Accuracy Analysis of Frequency Converter Estimates in Diagnostic Applications

Transportation of fluids is one of the most common and energy intensive processes in the industrial and HVAC sectors. Pumping systems are frequently subject to engineering malpractice when dimensioned, which can lead to poor operational efficiency. Moreover, pump monitoring requires dedicated measuring equipment, which imply costly investments. Inefficient pump operation and improper maintenance can increase energy costs substantially and even lead to pump failure. A centrifugal pump is commonly driven by an induction motor. Driving the induction motor with a frequency converter can diminish energy consumption in pump drives and provide better control of a process. In addition, induction machine signals can also be estimated by modern frequency converters, dispensing with the use of sensors. If the estimates are accurate enough, a pump can be modelled and integrated into the frequency converter control scheme. This can open the possibility of joint motor and pump monitoring and diagnostics, thereby allowing the detection of reliability-reducing operating states that can lead to additional maintenance costs. The goal of this work is to study the accuracy of rotational speed, torque and shaft power estimates calculated by a frequency converter. Laboratory tests were performed in order to observe estimate behaviour in both steady-state and transient operation. An induction machine driven by a vector-controlled frequency converter, coupled with another induction machine acting as load was used in the tests. The estimated quantities were obtained through the frequency converter’s Trend Recorder software. A high-precision, HBM T12 torque-speed transducer was used to measure the actual values of the aforementioned variables. The effect of the flux optimization energy saving feature on the estimate quality was also studied. A processing function was developed in MATLAB for comparison of the obtained data. The obtained results confirm the suitability of this particular converter to provide accurate enough estimates for pumping applications.

Oikosulkumoottoreiden yhteisvarastointipalvelun verkostohyödyt

Tutkimuksen tavoitteena on tutkia oikosulkumoottoreiden yhteisvarastoinnista saavutettavia verkostohyötyjä asiakas-toimittaja verkostossa. Yleisesti yhteisvarastointi mielletään järkeväksi, mutta siitä saatavat hyödyt ovat usein vaikeita arvioida. Oikosulkumoottorit ovat kalliita, usein kriittisiä yrityksen tuotannon hyödykkeitä, joiden käyttöikä on jopa 30 vuotta. Tämä asettaa erityisvaatimuksia myös moottoreiden varastoinnille. Pitkä käyttöikä alentaa varaston kysyntää, kun taas niiden kriittisyys tuotannolle edellyttää varastointia. Tuotannon menetykset mielletään usein kestämättömän kalliiksi ja tämän vuoksi ajan saatossa lähivarastoihin on kerätty huomattavia moottorivarastoja. Työssä luotiin kunnossapidon, varastoinnin ja talouden teorian pohjalta viitekehys johon tukeutuen rakennettiin yhteisvarastointiverkoston kustannusmalli. Tämän jälkeen laadittiin palvelun piiriin kuuluvilta asiakkailta saaduin varastotiedoin vertailukustannuslaskelma, josta johdettiin yhteisvarastointiverkoston hyödyt. Laskennan tuloksissa havaittiin varastoitavien oikosulkumoottoreiden määrän ja kustannusten väheneminen.

Jännitevälipiiritaajuusmuuttajan moottorikaapelin maksimipituuden määrittely

Työssä tutkitaan, kuinka pitkää moottorikaapelia on jännitevälipiiritaajuusmuuttajan kanssa mahdollista käyttää niin, että määritellyt reunaehdot vielä toteutuvat. Tavoitteena on tuottaa tietoa myynnille, markkinoinnille, tuotehallinnalle sekä tuoteylläpidolle siitä, miten taajuus-muuttaja toimii pidemmillä moottorikaapeleilla kuin valmistaja suosittelee. Tutkitut moottori-kaapelipituudet olivat 175…1025 metriä ja tutkitut laitteet nimellislähtövirroiltaan 2,4...25 A. Työssä aihetta käsitellään jänniteheijastusten näkökulmasta. Lisäksi tutkitaan moottorikaapelin pituuden vaikutusta taajuusmuuttajan eri komponenttien lämpenemiseen. Taajuusmuuttajan toiminnallisuutta arvioidaan moottorin suunnanvaihtojen avulla sekä turvallista toimintaa oikosulkutestein. Tutkittujen taajuusmuuttajien kohdalla on mahdollista käyttää taajuusmuuttajavalmistajan suositusta pidempiä moottorikaapeleita. Moottoriliittimien ylijännitteitä aiheuttavat jännite-heijastukset eivät aiheuttaneet raja-arvoja ylittäviä huippujännitteitä tutkituilla laitekokoon-panoilla. Myös lämpötilannousu oli maltillista tai jopa vähäistä taajuusmuuttajasta mitatuilla komponenteilla. Moottorisäätö havaittiin toimintakykyiseksi pidemmilläkin moottorikaape-leilla, tosin moottorin vääntömomentti heikkeni moottorikaapelien pituutta kasvatettaessa. Virranmittaus toimi hyvin myös pitkillä kaapeleilla, tuottaen vikalaukaisun kaikissa tehdyissä oikosulkutilanteissa. Moottorin ja taajuusmuuttajan melutaso nousivat moottorikaapelien pi-tuutta kasvatettaessa, vaikkakin moottorin käynti oli tasaista ja katkotonta Moottorikaapelin pituutta voidaan kasvattaa 325 metriin kaikissa tutkituissa laitteissa ilman, että mikään tutkittu ominaisuus vielä olennaisesti heikkenisi. Vielä 525 metrin moottorikaape-leita on mahdollista käyttää, mutta tällöin vääntömomentin tuotto on jo heikompaa.

Maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikan mallinnus.

Työn tavoitteena oli mallintaa maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikka. Työ tehtiin osana Saimaan ammattikorkeakoulun tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli ajomoottorin ja integroidun napavaihteiston kaupallistaminen maastotyökoneisiin. Maastotyökoneena simulointimallissa käytettiin tyypillistä maataloustraktoria, johon kytkettiin vielä peräkärry. Traktorin renkaiden napaan oli kytketty ajomoottorina toimiva sähkömoottori, jonka sisään simuloitu napavaihteisto oli integroitu. Napavaihteiston dynamiikan mallintamiseen käytettiin monikappaledynamiikan simulointiohjelmistoa (Adams). Ohjelmalle määritettiin napavaihteiston komponenttien parametrit, joista voitiin simuloida vaihteiston dynaaminen käyttäytyminen. Simuloidusta mallista saatiin kytkimiin kohdistuvat voimat kytkentätilanteessa sekä sähkömoottorin väännön suunnanvaihtotilanteessa eri akselin pituuksilla, eri kytkinten nopeuseroilla, eri traktorin painoilla ja eri kuormilla ajettaessa. Mallissa simuloitiin myös sähkömoottorin käyttäytyminen vaihteenvaihtotilanteessa eri pyörimisnopeuden säätimen kertoimilla. Työssä huomattiin, että akselin mitoituksella voitiin vaikuttaa vaihteistossa ilmeneviin voimiin kytkimen kytkentähetkellä. Myös kytkimen hammastuksessa olevalla hammasvälyksellä voitiin vaikuttaa kytkimiin kohdistuviin voimiin suunnanvaihtotilanteissa. Vaihteistoon kohdistuvista voimista voidaan jatkossa suunnitella kytkimen ja akselin profiili, jotta vaihteisto kestää siihen kohdistuvat voimat.

Tooth-Coil Permanent Magnet Synchronous Machine Design for Special Applications

This doctoral thesis presents a study on the design of tooth-coil permanent magnet synchronous machines. The electromagnetic properties of concentrated non-overlapping winding permanent magnet synchronous machines, or simply tooth-coil permanent magnet synchronous machines (TC-PMSMs), are studied in details. It is shown that current linkage harmonics play the deterministic role in the behavior of this type of machines. Important contributions are presented as regards of calculation of parameters of TC-PMSMs,particularly the estimation of inductances. The current linkage harmonics essentially define the air-gap harmonic leakage inductance, rotor losses and localized temporal inductance variation. It is proven by FEM analysis that inductance variation caused by the local temporal harmonic saturation results in considerable torque ripple, and can influence on sensorless control capabilities. Example case studies an integrated application of TC-IPMSMs in hybrid off-highway working vehicles. A methodology for increasing the efficiency of working vehicles is introduced. It comprises several approaches – hybridization, working operations optimization, component optimization and integration. As a result of component optimization and integration, a novel integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) for off-highway working vehicles is designed. The IEHEC can considerably increase the operational efficiency of a hybrid working vehicle. The energy converter consists of an axial-piston hydraulic machine and an integrated TCIPMSM being built on the same shaft. The compact assembly of the electrical and hydraulic machines enhances the ability to find applications for such a device in the mobile environment of working vehicles.Usage of hydraulic fluid, typically used in working actuators, enables direct-immersion oil cooling of designed electrical machine, and further increases the torque- and power- densities of the whole device.

Modeling and Parameter Estimation of Double-Star Permanent Magnet Synchronous Machines

The power rating of wind turbines is constantly increasing; however, keeping the voltage rating at the low-voltage level results in high kilo-ampere currents. An alternative for increasing the power levels without raising the voltage level is provided by multiphase machines. Multiphase machines are used for instance in ship propulsion systems, aerospace applications, electric vehicles, and in other high-power applications including wind energy conversion systems. A machine model in an appropriate reference frame is required in order to design an efficient control for the electric drive. Modeling of multiphase machines poses a challenge because of the mutual couplings between the phases. Mutual couplings degrade the drive performance unless they are properly considered. In certain multiphase machines there is also a problem of high current harmonics, which are easily generated because of the small current path impedance of the harmonic components. However, multiphase machines provide special characteristics compared with the three-phase counterparts: Multiphase machines have a better fault tolerance, and are thus more robust. In addition, the controlled power can be divided among more inverter legs by increasing the number of phases. Moreover, the torque pulsation can be decreased and the harmonic frequency of the torque ripple increased by an appropriate multiphase configuration. By increasing the number of phases it is also possible to obtain more torque per RMS ampere for the same volume, and thus, increase the power density. In this doctoral thesis, a decoupled d–q model of double-star permanent-magnet (PM) synchronous machines is derived based on the inductance matrix diagonalization. The double-star machine is a special type of multiphase machines. Its armature consists of two three-phase winding sets, which are commonly displaced by 30 electrical degrees. In this study, the displacement angle between the sets is considered a parameter. The diagonalization of the inductance matrix results in a simplified model structure, in which the mutual couplings between the reference frames are eliminated. Moreover, the current harmonics are mapped into a reference frame, in which they can be easily controlled. The work also presents methods to determine the machine inductances by a finite-element analysis and by voltage-source inverters on-site. The derived model is validated by experimental results obtained with an example double-star interior PM (IPM) synchronous machine having the sets displaced by 30 electrical degrees. The derived transformation, and consequently, the decoupled d–q machine model, are shown to model the behavior of an actual machine with an acceptable accuracy. Thus, the proposed model is suitable to be used for the model-based control design of electric drives consisting of double-star IPM synchronous machines.

Kaasupoljinohjeen toteuttaminen hybridilinja-auton säätöjärjestelmälle

Sähkö- ja hybridiajoneuvot yleistyvät tiukentuvien päästömääräysten seurauksena, koska sähkömoottoritekniikan avulla ajoneuvon kokonaishyötysuhdetta on mahdollista parantaa merkittävästi. Akkujen kapasiteettiin, kokoon, painoon ja latausaikoihin liittyvien ongelmien vuoksi sekä nestemäistä polttoainetta että sähköä hyödyntävä hybriditekniikka on toistaiseksi pelkkään sähkökäyttöön verrattuna usein toimivampi toteutus. Vanhojen hyötyajoneuvojen hybridikonversiot saattavatkin yleistyä, jos voidaan osoittaa, että konversio on toteutettavissa järkevin resurssein ja voidaan laatia konversion teknisiä haasteita helpottavia ohjeita. Syksyllä 2012 käynnistyi Lappeenrannan Teknillisen Yliopiston vetämä CAMBUS-projekti, jossa on tarkoitus kehittää kaupallisesti tarjolla olevia järjestelmiä pätevämpi hybriditekniikka linja-autokäyttöön. Tämä kandidaatintyö pyrkii kirjallisuuskatsauksen keinoin selvittämään, minkälainen kaasupolkimen toteutus olisi tätä hybridikonversiota ajatellen paras kuljettajan kontrolloiman säätöohjeen käytännön toteutukseen. Lähdemateriaalina on käytetty mm. Boschin ja Automobiltechnische Zeitschriftin ajoneuvoalan käsikirjoja ja oppikirjoja, Volkswagenin koulutuskäsikirjoja ja täydentävästi tieteellisiä artikkeleita ja patentteja. Niiden pohjalta on koottu yleisimmät tämänhetkiset tekniset toteutustavat, pohdittu tiedonsiirron ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden haasteita, sekä kokonaissäätöjärjestelmän näkökulmasta säätöohjeen suuretta. Selvityksen perusteella polkimen asentotunnistuksen kannalta oleellista on turvallisuus, eli lähinnä mekaaninen kestävyys ja riittävä häiriösuojaus. Ajoneuvossa ilmeneviä voimakkaita magneettikenttiä hyvin sietävä digitaalinen väyläjärjestelmä voi hyvin toteutettuna myös yksinkertaistaa ajoneuvon sähköjärjestelmän muuta toteutusta. Aineistojen perusteella vääntömomentti on luonnollisin valinta ohjaussuureeksi. Vääntömomenttiohjeen avulla voidaan helposti luoda selkeä ja johdonmukainen tuntuma kuljettajalle voimanlähteiden turvalliseen hallintaan ja se helpottaa myös kommunikointia pidonhallintajärjestelmän ja muiden ajoneuvon hallintaan liittyvien järjestelmien kanssa.

Kestomagneettitahtikonekäyttöjen erot

Permanent magnet drives with nominal power over 10 kW were not a cost-sufficient system 25 years ago due to high material expenses. The improvements in motor drives, the rise in competition and the tightening of standards and regulations have caused that the PM-drives are more and more common in the over 10 kW nominal power range. The goal of this thesis is to research the performance in relation to nominal power of a PM-drive technique that is vastly increasing its popularity in fan related devices. The studied motor technique brushless direct current drive (BLDC) consists of a voltage source inverter, permanent motor and six-step-control. The reference drive is a brushless alternating current drive (BLAC) which consists of a VSI, PM and a hysteresis control. As a conclusion there are no major obstacles that would impede the BLDC-drive technique from expanding to larger power stages. The following factors must be taken into consideration when designing a BLDC-drive: motor’s current change rate, inverter switching frequency, motor’s nominal electric frequency, phase inductance and the current handling capability of the inverter. The fluctuating material costs create instability to the end prices of PM-motors that can in the worst case lead to diminished interest towards BLDC- and PM-drives in general.

Wind Turbine Direct-Drive Permanent-Magnet Generator with Direct Liquid Cooling for Mass Reduction

Today’s electrical machine technology allows increasing the wind turbine output power by an order of magnitude from the technology that existed only ten years ago. However, it is sometimes argued that high-power direct-drive wind turbine generators will prove to be of limited practical importance because of their relatively large size and weight. The limited space for the generator in a wind turbine application together with the growing use of wind energy pose a challenge for the design engineers who are trying to increase torque without making the generator larger. When it comes to high torque density, the limiting factor in every electrical machine is heat, and if the electrical machine parts exceed their maximum allowable continuous operating temperature, even for a short time, they can suffer permanent damage. Therefore, highly efficient thermal design or cooling methods is needed. One of the promising solutions to enhance heat transfer performances of high-power, low-speed electrical machines is the direct cooling of the windings. This doctoral dissertation proposes a rotor-surface-magnet synchronous generator with a fractional slot nonoverlapping stator winding made of hollow conductors, through which liquid coolant can be passed directly during the application of current in order to increase the convective heat transfer capabilities and reduce the generator mass. This doctoral dissertation focuses on the electromagnetic design of a liquid-cooled direct-drive permanent-magnet synchronous generator (LC DD-PMSG) for a directdrive wind turbine application. The analytical calculation of the magnetic field distribution is carried out with the ambition of fast and accurate predicting of the main dimensions of the machine and especially the thickness of the permanent magnets; the generator electromagnetic parameters as well as the design optimization. The focus is on the generator design with a fractional slot non-overlapping winding placed into open stator slots. This is an a priori selection to guarantee easy manufacturing of the LC winding. A thermal analysis of the LC DD-PMSG based on a lumped parameter thermal model takes place with the ambition of evaluating the generator thermal performance. The thermal model was adapted to take into account the uneven copper loss distribution resulting from the skin effect as well as the effect of temperature on the copper winding resistance and the thermophysical properties of the coolant. The developed lumpedparameter thermal model and the analytical calculation of the magnetic field distribution can both be integrated with the presented algorithm to optimize an LC DD-PMSG design. Based on an instrumented small prototype with liquid-cooled tooth-coils, the following targets have been achieved: experimental determination of the performance of the direct liquid cooling of the stator winding and validating the temperatures predicted by an analytical thermal model; proving the feasibility of manufacturing the liquid-cooled tooth-coil winding; moreover, demonstration of the objectives of the project to potential customers.

Vääntökuormitetun koteloprofiilipuomin väsymiskestävyys

Tässä työssä tutkittiin vääntökuormitettua hitsattua koteloprofiilipuomia. Vääntökuormitus aiheuttaa koteloprofiiliin vinouttavan voimasysteemin, joka aiheuttaa kotelopalkkiin sekä poikittaisia taivutusjännityksiä että pitkittäisiä jännityksiä. Vinoutumisen aiheuttamia lisära-situksia on tutkittu analyyttisesti BEF-analogian avulla sekä elementtimenetelmää apuna käyttäen. Lisäksi vääntökuormitus aiheuttaa puomiin estetyn väännön jännityksiä. Väsymiskestoikää tutkittiin laboratoriossa suoritettujen väsytyskokeiden avulla sekä las-kennallisesti. Kestoikälaskennassa käytettiin tehollisen lovijännityksen menetelmää hitsin juuren puolen väsymisen arvioinnissa sekä hot spot- jännityksen menetelmää hitsin rajavii-van väsymisen arvioinnissa. Teholliset lovijännitykset sekä hot spot jännitykset ovat määri-tetty elementtimenetelmän avulla. Laboratoriokokeiden ja elementtimenetelmä laskennan perusteella saatiin rakenteen kes-toiän kannalta kriittiset detaljit määritettyä. Kriittiset detaljit sijaitsevat puomin päädyn rakenteissa. Tutkimuksessa saatiin selville, että kriittisten detaljien rakenteellisilla ja valmis-tusteknisillä ratkaisuilla on merkittävä vaikutus lopullisen tuotteen väsymiskestoikään.

Kestomagneettitahtikoneen vääntömomentin tuottokyvyn optimointi hybridibussikäyttöön

Työssä tarkastellaan hybridi- ja sähköajoneuvojen voimankäyttöjärjestelmiä ja bussin ajomoottorina toimivan kestomagneettitahtikoneen toimintaa ja sen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön. Esitetään analyyttinen työkalu kestomagneettitahtikoneen induktanssisuunnittelun ja koneen vääntömomentin tuottokyvyn optimoinnin tueksi. Työkalua hyödynnetään esitettävässä ajomoottorin mitoituslaskelmassa. Työssä päätellään, että kestomagneettitahtimoottori soveltuu hyvin ajoneuvokäyttöön. Maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi sen roottorin rakenne ja induktanssit on optimoitava. Analysoimalla ajoneuvokäyttöön tarkoitettua kestomagneettitahtimoottoria työkalun avulla havaitaan, että yhtä suuremmalla induktanssisuhteella vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä kuin ajettaessa konetta taajuusmuuttajalla vakioteholla nimelliskuormalla. Vastaavasti yhtä pienemmillä induktanssisuhteilla vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä. Todetaan, että vääntömomentti kasvaa induktanssisuhteen poiketessa yhdestä. Suuri vääntömomentti saadaan pienillä induktanssisuhteilla. Induktanssisuhteen kasvattaminen yhdestä ei lisää moottorin tuottamaa vääntömomenttia yhtä paljon kuin induktanssisuhteen pienentäminen. Työn lopuksi verrataan työkalun laskemia tuloksia kirjallisuudesta löytyvillä yhtälöillä laskettuihin tuloksiin. Työkalun laskemat tulokset vaikuttavat ristiriidattomilta ja yhteneväisiltä teorian kanssa. Työkalun toteutuksessa tehdyt teoreettiset yksinkertaistukset aiheuttavat todennäköisesti epätarkkuutta tuloksissa erityisesti suurella kuormituksella.

Energy and Dynamics of the solar agricultural robot "SolarSprayer"

The main objective of the present study was to design an agricultural robot, which work is based on the generation of the electricity by the solar panel. To achieve the proper operation of the robot according to the assumed working cycle the detailed design of the main equipment was made. By analysing the possible areas of implementation together with developments, the economic forecast was held. As a result a decision about possibility of such device working in agricultural sector was made and the probable topics of the further study were found out.

Comparison study of two competing models of an all mechanical power transmission system

A comparison between two competing models of an all mechanical power transmission system is studied by using Dymola –software as the simulation tool. This tool is compared with Matlab/ Simulink –software by using functionality, user-friendliness and price as comparison criteria. In this research we assume that the torque is balanceable and transmission ratios are calculated. Using kinematic connection sketches of the two transmission models, simulation models are built into the Dymola simulation environment. Models of transmission systems are modified according to simulation results to achieve a continuous variable transmission ratio. Simulation results are compared between the two transmission systems. The main features of Dymola and MATLAB/ Simulink are compared. Advantages and disadvantages of the two softwares are analyzed and compared.

Energy saving potential in reservoir pumping

Pumping systems account for up to 22 % of the energy consumed by electrical motors in European industry. Many studies have shown that there is also a lot of potential for energy savings in these systems with the improvement of devices, flow control or surrounding sys-tem. The best method for more energy efficient pumping has to be found for each system separately. This thesis studies how energy saving potential in reservoir pumping system is affected by surrounding variables, such as the static head variation and friction factor. The objective is to create generally applicable graphs to quickly compare methods for reducing pumping system’s energy costs. The gained results are several graphs showcasing how the chosen variables affect energy saving potential of the pumping system in one specific case. To judge if these graphs are generally applicable, more testing with different pumps and environments are required.