Taajuusmuuttaja

Taajuusmuuttaja on tehoelektroniikkalaite, jota käytetään usein ohjaamaan teollisuuden selvästi yleisintä sähkömoottorityyppiä oikosulkumoottoria (induktiomoottori).

Taajuusmuuttajalla 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 ei käytetä taajuusmuuttajaa, prosessin säädössä on käytettävä muita apukeinoja, kuten vaihteistoja. Taajuusmuuttajalla päästään kuitenkin portaattomaan säätöön.

Yhtenä suurimpana etuna taajuusmuuttajan käytössä on energian säästö, kun moottoria käytetään aina prosessin tarpeen mukaisella nopeudella. Taajuusmuuttajien käyttö kasvaakin voimakkaasti juuri tästä syystä. Lisäetuja taajuusmuuttajalla on sähköverkon ja koneen mekaniikan kokemien rasitusten pieneneminen (esim. käynnistystilanteet).

Taajuusmuuttajia voidaan käyttää monissa teollisuuden sovelluksissa, joissa on käytössä oikosulkumoottoreita. Tyypillisimpiä sovelluksia ovat pumppu- ja puhallinkäytöt, hissit, kuljettimet, paperikoneet ja laivojen potkurikäytöt.

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

Teoriaa

Taajuusmuuttajalla muokataan sähköverkon jännitteen vaihtojännitteen taajuutta ja amplitudia. Näiden avulla voidaan säätää moottorin pyörimisnopeutta ja sen tuottamaa vääntömomenttia.

Yleisin taajuusmuuttajatyyppi on kolmivaiheinen jännitevälipiirillinen taajuusmuuttaja, joka ensin tasasuuntaa verkon vaihtojännitteen tasasähköksi ja edelleen tuottaa tasasähköstä halutun suuruista ja taajuista vaihtojännitettä.

Taajuusmuuttaja käyttää tehopuolijohteita, jotka eroavat tavallisen elektroniikan käyttämistä puolijohdekomponenteista siinä, että niiden jännite- ja virtakestoisuudet ovat huomattavasti suurempia. Tasasuuntaus toteutetaan tyypillisimmin diodisillan avulla. Myös tyristoreita tai eristehilabipolaaritransistoreja (insulated gate bipolar transistor, IGBT) voidaan käyttää.

Tasasuuntausasteen jälkeen suuntaajassa on välipiiri, jossa on kondensaattori. Tämän tehtävänä on tasata jännite tasajännitteeksi. Tästä juontuu myös nimitys jännitevälipiirillinen taajuusmuuttaja.

Tasajännitteestä tehdään edelleen moottoria varten sopivaa vaihtojännitettä. Tässä käytetään IGBT-komponentteja, jotka muodostavat kuuden kytkimen vaihtosuuntaussillan, jonka avulla moottorin vaiheet voidaan kytkeä joko positiiviseen tai negatiiviseen tasajännitepotentiaaliin. Vaiheiden kytkentöjä muutetaan nopeassa tahdissa käyttäen esimerkiksi nk. pulssinleveysmodulaatiota (pulse width modulation, PWM). Syntynyt vaihtojännite on muodoltaan pulssileveydeltään vaihtelevaa kanttiaaltoa, mutta suodatettu jännite on lähellä sinikäyrää.

Vaihtosuuntauksessa käytettävien IGBT-komponenttien ohjaamiseen tarvitaan runsaasti elektroniikkaa ja taajuusmuuttajissa on monia ominaisuuksia sisältävät säätöohjelmistot.

Valmistajat

Suomessa toimii kaksi maailmanlaajuisesti merkittävää taajuusmuuttajavalmistajaa. Kansainvälisen monialakonsernin ABB:n taajuusmuuttajavalmistusta on Helsingissä. ABB on alan markkinajohtaja. Professori Ilpo Ruohosen haastattelu Prosessori-lehdessä 2000 Vaasassa pääkonttoriaan pitävä Vacon on pieni mutta viime vuosina voimakkaasti kasvanut suomalaisvalmistaja.

Lähteet