TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Sähkö-ja tietoliikennetekniikan osastoMatti Viita
Taajuudenmuuttajan huoltotoiminnan kehittäminen
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa /0.1996
Työn valvoja
Työn ohjaaja DI Eero Kupila
ALKULAUSE 2
ALKULAUSE
Tämä diplomityö on tehty ABB Service Oy:ssä. Työn valvojana on toiminut Teknillisen korkeakoulun Sähkömekaniikan professori Tapani Jokinen.
Työskentelyäni on ohjannut DI Eero Kupila. Molemmille haluan esittää kiitokseni työlleni uhraamasta mielenkiinnosta sekä ajasta. Kiitos myös koko ABB Industryn ja Servicen henkilökunnille saadusta avusta, SupportLinen väelle innostavasta työilmapiiristä sekä Lauralle tuesta kotona.
Espoossa 1.10.1996
Matti Viita
Diplomityön tiivistelmä 3
Diplomityön tiivistelmä
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä:
Työn nimi:
Päivämäärä:
Matti Viita
Taaj uudenmuuttaj an huoltotoiminnan kehittäminen
18.9.1996 Sivumäärä: 67
Osasto: Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto Professuuri: S-17 Sähkötekniikka (sähkömekaniikka) Työn valvoja: Professori Tapani Jokinen
Työn ohjaaja: DI Eero Kupila, ABB Service Oy
Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää taaj uudenmuuttaj ien huolto- organisaatiolle asettamia vaatimuksia.
Työ keskittyy ABB:n uuteen taaj uudenmuuttaj aan, ACS 600:aan. Alussa laite esitellään huollollisesta näkökulmasta.
Muuttajan vikaantumisen määrää ja ongelmakohtia on tutkittu luotettavuusanalyysin tulosten, vikatilastojen ja suunnittelijoiden haastattelujen avulla. Kenttähuollolle asetettavia vaatimuksia on kartoitettu asiakashaastatteluin. Tältä pohjalta on laadittu lista huoltoinsinööreiltä vaadittavista taidoista sekä luotu mallia kenttähuoltotoiminnalle. Malli käsittää muuttajan käyttöönoton, ennakoivan kunnossapidon sekä korjaavaan kunnossapidon kentällä. Tarkimmin tutkittiin ennakoivaa kunnossapitoa. Määriteltiin komponentteja, jotka tulisi vaihtaa ennen vikaantumista sekä kunnonvalvontamittauksia, joiden vikaantuminen on ennustettavissa.
Keskitettyä korjaamista korjaamolla on käsitelty omassa luvussaan. Tässä yhteydessä on arvioitu yksittäisten piirikorttien ja kokonaisten muuttajien korjauksen kannattavuutta. Lisäksi on käsitelty vaadittavia resursseja sekä laadittiin esimerkki korjattujen laitteiden lopputestauksesta.
Avainsanat: taaj uudenmuuttaj a, sähkökäyttö, huolto, kunnossapito
ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS 4
ABSTRACT OF THE MASTER’S THESIS
HELSINKI UNIVERSITY OF ABSTRACT OF THE
TECHNOLOGY MASTER'S THESIS
Author: Matti Viita
Name of the thesis: Developing of the frequency converter maintenance operations
Date: 18.9.1996 Number of pages: 67
Faculty: Electrical and Communications Engineering Professorship: S-17 Electrical Engineering (Electromechanics) Supervisor: Tapani Jokinen, Professor (El.Eng.)
Instructor: DI Eero Kupila, M. Sc. (El.Eng.)
The purpose of this master's thesis is to clarify the skills and circumstances that a frequency converter requires from a maintenance organisation.
The study focuses on ACS 600, the new frequency converter of ABB. This product is seen from a maintenance point of view. The failure rates and problematic components are tried to be forecasted. These are studied with the results of a reliability analysis, failure statistics and by interviewing the designers. The requirements for the field service are studied by interviewing customers. With all this information, a list of requirements for a service engineer is made and a model for field service operations is built. This model includes the commissioning, the preventive maintenance and the repairing on site.
Repairing in a repair centre is handled in its own chapter. The profitability of repairing inverter units or their control boards and the needed resources is studied.
Keywords: frequency converter, electrical drive, maintenance
Sisällysluettelo 5
Sisällysluettelo
ALKULAUSE...2
DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ... 3
ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS... 4
SISÄLLYSLUETTELO... 5
KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET...7
1. JOHDANTO...10
1.1 Tutkimuksentausta... 10
1.2 Tutkimusongelmatjatutkimuksentavoitteet... 11
1.3 Tutkimuksenrajauksetjatutkimusmenetelmät...12
2. ACS 600 DTC-SÄÄDETTY TAAJUUDENMUUTTAJA...13
2.1 Taajuudenmuuttajallasäädettyoikosulkumoottorikäyttö...13
2.2 DTC-SÄÄTÖ...16
2.2.1 Moottorimalli...16
2.2.2 Vuon ja m omen tin säätö...16
2.2.3 DTC-säädön ominaisuuksia...19
2.3 ACS 600... 20
2.3.1 Pääpiirin komponentit...20
2.3.2 Ohjauspiiri ja piirikortit...21
2.3.3 Jäähdytys...23
2.3.4 Käyttäjäliitynnät...23
2.3.5 Optiot...23
2.3.6 Sähkömagneettinen yhteensopivuus EMC....24
3. VIKOJEN ENNUSTAMINEN... 26
3.1 VIKAANTUMISTA KUVAAVIA FUNKTIOITA...26
3.2 Luotettavuusteknisetrakenteet...28
3.3 Taajuudenmuuttajanvikaantuminen... 29
3.4 Luotettavuudenarviointija MIL-standardi...30
3.5 VlKATILASTOT...30
3.5.1 ACS 500:n vikatilastot...30
3.5.2 ACS 600:n vikatilastot...31
3.6 Ympäristöolosuhteidenvaikutus... 32
4. ACS 600:N ODOTETTAVISSA OLEVA HUOLLON TARVE... 33
4.1 Arviotulevastalaitekannasta... 33
4.2 Suunnittelu- jatuotantoprosessit... 33
4.3 Luotettavuusanalyysi... 34
4.3.1 Piirikorttien luotettavuus...34
4.3.2 Pääpiirin luotettavuus...35
4.3.3 Kokonaisen laitteen luotettavuus...36
4.4 Vikatilastotjakäytännönkokemukset... 36
4.5 Ennuste ACS 600:nvioista...37
4.5.1 Vikojen lukumäärä...37
4.5.2 ACS 600:n mahdollisia ongelmakohtia...37
Sisällysluettelo 6
5. TOIMINTAKENTÄLLÄ...41
5.1 ACS 600:N VAATIMUKSET KENTTÄHUOLLOLLE... 41
5.2 Asiakkaidentarpeet... 42
5.2./ Markkinatutkimukset....42
5.2.2 Haastattelut suomalaisten asiakkaiden odotuksista...42
5.2.3 Suomalaisten asiakkaiden kokemukset...43
5.2.4 Suomalaisten asiakkaiden kiinnostus uusiin palveluihin...44
5.3 KÄYTTÖÖNOTTO...46
5.4 Ennakoivajamittaavakunnossapito...47
5.4.1 Mittaavan - ja ennakoivan kunnossapidon tausta...47
5.4.2 Malli ACS 600:n ennakoivalle kunnossapidolle...48
5.4.3 Mittaukset ja vaihdettavat komponentit...48
5.4.4 Ennakkohuolto-ohjelma...50
5.5 Korjaavakunnossapitokentällä... 51
6. KORJAAMOTOIMINTA...52
6.1 Korjaamotoiminta... 52
6.2 Korjaustoiminnankannattavuus... 52
6.2.1 Kustannukset...52
6.2.2 Asiakkaiden ja olosuhteiden asettamat vaatimukset...53
6.2.3 Olosuhteet ACS 600:n tuotannon loputtua...54
6.2.4 Johtopäätös korjaamotoiminnan kannattavuudesta...54
6.3 Korjaukseentarvittavatresurssit...55
6.4 Testauskorjaamolla...55
6.4.1 .... 55
6.4.2 Testausjärjestely pienille muuttajille...56
6.4.3 Pienten muuttajien testin kulku...57
6.4.4 Testausjärjestely piirikorteille...58
6.4.5 Piirikorttien testin kulku...58
7. TULEVAISUUDEN VAATIMUKSET... 60
7.1 ACS 600:N kehitys... 60
7.2 Kaukodiagnostiikka...60
7.3 Elinkaarenloppuvaihe... 61
8. YHTEENVETO... 62
LÄHDELUETTELO... 65 LIITTEET
1. ACS 500:N KÄYRIÄ ACS 500:N VIOISTA 2. INSINÖÖRISERTIFIONNIN TARKISTUSLISTA 3. Työkalulista
4. KÄYTTÖÖNOTTO-OHJE 5. Ennakkohuolto-ohjelma
6. PP-MODULIN KUNNON TARKISTAMINEN 7. TESTAUSOHJE KORJAAMOLLE
Käytetyt merkinnät ja lyhenteet 7
Käytetyt merkinnät ja lyhenteet
a
а
ABB ACS 500 ACS 600 ASIC C CD-rom DHL DTC EMC ESD F /
I IGBT IP JAMAK L
magneetti vuovektori
mootorin induktanssien kokonaishajakerroin suuntaosoitin
Asea Brown Boveri, monikansallinen sähköalan yritys ABB:n taajuudenmuuttaja
ABB:n uusi taajuudenmuuttaja
Aplication Specific Integrated Circuit, asiakaskohtainen mikropiiri kapasitanssi
kuljetusalan yritys
Direct Torque Control, suora momenttisäätö
Electro Magnetic Compability, sähkömagneettinen yhteensopivuus Electro Static Dissarge, staattisen sähkön poisto
Vikakertymä
virtavektori (virran kierto-osoitin ) Input, ohjaustiedon tuloliitäntä
Insulated Gate Bipolar Transistor, eristetyllä hilarakenteella varustettu bipolaaritransistori
International Protection, Laitteen suojausluokka Nokian valmistama suojattu ohjauskaapelityyppi
induktanssi
oikosulkukoneen pääinduktanssi
Käytetyt merkinnät ja lyhenteet 8
NACNAMC NBRC NCMC NDPI NGDR NINP NINT NIOC NPOW NRFC O OEM P
P PCA PP PSA PWM R R2...R9
^esr RFI 5 t T
T/D-moduli U
и z
Next generation Alternating Current drive, ABB:n kehitysprojekti, jossa ACS 600 kehitettiin.
ACS 600:n sovellus-ja moottorinohjauskortti ACS 600:n jarrukatkojan ohjauskortti
ACS 600:n virranmittaus- ja latauskortti ACS 600:n ohjauspanelin liitäntäkortti ACS 600:n hilaohjainkortti
ACS 600:n tulosillan ohj auskortti ACS 600:n pääpiirin liityntäkortti ACS 600:n I/O kortti
ACS 600:n teholähdekortti ACS 600:n RFI-suodatin kortti Output, ohjaustiedon lähtöliitäntä
Original Equipment Manufacturer, Tuote- ja järjestelmävalmistaja napapariluku
kertymäftmktio Part Count Analysis
Power Plate, IGBT-transistoreista, diodeista ja suojauskomponenteista koostuva, yhteen moduliin integroitu vaihtosuuntaussilta
Part Stress Analysis pulssinleveysmodulointi resistanssi
ACS 600:n rakennekoot
Kondensaattorin häviöresistanssi
Radio Frequency Interface, korkeataaj uinen sähkömagneettinen häiriö kytkinohje
aika
momenttivektori
tyristorista ja diodista koostuva moduli jännite
jännitevektori vikataajuus
Alaindeksit
Käytetyt merkinnät ja lyhenteet 9
a,b,c vaiheetDC tasavirta
r roottori-
s staattori-
+ positiivinen jännite negatiivinen jännite
1.Johdanto 10
1. Johdanto
1.1 Tutkimuksen tausta
Huolto-organisaatio
ABB:n taajuudenmuuttajien kunnossapitoa hoitavat eri puolilla maailmaa paikalliset huoltokeskukset. Huoltokeskuksissa työskentelee taajuudenmuuttajiin erikoistuneita huoltoinsinöörejä, jotka lähtevät yleensä asiakkaan luokse huoltamaan laitteita.
Pieniä taajudenmuuttajia lähetetään myös korjattaviksi huoltokeskuksiin.
Jos paikallinen huoltoinsinööri ei pysty ratkaisemaan asiakkaan ongelmaa, ottaa hän yhteyden SupportLine:een. SupportLine on laitteita valmistavan tehtaan asiantuntij ayksikkö, josta huoltoinsinöörit saavat puhelinneuvontaa ympäri vuorokauden. Mikäli SupportLinen päivystäjäkään ei pysty ongelmaa ratkaisemaan, ottaa hän edelleen yhteyden tuotekehitysyksikköön.
Varaosat huoltokeskuksille ja asiakkaille toimittaa ABB:n Logistics Center -yksikkö.
Tavoitteena on, ettei paikallisten ABB-yksiköiden tarvitse pitää omia varaosavarastoja. Osat toimitetaan muutamasta päävarastosta tai kiireellisessä tapauksessa pienistä hätävarastosta suoraan tarvitsijalle. Hyvän logistiikan ansiosta osat saadaan kaikkialle Eurooppaan aina vuorokauden sisällä ja hätätoimituksena muutamissa tunneissa.
Kuten varastot, myös korttien korjaustoiminta pyritään keskittämään. Paikalliset huolto-organisaatiot eivät siis korjaa piirikortteja, vaan Helsingissä valmistettujen laitteiden kortit korjaa ABB Servicen korttikorjaamo Helsingissä. Nopeamman toimitusajan takia asiakkaan on yleensä edullisinta vaihtaa viallinen kortti ns.
vaihtolaitteeseen. Vaihtolaite on käytetty kortti, joka on korjattu ja testattu korttikorjaamolla.
Sertifiointi
ABB:n tuotteita valmistavat yhtiöt "sertifioivat" eli valtuuttavat paikallisia huoltokeskuksia sekä yksittäisiä huoltomiehiä. Sertifioinnin tarkoituksena on parantaa ja yhdenmukaistaa kunnossapito toimintaa, vahvistaa huolto- ja myyntiyksiköiden yhteistyötä sekä varmistaa paikallisten huoltokeskusten kyky huoltaa alueella olevia laitteita.
1. Johdanto 11 Uusi tuote ACS 600 markkinoille
ABB Industry on tuonut markkinoille uuden taajuudenmuuttajasarjan ACS 600:n, joka tulee korvaamaan ACS 500:n. Huolto-organisaatiolle tällainen suurivolyymisen massatuotteen markkinoilletulo on suuri haaste. ACS 600 sisältää paljon uusia komponentteja ja sen toiminta perustuu kokonaan uuteen säätöperiaatteeseen DTC:hen (Direct Torque Control) eli suoraan momentin säätöön. Kun DTC - tekniikka mahdollistaa ACS 600:n käytön entistä vaativimmissa sovellutuksissa ja vaihtovirtakäyttöjen markkinat kasvavat muutenkin nopeasti, on huolto-organisaation valmistauduttava suureen asiakaskuntaan.
Paitsi tuotteen markkinoilletulo myös elinkaaren loppuvaihe työllistää huolto- organisaatiota. Laitteita on pystyttävä huoltamaan, ja niille luvataan varaosia ainakin
10 vuotta tuotannon loppumisesta.
1.2 Tutkimusongelmat ja tutkimuksen tavoitteet
Tämän tutkimuksen tarkoitus on selvittää taaj uudenmuuttaj an asettamat vaatimukset huolto-organisaatiolle.
Työn alussa esitellään huollollisesta näkökulmasta: DTC-säätö, ACS 600 taaj uudenmuuttaj a sekä vikojen ennustamisen teoriaa.
Tutkimuksen ensimmäisessä osassa arvioidaan uuden taaj uudenmuuttaj an ACS 600:n käyttöönottojen määrää ja vikaantumista. Tältä pohjalta pyritään määrittelemään, kuinka paljon tämä tuote tulee työllistämään huolto-organisaatiota.
Seuraavaksi tavoitteena on luoda toimintamalli kenttähuollolle, määritellä tarvittava tietotaito ja työkalut sekä selvittää laitteiden vaatima ennakoiva huolto. Selvitysten pohjalta laaditaan huoltokeskusten ja huoltoinsinöörien sertifiointivaatimukset.
Kolmas tutkimusongelma on uuden taaj uudenmuuttaj an korttikorjaamolle tuomat vaatimukset. Mitä piirikortteja kannattaa tai täytyy korjata. Mitä resursseja korjaamiseen vaaditaan ja miten tilanne muuttuu muuttajan tuotannon loputtua.
1. Johdanto 12
1.3 Tutkimuksen rajaukset ja tutkimusmenetelmät
Tämä tutkimus keskittyy ACS 600:n ongelmiin. Tosin osa tuloksista on riippumattomia laitteesta ja näin hyödynnettävissä myös muiden taajuudenmuuttajien kohdalla. Lähtökohdaksi otetaan ABB:n edellinen saman kokoluokan taajuudenmuuttaja ACS 500, johon ACS 600:a verrataan. Työssä keskitytään uusiin vaatimuksiin kuten DTC -säätö ja EMC -vaatimukset (Electromagnetic Compability). Näistä rajauksista huolimatta tutkimusalue on edelleen laaja ja tämä työ toimii monilta osin vain pinnallisena esiselvityksenä. Kuitenkin käytännön huoltotoiminta pyritään selvittämään tarkasti.
Koska työ keskittyy yhteen, vasta markkinoille tulleeseen laitteeseen, ovat tietolähteet lähinnä ABB:n sisäisiä raportteja, suunnitteludokumentteja sekä yksittäisten suunnittelijoiden ja asiakkaiden ajatuksia. Niinpä tärkeimpänä tutkimusmenetelmänä tulevat olemaan suunnittelijoiden ja asiakkaiden haastattelut.
2. ACS 600 DTC-säädetty taajuudenmuuttaja 13
2. ACS 600 DTC-säädetty taajuudenmuuttaja
2.1 Taajuudenmuuttajalla säädetty oikosulkumoottorikäyttö
Oikosulkumoottori
Oikosulkumoottorissa staattorikäämeihin syötetty kolmivaihejännite synnyttää koneen ilmaväliin syöttötaajuudella pyörivän magneettikentän (¥ s). Tämä kiertokenttä pyörii roottoriin nähden jättämän määräämällä nopeudella ja indusoi näin roottoriin jännitteen, joka synnyttää magneettivuon (*РГ) kehittävän virran.
Oikosulkumoottorin synnyttämä vääntömomentti voidaan laskea roottori- ja staattorivoiden ristitulona:
T = p4'sxis = p— fxfrCfxf,
°LP
(2.1)
jossa p = oikosulkumoottorin napapariluku, o = moottorin induktansseista laskettu kokonaishajakerroin.
Oikosulkumoottori siis pyörii syöttö taaj uuden ja jättämän määräämällä nopeudella.
Se on rakenteeltaan yksinkertainen, luotettava ja hinnaltaan edullinen sähkömoottori tyyppi. Oikosulkumoottorin ongelmana on kuitenkin ollut vaikea säädettävyys. Tätä varten on kehitetty taajuudenmuuttaja - laite, joka muuttaa moottoria syöttävän jännitteen taajuutta.
Jännitevälipiirillinen taajuudenmuuttaja
Yleisin tapa säätää oikosulkumoottoria on tasajännitevälipiirillä varustettu taajuudenmuuttaja. Se muodostaa vakioamplitudisesta ja vakiotaajuisesta verkkojännitteestä ohjattuja jännitepulsseja, joista muodostuu haluttu moottorijännitteen amplitudi ja taajuus.
Jännitevälipiirillisen taaj uudenmuuttaj an periaatteellinen rakenne on esitetty kuvassa 2.1.
2. ACS 600 DTC-säädetty taajuudenmuuttaja 14
Tasasuuntaaja Tasajännitevälipiiri Vaihtosuuntaaja Sähkö
verkko
Ohjausyksikkö
Kuva 2.1 Jännitevälipiirillinen taajuudenmuuttaja.
1. Tasasuuntaaja muuttaa kolmivaiheisen syöttöjännitteen pulssimaisesti sykkiväksi tasajännitteeksi.
2. Välipiiri toimii LC-alipäästösuodattimena. Se suodattaa tasasuuntaajan muodostaman sykkivän jännitteen vakioarvoiseksi tasajännitteeksi. Lisäksi välipiirin kondensaattorit toimivat energiavarastona tasaten kuormitusvaihteluita.
3. Vaihtosuuntaaja muodostaa välipiirin tasajännitteestä halutun muotoista vaihtojännitettä.
4. Ohjausyksikkö huolehtii taaj uudenmuuttaj an toiminnasta: tasa- ja vaihtosuuntaajien ohjauksesta sekä tarvittavista mittauksista.
Ideaalinen vaihtosuuntaaja
Ideaalisen vaihtosuuntaajan toimintaa havainnollistetaan kuvassa 2.2 esitetyn vaihtokytkinmallin avulla.
Kuva 2.2. a) Vaihtosuuntaajan ideaalinen kytkinmalli
b) Yhden vaihtokytkimen toteutus tehoelektroniikan komponenteilla
2. ACS 600 DTC-säädetty taajuudenmuuttaja 15
Jokainen kolmesta vaihtokytkimestä on kytkettynä joko välipiirin plus- tai miinuspotentiaaliin. Ohjaamalla kytkimiä eri asentoihin muodostetaan halutun suuntainen lähtöjännitteen kierto-osoitin, joka saa arvon:
«=! V
dc(S.+"S»+--!S,) (2.2)
jossa a:n potenssi ilmaisee vektorin suunnan (a^ = ei^°, a^ = eJl20°? a2 = ^240°) Muuttujat Sa, Sb ja Sc saavat arvon 1 kyseisen vaiheen ollessa kytkettynä pluspotentiaaliin ja arvon 0 vaiheen ollessa miinuspotentiaalissa. Kytkimien asennoista saadaan aikaan kahdeksan kombinaatiota. Kaikkien kytkimien ollessa samassa potentiaalissa (Sa= = Sc), saadaan ns. nollavektori. Loput kuusi kytkinkombinaatiota synnyttävät kuvassa 2.3 esitetyt jännitevektorit.
U, (++-)
U (+—)
U (—+) K (+-+)
Kuva 2.3. Jännitetähti, joka muodostuu eri kytkinkombinaatioilla syntyvistä jännitevektoreista.
Perinteinen pulssinleveysmoduloiva (PWM) taaj uudenmuuttaj a valitsee jännitetähden vektoreita asetellulla kytkentätaaj uudella ennalta suunnitellussa järjestyksessä. Tämä aiheuttaa turhia kytkentöjä ja tätä kautta ylimääräisiä
energiahäviöitä. Toisaalta menetelmä ei anna mahdollisuutta vaikuttaa moottoriin ennalta määriteltyjen kytkentöjen välillä, mikä heikentää käytön dynaamisia ominaisuuksia. Näiden ongelmien ratkaisuksi on kehitetty suora momenttisäätö DTC, joka suorittaa kytkentöjä juuri tarpeen mukaan.
2. ACS 600 DTC-säädetty taaj uudenmuuttaj a 16
2.2 DTC-säätö
Suora momenttisäätö perustuu oikosulkumoottorin sähkömagneettisen tilan suoraan ohjaukseen vuon ja momentin kaksipistesäätöjen avulla. Säädön tarvitsemat oloarvot estimoidaan mittausten ja moottorimallin avulla. Seuraavassa DTC-säätö on esitelty julkaisun The Next Generation Motor Control Method, DTC (Tiitinen ym. 1994)
mukaan.
2.2.1 Moottorimalli
Moottorimalli sisältää tarkat tiedot käytettävän moottorin parametreista. Parametrit lasketaan käyttöönoton yhteydessä tehtävällä identifiointiajolla. Tällöin DTC- taaj uudenmuuttaj a laskee moottorista staattorin vastuksen, hajainduktanssin, kyllästyskertoimet ja moottorin hitausmassan.
Normaalikäytössä mitataan välipiirin jännite, kahden moottorivaiheen virta sekä kytkinten tila. Mittausten perusteella moottorimalli laskee reaaliaikaisesti moottorin momentin ja staattorin vuon.
2.2.2 Vuon ja momentin säätö
Staattorivuon (*Р3) oloarvo siis tunnetaan moottorimallin avulla. Staattorivuota voidaan taas muuttaa staattorijännitteen avulla. Sillä staattorivuovektori
staattorikoordinaatistossa on:
(2.3) Olettamalla staattoriresistanssi (Rs) pieneksi nähdään kaavasta (2.3), että
staattorivuo vektorin
(*PS)
kärki etenee staattorijännitevektorin (us) suuntaan ja sen etenemisnopeus on verrannollinen staattorijännitteen itseisarvoon. Staattorivuon kokoaja kiertonopeutta voidaan siis muuttaa valitsemalla sopiva jännite vektori u\...Mg kuvan 2.4 a mukaan.2. ACS 600 DTC-säädetty taajuudenmuuttaja 17
Kiertosuunta
Kuva 2.4. a) Staattori- ja roottorivuovektorit kompleksitasossa b) Staattorivuon vaihtelu kaksipistesäädössä
Vuosäätäjä
Normaalisti DTC pitää staattorivuon itseisarvon vakiona eli vuovektorin kärki pysyy kuvan 2.4b mukaisessa hystereesiputkessa. Vuosäätäjä siis antaa kytkentälogiikalle tiedon, kun staattorivuon itseisarvo on liian suuri tai pieni.
Momenttisäätäjä
Moottorin vääntömomentti on kaavan (2.1) mukaan staattori-ja roottori voiden ristitulo. Koska vuo pidetään vakiona, täytyy momenttia säätää staattori-ja roottorivoiden välistä kulmaa muuttamalla. Eli, jos momenttia täytyy kasvattaa, valitaan staattori vuota kiihdyttävä jännite vektori esim. kuvan 2.4a tilanteessa 112,113 tai 114.
2. ACS 600 DTC-säädetty taajuudenmuuttaja 18 Kytkentälogiikka
Kytkentälogiikka saa säätäjiltä tiedot vuon ja momentin muutos tarpeista, joiden perusteella logiikka optimoi vaihtokytkinten ohjauksen. Jotta DTC-säädöstä olisi hyötyä, mittaukset täytyy suorittaa tiheään ja kytkennät nopeasti. ACS 600 suorittaa mittaukset 25 ps välein. Tämä takaa niin nopean säädön, että käytön dynaamisia ominaisuuksia rajoittavat ainoastaan moottorin aikavakiot.
LAITTEISTO OHJELMISTO
MOMENTTIOHJE
SEKTORIBITTI
OHJEET KYTKIMILLE MOMENTTIBITTl
VUO-OHJE
VUOBITTI
MOMENTIN OLOARVO VUON
OLOARVO
KYTKENTÄ LOGIIIKKA
ESTIMOIDUT JA MITATUT MOOTT ORIPARAMETRIT
MOOTORIMALLI
LASKETUT OLOARVOT VUO.HYST. MOM.HYST.
MOMENTIN JA VUON HYSTEREESISÄÄTÖ
DC-JÄNNITE MITTAUS
VIRRAN MITTAUS
Kuva 2.5. DTC-säädön periaate.
2. ACS 600 DTC-säädetty taajuudenmuuttaja 19 2.2.3 DTC-säädön ominaisuuksia
Käynnistysominaisuudet
DTC-säätö ei rajoita käytön vääntömomenttia. Näin käynnistyksessä saadaan maksimaalinen momentti, jonka määräävät muuttajan tehokomponenttien kestävyys ja moottorin kippipiste. Myös pyörivän moottorin käynnistys onnistuu hyvin DTC- säädöllä. Tiheän mittausvälin ja moottorimallin ansiosta säätö tunnistaa koneen tilan.
Näin muuttaja kehittää nopeasti oikean taajuisen magneettivuon staattoriin ja ns.
vauhtikäynnistyksen viive jää pieneksi.
Käytön hallittavuus
Usein tehtävät mittaukset nopeuttavat käytön reagointia muutostilanteissa. Laite ei laukea helposti esimerkiksi ylivirtaan, koska virtaa ehditään rajoittaa ennen laukaisurajan ylittämistä. Myöskään verkkokatkos ei aiheuta muuttajan laukeamista ja hallitsematonta käytön pysähtymistä. Tehonsyötön katketessa DTC-säätö laskee välipiirin jännitettä muuttajassa, käyttö siirtyy generaattoripuolelle ja prosessi ajetaan alas ohjelmoidulla rampilla.
Vuojarrutus
Moottorin jarrutuksen DTC-säätö suorittaa kasvattamalla magneettivuota staattorissa, jossa jarrutusteho muuttuu lämmöksi. Tämä vuojarrutus on perinteisempää tasavirtajarrutusta parempi menetelmä, koska jarrutus alkaa ilman viivettä ja on hallittu. Lisäksi koneen staattori jäähtyy roottoria tehokkaammin.
Vuonoptimointi
Jarrutuksen lisäksi vuosäätäjää hyödynnetään moottorin magnetointivirran pienentämiseen pienellä kuormalla toimittaessa. Tämä vuonoptimointi pienentää käytön energiankulutusta ja melua merkittävästi.
2. ACS 600 DTC-säädetty taajuudenmuuttaja 20
2.3 ACS600
AC S 600 on DTC-tekniikkaan perustuva taaj uudenmuuttaj asarj a tehoalueella 2,2...315 kW. Laitteita on yhteensä kahdeksaa eri rakennekokoa (R2...R9). Näistä pienimmät laitteet R7:n asti ovat seinälle asennettavia ja suurimmat muuttajat (R8 ja R9) ovat kaappiin asennettavia moduleita.
2.3.1 Pääpiirin komponentit
ACS 600:n pääpiirin komponentit näkyvät kuvassa 2.6. Syöttöverkon puolella on kolmivaiheinen kuristin, joka parantaa verkkovirran käyrämuotoa.
Latauspiirin muodostaa suuremmissa rakenteissa (R5..R9) puoliohjattava tasasuuntaussilta, joka koostuu kolmesta diodi-tyristori-modulista. Välipiirin kondensaattoreita ladataan aluksi kahden vaiheen ja latausvastuksen kautta. Kun välipiirin jännite on noussut 79 %:n nimellisestä tyristorit käyvät johtamaan ja modulit toimivat tavallisena diodisiltana. Pienissä laitteissa (R2...R4) on diodisilta ja rele tai kontaktori ohjaa aluksi virran latausvastuksen kautta.
Välipiiri koostuu elektrolyyttikondensaattoreista, joita on kytketty rinnan ja sarjaan teho- ja jänniteluokan mukaan. Kondensaattorien rinnalle on kytketty suuriohmiset purkuvastukset, jotka tasaavat jännitteen sarjaankytkettyjen kondensaattoreiden yli sekä purkavat välipiirin jännitteen laitetta sammutettaessa.
Rakenne R2:n vaihtosuuntaajana toimii NINT-korttiin juotettu kuuden IGBT:n moduli. R3:ssa on kolme IGBT-modulia, joista kukin muodostaa yhden vaihtokytkimen. Näitä suuremmissa laitteissa vaihtosuuntaus on toteutettu uusilla teho-moduleilla, joita tässä työssä kutsutaan PP-moduleiksi ( PP = Power Plate )
NIOC
NAMC
NPOW
ZC ZL
NINT
NGDR:t
Kuva 2.6. ACS 600:n ohjauselektroniikka japäüpiiri.
2. ACS 600 DTC-säädetty taaj uudenmuuttaj a 21 PP-moduli
PP-moduli muodostaa kuvan 2.2.a mukaisen vaihtosuuntausyksikön eli kolme vaihtokytkintä. Kytkimet on toteutettu IGBT-transistoreilla. Lisäksi moduliin on integroitu loisvirtadiodit sekä tarvittavat suojauskomponentit. PP-moduleita on kahta fyysistä kokoa. 400 ja 500 V:n muuttajissa käytetään 1200 V:n moduleita, joissa virtaluokkia on viisi: 75, 100, 150, 200 ja 300A. Suurissa laitteissa (R8 ja R9) nämä virrat eivät riitä. Näissä laitteissa jokaisessa moottorivaiheessa on yksi moduli, jonka kolme vaihtokytkintä johtavat rinnakkain. Tulossa olevaan 690 V:n muuttajasarjaan tarvitaan 1700 V:n PP-modulit.
Matti Lounilan mukaan PP-moduli on hyvin herkkä komponentti. Asennettaessa osien on ehdottomasti oltava samassa lämpötilassa ja annettuja ohjeita on noudatettava. Jäädytyselementin pinta puhdistetaan, pinnalle levitetään hyväksyttyä lämmönjohtorasvaa ja modulin pultit kiristetään oikeassa järjestyksessä oikeaan momenttiin. Väärin asennetussa modulissa voi substraatti, jolle puolijohteet on kiinnitetty, hajota lämpölaajenemisien aiheuttamiin voimiin.
Virtakestoisuudeltaan pienemmän modulin voi korvata suuremmalla - mitoiltaan samanlaisella PP-modulilla. Rinnankytkentä-malleissa (R8 ja R9) kunkin modulin on kuitenkin oltava samaa virtaluokkaa. Lisäksi rinnankytkennässä voidaan käyttää vain luokiteltuja moduleita. Niissä transistorien päästöjännitteet ovat tarpeeksi lähellä toisiaan ja virta jakaantuu tasaisesti.
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 varustettu tietokone sekä kyseisen ohjelmaversion latauspaketti.
• Vaihdetaan NAMC -kortti uuteen.
Käyttäjien tekemät virheet
ACS 600 on suunniteltu edeltäjiään helppokäyttöisemmäksi. Parametrien asettelu ohjauspanelilla tai Drives Window -tietokoneohjelmalla on helppoa. Kuitenkin aseteltavia parametrejä on paljon ja DTC-tekniikka on monille käyttäjille tuntematonta. Nämä ominaisuudet tulevat varmasti aiheuttamaan paljon käyttäjän tekemiä virheitä. Ongelman voi välttää lähinnä käyttäjien koulutuksella ja hyvillä ohjeilla. Teknistä tukea annettaessa täytyy erottaa käyttäjien tekemät virheet ohjelmavioista. Tämä edellyttää tietoa kaikista mahdollisista ohjelmaversioista.
EMC-ratkaisujen aiheuttamat viat
ACS 600 EMC-ratkaisuja suunnitellaan ja muutetaan jatkuvasti. Muutoksien aiheuttamat ongelmat voivat jäädä huomaamatta, koska kaikkia tyyppitestejä ei voida uusia. Esimerkiksi jälkikäteen asennetut RFI-suodattimet muuttavat ilmankiertoa laitteen sisällä ja korttien lämpötilat muuttuvat.
Risto Komulaisen mukaan RFI-suodattimien aiheuttamia ongelmia ei kaikissa ympäristöissä vielä tunneta. ABB Industry n ohjeiden mukaan suodattimet täytyy kytkeä irti mikäli toimitaan kelluvassa verkossa. Ohjetta on noudatettava tai muuten muuttaja voi tuhoutua toisessa sähkökäytössä tapahtuvasta maasulusta. RFI- suodattimet voivat myös laukaista verkon maasulkusuojan, koska suodattimien kondensaattorit kytkevät häiriötaajuisen virran kapasitiivisesti maahan.
Tulevaisuudessa löytyy mahdollisesti lisää tilanteita, joissa suodattimet täytyy poistaa. Näissä tilanteissa on muistettava, ettei ACS 600 täytä Euroopan Unionin määräyksiä sähkömagneettisesta yhteensopivuudesta ilman RFI-suodattimia.
4. ACS 600:n odotettavissa oleva huollon tarve 39
EMC-direktiivin täyttyminen edellyttää suodattimien lisäksi kaikkien asennusohjeiden noudattamista. Asiakkaiden haastatteluissa paljastui, ettei asiaa juuri tunneta ja virheellisiä kytkentöjä tehdään varsin yleisesti. Lisäksi ohjeiden mukainen kytkentä on usein mahdoton toteuttaa. Esimerkiksi joissain tehtaissa käytetään vain tiettyjä kaapelikokoja ja -tyyppejä eikä käytetty kaapeli sovi muuttajan liittimiin.
PP-modulien viat
Vikatilastojen mukaan PP-moduli on ACS 600:n epäluotettavin komponentti. Matti Lounilan mukaan ensimmäisten modulien viosta suurin osa johtuu suunnitteluvirheistä ja vielä löytämättömistä vikamekanismeista. Puolijohteiden luonnollinen vikataajuus on vasta kolmanneksi suurin ongelmien aiheuttaja.
Transistoreita kehitetään kuitenkin jatkuvasti. Huhtikuun 1995 jälkeen valmistetut modulit onkin todettu selvästi vanhempia kestävimmiksi ja ongelma näyttää poistuneen.
PP-modulin hajotessa kuuluu usein voimakas pamaus ja kuori halkeaa. Tämä rasittaa mekaanisesti modulissa kiinni olevia hilaohjaimia (NGDR) sekä pääpiirin liityntäkorttia (NINT). Tälläinen tärähdys voi aiheutta kyseisille korteille piilevän vian, joka ilmenee myöhemmin. Käytännössä kannattaa PP-modulia vaihdettaessa korvata myös nämä kortit.
Puhaltimien viat
Puhaltimet ovat uusina luotettavia komponentteja, mutta niiden kestoikä on rajallinen n. 20 000...80 000 käyttötuntia. (Asiaa käsitellään luvussa 5.4)
Jäähdytysongelmat
ACS 600:n jäähdytyselementtien rivat ovat varsin tiheässä, joten lika saattaa tukkia ilmaraot. Likaantumisen vaikutusta kyseisten elementtien toimintaan ei vielä tunneta.
Risto Laurilan arvion mukaan tasainen likakerros elementin pinnalla ei juuri kasvata lämmönsiirtovastusta. Pienentynyt jäähdytyspinta-ala korvautuu kasvavalla ilman virtausnopeudella. Ongelman aiheuttaa "kuitumainen" lika, joka muodostaa verkkomaisen tukkeen elementtiin. Toinen jäähdytyskykyä mahdollisesti heikentävä ongelma on lämmönsiirtorasvan haihtuminen.
4. ACS 600:n odotettavissa oleva huollon tarve 40 Välipiirin kondensaattorien viat
Matti Laitisen mukaan välipiirin kondensaattorit eivät ole erityisesti ACS 600:n ongelma. Mitoituksen lähtökohtana on ollut 100 000 h:n elinikä, mikä on taajuudenmuuttajalle paljon. Lisäksi ACS 600:ssa on kondensaattoreita suojeleva kuristin syöttöverkon puolella. Kuitenkin kaikki kondensaattorit hajoavat joskus ja seuraus on koko muuttajalle tuhoisa. Luhtajärven (1985) mukaan elektrolyyttikondensaattorin vikataajuus käyttäyttyy selvästi kylpyammekäyrän mukaan. Alkuun vikoja aiheuttavat lähinnä valmistusvirheistä johtuvat oikosulut.
Nämä viat havaitaan alkuvanhennuksessa. Käyttöiän lopussa kondensaattorit hajoavat kuivumiseen. Hajotessaan kondensaattori muodostaa oikosulun ja ACS 600:ssa käytetyn kytkennän takia koko kondensaattoripatteri tuhoutuu. Tämä aihettaa välipiirin oikosulun ja todennäköisesti tulosillan tuhoutumisen. (Kondensaattorien elinikää käsitellään lisää luvussa 5.4)
Jarrukatkojien viat
Vikatilastojen mukaan ensimmäisissä jarrukatkojissa on ollut paljon vikoja. Suurin ongelma on ollut katkojan laukeaminen jännitteen notkahdukseen.Versiota rev. C vanhemmat jarrukatkojat laukeavat välipiirin jännitteen laskiessa 300V:n ja palautuvat toimintakuntoon vasta kun jännite on alle 50 V.
Toinen merkittävä jarrukatkojan aiheuttama vikatilanne syntyy, kun katkoja on aseteltu toimimaan liian alhaisella jännitteellä. Tällöin jarruvastus kytkeytyy välipiiriin jo muuttajaa käynnistettäessä. Latausvirta oikosulkeutuu lataus- ja jarru vastusten kautta. Tämä aiheuttaa latausvastuksen tuhoutumisen. Lisäksi tulosilta
vahigoittuu, mikäli syötössä on käytetty ohjeiden vastaisesti hitaita sulakkeita.
IP 54 -suojausluokan muuttajien viat
IP 54 -suojausluokan muuttajien ongelmana on 25°C:n vaatimus ympäristön lämpötilalle. Käytännössä vaatimus on usein vaikea täyttää ja laitteita käytetään liian korkeissa lämpötiloissa. Tämä johtaa komponenttien etenkin kondensaattorien nopeampaan vanhenemiseen. Ongelmaa voivat pahentaa 607 -kaappien suodattimet, jotka tukkeutuvat helposti. Lisäksi IP 54 laitteiden ongelmana ovat sisäpuhallin (ks.
kpl 5.4) ja ohjauspaneli, joka ei ole tarpeeksi tiivis.
