Taajuusmuuttaja

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Taajuusmuuttaja (taajuudenmuuttaja, invertteri, moottorivaihtosuuntaaja, taajuudenmuutin) on sähkölaite, joka kytketään kahden erillisen sähköverkon välille. Sähköverkkojen jännitteen taajuus ja amplitudi voivat poiketa toisistaan. Yleisin käyttökohde on kytkeä taajuusmuuttaja sähkömoottorin tai -generaattorin ja valtakunnallisen sähköverkon väliin. Tällöin taajuusmuuttaja on osa moottori- tai generaattorikäyttöä, missä se vastaa moottorin tai generaattorin ohjauksesta. Sähkömoottorikäyttö käsittää sähköverkon, sähkömoottorin sekä tarvittavan ohjauslaitteiston.

Moottorikäytössä taajuusmuuttajaa käyttämällä sähkömoottori saadaan pyörimään prosessin tarpeen mukaisella nopeudella, jolloin moottorilla suoritettava prosessi tehostuu usein huomattavasti. Jos sähkömoottori kytketään suoraan sähköverkkoon, moottori pyörii verkon taajuuden määräämällä nopeudella. Jos taajuusmuuttajaa ei käytetä, prosessin säädössä on käytettävä muita apukeinoja, esimerkiksi vaihteistoja tai puhallin- ja pumppukäytöissä kuristimia. Taajuusmuuttajan avulla päästään portaattomaan säätöön moottorille syötettävää taajuutta muuttamalla.

Yhtenä suurimpana etuna taajuusmuuttajan käytössä on energian säästö, kun moottoria käytetään aina prosessin tarpeen mukaisella nopeudella. Energian säästö on erityisesti huomattava pumppu- ja puhallinkäytössä, joissa energian tarve pienenee suhteessa nopeuden kolmanteen potenssiin. Taajuusmuuttajalla aikaansaatu säästö on merkittävää myös tilanteissa, joissa kanavassa virtaavan nesteen tai kaasun virtausta muuten säädeltäisiin kuristamalla. Monissa pumpuissa säästöt ovat yli 50 % ja tämä merkitsee suurilla pumppaustehoilla myös suurta rahasäästöä. Taajuusmuuttajien käyttö lisääntyykin voimakkaasti juuri tästä syystä. Taajuusmuuttajan lisäetuina saavutetaan sähköverkon ja käyttölaitteistojen rasitusten pieneneminen (esimerkiksi kiihdytys- ja hidastustilanteet).

Taajuusmuuttajia voidaan käyttää monissa teollisuuden sovelluksissa, joissa on käytössä vaihtosähkömoottoreita. Tyypillisimpiä sovelluksia ovat pumppu- ja puhallinkäytöt, hissit, kuljettimet, paperikoneiden voimansiirrot sekä yleisesti kaikki vaihtosähköpohjaiseen voimansiirtoon perustuvat laitteistot kuten esimerkiksi laivojen potkurikäytöt,sähköautot ja hybridiautot sekä tuulivoimalat.

Taajuusmuuttajien tehoalue ulottuu pienjännitteellä (400-690 V) muutamista wateista aina useisiin megawatteihin.

Teoriaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

PWM taajuusmuuttajan kaaviokuva

Taajuusmuuttajalla muokataan kiinteätaajuisesta ja -amplitudisesta vaihtosähkösyöttöverkosta vaihtosähkömoottorille haluttu syöttötaajuus ja -jännite. Säätämällä moottorin syöttötaajuutta ja -jännitettä voidaan moottorin pyörimisnopeus ja sen tuottama vääntömomentti ohjata halutuiksi. Osalla taajuusmuuttajista voidaan myös ohjata millä tahansa nopeudella pyörivästä generaattorista tuleva teho kiinteätaajuiseen syöttöverkkoon.

Yleisin taajuusmuuttajatyyppi on toimintaperiaatteeltaan kolmivaiheinen, sisältäen tasasuuntaajan, suodatus- ja kapasitanssipiirin, joka samalla toimii sähköenergian välivarastona sekä vaihtosuuntaajan. Ensimmäiseksi syöttötaajuus tasasuunnataan tarvittavaa tehoa vastaavalla, esimerkiksi diodi- tai tyristorisillalla tasajännitteeksi. Transistori ei voi korvata tyristoria tasasuuntauksessa, koska transistorin napaisuutta ei voida muuttaa. Tyristorilla voidaan tehdä osavaihetasasuuntausta säätämällä tyristorin syttymispistettä ja näin säätää esimerkiksi tehoa tasasuuntausvaiheessa. Tasasuuntaus saattaa aiheuttaa häiriöitä ja häviöitä syöttöverkkoon esimerkiksi loistehon vuoksi. Syöttöverkkoa suojataan tavallisesti kuristinyhdistelmillä. Tasasuunnatun sähkötehon suodatus tapahtuu kuristin ja kondensaattoriyhdistelmillä. Tässä osassa on erityisen tärkeässä roolissa kondensaattori, johon tasasuunnattu sähköteho syötetään ja jonka rooli on myös vakauttaa vaihtosuuntaajan syöttöä.

Vaihtosuuntauksessa käytetään kytkinkomponentteja, jotka muodostuvat ulostulovaiheiden lukumäärän mukaisesti tyristori- tai nykyisin käytetyimmistä IGBT-transistoripareista. Yksi komponentti kustakin parista johtaa kerrallaan nopeassa tahdissa käyttäen esimerkiksi pulssinleveysmodulaatiota (engl. pulse width modulation, PWM). Syntynyt vaihtojännite on muodoltaan pulssileveydeltään vaihtelevaa kanttiaaltoa, mutta ennen ulossyöttöä suodatettu jännite on lähellä sinikäyrää. Toimintaa voidaan kuvata esimerkiksi ajattelemalla, että moottorijohtimet kytketään vuorotellen vakautinkondensaattorin positiiviseen ja negatiiviseen kiskoon taajuudella, joka määräytyy tehokomponentin sytytystiheyden mukaan.

Taajuusmuuttajassa käytettävät tehopuolijohteet eroavat tavallisen elektroniikan käyttämistä komponenteista siinä, että niiden jännite- ja virtakestoisuudet ovat huomattavasti suurempia. Vaihtosuuntauksessa käytettävien kytkinkomponenttien ohjaamiseen tarvittava elektroniikka mitoitetaan muuttajalta vaadittavien ominaisuuksien mukaan. Vaativimmissa taajuusmuuttajissa tämä ohjauselektroniikka on kehitetty varsin pitkälle ja sisältää monipuoliset säätöohjelmistot.

Taajuusmuuttajan etuja on muun muassa pehmeä käynnistys, säädettävät kiihdytys- ja hidastusajat, tarkka nopeus, hyvä kauko-ohjausmahdollisuus, tietokoneliitäntä, yksinkertainen rakenne (ei mekaanisia osia juuri lainkaan), mahdollistaa korkean automaatioasteen sekä alhaiset rakenneosa- ja työkustannukset.

Valmistajat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tunnettuja taajuusmuuttajavalmistajia ovat muun muassa Siemens, Danfoss, Mitsubishi, Yaskawa, Omron, Vacon sekä ABB.[1]

Suomessa toimii kaksi maailmanlaajuisesti merkittävää taajuusmuuttajavalmistajaa, ABB ja Vacon. Kansainvälisen monialakonsernin ABB:n taajuusmuuttajavalmistusta on Helsingissä Pitäjänmäellä. Lisäksi Vaasassa pääkonttoriaan pitävä Vacon on viime vuosina voimakkaasti kasvanut suomalaisvalmistaja. Vaconilla on taajuusmuuttajavalmistusta Suomen lisäksi Kiinassa, USA:ssa ja Italiassa.[2]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]