Tallinna tehnikaülikool

Elektriajamite ja jõuelektroonika instituut

TÕNU LEHTLA

ELEKTRIAJAMID

ÜLDKURSUS

Tallinn 2005

T. Lehtla. Elektriajamid. Üldkursus. TTÜ elektriajamite ja jõuelektroonika instituut. Tallinn, 2004. 201 lk. Raamat „Elektriajamite üldkursus” on mõeldud TTÜ bakalaureuseõppe samanimelise kursuse põhiõpikuks energeetikateaduskonna elektriajamite ja jõuelektroonika ning mehaanikateaduskonna mehhatroonika erialadel. Käesoleva raamatu koostamist ja kirjastamist on toetanud firma ABB AS © T. Lehtla, 2006. tlehtla@staff.ttu.ee © TTÜ elektriajamite ja jõuelektroonika instituut, 2006.

Ehitajate tee 5, Tallinn, 19086 Tel. 620 3700, 620 3704 Faks 620 3701 www.ttu.ene.ee/Elektriajamid/

ISBN 9985-69-016-7????? TTÜ trükikoda. ??????, Tallinn Tel. 552 105 © Tallinna Tehnikaülikooli elektriajamite ja jõuelektroonika instituut

2

Saateks Elektriajamid on tihedalt seotud nii elektrienergia kasutamise kui ka tootmise automatiseerimise valdkondadega ning on seetõttu energeetika ja automaatika piirimaile jääv interdistsiplinaarne ala. Bakalaureuseõppeks mõeldud elektriajamite üldkursuse sisu on koostatud eeldusel, et siin saadud teadmisi kinnistatakse edaspidi magistriõppe elektriajamite erikursuses. Seepärast on raamatusse valitud eelkõige niisugune õppematerjal, mille tundmine on tulevasele insenerile kõige olulisem. Õppematerjali on püütud esitada võimalikult lihtsalt ja arusaadavalt. Autori sooviks oli koostada õpik, mille üldine filosoofiline mõttearendus on järjekindlas seoses konkreetsete näidetega ja praktiliste arvutustega. Selle raamatu kasutajale on ühelt poolt jäetud piisavalt ruumi lennukaks insenerimõtteks ning teisalt püütakse seda mõtet järjekindlalt juhtida reaalse elu probleemide juurde. Tõnu Lehtla

3

Sisukord 1. Sissejuhatus 7

1.1. Ülevaade elektriajamite üldkursusest 7 1.2. Ajamiehituse uued suunad ja probleemid 12 1.3. Energia kasutamine ja muundamine 14 1.4. Elektromehaanilise energiamuundamise arengulugu 20 1.5. Lüliti kui energiamuundur 22 1.6. Elektriajami põhiomadused 26

2. Tehnoloogiliste masinate ajamid 29

2.1. Ventilaatoriajam 29 2.2. Pumbaajam 32 2.3. Kompressoriajam 34 2.4. Konveieriajam 37 2.5. Ketassae ajam 40 2.6. Kerimismasina ajam 41 2.7. Transportmasina veoajam 42 2.8. Tõstemasina ajam 46 2.9. Lõikemasina ajam 48 2.10. Elektriajami mehaanika 51 2.11. Elektriajami mehaanika põhivõrrandid 56 2.12. Veoajami arvutusnäide 60

3. Elektromehaaniline muundamine ja elektrimasinate omadused 63

3.1. Üldpõhimõtted 63 3.2. Harikommutaatoriga alalisvoolumasin 66 3.3. Pooljuhtkommutaatoriga elektrimasin 79 3.4. Pöördmagnetvälja tekitamine võrgupingega 83 3.5. Sünkroonmasin 85 3.6. Asünkroonmasin 93 3.7. Reluktantsmootori ehitus ja omadused 103 3.8 Elektrimasina vektorkirjeldus 106

4. Ajamite jõuahelate lülitused 111

4.1. Mootorite lihtsad käivitus- ja kaitseahelad 111 4.2. Reostaatkäivitus, -pidurdus ja –reguleerimine 116 4.3. Reostaat- ja impulssreguleerimine 119 4.4. Pooljuhtalaldiga ajamid 122 4.5. Vahelduvpingeregulaatoriga ajam 129 4.6. Alalisvoolu pingemuundurid ja -regulaatorid 131 4.7. Pingemuunduriga alalisvooluajam 134 4.8. Pinge- või vooluvaheldiga ajam 136

5. Liikumise juhtimine ajamiga 142

5.1 Ajami juhtimissüsteemide liigitus 142 5.2 Dünaamilised süsteemid 143 5.3. Diferentsiaalvõrrandite lahendamine ja Laplace teisendus 146 5.4. Juhtimise kvaliteet 152

4

5.5. Tagasiside 154 5.6. Juhtimissüsteemi dekomponeerimine 155 5.7. Juhtimine väljundi vea järgi 157 5.8 Elektrimasina dünaamikamudel automaatikasüsteemis 159 5.9 Liikumise plaanimine ja liikumisdiagrammid 162 5.10. Regulaatorid 166 5.11. Ajamis kasutatavad andurid 169

6. Ajami põhiliigid ja funktsioonid 174

6.1. Ajami üldiseloomustus 174 6.2. Sujuvkäivitiga ajam 176 6.3 Sagedusjuhtimisega ajam 182 6.4 Juhitava alaldi või pingeregulaatoriga ajam 191 6.5 Servoajam 196 6.6 Ühise alalisvoolusiiniga mitmikajam 199

Lisad

SI süsteemi ühikud Elektromehaanika põhivalemid Märksõnastik

Kasutatud ja soovitatav kirjandus

5

Elektriajamite erikursuse sisukord . 1. Elektrimasinate talitluse iseärasused

1.1. Püsimagnetergutusega masinate talitluse iseärasused 1.2. Asünkroonmasinate talitluse iseärasused 1.3. Samm-masinad 1.4. Lineaarmasinad 1.5. Magnetohüdrodünaamilised masinad

2. Elektriajamite mehaanika iseärasused 2.1. Mehhanismide lõtkud ja suletud kinemaatilised ahelad 2.2. Elastsed lülid ja mitmemassilised süsteemid 2.3. Muutuva massi ja muutuva ülekandearvuga süsteemid

3. Elektriajamite juhtimise iseärasused 3.1. Mootorite vektormudelid 3.2. Vektorjuhtimise meetodid 3.3. Momendi otsejuhtimine 3.4. Binaar- ja libistusmooduses juhtimine 3.5. Hägusloogiline juhtimine

4. Elektriajamite elektromagnetiline ühilduvus 4.1. Maandamine 4.2. Häiretundlikkus ja varjestamine 4.3. Juhtivus- ja kiirgushäired ning filtrid

5. Elektriajami kasutusliidesed 5.1. Kasutusmenüüd 5.2. Sisendid ja väljundid 5.3. Ajamite võrgutalitlus

6. Elektriajami projekteerimine ja komponentide valik 6.1. Elektriajamite modelleerimis- ja projekteerimistarkvara 6.2. Mootori, muunduri ja muude komponentide valik 6.3. Ajami kaitse- ja lülitusaparatuuri valik 6.4. Ajami paigaldamine

6

SISSEJUHATUS Mida õpitakse elektriajamite üldkursuses? Kuidas areneb ajamitehnika ja –tehnoloogia? Milleks kasutatakse ja muundatakse ajamis energiat? Millal algas elektromehaaniline energiamuundamine? Kas lüliti on loogikaelement või energiamuundur? Missugused on elektriajami põhiomadused? NB! 1 kWh = 3600000 J = 860 kcal 1.1. Ülevaade elektriajamite üldkursusest Elektriajami mõiste (elctrical drive, elektrische antriebe, sähkökäitö, elektroprivod), otstarve ning paljud sellega seotud tehnilised rakendused on tuntud juba enam kui sada aastat. Ka tänapäeval võib kehtivaks lugeda poole sajandi vanuse elektriajami olemust käsitleva selgituse. Elektriajam on mitmesuguste töömasinate või abimehhanismide käitamiseks ettenähtud elektromehaaniline süsteem, mis koosneb elektrimootorist, jõuülekandest, toitemuundurist ja juhtseadmetest. Mõnikord võib ühes ajamis olla ka mitu mootorit, jõuülekannet ja toitemuundurit. Elektriajami esimesed rakendused pärinevad 19. sajandi keskpaigast, mil elektrienergiat hakati kasutama mitmesuguste masinate käitamiseks. Elektrimootorite (-ajamite) massiline kasutamine algas 19. sajandi lõpul ning kogu 20. sajandi jooksul olid elektriajamid elektrienergia peamisteks tarbijateks. Ka tänapäeval tarbitakse u. 60 % toodetud elektrienergiast elektriajamite poolt. Kuigi kodumajapidamises torkavad elektrienergia tarvititena silma eelkõige valgustid, olmeelektroonika, elektripliidid, triikrauad, kohvikeetjad jm seadmed, milles ajamid puuduvad, leidub kodutehnika hulgas ka mitmeid masinaid, mis sisaldavad ajameid: nt. külmutid (kompressorid), ventilaatorid, pesumasinad, segistid (mikserid). Elektriajamite peamisteks rakendusaladeks on aga tööstus, energeetika ja elektertransport. Elektriajamite õppeaine kujunes traditsioonilisel kujul välja 20. sajandi keskel. See kursus sisaldas õpetust põhiliste elektrimasinate omadustest, elektrimasinate ja koormusmasinate mehaaniliste tunnusjoonte omavahelisest sobitamisest, elektrimasinate ja ülekande-mehhanismide valikust, masinate kiiruse reguleerimise viisidest ning ajamite kaitse- ja kommutatsiooniaparaatide kasutamisest. Mootori kiiruse reguleerimiseks ja toiteks kasutati 1960. aastateni reguleeritavaid elektrimasinmuundureid. Koos töömasinat käitava mootoriga moodustasid need mitmest elektrimasinast koosneva elektromehaanilise süsteemi. Elektroonilised pinge- ja vooluregulaatorid olid 20. sajandi keskel küll tuntud, kuid piiratud võimsuse ja väikese töökindluse tõttu sedavõrd vähe kasutusel, et elektriajamite üldkursuses neile tavaliselt tähelepanu ei osutatud. Automaatika areng ning automaatjuhtimise põhimõtete rakendamine ajamites tõi elektriajamite kursusesse kaasa uued peatükid ajamite kiiruse stabiliseerimis- ning asendi positsioonimis- ja järgimissüsteemidest. Võimalus kasutada

7

mäluseadmeid laiendas traditsioonilist elektriajamite kursust veel programmjuhtimise peatükiga. Alates 1950. aastate lõpust hakkas hoogsalt arenema jõupooljuhttehnika ning ajamites võeti kasutusele mitmesugused pooljuhtmuundurid. Selle tulemusena täienes paratamatult ka elektriajamite kursus uute peatükkidega alalis- ja vahelduvvooluajamite pooljuhtmuunduritest. Alates 1960. aastatest vallandus revolutsiooniline areng mikroelektroonikas, mis muutis radikaalselt elektriajamite juhtimistehnikat. Lihtsate juhtnuppude ning releede-kontaktorite asemel võeti kasutusele elektroonilised süsteemid. Signaalide elektrooniline võimendamine, võrdlemine ja filtreerimine muutusid ajamitehnika lahutamatuks osaks, mille tulemusena ajamite üldkursuse ainevald kasvas veelgi. Kuid ka see polnud veel kõik. Mikroprotsessorite tulekuga muutus kogu arusaam tehnikast − senikirjeldatud riistvara kõrval on üha suuremat tähtsust omandamas tarkvara, mille õpetamine vajab samuti tähelepanu. Traditsioonilise elektriajamite üldkursuse jaoks oli see aga liig. Konflikt elektriinseneri nüüdisaja nõuetele vastava ettevalmistuse ning õppeainete traditsioonilise sisu vahel on küpsenud alates 1980. aastate teisest poolest ning muutunud eriti teravaks alates 1990. aastate lõpust. Ajami riistvara on muutumas üha universaalsemaks. Paljud traditsioonilised mootoritüübid (nt. faasirootoriga asünkroonmootor, mitmed alalisvoolumootori tüübid) ning seadmed (nt. magnetvõimendid, analoogtehnikal põhinevad juhtseadmed) on kasutusest välja langemas, tarkvaraliste lahenduste tähendus on pidevalt paisumas, ajamile on lisandunud mitmed uued tehnilised täiustused nagu liidesed inimesega suhtlemiseks või võrgutalitluseks koos muude masinate ja seadmetega. Uut tehnikat puudutavat infotulva arvestades on traditsioonilised õppeained materjaliga ülekoormatud ning nende õpetamine senisel kujul viiks paratamatult pealiskaudsuseni. Samal ajal sisaldavad paljud õppeained vananenud või oma tähendust kaotava sisuga materjale. Viimastest pole aga lihtne loobuda, sest need kuuluvad kogu senise tervikliku maailmapildi juurde. Selle maailmapildi aluseks on arusaam, et nii nagu elektrivool on jagunenud kaheks: alalis- ja vahelduvvooluks, tuleb eraldi käsitleda ka alalis- ja vahelduvvooluajameid ning sama viisil kahte harusse jagada kogu elektrotehnika. Mõrad selles nägemuses on aga samuti ilmsed. Alalisvoolumootori mähistes voolab ju tegelikult vahelduvvool. Enamik vahelduvvoolumuundureid sisaldab endas alalisvoolulüli. Pole selge, kumba harusse liigitada impulsspinged ja -voolud, mille tähtsus pooljuhtkommutaatorite rakendamisega aina kasvab. Füüsikaliselt selget arusaama ei kujundata ka energiast kui töö mõõdupuust, mida hägustab vahelduvvoolu puhul kasutatav reaktiivenergia mõiste. Elektrotehnika kui õppeaine vajab uut metoodilist käsitlust ning kohandamist uude terviklikku maailmapilti. Selle keskmes on energia, mida edastatakse ühest kohast teise ja mida muundatakse ühest liigist teise. Teisejärguline on see kas energia voolab ühtlaselt kui jõgi, seda edastatakse vahelduvvoolu taoliselt lainetena või saabub see impulssidena nagu haamrilöögid. Energia ei teki ega kao, seda saab vaid muundada ühest liigist teise. Seda füüsika põhitõde silmas pidades omandab hoopis erilise tähenduse ka elektriahelas kasutatava lüliti talitlus. Ahela sisse- ja väljalülitamine pole üksnes lihtne ühebitiline informatiivne toiming, vaid elektriahela lülitamisega kaasneb alati energiamuundusprotsess. Nüüdisaegsete elektriajamite talitlus põhineb pooljuhtlülititel, mis paindlikult juhivad elektrienergiat toitevõrgust mootorile või vastupidi mootorilt tagasi toitevõrku. Elektrotehnika sisulist käsitlust peaksid aitama kujundada ka ülijuhtiva mähisega induktiivsus ning ülikondensaator − energiasalvestid, mille olemasolu lubab oluliselt parandada elektrienergia kasutamise efektiivsust ning vähendada elektromehaanilise energiamuundamise kadusid.

8

Elektrienergia tootmise suurimaks probleemiks on olnud vajadus reguleerida tootmist vastavalt tarbimisele. Energiat salvestamata ei saa seda toota rohkem kui kulub tarbimiseks. Energia piisavas mahus salvestamine on olnud ning on jätkuvalt kogu energeetika üheks suuremaks probleemiks. Märkigem, et tavaliste kondensaatorite ja induktiivsuste energiamahutavus on liiga väike et kuigivõrd olulisel määral akumuleerida energiat ja mõjutada sellega energia tarbimise efektiivsust. Piisava suurusega elektrilise energiasalvesti olemasolu võimaldab aga ajaliselt nihutada energiatarbimist võrgust ning selle muundamist mehaaniliseks energiaks. Elektrotehnika ühe senise põhivaldkonna - skeemitehnika osatähtsus väheneb, sest elektrilülitused (riistvara) unifitseeruvad. Hoopis suuremat tähtsust omandab elektrotehnikas aga ahela lülitite juhtimine (toimingute järjekord, algoritmid) ehk nn. tarkvara. Eespool tõstatatud küsimused ja probleemid sunnivad paratamatult otsima teed elektrotehniliste õppeainete sisuliseks uuendamiseks. Mida lugeda oluliseks ja mida ebaoluliseks? Kus on piirid õpetatava materjali üldise ja konkreetse esituse vahel? Neid küsimusi esitab raamatu autor endale korduvalt. Elektriajamite üldkursuse õpetamine põhineb eelnevatel teadmistel elektrotehnikast, elektrimasinatest, elektriaparaatidest ja automaatjuhtimisest. Elektri- või mehhatroonikainseneri koolitamisel on elektriajamite kursus omakorda aluseks nüüdistööstuse tundmiseks vajaliku masinate ja tehnoloogia, tootmise automatiseerimise ning robotite ja robotsüsteemide kursuste õppimisel. Öeldut illustreerib alljärgnev joonis 1.1.

Elektrotehnika Automaatjuhtimine Elektriaparaadid Elektrimasinad

Masinad ja tehnoloogia

Elektriajamid

Robotid ja robotsüsteemid

Tootmise automatiseerimine

Jõuelektroonika

Joonis 1.1. Elektriajamite kursuse koht õppekavas Moodsa elektriajamite kursuse õpetamisel tuleb arvestada muutustega, mis selle valdkonna tehnikas on valdavalt eelneva lähikümnendi jooksul toimunud. Need muudatused on põhjustatud eelkõige materjalide, pooljuhttehnika ning infotehnoloogia arengust ning puudutavad:

• elektrimasinate ehitust ja kasutamist • toitemuundurite ehitust ning rakendusvõimalusi • juhtseadmete (andurite, elektriaparaatide, kontrollerite) ehitust ja uute juhtimismeetodite

rakendusvõimalusi • inimese-masina e kasutajaliidest ning ajamite võrgutalitlust • pooljuhtkommutaatoritest tingitud elektromagnetilise ühilduvuse probleeme.

Elektrimasinate ehitus ja tüübid pole viimase poolsajandi jooksul kuigi oluliselt muutunud, kuid eri tüüpi masinate kasutamise vallas on muutused märgatavad. Reguleeritava kiirusega

9

ajamites on traditsioonilise alalisvoolumootori asemel kasutusele võetud vahelduvvoolu sünkroon- või asünkroonmasinad. Püsimagnetergutusega sünkroonmootoreid eelistatakse suure toimekiiruse saavutamiseks väiksematel võimsustel (kuni mõnekümne kilovatini), mil kulutused püsimagnetitele on põhjendatud. Püsimagnetite omaduste ja hinna muutumisel nihkuvad aga ka nende kasutamisega seotud piirid. Üldrakenduste puhul ning keskmistel ja suurtel võimsustel eelistatakse asünkroonmootoreid. Väga suurtel võimsustel eelistatakse aga parema kasuteguri ning mõõduka hinna tõttu elektromagnetergutusega sünkroonmootoreid. Paljusid eritüübilisi alalisvoolumootoreid, nagu jadaergutusega ehk peavoolumootoreid, rööpergutusega ehk haruvoolumootoreid ning segaergutusega ehk kompaundmootoreid toodetakse ja kasutatakse uutes ajamites suhteliselt vähe. Pöörlevate elektrimasinate kasutamine toitepingete ja -voolude reguleerimiseks ja muundamiseks on tänaseks praktiliselt lõpetatud. Traditsiooniliste 50 Hz sagedusega võrgutoitetrafode kõrval on moodsates ajamites ja toiteseadmetes kasutusele võetud kõrgsageduslikud (1...100 kHz) toitetrafod. Tänu vektorjuhtimise põhimõtte rakendamisele on laiemat kasutust leidmas vahepeal madala kasuteguri tõttu peaaegu unustatud reaktiivne sünkroonmootor ehk reluktantsmootor, mis võlub insenere oma lihtsa ehituse ning odava hinnaga. Vektorjuhtimine tagab reluktantsmootorile aga asünkroonmootoriga pea samaväärsed tehnilised omadused. Samm-mootorite kasutusalaks on endiselt jäänud valdavalt aparaadiehitus, nende kasutus on aga suurenenud tänu arvuti- ja bürootehnikas valitsevale arengubuumile. (Vt märksõnastik raamatu lisas.) Elektriaparaatide ja andurite rakendamine ajamites on seotud ajamite kaitse- ja automaatikafunktsioonidega. Sulavkaitsmed ja kaitselülitid tagavad jõuahelate kaitse liigkoormuse ja lühiste eest. Lahklülitid ja rikkevoolukaitselülitid on vajalikud mittetöötavate seadmete isoleerimiseks ja inimeste kaitseks elektrilöögi eest. Releed ja kontaktorid võimaldavad elektriahelate automaatset kommuteerimst vastavalt juhtseadmest tulevatele signaalidele. Piirlüliteid, asendi ja kiirusandureid kasutatakse masinate liikumise juhtimiseks. Vooluandurid on vajalikud nii ajami kaitseks liigvoolude eest kui ka mootori momendi juhtimiseks. Elektriaparaatide arendustöö tulemusena on aparaatide mõõtmed ja mass vähenenud kordades. Aparaatide moodulehitus võimaldab luua väga kompaktseid ja hõlpsasti kasutatavaid aparaadikoosteid. (Vt märksõnastik raamatu lisas.) Jõuelektroonika aine sisuks on pooljuhtlülituselementide ning nende baasil valmistatud muundurite omaduste ja ehituse uurimine. Viimastel aastatel võib märgata jõupooljuhtide lubatud pingete ja voolude kiiret kasvu. Põhilisteks kommutatsioonielementideks on kujunenud juhtpulsiga suletavad türistorid (GTO), isoleeritud paisuga bipolaarsed transistorid (IGBT) ning väljaga juhitavad jõutransistorid (Power FET). Võimsate jõupooljuhtide maksimaalselt lubatud pinged ulatuvad mõne kilovoldini, voolud aga kiloampriteni. Tänu sellele saab pooljuhtmuunduritega juhitavaid ajameid ehitada kõikidel vajalikel juhtudel ning võimsuspiirang praktiliselt puudub. Nüüdisaegsete juhitavate ajamite võimsus ulatub megavattideni. Ajami toitemuundurite skeemilahenduste varasema mitmekesisuse asemel on nüüd põhilülituseks kujunenud kolmefaasiline kuueventiililine sildlülitus. See lülitus sobib ideaalselt nii kolmefaasilise toitevõrguga kui ka kolmefaasiliste elektrimasinatega. Seda saab kasutada nii alaldi kui ka vaheldina. Juhitavate ventiilide kasutamise korral saab kolmefaasilise sildlülituse abil energiat edastada mõlemas suunas. Võib eeldada, et kolmefaasiline sildlülitus jääb ajamite toitemuundurites põhilülitusena kasutusele vähemalt sama kauaks kuni püsib elektrienergia kolmefaasiline jaotussüsteem ning toodetakse kolmefaasilisi elektrimasinaid. Kuigi tänaseks on olemas tehnilised eeldused nii alalisvoolu jaotussüsteemi taaskasutuselevõtuks (pärast T. A. Edisoni) kui ka nt. kahe- või viiefaasiliste elektrimasinate tootmiseks ja kasutamiseks, on olemasolevad kolmefaasilised süsteemid

10

niivõrd tugevasti juurdunud nüüdisaegsesse tehnotsönoosi, et nende muutmine lähitulevikus pole reaalne. Omaette küsimuseks on muunduri ventiilide juhtimispõhimõtete ja ideede paljusus, milles seni ühtne seisukoht puudub. Toitemuunduri ventiilide juhtimiseks kasutatakse nii traditsioonilist kuuepulsilist juhtimist, siinus- või trapetslaine pulsilaiusmodulatsiooni, tagasisidesignaaliga juhitavat, võrguga sünkroniseeritud, asünkroonset või juhusliku signaaliga moduleerimist. Kõigil neil on oma eelised ja puudused. Vahelduvpinge siinuslaine kuju on loetud ideaaliks, selle olemasolu aga aksioomiks, mille kohta küsimusi ei esitata. Tegelikult on ideaalilähedane siinuspinge saavutatud tänu elektrigeneraatorite konstruktsiooni sihipärasele täiustamisele. Nüüdiselektri-ajamites on tihti loobutud siinuspingest kui ideaalist a’priori. Pinge siinuselise keskväärtuse genereerimine pulsilaiusmodulatsiooniga on keerukas toiming, mille lõplik mõju ja kasu sõltub paljudest muudest asjaoludest nagu filtrite valikust, elektrimasina talitlusest, koormusest jms. Sageli võivad muud valikud nt. trapetslaine või tagasisidesignaaliga juhitud pingelaine osutuda ajami seisukohast otstarbekamaks kui siinuslaine genereerimine. Tõenäoliselt ootab meid lähiaastatel ees elektrimasinate ja nende toitemuundurite tihedam lõimumine, mille tulemusena sobitatakse omavahel ka masinate ehitus ning pingelaine genereerimise põhimõte. Selle probleemiga haakub ka elektriajamite elektromagnetilise ühilduvuse tagamine. (Vt märksõnastik raamatu lisas.) Automaatjuhtimise aine annab vajalikud teadmised automaatikasüsteemide loomise põhimõtetest ning talitlusest. Automaatjuhtimine käsitleb masinate, seadmete, tootmisprotsesside jm. inimese vahetu osavõtuta juhtimise meetodeid ja tehnilisi vahendeid. Elektriajamid, nende poolt käitatavad tööstus- ja transportmasinad on automaatjuhtimise üheks peamiseks rakendusalaks. Automaatjuhtimine tervikuna põhineb ühelt poolt matemaatilistel juhtimismeetoditel ning teiselt poolt nende realiseerimiseks vajalikel juhtseadmetel. Seadmete vahel edastatakse informatsiooni signaalidega ja signaal on sõnumi (informatsiooni) füüsikaline kandja. Oma olemuselt jagunevad signaalid pidev- ehk analoogsignaalideks või katkev- ehk diskreetsignaalideks. Juhtseadmete vallas on viimastel aastatel toimunud muudused kõige suuremad. Mikroprotsessortehnika edusammud on toonud kaasa elektriajamite juhtseadmete põhjaliku uuenemise. Tänu sellele saab hõlpsasti rakendada ka kõige keerukamaid juhtimismeetodeid, milleks varem puudusid reaalsed võimalused. Relee-kontaktorjuhtimine on asendunud juhtimisega loogikakontrollerite (programmable logic controller, PLC) abil. Analoogtehnikal põhinevate PID regulaatorite asemel on kasutusel programmimenüüdest valitavate sätetega arvregulaatorid. Tavalise, tagasisidel põhineva väljundi vea järgi juhtimise kõrval on kasutusele võetud pea kõik automaatjuhtimises tuntud meetodid − eelkõige objekti mudelil põhinev juhtimine. Laialt kasutatakse ka intellektuaalseid juhtimismeetodeid, nt. tehisnärvivõrke või hägusloogilist juhtimist. Juhtimismeetodi valik on määratud tarkvara valikuga. Sama riistvara võimaldab ajamis kasutada erinevaid juhtimismeetodeid. Koos automaatikasüsteemide arenguga on täiustunud ka signaaliandurid. Kiiruse ja asendi määramiseks kasutatakse tavapäraste tahhogeneraatorite ja pöördtrafode (selsüünide, induktosüünide jms) kõrval üha enam impulss- ja koodandureid. Voolutrafode asemel on kasutusele võetud Halli efektil põhinevad vooluandurid, mis edastavad moonutusteta ka voolusignaali kõrgemaid harmoonilisi komponente. Juhtsignaalide edastamiseks kasutatakse nii juhtide keerdpaare, koaksiaaljuhte kui ka kiudoptilisi valgusjuhte. Juhtseadmete mõõtmed ja hind on viimase paari aastakümne jooksul kümneid kordi vähenenud. Märkigem, et

11

rusikareeglina on ajami toitemuunduri ja juhtseadme hind võrdeline nende massiga (ruumalaga). (Vt märksõnastik raamatu lisas.) 1.2. Ajamiehituse uued suunad ja probleemid Inimese masina liidese e kasutajaliidese väljaarendamine on olnud üks nüüdistehnika loojate põhieesmärkidest. Tuleb õpetada masin inimesega suhtlema nii, et see oleks inimesele võimalikult käepärane ja mugav. Samas tuleb ka arvestada, et nende mugavuste eest ei saa maksta mitte liiga kõrget hinda. Veel 1980. aastatel tuli ajami seadistajal või kasutajal orienteeruda kümnete (sadade) lülitite ja potentsiomeetrite hulgas ning neid vajadusel kindlas järjekorras lülitada või sättida. Kümmekond aastat hiljem kasutati juba enamikes ajamites tarkvarapõhist juhtimist ning ajami seadistamine taandus otstarbekohaste rakendus-programmide valikule ning juhtimiseks oluliste programmiliste sätete määramisele. Sätete valikuks võeti kasutusele programmiparameetrite menüüd, milles olulised või sageli sätitavad parameetrid on eraldatud vähemolulistest, harva sätitavatest või kasutajale varjatud parameetritest. Parameetrite selekteerimine aitab kasutajal paremini orienteeruda sadade eri sätete hulgas ning kiiremini leida endale vajaliku sätte. Siiski jäi menüüdes orienteerumine kuni 20. sajandi lõpuni kasutaja enda hooleks ning parameetrite sättimiseks tuli tal üsnagi põhjalikult tunda ajami tööpõhimõtet ning talitluspiiranguid. 2000. aastast alates on püütud ajami kasutajaliidese intellekti suurendada sel viisil, et parameetrimenüüdele on lisatud programmiline menüüjuht, mis aitab kasutajal suunavate küsimustega leida menüüst õige parameetri ja määrata sätte õige väärtuse. Koos sellega on oluliselt vähendatud ka juhtpuldi klahvistiku nuppude arvu. Kindlasti areneb ajami kasutajaliides lähiaastatel edasi ning juhtpuldi tekstikuvarile lisanduvad pildikuvar, kõnesüntesaator, kõnetuvastus jms. Elektriajami juhtimissüsteemide võrgutalitlus muutus aktuaalseks pärast arvutivõrkude teket ning levikut. Paljude seadmete juhtimine samade juhtseadmetega ning samade edastusliinide (võrgusiinide) kaudu lihtsustas oluliselt keerukate automaatikasüsteemide ehitust ja juhtimist. Elektriajamite puhul oli võrgutalitluse rakendamise kõige olulisemaks tulemuseks paljude ajamite kooskõlastatud juhtimine siduvate mehaaniliste ülekanneteta ega ühiste elektriliste jõuahelateta (vrd. elektriline võll). Juhtimissüsteemide sidumine andmevõrkudega (nn. võrgustumine) algas 1990. aastatel, kusjuures selle algetapil oli probleemiks andmeedastusel kasutatavate erinevate võrguprotokollide rohkus. Kümnekonna aasta jooksul on konkurents olulisemad välja sõelunud. Mitmed neist (CAN, Profibus jt.) on aga muutunud üldkasutatavaks ning tänaseks standardiseeritud. Viimastel aastatel on hakatud ajameid varustama ka Internetiliidesega, tänu millele saab ajami tööd jälgida ning juhtimiskäskusid edastada interneti vahendusel väga pika maa taha. Juhtimissüsteemide võrgustumine jätkub ka lähiaastatel ning koos sellega täiustuvad nii võrguseadmed (riistvara) kui ka võrguprotokollid ja võrgutarkvara. Elektromagnetilise ühilduvuse probleem on tekkinud ühelt poolt tingituna nüüdistehnika arengu iseärasustest, et seadmete funktsioneerimisega kaasnevad paratamatult elektriahelate juhtivushäired ning elektromagnetiline kiirgusväli, mis omakorda põhjustab kiirgushäireid. Teiselt poolt on see tingitud ka inimühiskonna ja tehnotsönooside vastandumisest looduskeskkonnale ning looduse taluvuspiiride tunnetamisest inimese poolt. Elektromagnetiline saastamine on üks paljudest keskkonna saastamise viisidest, mis mõjutab nii inimesi, elus- ja eluta loodust kui ka tehnoloogilist keskkonda. Seepärast peab uue tehnika looja arvestama teda ümbritseva keskkonna taluvuspiiridega. Elektromagnetilise ühilduvuse probleemid jagunevad kahte ossa. Esiteks, tuleb tagada seadmete häirekindlus, s.t. nende tundetus välistele juhtivus- ja kiirgushäiretele. Teiseks, seadmed ei tohi ise olla häirete

12

allikaks, s.t. nad ei tohi tekitada juhtivushäireid toiteahelates ega ka kiirgushäireid ümbruses, mis mõlemad võivad levida teistele seadmetele, või kahjustada inimeste tervist. Elektriajamites põhjustab juhtivus ja kiirgushäireid kõrgsageduslik pulsilaiusmodulatsioon ning suure toimekiirusega lülitusprotsessid. Märkigem, et nüüdisaegsete jõutransistoride sisse- ja väljalülitusaeg on alla ühe mikrosekundi ning et nende protsessidega kaasneb megahertsideni ulatuva sagedusega kõrgemate harmooniliste komponentide teke. Jõuahela suure voolu tõttu tekib lisaks juhtivushäiretele ka võimas elektromagnetiline kiirgusväli. Elektriajamite elektromagnetilise ühilduvuse tagamiseks rakendatakse neis mitmesuguseid filtreid, kasutatakse varjestatud juht- ja toiteahelaid, ning paigaldatakse seadmed spetsiaalsesse elektromagnetvälja varjestavasse kesta. Juhtahelate häirekindluse suurendamiseks kasutatakse signaalide edastamisel kiudoptilisi valgusjuhte. Elektriajamite kasutusalad on jagunenud eri tüüpi ajamite vahel. Enim kasutatav reguleeritava kiirusega ajam on sagedusjuhtimisega asünkroonajam. Seda kasutatakse eelkõige üldlevinud masinate nagu ventilaatorite, pumpade ja kompressorite kiiruse reguleerimiseks. Need ajamid sobivad ka liftide, kraanade jt. tõstemasinate ning konveierite ja transportööride käitamiseks. Sagedusjuhtimisega ajameid kasutatakse ka elektertranspordis: trammidel, trollibussidel ja elektrirongidel. Peale sagedusmuundurite leiavad ajamites laiemat kasutust asünkroonmootorite sujuvkäivitid, mis võimaldavad vältida mootorite käivitamisel tekkivaid suuri voolutõukeid ning optimeerida mootori talitlust vastavalt koormusele. Robotite ja tööpinkide positsioonimisajamites kasutatakse valdavalt püsimagnetergutusega sünkroonmootoreid. Aparaadiehituses, nt. arvuti- ja bürootehnikas jm., kasutatakse peamiselt väikesevõimsuselisi samm-mootoritega ajameid. Alalisvooluajamid konkureerivad nii oma hinnalt kui ka tehniliste näitajate poolest püsimagnetergutusega sünkroonajamitega. Nende osakaal on aga viimastel aastatel oluliselt vähenenud. Elektriajami juhtimise kaks põhifunktsiooni on töömasina liikumise juhtimine (motion control) ja energiavahetus toitevõrgu ning töömasina vahel, mida tuleb samuti juhtida. Pikka aega oli liikumise juhtimise funktsioon ajamite juures peamiseks ülesandeks, kusjuures energia ratsionaalsele kasutusele pöörati suhteliselt vähe tähelepanu. Seoses vajadusega energiat säästlikult kasutada, muutub energiavahetuse juhtimise funktsioon ajamites üha olulisemaks. Kõige lihtsamal juhul tarbib ajam võrgust energiat ja muundab selle mootoris mehaaniliseks tööks. Sel juhul on tegemist ühesuunalise energiavooga võrgust töömasinasse. Masina pidurdamisel või nt. koormuse langetamisel (kraana puhul) hakkab mootor tööle generaatorina ning energiavoo suund muutub. Mootoris regenereeritud energiat saab suunata tagasi toitevõrku, hajutada, nt. pidurdustakistites, või salvestada, nt. ülikondensaatorites või hooratassalvestites. Energiavoo juhtimisest sõltub ajami ja töömasina kasutegur. Ajami kasutegurit mõjutab ka liikumise juhtimine, s.o. liikumise trajektoor, kiirendus- ja aeglustusprotsesside iseloom. Liikumise iseloomust sõltub teiselt poolt aga ka töömasina tootlikkus ning tõhusus. Seepärast tuleb ajami juhtimisega tagada minimaalsete kadudega optimaalne liikumine. Sagedusmuundurite ja ajamite tootmisega tegelevad paljud firmad eesotsas selliste suurfirmadega nagu: ABB, Siemens, General Electric, Rockwell jt. Kuna tänapäeval on muundurite valmistamine jõukohane ka väikefirmadele, siis toimib sagedusmuundurite turul terav konkurents ning firmad püüavad hoida oma kohta turul sellega, et pidevalt täiustavad ja uuendavad oma muundureid. Selle tulemuseks on sagedusmuundurite funktsionaalsete võimaluste laienemine, mõõtmete ja massi vähenemine, võrgu- ja kasutajaliideste täiustamine. (vt. ABB Elektrialas).

13

1.3. Energia kasutamine ja muundamine Kuhu kaob energia? Energia jäävuse seadusele vastavalt energia ei teki ega kao, vaid muundub ühest olekust teise. Selle seisukoha järgi ei peaks me energia kadumise pärast muret tundma. Ometi oleme harjunud rääkima nii kasulikust energiast kui ka energia kadudest. Põhjus peitub selles, et enamik loodus- ja tehiskeskkonnas toimuvatest protsessidest pole hõlpsasti pööratavad nagu nt. hõõrdevaba pendli edasi tagasi võnkumine. Selle näite puhul muundatakse pendli liikumise kineetiline energia perioodiliselt potentsiaalseks energiaks ning vastupidi potentsiaalne energia tagasi kineetiliseks energiaks. Hoopis teisiti on olukord kütustes (õlis, kivisöes, põlevkivis) sisalduva energia kasutamisega. Kütuste põletamisel tekib soojus, mida saab kasutada auru tekitamiseks ja turbiini või aurumasina käitamiseks ehk mehaanilise energia tekitamiseks soojuse arvel. Auruturbiin paneb tööle elektrigeneraatori, mis muundab mehaanilise energia elektrienergiaks. Elektrienergia on väga väärtuslik energialiik, sest seda saab hõlpsasti muundada nii mehaaniliseks energiaks, valguseks kui ka soojuseks. Vajadusel võib elektri abil teostada ka elektrokeemilisi jms. muundusprotsesse. Inimkond saab nüüdisajal vastavalt tehnoloogia vajadustele kasutada väga mitmekesiseid energia muundamise meetodeid ja seadmeid. Ainsaks puuduseks on seejuures asjaolu, et igasuguse energia sihipärase muundamisega kaasneb ka soovimatu energia muundamine. Enamikel juhtudel on soovimatu energia muundamise tulemuseks madalatemperatuuriline soojus, mis hajub ümbritsevas keskkonnas ja mille taaskasutuselevõtt on raskendatud või koguni nüüdistehnoloogia abil praktiliselt võimatu. Seepärast on ühelt poolt olemas energia, nt elektrienergia, mille kasutamine ja muundamine on suhteliselt lihtne ning teiselt poolt hajutatud madalatemperatuuriline soojus, mille praktiline kasutamine on väga tülikas. Energiamuundusprotsesside erineva keerukuse tõttu võime ka energiat liigitada vastavalt kõrgekvaliteediliseks ja kasulikuks ning madalakvaliteediliseks ja kasutuks. Sellest lähtudes on kujunenud ka meie arusaamine energia kadudest ehk energiast, mis hajub meile kättesaamatult ümbrusesse. Niisuguseks kaoenergiaks on tavaliselt kütuste põletamisel korstna kaudu koos põlemisgaasidega hajunud soojus, turbiinis aurust kondenseerunud vee jääksoojus, elektrigeneraatoris elektrivoolude ja magnetväljade toime tõttu eraldunud soojuskaod, samuti kõikides masinates, mehhanismides, laagrites või õhu ja vedelike liikumise tulemusena eraldunud hõõrdesoojus. Kõikidel juhtudel on tegemist nn. madalatemperatuurilise soojusega, mille taaskasutuselevõtt kõrgekvaliteedilise energiana on äärmiselt keerukas. Tehnoloogiaga küllastunud nüüdismaailmas tekib niisugust madalatemperatuurilist soojust väga suurtes kogustes ning selle hajumine keskkonnas on hakanud ohustama maakera kliimat. Siinkohal tuleb lisada, et ka nn kasulik energia jõuab pärast mitmeid muundusprotsesse ja nn kasulikku tööd tehes lõpuks madalatemperatuurilise soojusena ümbritsevasse keskkonda. Meenutagem, et energia ulatuslik kasutamine on olnud inimkonna tehnoloogilise arengu aluseks. Tehnoloogia kiire areng sai alguse u 250 aastat tagasi kui leiutati aurumasin, mis pani aluse kütuste energia muundamisele mehaaniliseks tööks. Nüüd kui inimkond on silmitsi kütusevarude lõppemise ning ümbritseva keskkonna saastamisohuga, tuleb meil ümber hinnata energia kasutamise ja muundamise senine praktika.

14

Elektrienergia kasutamisel on ajamitel ja nendega käitatavatel masinatel keskne koht. Ligikaudu 60 % kogu tarbitavast elektrienergiast tarbitakse elektriajamite poolt. Aga mitte alati ei kasutata ajamites muundatud mehaanilist energiat mõistlikult. Väga paljud nüüdisaegsed tehnoloogilised protsessid on energeetiliselt äärmiselt ebaratsionaalsed. Energiat raisatakse nii väära töökorralduse, vananenud tehnoloogiliste meetodite, kulunud masinate, protsesside läbimõtlemata juhtimise, sobivate energiasalvestite puudumise või paljude muude põhjuste tõttu. Joonisel 1.2 on näidatud energiavoo diagramm elektrijaamast kuni tarbija veevarustussüsteemini. Kõigis ahela komponentides, mis edastavad ja muundavad energiat, tekib ka teatud kadu madalatemperatuurilise soojuse näol. Jooniselt selgub, et elektrijaamas põletatud kütuse energiast (vt. kütuse kütteväärtus) jõuab lõpptarbijani u 10 %. Suur osa kadudest tekib jaamas endas, kuid ka ülejäänud ahelas kaob märgatav hulk energiat. Üheks levinud näiteks energia raiskamisest on energiavoo (nt. vedeliku vooluhulga või rõhu) reguleerimine täisvõimsusel töötava pumbaga jadamisi ühendatud ventiili abil. Samalaadseteks näideteks energia raiskamisest on ka kompressori rõhu reguleerimine tühjendusklapiga või ventilatsioonisüsteemi õhuhulga reguleerimine siibriga. Energia säästmiseks on oluline suurendada energia edastamise ja muundamise kasutegurit. Eriti oluline on suurendada kasutegurit energia edastusahela tarbijapoolses otsas. Kui tarbija suudab säästa 1 kWh energiat, tähendab see antud näite puhul 3,5 kWh säästmist elektrienergia tootmisel või 10 kWh ekvivalentse koguse kütuste säästmist, millest u 9 kWh saaks soojusena kätte kütuse põletamisel tavalises ahjus. Energiamuundamise ahela summaarne kasutegur võrdub selle ahela kõigi komponentide kasutegurite korrutisega.

Mootor η = 90 %

Trafo η = 95 %

M

Pump η = 60 %

Ventiil η = 65%

Energia edastamine ja jaotamine η = 85 %

Elektrijaam, η = 35 %

Tarbija 100 % 100 %

154 %

256 %

285 %

300 %

353 %

1008 %

Kütuste energia

Elektri- energia

Mootor η = 90 %

Trafo η = 95 %

M

Pump η = 60 %

Energia edastamine ja jaotamine η = 85 %

Elektrijaam, η = 35 %

Tarbija 100 % 100 %

167 %

185 %

195 %

229 %

655 %

Kütuste energia

Elektri- energia

Joonis 1.2. Tarbija veevarustussüsteemi energiavoo diagramm a) ventiiliga reguleerimisega,

b) kui vedeliku vooluhulka reguleeritakse pumba ajami kiirus muutmisega

15

Leidub palju muid näiteid energia raiskamisest masinates ja tehnoloogiaprotsessides. Elektriajamites ja töömasinates muutub hoomasside kineetiline energia ja ülestõstetud koormuse potentsiaalne energia pidurdamisel kadudeks. Tõstemasinates (nt. ekskavaatorites, kraanades, robotites, tõstukites, liftides) või transportmasinates (nt. elektrikärudes, trammides, trollibussides, elektrirongides) läheb nende massi salvestatud kineetiline ja potentsiaalne energia enamuses kaduma kas sobivate energiasalvestite puudumise või energiavahetuse puuduliku juhtimise tõttu. Märkigem, et energia tagastamine toitevõrku pole alati efektiivne, sest võrk ei suuda energiat akumuleerida ning muud lisaenergiat vajavad tarbijad võrgus enamasti puuduvad. Tehnoloogiliste energiakadude vähendamise peamine reserv peitub elektriajamites, sest elektriajamid on peamised elektrienergia tarbijad. Eri riikides tarbivad ajamid 60…80 % kogu toodetud elektrienergiast. Ülejäänud elektrienergia kasutatakse kütteks, valgustuseks või elektrotehnoloogilistes protsessides (galvaanikas, keevitamisel, kaarahjudes jm). Reguleeritava kiirusega ajamite kasutamine võimaldab olulist energiasäästu. Vedeliku vooluhulga drosselreguleerimise (ehk ventiilreguleerimise) asendamisel pumba kiiruse reguleerimisega ajami abil saavutatakse oluline energiasääst kogu energiatootmise ahelas. Energia säästlikku kasutamist võimaldab ajami kiiruse ja momendi reguleerimine vastavalt töömasina optimaalsele talitlusele. Energia tootmine, tarbimine ja salvestamine. Elektrienergia salvestamise võimalused on sobivate salvestite puudumise tõttu piiratud. Seepärast peab energia tootmisvõimsus igal ajahetkel võrduma energia tarbimisvõimsusega. Selle tingimuse mittetäitmisel suurenevad energiasüsteemi kaod. Tingimust on aga raske täita, sest tarbitav võimsus muutub küllalt kiiresti ja suurtes piirides. Elektrienergia tarbimises võib täheldada teatud tsükleid, nt. ööpäevatsüklit, nädalatsüklit või aastaringitsüklit. Joonisel 1.3 on esitatud energiatarbimise ööpäevatsükli näide talvisel, kevad-sügisesel ja suvisel ajal (vt. O. Liik, Energeetika arengu planeerimine, konspekt). Võimsus

Kellaaeg

Talvine

Kevadine-sügisene

Suvine

Joonis 1.3. Energiatarbimise ööpäevatsükli näide

16

Tarbitava võimsuse kiiremad muutumised toimuvad pidevalt igal hetkel, kuid nende summaarne mõju üldisele tarbimisele avaldub tsüklitena, mis on seotud ühiskonna töö- ja elukorraldusega. Energia tootmise ja tarbimise vahekorda lisab juhuslikkust ka mitmete taastuvate energiaressursside kasutuselevõtt. Tuule- ja päikesejaamade poolt toodetava energia hetkvõimsus sõltub ilmastikust. Nende jaamade võimsus varieerub suurtes piirides, kusjuures toodetud energia ja võimsuse seos tarbitava võimsusega praktiliselt puudub. Iga energiasüsteem vajab võimsuse regulaatorit, milleks senini kõige sobilikumad on olnud hüdrojaamad. Hüdroturbiini läbiva veehulga reguleerimine võimaldab kiiresti suurendada või vähendada toodetava energia võimsust. Probleemi saaks lahendada ka energiasalvestite abil, kuid senini kättesaadavate salvestite kasutegur on väike ning nende võimsus pole piisav. Soojus- ja tuumajaamad energiavoo reguleerimiseks ei sobi, sest nende inerts on väga suur. Tarbimise ühtlustamiseks stimuleeritakse elektrienergia öist tarbimist (näiteks öise elektrikütte rakendamist) odavamate tariifidega. Elektrienergia tarbija poolt vaadates saaks energiasüsteemi võimsuse reguleerimise probleemi tulevikus edukalt lahendada elektriajamite kui elektrienergia peamiste tarbijate abil. Energiavahetuse rakendamine erinevate ajamite vahel, mitmesugused süsteemi integreeritud energiasalvestid, energiavoogude optimaalne juhtimine, erinevate tehnoloogiate energiatarbe ajaline jaotamine ja paljud muud meetmed võimaldaks energia tarbimisvõimsuse ühtlustamist. Eeldused niisuguste lahenduste leidmiseks on olemas, kuid konkreetsete tulemusteni jõudmiseks seisab ees küllalti mahuks uurimis- ja arendustöö. Näiteks, elektrirongide puhul kulub suurem osa tarbitavast energiast rongi kiirendamiseks, mil elektrienergia muundatakse rongi kineetiliseks energiaks .22MvWK = Järgmises jaamas peatumisel hajub enamus sellest energiast ümbruses soojusena. Tõhusad energiasalvestid võimaldaks energiat salvestada ning rakendada seda rongi järjekordsel kiirendamisel. Hooratas- või ülikondensaatorsalvestite kasutamine annaks võimaluse energia säästmiseks. Hooratastes salvestatud kineetiline energia .22ωJWK = Suur energiatihedus saavutatakse kiire pöörlemise (kuni 100000 p/min) ja eriti tugeva ehituse (valmistatud süsinikkiust) arvel. Pöörlemiskadude vähendamiseks paigutatakse hoorattad magnetlaagritele ning suletakse õhust tühjaks pumbatud hermeetilisse kesta. Ülikondensaatorite väljaarendamine on üks olulisemaid saavutusi tehnoloogiavallas. Plaatkondensaatori mahtuvus dSC 0εε= on võrdeline plaadi pindalaga ning pöördvõrdeline plaatidevahelise kaugusega. Ülikondensaatorite ülisuur mahtuvus on saavutatud tänu süsinik-pulberelektroodide ülisuurele pinnale ning väikesele vahekaugusele. Võimsustegur. Elektriahelasse lülitatud kondensaator või induktiivpool on energiat salvestavad elemendid. Induktiivpoolis salvestatud energia .22LiWL = Kondensaatoris salvestatud energia .22CuWC = Vahelduvvooluahelates põhjustavad need pinge- ja voolukõverate nihkumist ajas (joonis 1.4). Näiteks, induktiivses ahelas hilineb vool pinge suhtes, sest energia laadimiseks induktiivsusesse või selle induktiivsusest ärajuhtimiseks kulub teatud aeg. Seetõttu hilineb toitepinge suhtes ka ahela vool, mis iseloomustab selle energia suurust. Tegelikult toimub vahelduvvooluahelates peale energia tarbimise ka energia tsükliline ümberlaadimine. Niisuguste protsesside olemasolu võimaldab eraldi rääkida reaalsest tarbitavast aktiivenergiast ja aktiivvõimsusest ning energia ümberlaadimisega seotud näivenergiast ja näivvõimsusest. Viimaseid nimetatakse ka reaktiivenergiaks ja

17

reaktiivvõimsuseks. Ahela reaktiivsetes komponentides (induktiivsustes ja kondensaatorites salvestatud energia ei kao elektriahelast otseselt kuhugi, kuid selle perioodiline võnkumine vahelduvvooluahela erinevate komponentide vahel (pidev tsükliline edastamine ühest kohast teise) põhjustab täiendavaid kadusid edastusliinides (tarbitavale voolule lisandub energia ümberlaadimisega seotud voolukomponent). Reaktiivenergiast tingitud kaod sõltuvad sellest kui kaugel on teineteisest ahelasse lülitatud induktiivse ja mahtuvusliku iseloomuga komponendid, mille vahel energiat edastatakse. Energia edastamisel tekib ahelas vool ning koos sellega ka kaod aktiivtakistusel (nt. edastusliinides). Kui induktiivse koormuse lähedal pole mahtuvuslikke komponenti, edastatakse induktiivsuse energia pärast voolu suuna muutumist liini kaudu tagasi elektrijaama. Voolu suuna järjekordsel muutumisel aga uuesti induktiivsusesse tagasi. Siit järeldub ka reaktiivenergia negatiivne, kadusid põhjustav, toime vahelduvvooluvõrkudes. Sisuliselt tähendab see seda, et energia salvestamine vahelduvvooluvõrgu komponentides (induktiivsustes ja mahtuvustes) on kahjulik, sest põhjustab võrgu aktiivkomponentides lisakadusid. Ahela koguvõimsus on aktiiv- ja reaktiivvõimsuse vektorsumma. Ahela võimsustegur on aktiivvõimsuse ja koguvõimsuse suhe, mis ühtlasi iseloomustab ka siinuselise pinge ja voolu vahelist suhtelist ajalist nihet perioodis ehk nihkenurka. Kui 1cos =ϕ , on tegemist puhta aktiivenergiaga ning reaktiivenergia edastamist liinis ei toimu. Kui 1cos <ϕ , suureneb ahela vool reaktiivenergia ümberlaadimise tõttu. Reaktiivenergia ümberlaadimisega seotud kadude vähendamiseks on nüüdisaegsetes vahelduvvooluvõrkudes rakendatud keerukaid kompensatsioonisüsteeme. Näiteks, kondensaatori lisamine induktiivse iseloomuga ahelasse kompenseerib reaktiivenergia lokaalselt ning võimaldab edastada liinis valdavalt aktiivenergiat. Märkigem, et resonantsi korral kompenseerivad induktiivsused ja mahtuvused teineteist automaatselt.

Vool i

Pinge, U

t

Ck

L C

C

I

U

Ia

Ir

I

U

φ

Joonis 1.4. Induktiivse ahela voolukõver nihkub pingekõvera suhtes ning põhjustab elektrivõrgus lisakadusid Reaktiivenergia tarbimist saab vähendada kui:

• valida elektrimootorid ja trafod sellise nimivõimsusega, et nende tegelik koormus oleks sellele võimalikult lähedane ning vältida elektrimootorite ja teiste reaktiivenergiat tarbivate elektriseadmete tühijooksu;

• kasutada ajamite juhtimiseks sobivaid juhtseadmeid ja mitte lubada elektrimootorite tööd kõrgendatud pingel;

18

• kasutada asünkroonmootorite asemel sünkroonmootoreid juhul, kui see on majanduslikult otstarbekas ning võimalik tootmise seisukohast.

Kui võimsustegurit pole võimalik parandada elektriseadmete töörežiimi muutmisega, siis tuleb kasutada kas kondensaatorpatareisid või pooljuht-kompenseerimisseadmeid või pöörlevaid sünkroonkompensaatoreid. Elektrienergia liinikadude ja reaktiivenergia vähendamisel etendavad suurt rolli moodsad elektriajamid, mille energiavahetus- ja juhtimissüsteem tagavad olukorra, et võrgust tarbitava energia võimsustegur oleks pidevalt võimalikult lähedal ühele. Kokkuvõtteks võib väita, et moodsad ajamid aitavad tehnoloogiaprotsesside automatisee-rimise kõrval

• optimeerida tehnoloogilist energiakasutust

• ühtlustada energiatarbimist ja

• suurendada võimsustegurit. Elektrienergia tootmise, jaotamise ja tarbimise arenguloos on tänapäeval üks oluline arenguetapp lõppemas ja uus etapp algamas. Nimelt, elektrienergia tsentraliseeritud tootmine on asendumas hajutatud ehk detsentraliseeritud tootmisega. Elektrienergia paindlikult juhitavad pooljuhtmuundurid võimaldavad taas kasutusele võtta alalisvoolu jaotusvõrgud nagu seda tehti elektrienergia rakendamise algusaastail. Energia tootmise seisukohast on kolmefaasilised vahelduvvoolugeneraatorid väga otstarbekad võimsates soojus-, hüdro- ja tuulejaamades. Vahelduvvoolu kasutamine elektrienergia jaotussüsteemis on ühelt poolt traditsiooniline lahendus. Teiselt poolt on see lahendus tingitud energia tsentraliseeritud tootmisest ja pinge transformeerimise vajadusest. Vahelduvvoolu edastamisel pikkade vahemaade taha tuleb kokku puutuda vahelduvvoolu omapärast tingitud lisakadude ning reaktiivenergia kompenseerimise probleemidega. Vahelduvvooluenergia tarbimisel on tänapäeval tekkimas vastuoluline olukord. Tööstuses rakendatakse üha enam sagedusjuhtimisega ajameid, mille puhul asünkroonmootorit toidetakse alalisvoolu vahelüliga sagedusmuundurist. Viimane koosneb omakorda alaldist, kondensaatorist ja juhitava summutustakistiga vahelülist ning reguleeritavast vaheldist. Seega toidetakse vahelduvvoolumootorit läbi energiasalvestit sisaldava alalisvoolulüli. Paratamatult tekib küsimus, milleks on siis vaja kasutada probleemset vahelduvvoolu jaotusvõrku ja suurt hulka alaldeid, kui selle asemel võiks kasutada hoopis alalisvoolu jaotusvõrku. Energiasalvestus alalisvooluvõrgus, nt. ülikondensaatoris, hoorattas või ülijuhtivas induktiivsuses, omandaks aga uue tähenduse. Niisugused salvestid koos juhitavate muunduritega hakkaks täitma energiasüsteemi võimsuse regulaatori ülesannet ning sobitama genereeritavat ja tarbitavat võimsust. Selle ülesande lahendamine on väga oluline juhusliku väljundvõimsusega alternatiivsete energiaallikaste (nt. tuule- ja päikesejaamade) ning oma olemuselt muutliku tarbimisvõimsuse sobitamiseks. Energia hajutatud tootmise ja paindliku salvestamise probleemid tõotavad kujuneda 21. sajandi põhiprobleemideks energeetikas. Kas sellega kaasneb ka osaline tagasipöördumine alalisvoolu jaotusvõrkude juurde, seda peaks näitama lähiaastate arengutendentsid energeetikas ja alternatiivsete energiaallikate kasutuselevõtuga seonduvad tehnilised lahendused. Igal juhul etendab jõupooljuhtidel põhinev muundustehnika selles protsessis määravat osa.

19

1.4. Elektromehaanilise energiamuundamise arengulugu Elektromehaanilistele energiamuunduritele pani aluse inglise füüsik ja keemik M. Faraday, kes 1821. aastal formuleeris elektrienergia mehaaniliseks energiaks muundamise põhimõtte. Kümme aastat hiljem (1831) avastas ja sõnastas M. Faraday elektromagnetilise induktsiooni põhiseaduse − juhtivas kontuuris indutseeritud elektromotoorjõud on võrdeline magnetvoo muutumise kiirusega. Need avastused panid aluse energia elektromehaanilisele muundamisele ning selleks otstarbeks kasutatavatele elektrimasinatele ning trafodele. Esimene elektriajam loodi peagi pärast elektrimasina leiutamist. Juba 19. sajandi keskel arendati maailmas välja mitmed elektrimasinate tüübid, kusjuures elektrimasinate ja -ajamite sünni juures oli ka mõnda aega (1835...1837) Tartu Ülikoolis arhitektuuri õpetanud Moritz Hermann Jacobi (1801…1874). Tartust kolis Jacobi Peterburgi, kus temast sai Peterburi Teaduste Akadeemia akadeemik ja maailmas tuntud elektrotehnikateadlane. Jacobi paigutas 1839. a. oma leiutatud elektrimasina paadile ja toitis seda galvaanielementidest. Elektrimootoriga paadi katsetus toimus Neeva jõel, kus paat liikus vastuvoolu kiirusega 4,8 km/h. Teadaolevalt on Jacobi elektriajam üks esimesi kasulikku tööd teinud elektriajameid kogu maailmas. Järgmisel aastal leiutas M. H. Jacobi ka voolutugevuse regulaatori − reostaadi, millega sai reguleerida elektrimootori pöörlemiskiirust. On huvitav märkida, et esimesed elektrimasinad olid valdavalt alalisvoolumasinad. Koos elektrimasinate kasutuselevõtuga arendati 19. sajandi viimastel kümnenditel maailmas välja alalisvooluülekandel põhinev elektrienergia jaotussüsteem. Väga suure panuse alalisvoolu energiajaotussüsteemi ning selle vajalike komponentide arendamisse andis Thomas Alva Edison (1847…1931). 1880. aastatel alustati mitmel pool maailmas intensiivsed uuringuid vahelduvvoolumasinate alal. Selle ala pioneeride hulka kuulusid kindlasti serblane Nikola Tesla (1856…1943) ja Poola päritolu, kuid Saksamaal AEG firmas töötanud Mihhail Dolivo-Dobrovolski (1862…1919). Kui Tesla oli üks esimestest vahelduvvoolumasina loojatest, siis Dolivo-Dobrovolskile omistatakse kolmefaasiliste elektrimasinate kasutuselevõtja au. Nimelt, just tema tõestas 1888. a. esimesena kolmefaasilise süsteemi eelised teiste vahelduvvoolusüsteemide ees. Kolmefaasiline elektrisüsteem ning sellega hästi kokku sobivad kolmefaasilised mootorid ja generaatorid osutusid üliedukaks ja elektrotehnika arengut vähemalt sajandiks ette määranud tehniliseks lahenduseks. Juba elektrienergia rakendamise algaastatel tõrjus vahelduvvoolusüsteem kiiresti välja esialgu hoogsalt levima hakanud ning juba edukalt töötanud alalisvoolusüsteemi. Peamiseks mõjuriks osutus edastatava elektrienergia võimsuse kasv ning vajadus rakendada kadude vähendamiseks elektriliinides kõrgemat pinget (et vähendada liinide voolu). Viimane omakorda tingis vajaduse hõlpsasti muundada pinget. Kui vahelduvpinge pooldajad leidsid pinge muundamisele kiiresti lahenduse trafo näol, siis alalisvoolu puhul on olnud pinge muundamine tõsiseks probleemiks. Elevhõbeventiilidel (ignitronidel) põhinevad kõrgepingelised muundurid võeti kasutusele 1960. aastatel, jõupooljuhtelementidel kõrgepingelised muundurid aga paar aastakümmet hiljem. Nende muundurite kõrge hind on aga probleemiks kuni tänaseni. Vaatamata sellele, et 20. sajandi alguseks oli vahelduvvoolusüsteem elektrienergia jaotamisel kindlalt võitnud alalisvoolusüsteemi, ei suudetud siis veel hõlpsalt lahendada mitmeid elektromehaanilise energiamuundamisega seotud probleeme. Tööstuse ja tehnoloogiliste masinate seisukohalt oli kindlasti üheks taoliseks ülesandeks elektrimootorite kiiruse reguleerimine. Kui kolmejuhilise liini ja trafode abil kokku ühendatud vahelduvvoolu

20

sünkroongeneraator ja asünkroonmootor lahendasid põhimõtteliselt elektromehaanilise energiamuundamise ning energia kaugülekande probleemid, siis töömasina kiiruse ja momendi reguleerimine osutus vahelduvvoolumasina abil väga keerukaks ülesandeks. Kuigi põhimõtteliselt oli teada, et vahelduvvoolumasina kiirust saab reguleerida toitevoolu sageduse muutmisega, osutusid selle põhimõtte realiseerimiseks vajalikud tehnilised lahendused väga keerukaks, kalliks ja energiat raiskavaks. Samas olid alalisvoolumasinate jaoks olemas lihtsad kiiruse reguleerimismeetodid ja -vahendid. Kõige tavalisem reguleeritav (muudetava suurusega) aktiivtakistus ehk reostaat alalisvoolumootori ankruahelas võimaldab reguleerida nii ankru voolu kui ka pinget ning koos sellega ka masina kiirust ja momenti. Tekkis olukord, kus elektrienergia tootmiseks ja jaotamiseks sobis paremini vahelduvvoolusüsteem, energia kasutamiseks aga alalisvoolusüsteem. Sellest tulenes ka põhimõtteline vastuolu elektrienergia lihtsa, töökindla ja odava tootmise ja jaotamise ning paindliku kasutamise vahel. Selle vastuolu ületamisele ning sobivate tehniliste lahenduste otsingutele kulus peaaegu kogu 20. sajand. Peamisteks probleemideks olid:

• alalisvoolumasinate toitmine vahelduvvooluvõrgust ja vastavate muundurite loomine • vahelduvvoolumasina kiiruse reguleerimismeetodite ja -seadmed väljaarendamine • elektrimasinate kiiruse reguleerimiskadude vähendamine ning energiamuundamise

kasuteguri suurendamine

Kõige üldisemalt on elektrienergia muundusprotsessid näidatud joonisel 1.5. Elektrienergia paindlikuks kasutamiseks oli vaja seadmeid nende muundusprotsesside teostamiseks. Joonisel näidatud neljast muundusprotsessist kõige hõlpsam oli vahelduvpinge muundamine, milleks sobis hästi 1876. a. (P. Jablotškov) valmistatud vahelduvvoolu jõutransformaator ehk trafo. Märkigem, et impulsstrafo leiutas M. Faraday juba 1831. a. Tänu trafole lahendati edukalt elektrienergia edastamine kõrgepingeliinide abil pikkade vahemaade taha. Vahelduv- ja alalisvoolu vastastikuse muundamise ning alalispinge muundamise probleemidele on otsitud uusi lahendusi kuni tänaseni.

~

~

=

=

Vahelduvpingealaldamine

Alalispingemuundamine

Alalispingevaheldamine

Vahelduvpingemuundamine

Joonis 1.5. Elektrienergia muundamise võimalused Elektrienergia muundamiseks on leiutatud tuhandeid seadmeid ja süsteeme. Kui osutus, et energia vahetu muundamine pole võimalik või otstarbekas, rakendati mitmesuguseid kaudseid muundamisviise, nt. keerukaid vahemuunduritega süsteeme. Niisuguste süsteemide hulka kuuluvad nt. elektromehaanilised mootor-generaator süsteemid (alalisvoolu puhul Ward-Leonard süsteemid). Reguleeritava alalispinge saamiseks sobib vahelduvvoolu asünkroon-

21

mootorist ja alalisvoolugeneraatorist koosnev süsteem, kusjuures generaatori pinget reguleeritakse ergutusvoolu muutmisega reostaadi abil (joonis 1.6). Muutuva pinge ja sagedusega vahelduvvoolu saab samuti mootor-generaator süsteemist. Sel juhul kasutatakse sünkroongeneraatori käitamiseks reguleeritava kiirusega alalisvoolumootorit. Generaatori kiiruse reguleerimisel muutub ka selle väljundpinge amplituud ning sagedus. Niisugune agregaat sobib omakorda reguleeritava kiirusega vahelduvvoolumasina toiteks.

3~U

+

-

Koormus

Joonis 1.6 Alalisvoolugeneraatoriga Ward-Leonard süsteem

Elektromehaanilised muundurid olid reguleeritava kiirusega elektriajamite toiteallikatena valdavateks seadmeteks 20. sajandi esimesel poolel. Sellel perioodil loodi palju erinevaid elektrimasinate konstruktsioone, mille eesmärgiks oli ühelt poolt suurendada elektrienergia muundamise kasutegurit, teiselt poolt aga asendada mitmest eraldiseisvast elektrimasinast koosnevad elektromehaanilised süsteemid teatud kindlat tüüpi integreeritud elektrimasin-muunduritega, nt. elektrimasinvõimenditega. 1.5. Lüliti kui energiamuundur Koos elektrienergia kasutuselevõtuga võeti kasutusele ka lüliti elektriahela sisse-, välja- või ümberlülitamiseks. Seejuures on lülitatavate ahelate võimsus, koormuse iseloom, pinge ja voolu väärtused ning lülitussagedus väga erinevad. Näiteks, tänavavalgustuse puhul kasutatakse lülitit 2 või 4 korda ööpäevas, autotrafo mähiste või reostaadiviikude ümberlülitamine toimub sõltuvalt konkreetsest reguleerimisvajadusest, alalisvoolumasina kommutaator lülitab ümber (kommuteerib) ankrumähiste voolu tuhandeid kordi minutis. Koos elektroenergeetika arenguga on lülitile leitud üha uusi funktsioone.

• Lahklüliti tagab elektriahelas inimeste ohutuseks vajaliku isoleervahemiku (kaitselahutuse)

• Koormuslüliti peab tõrgeteta juhtima suurt voolu ning taluma ahela kommuteerimisega kaasnevaid pinge ja voolu siirdeprotsesse

• Lüliti peab vajadusel hajutama ahelasse salvestunud energia soojusena või suunama selle mõnda teise energiasalvestisse

• Kaitselüliti peab vältima elektriahelate riketest tulenevat kahju ning katkestama automaatselt toite lühisvooluga elektriahelates

• Kiiretoimelise ümberlülitiga saab muundada alalisvoolu vahelduvvooluks ja vastupidi • Kiiretoimelise lülitiga saab reguleerida pinge või voolu keskväärtust

22

Põhiprobleem lüliti kasutamisel elektriahelate kommuteerimiseks on seotud ahelasse salvestunud energia muundamisega. Nimelt, kommutatsiooniprotsess põhineb energia jäävuse seadusel, Induktiivsust sisaldavasse elektriahelasse salvestatakse energia WL = Li2/2. Reaalselt on kõikides elektriahelates olemas juhtide induktiivsused ja mahtuvused. Ahela sisselülitamisel alustatakse elektrienergia edastamist tarvitile, kuid lisaks toimub energia laadimine ahela induktiivsusesse. Ahela katkestamisel toimub vastupidine energia-muundusprotsess, mille vältel induktiivsuse energia väheneb koos teda läbiva vooluga nullini. Vastavalt energia jäävuse seadusele tuleb see energia juhtida mujale (energia ei kao). Lõpliku võimsusega ahela vool induktiivsuses ning pinge mahtuvusel muutuvad kommuteerimisel sujuvalt ega saa muutuda hüppeliselt. Induktiivsuse energia võib ahela katkestamisel tekitada lüliti kontaktide vahel elektrikaare ning hajuda seal soojusena või tõsta pinget ahela mahtuvustel. Märkigem, et mahtuvuslik energia arvutatakse valemiga WC = Cu2/2. Mõlemad nähtused võivad olla ohtlikud nii lülitile endale kui kommuteeritavale ahelale (joonis 1.7). Elektrikaar võib soojuslikult rikkuda lüliti. Kaare tekkimise ja kustumise tingimusi kommutatsiooniaparaatides on uuritud ja põhjalikult käsitletud elektriaparaatide teoorias. Nende uuringute tulemusena on välja töötatud kümned eritüübilised jõuahelate kontaktlülitid. Elektrikaare kustutamiseks rakendatakse mitmesugused põhimõtteid, nagu suurendatud rõhku kaare ümbruses, kaare puhumist nii jahutamise kui liikumapanemise eesmärgil, gaasi või õli keskkonda, vaakumit või tugevat magnetvälja. Spetsiaalsesse kaarekustutuskambrisse surutud elektrikaar peab alluma kindlatele reeglitele, s.t. ta peab hajutama piisava hulga energiat, et ahela kommutatsioonipinged ei ületaks isolatsioonile lubatud väärtust, kuid samas ei tohi kaare poolt eraldatud soojus rikkuda lülitusaparaati ennast. Vooluga ahela kaarevaba kommutatsioon (nt. kiiretoimelise vaakumlülitiga) võib aga omakorda põhjustada ahela liigpingeid ja rikkuda juhtide isolatsiooni.

i L

Elektrikaar

i L

Kontaktvahemiku ja ahelaisolatsiooni mahtuvus

Joonis 1.7. Lüliti talitlus Asjaolu, et võimsate elektriahelate sisse- ja väljalülitamine on keerukas probleem, sai teadlastele selgeks juba 19. sajandi lõpul, mil leiutati esimesed spetsiaalsed jõuahelate lülitid. Nende täiustamine on jätkunud enam kui saja aasta kestel tänaseni. Alates 20. sajandi keskpaigast hakati jõuahelate kommuteerimiseks peale kontaktaparaatide rakendama ka nn. kontaktivabu kommutatsiooniaparaate. Seejuures võeti kasutusele mitmesuguse tööpõhimõttega aparaadid. 1933 võeti Saksamaal esmakordselt mootori voolu juhtimiseks kasutusele küllastuv magnetahel (saturable core magnetic amplifiers); 1943 tehti Rootsi firmas ASEA uurimus küllastuvate magnetahelate alal, mille tulemusena töötati välja juhitavad magnetmuundurid ehk magnetvõimendid (transductors). Magnetiliste lülitite ehk magnetvõimendite puhul kasutatakse ahela lülitamiseks ferromagnetilise südamikuga induktiivpooli omadusi. Eraldi juhtimismähiste ning sisemise positiivse tagasiside abil saab ferromagnetilise südamiku hõlpsasti viia küllastamata olekust küllastusolekusse või vastupidi ning koos sellega muuta mitme suurusjärgu võrra jõuahelasse lülitatud induktiivpooli reaktiivtakistust. Magnetvõimendeid kasutati põhiliselt madalpingeahelates (alla 1000 V) ning nende väljundvoolud ulatusid sadadesse ampritesse. Magnetvõimendi võimendustegur on suhteliselt väike (alla 100), mistõttu võimendusteguri suurendamiseks tuli kasutada

23

magnetvõimendite kaskaadlülitusi. Magnetvõimendi suurimaks puuduseks oli suurest induktiivsusest tingitud väike toimekiirus, mistõttu magnetvõimenditega juhitavad elektriajamid sobisid vaid aeglaste protsessidega seadmetele. Esimesed magnetvõimendid leiutati 1930. aastatel ning neid kasutati edukalt veel 60. ja 70. aastatel. Vahelduvvooluahelate kommuteerimisel hakati lülitusprobleemide lihtsustamiseks kasutama sünkroonlüliteid. Kuna vahelduvvool muudab perioodiliselt oma suunda ning selle hetkväärtus on kindla perioodi järel võrdne nulliga, siis saab lülitushetke valikuga viia lülitis muundatava energiahulga miinimumini. Selle põhimõtte realiseerimine osutus kontaktlülitite puhul ülimalt keerukaks, sest kontaktide mehaaniline liigutamine vahelduvvoolu nullhetkel u. 1 ms kestel polnud kontaktiajami toimekiirust arvestades võimalik. Ajami ennetav rakendamine ei taganud aga lülitushetke piisavat täpsust. Sünkroonlülitamise põhimõte leidis tõelist rakendamist alles pärast jõupooljuhtseadiste kasutuselevõttu. Tänapäeva elektriajamites on kasutusel nii kontaktipaaridel põhinevad lülitid kui ka pooljuhtlülitid. Kontaktlülitid ületavad pooljuhtlüliteid suurema pingetaluvuse ja parema isolatsiooni (galvaaniline lahutamine) ja väiksemate juhtivuskadude poolest, kuid jäävad pooljuhtlülititele alla lülituskiiruselt (sageduselt). Jõupooljuhtlülitid. Esimesed transistorid leiutati 1940. aastate lõpus. Kolm meest, J. Bardeen, W. H. Bradtain ja W. B. Schokley said 1956. a. selle leiutise eest Nobeli preemia. Transistoride maksimaalsed pinged ja voolud jäid aga vähemalt paari aastakümne kestel jõuahelate jaoks ebapiisavaks. Aastal 1952 valmistas firma General Electric esimese germaanium-jõudioodi. Aasta hiljem valmistati firmas Texas Instruments esimene ränitransistor. Türistor ehk tüüritav räniventiil leiutati 1956. aastal USA teadlase John Molli juhtimisel. Nendele leiutistele järgnenud arengus võib täheldada mitut etappi ning neile etappidele iseloomulikke komponentide põlvkondi. Ajavahemikku 1956−1975 võib lugeda jõupooljuhtide esimese põlvkonna ehk türistoride, s.t. juhitavate ränialaldite (silicon controlled rectifiers, SCR) ajastuks. Juhitavateks alalditeks nimetati türistore seepärast, et nende kasutamine vaheldites oli raskendatud. Nimelt ei saa vooluga türistori sulgeda mitte tüürahela, vaid välisahelate mõjutamisega, vähendades nullini teda läbivat voolu. See asjaolu muutis türistorvaheldite juhtimise keerukaks ning nõudis nn sundkommutatsiooni kasutamist. Jõumuundurite juhtimiseks võeti 1960. aastatel kasutusele transistorid, integraallülitused ja optronid. Ajamite ja muundurite juhtimiseks rakendati tagasisidel põhinevat vea järgi juhtimise (feedback error driven control) põhimõtet. Järgmisel ajavahemikul (1975−1990) võeti kasutusele teise põlvkonna jõupooljuht-komponendid: väljatransistorid (power MOSFET − power metal-oxide-semiconductor field effect transistor) 1980, bipolaarsed npn- ja pnp-transistorid (power BJT − power bipolar junction transistor), suletavad (täielikult juhitavad) türistorid (power GTO − power gate turn off thyristor). Jõupooljuhtmuudurite juhtimiseks võeti kasutusele mikroprotsessorid, rakendusotstarbelised integraallülitused (ASIC - application specified integral circuit) integreeritud jõupooljuhtlülitused (PIC − power integral circuit). Ajamites hakati üha enam kasutama mudelitel põhinevat juhtimist (advanced control, model based control). Alates 20. sajandi viimasest kümnendist võib rääkida jõupooljuhtseadiste kolmandast põlvkonnast. Muundurite jõuahelates võeti kasutusele isoleeritud baasiga bipolaarsed transistorid (IGBT - insulated gate bipolar transistor), väljatransistoridega juhitavad türistorid (MCT − MOS controlled thyristor, MC GTO) ning nendel põhinevad jõupooljuhtmoodulid (intelligent power devices, IPD). Muundurite juhtimiseks võetakse kasutusele anduriteta,

24

objekti mudelitel põhinev juhtimine (model based control, sensorless control), ekspertsüsteemid (expert systems), hägusloogika (fuzzy logic), tehisnärvivõrgud (neural networks). Kokkuvõtteks võib öelda, et muundurite edasine areng 21. sajandil on seotud pooljuhtseadiste arenguga. Pooljuhttehnika tervikuna on üha enam jagunemas kaheks haruks: ühelt poolt üha väiksemate voolude ja pingetega mikrolülitusteks ja teiselt poolt üha võimsamateks jõupooljuhtlülitusteks. Jõupooljuhtseadiste põhiliseks kasutusalaks jäävad endiselt võimsad alaldid, vaheldid ja sagedusmuundurid, aktiivfiltrid, staatilised reaktiivvõimsuse kompensaatorid ning lahenduslampide toiteallikad. Tänaste arusaamade järgi on faasijuhtimisega muundurid (türistoralaldid) sattunud ebasoosingusse energia halva kvaliteedi ning väikese võimsusteguri tõttu. Pulsilaiusmodulatsiooni (pulse width modulation, PWM) põhimõte on kasutusele võetud praktiliselt kõikjal, s.t. sõltumata võimsusest nii vaheldites kui ka alaldites. Vahetute sagedusmuundurite (tsüklokonverterite ja maatriksmuundurite) areng on pidurdunud. Suurtel võimsustel asendavad neid kahesuunalise energiavooga pulsilaiusmodulatsiooniga muundurid (double PWM converters). Pingevaheldid (voltage fed inverters, VFI) on üldjuhul eelistatumad kui vooluvaheldid (current fed inverters CFI). Teatud rakendustes võivad kasulikuks osutuda resonantsmuundurid (resonant pole converters). Väga perspektiivseks on muutunud väljatransistorsisendiga integreeritud juht- ja kaitseahelatega varustatud jõupooljuhtmoodulid IGBT transistoride, Power MOSFET tranistoride ja mitmesuguste GTO türistoride baasil. Muunduri kommutatsiooniprotsesside kvaliteet ning kommutatsioonikaod sõltuvad otsustaval määral vastudioodi toimekiirusest. Taoliste jõuintegraallülituste ning nn intellektuaalsete jõumoodulite (intelligent power modul, IPM) rakendamisega muutuvad üha olulisemaks muundurite topoloogia probleemid. Muundurite projekteerimisel rakendatakse jõupooljuhtseadiste mudeleid, mis kirjeldavad nende elektrilisi ja soojuslikke omadusi ning töökindlust; jõupooljuhtmuundureid simuleeritakse arvutil vastavate programmipakettidega (PSpice jt.), mis kasutavad jõupooljuhtseadiste andmebaase. Muundurite tehnoloogia läheneb oma füüsikaliste võimaluste piirile ning muundurite tehniliste näitajate parandamine on võimalik üksnes automaatprojekteerimise ning integratsiooniastme suurendamise abil.

Üha selgemaks on saanud mõte, et ideaalne jõuahelate lüliti ja ideaalne muundur jäävadki unistuseks. Energia jäävuse seadusest lähtudes ei saa hetkeliselt ja kadudeta muuta mingi elektriahela või süsteemi energeetilist potentsiaali. Viimastel aastatel on areng jätkunud jõupooljuhtseadiste ühikvõimsuse kasvu suunas. Üha enam rakendatakse integreeritud juhtimis- ja kaitseahelatega jõumooduleid. Uute jõupooljuhtmaterjalidena on esile kerkinud galliumarseniid ja ränikarbiid. Viimasel põhinevad dioodid on eriti suure toimekiirusega. Nende uurimisse on pühendunud ka Tallinna Tehnikaülikooli elektroonika instituut, kus sellesisulisi töid juhib professor Toomas Rang.

25

1.6. Elektriajami põhiomadused Võimsus ja moment. Ajami poolt elektrivõrgust (toiteallikast) tarbitav elektrienergia muundatakse mehaaniliseks energiaks mootori võllil. Mehaaniline võimsus arvutatakse pöördliikumise puhul valemiga ωTPmeh = või lineaarse liikumise puhul . FvPmeh = Elektrimasina moment on otseselt seotud tema mõõtmetega. Elektromagnetiline moment on määratud magnetvoo ja voolu korrutisega IΦTem ×≅ . Mõlemad neist suurustest on aga sõltuvad masina mõõtmetega, sest nii magnetvoo kui ka voolutihedus materjalis on piiratud. Magnetvoo tiheduse ehk magnetilise induktsiooni B maksimaalväärtus on määratud magnetmaterjali küllastusega, voolutiheduse maksimaalväärtus aga elektrijuhtide isolatsiooni piirtemperatuuri ning mähiste jahutustingimustega. Masina piirvõimsuse puhul on oluliseks näitajaks on masina pöörlemiskiirus. Vastavalt eeltoodud valemitele on masina väljundvõimsus kiirusega võrdeline. Kuna masina mõõtmed sõltuvad peamiselt momendist, on suurekiiruselistel elektrimasinatel samade mõõtmete juures suurem võimsus ning järelikult ka suurem võimsuse ja massi suhe. Kiiruse võimalik maksimaalväärtus sõltub masina konstruktsioonilisest vastupidavusest (tsentrifugaaljõudude toime ja laagrite hõõrdumine), pöördvälja kiirusest (võrgusagedusel 50 Hz on välja pöörlemiskiiruseks 3000 p/min) või kommutaatori elektrilistest omadustest. Elektrimasinate üheks nüüdisarengusuunaks on suurekiiruseliste masinate loomine. Juba praegu on kasutusel gaasiturbiinjaamade generaatorid, mille pöörlemissagedus on 100000 p/min. Masina rootor pöörleb magnetlaagritel. Pöörlemiskiirusega suurenevad ka masinas toimivad tsentrifugaaljõud, mis on võrdelised kiiruse ruuduga. Tänu suurele kiirusele on masina mõõtmed ja mass väikesed (100 kW masina võib sülle võtta). Mootorite kiiruse suurendamine ja ajami efektiivsus pole omavahel üheselt seotud. Suure kiirusega mootori võib küll etteantud võimsuse korral valmistada odavamalt, kui väikesekiiruselise. Töömasina käitamiseks sobiva kiiruse saamiseks tuleb aga sel juhul kasutada kiirust vähendavat reduktorit, mille mõõtmed, mass ja hind võivad ajami kui terviku muuta ebaratsionaalselt kohmakaks ja kalliks. Töömasina käitamiseks sobiva mootori ja reduktori valik on ajamitehnika üks põhiülesandeid. Paindlikult juhitavate muundurite puhul tuleb valitud mootor sobitada ka muunduriga. Üldjuhul jagatakse elektrimasina talitluspiirkond kiirusest sõltuvalt kahte ossa: konstantse momendiga talitluseks nimikiirusest väiksematel kiirustel ja konstantse võimsusega (tavaliselt nimivõimsusega) talitluseks nimikiirusest suurematel kiirustel (joonis 1.8). Mootori maksimaalne koormatavus sõltub masina tüübist ning talitlusoludest. Tavaliselt pole võimalik elektrimasinat väga väikestel kiirustel täielikult koormata, sest kiiruse vähenemisega halvenevad ka masina jahutusolud, ning masin võib nimivooluga koormamisel üle kuumeneda. Seepärast annavad masinate tootjad infot masina lubatud koormatavuse kohta sõltuvalt kiirusest (joonis 1.8). Nimikiirusest suurematel kiirustel on sageli lubatud masinat koormata nimivõimsusest suurema võimsusega, sest kaod masinas sõltuvalt peamiselt momendist (voolust), mis kiiruse suurenemisel oluliselt ei muutu. Samas paraneb kiiruse suurenemisel masina jahutus. Seepärast võib nt 50 Hz nimisagedusega mootor sagedusmuundurist toitmisel arendada kuni 3 korda suuremat võimsust kui samavõrd suurendada toitepinge sagedust (87 Hz). Sama voolu ja momendi tekitamiseks tuleb aga

26

mootori mähised tähtlülituse asemel ümber lülitada kolmnurklülitusse. Niisuguse lülituse kasutamisel tuleb aga kindlasti kontrollida, et pöörlemiskiirus ei ületaks mootori maksimaalselt lubatud pöörlemiskiirust.

Kiirusω = ωn

Võimsus

Konstantne moment

Konstantne võimsus

Ligikaudu konstantne võimsus

Kiirus

Moment

ω = ωn

Konstantne moment

Konstantne võimsus

0 0

Ajami lubatud talitluspiirkond

Piirkiirus

Joonis 1.8. Ajami väljundvõimsuse (a), momendi ja kiiruse (b) tüüpiline sõltuvus

Kiirusω = ωn

Moment

0

T = Tn

Joonis 1.9. Elektrimasina lubatud koormatavus

Ajami riskivaba talitlusala (safe operation area, SOA) on oluliste tunnussuurustega (pingete, voolude, võimsustega määratud talitlusala, milles ajami talitlus normaaloludes on võimalik ilma riskita ajamit või töömasinat kahjustada. Ajami tööpunkti jäämist riskivabasse talitlusalasse väliste muutujate (toitepinge, koormuse, kiiruse, ümbrustemperatuuri, mere-pinnast mõõdetud talitluskõrguse jm) suvalisel muutumisel kontrollitakse nüüdiselektriajamite puhul ajami kaitseaparaatide ning juhtseadmetesse sisseehitatud kaitsealgoritmidega.

Joonistel 1.8 ja 1.9 näidatud tunnusjoonte puhul saab abtsiss- ja ordinaattelgedel näidata erinevaid suurusi. Tavaliselt näidatakse abtsissteljel seadme või süsteemi sisendsuurust ja ordinaatteljel väljundsuurust. Elektrimootori puhul võib väljundiks olla nii moment kui ka kiirus. Ajamite puhul on tavaliselt sisendiks moment ja väljundiks kiirus.

Mootor või generaator. Ajami talitlusel muutub nii mootori pöörlemiskiirus kui ka koormusmoment. Teatud juhtudel võib muutuda ka mootori pöörlemissuund või koormusmomendi märk. Sõltuvalt olukorrast võib ajami talitlust kiiruse-momendi tasandil kirjeldada kas ühes, kahes või neljas kvadrandis (joonis 1.10). Kvadrantide üldlevinud tähistuse puhul töötab ajam I ja III kvadrandis mootoritalitluses (kiirus ja moment on sama märgiga). II ja IV kvadrandis töötab ajam generaatoritalitluses (kiirus ja moment on eri märgiga). Kvadrantide asukoht sõltub telgede asetusest.

27

III

III IV

Moment

Kiirus

+

+

I

II III

IV

Moment

Kiirus

+

+

TT

n

T

T T

n

T

n

n

n

n

n n

T T

Joonis 1.10. Ajami momendi-kiiruse tasandi neli kvadranti Lihtsamad ajamid töötavad tavaliselt I kvadrandis ehk mootoritalitluses. On ajameid mille puhul pöörlemissuund on muutumatu kuid muutub momendi suund (nt. kiirendamine ja pidurdamine). On olemas ajameid, nt. tõstemasinad, kus momendi suund on konstantne, kuid pöörlemissuund muutub vastavalt koormuse tõstmisele või langetamisele. Kõige üldisemal juhul (nt reversiivsed tööpingid, robotid jms) võib ajam talitleda vaheldumisi kõigis neljas kvadrandis.

28