Metropolia. Insinööri (AMK) Insinöörityö

Transkriptio

1 Antti Aaltonen Kestomagneettitahtimoottori taajuusmuuttajakäytössä Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK) Sähkötekniikka Insinöörityö

2 Tiivistelmä Tekijä(t) Otsikko Sivumäärää Aika Antti Aaltonenn Kestomagneettitahtimoottori taajuusmuuttajakäytössä 25 sivua + 0 liitettä Tutkinto Insinööri (AMK) Koulutusohjelma Sähkötekniikan koulutusohjelma Suuntautumisvaihtoehto Sähkövoimatekniikka Ohjaaja(t) Lehtori Eero Kupila Tämän opinnäytetön tarkoituksena oli tutkia mahdollisuutta ohjata kestomagneettitahtimoottoria taajuusmuuttajalla sekä selvittää, millaisiaa toimenpiteitä tämän toteuttamiseksi tarvitaan. Opinnäytetyö tehtiinn Metropolia Ammattikorkeakoululle, opinnäytetyön käytännön toteutus suoritettiin Metropolian sähkö- ja energiatekniikan laboratoriossa. Työssä käytiin läpi tahti- eli synkronikoneiden sekää taajuusmuuttajien toimintaan sekä rakenteeseen liittyvää teoriaa, keskittyen kuitenkin työssä t käytettäviin taajuusmuuttaja- sekä tahtikonetyyppeihin. Työssä muunnettiin ABB:n valmistama ACS taajuusmuuttaja kestomagneettitahtikonekäyttöönn sekä kasattiin Metropolian sähkö- ja energiatekniikan laboratorioon taajuusmuuttajastaa ja kestomagneettitahtimoottorista koostuva koneikko. Työn tarkoituksena oli myös lisätä koneikkoon verkkoon jarruttava Vacon-taajuusmuuttaja vastukseksi, jolloin kestomagne eettitahtimoottoria olisi voitu pyörittää lähellää nimellisvirtaa, jolloin koneelle oli tarkoitus suorittaa momentin mittaus. Vacon verkkoon jarrutettavan taajuusmuuttajan vikauduttua ei mittaustaa pystytty suorittamaas an vaan opinnäytetyössä tutustuttiin koneikon käyttöönotttoon, moottorin askelvasteen viritykseen ja moottorin suojaukseen taajuusmuuttajan avulla. Avainsanat Kestomagneettitahtimoottori, taajuusmuuttaja, tahtikone, taajuusmuuttajakäyttö

3 Abstractt Author(s) Title Number of Pages Date Antti Aaltonen Permanent magnet synchronous motor in a variable frequency drive 25 pages + 0 appendices Degree Bachelor of Engineering Degree Programme Electrical Engineering Specialisation option Electrical Power Engineering Instructor( (s) Eero Kupila, Senior Lecturer The purpose of the thesis was to research the possibility of controlling a permanent magnet synchronous motor withh a variable-frequency drive, and to find out the t necessities needed for implementing this setup. This thesis was carried outt for Metropolia University of applied sciences, the hands-on part of this thesis was done in Metropolia s electricity laboratory. This thesis goes through the functionality and structure theories of synchronous machines and variable-frequency drives, mainly focusing on the machine types used for the work. For this thesis an ABB manufactured ACS variable-frequency drive was modified for permanent magnet synchronous motor use and the t drive was used to assemblee an aggregatee with the permanent magnet synchronous motor. m Theree also was an idea to add a Vacon manufactured variable-frequency drive with energy recuperation system to the aggregatee as resistance, so thee permanent magnet synchronous s motor could have been ran near the nominal current. This setup was supposed to bee used for measuring the torque of the motor, but because of the malfunctioning of the Vacon drive, this setup was not possible. Instead the focus iss on the initialization process of the aggregate. Keywords Permanent, Synchronou s, Magnet, Motor, Variable Freaquency Drive

4 Sisällys Lyhenteett 1 Johdanto 2 Tahtikone Tahtikonetyypit Synkroniset reluktanssikoneet Vierasmagnetoidut tahtikoneet Kestomagneettitahtikoneet Kestomagneettikoneiden rakennee Kestomagneettikoneiden magneettien materiaalit Kestomagneettikoneiden roottorin erilaiset rakenteet Kestomagneettitahtikoneiden sovelluksia Taajuusmuuttaja Taajuusmuuttajan ominaisuudet Taajuusmuuttajan rakenne Tasasuuntaajaa Välipiiri Vaihtosuuntaaja Ohjausyksikköö Taajuusmuuttajan säätötavat Skalaarisäätö Vektorisäätö Suora vääntömomenttisäätö (DTC) Työssä käytettävä taajuusmuuttaja Taajuusmuuttajan ohjelmistoo 5 Työssä käytettävä kestomagneettikonee 6 Taajuusmuuttajan sekä kestomagneettitahtimoottorin käyttöönotto Askelvastekoe sekä moottorin suojaus taajuusmuuttajan avulla 7 Pohdinta Lähteet

5 Lyhenteet AC Alternating Current vaihtovirta v DC Direct Current tasavirta t DTC Direct Torque Control suora s vääntömomenttisäätö IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor eristehilabipolaaritransistori PM Permanent Magnet kestomagnek eetti PMSM Permanent Magnet Synchronous Machine kestomagnek eettitahtikone PWM Pulse Width Modulation, pulssinleveyp ysmodulaatio

6 1 1 Johdanto Opinnäytetyö tehtiin Metropolia Ammattikorkeakoululle. Työn tarkoituksena oli selvittää, millaisia toimenpiteitä tarvittaisiin Metropolia Ammattikorkeakoulun sähkö- ja energiatekniikan laboratoriossa sijaitsevalle ABB:n valmistamalle 25 kw:n kestomagneettitahtimoottorille, jotta sitä pystyttäisiin käyttämään sähkömoottorikäyttönä. Työn teoriaosuudessa tutustutaan tahtikoneiden sekä taajuusmuuttajien ominaisuuksiin ja rakenteisiin, perehtyen tarkemmin kuitenkin työssä käytettäviin tahtikone- ja muuttajatyyppeihin. Osuudessa tutustutaan myös kolmeen yleisimpään tahtikonetyyppiin ja pohdiskellaan näiden hyötyjä sekä haittoja verrattuna työssä käytettävään tahtikonetyyppiin. Työn loppuosassa tutustutaan valittuun taajuusmuuttajatyyppiin ja kerrotaan, millaisia toimenpiteitä muuttajalle piti tehdä, jotta se sopisi kestomagneettitahtimoottorikäyttöön. Loppuosassa kerrotaan myös taajuusmuuttajasta sekä kestomagneettitahtimoottorista kootusta koneikosta, sekä koneikon käyttöönottoon tarvittavista toimenpiteistä. 2 Tahtikone 2.1 Tahtikoneiden ominaisuuksia Tahtikone eroaa normaalista epätahtikoneesta siten, että se pyörii täsmälleen vaihtovirran taajuuden ja koneen napaluvun mukaisella nopeudella. Tahtikoneita käytetään yleisesti suuritehoisissa sovelluksissa, sillä tahtikoneiden hyötysuhde on yleensä induktiokoneita parempi, eron ollessa noin parin prosentin luokkaa. Tahtikoneet eroavat myös mekaanisesti oikosulkukoneista, sillä tahtikoneissa staattorin ja roottorin ilmaväli on suurempi, koska roottori magnetoidaan johtamalla magnetointivirta roottorin käämitykselle, toisin kuin oikosulkukoneissa, joissa ilmaväli on mahdollisimman pieni paremman hyötysuhteen saavuttamiseksi.

7 2 Tahtikoneiden rakenteellinen pääjako tapahtuu roottorin naparakenteen mukaan kahteen eri luokkaan: avonapakoneet ja umpinapakoneet. Avonapakoneissa käämitys on rakennettu roottorista ulkonevien u napojen ympärille, kun taas umpinapakoneissa käämitys on rakennettu roottoripaketin uriin. Molemissa ratkaisuissa staattorin käämityss on kuitenkin aina lähes samanlainen. Alla olevassaa kuvassa 1 on selvenetty avonaparoottorin ja umpinaparoottorin ero. Kuva 1. 2-napaisen umpinapako oneen roottori sekä 4-napaisen avonapakoneen roottori [1, s. 1]. Rakenteellisen pääjaon jälkeen tahtimoottorit jaetaan yleensää vielä magnetoinninn mukaan virtamagnetoidut sekä kestomagnetoidut koneet, eli käytetäänkö tahtikoneent n roottorin tarvitsemaan magnetointiin apuvirralla luotua magneettikenttää vai kestomagneetein luotua magneettikenttää. Tahtikoneissa käytetään myöss kahta eri tapaa tuoda magnetointivirta roottoriin, harjallisesti tai harjattomasti. Harjallisten tahtikoneiden kohdalla käytetään roottoriin kiinnitettyjä liukurenkaita ja näihin koko ajan kosketuksissa olevia hiiliharjoja. Harjattomissa koneissa magnetointivirta syötetään koneen akselille sijoitetulla magnetointikoneella, jonka avulla tuotettu vaihtojännite syötetään diodisillan kautta magnetointikäämitykseen. [1, s. 1; 2; 3; s. 2-11;4 s. 1; 5 s. 8]

8 3 2.2 Tahtikonetyypitt Kuva 2 Tahtikoneperhe [4, s. 1] Tahtikoneet voidaan yllä esitetyn kuvan 2 tapaisesti jakaa useaan eri kategoriaan, mutta pääsääntöisesti sanotaan tahtikoneita olevan kolmea eri tyyppiä vierasmagnetoidut tahtikoneet, reluktanssikoneet ja kestomagneettitahtikoneet, joihin tässä työssä tutustutaan tarkemmin Synkroniset reluktanssikoneet Reluktanssikoneet sijoitetaan vielä yleisesti erikoskoneiden joukkoon, mutta kiinnostuss ja kehitys tätä konetyyppiä kohtaan on ollut lähiaikoina huimassa kasvussa, johtuen tehoelektroniikan kehityksen tuomien läpimurtojen vuoksi [6, s. 1]. Koneen toimintaperiaate perustuu reluktanssiin eli magneettiseenn vastukseen, eikä sen roottorin rakenteessaa ole käämitystä tai kestomagneetteja. Roottori on rakennettu, jotta sen vaiheinduktanssi olisi kiertymän suhteen mahdollisimman suuri. Tämää on saatu aikaseksi rakentamalla roottori ferromagneettisestaa aineestaa sekä oikeanlaisellaa muotoilulla ja lamoimisella. Reluktanssikoneen hyviä h puolia ovat hyötysuhde, tehokkuus sekä niiden kevyt rakenne, huonoksi puoleksi voidaann lukea koneen pientä ilmaväliä, jonka vuoksi kone ei sovi tiloihin, joissa on paljon tärinää. Synkronisen n reluktanssikoneen käynnistys ei tapahdu itsestään, joten käynnistämiseen tarvitaan häkkikäämitys, tai nykyään useimmiten suora taajuusmuuttajaohjaus. [7, s. 20; 3, s ]

9 4 Reluktanssikoneen toimintaperiaatetta voidaan valaista alla olevalla kuvalla 3 Kuva 3. Reluktanssikoneen staattori sekä roottori kahdessa eri tilassa. [8, s. 17] Tässä kuvassa staattorin navat 1 & 4, 2 & 5 sekä 3 & 6 luovat kutsutaan näitä vaiheita L1, L2 sekä L3. kukin yhden vaiheen, Kohdassaa a) roottori on paikoillaan ja sen navat 1 jaa 3 ovat kohdakkain vaiheen L3 kanssa. Kun L1-vaiheen käämiin syötetään virta, muodostuuu sen napojen välille magneettivuo. Tämää magneettivuo lähteee kulkemaan sinne, mistä sen on helpoin kulkea eli tässä tapauksessa navalta 1 ilmavälin kautta roottorin navalle 2 ja siitä suoraan roottorin navalle 4. Siitä magneettivuo jatkaa ilmavälin kauttaa staattorin napaan 4. Staattorin, roottorin ja näiden välisen ilmavälin muodostama magneettipiiri pyrkii tilaan, jossa sen reluktanssi eli magneettivastus on pienimmillään. Koska roottori on rakennettu ferromagneettisesta materiaalista ja se on o muotoiltuu sellaiseksi, että sen reluktanssi on pienempi kuin ilman, liikahtaa roottorin navat 2 ja 4 staattorin napoja 1 ja 4 vasten kohdan b) mukaisesti. Tämän jälkeen virta katkaistaan vaiheelta L1 ja syötetään vaiheelle L2, jolloin roottori jatkaaa tätä pyörimisliikettä. [8, s. 17.] Reluktanssikonetta verratessa tässä työssä käytettyyn kestomagneettitahtimoottoriin. voidaan sanoa, että kyseisillä konetyypeillä päästään lähes samankaltaiseenn suorituskykyyn, kestomagneettikoneella on kuitenkinn parempi hyötysuhde. Parempi puoli konetyypissä on kuitenkin se, että kalliita kestomagneetteja ei tarvita, jolloin konetyyppi on halvempi rakentaa ja huoltaa, demagnetoitumisen vaaraaa ei ole ja

10 5 konetyyppi kestää kovempia kierrosnopeuksia. Synkronisten reluktanssikoneiden yleistyessä voidaan nähdä tämän konetyypin syrjäyttävän kestomagneettikoneet pienitehoisissa sovelluksissa. [3, s ] Vierasmagnetoidut tahtikoneet Vierasmagnetoiduissa tahtikoneissa tarvittava magneettikenttä luodaan tuomalla tarvittava virta erillisellä muuntajalla roottorin napakengille, magnetointivirta voidaan käytännössä vierasmagnetoiduissa koneissa tuoda harjallisesti tai harjattomasti. Vierasmagnetoidun tahtikoneen tarvitsevan erillisen muuntajan takia näillä koneilla ei päästä samoihin hyötysuhteisiin kestomagneettikoneiden kanssa, johtuen muuntajan aiheuttamista lämpöhäviöistä. Vierasmagnetoidun tahtikoneen yksi hyvistä ominaisuuksista on myös sen käyttäminen loistehon kompensointiin generaattorikäytössä. Tämä tapahtuu yli- tai alimagnetoimalla koneen käyttäen vierasmagnetoidun tahtigeneraattorin magnetointivirran säätömahdollisuutta. Ylimagnetoituna kone alkaa tuottamaan induktiivista loistehoa verkkoon, kun taas alimagnetoituna koneen magnetointiin syntyy vajaus jonka kone korjaa ottamalla verkosta induktiivististä loistehoa, täten kompensoiden loistehoa verkosta. Kompensoinnissa käytettävän tahtikoneen magnetointivirtaa voidaan pudottaa kuitenkin vain tiettyyn pisteeseen, jonka jälkeen kone putoaa tahdista. Vierasmagnetoidut tahtikoneet ovat yleisesti käytössä suuritehoisissa sovelluksissa niiden hyvän hyötysuhteen takia. Etuna samankaltaiseen vierasmagnetoituun tahtikoneeseen on mahdollisuus säätää magnetointivirtaa, jolloin magnetointivirta voidaan kytkeä kokonaan pois päältä ja säädettävällä magnetointivirran avulla on myös mahdollista päästä kentänheikennysalueella helpommin. [9, s. 32; 3 s.1-8; 22, s.18] 2.3 Kestomagneettitahtikoneet Kestomagneettitahtikone on tahtikone, jossa roottorin käämitykset ovat korvattu joko pintaan kiinnitetyillä tai upotetuilla kestomagneteeilla, jolloin roottoriin ei tarvitse syöttää erillistä magnetointivirtaa kuten vierasmagnetoiduissa tahtikoneissa, vaan magnetointi

11 6 on pysyvä. Koska kestomagneettikoneiden magneettikenttä on pysyvä, se hankaloittaa a mahdollisuuksia päästä kentänheikennysalueelle, sekä aiheuttaa ongelmia, kun magnetointi pitäisi pystyä kytkemään pois kestomagneettikoneiden kanssa pitäisi suojautua päältä. Tämän vuoksi mahdollisilta ylinopeuksilta tai tahattomalta pyörimiseltä. Näiden estämiseksi käytetään yleisesti erillistä jarruvastustaa ja koneen mahdollistaa erotusta sähköverkosta. Kestomagneettitahtikone on toiminnaltaan samankalta ainen kuin muutkin tahtikoneet, eli roottori on magnetoitu sisältäpäin ja se pyörii sisäisen magneettikentän sekä syöttävän verkon kanssa samalla nopeudella. Roottorin pyöriminen kestomagneettitahtikoneessa tapahtuu, kun staattorin kolmivaihekäämitys synnyttää pyörivän magneettikentän ja roottorissa sijaitsevatt kestomagneetit pyrkivät menemään staattorin synnyttämän magneettikentänn suuntaisesti, mikä aiheuttaa roottorin pyörimisen. Toiminta voidaan havainnollistaa allaa olevan kuvan 4 avulla. Kuva 4. Avonapaisenn kestomagneettitahtikoneen toimintaperiaate, jossa omega s on roottorin pyörimissuunta. Risteillä sekä pisteillä havainnollistetaann virran suuntaa, ristin ollessa tasosta suoraan alaspäinn ja pisteen tasosta ylöspäin. [5, s. 8].

12 7 Kestomagneettikoneiden magneettikenttä on yleensä melko symmetrinen, ja koska roottori on kestomagnetoitu, ei roottorissa tapahdu lämpöhäviötä magneettivirran puuttumisen takia. Kestomagneettitahtikoneissa on erittäin hyvä hyötysuhde varsinkin pienillä kierroksilla. Tämän johdosta myös tehon ja painon suhde on kestomagneettitahtimoottoreissa erinomainen, helpottaen käyttännön sovelluksia. Kestomagneettitahtokoneiden yksinkertainen roottorirakenne takaa myös hyvän luotettavuuden ja yhdistettynä pieniin roottorihäviöihin kestomagneettitahtikoneilla on yleensä erittäin pitkä käyttöikä. Kestomagneettikoneiden vahvuuksia ovat myös säädön tarkkuuden helppous, ja korkea tehokerroin, joka on hyödyllinen ja vähemmän rasittava ohjauksessa käytettävälle taajuusmuuttajalle. Täysin positiivisia eivät kuitenkaan kestomagneettitahtikoneet ole. Haitoiksi voidaan lukea kestomagneettimateriaalinen korkeat materiaalikustannukset, hankalampi valmistusprosessi, liian korkean lämpötilan tai ajan kuluessa magneettien mahdollinen demagnetoituminen sekä kestomagneeteista johtuva kokoaikanen magnetointi. Tämä voi johtaa koneen tai taajuusmuuttajan välipiriin tuhoutumiseen sen pyöriessa liian kovalla ylinopeudella. [10, s. 1-14; 5, s 8-13] Kestomagneettikoneiden rakenne Kestomagneettikoneiden rakenne on hyvin riippuvainen roottorin rakenteesta. Kestomagneettikoneen roottori voidaan rakentaa usealla eri tavalla, mutta yleisin tapa on upottaa tai liimata kestomagneetit rautaan roottorin pinnalle. Erilaisiin roottorin rakenteisiin tutustutaan luvussa 2.5 lisää. Staattorin rakenne kestomagneettitahtikoneissa on yleisesti samanlainen 3-vaiheinen vaihtovirtakäämitys kuin induktiokoneissa, eli tähteen tai kolmioon kytketty symmetrinen käämitys. Periaattessa kestomagneettikoneiden rakenne on hyvin samankaltainen kuin tasavirtamoottori käännettynä nurinpäin, eli roottori on magnetoitu sisäpuolelta ja käämitys on tehty staattorissa. [5, s. 8-13]

13 8 2.4 Kestomagneettikoneiden magneettienn materiaalit Kestomagneettikoneiden magneeteissa käytetään materiaaleina harvinaisiaa maamateriaaleja, vanhemmissaa koneissa käytettiin samarium-koboltti-yhdistettä mutta nykyisin yleisimmin käytössä oleva yhdiste on neodyymi-boori-rauta, koska tällää yhdisteellä on parhaat magneettiset ominaisuudet ja energiatulo. [10, s. 3]. Kestomagneettimateriaalien ominaisuuksia kuvataan seuraavilla s tavoilla: Hystereesikäyrä, jossa kuvaajann avulla voidaan tutkia kestomagneetin magnetoitumista ja demagnetoitumista. Kuva 5. Hysteerisikäyrä, jossa x-akselilla aineen ulkoinen magneettikenttä ja y-akselillaa aineen sisäinen magneettikenttä, joka riippuu aineen magnetoitumasta. BR on remanenssi, Hc on koersitiivisyy ys. [10, s. 2] Remanenssi Br: Aineen ominaisuus joka mittaa aineeseen jäävää magnetoitumaaa ulkoisen magneettikentän poistuessa. Remanenssin yksikkö on tesla, ja remanenssi on lämpötilariippuvainenn suure. Kestomagneettikoneissa käytettävillä magneeteilla a tarvitaan suuri remanenssi. [11, s. 1] Koersiivisyys Hc: Aineen magneettisesta pehmeydestä kertovaa suure. Koersiivisuuss kertoo materiaalille magnetoituman nollaamiseksi tarvittavan magneettikentänn

14 9 voimakkuuden. Koersiivisuuden yksikkö on A/m kuten magneettikentän voimakkuudenkin. Koersiivisuus on lämpötilariippuvainen suure. [12, s. 1] Muita kestomagneettien tutkimiseen käytettäviä suureita ovat seuraavat: Maksimienergiatulo BH: Suurin mahdollinen magneettiseen materiaaliin varastoitunut energia, kestomagneeteilla yleensä optimaalinen työpiste. Työpiste: Kuorman ja degmagnetoitumiskäyrän leikkauspiste. Permeabiliitti: Magneettisen materiaalin magneettivuon käyttäytyminen ulkoisessa magneettikentässä. Curie-lämpötilä: Lämpötila jonka yläpuolella magneettinen materiaali menettää magneettisen ominaisuutensa. Hyvällä kestomagneettitahtimoottoriin valitulla magneetilla on korkea Curie-lämpötila, korkea remanenssi mahdollisimman voimakkaan magneettikentän luomiseksi sekä suuri koersitiivivoima mahdollisen demagnetoitumisen estämiseksi. [10, s. 1-5] Alla olevassa kuvasta 6 ja taulukosta 1 voidaan tutustua lähemmin kahteen kestomagneettitahtimoottoreissa yleisemmin käytettäviin kestomagneettimateriaaleihin: neodyymi-rauta-boori (NdFeB) sekä samarium-koboltti (Sm2Co17)

15 10 Kuva 6. Kestomagneettimateriaalien kehitys 1900-luvulla. X-akselilla vuosi,, y-akselillaa maksimienergiatulo BH. [13, s. 1] Taulukko 1. Kestomagneettimateriaalien ominaisuuksia [14]. Taulukosta nähdään, että Neodyymi-rauta-boori onn voimakkaampi magneetti kuin samarium-koboltti, mutta häviää samarium-koboltille lämpötilan sekä korroosion kestossa. Tämän vuoksi on oleellista, että uusillaa kestomagneettitahtimoottoreilla huolehditaan hyvin koneen jäähdytyksestä. [10, s 1-14]

16 Kestomagneettikoneiden roottorin erilaiset rakenteet Kestomagneettikoneen roottorissa sijaitsevien magneettien asettelulla on tärkeä t rooli koneen toiminnassa, sillä kestomagneetein luotava magneettikenttä vaikuttaaa oleellisesti koneen toimintaan. Magneetitt voidaan asetella usealla eri tavalla, alla olevassa yleisimmin käytetyt magneettien n asettelutavat. [15, s. 1] 1 kuvassa 7 esitettynä Kuva 7. Kestomagneettitahtimoottorin roottorin yleisimpiä magneettien asettelutapoja: a) Perinteinen tapa,, häkkikäämityksen sisältävä ja oikosulkukoneeseen perustuva käämitys. b) kestomagneetit on asennettuu roottorin sisäpuolelle ns. napakenkäroottori c) kestomagneetit on asennettu roottorin pinnalle, d) kestomagneetit on upotettu roottoriin, e) kestomagneetit ovat upotettuja sekä symmetrisesti aseteltuja, f) kestomagneetit ovat upotettuja sekä asymmetrisestii aseteltuja. [15, s. 1]

17 Kestomagneettitahtikoneiden sovelluksia Kestomagneettitahtikoneiden hyötysuhde tulee parhaiten esiin erittäin isotehoisissa käytöissä, joissa parin prosentin hyötysuhteella on merkitystä m säästettävän energiann hinnassa. Suurin mahdollinen hyöty kestomagneettitahtikoneestaa saadaan pyörimisnopeudeltaan hitaissa, vaihteettomissa suhteellisen suurissa moottorikäytöissä. Tällöin kestomagneettitahtimoottorin hitailla pyörimisnopeuksilla saavutettava korkea momentti pääsee parhaiten esiin yhdistettynä koneen korkeaan hyötysuhteeseen. Tälläisiää sovelluksia ovat muun muassa laivojen potkurikäytöt, pumput jaa puhaltimet, hissi- ja kuljetinhihnakäytöt sekä paperi- ja metalliteollisuudessa käytettävät suuret rullaavat koneet. Kestomagneettitahtimoottorikäyttöjä löytyyy myös hybridiautojen sähkömoottoreina. Generaattorikäytössää kestomagneettikoneet ovat suosittuja isoissa megawattiluokan tuulivoimaloissa. Tälläisissä käytöissä ongelmaksi saattaa muodostua kestomagneettikoneiden magneettimateriaalien hinta. Alla olevassa kuvassa 8 verrattaan kalliiden kestomagneettimateriaalien tarvittavaa määrää tuuligeneraattori- sekä hybridiautosovelluksessa. Kuva 8. Kestomagneettimateriaalien määrä kilogrammoina tuuligeneraattorissa sekä hybridiautossa [10, s. 6].

18 13 3 Taajuusmuuttaja 3.1 Taajuusmuuttajan ominaisuudet Taajuusmuuttaja on yleensä kolmivaiheinen sähkölaite, joka kytketään syöttävän verkon ja ohjattavan sähkökoneen välille. Taajuusmuuttaja muuttaa syöttävän verkon taajuutta, amplitudia, ja sen avulla pystytään muokkamaan verkosta tulevaa jännitettää ja virtaa, jolloin pystytään portaattomasti ohjaamaan sähkökoneenn pyörimisnopeutta. Taajuusmuuttajatyyppejä on kahdenlaisia, välipiirillisiä ja välipiirittömiä. Välipiirittömissä syöttävän verkon taajuutta muunnetaan suoraan puolijohdetehokytkimien avulla, tällöin puhutaan myös suorasta taajuusmuuttajasta. Välipiirilliset taajuusmuuttajat taas toimivat asasuuntausta ja vaihtosuuntausta käyttäen, eli syöttävän verkon jännitteestäj ä tehdään ensin tasajännitettä tasasuuntaajalla, joka tämän jälkeen muunnetaan n vaihtosuuntaajalla halutun mukaiseksi vaihtojännit tteeksi. Tässä työssä käytettyy taajuusmuuttaja on välipiirillinen, joten siihen keskitytään tarkemmin. 3.2 Taajuusmuuttajan rakennee Välipiirillinen taajuusmuuttaja koostuu neljästä pääosasta: tasasuuntaajasta, välipiiristä, vaihtosuuntaajasta ja ohjausyksiköstä. Välipiirilliset taajuusmuuttajat jaetaan vielä virta- ja jännittevälipiirillisiin taajuusmuuttajiin. Alla olevassa kuvassa 9 on välipiirillisen taajuusmuuttajan rakenne periaatekaavionaa [16, s. 1-4]. Kuva 9. Välipiirillisen taajuusmuuttajan rakenne periaatekaavionaa [16, s. 2]

19 Tasasuuntaaja Taajuusmuuttajissa olevan tasasuuntaajan tehtävänä on muuttaa verkosta tuleva vaihtojännite tasajännitteeksi. Tasasuuntaus toteutetaan tehoelektroniikan komponenteilla, yleisin ja yksinkertaisin on diodeilla toteutettu tasasuuntaaja. Muita vaihtoehtoja toteuttaa tasasuuntaus ovat tyristorit, tehotransistorit sekä kaikkien komponenttien yhdistelmät. Täysin diodeilla toteuttua tasasuuntaajaa kutsutaan ohjaamattomaksi tasasuuntaajaksi ja täysin tehotransistoreilla tai tyristoreilla toteutettua ohjatuksi tasasuuntaajaksi. Taajuusmuuttajissa yleisin tapa toteuttaa tasasuuntaus on diodeilla rakennettu kuusipulssitasasuuntaaja. [19, s. 4-5] Välipiiri Taajuusmuuttajan välipiirit ovat jaettu kahteen eri luokkaan, jännitevälipiirilliset sekä virtavälipiirilliset välipiirit. Yleisin ratkaisu on kuitenkin jännitevälipiirillinen taajuusmuuttaja, jota tässäkin työssä käytetään. Jännitevälipiirillisen taajuusmuuttajan välipiiri on rakennettu käyttäen elektrolyyttikondensaattoreita ja sen ideana on toimia taajuusmuuttajan energiavarastona. Ohjausyksikön avulla myös erotetaan tasasuuntaja ja vaihtosuuntaaja toisistaan. Välipiirin elekrolyyttikondensaattoreiden tehtävänä on suodattaa tasasuuntajalta saatua jännitettä. Välipiiri sisältää myös erittäin usein kuristimen, jonka tarkoituksena on tasoittaa tasajännitteen muutoksia. Kaikki taajuusmuuttajat eivät sisällä välipiiriä, ja tälläisiä muuttajia kutsutaan suoriksi taajuusmuuttajiksi, mutta nämä ovat kuitenkin nykyään harvinaisempia. [17; 19 s.6] Vaihtosuuntaaja Taajuusmuuttajan vaihtosuuntaajan tehtävänä on muuttaa välipiiriltä saatu tasajännitte sähkömoottorin käyttämäksi halutun taajuiseksi vaihtosähköksi. Työssä käytetyssä taajuusmuuttajassa käytetään pulssinleveysmodulaatiota (PWM).

20 15 PWM toimii leikkaamalla välipiiristä saadusta tasajänniteestä eripituisia pulsseja, joiden keskiarvosta muodostuu vaihtojännite, jonka taajuutta ja amplitudia voidaan muokata. PWN toteutaan käyttämällä tyristoreja tai transistoreja, yleisin tapa on on käyttää IGBTtransistoreja. [6, s ; 17 ; 19, s. 19] Ohjausyksikkö Taajuusmuuttajan ohjausyksiköllä on tehtävänä ottaa vastaan taajuusmuuttajaa ohjaavien laitteiden viestit sekä lähettää ne eteenpäin taajuusmuuttajan puolijohdekomponenteille. Ohjausyksikkö sisältää taajuusmuuttajan ohjausliittännät, joita käytetään ohjausviestien vastaanottamiseen sekä lähettämiseen. Käytännössä taajuusmuuttajan ohjaus tapahtuu parametroinnilla. Nämä ovat yksilöityjä arvoja joilla toteutetaan taajuusmuuttajan ohjaus. [17, s. 31] 3.3 Taajuusmuuttajan säätötavat Perinteisesti taajuusmuuttajilla on kolme erilaista tapaa vaikuttaa sähkömoottorin pyörimisnopeuteen tai vääntömomenttiin. Nämä ovat skalaarisäätö, vektorisäätö sekä suora vääntömomenttisäätö (Direct torque control, DTC). Tässä työssä tärkein säätötapa on DTC, mutta tutustutaan alla näihin kolmeen yleisimpään tapaan Skalaarisäätö Skaalarisäätö on kolmikosta yksinkertaisin tapa säätää moottorin pyörimisnopeutta, ja tämä tapahtuu vaikuttamalla suoraan moottorille lähtevän jännitteen taajuuteen. Tämä muutos taajuudessa vaikuttaa lineaarisesti lähtöjännitteeseen nostaen sitä aina nimellisjännitteeseen asti, minkä jälkeen jännite pysyy vakiona. Skaalarisäädössä ei tarvitse mitata moottorin pyörimisnopeutta tai roottorin asentoa, vaan säädössä tarkastellaan pelkästään moottorin nopeuden ohjearvoa. Skalaarisäädön haittapuoleksi voidaan lukea säädön epätarkkuus sekä säädön aiheuttama pieni käynnistysmomentti. Hyvänä puolena on säädön yksinkertaisuus sekä

21 16 hinta. Skalaarisäätöä käytetään yleisesti sovelluksissa, joissa ei tarvita tarkkaa nopeudensäätöä tai korkeaa käynnistysmomenttia, esimerkkinä pumppu- ja puhallinkäytöt [5, s ] Vektorisäätö Vektorisäätö on kehitetty versio skalaarisäädöstä, jossa taajuusmuuttaja tarvitsee tietoja käytettävältä sähkömoottorilta. Vektorisäätö on myös lähellä suoraa vääntömomenttisäätöä, sillä vektorisäädössä pystytään säätämään moottorin vääntömomenttia. Vektorisäädössä säädettävät muuttujat ovat virta, taajuus sekä jännite [5, s ]. Säätö toteutetaan mittaamalla moottorin pyörimisnopeutta, roottorin asentoa sekä staattorin käämien virtoja. Nämä tiedot syötetään taajuusmuuttajan ohjauslogiikkaan, joka määrittää ohjaussuureen käyttämällä moottorin matemaattista mallia sekä takaisinkytkentöjä. Vektorisäädön eduksi voidaan sanoa hyvä säädön tarkkuus, vääntömomentin mahdollinen säätäminen sekä korkea käynnistysmomentti. Huonona puolena vektorisäädöllä on sen monimutkaisuus sekä edellytys takaisinkytkentään ja modulaattoriin [5, s ] Suora vääntömomenttisäätö (DTC) DTC-säätö on ABB Oy:n kehittämä ja patentoitu taajuusmuuttajien ohjaustapa. DTC:ssä säädettäviä muuttujia ovat magneettivuo sekä momentti. Kuten vektorisäädössä myös DTC:ssä vääntömomenttia ja käämivuota säädellään toistaan riippumatta. Isoimpana erona vektorisäätöön on se, että DTC:llä taajuusmuuttaja ei tarvitse moottorin pyörimisnopeutta tai roottorin asentoa, vaan säätö tapahtuu erittäin tarkan matemaattisen moottorimallin avulla, jonka avulla taajuusmuuttaja laskee moottorin tilatiedot itse. DTC-säätö on tällä hetkellä kaikkein kehittynein markkinoilla oleva ohjausmenetelmä, DTC-säädön hyviä puolia ovat erittäin tarkka säätö, korkea käynnistysmomentti ja vektorisäätöön verrattuna yksinkertainen rakenne. Alla olevassa kuvassa 10 on selitetty DTC-säädön toimintaperiaate lohkokaaviona [5, s ].

22 17 Kuva 10. DTC-säädön toimintaperiaate lohkokaaviona[21 s. 18] 4 Työssä käytettävä taajuusmuuttaja ACS käyttää DTC-ohjaustapaan, mutta sen avulla on myös mahdollista käyttäää skalaari- tai vektoriohjausta standardiohjelmistolla. Työssä käytetään Metropolia Ammattikorkeakoulun sähkö- ja energiatekniikann laboratoriossa sijaitsevaa seinälle asennettavaa taajuusmuuttajaa ACS ABB:n valmistama ACS on yrityksen valmistama perusmalli, p sen tehoalue kattaaa runkokoosta riippuen 0, kw. Kyseinen taajuusmuuttajaa sisältää 6-pulssisen tasasuuntajaan, elektrolyyttikondensaattorilla toteutetun välipiirin sekä IGBT- vaihtosuuntaajan. Kyseessä onn single drive -malli joka tarkoittaa sitä, että kyseinenn taajuusmuuttaja on tehty t käytettäväksi itsenäisesti. ABB:lta A on myös saatavilla multi drive tuoteperhe, jolloin taajuusmuuttajia pystytään yhdistelemään.

23 18 Kuva 11. ACS Taajuusmuuttaja Taajuusmuuttaja ei suoraan sovellu kestomagneettitahtimoottorinn ajamiseen, vaan jotta muuttajallaa pystyttäisiin pyörittämään kestomagneettitahtimoottoria, pitää muuttajan sisällä sijaitseva ohjauskortti vaihtaa. Ohjauskortin vaihtaminen taajuusmuuttajan kävi helposti. h Tämä tapahtui ABB:n työntekijänn Heikki Mörskyn avustuksella. Vaihtotyö aloitettiinn varmistamalla että taajuusmuuttaja oli jännittetön, jonka jälkeen taajuusmuuttajan kotelo irrotettiin. Tämän jälkeen taajuusmuuttajan sisältä paikallistettiin vanha standardiohjelmiston sisältävää ohjauskortti. Ohjauskortin liittimet irrotettiin ja korttia paikallaan pitävät ruuvitt poistettiin, jonka jälkeen vanha kortti irrotettiin. Uusi fyysisesti samankaltas ainen kortti asennettiinn suoraan samalle paikalle. Toimenpide oli yksinkertainen ja helppoo suorittaa. Ohjauskortti sisältäää taajuusmuuttajaa ohjaavan ohjelmiston o tarvitaan eri ohjelmistot, tässä tapauksessa vanha ja eri konetyypeillee ohjauskortti sisälsii

24 19 oikosulkumoottoriin ohjaukseen tarvittavan ohjelmiston ja se vaihdettiin kestomagneettitahtimoottorin ohjaukseen tarvittavaan ohjelmistoon. Taajuusmuuttajan ohjelmisto Kestomagneettitahtikoneen ajamiseen käytettävä ohjelmisto perustuu ACS-800- standardiohjelmistoon, ja useammat toiminnot ovat täysin samoja. Ohjelmisto kuitenkin eroaa standardiohjelmistosta siten, että se perustuu täysin DTC-ohjaukseen, jolloin skalaari- sekä vektoriohjaustavat poistuvat käytöstä. Kestomagneettiohjelmistolla ei myöskään pystystä ajamaan kuin yhtä konetta kerrallaan, toisin kuin standardiohjelmistolla. Johtuen kestomagneettitahtikoneen kokoaikaisesti staattorin magnetoinnista kestomagneettiohjelmisto rajoittaa koneen maksimipyörimisnopeutta eri suhteessa kuin lähdön jännitteen taajuutta. Tällä tavalla ohjelmisto suojaa kestomagneettikonetta putoamasta tahdista tai sen pyörimisestä ylinopeudella vahingoittaen taajuusmuuttajan komponentteja. Ohjelmisto määrittää absoluuttisen nopeusrajoituksen rajoittamalla muunnettavaa jännitettä arvoon 1.4 kertaa nimellisjännite, maksimitaajuden ollessa kuitenkin 400 Hz. [24, s ] 5 Työssä käytettävä kestomagneettikone Työssä käytetään Metropolia Ammattikorkeakoulun mittauslaboratoriossa sijaitsevaa ABB:n valmistamaa M2BJ225SMC-10-B3 3-vaiheista 25:n kw kestomagneettitahtimoottoria. Kyseisessä työssä käytettiin kolmiokytkentään johtuen sähkö- ja energiatekniikan mittauslaboratorion pääjännitteestä.

25 20 Taulukko 2. Kestomagneettitahtikoneen kilpiarvot Jännite [V] 640 Y 370 D Nimellistaajuus Nimellisteho Nimellispyörimisnopeus Nimellisvirta [Hz] [kw] [r/min] [A] Cosφ ,, ,,92 Nmaxx 800 r/ /min Paino 320kg Kuva 12. M2BJ225SMC-10-B3 Kestomagneettitahtimoottori 6 Taajuusmuuttajan sekä kestomagneettitahtimoottorin käyttöönotto Taajuusmuuttajan sekä kestomagneettitahtimoottorin käyttöönotto tapahtui kytkemällää 3-vaiheisen virran taajuusmuuttajan tuloon, kun taas taajuusmuuttajan ulostulosta vietiin virta kestomagneettitahtimoottorille. Käyttöönotossa käytettiin ABB:n kehittämäää DriveWindow-ohjelmistoa, käyttöönotto olisi myöss onnistunut taajuusmuuttajan kannessa sijaitsevasta ohjauspaneelista, mutta DriveWindow valittiin sen ollessa selvempi, nopeampi sekä helppokäyttöisempi.

26 21 Virran kytkemisen jälkeen aloitettiin taajuusmuuttajan käyttöönotto DriveWindowohjelmistolla, jotta tämä olisi ollut mahdollista, piti ohjauspaikaksi valita etäkäyttö. Kestomagneettitahtimoottoriohjelmisto ei tässä tapauksessa eroa standardiohjelmistosta, joten perinteisesti parametrointi aloitettiin syöttämällä tarvittavat nimellisarvot moottorin kyljessä sijaitsesta arvokilvestä sekä valittiin käytettäväksi kieleksi suomi. Parametrien syöttämisen jälkeen suoritettiin moottorille ns. ID-ajo eli identifiointiajo. IDajon aikana taajuusmuuttaja tunnistaa moottorin sähköiset arvot, kuten staattoriresistanssin, hajainduktanssit ja roottoriaikavakion. Näiden arvojen perusteella taajuusmuuttaja luo ohjattavasta moottorista ns. sähköisen sijaiskytkennän. ID-ajoa suoritteassa varmistettiin, että moottori ei ollut kuormitettuna. ID-ajon suorittamisen jälkeen moottoria pystyttiin ohjata etä- tai paikkalliskäytöllä kierrosnopeusalueella rpm. Askelvastekoe sekä moottorin suojaus taajuusmuuttajan avulla Työssä tutustuttiin askelvastekokeeseen, tämän tarkoituksena on käynnistyksen tai nopeudenvaihdon yhteydessä momentin sekä pyörimisnopeuden sulava ja oikein tapahtuva muutos. Taajuusmuuttaja sisältää parametrin joka suorittaa automaattisen virityksen, tämä perustuu mekaaniseen aikavakioon. Koska kyseisen parametrin käyttämisen kanssa ilmentyi ongelmia, tutustuttiin myös manuaaliseen viritykseen. Manuaalinen viritys tapahtuu käytännössä parametroinilla, ja apuna tässä on erittäin suositeltavaa käyttää DriveWindow-ohjelmistoa ja tämän ominaisuutta piirtää haluttuja suureita, esimerkiksi vääntömomentti ja pyörimisnopeus. Virityksessä käytetään perinteistä PID-säädintä, jolloin viritys tapahtuu muuttamalla kolmea suuretta suhde, integrointiaika ja derivointiaika. Näillä kolmella suuretta vaihtamalla on tarkoitus saada koneen pyörimisnopeuden ja momentin kuvaajat mahdollisimman lähelle ohjekirjassa annettua esimerkkiä vastaavaksi. Manuaalinen viritys saatiin toteutettua helposti ja lopputulokseksi saatiin sulava käynnistys. Alla olevassa kuvassa on manuaalisella virityksellä saavutettu nopeuden ja momentin kuvaajat DriveWindow-ohjelmistolla esitettynä.

27 222 Kuva 13. Manuaalisesti viritetynn kestomagneettitahtimoottorin nopeuden ja momentinn kuvaajat. Taajuusmuuttajan avulla käytettävää moottoria ei tarvitse suojata käyttäen perinteistä lämpörelettä tai moottorinsuojauskontaktoria, vaan moottori pystytään suojaamaan taajuusmuuttajan avulla. Tämä tapahtuu käyttämällä taajuusmuuttajassa olevia hälytys- ja suojausparametreja. Yleisimmin käytettäviä suojausparametrejä ovat virta-, yli- tai alijännite-, vaihe-, moottorin lämpötila-, momentti- sekää oiko/maasulku-valvontaa. Moottoria voidaan myös suojataa valitsemalla kiihdytys- ja hidastusarvot, näillä arvoillaa voidaan varmistaa sovelluksestaa riippuen sopiva käynnistys- ja pysähdysaika.

28 23 7 Pohdinta Työssä tavoitteena oli selvittää, millaisia toimenpiteitä vaadittiin, jotta Metropolian sähkö- ja energiatekniikan mittauslaboratoriossa sijaitsevaa ABB:n valmistamaa kestomagneettitahtimoottoria voitaisiin ohjata taajuusmuuttajalla. Työssä tutustuttiin myös tahtimoottorien sekä taajuusmuuttajien teorioihin. Selvitystyön jälkeen todettiin, että järkevin ja edullisin tapa oli käyttää ABB:n valmistamaa ACS taajuusmuuttajaa, jonka muuttaminen kestomagneettitahtikonekäyttöön tapahtui tilaamalla ABB Oy:ltä kestomagneettitahtikoneen ohjaukseen tarvittavan piirikortti, joka sisälsi tarvittavan ohjelmiston. Piirinkortin asennustyö tehtiin ABB:n työntekijän Heikki Mörskyn avustuksella Metropolian sähkö- ja energiatekniikan laboratoriossa. Tällöin kestomagneettitahtimoottorille suoritettiin myös käyttöönotto sekä jälkeenpäin tutustuttiin kestomagneettitahtimoottorin ohjelmiston eroihin standardiohjelmistosta ja tutustuttiin kestomagneettitahtimoottorin askelvasteen manuaaliseen virittämiseen sekä moottorin suojaukseen taajuusmuuttajan avulla. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että kestomagneettitahtimoottorin ohjaus taajuusmuuttajalla on käytännössä helppo sekä edullinen totetuttaa. Teoriaosuuden tutkimustyössä tultiin myös siihen tulokseen, että tällainen kestomagneettitahtimoottori sähkökäyttö on järkevä ratkaisu useaan eri käytännön sovellukseen.

29 24 Lähteet [1] Sähkökoneet, osa Verkkodokumentti. Leenakorpinen.fi < Luettu [2] Aura, Lauri - Tonteri, Antti Sähkökoneet ja tehoelektroniikan perusteet. Porvoo:Werner Söderström Osakeyhtiö. [3] Karppinen, Jukka Sähkökoneet. 03SKO Tahtikoneet, luentomateriaalia. Metropolia Ammattikorkeakoulu. [4] Pyrhönen, Juha. Tahtikone. Tahtikoneet. Verkkodokumentti. < Luettu [5] Vuorio, Teppo Taajuusmuuttajaohjattu kestomagneettitahtikone opetuslaboratoriokäytössä. Kandinaatintyö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. [6] Sähkömoottori, reluktanssimoottori. Verkkodokumentti. Wikipedia. < Luettu [7] Määttä, Kaarlo Sähkökäyttöinen moottorikelkka. Diplomityö. Lappeerannan teknillinen yliopisto. [8] Sainio, Veli-Matti Hybridiaskelmoottorin mallinnus ja ohjaus nosturisovelluksessa. Diplomityö. Aalto-yliopisto, Espoo. [9] Liukkonen, Matti Hybridityökoneen tehoelektroniikkakomponenttien toiminnallinen simulointi. Diplomityö. Teknillinen korkeakoulu, Espoo. [10] Karppinen, Jukka Sähkökoneet. 03SKO Kestomagneettitahtikoneet, luentomateriaalia. Metropolia Ammattikorkeakoulu, [11] Remanenssi. Verkkodokumentti. Wikipedia. < Luettu

30 25 [12] Koersiivisuus. Verkkodokumentti. Wikipedia. < Luettu [13] Replacing Critical Rare Earth Materials in High Energy Density Magnets. Verkkodokumentti. Ameslab. < Luettu [14] Leppä, Ari Kestomagneettitahtikonekäytön soveltaminen paperiteollisuuden linjakäytöissä. Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. [15] The magnetic fields of inset Permanent Magnet Synchronous Motor. Verkkodokumentti. Posterus. < Luettu [16] Automaatiotekniikka 1, Oulun seudun ammattikorkeakoulu. Verkkodokumentti Tekniikka OAMK. < Luettu [17] Hieta-Wilkman, Sinikka Taajuusmuuttajat: käyttö, asennus, häiriöt. Espoo: Sähköinfo. [18] Drury, Bill The Control Techniques Drives and Controls Handbook. London: The Institution of Engineering and technology. [19] Taajuusmuuttajat. Hedman, Antti Verkkodokumentti. Mikkelin ammattikorkeakoulu. < uusmuuttaja_abb.pdf> [20] Laihinen, Mikko; Peltola Mika Kolmivaiheinen PWM-Vaihtosuuntaaja opetuskäyttöön. Tutkintotyö. Tampereen ammattikorkeakoulu. [21] Viitanen, Elina ACS800 Taajuusmuuttajien vikapuuanalyysi. Insinöörityö. Satakunnan ammattikorkeakoulu. <

31 26 [22] Heikkilä, Sami Vierasmagnetoitu generaattori muuttuvakierroksisena käyttönä. Insinöörityö. Tampereen Ammattikorkeakoulu. < [23] ACS-800 Permanent magnet synchronous machine drive application program. ABB OY. Verkkodokumentti. < 5c00461fd1/$file/EN_ACS800_PermMagSynchSupplStd_C.pdf> Luettu

32 Liite 2 1 (1)