Taajuusmuuttaja

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

Moottorikäytössä taajuusmuuttajaa käyttämällä vaihtosähkömoottori saadaan pyörimään prosessin tarpeen mukaisella nopeudella, jolloin moottorilla suoritettava prosessi tehostuu ja virrankulutus vähenee usein huomattavasti. Jos vaihtosähkömoottori 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 modernit sähköveturit, laivojen potkurikäytöt, sähköautot ja hybridiautot sekä tuulivoimalat.

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

Historiaa
Taajuusmuuttajan käytössä kulkuneuvojen oikosulkumoottorien ohjaukseen on suomalaisella Oy Strömberg Ab:llä merkittävä osuus. 1970-luvun alussa Strömberg käynnisti vuosia kestäneen tutkimusohjelman, jota johti DI Martti Harmoinen ja joka tähtäsi vaihtovirtamoottorin taajuusmuuttajan kehittämiseen. Yksi tutkimusohjelman onnistumisen kannalta keskeisistä valinnoista oli päätös käyttää pulssinleveystekniikkaa moottoriin kierrosnopeuden säätöön. Vuonna 1982 käyttöön otettu Helsingin metro oli maailman ensimmäinen taajuusmuuttajatekniikkaa ja oikosulkumoottoreita käyttävä suuren mittakaavan kulkuneuvosovellus maailmassa.                     

Strömbergin kehittämä taajuusmuuttajateknologia siirtyi yrityskaupan myötä 1987 ruotsalaiselle ASEA:lle ja edelleen vuonna 1988 tapahtuneen ASEA:n ja Brown, Boveri & Cie.:n fuusion myötä syntyneelle ABB:lle. ABB:n taajuusmuuttajavalmistus sijaitsee edelleen Suomessa.

Teoriaa 

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 millä tahansa nopeudella pyörivästä generaattorista tuleva teho ohjata 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 kuristinten ja kondensaattorien yhdistelmillä. Tässä osassa on erityisen tärkeässä roolissa kondensaattori, johon tasasuunnattu sähköteho syötetään ja jonka rooli on myös vakauttaa vaihtosuuntaajan syöttöä. Mikäli syöttöjännite on valmiiksi tasavirtaa, kuten esim. aurinkokennoissa, raitioteillä ja metroissa, ei tasasuuntausvaihetta tarvita. Tämä yksinkertaistaa kalustossa käytettävää taajuusmuuttajaa.

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 (, 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 ovat muun muassa pehmeä käynnistys, säädettävät kiihdytys- ja hidastusajat, moottorin tarkka nopeudensäätö, hyvä kauko-ohjausmahdollisuus, mahdollisuus ohjata ja seurata moottoria tietokoneella, mistä seuraa mahdollisuus korkeaan automaatioasteeseen, yksinkertainen rakenne (ei mekaanisia osia juuri lainkaan), sekä alhaiset rakenneosa- ja työkustannukset.

Valmistajat 
Tunnettuja taajuusmuuttajavalmistajia ovat muun muassa ABB, Bosch Rexroth , Danfoss, Delta, Mitsubishi, Siemens, Yaskawa ja Omron. Vaasassa pääkonttoriaan pitäneen Vacon Oyj:n (Vaasa Control) liiketoiminta myytiin tanskalaiselle Danfossille. Kansainvälisen monialakonsernin ABB:n taajuusmuuttajavalmistusta on Helsingissä Pitäjänmäellä. Bosch Rexroth puolestaan edustaa saksalaista taajuusmuuttajien insinööritaitoa.

Katso myös
Tehoelektroniikka

Lähteet

Aiheesta muualla 

Frequency converter 

Elektroniikka
Seulonnan keskeiset artikkelit