5 - Moottoriohjain (motor controller)

OHJAIN

(controller)

Ohjaimen malli riippuu moottorin tasa- tai vaihtovirtatyypistä.

DC-moottorin ohjain

DC eli tasavirtamoottorin ohjain toimii periaatteessa kuin himmennin eli säädin pilkkoo jännitettä moottorille haluttuun kierroslukuun. Moottoria ohjataan pulssisuhteella (PWM eli Pulse Width Modulation).

Jos moottoriohjaimessa on kaksi kytkevää komponenttia (puolisilta, engl. half bridge), moottoria pystytään kiihdyttämään ja vähän jarruttamaan. Jos ohjaimessa on neljä kytkevää komponenttia (H-silta, engl. H bridge), moottoria pystytään kiihdyttämään ja jarruttamaan hyvin kumpaankin suuntaan.

AC-moottorin ohjain

AC-moottorit perustuvat vaihtojännitteen taajuuden ja geometrian muuttamiseen (teollisuudessa taajuusmuuttaja). Moottoriohjaimilla pystytään ajamaan moottoria kumpaankin suuntaan.

Moottorityyppejä ja ohjaimia on useita, joten voi olla perusteltua hankkia ohjain ja moottori samalta valmistajalta.

Oikosulkumoottorin ohjaus

Yksinkertaisin oikosulkumoottorin ohjaustapa (lukuun ottamatta suoraa verkkokäyttöä) on skalaariohjaus. Siinä moottoriin syötettävän jännitteen taajuutta ja perusaallon amplitudia kasvatetaan jotakuinkin lineaarisesti, kunnes saavutetaan moottorin nimellisnopeus (tällöin jännite on noussut nimellisjännitteeseen). Jos moottorin halutaan pyörivän nimellisnopeuttaan suuremmalla nopeudella, kasvatetaan ns. kentänheikennyspisteestä eteenpäin pelkkää taajuutta, mutta pidetään jännite vakiona, jolloin magneettivuo pienenee kääntäen verrannollisena taajuuteen. Näitä kahta toiminta-aluetta kutsutaan myös vakiovuoalueeksi (myös vakio momenttialue) ja vakiotehoalueeksi.

Oikosulkumoottorilla roottorin pyörimisnopeus on aina hieman pienempi kuin tahtinopeus (joka on syöttötaajuus/napapariluku). Tahtinopeuden ja roottorin kulmanopeuden erotus on ns. jättämä. Karkeasti voidaan todeta, että mitä suurempi jättämä, sitä suurempi momentti.

Tahtimoottorin ohjaus

Tahtikoneilla, kuten kestomagnetoidut vaihtovirtamoottorit, roottori pyörii täsmälleen tahtinopeudella, mutta roottori- ja staattorivuon välinen kulma muuttuu. Karkeasti: mitä suurempi tehokulma, sitä suurempi momentti. Tahtikoneen ohjaus taajuusmuuttajalla edellyttää roottorin asennon täsmällistä tuntemista ja siksi se on jonkin verran vaikeampaa kuin oikosulkumoottorin ohjaus.

AC-moottorien ohjaustavoista

Jos moottorista ei ole olemassa nopeuden mittaukseen perustuvaa takaisinkytkentää, puhutaan skalaariohjauksesta ja vastaavasti, jos nopeusmittaus on olemassa, kysymyksessä on skalaarisäätö. Vaikka nopeustieto saataisiinkin moottorista säätöjärjestelmään, on skalaarisäädön dynaamiset ominaisuudet melko heikot. Ts. nopeisiin kuormamomentin muutoksiin vastaaminen on hidasta ja saattaa syntyä värähtelyä ym. ei toivottuja ilmiöitä. Momenttisäädön toteuttaminen on skalaarisäädöllä melko mahdotonta.

Skalaariohjausta kehittyneempi ohjaustapa on vektorisäätö. Siinä periaatteena on ohjata oikosulkumoottoria samaan tapaan kuin vierasmagnetoitua tahtikonetta. Perinteisessä vierasmagnetoidussa tahtikoneessa ns. magnetointivirralla määrätään roottorivuon suuruus ja staattorivirran q-komponentilla vääntömomentti. Virran q-komponentti tarkoittaa roottorivuota vastaan kohtisuoraa virtakomponenttia, kun asiaa tarkastellaan roottorin mukana pyörivässä tahtikoordinaatistossa. Vektorisäädössä taajuusmuuttaja pystyy jakamaan numeerisesti, moottorimallin perusteella, staattorivirran kahteen komponenttiin, joista toinen säätää vuota ja toinen momenttia. Näin saadaan oikosulkumoottorillekin tehtyä dynaamisesti tarkka momenttisäätö, joka oli pitkään vain DC-moottorien erityispiirre.

Suora vääntömomentin ohjaus, DTC (Direct Torcue Control), on eräs tapa toteuttaa vektorisäätö. Ensimmäiset kaupalliset DTC-taajuusmuuttajat olivat ABB:n valmistamia 1990-luvun alussa (ACS600 sarja), mutta vastaavia menetelmiä käyttää nyttemmin muutkin valmistajat. Variaatioita DTC:stä on lukemattomia. DTC-menetelmällä saadaan tehtyä momenttisäätö, jonka nopeus on kaikkein lähimpänä teoreettista maksimia ja kehitys tässä mielessä onkin tietyllä tavalla saturoitunut taajuusmuuttajissa. Tämänhetkinen kehitys liittyy mm. pyörimisnopeuden ja asennon anturittomaan säätöön ja häviöiden minimointiin.

Nykyaikaiset AC-moottoreiden (oikosulkumoottoreiden ja kestomagneettitahtikoneiden) ohjaukseen tarkoitetut taajuusmuuttajat toimivat useimmiten vektorisäätö-periaatteella, mutta niitä voidaan käyttää myös skalaarimoodissa, kun säädöltä ei vaadita suurta tarkkuutta (esim. puhallin ja pumppusovellukset). Sähköautossa ihminen on osa sähkömoottorin nopeudensäätöjärjestelmää kaasujalan kautta, eivätkä dynamiikka- tai tarkkuusvaatimukset pyörimisnopeudelle ole erityisen vaativia. Vaihtosuuntaajan asetuksilla voidaan parantaa huomattavasti ajomukavuutta, esim. asettamalla nopeuden ja kiihtyvyyden muutoksille maksimirajat, jolloin sähkömoottorin käyttäytyminen saadaan lähemmäksi polttomoottoria.

Jarrutusenergian talteenotto

DC-moottorien jarrutusenergian talteenotto

DC-moottorien jarrutusenergiasta talteenottomahdollisuudet (engl. regeration) riippuu DC-moottorin tyypistä ja ohjaimesta. DC-kestomagneettimoottorien regen-toiminto on yksinkertainen, mutta kenttäkäämittyjen DC-moottorien jarrutusenergian talteenotto on hankalaa eikä se kaikilla ohjaimilla onnistu, koska jarrutusvirta vaikuttaa myös moottorin magnetointiin.

AC-moottorien jarrutusenergian talteenotto

AC-moottoreita käytettäessä on mahdollista saada osa jarrutusenergiasta talteen (engl. regeration). Jarrutustapahtuma on helpointa ymmärtää momenttisäädön avulla. Moottorin teho on sen mekaaninen kulmataajuus kertaa vääntömomentti. Kun halutaan jarruttaa, vääntömomentin suunta vaihdetaan invertterillä pyörimissuunnan vastaiseksi, eli momentin etumerkki vaihtuu. Tämän seurauksena moottorin teho on negatiivista, joka tarkoittaa tehon virtausta moottorista vaihtosuuntaajan kautta DC-välipiiriin. Moottori toimii jarrutuksessa siis generaattorina. Jos DC-piiri ei pysty varastoimaan generaattorista tulevaa energiaa, sen jännite lähtee nousemaan. Teollisuuskäyttöön tarkoitetuissa taajuusmuuttajissa ylimääräinen jarrutusenergia, joko muutetaan jarrukatkojan ja jarruvastusten avulla lämmöksi, tai johdetaan takaisin verkkoon verkkovaihtosuuntaajan avulla. Sähköjunien jarrutusenergia muutetaan Suomessa pelkästään lämmöksi, vaikka eräät junatyypit teknisesti voisivatkin syöttää jarrutusenergian takaisin verkkoon. Sähköautossa olisi tavoiteltavaa käyttää mahdollisimman paljon hyväksi jarrutusenergian talteenottoa. Alla olevassa kuvassa on esitetty moottorin teho eri kvadranteissa eli neljänneksissä. Pystyakselina on kulmanopeus (verrannollinen staattorijännitteeseen) ja vaaka-akselina vääntömomentti (verrannollinen staattorivirran q-komponenttiin).

gs_fig_3.gif

Super-kondensaattorien käyttö moottorien piikkitehon lähteinä

Super-kondensaattorit (engl. super capacitor) ovat korkean varauskapasiteetin kondensaattoreita, joita voidaan käyttää akkuihin verrattuina lähes rajattomia kertamääriä energian tallennukseen ja purkamiseen. Niiden kapasiteetti on kuitenkin vaatimaton akkuihin verrattuna ja varaus niistä purkautuu kohtuullisen lyhyessä ajassa verrattuna akkuihin sisäisten vuotojen takia. Super-kondensaattoreita käytetään välillä ottamaan vastaan jarrutusenergiaa ja antamaan lyhytaikaisia isoja kiihdytystehoja.

Super-kondensaattorien käyttämiseksi järjestelmään tarvitaan oma DC/DC-muuntimensa kondensaattorien ja moottoriohjaimen väliin, koska näiden kondensaattorien jännite vaihtelee voimakkaasti ladattaessa ja purettaessa.

Moottoriohjain ja EMC

Moottoriohjaimen ja moottorin välinen kaapelointi on yleensä tehtävä suojatulla kaapelilla, jossa johtimet ovat mahdollisimman lähellä toisiaan. Tällöin sähkömagneettisen kentän generointi on mahdollisimman pientä.

Tasajännitettä ohjaimella syöttävät kaapelit on myös suojattava ja asennettava pareiksi toistensa kanssa, jos ohjaimen tulosuodatus ei ole erityisen laadukas.

Valmistajia

Brusa

Katso myös

Sähköautomuunnoksen moottorin vaatimukset

Taajuusmuuttaja Wikipediassa
Säädin Wikipediassa

Ellei toisin mainittu, tämän sivun sisällön lisenssi on Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License