Designing an Analogue Output for a Frequency Converter Control Board

Abstract

This bachelor’s thesis was carried out at ABB electronics factory in Pitäjänmäki, Helsinki.

The main objectives were to find cost efficient solutions which would improve the linearity and accuracy of the previous analogue output circuitry design in the old generation frequency converter control board. The target was set to increase the accuracy from +/-3% to +/-1%. The design parameters set for the solutions were cost efficiency, circuit board footprint, ease of sourcing and also a critical galvanic isolation stage.

The original design was studied by using theory, simulation and laboratory experiments. The isolation, comparator and output stages were identified as the main causes of error. Therefore three corrective solutions were designed and implemented on a printed circuit board.

Five boards were tested for linearity and output current error. In addition, the performance of two solutions was tested in a climate device. Additional statistical data was collected from two solutions by two unaligned measuring operators which tested three boards.

Each solution achieved the target accuracy of 1% with an exception of one circuit which reached 1,1% in the designer performed initial measurement. In the additional unaligned operator measurement the statistical accuracy slightly decreased. One of the solutions was found moderately unstable at high temperatures in the thermal experiment.

Insinöörityö tehtiin Asea Brown Boverille Helsingin Pitäjänmäen elektroniikkatehtaalla.Työssä parannettiin erään pienitehoisen taajuusmuuttajan ohjauskortin analogialähtöratkaisun linearisuutta ja tarkkuutta. Tarkkuustavoite asetettiin +/-1 %:iin edelliselle ratkaisulle määritellystä +/-3 %:sta. Uusien ratkaisujen suunnittelurajoiksi asetettiin hinta, fyysinen piirilevykoko sekä komponenttien saatavuus. Lisäksi ratkaisuun piti sisällyttää galvaaninen erotuspiiri.

Uusia ratkaisuja varten vanhaa piiriä tutkittiin soveltaen teoriaa, käyttäen simulaatioohjelmaa ja laboratoriokokeita. Kerätyn tiedon perusteella optoeristinaste, komparaattoriaste ja pääteaste todettiin vanhan ratkaisun vikalähteiksi.

Tunnistettujen vikojen perusteella suunniteltiin kolme ratkaisua, joista valmistettiin prototyyppilevy. Ratkaisuista mitattiin viiden levyn otannalla ulostulovirtavirhe sekä arvioitiin lineaarisuus. Lisäksi kaksi ratkaisua testattiin äärilämpötiloissa käyttäen olosuhdekaappia. Kahden ratkaisun tilastollista tarkkuutta tutkittiin kahden ulkopuolisen mittaajan avustuksella. He mittasivat ulostulovirtavirheen kolmen levyn otannalla.

Kaikki ratkaisut saavuttivat niille asetetun tarkkuustavoitteen +/-1 %, mutta yhden piirin tarkkuus jäi 1,1 %:iin. Lämpötilamittauksessa yksi ratkaisuista todettiin lievästi epävakaaksi korkeissa lämpötilaolosuhteissa.