Tehoelektroniikka - Tampereen teknillinen yliopisto

Tehoelektroniikka

Tehoelektroniikkaa hyödynnetään tänä päivänä lähes jokaisessa laitteessa tai kohteessa, jossa käytetään sähköenergiaa. Tehoelektroniset laitteet vaihtelevat kooltaan mobiilisovellusten riisin jyvän kokoisista hakkureista suuriin korkeajännitteisiin tasa- ja vaihtosuuntaajiin, jotka vaativat useita satoja neliömetrejä tilaa. Tehoelektroniikan konvertteri on laite joka yksinkertaisuudessaan muokkaa sähköjärjestelmän taajuutta, jännitetasoa tai kumpaakin, sovittaen yhteen erilaisia kuormia ja tuotantomuotoja, kuten uusiutuvaa energiaa.

Tehoelektroniikka mahdollistaa mm. tasasähköön perustuvan kannettavan tietokoneen akun lataamisen vaihtosähköön perustuvassa jakeluverkossa tai tuuliturbiinin liittämisen sähköverkkoon. Tehoelektroniikalla sähköverkkoon integroidut energiavarastot ovat yhä tärkeämmässä roolissa uusiutuvan energian, kuten aurinko ja tuulivoiman, määrän kasvaessa. Sähköenergiajärjestelmämme muuttuu kohti hajautettua älyverkkoa, jossa kuka tahansa voi olla kuluttaja tai tuottaja.

Tampereen Teknillisen Yliopiston Tehoelektroniikan tutkimusryhmä toimii aktiivisesti tieteellisessä yhteisössä sekä eri yrityshankkeissa, etsien ratkaisuja ilmastonmuutoksen, digitalisaation ja sähköjärjestelmien monimutkaistumisen aiheuttamiin haasteisiin.

 

Tutkimuksemme pääpainoalueet voidaan jakaa karkeasti seuraavien otsikoiden alle:

* Tehoelektroniikan uudet säätöratkaisut, joiden avulla voidaan saavuttaa täysin uusiutuviin energiamuotoihin perustuva sähköenergiajärjestelmä

* Sähkömoottorikäyttöjen mallintaminen ja uudet säätöratkaisut

* Tehoelektroniikan integrointi älykkäisiin sähköverkkoihin sekä mikroverkkoihin

* Tehoelektronisten laitteiden dynaaminen mallintaminen, joka mahdollistaa tarkan säätösuunnittelun ja komponenttien mitoituksen

* Tehoelektroniikan aiheuttamien sähkön laatu -ongelmien tunnistaminen ja ehkäisy

 

            Kuva 1

Kuva 1 esittää tehoelektroniikan tutkimuslaboratorion periaatteellista rakennetta. Laboratoriossa hyödynnetään Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) -tekniikkaa, jossa tutkittava laite eristetään hallittuun "sähköiseen" ympäristöön. Tällä koejärjestelyllä voidaan tutkia verkkoon kytketyn vaihtosuuntaajan dynaamisia ominaisuuksia ja toimintaa. Vaihtosuuntaaja on laite joka mahdollistaa esimerkiksi aurinkopaneelin kytkemisen sähköverkkoon. Valtakunnan sähköverkkoon kytkettyyn vaihtosuuntaajaan verrattuna tällä koejärjestelyllä voidaan poistaa monia tuntemattomia tekijöitä, kuten vaikeasti ennustettavat sähköverkon yliaallot ja jännitteen sekä taajuuden vaihtelut. Epäideaalisuudet voidaan kuitenkin toistaa hallitusti ja tunnetusti käyttämällä sähköverkko-simulaattoria. Tämä takaa tutkimustulosten toistettavuuden. Lisäksi tutkimuksessa hyödynnetään dataa laboratorion katolla sijaitsevan 13.7 kW aurinkosähkövoimalan mittausjärjestelmästä.

 

            Kuva 2, copyright Jyri Kivimäki

Kuva 2 havainnollistaa mittausjärjestelyä jolla tutkitaan aurinkosähkö -vaihtosuuntaajan tuottaman sähkön laatua. Turvallisuuden takaamiseksi kaikki jännitteiset osat on suljettu sähkökaappeihin. Koejärjestely mahdollistaa mm. vaihtosuuntaajan tuottaman sähkön laadun parantamisen optimaalisella säätöalgoritmien suunnittelulla.

 

Yhteyshenkilö: Tuomas Messo, tuomas.messo@tut.fi

Päivittäjä: Jukka Kaipainen, 18.04.2017 12:48.
Sisällöstä vastaa: Messo Tuomas
Asiasanat: tiede ja tutkimus, työssä tty:llä, tietoa tty:stä, tehoelektroniikka