Helsingin metroon suunnitellut oikosulkumoottori ja taajuusmuuttaja tulivat myöhemmin käyttöön myös ydinvoimaloissa ja meriteollisuudessa.
Juttu on julkaistu alun perin Tekniikan Historiassa 6/2019.
Strömbergillä työskennellyttä diplomi-insinööri Martti Harmoista voidaan pitää taajuusmuuttajien isänä ja ennen kaikkea yhtiön oikosulkumoottorien kehityksen pääarkkitehtina.
Strömberg ja Valmet perustivat vuonna 1973 yhteisyrityksen Metrovaunut Helsingin metrojunien toimitusta varten. Yhtiöiden välinen yhteistyö oli luonnollinen jatkumo, sillä Valtionrautatiet oli tilannut niiltä ensimmäiset Sm1-sähkömoottorijunat vuonna 1966.
Sähkömoottorijunissa käytettiin tyristoriohjattuja tasavirtamoottoreita. Puolijohdetekniikan kehittyminen mahdollisti taajuusmuuttajien käytön moottoreiden kierrosluvun säätöön satojen kilowattien tehoisissa vaihtosähkömoottoreissa vasta liki vuosikymmentä myöhemmin.
Sm1-junissa käytettyä ja niihin kehitettyä sähkötekniikkaa sovellettiin hyvin pitkälti myös Helsingin metron koejunissa M1–M6.
Strömbergin elektroniikkaosasto sai lähes vapaat kädet vaihtosähköllä toimivien oikosulkumoottoreiden ja taajuusmuuttajien kehitykseen Harmoisen johdolla 1970-luvun alkupuolella.
Osaston lempinimi ”rikos- ja rettelöintiosasto” johtui siitä, että nuoret insinöörit päättivät tehdä mahdottomasta mahdollisen tarttuen haasteisiin jopa rettelöintiasenteella esimiehiään kumartamatta.
Rettelöinti kannatti, sillä vuonna 1974 alkanut kehitystyö oikosulkumoottoreiden parissa johti läpimurtoon taajuusmuuttajatekniikan kehityksessä.
Kehitystyö mahdollisti puolestaan sen, että Helsingin M100-metrojunista tuli yksi luotettavimmista metroista koko maailmassa.
Helsingin tilatessa seuraavat kolme vaunuparia metron sarjajunia – niin sanotut Nokkajunat M101–M106 – niihin päätettiin rakentaa koejunista poiketen oikosulkumoottorit ja niiden kierroslukua ohjaavat taajuusmuuttajakäytöt.
Oikosulkumoottorin portaattoman tehonsäädön kehitys ei edennyt ongelmitta. Lopulta vuonna 1977 valmistuneet Nokkajunat kuitenkin todistivat, että oikosulkumoottoreita voitiin käyttää luotettavasti myös liikennevälineissä.
Tämän moottorityypin rakenteen yksinkertaisuus tekee siitä kestävän ja käytännössä huoltovapaan. Siinä ei ole laakereiden lisäksi muita kuluvia osia.
Oikosulkumoottori oli pitkään vakiokierrosmoottori: se joko pyöri tai oli pysähdyksissä. Vasta taajuusmuuttajan keksiminen 1970-luvun puolivälissä mahdollisti kierrosluvun säädön.
Tasavirtamoottoreissa ilma menee moottorin läpi, jolloin sinne kertyy pölyä, likaa ja muita epäpuhtauksia. Oikosulkumoottorissa ei ole muita liikkuvia osia kuin roottori ja sen akselin laakerointi.
Koska jäähdytys tapahtuu ulkopinnalta, moottori voidaan rakentaa täysin suljetuksi. Tällainen rakenne soveltuu erinomaisesti liikennevälinekäyttöön, jossa ei voida välttyä epäpuhtauksilta.
Helsingin metroon oikosulkumoottorit soveltuivat erityisen hyvin: metrojunat kulkivat luotettavasti, vaikka ulkona satoi lunta ja oli kylmä, tunnelissa sen sijaan oli lämmintä ja kosteaa.
Esimerkiksi Vuosaaren satamaradan yli 13-kilometrisessä tunnelissa ei voida liikennöidä vanhoilla Neuvostoliitossa valmistetuilla Sr1-vetureilla, joissa on tasavirtamoottorit. Niihin kertyvä kosteus aiheuttaa muun muassa maavuotoja – sähkö kulkeutuu ajolangasta moottoreiden lisäksi ratakiskon kautta takaisin sähköverkkoon.
Sen sijaan oikosulkumoottorein varustetut sveitsiläisvalmisteiset Sr2- tai uudet Siemensin valmistamat Vectron Sr3 -veturit voivat liikennöidä pitkässä ja kosteassa tunnelissa ongelmitta.
Helsingin metron koeliikenne alkoi 1. kesäkuuta 1982 M100-sarjan junilla. Samat junat ovat edelleen käytössä, ja näiden elinkaareksi voi peruskorjauksen jäljiltä odottaa 50 vuotta.
M100-sarjan juniin kehitetty kierrosluvun portaattoman säädön mahdollistava taajuusmuuttajakäyttö sai myöhemmin nimen SAMI (Strömbergin Asynkroni Moottori Invertterikäyttö).
SAMilla ohjataan edelleen esimerkiksi Loviisan ydinvoimalan polttoaineenvaihtokoneita. SAMIa käytetään myös Valmetin paperikoneissa sekä lukuisissa muissa teollisuuden sovellutuksissa.
Helsingin metrosta saadut hyvät kokemukset oikosulkumoottoreista ja taajuusmuuttajista rohkaisivat Strömbergiä kehittämään keksinnölle entistä suurempia sovelluksia.
Valtionrautatiet alkoi valmistella 1970-luvun lopussa uusien dieselvetureiden hankintaa. Sitä silmällä pitäen Strömberg muutti yhteistyössä VR:n kanssa yhden Dv12-sarjan dieselhydraulisen veturin Sv1-koesähköveturiksi.
Koeveturista rakennettiin sähköteknisesti pitkälle samanlainen kuin Helsingin metron M100-junista oikosulkumoottoreineen ja taajuusmuuttajineen.
Koeveturin moottoreiden teho oli kuitenkin nelinkertainen Helsingin metrojunien 125 kilowatin moottoreihin verrattuna. Tämä teknologisesti merkittävä harppaus tapahtui vain viidessä vuodessa.
Sv1-koeveturi oli liikenteessä vuosina 1981–1984. Sen jälkeen se palautettiin diesel- hydrauliseksi Dv12-veturiksi.
Metrojunista ja koeveturista saatujen hyvien kokemusten pohjalta Valtionrautatiet, Strömberg ja Valmet alkoivat suunnitella yhteistyössä uutta dieselsähköistä veturia.
Tällä kertaa myös Valmet antoi nuorille insinööreilleen vapaat kädet suunnitella veturista maailman edistyksellisin dieselsähköisellä voimansiirrolla varustettu vetojuhta. Valmet toimi siis samoin kuin Strömberg kymmenen vuotta aiemmin elektroniikkapuolellaan.
Valmetin ja Strömbergin yhteistyönä vuonna 1985 valmistunut veturi kantoi tyyppimerkintää Dr16. Tämän ”Iso Vaaleen” tekniikka pohjautuu perusajatukseltaan Helsingin metroon: veturin oikosulkumoottoreiden kierroslukua säädetään taajuusmuuttajilla. Veturin kiihdyttäessä se kuulostaa pitkälti M100-metrolta.
Merenkulkulaitos mietti 1980-luvun jälkimmäisellä puoliskolla jäänmurtajien jäänmurtokykyvyn parantamista.
Wärtsilän Vuosaaren telakka ja ABB-Strömbergin Pitäjänmäen-tehdas esittivät ratkaisuksi aluksen ”ulkopuolelle” asennettavia ruoripotkureita. Ruoripotkurit pyörivät 360 astetta oman pystyakselinsa ympäri ja korvaavat laivan peräsimet. Näin murrettavaa väylää voitaisiin pitää puhtaana ja ajaa jäät jäävallien alle, pois avatulta laivaväylältä.
ABB-Strömberg, Wärtsilä ja Merenkulkulaitos päättivät jälkiasentaa vuonna 1979 valmistuneeseen väylänhoitoalus M/S Seiliin sähkömoottorikäyttöiset ruoripotkurit.
Ruoripotkuri, joka myöhemmin ristittiin Azipodiksi, pienentää laivan polttoaineenkulutusta ja parantaa laivan ohjattavuutta merkittävästi.
Azipodista tuli vastaava menestystarina meriteollisuudessa kuin Strömbergin aiemmat oikosulkumoottori- ja taajuusmuuttajakäytöt Helsingin metrossa. Ruoripotkuriakin käyttää invertterikäyttöinen oikosulkumoottori.
M/S Seiliin asennetut 1,5 megawatin Azipodit ylittivät toimivuudellaan rohkeimmatkin ennusteet.
Hietalahden telakalla vuonna 1998 valmistunut M/S Carnival Elation oli ensimmäinen Azipodeilla varustettu valtameriluokan risteilijä. Sen Azipod-oikosulkumoottoreiden teho oli jo 14 megawattia.
Azipodit ylittivät toimivuudellaan rohkeimmatkin ennusteet.
Pitäjänmäellä kehitetyt oikosulkumoottorit olivat kasvaneet reilussa vuosikymmenessä metron 125 kilowatista yli 10 megawatin tehoisiin laivamoottoreihin itse järjestelmän perusajatuksen pysyessä ennallaan.
Oikosulkumoottori ja taajuusmuuttaja
Oikosulkumoottori on vaihtovirtamoottori, jonka kierroslukua voidaan säätää sen taajuutta muuttamalla. Sähkön lähteellä ei ole merkitystä: sähköä voidaan tehdä dieselmoottoreihin yhdistetyillä generaattoreilla tai sitä voidaan syöttää suoraan sähköverkosta.
Esimerkiksi vaihtovirtasähkö-vetureissa veturin tarvitsema jännite saadaan veturin katolla olevalla virroittimella ajolangasta, joka johdetaan ensin veturin päämuuntajaan, josta se ohjataan tasasuuntaajaan ja sen jälkeen taajuusmuuttajaan. Sen syöttämän virran taajuus määrittää veturin akseleita pyörittävän oikosulkuajomoottorin kierrosluvun.
Taajuusmuuttajassa on kolme keskeistä osaa: ensin vaihtovirta tasasuunnataan ja johdetaan tasajännitevälipiiriin. Sen jälkeen vaihtosuuntaaja eli invertteri tuottaa tasavirrasta tyristoreilla uudelleen vaihtovirtaa. Sen taajuutta muutetaan sen mukaan, millaisella kierrosluvulla oikosulkumoottorin halutaan pyörivän.
Tyristorikytkimiä ohjataan niin, että sen eri vaiheisiin tulee jännitepulsseja, joiden ulostulo on kolmivaiheinen. Sähköpulssien leveyttä säätämällä pystytään ohjaamaan ulostulojännitteen voimakkuutta.
Pulssien lukumäärä ja niiden leveys vaihtelevat, eivätkä ne ole vielä tässä vaiheessa vaihtovirran sinikäyrää, vaan tasajännitteen suuruisia pulsseja, joiden leveyttä ja lukumäärää vaihdellaan sen mukaan, millaisia kierroslukupyyntöjä oikosulkumoottorille lähetetään.
Syntynyt pulssipatteri on risuaidan tyyppistä, mutta oikosulkumoottori tulkitsee sen vaihtovirraksi. Moottorin ottama virta on lähes sinimuotoista, kuten seinäpistorasiasta tuleva 230 V 50 Hz vaihtovirta.
Kun oikosulkumoottoreille syötettävän vaihtovirran taajuutta eli pulssilukua muutetaan taajuus-muuttajassa, niiden yliaaltosisältö muuttuu. Tämä kuuluu Helsingin metron M100-sarjan junista tuttuna vinkumisena. Vaikka sitä kutsutaan sähköiseksi vaihdelaatikoksi, kyse on taajuuden muuttumisesta, ei vaihteiden vaihtamisesta.
Oikosulkumoottorille syötettäviä ”portaita” on 27 kappaletta kutakin sinikäyrän puolijaksoa kohden. Vastaavasti pulssimäärä on kääntäen verrannollinen moottorin kierroslukuun. Tämä kuuluu esimerkiksi Helsingin metrossa pidempinä ”vaihteidenvaihtoväleinä” nopeuden kasvaessa.
Moottori syntyi ennen lamppua
Englantilainen Joseph Swan ja amerikkalainen Thomas Edison kehittivät toisistaan tietämättä hehkulampun mahdollistavaa tekniikkaa vuonna 1879. Jo seuraavana vuonna hehkulamppujen sarjatuotanto alkoi. Muutaman vuoden kuluttua sähkö valaisi satoja tuhansia yhdysvaltalaisyrityksiä ja koteja.
Tosiasiassa sähkötekniikan todellinen läpimurto tapahtui jo puoli vuosisataa aiemmin: englantilainen William Sturgeon keksi tasavirtamoottorin vuonna 1832. Kroatialainen Nikola Tesla puolestaan keksi vuonna 1888 oikosulkumoottorin perusperiaatteen.
Oikosulkumoottorista muodostui lopulta yleisin sähkömoottorityyppi, sillä se oli rakenteensa yksinkertaisuuden vuoksi erittäin luotettava ja moottorin laakereita lukuun ottamatta käytännössä huoltovapaa.
Oikosulkumoottorin huonona puolena oli pitkään se, ettei sen kierroslukua voitu säätää ennen taajuusmuuttajien keksimistä 1970-luvulla. Oikosulkumoottori, tai tarkkaan ottaen sen roottori, pyöri staattorin vaihtovirran taajuuden mukaisilla kierroksilla.
Tämä puute rajoitti oikosulkumoottorien käyttöä kohteissa, jotka vaativat kierrosluvun säätöä. Tällaisia ovat esimerkiksi liikennekäyttöön ja voimalaitoksiin sovitetut moottorit.
Oikosulkumoottorin ongelmana oli pitkään myös sen tarvitsema suuri käynnistysvirta, joka saattoi jopa polttaa sulakkeita.
Teknologian kehityttyä tasavirta- ja oikosulkumoottoreiden käyttökohteet voidaan nykyisin jakaa karkeasti kahteen: tasavirtamoottorit soveltuvat yleisesti noin kahden megawatin, oikosulkumoottorit sitä suurempiin, jopa yli kymmenen megawatin käyttöihin asti.
Perinteisten tasavirta- ja oikosulkumoottoreiden lisäksi käytössä on esimerkiksi lineaari- ja vääntömoottoreita.
Lineaarimoottori soveltuu erinomaisesti suurta tarkkuutta ja samalla suurta nopeutta vaativiin kohteisiin, kuten esimerkiksi piirilevytuotantoihin ja muihin elektroniikkateollisuuden tarpeisiin.
Vääntömoottori sopii suurta vääntömomenttia vaativiin teollisuuden sovelluksiin. Kestomagneetilla toteutetulla vääntömoottorilla voidaan korvata perinteisen sähkömoottorin ja vaihteiston yhdistelmä.
Lue myös:
Lähteet: Juttua varten on haastateltu mm. ABB:n Marine & Ports -liiketoimintayksikön markkinointipäällikkö Antti Lehtelää sekä eläkkeellä olevia ABB:n entisiä työntekijöitä, induktioasiantuntija Tapio Haringia ja laatujohtaja Markku Huotaria.
Juttu on julkaistu alun perin Tekniikan Historiassa 6/2019.
