2. ACS 600 DTC-SÄÄDETTY TAAJUUDENMUUTTAJA
2.3 ACS 600
2.3.2 Ohjauspiiri ja piirikortit
Kuvassa 2.6 näkyy suurimpien rakenteiden (R5...R9) ohjauspiiri. Korttien tehtävät ovat:
NAMC
Sovellus- ja moottorinohjauskortti NAMC on samanlainen kaikissa muuttajissa, mutta kortille ladattu ohjelma on tyyppikohtainen. NAMC on maapotentiaalissa, ja kortti sisältää mm:
- Muisteja, joille on tallennettu mm. moottorisäätö- ja sovellusohjelmisto sekä moottorin parametrit.
Digitaalisen signaaliprosessorin, joka suorittaa DTC-säädön vaatimat laskutoimitukset 40 000 kertaa sekunnissa.
- Optiset liitynnät muille piirikorteille ja ulkoiselle ohjaustietokonelle.
2. ACS 600 DTC-säädetty taaj uudenmuuttaj a 22 NIOC
Standardi I/O kortti NIOC myös kaikille laitteille yhteinen. Sen tehtävänä on hoitaa tietoliikennettä. Kortti sisältää: CDI 300 (tulevaisuudessa modbus) liitännän ohjauspanelille, analogia- ja digitaalitulojen sekä lähtöjen liittimet. NIOC on maapotentiaalissa.
NINT
Pääpiirin liityntäkortti NINT ohjaa PP-modulin kytkimiä ja suorittaa säädön tarvitsemat mittaukset. Laitteesta mitataan: välipiirin jännitettä, kahden vaiheen moottorivirtaa, PP-modulin lämpötilaa, lähtöjännitteitä (oikosulkusuoja) ja syöttövirtojen summaa (maasulkusuoja). Virranmittaus täytyy skaalata muuttajatyypin mukaiseksi valitsemalla kortilta oikea hybridivastus juottamalla.
NINT-kortti on myös erilainen erikokoisissa laitteissa. Kortti on välipiirin potentiaalissa (DC-). Pienien laitteiden (R2 ja R3) NINT kortteihin on integroitu myös hilaohjaimet ja teholähde.
NGDR
Hilaohjainkortti NGDR:t toimivat galvaanisena erotuksena NINT:n ja PP-modulien välillä. Hilaohjainkortteja on kahta eri kokoa modulien mukaan. NGDR -kortti on välipiirin potentiaalissa (DC-).
NPOW
Teholähdekortti NPOW on hakkuriteholähde, joka katkoo välipiirin jännitettä ja syöttää muille piirikorteille tarvittavan käyttöjännitteen. Myös teholähdekortteja on erikokoisia. NPOW-kortti on välipiirin potentiaalissa (DC-).
NINP
Tulosillan ohjauskortti NINP ohjaa tasasuuntaajan tyristoreita. Lisäksi kortille on sijoitettu sillan RC-suoja. NINP on välipiirin potentiaalissa (DC+) Diodisillallisissa rakenteissa (R2...R4) ei tätä korttia ole.
Muut piirikortit
Virranmittaus-ja latauskortti NCMC on vain rakenteessa R3. Tulevaisuudessa kortin toiminnat tullaan integroimaan R3:n NINT-kortille.
Panelin liitäntäkortti NDPI liittää ohjauspanelin laitteeseen. Kortilla on myös kaksi lediä, jotka ilmaisevat laitteen päälläolon ja vian olemassaolon.
RFI -suodatinkortit NRFC suodattavat laitteen tuottamia sähkömagneettisia häiriöitä.
2. ACS 600 DTC-säädetty taaj uudenmuuttaj a 23 2.3.3 Jäähdytys
ACS 600:ssa on kiihdytetty ilmajäähdytys. Tehopuolijohteet on kiinnitetty alumiiniseen jäähdytyselementtiin, jonka ripojen läpi puhalletaan ilmaa. Puhaltimet on sijoitettu laitteen alaosaan. Seinälle asennettavissa laitteissa (R2...R7) on DC- puhaltimet, jotka saavat käyttöjännitteen teholähdekortilta. Modulirakenteissa (R8 ja R9) on АС-puhallin, jota käytetään yksivaiheisena kondensaattorin avulla. Teho puhaltimelle otetaan kahdesta syöttövaiheesta erillisen puhallinmuuntajan kautta.
ACS 600:n korttitilassa on vapaa ilmajäähdytys. Jäähdytysilma siis kiertää ritilöiden kautta korttitilan läpi ilman puhallinta. Pöly-ja roiskesuojaluissa IP 54 -luokan 601- laitteissa korttitila on suljettu ja sen sisälle on lisätty ylimääräinen DC-puhallin.
Lisäksi laitteiden käyttölämpötilaa on laskettu 40°C:stä. Myös pääpuhaltimet on vaihdettu pöly- ja roiskesuojatuiksi. 604-muuttajista tulee pöly- ja roiskesuojattu sijoittamalla moduli IP 54 kaappiin. Näissä kaapeissa jäähdytysilman tulo- ja poistoritilät on peitetty suodattimilla. Lisäksi kaapeissa on ylimääräinen puhallin.
2.3.4 Käyttäjäliitynnät
ACS 600:a kontrolloidaan ohjauspanelilla, Drives Window -tietokoneohjelmalla, analogia- ja digitaaliviesteillä tai kenttäväylällä. Ohjauspanelilla voidaan syöttää käyttöönottotiedot, ohjata ja ohjelmoida laitetta. Panelin näytössä näkyy annettu ohjearvo sekä kolme vapaavalintaista oloarvoa. Vikatilanteessa näyttö kertoo laitteessa olevan vikatyypin. Panelin toiminnot voi myös suorittaa Windows - pohjaisella tietokoneohjelmalla Drives Window. Lisäksi ohjelmalla voi seurata olo
ja ohjearvoja, sekä ohjelmoituja asetuksia graafisesti tietokoneen näytöltä. Ohjelma myös tallentaa tietoa käytön tapahtumista ja vioista. Kenttäväylään ACS 600 liittyy optiona saatavien kenttäväyläsovittimien välityksellä.
2.3.5 Optiot
Optiot ovat laitteita tai toimintoja, joita standardilaite ei sisällä. ACS 600:n saatavia optioita ovat esim. ohjauspaneli, Drives Window, suojausluokka IP 54, verkko vaihtosuuntaaja, jarrukatkoja ja tietoliikennesovellutukset.
Tietoliikennesovellutukset
Tietoliikenne-optiot ovat moduleita, jotka liitetään DIN-kiskoon muuttajan sisällä tai ulkopuolella. Modulit kommunikoivat laitteen kanssa optisesti ja saavat käyttöjännitteensä joko muuttajalta tai ylimääräiseltä optio-teholähteeltä. ACS 600:n tietoliikenne-optioita ovat esim: analogia-ja digitaalitulojen sekä lähtöjen laajennus, pulssigeneraattorin liitäntä, Profitais-, Modbus-, Modbus Plus-, Master Fieldbus- ja CS 31 -kenttäväyläsovittimet
2. ACS 600 DTC-säädetty taaj uudenmuuttaj a 24 Jarrukatkojat ja verkkovaihtosuuntaajat
Moottorin jarruttaessa eli toimiessa generaattorina se syöttää energiaa taaj uudenmuuttaj an välipiiriin. Jarrukatkoja ohjaa tämän energian jarruvastuksiin.
ACS 600:n jarrukatkojat toimivat joko valokuidun ohjaamina tai itsenäisesti hystereesisäädöllä: Kim välipiirin jännite UDç nousee määriteltyyn rajaan, kytkeytyy vastus oikosuluksi välipiiriin ja johtaa kunnes UDc on laskenut hystereesin alarajaan.
Jarrukatkojassa kytkimenä toimii IGBT-transistori, jota ohjaa NBRC -kortti.
Jännitetason ja ohjaustavan valinta tapahtuu NBRC-kortilla olevalla hyppyjohtimella.
Tulevaisuudessa ACS 600:sta on saatavissa myös nelikvadranttikäyttö eli ver kko vaihtosuuntaaja, joka syöttää jarrutusenergian takaisin sähköverkkoon.
Verkkovaihtosuuntaajissa on tavanomaisen tulosillan tilalla samanlainen vaihtosuuntaus kuin moottorin päässä: PP-moduli sekä tarvittava ohjauselektroniikka.
2.3.6 Sähkömagneettinen yhteensopivuus EMC.
Vuoden 1996 alussa astuivat voimaan Euroopan Unionin alueella vaatimukset laitteiden Sähkömagneettisesta yhteensopivuudesta eli EMC:stä. Direktiivi määrittelee sietotason (immuniteetti) eli sähkömagneettisen ympäristön, jossa laitteiston tulee toimia sekä päästötason (emissiviteetti), jota suurempia häiriöitä laitteisto ei saa aiheuttaa. Tehoelektroniikka aiheuttaa luonnostaan paljon häiriötä suuritaajuuksisien tehokytkentöjen takia. Taaj uudenmuuttaj an on siis vaikea täyttää EMC-vaatimuksia.
ACS 600 täyttää Euroopan Unionin EMC normit teollisuusympäristölle. Säteileviä häiriötä on pienennetty suunnittelemalla laitteen kaikki ulkopinnat sähköä johtaviksi.
Muovinen kansi on maalattu kuparimaalilla ja kaikki tiivisteet on tehty johtavasta materiaalista. Lisäksi kaikkiin kaapeleihin tulee tehdä ns. 360°:n maadotus. Sekä ohjaus- että tehokaapelit maadotetaan myös kaapin läpiviennissä. Tähän käytetään erityisiä EMC-läpivientiholkkeja.
Johtuvia häiriötä on vaimennettu suodattimilla, jotka koostuvat ferriittirenkaista ja kondensaattoreista. Syöttö- ja moottorikaapelien ympärillä olevat ferriittirenkaat muodostavat suuren impedanssin korkeataajuisille häiriölle. Syötöjohtimien väliin ja välipiiriin sijoitetut suodattimet puolestaan kytkevät häiriövirran kapasitiivisesti maahan.
2. ACS 600 DTC-säädetty taajuudenmuuttaja 25
Kuvassa 2.7 näkyy esimerkki suurtaajuussuodattimesta. Kuvassa esiintyvien kuristimien sijasta taajuudenmuutajissa käytetään kyllästymisongelmien takia kaikki johtimet kiertävää ferriittirengasta.
Tulo-liittimet
Maa
Kuormitus-liittimet
Maa
Kuva 2. 7. Tyypillinen suurtaajuussuodattimen kytkentä.
3. Vikojen ennustaminen 26
3. Vikojen ennustaminen
3.1 Vikaantumista kuvaavia funktioita
Teknisten laitteiden vioittumista ei voida tarkasti ennustaa. Samanlaiset laitteet kestävät täysin samanlaisissa olosuhteissa eri pituisia ajanjaksoja. Laitekohtaisia eroja aiheuttavat mm. materiaalien ja valmistusolosuhteiden muutokset, joiden syntyminen on yleensä epäsäännöllistä ja satunnaista (Lehtimäki, 1994).
Satunnaisilmiöiden takia yksittäisen laitteen vikaantumishetken ennustaminen on hyvin vaikeaa. Suuren laitemäärän vikaantuminen kuitenkin noudattaa matemaattisia lakeja ja ilmiöitä voidaan kuvata todennäköisyyslaskennan funktioilla.
Taajuudenmuuttajan vioittumista voidaan kuvata esimerkiksi vikataaj uudella, vikakertymällä, keskimääräisellä vikavälillä (MTBF) sekä erilaisilla jakaumafunktioilla. Seuraavassa on nämä käsitteet kuvattu Luotettavuussanaston SFS
3750 mukaan.
Vikakertymä
Vikakertymä on vikaantumisajan todennäköisyysjakauman kertymäfunktio:
(3.1)
Vikataaj uus
Vikataajuus z(/) on vikakertymän derivaatta ajan suhteen:
(3.2)
Vikataajuus kuvaa nyt toimintakunnossa olevan laitteen todennäköisyyttä vikaantua l%ohitulevaisuudessa. Todennäköisyys, että laite vioittuu hetken / jälkeen aikavälillä At, on z(t)At.
3. Vikojen ennustaminen 27 Keskimääräinen vikaväli (MTBF)
Kun korjaukseen kuluvaa aikaa ei oteta huomioon, keskimääräinen vikaväli eli MTBF (Mean time between Failures) on vikataajuuden käänteisarvo.
MTBF (Г) = l/z(/) (3.3)
Todennäköisyysjakaumat
Luotettavuusteorian mallit olettavat komponenttien vioittumisajankohdan noudattavan jotain tunnettua todennäköisyysjakaumaa. Eniten käytetään eksponenttijakaumaa. Siinä vikataajuus oletetaan vakioksi. Eli komponentin vioittumistodennäköisyys ei riipu mitenkään laitteen iästä.
Joskus luotettavuustekniikassa käytetään normaalijakaumaa. Vioittumisajankohta noudattaa normaalijakaumaa, kun vikaantuminen aiheutuu suuresta määrästä satunnaisia toisistaan riippumattomia ilmiöitä.
Tarkimmin vikaantumista voidaan mallintaa Weibull-jakaumalla, jonka kahdella parametrillä jakauma saadaan noudattamaan kokemusperäisiä havaintoja.
.eibull
Kuva 3.1. Esimerkit eksponentti-, normaali ja weibull-jakaumista.
3. Vikojen ennustaminen 28
3.2 Luotettavuustekniset rakenteet
Komponenteista koostuvan laitteen luotettavuus voidaan laskea, kun tunnetaan laitteen rakenne. Luotettavuusteknisesti järjestelmä on joko sarja-, rinnakkaisrakenteinen tai näiden yhdistelmä. Luotettavuus sanasto (SFS 3750) määrittelee rakenteet seuraavasti:
Sarjarakenne
Sarjarakenteisessa järjestelmässä kaikkien osien on toimittava, jotta järjestelmä toimisi. Eli yhdenkin osan vikaantuminen estää koko järjestelmän toiminnan ja rakenteen luotettavuus on aina huonompi kuin sen epäluotettavimman komponentin.
Sarjarakennetta voidaan kuvata seuraavalla lohkokaavioesityksellä.
Kuva 3.2. Sarjarakenne.
Kun oletetaan komponentit toisistaan riippumattomiksi, saadaan sarjarakenteisen järjestelmän vikataajuudeksi komponenttien vikataajuuksien summa:
z(t) = £z (()
i=l
(3.4)
Rinnakkaisrakenne
Rinnakkaisrakenteissa järjestelmässä yhdenkin komponentin toiminta riittää järjestelmän toimimiseen. Tällaisen järjestelmän luotettavuus on aina parempi kuin sen luotettavimman komponentin. Rinnakkaisrakennetta voidaan kuvata seuraavalla lohkokaavioesityksellä.
Kuva 3.3. Rinnakkaisrakenne
3. Vikojen ennustaminen 29
Kun oletetaan komponentit toisistaan riippumattomiksi, saadaan rinnakkaisrakenteisen jäijestelmän keskimääräiseksi vikaväliksi (MTBF) komponenttien vikavälien summa. Tällöin järjestelmän vikataajuus on:
(3.5)
Taajuudenmuuttajat ovat käytännössä aina sarjarakenteisia laitteita. Osia ei ole varalla, vaan yleensä yhdenkin osan vikaantuminen tekee muuttajasta toimintakyvyttömän. Myös koko sähkökäyttö on sarjar akenteinen jos taaj uudenmuuttaj an vikaantuminen estää koko laitteiston toiminnan. Usein muuttaja voidaan ohittaa ja käyttöä ajaa säätämättömänä. Tällaista järjestelmää kutsutaan vaihto varmennetuksi.
3.3 Taajuudenmuuttajan vikaantuminen
Elektroniikka laitteiden ja komponenttien vikaantuminen noudattaa tyypillisesti ns.
"kylpyammekäyrää" ( kuva 3.4 ). Käyrä koostuu kolmesta osasta:
1) Varhaiskäyttökausi, jolloin vikataajuus on suuri. Tämän aiheuttavat vialliset komponentit ja valmistusvirheet.
2) Käyttökausi, jolloin vikataajuus vakio ja matala.
3) Vanhenemiskausi, jolloin vikataajuus kasvaa komponentin kulumisen tai muun vanhenemisen takia.
Varhais-käyttökausi
Käyttökausi Vanhenemis
kausi
Kuva 3.4. “Kylpyammekäyrä ” eli tyypillinen vikataajuus ajan funktiona.
3. Vikojen ennustaminen 30
"Kylpyammekäyrän" mukaan laitteen luotettavuus paranee, kun komponenttia vanhennetaan ennen asennusta. Luotettavuus on parhaimmillaan, kun komponentti vaihdetaan vanhenemiskauden alussa.
3.4 Luotettavuuden arviointi ja MIL-standardi
Luotettavuusanalyysillä pyritään ennustamaan laitteen vioittumista. Analyysin tuloksena saadaan mm. arvioitu vikataajuus ja keskimääräinen vikaväli.
Elektroniikan luotettavuutta arvioidaan esimerkiksi Yhdysvaltojen armeijan standardilla MIL-HDBK-217F, joka on arvostetuimpia ja käytetyimpiä luotettavuuden arviointimenetelmiä. Standardi olettaa komponenttien vikataaj uuden noudattavan eksponenttijakaumaa joka ei ota huomioon kylpyammekäyrän alun laskevaa ja lopun nousevaa osaa. MIL-standardia on kritisoitu myös vanhanaikaisuudesta ja siviilikomponenttien väheksynnästä. Tämä aiheuttaa varsin pessimistisen arvion moderneille integroituja piirejä sisältäville siviililaitteille.
ABB:n kokemusten mukaan todelliset vikavälit ovat 4...5 kertaa MIL -arvioita pidempiä.
Heikkouksistaan huolimatta MIL-HDBK-217F:n mukainen luotettavuusanalyysi on parhaita tapoja vertailla eri ratkaisujen luotettavuutta. Se sopii hyvin suunnittelun apuvälineeksi, mutta antaa hyvin epätarkan arvion tulevasta vikamäärästä.
(Lehtimäki E. 1994)
3.5 Vikatilastot
3.5.1 ACS 500:n vikatilastot
ABB Industry ylläpitää tilastoja kahden vuoden takuuaikana hajonneista laitteista.
Nämä tilastot ovat kattavin aineisto mitä ABB:n taajuudenmuuttajien vioista löytyy.
ACS 500:n kohdalla tilastot on tehty erikseen 501 :stä ja 504:stä. Seinälle asennettavia 501 muuttajia on toimitettu n. 70000 kpl ja kaappiin asennettavia 504 moduleita n. 9000 kpl, joten tilastoissa käytetty otos on varsin suuri. Tilastoihin kirjataan takuuaikana hajonneista laitteista valmistuskuukausi, vikaantumiskuukausi ja vioittunut komponentti tai muu vikakoodi. Näistä tiedoista muodostetaan kolmen
kuukauden liukuvana keskiarvona seuraavat tunnusluvut ja kuvaajat:
Kenttävikojen lukumäärä (Failures on field)
Kuvaaja kertoo takuukorjausten lukumäärään kussakin kuussa. Tästä lasketaan myös suhteellinen arvo vertaamalla kuukauden vikatapauksia takuunalaiseen laitekantaan.
Tulos kerrotaan 12:11a, jotta päästään vuositasolle.
3. Vikojen ennustaminen 31
Aika valmistuksesta vikaantumiseen (Time between manufacturing and failure)
Kuvaaja kertoo takuuaikana vikaantuneiden laitteiden hajoamisajankohtien jakauman valmistuskuukaudesta laskettuna. Esimerkiksi liitteestä 1 (sivu 2, ylempi kuva) voidaan lukea, että takuuaikana hajoavista 501 -muuttajista hajoaa 2% kuukauden sisällä valmistuksesta. Integroimalla tätä kuvaajaa valmi stusajankohdasta nykyhetkeen saadaan takuuvikojen kertymäftmktio. Tämän avulla voidaan arvioida takuuaikana hajoavien laitteiden määrää kahta vuotta tuoreemmissa valmistuserissä.Suhteellinen vikamäärä (Failure rate)
Kuvaaja kertoo takuuaikana hajoavien laitteiden osuuden valmistusajankohdan funktiona. Kahta vuotta uudempien laitteiden osalta käyrää korjataan jakamalla ilmenneiden vikojen määrä takuuvikojen kertymäfunktion suhteellisarvolla.
Esimerkiksi liitteen 1 mukaan yhdeksänkuukautta vanhojen 501 -laitteiden tämänhetkinen vikojen määrä täytyy jakaa 0.54:llä, jotta saadaan k.o kuukauden failure rate.
Komponenttikohtaiset laatumittarit
Vikakoodien mukaan on laskettu eri komponenttien osuudet takuuvioista vuosittain.
3.5.2 ACS 600:n vikatilastot
ACS 600:n takuutapauksista on saatavilla vastaavat käyrät kuin ACS 500:sta. Tätä kirjoitettaessa takuuraportteja on kertynyt vasta n. 100 kappaletta, joten täydellistä tilastollista otosta ei näistä saada. Takuuraporttien lisäksi ACS 600:n osalta on tilastoitu kaikki tuotepäällikölle tulleet kenttäpalautteet. Tilasto käsittää esimerkiksi komponentti- ja työlaskut, takuuraportit, puhelinyhteydenotot, reklamaatiot sekä tuoteparannusehdotukset. Tähän rekisteriin on kertynyt n. 250 palautetta n. 4000:sta toimitetusta laitteesta. Merkittävä osa rekisteröidyistä vioista koskee ACS 600:n prototyyppejä, joten näiden tietojen pohjalta ei tulevien vikojen määrää pysty ennustamaan. Tilasto antaa kuitenkin tietoa ACS 600:n ongelma-alueista ja
-komponenteista
3. Vikojen ennustaminen 32
3.6 Ympäristöolosuhteiden vaikutus
Vikaantumisen ennustamisessa käytetyt menetelmät perustuvat olettamukseen, että laitteet ovat standardi olosuhteissa. Kuitenkin ympäristöolosuhteet vaikuttavat ratkaisevasti laitteen komponenttien kestävyyteen. Erityisen suuri merkitys on ympäristön lämpötilalla, kosteudella ja ilman puhtaudella. ( Jukka Tolvanen, 1996)
Lämpötila
Yleisesti lämpötilan nousu kiihdyttää kemiallisia prosesseja. Tämä pätee myös sähköisten komponenttien vikaantumisilmiöihin. Monien komponenttien laskennallinen elinikä puoliintuu lämpötilan noustessa 10 °C. Paitsi korkea lämpötila myös kosteutta tiivistävä lämpötilan vaihtelu rasittaa komponentteja.
Kosteus ja saasteet
Tyypillisin korroosion aiheuttaja on kosteus, joka tiivistyneenä piirikortin pintaan pienentää johdinten välisiä impedansseja ja toisaalta toimii katalyyttinä ilman epäpuhtauksien aiheuttamalle korroosiolle. Ongelma korostuu nykyaikaisessa pintaliitostekniikalla toteutetussa elektroniikassa koska ryömintävälit on minimoitu.
Teollisuusilmassa ongelman aiheuttavat rikin ja typen oksidit. Ne reagoivat ilmankosteuden kanssa synnyttäen korroosiota aiheuttavia happoja. Pahin tilanne on Itä-Euroopan metalliteollisuudessa ja hiilivoimaloiden lähellä. Esimerkiksi Bai Maressa Romaniassa on rikkidioksiidia ilmassa jopa 9000 kertaa enemmän kuin ACS 600:11e on sallittu. Rannikkoseudulla, joilla vesi on suolaista ongelmana ovat kloridit.
Ne aiheuttavat pistemäisiä syöpymiä ja ovat näin erittäin haitallisia. Erittäin vaativia ympäristöjä sähkökäytöille ovat liikennevälineet ja jäteveden puhdistamot.
Esimerkiksi raitiovaunujen käyttöjen ongelmia ovat: siirtäminen lämpimästä hallista pakkasilmaan, pöly, vesi sekä liikenteen päästöt (rikkioksiidit, hiilivedyt, hiilidioksiidi ja typen oksidit). Jäteveden puhdistamoilla voimakasta korroosiota aiheuttavat käymisessä syntyvät orgaaniset yhdisteet sekä kosteus. (Tolvanen, 1996)
4. ACS 600:n odotettavissa oleva huollon tarve 33
4. ACS 600:n odotettavissa oleva huollon tarve
4.1 Arvio tulevasta laitekannasta
ACS 600 korvaa ACS 500:n vuoden 1996 aikana. Samanaikaisesti vaihtovirtakäyttöjen markkinat kasvavat lähes 10 % vuodessa. Lisäksi ACS 600 tulee DTC-tekniikan avulla valtaamaan osan tasavirtakäyttöjen markkinoista.
Ennusteiden mukaan vuonna 1996 valmistetaan n.30 000 laitetta, 1997 n. 55 000 ja 1998 n. 65 000. Arviot siitä kuinka kauan ACS 600 pysyy tuotannossa vaihtelevat.
Mikäli oletetaan myynnin noudattavan ennustetta ja tuotannon kestävän viisi vuotta, on vuonna 2001 maailmassa 200 000...300 000 ACS 600 taajuudenmuuttajaa.
Lukumäärän arvionti on kuitenkin hyvin vaikeaa sillä suurin osa laitteista on pieniä alle 10 kW:n muuttajia. Tässä kokoluokassa ABB:llä on toinen tuote ACS 300.
Lisäksi pienien muutajien markkinoilla on runsaasti kilpailevia valmistajia. (ABB Industry VSD Products Strategic Pian 1996...98, Vesa Laisi 1995)
4.2 Suunnittelu- ja tuotantoprosessit
Suunnittelijoiden käsityksen mukaan ACS 600:n suunnittelussa on panostettu laatuun edeltäneitä tuotteita enemmän. Spesifikaatioiden pitävyys on varmennettu kattavilla tyyppitesteillä. Esimerkiksi kaikkilla rakenteilla on tehty lämpenemämittaukset, joilla on tarkistettu kunkin komponentin lämpötila eri rasitustilanteissa. On siis epätodennäköistä, että ACS 600:ssa tulee esiintymään komponenttien alimitoituksesta johtuvia vikoja. ACS 500:n suunnittelussa testit olivat huomattavasti suppeampia ja komponentteja on mitoitusongelmien takia jouduttu vaihtamaan jälkikäteen.
Kuten suunnittelussa myös ACS 600:n valmistuksessa on pyritty hyvään laatuun.
Jokaista valmistus- ja testausvaihetta on kehitetty luotettavuutta lisäävään suuntaan.
Tuotantolinja on täysin automaattinen, jolloin inhimilliset erehdykset eliminoituvat.
Prossesin eteneminen on jaettu yhdeksään vaiheeseen. Muuttaja siirtyy eteenpäin vasta kun prosessin ohjaus saa tiedon, että edellinen vaihe on täydellisesti suoritettu.
Esimerkiksi tyyppikilpeä ja pakkauksen tarroja ei saa ellei muuttaja ole läpäissyt rasitusajoa. ( Ari Ahokas)
Yleisen käsityksen mukaan tuotannon saanto korreloi tulevan kenttälaadun kanssa.
ACS 600:n tuotantoa seurataan tehokkaasti ja saanto todennäköisesti paranee nopeasti. Tältä pohjalta voidaan olettaa, että ACS 600:n failure rate -arvo paranee nopeammin kuin ACS 500:n tulokset (liite 1, sivul). ABB Industryn tavoitteena on, että korkeintaan 1% alle 55kW:n ja 1.5% yli 55kW:n ACS 600 -muuttajista vikaantuu takuu aikana. (Ari Ahokas)
4. ACS 600:n odotettavissa oleva huollon tarve 34
4.3 Luotettavuusanalyysi
4.3.1 Piirikorttien luotettavuus
ACS 600:n tärkeimmille piirikorteille on tehty MIL-HDBK-217 -standardin mukainen luotettavuusanalyysi (Elina Savioja 1994). Piirikortit on analysoitu sekä yksinkertaisella PCA-menetelmällä että tarkemmalla PSA-menetelmällä, joka ottaa huomioon komponentin nimellisarvot, rasituksen, pakkauksen, laadun ja ympäristön lämpötilan. Luotettavuusanalyysin tulokset on esitetty taulukossa 4.1.
Taulukko 4.1. ACS 600piirikorttien luotettavuus.
PCA-analyysi PSA- analyysi
Piirikortti Vikataajuus 1/106 h
MTBF Vikataajuus
1/106 h
MTBF
NAMC 21,8 45 768 h 15,9 63 041 h
NIOC 45,4 22 015 h 13,1 76 070 h
NINP 10,6 94 164 h 2,7 365 952 h
NINT 12,6 79 214 h 9,8 101 916 h
NGDR 19,6 51 145 h 10,6 94 243 h
NPOW 17,1 58 319 h 9,1 110 111 h
Näistä tuloksista tarkempia ovat PSA-analyysin tulokset. Niiden mukaan ACS 600:n luotettavin piirikortti on NINP ja heikoin NAMC. Tulos saattaa kuitenkin muuttua, jos otetaan huomioon MIL -standardin puutteet ja luotettavuusanalyysin lähtötiedot.
Analyysi on tehty kaikille piirikorteille 40 °C:n lämpötilassa. Tulosillan ohjaus- ja suojauskortti NINP joutuu kuitenkin keskimääräistä suuremmalle lämpörasitukselle.
Se sijaitsee muuttajan yläosassa lähes korttitilan kuumimmassa paikassa ja lämpenee nimellispisteessään tyyppitestidokumenttien mukaan n. 60 °C:een. Lisäksi kortille sijoitetut RC- suojan vastukset kuumenevat välillä jopa 150 °C:een.
Moottorinohjaus- ja sovelluskortti NAMC:11a puolestaan sijaitsevat digitaalinen signaaliprosessori ja ICMC-ASIC. Näitä komponentteja MIL-standardi pitää suhteellisen epäluotettavina, vaikka käytännön kokemukset kyseisistä komponenteista ovat hyviä.
Tehdyn luotettavuusanalyysin perusteella on vaikea asettaa piirikortteja kestoiän mukaiseen järjestykseen. Sen sijaan analyysin tuloksista nähdään, ettei mikään piirikortti ole selvästi muita epäluotettavampi.
4. ACS 600:n odotettavissa oleva huollon tarve 35 4.3.2 Pääpiirin luotettavuus
AC S 600:n pääpiirin luotettavuutta on arvioitu ainoastaan MIL-HDBK-21 - standardin tarkemmalla PSA-menetelmällä. (Elina Savioja , 1994) Standardi ei tunne kaikkia pääpiirin komponentteja. Niinpä esimerkiksi PP-modulin vikataajuus on arvioitu vanhempien IGBT-modulien kokemusten perusteella. Tämän analyysin tulokset on esitetty taulukossa 4.2.
Taulukko 4.2. Pääpiirin komponenttien luotettavuus.
Komponentti lkm Vikataajuus
1/ 106h
MTBF
Puhallin 1 1,999 500 000 h
DC- kondensaattori 2...15 1,74 575 000 h
PP-moduli 1 tai 3 1,57 637 000 h
Virtamuunnin 2 1,302 768 000 h
T/D - moduli 3 0,997 1 003 000 h
Kalvokondensaattori 1 tai 3 0,445 2 247 000 h
AC kuristin 1 0,145 6 897 000 h
Diodi 1 0,012 83 333 000 h
Vastus 1 0,005 223 213 000 h
KOKO pääpiiri (R5) 1 8.215 121 760 h
Pääpiirin luotettavuusanalyysissä on muuttajan kuormitus oletettu nimelliseksi, mikä johtaa hiukan pessimistiseen arvioon. Tuloksia tarkasteltaessa pitää myös ottaa huomioon, että MIL-standardi olettaa komponenttien vikataajuuden vakioksi.
Kuitenkin epäluotettavimpien komponenttien, puhaltimien ja kondensaattorien, vikataajuus on selvästi "kylpyammekäyrän" muotoinen. Alkuvanhennuksen jälkeen vikataajuus pitkään matala, mutta se kasvaa iän ja lämpötilan funktiona. Käytännössä kaikki puhaltimet ja kondensaattorit hajoavat ennen saatuja MTBF -arvoja (500 000 h ja 575 000). PP- moduli on niin uusi komponentti, että sen vikataaj uuden voidaan olettaa aluksi ylittävän saatu laskennallinen arvo.
Koska laitteen vikataajuus kasvaa komponenttien lukumäärän myötä, tulee suurimpien rakenteiden (R8 ja R9) vikataajuus olemaan muita suurempi. PP- modulien kohdalla ongelma korostuu. Kolmen rinnankytketyn modulin vikataajuus on teoriassa kolminkertainen yksittäiseen moduliin verrattuna. Komponentin suunnittelijoiden mukaan käytännössä ero voi olla jopa kymmenkertainen.
4. ACS 600:n odotettavissa oleva huollon tarve 36 4.3.3 Kokonaisen laitteen luotettavuus
Komponenteille tehdyistä luotettavuusanalyyseistä laskemalla saadaan kokonaisille muuttajille vikaantumisväliksi 12 000... 15 000 h. Nämä arvot ovat erittäin huonoja laitteille, joiden suunniteltu käyttöikä on 100 000 h. Lyhyt vikaantumisväli johtuu suuresta komponenttien lukumäärästä. Lisäksi lukuja tarkasteltaessa on otettava huomioon MIL-standardin pessimistisyys varsinkin uusia komponentteja kohtaan.
Hyödyllisintä olisi verrata saatuja vikataajuuksia ACS 500:n lukuihin. ACS 500:11e ei kuitenkaan ole tehty luotettavuusanalyysiä. Se menestyisi todennäköisesti ACS 600:aa paremmin MIL-standardin mukaisessa analyysissä, koska vikataajuus on verrannollinen komponenttien lukumäärään ja standardi arvostaa vanhempaa tekniikkaa.
4.4 Vikatilastot ja käytännön kokemukset
ACS 500:n vikatilastojen pohjalta tehdyt kuvaajat on esitetty liitteessä 1. ACS 600:n tulee oletettavasti käyttäytymään samankaltaisesti.
ACS 600:n tilastojen mukaan kentällä havaitut viat jakaantuvat kuvan 4.1 mukaan.
Viat jakaantuvat kolmeen lähes yhtäsuureen osaan: laitteisto-, ohjelmointi-ja inhimillisistä virheistä johtuvin vikoihin. Laitteistovioista huomattavaa on piirikorttien vähäinen vikamäärä.
LAITTEISTO 35
— PP-modulit 9%
Piirikortit 11%
Ohjauspaneli 5%
~ Jarrukatkoja 9%
Muut komponentit IHMINEN 26%
Kaapelointi 6%
Asennus 8%
Käyttäjä 12%
Ei tiedossa 5%
Ohjelmakoodi 34 %
Kuva 4.1. ACS 600 vikojen jakauma 20.2.96 asti.
4. ACS 600:n odotettavissa oleva huollon tarve 37
4.5 Ennuste ACS 600:n vioista
4.5.1 Vikojen lukumäärä
Tehdyn tutkimuksen perusteella odotettavissa olevaa vikatapausten lukumäärää ei pystytä ennustamaan. Voidaan kuitenkin olettaa, että ACS 600:n kokonaislaatu on parempi kuin ACS 500:11a. Arvio vikojen maksimimäärästä saadaan kun ennusteen lähtökohtana käytetään ACS 500:n failure rate -tilastoja ja ACS 600:n myyntiennustetta. Vikatapausten minimimääränä on laskettu käyttämällä AB В Industryn strategiassa määriteltyjä failure rate-arvoja. Näillä perusteilla lasketut vikaennusteet on karkeasti hahmoteltu kuvaan 4.2. Ennusteisiin tulee vielä enemmän hajontaa, jos otetaan huomioon mahdollinen myynnin vaihtelu.
2000 »
1500 . .
1000 ..
500 . .
V -95 V -97 V -98 V -99
Kuva 4.2. Ennusteita ACS 600:n vikojen lukumäärästä.
601 Strategia 601 (501 :n mukaaan) 604 Strategia 604 ( 504:n mukaan)
4.5.2 ACS 600:n mahdollisia ongelmakohtia
Vikatilastojen, luotettavuusanalyysin, ACS 600:n suunnittelijoiden mielipiteiden ja muuttajien tarkastelun perusteella on mahdollisiksi vikojen aiheuttajiksi arvioitu:
ohjelmisto, käyttäjien virheet, EMC-ratkaisut, PP-modulit, puhaltimet, jäähdytyselementit, välipiirin kondensaattorit, jarrukatkojat ja IP 54 -suojausluokan muuttajat.
4. ACS 600:n odotettavissa oleva huollon tarve 38 Ohjelmaviat
DTC-säädön myötä on ohjelmisto täytynyt suunnitella alusta asti ja uusissa ohjelmissa on aina virheitä. Ennen hyväksymistä jokainen ohjelmaversio käy läpi kattavat testit, joissa suurin osa vioista paljastuu. Osa ohjelmointivirheistä ilmenee vain tietyllä parametriyhdistelmällä. Koska kaikkia parametriyhdistelmiä on mahdotonta testata, jää ohjelmiin piileviä vikoja. Nämä ohjelmointivirheet löydetään kenttäpalautteen avulla ja korjataan seuraaviin ohjelmaversioihin.
Vikatilastojen perusteella ohjelmointivirheet voivat ensimmäisen vuoden aikana olla jopa suurin vikaryhmä. Myöhemmin ohjelmaviat vähenevät voimakkaasti.
Käytännössä vika korjataan vaihtamalla laitteen ohjelma uusimpaan versioon. ACS 600:ssa ohjelman voi päivittää kahdella tavalla:
• Ladataan ohjelmisto sovellus- ja moottorinohjauskortille (NAMC) valokuituliitynnän kautta tietokoneella. Tähän tarvitaan Drives Window:lla
• Ladataan ohjelmisto sovellus- ja moottorinohjauskortille (NAMC) valokuituliitynnän kautta tietokoneella. Tähän tarvitaan Drives Window:lla