Radio Frequency Measurement Method for Detecting Bearing Currents in Induction Motors

Induction motors are widely used in industry, and they are generally considered very reliable. They often have a critical role in industrial processes, and their failure can lead to significant losses as a result of shutdown times. Typical failures of induction motors can be classified into stator, rotor, and bearing failures. One of the reasons for a bearing damage and eventually a bearing failure is bearing currents. Bearing currents in induction motors can be divided into two main categories; classical bearing currents and inverter-induced bearing currents. A bearing damage caused by bearing currents results, for instance, from electrical discharges that take place through the lubricant film between the raceways of the inner and the outer ring and the rolling elements of a bearing. This phenomenon can be considered similar to the one of electrical discharge machining, where material is removed by a series of rapidly recurring electrical arcing discharges between an electrode and a workpiece. This thesis concentrates on bearing currents with a special reference to bearing current detection in induction motors. A bearing current detection method based on radio frequency impulse reception and detection is studied. The thesis describes how a motor can work as a “spark gap” transmitter and discusses a discharge in a bearing as a source of radio frequency impulse. It is shown that a discharge, occurring due to bearing currents, can be detected at a distance of several meters from the motor. The issues of interference, detection, and location techniques are discussed. The applicability of the method is shown with a series of measurements with a specially constructed test motor and an unmodified frequency-converter-driven motor. The radio frequency method studied provides a nonintrusive method to detect harmful bearing currents in the drive system. If bearing current mitigation techniques are applied, their effectiveness can be immediately verified with the proposed method. The method also gives a tool to estimate the harmfulness of the bearing currents by making it possible to detect and locate individual discharges inside the bearings of electric motors.

A chart of the southern part of South America : with the track of the centurion from the island of St. Catherines to the island of Juan Fernandes in which is inserted the variation and soundings observ'd on board her, together with her deviation from her estimated course in passing round Cap Horn, occasiond by the force of the currents / R. W. Seale sculp

Nimeketiedot nimiönkehyksissä

The influence of high cable penetration in distribution networks on earth fault currents and the operation of relay protection.

Recent Storms in Nordic countries were a reason of long power outages in huge territories. After these disasters distribution networks' operators faced with a problem how to provide adequate quality of supply in such situation. The decision of utilization cable lines rather than overhead lines were made, which brings new features to distribution networks. The main idea of this work is a complex analysis of medium voltage distribution networks with long cable lines. High value of cable’s specific capacitance and length of lines determine such problems as: high values of earth fault currents, excessive amount of reactive power flow from distribution to transmission network, possibility of a high voltage level at the receiving end of cable feeders. However the core tasks was to estimate functional ability of the earth fault protection and the possibility to utilize simplified formulas for operating setting calculations in this network. In order to provide justify solution or evaluation of mentioned above problems corresponding calculations were made and in order to analyze behavior of relay protection principles PSCAD model of the examined network have been created. Evaluation of the voltage rise in the end of a cable line have educed absence of a dangerous increase in a voltage level, while excessive value of reactive power can be a reason of final penalty according to the Finish regulations. It was proved and calculated that for this networks compensation of earth fault currents should be implemented. In PSCAD models of the electrical grid with isolated neutral, central compensation and hybrid compensation were created. For the network with hybrid compensation methodology which allows to select number and rated power of distributed arc suppression coils have been offered. Based on the obtained results from experiments it was determined that in order to guarantee selective and reliable operation of the relay protection should be utilized hybrid compensation with connection of high-ohmic resistor. Directional and admittance based relay protection were tested under these conditions and advantageous of the novel protection were revealed. However, for electrical grids with extensive cabling necessity of a complex approach to the relay protection were explained and illustrated. Thus, in order to organize reliable earth fault protection is recommended to utilize both intermittent and conventional relay protection with operational settings calculated by the use of simplified formulas.

Performance Characteristics of an Axial-Flux Solid-Rotor-Core Induction Motor

The integration of electric motors and industrial appliances such as pumps, fans, and compressors is rapidly increasing. For instance, the integration of an electric motor and a centrifugal pump provides cost savings and improved performance characteristics. Material cost savings are achieved when an electric motor is integrated into the shaft of a centrifugal pump, and the motor utilizes the bearings of the pump. This arrangement leads to a smaller configuration that occupies less floor space. The performance characteristics of a pump drive can be improved by using the variable-speed technology. This enables the full speed control of the drive and the absence of a mechanical gearbox and couplers. When using rotational speeds higher than those that can be directly achieved by the network frequency the structure of the rotor has to be mechanically durable. In this thesis the performance characteristics of an axial-flux solid-rotor-core induction motor are determined. The motor studied is a one-rotor-one-stator axial-flux induction motor, and thus, there is only one air-gap between the rotor and the stator. The motor was designed for higher rotational speeds, and therefore a good mechanical strength of the solid-rotor-core rotor is required to withstand the mechanical stresses. The construction of the rotor and the high rotational speeds together produce a feature, which is not typical of traditional induction motors: the dominating loss component of the motor is the rotor eddy current loss. In the case of a typical industrial induction motor instead the dominating loss component is the stator copper loss. In this thesis, several methods to decrease the rotor eddy current losses in the case of axial-flux induction motors are presented. A prototype motor with 45 kW output power at 6000 min-1 was designed and constructed for ascertaining the results obtained from the numerical FEM calculations. In general, this thesis concentrates on the methods for improving the electromagnetic properties of an axial-flux solid-rotor-core induction motor and examines the methods for decreasing the harmonic eddy currents of the rotor. The target is to improve the efficiency of the motor and to reach the efficiency standard of the present-day industrial induction motors equipped with laminated rotors.

Taajuusmuuttajiakoskevat EMC-standardit

Taajuusmuuttajat aiheuttavat toimintansa seurauksena runsaasti laajakaistaisia sähkömagneettisia häiriöitä. Häiriöt etenevät sekä johtumalla että säteilemällä ja ne ovat seurausta pääasiassa taajuusmuuttajien toimintaan perustuvista nopeista kytkentäilmiöistä sekä puolijohdekomponenttien epälineaarisuuksista. Sähkömagneettisille häiriöille määritellään suurimmat sallitut tasot useissa EMC-standardeissa. Taajuusmuuttajia koskevia EMC-standardia on neljä; tuotestandardi EN 61800-3, harmonisia virtoja pienjänniteverkoissa käsittelevä EN 61000-3-12 sekä yleiset standardit EN 61000-6-1, -6-2 ja EN 61000-6-3, -6-4. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia ja koota yhteen edellä mainittujen standardien sisältämät vaatimukset. Työn pääpaino on kohdistettu häiriöpäästöille asetettuihin vaatimuksiin, sillä häiriöiden sietoon liittyvien vaatimusten täyttäminen ei taajuusmuuttajien kohdalla yleensä tuota ongelmia.

Sähkökäyttösimulaattori jasen suorituskyky

Erilaisten simulaatioiden tekeminen tutkimustyössä on tärkeää. Simulaatioiden avulla voidaan vähentää prototyyppitestauksen tarvetta. Diplomityössä on esitelty kehitettävää sähkökäyttösimulaattoria, jolla voidaan tarkastella erilaisten sähkökäyttöjen häviöiden muodostumista. Diplomityössä on keskitytty vertailemaan kehitettävän simulaattorin simulointituloksia todelliselta sähkökäytöltä mitattuihin suureisiin. Vertailun kohteena on taajuusmuuttajalla syötetty oikosulkumoottori, minkä virtojen ja jännitteiden vertailu on tehty aika- ja taajuustasossa.

Tehoerottimen soveltuvuus Suomen 110 kV:n kantaverkkoon

Tehoerottimen avulla voidaan erottaa jännitteellinen sähköverkon osa sähköverkosta tai muuttaa sähköverkon kytkentätilaa. Tehoerottimen virrankatkaisukyky on rajattu ja sen käyttökohteiksi soveltuvat lähinnä tyhjäkäyvien verkkojen ja muuntajien erottaminen sekä kuormitetun verkon kytkentätilan muuttaminen. Työssä käsitellään erään tehoerotintyypin teknistä soveltuvuutta Suomen kantaverkkoon 110 kV jännitteellä. Tehoerottimen teknistä soveltuvuutta tarkastellaan laskemalla tyhjäkäyville johdoille johtojen ominaisarvot ja tekniset edellytykset johtojen erottamiselle. Lisäksi tehoerottimen katkaisukyky mallinnetaan simuloimalla ja tutkitaan onko mahdollista turvallisesti asentaa tehoerotin kantaverkkoon, vaikka IEC- standardin vaatimuksia ei voida täyttää. Työn lopussa tutkitaan tehoerottimen taloudellista kannattavuutta. Kustannuksia verrataan muihin ratkaisuihinja eri ratkaisujen kustannuksiin erisuuruisilla laitteiden käyttömäärillä.

Verkkovaihtosuuntaajan vektorisäädön toteutus FPGA-piirillä

Verkkovaihtosuuntaajalla pystytään muuntamaan tasajännite vaihtojännitteeksi ja päinvastoin. Verkkovaihtosuuntaajan toiminta perustuu tehokytkinten ohjaukseen ja sopivan modulointimenetelmän käyttöön. Vektorisäädössä vaihtosuuntaajanvirrat ja jännitteet esitetään kompleksitasossa, jolloin virta- ja jännitekomponentit voidaan esittää vektoreina. Vektorisäädössä verkkovaihtosuuntaajan ohjaustoteutetaan laskemalla kompleksitasossa vektoreille arvot, jotka tuottavat vaihtosuuntaajan lähtöön halutun vektorin. Koska FPGA-piirit mahdollistavat nopean rinnakkaisen laskennan, soveltuvat ne hyvin vektorisäädön toteuttamiseen. FPGA-piirien rakenteesta johtuen on säätöjärjestelmän suunnittelussa huomioitava kiinteän pilkun lukujen riittävä bittileveys ja järjestelmän diskretointiaika. Työssä suunnitellaan verkkovaihtosuuntaajan vektorisäätö ja tutkitaan bittileveyden vaikutusta säädön toteuttamiseen FPGA-piirillä. Bittileveyden tarkasteluun esitetään käytettäväksi tilastollisia menetelmiä. Työssä tarkastellaan kiinteän pilkun järjestelmän ja liukulukujärjestelmän erosuureen tilastollisia tunnusmerkkejä sekä histogrammia. Tarkasteluissa huomattiin, että maksimivirhe itsessään ei tarjoa riittävästi tietoa erosuureen jakautumisesta. Näin ollen maksimivirhe ei ole kaikissa tilanteissa sovelias menetelmä riittävän bittitarkkuuden määrittämiseen. Työssä esitetään riittävän bittitarkkuuden määrittelemiseen käytettäväksi otossuureista otosvarianssia, keskipoikkeamaa ja vaihteluväliä.

Pienvesivoimalanmallinnus ja jakeluverkkovaikutusten tarkastelu

Tässä työssä simuloitiin Valkealassa sijaitsevaa Tirvan pienvesivoimalaitosta ja sen vaikutusta sähkönjakeluverkkoon. Pienvesivoimalaitos mallinnettiin PSCAD-ympäristöön verkko- ja voimalaitostietojen perusteella. Sähköverkko kuvattiin malliin koko 110 kV:n siirtävän verkon ja Tirvan pienjänniteverkon väliltä. Mallin avulla tehtiin sarja hajautettua sähköntuotantoa koskevia tarkasteluita. Tarkasteluissa huomattiin voimalaitoksen verkkoonliitynnän aiheuttavan standardien ylärajoilla olevan transienttisen muutoksen voimalaitoksen jännitteisiin. Työssä tehtiin yksityiskohtaisempi jännitehäviöiden mittaus voimalaitoksen pullonkaulana toimivalle pienitehoiselle jakelumuuntajalle. Tuotannon lisäämisen yhteydessä näkyvän yllättävän jännitteen laskun syyt paikannettiin muuntajalla tapahtuviin loistehon siirrosta johtuviin ylimääräisiin jännitehäviöihin. Voimalaitoksella ei ole merkittävää vaikutusta vikatilanteiden virtoihin.

Yhteismuotosuodatus taajuusmuuttajan lähdössä

Tässädiplomityössä selvitettiin taajuusmuuttajan synnyttämien yhteismuotoisten häiriöiden syntyä, ominaisuuksia, kulkureittejä sekä erilaisia tekniikoita toteuttaa yhteismuotosuodatus taajuusmuuttajan lähdössä. Työssä suunniteltiin ja mitoitettiin yhteismuotosuodatin, josta valmistettiin prototyyppi. Suodatinta testattiin laboratoriossa ja mittauksissa käytettiin erilaisia suodattimen kapasitanssin arvoja ja neutraalin pisteen kytkennän variaatioita. Mittauksilla selvitettiin suodattimen kyky suodattaa myös yhteismuotoisten jännitteiden lisäksi eromuotoista jännitettä, akselijännitettä ja vaihevirtaa. Mittaustulosten perusteella voitiin todeta suunnitellun suodattimen parantavan merkittävästi taajuusmuuttajalta moottorille syötettävän sähkön laatua ja loiventavan ennen kaikkea yhteismuotoisen jännitepulssin nousureunaa.

Virranmittausanturin suunnittelu ja simulointi taajuusmuuttajakäyttöön

Virranmittausantureita tarvitaan monenlaisissa käyttökohteissa, joissa ne mittaavat sekä virran suuruuttaettä laatua ja toimivat osana niiden säätelyjärjestelmää. Virranmittausantureita tarvitaan myös vikatilanteiden määrittämiseen erilaisissa suojauspiireissä. Taajuusmuuttajissa virranmittaus on hyvin tärkeää ja suurista virroista sekä taajuuksista johtuen se täytyy suunnitella huolella. Tässä diplomityössä käsitellään ja tutkitaan eri virranmittausmenetelmiä, joiden avulla taajuusmuuttajan luotettava virranmittaus voidaan toteuttaa. Työssä tutkitaan eri menetelmiä virranmittauksen toteuttamiseksi, minkä jälkeen niistä valitaan sopiva menetelmä ja tutkitaan sen eri toteutusvaihtoehtoja. Sopivan toteutusvaihtoehdon valinnan jälkeen työssä suunnitellaan oma virranmittausanturi, joka sopii nimenomaisesti taajuusmuuttajakäyttöön. Suunnitellun anturin ominaisuuksia tutkitaan lopuksi simuloimalla, jonka jälkeen arvioidaan sen soveltumista käytännön sovelluksiin sekä arvioidaan erilaisia keinoja sen parantamiseksi.

Sähkön laadun jaympäristöasioiden huomioiminen keskijänniteverkon kehittämisessä

Tässä diplomityössä tutkittiin sähkön laatua Suur-Savon Sähkön verkossa. Samalla perehdyttiin sähkönjakeluverkkojen aiheuttamiin ympäristövaikutuksiin ja näiden vähentämiseen. Työn aihealue on aika laaja kokonaisuus, eikä mihinkään perehdytä kovin yksityiskohtaisella tasolla, vaan käsitellään asiaa mahdollisimman laajasti monelta eri näkökantilta käytännönläheisesti. Mietittäessä keinoja parantaa sähkönlaatua alettiin yhtiössä pohtimaan keinoja vähentää 20 kV avojohtoverkon määrääja osana tätä keskustelua kehitettiin 1000 voltin jakelu-järjestelmä, jonka ensimmäiset koekohteet otettiin käyttöön vuonna 2001. Järjestelmä on osoittautunut käyttökelpoiseksi ja toimivaksi varsinkin vapaa-ajan asuntojen sähköistämisessä. Osana tulevaisuuden verkostostrategiaa joudutaan Suur-Savon Sähkössäkin pohtimaan maasulkuvirtojen kompensointia ja myös tätä aihealuetta onkäsitelty työn yhteydessä. Sähkön laatu on erittäin riippuvainen luonnon aiheuttamista vioista ja näiltä suojautuminen vaatii nykyisen avojohtoverkon korvaamista jollain muulla johtoratkaisulla, joka nostaa maasulkuvirran arvoa ja johtaa jossain vaiheessa kompensoinnin käyttöön.

Cardiovascular effects of short term exposure to electric and magnetic fields of electricity power transmission

In the electrical industry the 50 Hz electric and magnetic fields are often higher than in the average working environment. The electric and magnetic fields can be studied by measuring or by calculatingthe fields in the environment. For example, the electric field under a 400 kV power line is 1 to 10 kV/m, and the magnetic flux density is 1 to 15 µT. Electricand magnetic fields of a power line induce a weak electric field and electric currents in the exposed body. The average current density in a human being standing under a 400 kV line is 1 to 2 mA/m2. The aim of this study is to find out thepossible effects of short term exposure to electric and magnetic fields of electricity power transmission on workers' health, in particular the cardiovascular effects. The study consists of two parts; Experiment I: influence on extrasystoles, and Experiment II: influence on heart rate. In Experiment I two groups, 26 voluntary men (Group 1) and 27 transmission-line workers (Group 2), were measured. Their electrocardiogram (ECG) was recorded with an ambulatory recorder both in and outside the field. In Group 1 the fields were 1.7 to 4.9 kV/m and 1.1 to 7.1 pT; in Group 2 they were 0.1 to 10.2 kV/m and 1.0 to 15.4 pT. In the ECG analysis the only significant observation was a decrease in the heart rate after field exposure (Group 1). The drop cannot be explained with the first measuring method. Therefore Experiment II was carried out. In Experiment II two groups were used; Group 1 (26 male volunteers) were measured in real field exposure, Group 2 (15 male volunteers) in "sham" fields. The subjects of Group 1 spent 1 h outside the field, then 1 h in the field under a 400 kV transmission line, and then again 1 h outside the field. Under the 400 kV linethe field strength varied from 3.5 to 4.3 kV/m, and from 1.4 to 6.6 pT. Group 2spent the entire test period (3 h) in a 33 kV outdoor testing station in a "sham" field. ECG, blood pressure, and electroencephalogram (EEG) were measured by ambulatory methods. Before and after the field exposure, the subjects performed some cardiovascular autonomic function tests. The analysis of the results (Experiments I and II) showed that extrasystoles or arrythmias were as frequent in the field (below 4 kV/m and 4 pT) as outside it. In Experiment II there was no decrease detected in the heart rate, and the systolic and diastolic blood pressure stayed nearly the same. No health effects were found in this study.

Converter-flux-based current control of voltage source PWM rectifiers - analysis and implementation

Pulsewidth-modulated (PWM) rectifier technology is increasingly used in industrial applications like variable-speed motor drives, since it offers several desired features such as sinusoidal input currents, controllable power factor, bidirectional power flow and high quality DC output voltage. To achieve these features,however, an effective control system with fast and accurate current and DC voltage responses is required. From various control strategies proposed to meet these control objectives, in most cases the commonly known principle of the synchronous-frame current vector control along with some space-vector PWM scheme have been applied. Recently, however, new control approaches analogous to the well-established direct torque control (DTC) method for electrical machines have also emerged to implement a high-performance PWM rectifier. In this thesis the concepts of classical synchronous-frame current control and DTC-based PWM rectifier control are combined and a new converter-flux-based current control (CFCC) scheme is introduced. To achieve sufficient dynamic performance and to ensure a stable operation, the proposed control system is thoroughly analysed and simple rules for the controller design are suggested. Special attention is paid to the estimationof the converter flux, which is the key element of converter-flux-based control. Discrete-time implementation is also discussed. Line-voltage-sensorless reactive reactive power control methods for the L- and LCL-type line filters are presented. For the L-filter an open-loop control law for the d-axis current referenceis proposed. In the case of the LCL-filter the combined open-loop control and feedback control is proposed. The influence of the erroneous filter parameter estimates on the accuracy of the developed control schemes is also discussed. A newzero vector selection rule for suppressing the zero-sequence current in parallel-connected PWM rectifiers is proposed. With this method a truly standalone and independent control of the converter units is allowed and traditional transformer isolation and synchronised-control-based solutions are avoided. The implementation requires only one additional current sensor. The proposed schemes are evaluated by the simulations and laboratory experiments. A satisfactory performance and good agreement between the theory and practice are demonstrated.