat havaitaan myöhään, koska ympäristö on tiedossa vasta kaupan neuvotteluvaiheessa johtaa räätälöityihin ratkaisuihin EMC vaatii paljon osaamista, laajaa työkalupakettia ja jatkuvaa silmälläpitoa prosessin kaikissa vaiheissa! March 23, 2010 Slide 6

7 Mika Masti, ABB LV Drives/Technology, Perustaajuusmuuttajan rakenne March 23, 2010 Slide 7

8 Perustaajuusmuuttajan rakenne (1/2) March 23, 2010 Slide 8

9 Perustaajuusmuuttajan rakenne (2/2) pääpiiri muodostuu tyypillisesti kolmesta sisäänmenovaiheesta, diodisillasta, välipiiristä, tehomoduulista ja kolmesta ulostulovaiheesta sekä sisäänmenoon, välipiiriin että ulostuloon voidaan liittää ja usein liitetään erilaisia suotimia ja kuristimia johtuvien EMI-ongelmien poistamiseksi ohjauspiiriin kuuluu mikroprosessoreita, muistipiirejä, ASIC:ja ja tarvittava ohjelmisto, joskus oma teholähde pääpiirin ja ohjauselektroniikan lisäksi laitteesta löytyy aina kommunikointipiirejä, näiden teholähteitä, jäähdytyselementtejä, maadoituspeltejä, ruuveja, johtoja ja iso kasa valinnaisia optioita March 23, 2010 Slide 9

10 Mika Masti, ABB LV Drives/Technology, EMC mittauksista lyhyesti March 23, 2010 Slide 10

11 EMC mittauksista lyhyesti EMC:tä mitataan useilla eri tavoilla, mutta standardit määrittävät aina mittaustavan ja raja-arvovaatimukset tarkoitetusta ympäristöstä sekä tuotteesta riippuen yleisimmin EMC mittaukset jaetaan kahteen luokkaan, johtuviin ja säteileviin matalat taajuudet mitataan pääosin johtumalla näkyvinä jännitepiikkeinä korkeat taajuudet mitataan suoraan kaiuttomissa huoneissa, tms. johtuvien ja säteilevien raja on mittauksien kannalta veteen piirretty viiva, jolla sovitaan käytettävästä menetelmästä kullekin taajuusalueelle. Todellisuudessa tutkittavan osakokonaisuuden ns. sähköinen pituus kertoo milloin on syytä alkaa ottaa huomioon myös säteilevät ilmiöt. March 23, 2010 Slide 11

12 Mika Masti, ABB LV Drives/Technology, Mitä on EMC simulointi? March 23, 2010 Slide 12

13 Mitä on EMC simulointi? Mitä on EMC? ElectroMagnetic Compatibility eli sähkömagneettinen yhteensopivuus on osakokonaisuuden ominaisuus suhteessa ympäristöönsä EMC-simuloinneiksi voidaan mielestäni kutsua kaikkia sähkömagneettisia simulointeja, joissa pyritään: tutkimaan jonkin osakokonaisuuden epäideaalista toimintaa tutkimaan jonkin osakokonaisuuden toimintaa toiminnallisista taajuuksista poikkeavilla taajuuksilla tutkimaan osakokonaisuuksia ja niiden välisiä kytkentöjä tarkoituksesta poikkeavan tyyppisillä lähteillä tutkimaan osakokonaisuuksien vaikutuksia toisiinsa tai ulkopuoliseen ympäristöön (tai päinvastoin) March 23, 2010 Slide 13

14 Miksi simuloida? simulointi voi olla nopeampaa kuin mittaukset, voidaan tehdä usein jo konseptivaiheessa simuloinnin avulla voidaan osakokonaisuuksia testata, vertailla ja optimoida nopeammin sekä tarkemmin enemmän tehoa/nopeutta/tarkkuutta, halvemmalla, pienempään tilaan, yms. simulointien avulla voidaan lisätä ymmärrystä osakokonaisuuden toiminnasta mittauksia paremmin March 23, 2010 Slide 14

15 Mika Masti, ABB LV Drives/Technology, Mitä ja miten voidaan simuloida? March 23, 2010 Slide 15

16 Mitä ja miten voidaan simuloida? (1/6) Alla on tyypillinen EM simulointiprosessi: 1) ongelman muotoilu (taustalla Maxwellin yhtälöt, materiaalivakiot ja väliaineyhtälöt) tutkitaanko sähkökenttiä, magneettikenttiä, virtoja, jännitteitä, S-parametreja, impedansseja, lähikenttiä, säteilyä, pyörrevirtoja, varausjakaumia, siirtolinjan sovituksia, jne. lähteinä jännite/virtalähteitä, antenneja, tasoaaltoja, jne. tutkitaanko tasapainotilan vai siirtymätilan ratkaisua halutaanko tulokset pisteissä, yli pinnan, yli tilavuuden, väliaineessa, lähellä vai kaukana täytyykö malliin lisätä piirikomponentteja tms, pitääkö tulosten olla siirrettävissä muihin muotoihin tai ohjelmiin onko käytettävissä mekaniikkamalleja tms mallin pohjaksi March 23, 2010 Slide 16

17 Mitä ja miten voidaan simuloida? (2/6) 2) numeerinen esitys + sen ratkaisu valitaan Maxwellin yhtälöiden matemaattinen yksinkertaistus halutut asiat, halutuissa paikoissa, halutuilla taajuuksilla laskentamenetelmät perustuvat eri laskentatasoihin (aika/taajuus), ongelman esittämismuotoihin (DY/IY), käyttävät erilaisia diskretointitapoja ja soveltuvat erilaisille ratkaisualueen muodoille (avoin/suljettu) tai kappaleen sähköiselle koolle useimmiten haluttuja suureita etsitään diskreeteissä pisteissä ja ongelma esitetään tietokoneelle matriisimuodossa, jota ryhdytään ratkaisemaan em. tyypin yhtälölle sopivin keinoin (harva/tiivis matriisi, matriisin kuntoluku, symmetrinen/ei-symmetrinen, jne.) March 23, 2010 Slide 17

18 Mitä ja miten voidaan simuloida? (3/6) 3) tulosten verifiointi (tulokset pitää aina arvioida jollakin alla olevista menetelmistä, mieluummin useammalla niistä): arvioidaan tulosten fysikaalisuutta osatulosten suuruuden, keskinäisen suuruuden, taajuuskäyttäytymisen ja kokemuksen perusteella vertaillaan analyyttisiin malleihin toistetaan simuloinnit muutetuilla arvoilla (herkkyysanalyysi) vertaillaan muiden tekemiin tai muilla laskentamenetelmillä tehtyihin simulaatioihin vertaillaan mittaustuloksiin March 23, 2010 Slide 18

19 Mitä ja miten voidaan simuloida? (4/6) Mikä on sähköinen koko ja miksi se on tärkeä? sähköinen koko on osakokonaisuuden suurimman dimension L suhde tutkittavan taajuuden aallonpituuteen λ: mikäli L << λ voidaan olettaa virtojen ja jännitteiden eri osissa osakokonaisuutta olevan samassa amplitudissa ja vaiheessa voidaan käyttää piiriteoriaa ja R-, L-, C- malleja! mikäli L λ, eri kohdissa osakokonaisuutta olevien virtojen ja jännitteiden amplitudeissa, sekä vaiheissa voi olla eroja täysaalto ratkaisija! mikäli L >> λ, useimmiten amplitudien ja vaiheiden erot sivuutetaan ja käytetään keskiarvotettuja tuloksia erilaiset optiikassa ja tutkatekniikassa käytetyt laskentamenetelmät! eli eri sähköisillä pituuksilla erilaiset EM ilmiöt nousevat määrääviksi eri taajuuksilla simulointiongelmia ratkotaan erilaisin matemaattisin menetelmin! March 23, 2010 Slide 19

20 Mitä ja miten voidaan simuloida? (5/6) Ohessa tyypillisiä käytännön EM simulointirajoituksia: tietokoneen laskentateho ja muisti, laskentaan käytettävä aika eri osakokonaisuuksien mallintaminen samassa simuloinnissa, samalla ohjelmalla tai samalla matemaattisella menetelmällä tulosten verifioinnin vaikeus rajoittaa tulosten luotettavuutta matematiikka on usein piilotettu ja eksakteja kaavoja ei anneta edes manuaalissa epävarmuus ohjelman soveltuvuudesta tutkittavaan ongelmaan kasvaa käytännössä EM simulointeja rajoittaa myös käyttäjän osaaminen, käyttöliittymien helppous, käytettävissä olevien simulointiohjelmien tarjoamat vaihtoehdot ja mallin tekoon käytettävissä oleva aika March 23, 2010 Slide 20

21 Mitä ja miten voidaan simuloida? (6/6) Mitä kaupallisten ohjelmistojen puolella on tarjolla? osa EM simulointiohjelmistojen tarjoajista keskittyy yhteen ratkaisumenetelmään (FEM, MoM, TLM, PEEC, jne.), osa tarjoaa yhden käyttöliittymän, numeerisia ratkaisijoita voi ostaa usein suolaiseen hintaan suurin osa ohjelmista (tai ratkaisijoista) on erikoistunut tekemään yhden tyyppiselle osakokonaisuudelle (piirikortti, metallikaappi, johtoviidakko, antenni, jne.) yhden tyyppistä simulointia (S-parametrit, EM suojauskertoimet, RCS, lähikenttiä, kaukokenttiä, SI, osainduktanssien laskenta jne.) nopeasti ja tehokkaasti Mitä ilmaisissa ohjelmissa on tarjolla? lähes mihin tahansa erikoisongelmaan on joku hilavitkutin-softa, mutta tuki, käyttöliittymä ja/tai soveltuvuus laajempiin ongelmakokonaisuuksiin puuttuu tai on luvattoman kryptinen March 23, 2010 Slide 21

22 EMC simulointien erityispiirteitä (1/2) EMC on laitteen ja ympäristön ominaisuus, eli usein muuttujia on liikaa hallittavaksi kerralla EMI-lähteet, johtumisreitit/-tavat ja osakokonaisuudet täytyy valita kokemuksen/arvauksen perusteella (riippuu taajuudesta!) mikään matemaattinen menetelmä/simulointiohjelma ei sovellu kaikille EMI-ongelmille, taajuuksille, rakenteille tai ei ota huomioon kaikkia tarpeellisia ilmiöitä/lähteitä sähkömagnetismin ja matemaattisten menetelmien perusteet, sekä ohjelmien rajoitteet täytyy hallita ennen ohjelmiston valintaa ja mallinnuksen aloittamista. Mallinnusta käytetään osien ja ilmiöiden kvantisointiin, sekä rakenteiden vertailuun, ei olennaisten osien ja ilmiöiden etsimiseen March 23, 2010 Slide 22

23 EMC simulointien erityispiirteitä (2/2) laitteen toiminnallisuuden osaaminen, EMI-lähteiden ja kytkentäreittien näkeminen, laskentamenetelmien ymmärtäminen ja ohjelmien tunteminen on usein liikaa vaadittu yhdeltä henkilöltä eri taustan omaavien henkilöiden täytyy keskustella laitteen osista, toiminnallisuudesta, fysikaalisista ilmiöistä ja matemaattisista menetelmistä jotta pystytään muotoilemaan oikea ongelma oikeille työkaluille oikealla tavalla uutta tuotetta tehtäessä EMC-kysymyksiä sekä mahdollisia ratkaisuvaihtoehtoja on paljon, jolloin hinta, luotettavuus, asennettavuus, vaihdettavuus, jne. ratkaisee. Vanhojen laitteiden ongelmatapausten ratkonnassa aika ratkaisee nopeus on lähes aina tärkeää! yhden kysymyksen ratkaisua ei voida odottaa kauan kun kysymyksiä on monta tai on kiire March 23, 2010 Slide 23

24 Mika Masti, ABB LV Drives/Technology, Lisätietoja March 23, 2010 Slide 24

25 Lisää tietoa esitellyistä aiheista J R Reitz, F J Milford, and R W Christy Foundations of Electromagnetic Theory. Addison Wesley 1993 (Maxwellin yhtälöiden peruskauraa ja muuta peruskamaa) N Mohan, T M Undeland, and W P Robbins Power Electronics. J. Wiley & Sons 2003 (taajuusmuuttajista ja tehokomponenteista) C R Paul Introduction to Electromagnetic Compatibility. J. Wiley & Sons 2006 (EMC, eräänlainen raamattu alallaan) March 23, 2010 Slide 25

26 Lisää tietoa muista aiheista M N O Sadiku Numerical Techniques in Electromagnetics. CRC Press 2001 (yleiskuvaus EM ongelmien luokittelusta ja monien peruslaskentamenetelmien alkeita) A F Peterson, S L Ray, and R Mittra Computational Methods for Electromagnetics. IEEE Press 1998 (erityisesti Maxwellin yhtälöiden integraalimuodoista) D Kincaid and W Cheney Numerical analysis: mathematics of scientific computing, 2nd ed. Brooks Cole 1996 (numeerisen laskennan menetelmistä, ongelmista ja virheistä) March 23, 2010 Slide 26

27 March 23, 2010 Slide 27