16. February 2009
Kirjoittaja: Jaakko A. Palsanen
Companies: ABB, ASEA, Papyrus, Santasalo Gears, Strömberg, Valmet, Yhtyneet Paperitehtaat
People: Alpo Kaulio, Aulis Kähkönen, Bengt Welin, Heikki Soljama, Ilkka Erkkilä, Jouko Ikäheimo, Martti Harmoinen, Mauno Pokkinen, Olli Aumala, Reijo Sairinen, Vesa Kajander
4.27. Paperikoneiden sähkökäytöt
Perustuu osittain teokseen Telan ympäri, Panu Nykänen 2005
Paperikoneen käyttöjärjestelmissä vaaditaan sekä paperikoneen käyntinöpeuden että käyttöryhmien nopeuserojen tarkkaa hallintaa. Paperikoneet saivat aikanaan käyttövoimansa vesiturpiinista, sittemin höyryturpiinista tai sähkömoottorista. Voima siirrettiin koneelle valta-akselilla, josta se jaettiin eri käyttöryhmille hihnakäytöillä. USA:ssa kehitettiin mekaaninen menetelmä, jossa voima siirrettiin valta-akselilta eri käyttöryhmille säädettävillä differentiaalivaihteistoilla. Valmet kehitti menestyksellisesti oman diffrentiaalikäyttönsä 1950-luvulla ja 1960-luvun alussa maailmassa oli vain kaksi tätä periaatetta tuotteissaan käyttävää paperikonetehdasta.
Käyttöjärjestelmissä oli vaikeutena yhden käyttöryhmän pysäyttäminen muun koneen pöyriessä. Differentiaalikäytössä tarvitaan kytkin vaihteiston ja ryhmän välille. Kytkimen täytyy olla luistava, koska paperikoneen kiihdytyksen aikana liian nopeasti tapahtunut voiman kytkentä nostaa vääntömomentin liian suureksi ja rikkoo järjestelmän heikoimman komponentin. Perinteinen kitkakytkin ei enää toiminut, koska paperikoneiden koon kasvaessa käyttöön tarvittavat voimat olivat kasvaneet. Strömbergin ja Valmetin yhteityönä kehitettiin induktio-kitkakytkin, jossa pääosa kiihdytyksestä aina 95 %:iin asti tapahtui induktiokytkimellä. Vasta kiihdytyksen loppuvaiheessa kitkakytkin kiinnitettiin voimansiirtoon. Induktio-kitkakytkin mahdollisti myös paperikoneen ryömintäajon.
Jo 1930-luvulla oli kehitetty käyttöjärjestelmä, jossa jokaisella käyttöryhmällä oli oma nopeussäädetty sähkömoottori. Tällainen monimoottorikäyttö saavutti yleisempää menestystä vasta kun tyristoriohjaus otettiin käyttöön 1960-luvulla. Suomessa Oy Strömberg Ab alkoi kehittää tällä tekniikalla toimivia käyttöjärjestelmiä perustamalla 1962 sähköteknisen toimiston. Strömbergin tasavirtamoottoreihin perustuvilla tyristorikäytöillä oli erinomainen laatumaine. Tasavirtamoottoreiden huonona puolena oli monimutkainen rakenne, suuri koko sekä kalliit valmistus- ja huoltokustannukset. Oikosulkumoottori olisi ollut parempi ratkaisu.
Olli Aumala teki Strömbergin Pitäjänmäen koekentällä ensimmäisen kokeen vaihtovirtakäytön prototyypillä jo vuonna 1968. Koe loppui lyhyeen, kun moottori ei suostunut käynnistymään. Kun laitteeseen kytkettiin virta, syntyi vain murinaa. Jo muutaman vuoden kuluttua oli kuitenkin nähtävissä, että kehitys tulisi suuntautumaan vaihtovirtamoottoreiden suuntaan, ja eri valmistajat esittelivät useita vaihtoehtoisia moottoreiden ohjausjärjestelmiä. Strömbergillä valittiin konseptiksi BBC:n PWM (Pulse Width Modulation) periaate. Martti Harmoinen ryhtyi kehittämään tätä tekniikkaa täyspäiväisesti vuonna 1970.
Uudenlaisten ohjausjärjestelmien kehitystyö sai vauhtia Helsingin Metron rakennushankkeesta 1970-luvun alkupuolella. Metron vaihtovirtakäytön kehitystyötä varten Strömberg järjesti useita vuosia kestäneen laboratoriotutkimusohjelman, joka onnistui erinomaisesti. Martti Harmoiselle myönnettiin vuonna 1981 ensimmäinen Suomalainen Insinöörityö palkinto tästä kehitystyöstä. Liikennevälinesovellusten ohella aloitettiin työskentely teollisuuden voimalaitteiden kehittämiseksi. Kehitysprojektin takuumiehinä toimivat Martti Harmoisen lisäksi Ilkka Erkkilä ja Alpo Kaulio. 1970-luvun puolivälissä Strömberg oli valmis toimittamaan Strömbergin Asynkroni/Moottori Invertterikäytöksi (SAMI) nimettyjä järjestelmiä tarkkaa ohjausta vaativiin teollisuuden kohteisiin. Ensimmäinen SAMI toimitettiin Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoaineen vaihtokoneen ohjausjärjestelmäksi.
Siirryttäessä tasavirtakäytöistä vaihtovirtakäyttöihin ei muodostunut selvää teknistä käännekohtaa, vaan muutos tapahtui vähittäin. Strömberg ei myöskään panostanut uutuuden kehittelyyn paperikoneiden yhteydessä. Projektissa olivat mukana osa-aikaisesti Mauno Pokkinen, Ilkka Erkkilä, Reijo Sairinen ja Aulis Kähkönen. Ensimmäinen paperikoneeseen asennettu vaihtovirtakäyttö asennettiin vuonna 1981 Yhtyneille Tervasaareen. Käytön ohjaus perustui osin sekä analogiseen että digitaaliseen ohjausjärjestelmään. Siirtyminen vaihtovirtakäyttöihin mahdollisti samalla mekaanisten vaihteistojen yksinkertaistemisen. Strömberg kehitti yhteistyössä Santasalo Gears yhtiön kanssa erityisesti paperikoneen kuivatussylinteitä varten tarkoitetun, suoraan sylinteriin vaikuttavan moottorin Strömberg Direct Cylinder Drive, jonka ensimmäinen käyttöönotto tapahtui 1986 Papyrus AB:n tehtailla Ruotsissa.
Moottoreiden ohjausjärjestelmien kehitys kulki omaa linjaansa analogisista digitaalisiin. Kun Heikki Soljama laati diplomityönsä Mikroprosessilla ohjattu tyristoritasasuuntaaja tasavirtamoottorin vrtalähteenä vuonna 1974, kesti lähes kymmenen vuotta ennen kuin Intel 8088 prosessori mahdollisti käytännön toteutuksen. Kun Strömberg vuosina 1983-84 julkisti täysdigitaalisen säädön sekä AC että DC käytöille, yhtiö oli ensimmäinen, jolla oli tarjottavanaan koko valikoima. Koordinoivana säätäjänä oli tällöin SELMA 2.
1980-luvun alussa Japanissa oli kehitetty Gate Turn-Off tyristorin valmistustekniikkaa niin, että GTO sopi myös suurten taajuusmuuttajien tehokomponentiksi. Tämä mullisti vaihtovirtakäyttöjen ohjauksen. Uusi teknologia sopi erinomaisesti käytettäväksi PWM-konseptissa. Strömberg kehitti 1985 käyttöön otetun SAMI STARin. Kun ohjausjärjestelmä kytkettiin SELMAan syntyi yli kymmenen vuotta tuotannossa säilynyt menestystuote. Vuosikymmenen lopulla prosessoritekniikan myötä avautui mahdollisuus kehittää Direct Torque Control järjestelmä, joka jälleen nosti Strömbergin aivan vaihtovirtakäyttöjen valmistajien terävimpään kärkeen.
Strömberg siirtyi 1986 ASEA:n omistukseen, josta fuusion seurauksena muodostui ABB. Strömbergillä Suomessa jatkui säädettävien vaihtovirtakäyttöjen kehitystyö.
Lisäys 16.4.2009
PI:n kokouksessa 16.4.2009 julkistettiin vuoden 2009 Marcus Wallenberg palkinto, joka tuli ABB:lle Jouko Ikäheimolle, Vesa Kajanderille ja Bengt Welinille heidän uraauurtavasta työstään paperikoneiden suorakäyttöjärjestelmän kehittämisestä. Tämä perustuu kestomagneettimoottori-teknologiaan, joka mahdollistaa moottorin koon pienetämisen ja hyötysuhteen kasvattamisen. Vaihteen poisjääminen mm. yksinkertaistaa rakennetta, vähentää tilantarvetta, vähentää kunnossapitoa, pienetää tehohäviöitä, poistaa voitelutarpeen, parantaa säätötarkkuutta jne.
Löytyisikö Strömberg/ABB:lta tahoa, joka jaksaisi kirjoittaa paremman ja asiantuntevamman kronikan näistä hienoista suomalaisista innovaatioista, jotka ovat tehostaneet paperitehtaiden toimintaa olennaisesti?