Close

Sulautettu AC käyttö

Julkaistu: 28.02.2018 - 09:17:23
Back to References

Vaihtosähkömoottoreilla on jo yli vuosisata historiaa takanaan. Viime vuosikymmenet ne ovat dominoineet sähkömoottorimarkkinoita sekä teollisissa sovelluksissa että kuluttajaelektroniikan sovelluksissa. Nopeussäädetyissä sähkökäytöissä oli joitakin alueita,  joissa tasasähkömoottori oli ainoa vaihtoehto varsinkin, jos vaadittiin momenttisäätöä tai korkeadynaamista säätöä. Tämä on nyt muuttumassa johtuen kompaktien elektroniikkaratkaisujen saatavuudesta hintakriittisiin sovelluksiin, kuten kodinkoneisiin ja kuluttajaelektroniikan tuotteisiin. Tämä puolestaan mahdollistaa vektoriohjausmenetelmien laajenemisen näihin sovelluksiin. Vektoriohjaus on täydellinen vaihtoehto esimerkiksi sähköautojen moottorinohjaukseen. Jatkuva kehitys moottoriohjausteknologioissa on tuonut mukanaan uusia modulaatiotekniikoita, anturittomia tilaestimaattoreita ja uusia elektroniikkaratkaisuja, jotka ovat nyt saatavilla.

Tärkein virstanpylväs vaihtuvanopeuksisten AC-käyttöjen kehityksessä oli R.H. Parkin työ vuodelta 1929 sekä vektoriohjaus, joka tunnetaan nimellä  ”field oriented control” (FOC). Vektoriohjaus kehitettiin K. Hassen, F. Blaschken ja W. Leonhardin toimesta 1960-luvulla. Kyseisissä töissä ehdotettu säätöstrategia oli tuolloin vielä teknisesti liian haastava toteuttaa, koska tarvittava laskentateho puuttui. Nyt viisi vuosikymmentä myöhemmin vektorisäätö (FOC), suora momentin säätö (DTC) ja sen johdannaiset ovat selvästi tärkein ohjausstrategia AC-käytöille tarjoten dynaamisen momenttiohjauksen.

Kustannustehokas AC-moottoriohjain

 

Tyypillinen moottoriohjain koostuu kytkimistä jotka ohjaavat moottorille menevää jännitettä, säätö- ja mittauspiireistä, teholähteestä ja DC-kondensaattoreista. Matalatehoisia inverttereitä (alle 1kW) voidaan nykyään toteuttaa kahdella integroidulla piirillä jos teholähdettä ja passiivikomponentteja ei oteta huomioon: mikrokontrolleri ja integroitu tehomoduuli. Yleinen kaaviokuva tyypillisestä AC-moottoriohjaimesta on esitetty alla.

Uudet yhden integroidun piirin ratkaisut moottoriohjaukseen sisältävät tehokkaan prosessoriytimen, korkearesoluutioisen pulssinleveysmodulaattorin, AD-muuntimet sekä muut tarvittavat oheislaitteet, jotka tarvitaan vaihtuvanopeuksisen AC-käytön toteuttamiseen. Yksi merkittävä yhden piirin ratkaisu ovat digitaaliset signaalikontrollerit eli DSC:t (Digital Dignal Controller).  C2000-pohjaiset piirit Texas Instrumentsiltä sekä MC56F8xxx piiriperhe NXP:ltä ovat hyviä esimerkkejä digitaalisista signaalikontrollereista. Molemmat valmistavat tarjoavat referenssitoteutuksen sekä ohjelmistokomponentteja ohjaimen tekemiseen. InstaSPIN TI:ltä on myös syytä mainita työkaluna, jolla voidaan helpottaa ohjainpiirin suunnittelua, parameterointia ja verifiointia.

Tehoelektroniikan tarpeisiin on tarjolla integroituja tehomoduuleja, jotka sisältävät kytkimet, hila-ajurit, yläpuolen kytkinten jännitelähteet ja tarvittavat passiivikomponentit, joten mitään diskreettikomponentteja näiden ja mikokontrollerin välillä ei tarvita. ST microelectronicsin SLLIMM-moduuli on esimerkki tällaisesta.

Miksi AC-käyttö?

Yleisimmät ei-invertteripohjaiset käytöt kuluttajaelektroniikassa ovat vaihtuvanopeuksiset DC-käytöt ja vakionopeuksiset oikosulkumoottorikäytöt

Miten hyötyä invertteripohjaisista ratkaisuista sitten on? Ensinnäkin, AC-moottorit ovat paljon yksinkertaisempia mekaanisesti. Niissä ei ole äänekästä kommutaattoria eikä harjoja, jotka vaativat paljon huoltoa suhteessa vaihtosähkömoottoreihin. Pumpuissa AC-käytöt tarjoavat märän roottorin, joka poistaa tiivistyksen tarpeen roottorin ja pumpun juoksupyörän välissä. Tämä taas puolestaan vähentää jälleen huoltotarvetta ja parantaa luotettavuutta. Suunnan ja nopeuden ohjaus on toki mahdollista myös DC-käytöissä, mutta se vaatii ylimääräistä elektroniikkaa toteutuakseen, kun käytetään yleisintä DC-moottoritekniikkaa – universaalimoottoria. Toiseksi, AC-käyttö tarjoaa paljon enemmän kuin yksinkertaisen ohjauksen suunnalle ja nopeudelle ja vaihtelu erilaisten toimintatapojen välillä on helppoa. Samat ominaisuudet ovat saatavilla myös DC-käyttöihin, mutta ne eivät ole aivan yhtä helppoja toteuttaa.

Invertteripohjaiset käytöt tarjoavat mahdollisuuden nopeuden ja momentin säätämisee kun niitä verrataan yksinkertaisiin yksivaiheisiin vakionopeudella pyöriviin oikosulkumoottoreihin. Tämän lisäksi invertteripohjaiset käytöt voivat suorittaa lisäksi mittauksia ja laskelmia analysoidakseen kuormaa ja toimintaolosuhteita ilman ylimääräisiä antureita. Hyvä esimerkki on pumppukäytöt, joissa voidaan havaita muutoksia pumpattavassa väliaineessa tai pesukone, joka voi arvioida pestävän pyykin määrää. Invertteripohjaiset sovellukset voivat myös tarjota moottorin ylikuormituksen suojauksen, nopeusprofiileja, joissa on säädettävät käynnistysrampit käynnistysvirtojen alentamiseksi ja toiminallisen turvallisuuden toimintoja. AC-käytöillä voidaan myös ajaa vierasmagnetoituja tahtimoottoreita sekä kestomagneettitahtimoottoreita. Nämä ovat yleensä hyötysuhteeltaan ja tehotiheydeltään parempia kuin DC-moottorit, joita on vaikea muulla tavalla ohjata.

Joten, mikä puhuu sulautettuja AC-käyttöjä vastaan? Ensinnäkin, korkealuokkaisten AC-käyttöjen kehitystyö vaatii erittäin kompetentin suunnittelutiimin. On myös tärkeää huomata, että emme puhu tässä teollisista moottorikäytöistä, vaan suhteellisen yksinkertaisista sähkökäytöistä, jotka on kehitetty tiettyihin sovelluksiin ja tarkasti määritellyille vaihtosähkömoottoreille. Myös merkittävät muutokset toimintaolosuhteissa saattavat vaatia ohjausohjelman uudelleensäätämistä.

AC-käytöt ja niissä käytetyt säätötekniikat ovat tyylikkäitä teknisiä toteutuksia jotka ovat nykyään saatavilla ja käytettävissä monenlaisiin sovelluksiin, välittömästi.

 

Marek Kabala on pääsuunnittelija ja ohjelmistotiiminvetäjä tuotesuunnitteluprojekteissa. Marekilla on tohtorintutkinto robotiikasta ja kokemusta monialaisista projekteista, joihin usein liittyy matemaattista mallinnusta, simulointia, algoritmikehitystä, toteutusta ja verifiointia.

Liittyvä sisältö

Älykäs tapahtuma-alusta

Etteplaniin kuuluvan Eatechin ja Tampereen kaupungin tuottamaa ratkaisua käytetään Helsingin Kauppatorin digitaalisten kokeilujen julkaisualustana. Tuotamme alustaan käyttämiseen liittyviä tukipalveluja kokeilujen ajaksi.

Posti

Etteplaniin kuuluva Eatech on Postin yhteistyökumppani, joka vastaa Postin pakettiautomaattien ylläpidosta ja osallistuu kehitykseen. Eatechin jatkuvien palveluiden osasto on toteuttanut Postin pakettiautomaatteihin laitteiston uudistuksen sekä uuden ohjelmiston käyttöönoton syksyn 2017 aikana. Työ kattaa kaikki Suomen pakettiautomaatit.

Neste

Etteplaniin kuuluva Eatech toteutti Nesteelle mobiilisovelluksen, joka sisältää mobiilitankkauksen sekä monipuolisia mahdollisuuksia asiakasmarkkinointiin. iPhonelle ja Androidille julkaistun sovelluksen potentiaalisia käyttäjiä ovat kaikki autoilevat suomalaiset.

Ota yhteyttä
Kalle Mannonen
Kalle Mannonen
Business Unit Director