Sähkökäyttöjen tehoelektroniikka

Fossiilisten energialähteiden rajallisuus, niihin perustuvan energian saatavuuden epävarmuus, energian hinnan jatkuva kohoaminen sekä merkit kiihtyvästä ilmastonmuutoksesta ovat lisänneet vaatimuksia siirtyä yhä enenevässä määrin paremman hyötysuhteen omaaviin säädettyihin sähkökäyttöihin sekä edelleen parantaa niiden energiatehokkuutta. Säädettyjen sähkökäyttöjen suosio on kasvanut sitä mukaan, kun toisaalta niiden luotettavuutta, hyötysuhteita ja tehonkäsittelykykyä on saatu kasvatettua ja toisaalta niiden hintaa ja niiden aiheuttamia häiriöitä pienennettyä. Sähkökäyttöjen energiatehokkuutta voidaan parantaa mm. kasvattamalla käyttöjännitteitä, käyttämällä kehittyneempiä PWM-suuntaajaratkaisuja, parantamalla niiden säätöjärjestelmiä sekä pienentämällä niiden ottaman tehon vaihtelua ja niiden aiheuttamia häiriöitä.

Tutkimusryhmän säädettyihin sähkökäyttöihin liittyvää tutkimusta on laajennettu perinteisistä teollisuuden moottorikäytöistä mm. liikkuvien työkoneiden hybridikäyttöihin ja hajautetun tuotannon tuulivoimakäyttöihin. Myös taajuudenmuuttajien yhteismuotoisista jännitteistä aiheutuvat moottoreiden ja vaihteistojen laakerivirrat ja niiden mittausmenetelmät on ollut aikaisemmin yksi merkittävä tutkimuskohde.

Useampitasoiset suuntaajat ovat tulossa myös pienemmille tehoille ja jännitetasoille niiden paremman hyötysuhteen ja pienempien häiriöiden vuoksi. Ryhmä on jo pitkään tutkinut uusia ja vaihtoehtoisia PWM-suuntaajaratkaisuja ja niiden säätömenetelmiä. Tällä hetkellä päätutkimuskohteena on kolmitasosuuntaajat ja soveltuvuus UPS-, STATCOM-, LVDC-, tuuli- ja aurinkovoima- sekä työkonesovelluksiin.

Perinteisten sähkökäyttöjen verkostohäiriöitä ja -häviöitä voidaan pienentää esim. niiden rinnalle kytketyillä aktiivisuotimilla, STATCOM-laitteilla ja tehokompensaattoreilla, jotka periaatteessa ovat PWM-verkkovaihtosuuntaajien erikoissovelluksia. Ryhmä tutkii ja kehittää mm. näiden laitteiden erilaisia toteutusvaihtoehtoja sekä ohjaus- ja säätöjärjestelmiä.

Esimerkiksi tehokompensaattoreissa ja hybridityökoneissa sähköiset energiavarastot (akut ja superkondensaattorit) sekä niiden liitäntä- ja ohjaustavat ovat kokonaishyötysuhteen kannalta merkittävässä roolissa. Ryhmässä on aloitettu myös tähän osa-alueeseen liittyvä tutkimus.

Yhteyshenkilö: Prof. Heikki Tuusa