ILMA-ILMA-LÄMPÖPUMPUN AUTOMATIIKKA JA OHJAUSJÄR- JESTELMÄN SUUNNITTELU

ILMA-ILMA-LÄMPÖPUMPUN AUTOMATIIKKA JA OHJAUSJÄR- JESTELMÄN SUUNNITTELU Pasi Ahola Opinnäytetyö hyväksymispvm Automaatiotekniikan koulutusohjelma Oulun seudun ammattikorkeakoulu

SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ SISÄLTÖ 1 JOHDANTO... 5 2 KYLMÄPROSESSI... 7 2.1 Kiertoprosessi... 7 2.2 Kylmäprosessin energiat... 8 2.3 Kylmä- ja lämpökerroin... 8 2.4 Log p, h-tilapiirros... 9 3 ILMA-ILMA-LÄMPÖPUMPPU... 12 3.1 Rakenne... 12 3.2 Toiminta... 14 4 KONEAUTOMAATIO JA OHJAUSJÄRJESTELMÄT... 18 4.1 Sulautettu ohjausjärjestelmä vs. ohjelmoitava logiikka... 19 4.2 Toimilaiteohjaukset... 20 4.2.1 Vaihtoventtiili... 20 4.2.2 Sähkömoottorit... 21 4.2.3 Taajuusmuuttaja... 25 4.2.4 Askelmoottori... 27 4.3 Paisuntaventtiilin säätö... 30 4.4 Mittausanturit... 31 5 MITTAUSTAPAHTUMAT JA KÄYTTÖTUTKIMUS... 33 5.1 Mittausolosuhteet ja -laitteisto... 33 5.2 Sulatustoiminnon tarkastelu... 35 5.3 Painetilojen analysointi... 35 5.4 Paisuntaventtiilin ohjaus logiikalla ja taajuusmuuttajakäyttö... 36 6 OHJAUSJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU... 41 6.1 Ohjauksen toimintakuvaus ja kaavio(tätä kohtaa vielä muokataan)... 41 6.2 Sähköturvallisuus... 49 6.3 Laitekotelointi... 49 6.4 Korvaavien laitteiden osaluettelo ja kustannusarvio... 50 7 POHDINTA... 52 LÄHTEET... 54 4

1 JOHDANTO Motiva Oy:n tuottamassa verkkoaineistossa pientalojen energiankulutuksen jakautuma osoittaa, että jopa puolet energiankulutuksesta kuluu lämmitykseen. (1.) Lämmitysenergian säästöjä on siten tuotettu aina aktiivisemmin taloudellisia tekijöitä tai vallitsevia ympäristöarvoja mukaillen. Viime vuosina ilmalämpöpumppumarkkinat ovat olleet varsin huomattavat ja osaa alalla toimijoistakin saattaa motivoida vain asennuksista saadut pikavoitot, takuu- tai huoltotoimien jäädessä sitten maahantuojan harmiksi. Laitteiden tekninen tietämys ei maahantuojillakaan ole välttämättä riittävä, joten se luo kysyntätilanteen tutkimus- ja kehitysprojekteiden toteuttamiselle yhteistyössä toimivien oppilaitosten kanssa. Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan tehdasvalmisteisen ilma-ilma-lämpöpumpun kylmäprosessia mittausteknisesti ja suunnitellaan vastaavan ohjausjärjestelmän toteuttamista. Työn tilaajana on Oulun seudun ammattikorkeakoulun tekniikan yksikön LVI-tekniikan laboratorio. Työ liittyy energiatekniikan uusiin innovaatioihin ja on osa jatkotutkimusprojektia Ilkka Räinän opinnäytetyölle (2). Opinnäytetyöprojekti jaettiin kahden opiskelijan tekemiin mittaus-, säätö- ja ohjaustoimintojen tutkimus- ja kehitystyöhön, jossa oma osuuteni koostui kylmäprosessin mittauksista, korvaavan ohjausjärjestelmän suunnittelusta ja dokumentoidusta toteutuksesta. Työ aloitettiin talotekniikan opiskelijan toimesta kokoamalla tehdasvalmisteinen ilma-ilma-lämpöpumppu siirrettävälle telineelle (3, s. 9), johon lisättiin mm. lämpö- ja painemittausantureita sekä mittaustietojenkeruuyksikkö. Kokoamisen jälkeiset mittaustoiminnot suoritimme laboratorioolosuhteissa yhteistyössä. Mittaustulosten ja laitedokumenttien perusteella pyrittiin selvittämään ilma-ilmalämpöpumpun toimintaa; kiertoprosessia ja instrumenttien valintaan vaikuttavia tekijöitä. Kun toiminta alkoi hahmottua, kartoitettiin korvaavan ohjausjärjestelmän kokonaisuutta ja sen toteuttamiseen tarvittavaa budjettia. 5

Työn tarkoituksena oli löytää energiatehokkuutta parhaiten soveltava kokonaisuus, joka toisi uusia näkemyksiä kylmäprosessia hyödyntävän laitetekniikan kehittämiseen ja samalla täyttäisi tulevaisuudelle määrätyt ympäristövaatimukset esimerkiksi käytettävän kylmäaineen osalta. Tässä työssä tarkastelun kohteena olevaa tehdasvalmisteista ilma-ilma-lämpöpumppua voidaan käyttää vertailukohteena kehitystyössä tai kylmätekniikan opetus- ja laboratoriotöiden mallintamiseen. 6

2 KYLMÄPROSESSI Ilma-ilma-lämpöpumpun toiminta perustuu kylmäkoneista tuttuun kiertoprosessiin. Kylmäprosessin kiertosuunnalla voidaan valita halutaanko tuottaa lämmitystä vai jäähdytystä. Tässä luvussa tarkastellaan kylmäprosessissa tapahtuvaa energian siirtymistä. 2.1 Kiertoprosessi Kylmäprosessi tarkoittaa kiertoprosessia, jossa koneistossa kiertävä kylmäaine höyrystyy ja lauhtuu. Kylmäkoneiston pääkomponentit ovat höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntalaite eli käytännössä paisuntaventtiili. Höyrystimen ja lauhduttimen koneistona toimivat puhaltimet, jotka saavat aikaan ilmavirtauksen lamellilämmönsiirtimien eli kennojen läpi. (4, s. 10.) Kylmäaine on nestemäistä ainetta, jonka olomuoto muuttuu höyrystymisessä kaasumaiseksi. Tässä muutoksessa kylmäaineeseen sitoutuu energiaa. Nykyisin ilma-ilma-lämpöpumppujen kylmäaineena käytetään yleisesti kloorittomia hiilivetyjä, jotka sisältävät fluoria, hiiltä ja vetyä (Hydro Fluoro Carbons). HFCaineet ovat otsonikerrokselle täysin haitattomia. (4, s. 10-23.) Kompressori on kylmäaineen kierron aikaansaava koneisto, jonka tehtävänä on nostaa kylmäainekaasun painetta. Paineen nousun myötä tapahtuu myös kaasun lämpenemistä, kylmäaineen koostumuksesta riippuen. Lauhduttimessa kylmäainekaasu tiivistyy nestemäiseksi, jolloin siitä vapautuu lämpöenergiaa. Paisuntalaitteessa kylmäaineen paine ja lämpötila laskee, jolloin aineen olomuoto muuttuu neste-höyryseokseksi. (4; 5.) Kylmäaineen valinta vaikuttaa mm. koneiston lämpökertoimeen, käyntipaineisiin, puristuslämpötilaan ja tulistuslämmön osuuteen. Höyrystimen ja lauhduttimen mitoituksessa huomioidaan myös kylmäaineen mahdollinen lämpötilaliukuma. (4, s. 227.) 7

2.2 Kylmäprosessin energiat Kuten edellä kuvattiin, kylmäaineeseen sitoutuu lämpöenergiaa Q 0 höyrystimessä, joka paineistetaan kompressorin tekemällä työllä W, vastaavat nämä teoriassa lauhduttimesta saatua lämpöenergiaa Q L. Käytännössä lämpöenergiaa häviää muutama prosentti ympäristöön kompressorin ja paineputkiston kautta. (4, s. 10.) Kuvaan 1 on energian siirtymisen lisäksi merkitty kylmäaineen olomuotojen vaihtumispisteet kiertoprosessissa. KUVA 1. Kylmäkoneisto (4, s. 10) 2.3 Kylmä- ja lämpökerroin Käytännössä jäähdytys- ja lämmityskoneistoja markkinoidaan vertailemalla kylmä- tai lämpökerrointa, joilla kuvataan kiertoprosessin hyötysuhdetta. Kylmäkerroin ε eli jäähdytyskoneen hyötysuhde lasketaan jakamalla höyrystimen sitoma lämpö Q 0 kompressorin tekemällä työllä W. (4, s. 10.) 8

Q ε = 0 KAAVA 1 W Lämpökerrointa käytetään yleisesti lämpöpumppujen hyötysuhteen kuvaamiseen. Sen merkitsemiseen käytetään joko kreikkalaista aakkosta φ (fii) tai lyhennettä COP (Coefficient Of Performance). Lämpökerroin lasketaan jakamalla lauhduttimen luovuttama lämpö Q L kompressorin tekemällä työllä W. (4, s. 10.) Q ϕ = L KAAVA 2 W Kylmä- ja lämpökertoimen erotus on häviöttömässä tapauksessa yksi, joten kaava 2 voidaan esittää myös seuraavassa muodossa. (4, s. 10.) ϕ =ε +1 KAAVA 3 Ulkolämpötilan laskiessa myös höyrystymislämpötila laskee, joka vaikuttaa lämpöpumpun tehon ja lämpökertoimen laskuun. Kompressorin käyttöalueen rajat on asetettu alle -15-10 C:n ulkolämpötilalle, joten ilma-ilma-lämpöpumppua voidaan käyttää vain lisälämmitysjärjestelmänä tai jäähdytin laitteena. 2.4 Log p, h-tilapiirros Kylmätekniikassa käytetään kylmäaineen logaritmista paine -entalpia-tilapiirrosta prosessin havainnoimiseen. Tilapiirrosta tarkastellaan pystysuoran absoluuttisen paineen ja vaakasuoran kylmäaineen entalpian eli lämpösisällön suhteessa. Kylmäaineen olomuodot on rajattu tilapiirroksessa kuvan 2 mukaisesti, jossa kriittisen pisteen yläpuolella kylmäainehöyry ei enää nesteydy. 9

KUVA 2. Kylmäaineen tilapiirros, kylmäaineen olomuodot (4, s. 11) Teoreettisen kylmäprosessin kuvaamiseen riittää kolme mittausarvoa. Kuvasta 3 voidaan nähdä R410A-kylmäaineen käyttäytyminen eri lämpö- ja painetiloissa. Esimerkiksi lauhtumislämpötilan ollessa 20 C ja höyrystymislämpötila - 11 C, painetilassa 3 4 on eroa noin 14 bar(abs). 10

KUVA 3. Kylmäaineen R410A log(p)-h -tilapiirros (6) Kuvassa 3 pohjana on käytetty R410B:n tilapiirrosta, joka vastaa ominaisuuksiltaan R410A-kylmäainetta. Pisteeseen 1 sijoitetaan mitattu höyrystymislämpötila. Pisteeseen 2 kaartuva lämpötila kuvaa kompressorin jälkeen mitattua lämpötilaa, joka leikkaa vaakatasossa mitatun lauhtumislämpötilan. Piste 3 pysyy kylläisen nesteen rajakäyrän sisäpuolella eli neste höyrytilassa. Pisteet 3 4 yhdistetään pystysuoraan, kuvaajassa rajatussa vakiohöyrypitoisuuden tilassa. Kompressorin tehoon vaikuttavat mekaaniset häviöt ja sähkömoottorin häviöt, joten kompressorin tekemää työtä 1 2 ei voida esittää pystysuoralla kuvaajalla. Kuvaajan kallistuessa oikealle tapahtuu paine- ja lämpöhäviöitä, jolloin todellinen prosessi ei ole isentrooppinen. Yleisesti kompressorien isentrooppiset hyötysuhteet ovat 0,6 0,7 johtuen mm. kompressorityypistä, painesuhteesta ja kierrosnopeudesta. (4, s. 12-13.) Pisteen 2 etäisyys kylläisen höyryn rajakäyrältä kuvaa tulistuneen höyryn osuutta eli kylläiseen höyryyn lisättyä energiaa ja lämpötilan kohoamista. Tulistus pyritään pitämään vakiona paisuntaventtiiliä säätämällä. (7, s. 229.) Todellisessa kylmäprosessissa piste 1 on jo hieman siirtynyt tulistuneen höyryn tilaan ja vastaavasti piste 3 alijäähtyneen nesteen tilaan. 11

3 ILMA-ILMA-LÄMPÖPUMPPU Ilma-ilma-lämpöpumppujen suosio perustuu lämmityskustannusten säästöstä saatuun hyötyyn. Ilma-lämpöpumppujen nimeäminen valitaan sen mukaan mistä lämpöenergia saadaan ja mikä on lauhduttava väliaine. Tässä työssä tarkasteltavan Sanyo SAP-KCRV123EHNA lämpöpumpun siirtämä energia saadaan ulkoilmasta ja väliaineena toimii sisäilma. Työssä painotetaan enemmän lämmitystoiminnon tarkastelua, koska ilmalämpöpumppu yleensä hankitaan lisälämmityslaitteeksi täällä pohjolassa. 3.1 Rakenne Ilmalämpöpumpun (kuva 4) tärkeimmät osat ovat ulkoyksikön kompressori, höyrystin, paisuntaventtiili ja nelitieventtiili sekä sisäyksikön lauhdutin, kuten kylmäprosessin toimintakuvauksessa mainittiin. Rakenteeltaan eri valmistajien ilmalämpöpumput eivät eroa huomattavasti toisistaan. 12

KUVA 4. Ulkoilmalämpöpumppu (muokattu 8, s. 56) Sisäyksikössä on järjestelmän pääohjauspiiri, joka ohjaa ulkoyksikköä tuottamaan haluttua toimintaa, lämmitystä, jäähdytystä, kosteudenpoistoa tai sisäilmankiertoa. Ulkoyksikön ohjauspiiri suorittaa lämpötilamittaukset, laskutoiminnot ja tarvittavat ohjaukset höyrystimenpuhaltimelle, paisuntaventtiilille, nelitieventtiilille sekä kompressorille. Laitteiden tarkemmat kokoonpanokuvat löytyvät Sanyovacin verkkosivuilta. (9; 10.) 13

3.2 Toiminta Ilmalämpöpumpun toimintaa ohjataan kaukosäätimellä tai sisäyksikön käyttökytkimillä. Jäähdytys- tai lämmitystoiminto tarkoittaa pyyntölämpötilan ja olemassa olevan lämpötilan erotusta (ΔT), jonka mukaan ohjaus säätää kompressorin ja puhaltimien tehoa sekä paisunta- ja nelitieventtiilien asentoa. Laitteistojen energiatehokkuutta on parannettu kompressoria ohjaavalla invertteri-tekniikalla (PAM-α, Pulse-amplitude modulation)/ PWM, Pulse-width modulation), jolla estetään myös koneiston mekaanista kulumista. Jäähdytystoiminto on kiertosuunnaltaan päinvastainen, kuin lämmitystoiminto (kuva 5). Kiertosuunta vaihdetaan 4-tieventtiilin kaksitilaohjauksella. Jäähdytystoiminnossa sisäyksikön kenno toimii höyrystimenä, jonka läpi ohjataan sisäilmaa poikittaisvirtauksella. Sisäilma jäähtyy, koska höyrystyessään kylmäaine sitoo lämpöenergiaa aivan kuten lämmitystoiminnossakin. Lauhduttimena toimii ulkoyksikön kenno. Sisäyksiköiden määrää voidaan joissakin malleissa halutessa lisätä huomioiden kuitenkin ulkoyksikön kennon kapasiteetti kylmäaineen höyrystymiselle ja suurin sallittu putkipituus asennuksessa. Myös sisäyksikön ja ulkoyksikön korkeusero on huomioitava. 14

KUVA 5. Kylmäaineen kierto ilmalämpöpumpussa (8, s. 14) Automaattinen sulatustoiminto, suojaa ulkoyksikön kennolevyjä jään aiheuttamilta rasituksilta. Sanyossa toiminto on ohjelmoitu seuraamaan ulkolämpötilan ja höyrystimenlämpötilan tasoja. Sulatustoiminnon aloitukselle on kaksi rajaehtoa lämmityskäytössä (kuva 6). Jos ulkoyksikön höyrystimen lämpötilassa (L1) ei 35 minuutissa tapahdu muutosta tai kahden tunnin sisällä käynnistyksestä (L2), kompressori pysäytetään minuutin ajaksi, puhaltimet pysäytetään ja 4-tieventtiili ohjataan kiinni. Käyttäjää informoidaan sisäyksikössä olevilla punaisella ja oranssilla merkkivaloilla. (8, s. 33.) 15

KUVA 6. Sanyo SAP-KCRV123EHNA sulatustoiminnon raja-alueet (8, s. 33) Ulkoyksikön kenno lämmitetään kuumakaasulla (kuva 7) Sanyo SAP- KCRV123EHNA mallissa 20 C:een 12 minuutin maksimiajassa, jonka jälkeen painetilan annetaan tasaantua kahden minuutin ajan. Tämän jälkeen kompressori ja puhaltimet käynnistyvät sekä nelitieventtiili avautuu. Kompressorin käyntiajan laskenta nollataan sulautustoiminnon loputtua, kompressorin käynnistyessä uudelleen. (8, s. 33). Höyrystimen virtaustekninen rakenne kierrättää kuumakaasun ensin yläosaan ja keskelle, kuten kuvasta 7 voidaan todeta. 16

KUVA 7. Ulkoyksikön höyrystimen sulatus kuumakaasulla Sanyon ilmalämpöpumpussa käytetään NTC-tyypin (Negative Temperature Coefficient) termistoreja lämpötilojen mittaamiseen. NTC-tyyppisillä vastuksilla resistanssi pienenee lämpötilan kasvaessa ja niiden käyttäytymistä voidaan kuvata likimääräisellä yhtälöllä B T R = A* e, KAAVA 4 missä A ja B ovat materiaalista johtuvia vakioita. Vakio B on yhtälöä vastaavan funktion kulmakerroin, kun resistanssi R kuvataan logaritmisesti termodynaamisen lämpötilan T käänteisarvon funktiona. (11, s. 86.) 17

4 KONEAUTOMAATIO JA OHJAUSJÄRJESTELMÄT Ohjausjärjestelmä toimii käyttäjän ja koneen välisenä rajapintana. Käyttöliittymä voi koostua painikkeista, näytöistä tai merkkilampuista, joiden kautta käyttäjä muuttaa koneen tilaa ja saa toiminnasta tarvittavan informaation. Ilma-ilmalämpöpumpun ohjausjärjestelmä on toteutettu sulautetulla ohjelmistolla, joka on tallennettu elektroniikkapiirillä olevalle mikroprosessorille (kuva 8). Toimintatapa on tuttu muun muassa kodinkoneista sen taloudellisuuden, monipuolisten ohjelmatoimintojen toteuttamisen ja suurempien tuotantovolyymien saavuttamisessa. Jos ohjausjärjestelmä toteutetaan yksittäisillä toimilaitteilla, se vaatii enemmän tilaa, työtä ja rahaa. Toisaalta vapaasti ohjelmoitavan logiikan (PLC, Programmable Logic Controller) laajennettavuus ja helppous ohjelmamuutoksiin tuovat sopivasti liikkumavaraa laitteiston opetus- ja laboratoriokäyttöä ajatellen. KUVA 8. Sanyo SAP-KCRV123EHNA ulkoyksikön piirikortti 18

4.1 Sulautettu ohjausjärjestelmä vs. ohjelmoitava logiikka Verrattaessa sulautetun ohjausjärjestelmän ja aiemmin käytettyjen relepohjaisten ohjausten ominaisuuksia, voidaan kumpaakin tekniikkaa pitää perusteltuna, koska molemmissa on hyviä ja huonoja puolia. Tänä päivänä yleisesti käytetyn sulautetun ohjausjärjestelmän haittana on usein kalliin ohjauspiirin korvaaminen kokonaan uudella, vian ilmettyä, koska korjaaminen ei ole usein kannattavaa tai mahdollista. Toisaalta yksittäisten komponenttien käyttö isompien laitteiden kokoonpanossa on kallista ja aikaa vievää. Vapailla ohjelmointikielillä, kuten C-kieli tai Assembly sekä mikropiireillä voidaan kuitenkin toteuttaa vaikeitakin laskennallisia funktioita helpommin ja nopeammin, joten elektroniikan yleistyminen on ollut väistämätöntä kaikessa automaatiossa. Vapaasti ohjelmoitavat logiikat eli PLC-laitteet sopivat koneautomaation ohjaukseen sitä paremmin, mitä monimutkaisemmasta ohjauksesta on kysymys. Automaation tarkoituksena on toimia itsenäisesti, ilman käyttäjän jatkuvaa puuttumista toimintaan. Automaatioaste on sitä suurempi mitä pienempi on käyttäjän vaikutus. Automaatioaste määräytyy usein taloudellisin perustein, jolloin korkea automaatioaste merkitsee valmistuskustannusten nousua, mutta vastaavasti pieniä käyttökustannuksia. Automaatiolla voidaan pienentää myös energiankulutusta, joka näkyy erilaisten ohjausjärjestelmien yleistymisenä. (12.) Ohjelmoitava logiikka on laite, joka koostuu tuloista, lähdöistä, keskusyksiköstä ja muistista. Laite toteuttaa ohjaustehtäväänsä suorittamalla muistiin ohjelmoidut käskyt keskusyksikkönsä avulla. Perustana käytetään tulotietoja ja päättelyt ohjataan lähtöihin. Ohjelmoitavat logiikat sopivat sekä avoimiin että suljettuihin ohjausjärjestelmiin, joka tarkoittaa lähdön ohjausta käsin tai automaattisesti takaisinkytkennän avulla. Logiikkaan tallennetun ohjelman muokkaaminen onnistuu ilman johdotuksen muuttamista ja laajennettavuus on modulaarisen rakenteen myötä helppoa. (12; 13, s. 241 247.) 19

Ohjelmoitavia logiikoita on saatavissa useilta valmistajilta, joista yleisimmät ovat Omron, Siemens, Mitsubishi ja Festo. Niissä käytettävä ohjelmointikieli on peruskäskyiltään samanlainen, joten yhden valmistajan logiikkaohjelmoinnin perusteet hallittuaan on helppo siirtyä käyttämään toisen valmistajan logiikkakieltä. Ohjelmointi suoritetaan logiikan näppäimistöltä tai helpommin tietokonepohjaisen sovelluksen kautta. (13, s. 243 247.) 4.2 Toimilaiteohjaukset Toimilaitteella tarkoitetaan laitetta, joka säätimeltä saamansa viestin perusteella vaikuttaa prosessiin halutulla tavalla. Toimilaitteita ovat esimerkiksi säätöventtiilit, releet, kytkimet, annostelupumput, lämmitys-vastukset, termostaatit, pneumaattiset ja hydrauliset sylinterit sekä sähkömoottorikäytöt. 4.2.1 Vaihtoventtiili Ilmalämpöpumppua voidaan käyttää joko lämmitys- tai jäähdytystoimintoon sekä mahdolliseen sulatustoimintoon, kuten eo. toiminta luvussa kuvattiin. Toimintoa ohjataan vaihtamalla 4-tieventtiilin (kuva 9) tilaa. 20

KUVA 9. 4-tiemagneettiventtiilin rakennekuva. Danfoss Saginomiyan valmistamalla pilot-toimisella 4-tiemagneettiventtiilillä ohjataan kylmäprosessin kiertosuuntaa kontrolloimalla luistia, joka ohjaa kylmäaineen virtausta. Venttiilin kela voidaan pitää johtavana tai johtamattomana, jolloin sen luistimekanismi siirtyy toimintoa vastaavaan tilaan. (14.) Pilot-toimisen magneettiventtiilin ohjaus on hyvin yksinkertainen, koska toiminnossa on vain kaksi tilaa; 0 tai 1. Kaksitila-ohjaus voidaan toteuttaa yhdellä rele lähdöllä. 4.2.2 Sähkömoottorit Ilmalämpöpumpuissa käytetään sekä tasa- että vaihtovirtamoottoreita. Tasavirtamoottorit ovat höyrystimenpuhaltimessa ja kompressorissa. Myös askelmoottorit, joita käytetään paisuntaventtiilissä ja sisäyksikön lauhduttimen ilmavirtausta ohjaavien läppien asentosäädössä, toimivat tasavirralla. Vaihtovirtamoottorityyppiä käytetään lauhduttimenpuhaltimessa. Sanyo Electric Co., Ltd. tekee yhteistyötä eri laitevalmistajien kanssa, joten kompressori osoittautui Samsung Electronicsin valmistamaksi. Tämä kävi ilmi 21

kompressorin tyyppikilvestä. Teknisiä tietoja löytyi Samsungin www-sivuilta (15). Kuvassa 10 on esitelty vastaavan kiertomäntäkompressorin rakennetta. KUVA 10. Hermeettisen kompressorin rakenne (muokattu 16, s. 4) Sisäyksikön puhaltimen poikittaisvirtauspuhallin osoittautui Dongguan Shinano Motor Co:n valmistamaksi, josta en onnistunut löytämään enempää informaatiota. Kuvassa 11 näkyy moottorin tyyppikilpi, joka antaa perusinformaatiota laitteesta. 22

KUVA 11. Sisäyksikön poikittaisvirtauspuhaltimen vaihtovirtamoottori Moottorityypin valintaan vaikuttaa moottoriakselin aseman- tai nopeuden säädettävyys ja hyötysuhteen parantaminen. Tasa- ja vaihtosähkömoottorien ohjaukset eroavat lähtösignaalien jänniteviestien osalta. Tasasähkömoottori tarvitsee analogiajänniteviestin ja vaihtosähkömoottori kaksitilaisen digitaalisen jänniteviestin. (17, luku 1 s. 12.) Vaihtosähkömoottorin ohjauksessa mikroprosessorin antama digitaalisignaali välitetään optoeristimen kautta moottorin käynnistimelle eli kontaktorille. Koska kontaktorille tuotu signaali ei riitä suoraan ohjaukseen, käytetään ohjausvirran tuottamiseen esimerkiksi transistoreita (kuva 12). (17, luku 1 s.12.) 23

KUVA 12. Sanyo SAP-KCRV123EHNA sisäyksikön piirikortti Tasasähkömoottorin tarvitsema ohjausjännite muodostetaan D/A-muuntimen (Digital to Analog converter) lähtöjännitteestä pulssinleveysmodulaatiolla (PWM), jossa pulssin leveys on verrannollinen analogiajännitteen tasoon. Pulssit välitetään optoeristimen kautta moottorin ohjauselektroniikkaan. Moottorin sisäinen tehoelektroniikkapiiri kytkee jännitteen moottorin käämiin aina ohjauspulssin mukaan. Käämin keskijännite on verrannollinen pulssien leveyteen ja siten mikroprosessorilta tulevaan analogiajännitteeseen. (17, luku 1 s. 12.) Kuvassa 13 näkyy harjattoman tasasähkömoottorin perusrakenne. Roottori eli pyörijä on kestomagnetoitu ja käämitykset sijoitettu staattoriin (paikallaan pysyvään osaan), jolloin roottorissa ei tarvita kommutointia. Jotta ohjauspulssien jaksottama jännite osuisi oikeaan hetkeen, näkyy moottorin elektroniikkapiirin yläosassa sijoitettuna Hall-anturit (tai vaihtoehtoisesti optiset tunnistimet), jotka tunnistavat roottorin kiertymisen. (17, luku 5 s. 20.) 24

KUVA 13. Ulkoyksikön puhaltimen harjaton tasasähkömoottori avattuna 4.2.3 Taajuusmuuttaja Taajuusmuuttajia käytetään vaihtosähkömoottoreiden ohjauslaitteena tuottamalla vakiotaajuisesta verkkosähköstä vaihtojännitettä, jonka taajuutta ja amplitudia voidaan säätää. Näin vaihtosähkömoottoreiden nopeutta voidaan muuttaa portaattomasti riippumatta syöttöverkon taajuudesta tai vääntömomentin oleellisesta muutoksesta. (13; 17; 18.) Taajuusmuuttajat voidaan jakaa päätyypeittäin seuraavasti: 1. Virtaohjattu taajuusmuuttaja 2. jänniteohjattu taajuusmuuttaja 3. PWM-taajuusmuuttaja. Virtaohjattu taajuusmuuttaja on rakenteeltaan yksinkertainen mutta alkaa olla harvinainen, koska sen heikkoutena on, että se täytyy sovittaa moottoriin, joka on yksi osa kommutointipiiriä. Virtaohjatussa taajuusmuuttajassa tyristoritasasuuntaajalla ohjataan virtaa ja vaihtosuuntaajalla taajuutta. Virtaohjatulla 25

taajuusmuuttajalla on tiettyjä rajoituksia käyttömahdollisuuksiensa suhteen. (13; 17; 18.) Jänniteohjatussa taajuusmuuttajassa tyristoritasasuuntaajalla ohjataan muuttuvaa välijännitettä ja vaihtosuuntaajalla taajuutta. Toinen malli on muuten samanlainen mutta siinä tasasuuntaukseen on käytetty diodisiltaa ja välijännitteensäätäjää. Koska diodisilta on verkkoon päin, se antaa monia etuja tyristoritasasuuntaajaan nähden. Tehoalue ei ylitä n. 20 kw:a, joka rajoittaa käyttöä. (13; 17; 18.) Yleisin taajuusmuuttajatyyppi on ns. vakiojännitevälipiirillinen PWM- taajuusmuuttaja. Tämä on kehittynein ja käytetyin yli 15 kw:n tehoilla. Toimintaperiaate on sellainen, että verkkojännite tasasuunnataan dioditasasuuntaajalla ja välipiirin tasajännite on vakio. Vaihtosuuntaajalla säädetään sekä moottorin jännitettä, että taajuutta. Pulssileveysmodulointi tekee muuttajan hyvin monipuoliseksi käyttösovellusten suhteen. (13; 17; 18.) Yhtenä suurimpana etuna taajuusmuuttajan käytössä on energian säästö, kun moottoria käytetään aina prosessin tarpeen mukaisella nopeudella. Taajuusmuuttajien käyttö on kasvanutkin voimakkaasti juuri tästä syystä. Lisäetuja taajuusmuuttajalla on sähköverkon ja koneen mekaniikan kokemien rasitusten pieneneminen esim. käynnistystilanteissa. Tyypillisimpiä sovelluksia ovat pumppuja puhallinkäytöt, hissit, kuljettimet, paperikoneet ja laivojen potkurikäytöt. Taajuusmuuttajien tehoalue ulottuu pienjännitteellä (400 690 V) muutamista sadoista wateista aina useisiin megawatteihin. (13; 17; 18.) Mikroprosessori- ja puolijohdetekniikan kehitys on vaikuttanut oleellisesti taajuudenmuuttajien käyttöön myös koneautomaation sovelluksissa. Aiemmin ilmalämpöpumpuissa käytettyjä vaihtosähkökompressoreja ohjattiin katkokäynnillä (on/ off), joka ei ollut energiatehokasta. Nykyiset invertteri-tekniikalla ohjatut tasasähkökompressorit vaativat kuitenkin monipuolisempaa säätö- ja ohjaustekniikkaa, jotta esim. käynnistysvirtaa voidaan rajoittaa. 26

4.2.4 Askelmoottori Askelmoottorin ohjaus totutetaan aina elektronisella askelohjaimella. Askelmoottori sopii erityisesti tietokoneella tai ohjelmoitavalla logiikalla tapahtuvaan ohjaukseen, koska ohjauspulssit ovat kaksitilaisia. Ohjaustapoina käytetään joko bipolaarista- tai unipolaarista (kaksi- tai yksisuuntaista) ohjausta, jotka eroavat ohjaustransistorien kytkentätavasta. Yksinkertaisempi unipolaarinen kytkentäesimerkki on kuvassa 14. (13, s.138-139.) KUVA 14. Askelmoottorin unipolaarinen kytkentä Omron C20H logiikkaan (19, s. 112) Askelmoottorissa käytetään kestomagneettiroottoria ja staattoria, jossa on mallista riippuen 2 tai 4 käämiä. Syöttämällä staattorille yhden virtapulssin roottori kääntyy yhden staattorin napavälin verran eli yhden askeleen. Virtojen kulkiessa staattorin vastakkaisissa keloissa samaan suuntaan, voidaan kelat kytkeä rinnakkain. Kytkemällä kelojen käämeihin väliulostulot ohjelmoitava logiikka pystyy ohjaamaan askelmoottoria neljän lähtönavan kautta. Logiikassa tarvitaan transistorilähdöt, koska moottorin kelavirran suunta vaihdetaan ohjaamalla sitä vuorotellen käämin puolikkaisiin. Esimerkiksi jos kuvan 14 moottori 27

on kytkettynä npn-transistorilähtöihin, transistorin V4 johtaessa kelavirta kulkee ylöspäin tai transistorin V5 johtaessa, virta kulkee alaspäin. (19, s. 112.) KUVA 15. Sisäyksikön ilmavirtauksen suuntaa säätävä askelmoottori HuaNing 24BYJ48 Askelmoottori tarvitsee toimiakseen akselin todellisen tilatiedon. Ilma-ilma-lämpöpumpun paisuntaventtiili ajetaan tämän vuoksi aina käynnistystilassa ensin kiinni. Samalla tapahtuu pulssiohjauksen nollaus ja laitteen tahdistus. Ilma-ilma-lämpöpumpun paisuntaventtiilin runko-osa sisältää magneettisen roottorin, jonka ympärille kiinnitetään ohjattavat staattorinnavat (kuva 16). Kuvassa 16 on esitetty elektronisen paisuntaventtiilin rakennetta. 28

KUVA 16. Elektronisen paisuntaventtiilin rakenne (muokattu 20, s. 4) Askelmoottoreita varten on tarjolla lukuisten eri valmistajien ohjainpiirejä, joissa on kaksi tulonapaa. Toinen tulo on askelluspulsseja varten ja toinen määrää pyörimissuunnan. Ohjainpiiri muodostaa tulotiedoista moottorin ohjauspulssit. (19, s. 112.) Danfoss Saginomiyan valmistamaa elektronista paisuntaventtiiliä ohjataan kuvan 17 esittämällä tavalla. Venttiilin avautuessa ylemmän kelan A vaihde johtaa, sitten ylemmän kelan A ja alemman kelan B vaihde johtavat, sitten alemman kelan B johtaa jne. Lopputilanteessa, kun venttiili on täysin auki, ylemmän kelan A vaihde ja alemman kelan /B vaihde johtaa. Venttiilin sulkeminen tapahtuu päinvastaisessa järjestyksessä. (20, s. 4.) 29

KUVA 17. Danfoss Saginomiya paisuntaventtiilin ohjaus (muokattu 20, s. 4) Venttiilin avautuminen on 180 astetta, joka jaksotetaan 8 pulssin alueelle. Tämä tarkoittaa 22,5 asteen siirtymää roottorissa eli venttiilin neulan asennossa. (20, s. 5.) (tätä kohtaa vielä muokataan) 4.3 Paisuntaventtiilin säätö Ilmalämpöpumpuissa paisuntaventtiilin säätäminen on koko prosessin kannalta merkittävää. Esimerkiksi nestemäisen kylmäaineen virtaus on pidettävä höyrystimelle sopivana lämmityskäytössä, näin höyrystimen pinta-alaa voidaan parhaiten hyödyntää. Sanyossa venttiilin säätö perustuu kahden lämpötilan mittaukseen (höyrystimen virtausputken alkupäästä ja kompressorin paineputkesta). Mittaustuloksista saadaan kylmäaineen tulistus, joka pyritään pitämään vakiona pulssitus periaatteella tai PID säädöllä (Proportional Integral Derivati- 30

ve), valmistajasta riippuen. (7, s. 229-231; 21, s. 8-10.) Toinen vaihtoehto on käyttää paine- ja lämpötilamittausta, joka ei eroa säätöteknisesti edellisestä. Painemittaustietoa voidaan kuitenkin pitää luotettavampana. PID-säädin on rakenteeltaan kolmiosainen, josta tarvittaessa käytetään eri yhdistelmiä, kuten P-, PI- tai PD-laskentaosia. Automaatiossa yleisimmin käytetty säädinrakenne on PI-säädin, joka koostuu suhdetermistä ja integroivasta termistä. Suhdetermin arvo saadaan vahvistuksen K p ja erosuureen e(t) tulona, johon summataan ohjaussignaalin vakiotaso u 0. Integroivan termin tarkoituksena on korjata suhdetermin asentovirhettä, joka tarkoittaa säätöpoikkeaman nollaamista. Integrointia voidaan parhaiten kuvata pinta-alojen suhteella eli ohjaustason... D-osa on derivoiva termi (22). (tätä kohtaa vielä muokataan) Danfoss Saginomiyalla on tarjolla valmis ohjausyksikkö (23) paisuntaventtiilille, jonka teknisiä tietoja sain maahantuojan kautta. Ohjausyksiköt sisältävät yleensä valmiit säätöalgoritmit eri kylmäaineille ja paisuntaventtiilin suurimmalle toimintapaineelle (MOP, Maximum Operating Pressure). 4.4 Mittausanturit Mittauksella ja eo. luvun säätötekniikalla on suora yhteys toisiinsa. Liian hitailla ja epätarkoilla mittausantureilla ei voida toteuttaa tarkkaa ja suorituskykyistä säädintä. Mittausantureiden sijoitteluun on myös kiinnitettävä huomiota. Näin vältytään häiriöiltä, kuten mittauskohinalta tai kuormitushäiriöiltä. Kylmäprosessin tilaa seurataan mittausantureiden avulla. Mittausanturi muuttaa prosessisuureen sähköiseksi suureeksi, joka tavallisimmin lämpötila-antureilla on analoginen 4 20 ma. Ilmalämpöpumpussa käytetyt lämpötila-anturit ovat NTC-tyypin termistoreja. Niiden resistiivisyyden muuttumista lämpötilan funktiona on esitelty Sanyon teknisessä käsikirjassa (kuva 18). (8, s. 11.) 31

KUVA 18. NTC-termistorin resistiivisyys lämpötilan funktiona (8, s. 11) Ohjelmoitavaan logiikkaan voidaan liittää (17, luku 4 s.?.)... (tätä kohtaa vielä muokataan) 32

5 MITTAUSTAPAHTUMAT JA KÄYTTÖTUTKIMUS Olemassa olevan ohjauksen korvaus uusilla laitteilla vaatii perusteellista järjestelmän tuntemista, niin komponenttien, kuin toimintajaksojen osalta. Uuden ohjausjärjestelmän suunnittelutyö aloitettiin mittauksilla ja toimilaitemallien selvittämisellä. Mittauksien tarkoituksena oli selvittää kylmäprosessin toimintaa, kuten toimintajaksoja, energian kulutusta, painetiloja jne. Internetistä löytyneiden toimilaitedokumenttien sekä muiden käyttäjien kirjaamien kokemusten perusteella selvitettiin eri komponenttien rakennetta ja toimintaa kylmäprosessissa. Mittaustiedot tallentuivat tietojenkeruulaitteelle. tätä kohtaa vielä muokataan 5.1 Mittausolosuhteet ja -laitteisto Mittaustapahtumat suoritettiin Oulun seudun ammattikorkeakoulun energiatekniikan laboratoriossa, jonne oli rakennettu nk. kylmähuone (2, s. 33). Mittausolosuhteiden maksimi- ja minimilämpötilat pyrittiin pitämään vakiona +23-17 C:een alueella. Mittaustapahtumia varten ilma-ilma-lämpöpumppuun kiinnitettiin U-tyypin termistoreja ja painemittauslaitteet, jotka liitettiin tallentavaan dataloggeriin. Mittauspisteet on merkitty liitteenä olevaan prosessikaavioon, joiden sijoittelussa on huomioitu valmistajan vastaavat asennuspaikat (liite 1). Lisäksi kylmäaineputkistoon liitettiin mekaaniset painemittarit kompressorin imu- ja painepuolelle sekä nestelasi, josta voitiin tarkkailla kylmäaineen tilaa. (3, s. 10-26.) Mittaustapahtumat tallennettiin Grant Squirrel 2040 -dataloggeriin, jonka käyttöliittymä SquirrelView asennettiin tietokoneelle. Esimerkkinä kuva 19 asetusikkuna näkymästä. 33