Monitoring of centrifugal pump operation by a frequency converter

Centrifugal pumps are widely used in industrial and municipal applications, and they are an important end-use application of electric energy. However, in many cases centrifugal pumps operate with a significantly lower energy efficiency than they actually could, which typically has an increasing effect on the pump energy consumption and the resulting energy costs. Typical reasons for this are the incorrect dimensioning of the pumping system components and inefficiency of the applied pump control method. Besides the increase in energy costs, an inefficient operation may increase the risk of a pump failure and thereby the maintenance costs. In the worst case, a pump failure may lead to a process shutdown accruing additional costs. Nowadays, centrifugal pumps are often controlled by adjusting their rotational speed, which affects the resulting flow rate and output pressure of the pumped fluid. Typically, the speed control is realised with a frequency converter that allows the control of the rotational speed of an induction motor. Since a frequency converter can estimate the motor rotational speed and shaft torque without external measurement sensors on the motor shaft, it also allows the development and use of sensorless methods for the estimation of the pump operation. Still today, the monitoring of pump operation is based on additional measurements and visual check-ups, which may not be applicable to determine the energy efficiency of the pump operation. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the use of a frequency converter as a monitoring and analysis device for a centrifugal pump. Firstly, the determination of energy-efficiency- and reliability-based limits for the recommendable operating region of a variable-speed-driven centrifugal pump is discussed with a case study for the laboratory pumping system. Then, three model-based estimation methods for the pump operating location are studied, and their accuracy is determined by laboratory tests. In addition, a novel method to detect the occurrence of cavitation or flow recirculation in a centrifugal pump by a frequency converter is introduced. Its sensitivity compared with known cavitation detection methods is evaluated, and its applicability is verified by laboratory measurements for three different pumps and by using two different frequency converters. The main focus of this thesis is on the radial flow end-suction centrifugal pumps, but the studied methods can also be feasible with mixed and axial flow centrifugal pumps, if allowed by their characteristics.

Virtaavan veden hyödyntäminen keskitetyssä lämmöntuotannossa

Tässä työssä tutkittiin uudenlaista kaukolämmön tuotantotapaa, joka perustuu lämmöntal-teenottoon jokivedestä lämpöpumpuilla. Tutkimuksessa luotiin kokonaiskuva uudenlaisen lämmöntuotannon toiminnasta, sekä selvitettiin tuotannon soveltumista Suomeen. Tuotan-non kattavuus selvitettiin laskennan avulla käymällä läpi kaikki kaukolämpöä myyvien yri-tysten kaukolämpöverkot. Verkoston kulutustietoihin yhdisteltiin jokien virtaamatietoja. Laskenta tehtiin taulukkolaskentaohjelmalla ja kohteita oli yhteensä 184. Työssä tutkittiin myös laitoksen ympäristövaikutuksia lämpövaraston, jokiekosysteemin ja hiilidioksidipäästöjen osalta. Merkittävimmät vaikutukset tulisivat Suomen ilmastossa suu-riksi muodostuvien lämpövarastojen rakentamisesta. Jokiekosysteemin kannalta laitoksen toiminnan vaikutukset osoittautuivat pääasiassa positiivisiksi. Hiilidioksidipäästöjen lasken-nassa laitos oletettiin täysin päästöttömäksi, koska sähköverkkoa tarkasteltiin vuoden 2050 näkökulmasta, jolloin sähköntuotannon oletettiin olevan päästötöntä. Laskennasta selvisi, että laitoksilla pystyttäisiin kattamaan 22,7 % kaukolämmityksen tar-peesta. Tämä tarkoittaisi noin 1,6 milj. tonnin hiilidioksidipäästöjen välttämistä vuositasolla. Laitostyypin todettiin soveltuvan paremmin vain kesänaikaisen lämmöntarpeen kattami-seen. Talviaikainen lämmöntarve olisi parempi kattaa jollakin muulla ratkaisulla.

On the Analysis and Control of a Linear Synchronous Servomotor with a Flexible Load

Industry's growing need for higher productivity is placing new demands on mechanisms connected with electrical motors, because these can easily lead to vibration problems due to fast dynamics. Furthermore, the nonlinear effects caused by a motor frequently reduce servo stability, which diminishes the controller's ability to predict and maintain speed. Hence, the flexibility of a mechanism and its control has become an important area of research. The basic approach in control system engineering is to assume that the mechanism connected to a motor is rigid, so that vibrations in the tool mechanism, reel, gripper or any apparatus connected to the motor are not taken into account. This might reduce the ability of the machine system to carry out its assignment and shorten the lifetime of the equipment. Nonetheless, it is usually more important to know how the mechanism, or in other words the load on the motor, behaves. A nonlinear load control method for a permanent magnet linear synchronous motor is developed and implemented in the thesis. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired velocity reference as fast as possible and without awkward oscillations. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm with its stability ensured by the Lyapunov stability theorem. As a reference controller for the backstepping method, a hybrid neural controller is introduced in which the linear motor itself is controlled by a conventional PI velocity controller and the vibration of the associated flexible mechanism is suppressed from an outer control loop using a compensation signal from a multilayer perceptron network. To avoid the local minimum problem entailed in neural networks, the initial weights are searched for offline by means of a differential evolution algorithm. The states of a mechanical system for controllers are estimated using the Kalman filter. The theoretical results obtained from the control design are validated with the lumped mass model for a mechanism. Generalization of the mechanism allows the methods derived here to be widely implemented in machine automation. The control algorithms are first designed in a specially introduced nonlinear simulation model and then implemented in the physical linear motor using a DSP (Digital Signal Processor) application. The measurements prove that both controllers are capable of suppressing vibration, but that the backstepping method is superior to others due to its accuracy of response and stability properties.

Developing of the Variable Speed Drive -control in simulated parallel pumping systems

This thesis presents briefly the basic operation and use of centrifugal pumps and parallel pumping applications. The characteristics of parallel pumping applications are compared to circuitry, in order to search analogy between these technical fields. The purpose of studying circuitry is to find out if common software tools for solving circuit performance could be used to observe parallel pumping applications. The empirical part of the thesis introduces a simulation environment for parallel pumping systems, which is based on circuit components of Matlab Simulink —software. The created simulation environment ensures the observation of variable speed controlled parallel pumping systems in case of different controlling methods. The introduced simulation environment was evaluated by building a simulation model for actual parallel pumping system at Lappeenranta University of Technology. The simulated performance of the parallel pumps was compared to measured values of the actual system. The gathered information shows, that if the initial data of the system and pump perfonnance is adequate, the circuitry based simulation environment can be exploited to observe parallel pumping systems. The introduced simulation environment can represent the actual operation of parallel pumps in reasonably accuracy. There by the circuitry based simulation can be used as a researching tool to develop new controlling ways for parallel pumps.

High speed release -mittausmenetelmän käyttäminen tarralaminaattiprosessin ohjaukses

Työn tavoitteena oli tutkia HSR(High Speed Release)-mittausmenetelmän käyttämistä tarralaminaattiprosessin ohjauksessa UPM Raflatacissa. Nykyisin käytössä olevaan LSR(Low Speed Release)-menetelmään verrattuna HSR-menetelmä kuvaa paremmin tarralaminaatin jatkojalostuksessa sekä etiketöinnissä tapahtuvaa irrotustyötä. Lisäksi työssä tutkittiin irrotusnopeuden vaikutusta HSR-arvoon. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin tarralaminaatin rakenteeseensekä valmistusprosessiin. Koska silikonin valinnalla on merkittävä vaikutus tarralaminaatin releasearvoon, kirjallisessa osassa syvennytään tarkastelemaan tarralaminaatin valmistuksessa käytettyjä silikoneja sekänäiden rakennetta. Kirjallisuusosassa on myös käsitelty muita releasetasoon vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellisessa osassa oli tarkoituksena tutkia HSR-mittausmenetelmän käytettävyyttä tarralaminaatin prosessinohjauksessa. Tätä tutkittiin selvittämällä nykyisin käytössä olevan LSR-menetelmän sekä HSR-menetelmän välistä korreloituvuutta. Mikäli näidenvälillä olisi korreloituvuutta, voitaisiin prosessinohjauksessa ajatella siirtyvän HSR-mittaukseen. Korrelaatiota näiden kahden menetelmän välille ei kuitenkaan löydetty. Työssä tutkittiin myös irrotusnopeuden vaikutusta tuotteen HSR-arvoon. Testeihin valittiin useita eri tuotteita useilta tuotantolaitoksilta. Kaikilla näillä tuotteilla releasearvo kasvoi irrotusnopeutta lisättäessä. Lisäksi työssä määritettiin uudet HSR-spesifikaatiot tietyille tuotteille. Kaikille UPM Raflatacin tuotteille on määritetty LSRspesifikaatiot, HSR-spesifikaatiot on asetettu vain tietyille tuotteille.

On Modelling, System Identification and Control of Servo-Systems with a Flexible Load

The present study was done with two different servo-systems. In the first system, a servo-hydraulic system was identified and then controlled by a fuzzy gainscheduling controller. The second servo-system, an electro-magnetic linear motor in suppressing the mechanical vibration and position tracking of a reference model are studied by using a neural network and an adaptive backstepping controller respectively. Followings are some descriptions of research methods. Electro Hydraulic Servo Systems (EHSS) are commonly used in industry. These kinds of systems are nonlinearin nature and their dynamic equations have several unknown parameters.System identification is a prerequisite to analysis of a dynamic system. One of the most promising novel evolutionary algorithms is the Differential Evolution (DE) for solving global optimization problems. In the study, the DE algorithm is proposed for handling nonlinear constraint functionswith boundary limits of variables to find the best parameters of a servo-hydraulic system with flexible load. The DE guarantees fast speed convergence and accurate solutions regardless the initial conditions of parameters. The control of hydraulic servo-systems has been the focus ofintense research over the past decades. These kinds of systems are nonlinear in nature and generally difficult to control. Since changing system parameters using the same gains will cause overshoot or even loss of system stability. The highly non-linear behaviour of these devices makes them ideal subjects for applying different types of sophisticated controllers. The study is concerned with a second order model reference to positioning control of a flexible load servo-hydraulic system using fuzzy gainscheduling. In the present research, to compensate the lack of dampingin a hydraulic system, an acceleration feedback was used. To compare the results, a pcontroller with feed-forward acceleration and different gains in extension and retraction is used. The design procedure for the controller and experimental results are discussed. The results suggest that using the fuzzy gain-scheduling controller decrease the error of position reference tracking. The second part of research was done on a PermanentMagnet Linear Synchronous Motor (PMLSM). In this study, a recurrent neural network compensator for suppressing mechanical vibration in PMLSM with a flexible load is studied. The linear motor is controlled by a conventional PI velocity controller, and the vibration of the flexible mechanism is suppressed by using a hybrid recurrent neural network. The differential evolution strategy and Kalman filter method are used to avoid the local minimum problem, and estimate the states of system respectively. The proposed control method is firstly designed by using non-linear simulation model built in Matlab Simulink and then implemented in practical test rig. The proposed method works satisfactorily and suppresses the vibration successfully. In the last part of research, a nonlinear load control method is developed and implemented for a PMLSM with a flexible load. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired position reference as fast as possible and without awkward oscillation. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm whose stability is ensured by the Lyapunov stability theorem. The states of the system needed in the controller are estimated by using the Kalman filter. The proposed controller is implemented and tested in a linear motor test drive and responses are presented.

Direct torque control of permanent magnet synchronous machines - analysis and implementation

Thedirect torque control (DTC) has become an accepted vector control method besidethe current vector control. The DTC was first applied to asynchronous machines,and has later been applied also to synchronous machines. This thesis analyses the application of the DTC to permanent magnet synchronous machines (PMSM). In order to take the full advantage of the DTC, the PMSM has to be properly dimensioned. Therefore the effect of the motor parameters is analysed taking the control principle into account. Based on the analysis, a parameter selection procedure is presented. The analysis and the selection procedure utilize nonlinear optimization methods. The key element of a direct torque controlled drive is the estimation of the stator flux linkage. Different estimation methods - a combination of current and voltage models and improved integration methods - are analysed. The effect of an incorrect measured rotor angle in the current model is analysed andan error detection and compensation method is presented. The dynamic performance of an earlier presented sensorless flux estimation method is made better by improving the dynamic performance of the low-pass filter used and by adapting the correction of the flux linkage to torque changes. A method for the estimation ofthe initial angle of the rotor is presented. The method is based on measuring the inductance of the machine in several directions and fitting the measurements into a model. The model is nonlinear with respect to the rotor angle and therefore a nonlinear least squares optimization method is needed in the procedure. A commonly used current vector control scheme is the minimum current control. In the DTC the stator flux linkage reference is usually kept constant. Achieving the minimum current requires the control of the reference. An on-line method to perform the minimization of the current by controlling the stator flux linkage reference is presented. Also, the control of the reference above the base speed is considered. A new estimation flux linkage is introduced for the estimation of the parameters of the machine model. In order to utilize the flux linkage estimates in off-line parameter estimation, the integration methods are improved. An adaptive correction is used in the same way as in the estimation of the controller stator flux linkage. The presented parameter estimation methods are then used in aself-commissioning scheme. The proposed methods are tested with a laboratory drive, which consists of a commercial inverter hardware with a modified software and several prototype PMSMs.

Database Rights in Safe European Home: The Path to More Rigorous Protection of Information

1. Introduction "The one that has compiled ... a database, the collection, securing the validity or presentation of which has required an essential investment, has the sole right to control the content over the whole work or over either a qualitatively or quantitatively substantial part of the work both by means of reproduction and by making them available to the public", Finnish Copyright Act, section 49.1 These are the laconic words that implemented the much-awaited and hotly debated European Community Directive on the legal protection of databases,2 the EDD, into Finnish Copyright legislation in 1998. Now in the year 2005, after more than half a decade of the domestic implementation it is yet uncertain as to the proper meaning and construction of the convoluted qualitative criteria the current legislation employs as a prerequisite for the database protection both in Finland and within the European Union. Further, this opaque Pan-European instrument has the potential of bringing about a number of far-reaching economic and cultural ramifications, which have remained largely uncharted or unobserved. Thus the task of understanding this particular and currently peculiarly European new intellectual property regime is twofold: first, to understand the mechanics and functioning of the EDD and second, to realise the potential and risks inherent in the new legislation in economic, cultural and societal dimensions. 2. Subject-matter of the study: basic issues The first part of the task mentioned above is straightforward: questions such as what is meant by the key concepts triggering the functioning of the EDD such as presentation of independent information, what constitutes an essential investment in acquiring data and when the reproduction of a given database reaches either qualitatively or quantitatively the threshold of substantiality before the right-holder of a database can avail himself of the remedies provided by the statutory framework remain unclear and call for a careful analysis. As for second task, it is already obvious that the practical importance of the legal protection providedby the database right is in the rapid increase. The accelerating transformationof information into digital form is an existing fact, not merely a reflection of a shape of things to come in the future. To take a simple example, the digitisation of a map, traditionally in paper format and protected by copyright, can provide the consumer a markedly easier and faster access to the wanted material and the price can be, depending on the current state of the marketplace, cheaper than that of the traditional form or even free by means of public lending libraries providing access to the information online. This also renders it possible for authors and publishers to make available and sell their products to markedly larger, international markets while the production and distribution costs can be kept at minimum due to the new electronic production, marketing and distributionmechanisms to mention a few. The troublesome side is for authors and publishers the vastly enhanced potential for illegal copying by electronic means, producing numerous virtually identical copies at speed. The fear of illegal copying canlead to stark technical protection that in turn can dampen down the demand for information goods and services and furthermore, efficiently hamper the right of access to the materials available lawfully in electronic form and thus weaken the possibility of access to information, education and the cultural heritage of anation or nations, a condition precedent for a functioning democracy. 3. Particular issues in Digital Economy and Information Networks All what is said above applies a fortiori to the databases. As a result of the ubiquity of the Internet and the pending breakthrough of Mobile Internet, peer-to-peer Networks, Localand Wide Local Area Networks, a rapidly increasing amount of information not protected by traditional copyright, such as various lists, catalogues and tables,3previously protected partially by the old section 49 of the Finnish Copyright act are available free or for consideration in the Internet, and by the same token importantly, numerous databases are collected in order to enable the marketing, tendering and selling products and services in above mentioned networks. Databases and the information embedded therein constitutes a pivotal element in virtually any commercial operation including product and service development, scientific research and education. A poignant but not instantaneously an obvious example of this is a database consisting of physical coordinates of a certain selected group of customers for marketing purposes through cellular phones, laptops and several handheld or vehicle-based devices connected online. These practical needs call for answer to a plethora of questions already outlined above: Has thecollection and securing the validity of this information required an essential input? What qualifies as a quantitatively or qualitatively significant investment? According to the Directive, the database comprises works, information and other independent materials, which are arranged in systematic or methodical way andare individually accessible by electronic or other means. Under what circumstances then, are the materials regarded as arranged in systematic or methodical way? Only when the protected elements of a database are established, the question concerning the scope of protection becomes acute. In digital context, the traditional notions of reproduction and making available to the public of digital materials seem to fit ill or lead into interpretations that are at variance with analogous domain as regards the lawful and illegal uses of information. This may well interfere with or rework the way in which the commercial and other operators have to establish themselves and function in the existing value networks of information products and services. 4. International sphere After the expiry of the implementation period for the European Community Directive on legal protection of databases, the goals of the Directive must have been consolidated into the domestic legislations of the current twenty-five Member States within the European Union. On one hand, these fundamental questions readily imply that the problemsrelated to correct construction of the Directive underlying the domestic legislation transpire the national boundaries. On the other hand, the disputes arisingon account of the implementation and interpretation of the Directive on the European level attract significance domestically. Consequently, the guidelines on correct interpretation of the Directive importing the practical, business-oriented solutions may well have application on European level. This underlines the exigency for a thorough analysis on the implications of the meaning and potential scope of Database protection in Finland and the European Union. This position hasto be contrasted with the larger, international sphere, which in early 2005 does differ markedly from European Union stance, directly having a negative effect on international trade particularly in digital content. A particular case in point is the USA, a database producer primus inter pares, not at least yet having aSui Generis database regime or its kin, while both the political and academic discourse on the matter abounds. 5. The objectives of the study The above mentioned background with its several open issues calls for the detailed study of thefollowing questions: -What is a database-at-law and when is a database protected by intellectual property rights, particularly by the European database regime?What is the international situation? -How is a database protected and what is its relation with other intellectual property regimes, particularly in the Digital context? -The opportunities and threats provided by current protection to creators, users and the society as a whole, including the commercial and cultural implications? -The difficult question on relation of the Database protection and protection of factual information as such. 6. Dsiposition The Study, in purporting to analyse and cast light on the questions above, is divided into three mainparts. The first part has the purpose of introducing the political and rationalbackground and subsequent legislative evolution path of the European database protection, reflected against the international backdrop on the issue. An introduction to databases, originally a vehicle of modern computing and information andcommunication technology, is also incorporated. The second part sets out the chosen and existing two-tier model of the database protection, reviewing both itscopyright and Sui Generis right facets in detail together with the emergent application of the machinery in real-life societal and particularly commercial context. Furthermore, a general outline of copyright, relevant in context of copyright databases is provided. For purposes of further comparison, a chapter on the precursor of Sui Generi, database right, the Nordic catalogue rule also ensues. The third and final part analyses the positive and negative impact of the database protection system and attempts to scrutinize the implications further in the future with some caveats and tentative recommendations, in particular as regards the convoluted issue concerning the IPR protection of information per se, a new tenet in the domain of copyright and related rights.

Induction motor versus permanent magnet synchronous motor in motion control applications: a comparative study

High dynamic performance of an electric motor is a fundamental prerequisite in motion control applications, also known as servo drives. Recent developments in the field of microprocessors and power electronics have enabled faster and faster movements with an electric motor. In such a dynamically demanding application, the dimensioning of the motor differs substantially from the industrial motor design, where feasible characteristics of the motor are for example high efficiency, a high power factor, and a low price. In motion control instead, such characteristics as high overloading capability, high-speed operation, high torque density and low inertia are required. The thesis investigates how the dimensioning of a high-performance servomotor differs from the dimensioning of industrial motors. The two most common servomotor types are examined; an induction motor and apermanent magnet synchronous motor. The suitability of these two motor types indynamically demanding servo applications is assessed, and the design aspects that optimize the servo characteristics of the motors are analyzed. Operating characteristics of a high performance motor are studied, and some methods for improvements are suggested. The main focus is on the induction machine, which is frequently compared to the permanent magnet synchronous motor. A 4 kW prototype induction motor was designed and manufactured for the verification of the simulation results in the laboratory conditions. Also a dynamic simulation model for estimating the thermal behaviour of the induction motor in servo applications was constructed. The accuracy of the model was improved by coupling it with the electromagnetic motor model in order to take into account the variations in the motor electromagnetic characteristics due to the temperature rise.

Analysis of torque and speed ripple producing non-idealities of frequency converters in electric drives

Electric motors driven by adjustable-frequency converters may produce periodic excitation forces that can cause torque and speed ripple. Interaction with the driven mechanical system may cause undesirable vibrations that affect the system performance and lifetime. Direct drives in sensitive applications, such as elevators or paper machines, emphasize the importance of smooth torque production. This thesis analyses the non-idealities of frequencyconverters that produce speed and torque ripple in electric drives. The origin of low order harmonics in speed and torque is examined. It is shown how different current measurement error types affect the torque. As the application environment, direct torque control (DTC) method is applied to permanent magnet synchronous machines (PMSM). A simulation model to analyse the effect of the frequency converter non-idealities on the performance of the electric drives is created. Themodel enables to identify potential problems causing torque vibrations and possibly damaging oscillations in electrically driven machine systems. The model is capable of coupling with separate simulation software of complex mechanical loads. Furthermore, the simulation model of the frequency converter's control algorithm can be applied to control a real frequency converter. A commercial frequencyconverter with standard software, a permanent magnet axial flux synchronous motor and a DC motor as the load are used to detect the effect of current measurement errors on load torque. A method to reduce the speed and torque ripple by compensating the current measurement errors is introduced. The method is based on analysing the amplitude of a selected harmonic component of speed as a function oftime and selecting a suitable compensation alternative for the current error. The speed can be either measured or estimated, so the compensation method is applicable also for speed sensorless drives. The proposed compensation method is tested with a laboratory drive, which consists of commercial frequency converter hardware with self-made software and a prototype PMSM. The speed and torque rippleof the test drive are reduced by applying the compensation method. In addition to the direct torque controlled PMSM drives, the compensation method can also beapplied to other motor types and control methods.

Market Study of Electric Drive Motion Control Business

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia älykkäiden paikoituskäyttöjen markkinoita ja liiketoimintamalleja. Työn pääongelmina oli määritellä alalla käytössä olevaa terminologiaa, määrittää markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaaville kolmivaihetaajuusmuuttajille, tutkia viiden alalla toimivan paikoituskäyttötoimittajan liiketoimintarakenteita ja tuotteita teknisestä näkökulmasta sekä esitellä kaksi teollisuuden käyttökohdetta paikoituskäytölle. Työn sisältö voidaan jakaa neljään eri osioon. Terminologian määrittely- ja markkinatutkimusosiot perustuvat pääasiassa kirjallisuustutkimukseen. Paikoituskäyttöjen toimittajia sekä niiden tuotteita käsittelevä osuus perustuu kirjallisuustutkimukseen sekä teknisiin esitteisiin ja manuaaleihin. Paikoituskäyttöjen sovellusesimerkit on selvitetty haastatteluin. Työ painottuu paikoituskäyttötoimittajien tuotteiden, tuoteominaisuuksien ja tuotetarjonnan tarkasteluun. Työn tuloksena on määritelty paikoituskäyttöjen liiketoiminnan tärkeimmät termit, paikoituskäyttöjen markkinoiden koko sekä markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaavalle kolmivaihetaajuusmuuttajalle. Alalla toimivien paikoituskäyttötoimittajien liiketoimintarakenne on selvitetty, jonka mukaan toimittajat on profiloitu komponentti-, komponenttipaketti-, toimialakeskeisiksi tai automaatiotoimittajiksi. Toimittajien paikoituskäyttötuotteet on luokiteltu viiteen eri luokkaan niiden teknisten ominaisuuksien perusteella. Lisäksi paikoituskäyttöjen suorituskyvyt on selvitetty säätimien momentti-, nopeus-, ja paikoituslaskenta-aikatasojen sekä kenttäväyläliityntöjen suhteen. Työssä kuvatut vanerinsorvausprosessi sekä FMS -materiaalinkäsittelyprosessi esittävät paikoituskäyttöjen potentiaalisia sovelluskohteita.

Hienopaperimassojen lujuusominaisuudet nopeassa vetokuormituksessa

Työssä verrattiin koivu-, akaasia- ja eucalyptussellujen käyttökelpoisuutta hienopapereiden kuituraaka-aineena. Kirjallisuusosassa todettiin radan hallinnan paperikoneiden avoimissa vienneissä riippuvan käytetyn geometrian lisäksi lujuus- ja relaksaatio-ominaisuuksista. Kuituverkoston käyttäytymiseen jännityksen alaisena vaikuttavat kuitudimensiot, kosteus ja lämpötila sekä kuituverkostoon kohdistetun jännityksen nopeus ja määrä. Relaksaationopeus ja vetolujuus kasvavat kuivilla papereilla vetonopeuden lisääntyessä. Kosteuspitoisuuden kasvattaminen alentaa puukuiduissa olevien polymeerien lasisiirtymälämpötilaa, jonka seurauksena vetolujuus ja relaksaatiokireys laskevat voimakkaasti. Kosteuspitoisuuden kasvaessa murtovenymä kasvaa lähes lineaarisesti ja repäisylujuus sekä murtotyö saavuttavat maksiminsa tietyssä kosteuspitoisuudessa. Kokeellisessa osassa keskityttiin hienopaperimassojen lujuus- ja relaksaatiokäyttäytymisen selvittämiseen nopeassa vetokuormituksessa. Lisäksi määritettiin laatu-, massa- ja rakenneominaisuuksia valituille koepisteille. Muuttujina kokeissa olivat massojen kuiva-ainepitoisuudet ja jauhatusolosuhteet sekä havusellun osuus hienopaperimassoissa.CSF-tasoon 350 ml jauhetuista näytteistä parhaat lujuus ja relaksaatio-ominaisuudet olivat koivulla ja heikoimmat akaasialla. Erot koepisteiden välillä korostuivat pienellä havusellun määrällä, mutta kaventuivat huomattavasti havusellun määrää lisättäessä. Samaan vetolujuuteen jauhettaessa massojen erot poistuvat kokonaan. Kuivilla näytteillä löydettiin erinomainen korrelaatio myötölujuuden ja relaksaatiokireyden välille. Puristinkuivien näytteiden relaksaatiokireyksiä voidaan kokeiden valossa ennustaa parhaiten kuivien näytteiden vetolujuuksista. Myös elastisten venymien osuuksille ja kuituseinämien paksuuksille löydettiin selvä yhteys.Eucalyptus- ja akaasiamassojen erinomaisuus hienopapereiden raaka-aineena korostui niiden optisissa ominaisuuksissa, erityisesti korkeana valonsirontana. Verrattaessa samassa vetolujuudessa ja relaksaatiokireydessä valonsirontakertoimien arvoja havaittiin akaasian olevan paras koivun jäädessä heikoimmaksi. Lisäksi akaasian ja eucalyptuksen kapeat kuitujakaumat ovat edullisia painokoneessa värin tasaisen imeytymisen kannalta. Akaasian pienet ja taipuisat kuidut antavat paperille tasaisen pinnan ja siten painatuksessa tasaisen painoalustan.

The Control of the Edge Shrinkage in Board

Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää prosessiparametrejä nestepakkauskartongin reuna-alueiden kuivatuskutistuman hallintaan ja saada tuotteen reuna-alueiden sileystaso paremmaksi. Tarkoituksena oli parantaa reuna-alueiden painettavuusominaisuuksia sekä saada koneen poikkisuunnassa laadultaan parempi tuote. Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu työn kannalta nestepakkauskartongin kriittisimpiä ominaisuuksia, sileyttä ja jäykkyyttä. Lisäksi kirjallisuusosassa on tarkasteltu kuitujen ominaisuuksia, sylinterikuivatusta ja kuivatuskutistumaa. Kokeellisessa osassa on etsitty esitutkimuksella prosessiparametrejä, jotka ovat aiheuttaneet poikkisuunnan sileyserojen kasvun kartonkikoneen investoinnin jälkeen. Suoria korrelaatioita prosessiparametrien ja kuivatuskutistuman välille ei löydetty. Kokeellisen osan tehdasmittakaavaisissa koeajoissa tutkittiin kahdeksan eri parametrin vaikutusta kuivatuskutistumaan, jotka perustuivat kirjallisuuteen. Tutkituista parametreistä huulisuihkun iskukulman muutoksella sekä konesuuntaisella kuivatusprofiililla ei ollut vaikutusta kuivatuskutistumaan. Runkokerroksen mäntysellun korvaaminen koivusellulla vähensi kuivatuskutistumaa ja lisäsi sileyttä, mutta tuotteen palstautumislujuus ei tällöin ollut riittävä. Retentiokemikaalien reseptimuutoksilla pinta- ja taustakerroksen välillä, kuivatusosan nollatason laskulla ja perälaatikkosakeuksien pienentämisellä oli vähän vaikutusta kuivatuskutistumaan. Vaikutus reuna-alueiden sileyteen oli kuitenkin vähemmän kuin 10 %. Diplomityön perusteella kuivatusosan nopeuseroilla ja kuivatusviirojen kireyksillä oli suurin vaikutusta kuivatuskutistumaan ja reuna-alueiden sileystasoon. Lisäämällä nopeuseroja ja kiristämällä kuivatusviiroja reuna-alueiden sileyttä pystyttiin parantamaan yli 20 %.

Real-time Linux in electric drive systems

Reaaliaikaisten käyttöjärjestelmien käyttö sulautetuissa järjestelmissä on kasvamassa koko ajan. Sulautettuja tietokoneita käytetään yhä useammassa kohteessa kuten sähkökäyttöjen ohjauksessa. Sähkökäyttöjen ohjaus hoidetaan nykyisin yleensä nopealla digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP), jolloin ohjelmointi ja päivittäminen on hidasta ja vaikeaa johtuen käytettävästä matalan tason Assembler-kielestä. Ratkaisuna yleiskäyttöisten prosessorien ja reaaliaikakäyttöjärjestelmien käyttö. Kaupalliset reaaliaikakäyttöjärjestelmät ovat kalliita ja lähdekoodin saaminen omaan käyttöön jopa mahdotonta. Linux on ei-kaupallinen avoimen lähdekoodin käyttöjärjestelmä, joten sen käyttö on ilmaista ja sitä voi muokata vapaasti. Linux:iin on saatavana useita laajennuksia, jotka tekevät siitä reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän. Vaihtoehtoina joko kova (hard) tai pehmeä (soft) reaaliaikaisuus. Linux:iin on olemassa valmiita kehitysympäristöjä mutta ne kaipaavat parannusta ennen kuin niitä voidaan käyttää suuressa mittakaavassa teollisuudessa. Reaaliaika Linux ei sovellus nopeisiin ohjauslooppeihin (<100 ms) koska nopeus ei riitä vielä mutta nopeus kasvaa samalla kun prosessorit kehittyvät. Linux soveltuu hyvin rajapinnaksi nopean ohjauksen ja käyttäjän välille ja hitaampaan ohjaukseen.

Cooling system optimization in medium-speed engines

Tässä työssä optimoidaan keskinopean Wärtsilä 32 -dieselmoottorin jäähdytysjärjestelmää ja tutkitaan taajuusmuuttajien käyttömahdollisuutta kiertopumppujen yhteydessä niin, että järjestelmässä saataisiin kiertämään vain kulloinkin tarvittava määrä vettä. Tutkimuksen mallinnus on toteutettu laatimalla aiemmin käytössä olleista yksinkertaisista simulointimalleista yksi malli, johon on sisällytetty sekä virtauksen että lämmönsiirron laskenta, jotka on aiemmin mallinnettu erillisillä ohjelmilla. Diplomityö on osa projektia, joka on tehty Sähkötekniikan osaston tutkijan Mikko Pääkkösen kanssa yhteistyössä. Tämän diplomityö keskittyy lähinnä virtausteknisiin ja lämmönsiirtoon liittyviin asioihin, kun taas sähkötekniikan osuus on esitetty Mikko Pääkkösen raportissa. Tulosten perustella voidaan sanoa, että taajuusmuuttajakäyttö kannattaa kiertopumppujen yhteydessä. Käyttämällä pumppujen virtaussäätöä voidaan jäähdytysjärjestelmästä jättää monia komponentteja, kuten termostaattiventtiilejä pois. Mallinnetut yksinkertaiset piiriratkaisut näyttävät toimivan ainakin yleisellä tasolla. Tutkimusta pumppujen säädöstä ja tässä projektissa luoduista jäähdytysjärjestelmäkonfiguraatioista kannattaa jatkaa.