Laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen ruoripotkurikäytön vuorovaikutusten mallintaminen

Diplomityössä on tutkittu sähköisellä potkurijärjestelmällä varustetun laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen propulsiokäytön vuorovaikutusta laivan hätäpysäytyksen aikana. Työssä on kehitetty simulointimalleja jännitevälipiirillisten sähkökäyttöjen simuloimiseksi Saber -simulontiohjelmistolla.Työn alkuosassa esitetään lyhyt yhteenveto laivan sähköisestä potkurijärjestelmästä komponentteineen, käsitellään laivan hätäpysäytyksen teoriaa sekä simuloinneissa huomioonotettavia laivan ja potkurin hydrodynaamisia ominaisuuksia. Työssä käytettävän simulointiohjelmiston toimintaa selvitetään lyhyesti. Jännitevälipiirillisellä propulsiokäytöllä varustetun laivan hätäpysäytyksen simulointimalli esitellään kokonaisuudessaan ja käsitellään simulointimallin sisältämien osakokonaisuuksien teoriaa ja toimintaa. Kehitetyn simulointimallin toimintaa on tarkasteltu vertaamalla tuloksia vastaavansyklokonvertterikäytöllä varustetun laivan simulointituloksiin sekä vertaamallasimulointituloksia laivan merikoeajon yhteydessä tehtyihin mittauksiin. Simulointitulokset vastasivat teoriaa sekä mittaustuloksia varsin hyvin. Voimalaitoksenosalta ei mittaustuloksia ollut käytettävissä, mutta simulointitulokset ovat teorian mukaisia.

Sähköverkkotiedonsiirtomenetelmän kehittäminen taajuusmuuttajaohjattuihin sähkökäyttöihin

Sähkömoottorin jatkuva-aikainen kunnonvalvonta vaatii tiedonsiirtoa moottorilta ylemmälle tietojärjestelmätasolle, kuten taajuusmuuttajalle. Uusien kaapeleiden asennus on työlästä ja kallista. Moottorin ja taajuusmuuttajan välillä on kuitenkin aina kaapeli, jota käytetään moottorin tehonsyöttöön. Tätä kaapelia on mahdollista käyttää myös tiedonsiirtokanavana. Tässä diplomityössä käsitellään ja tutkitaan sähköverkkotiedonsiirtomenetelmää, jonka avulla voidaan muodostaa Ethernet-yhteys moottorilta taajuusmuuttajalle tai toisinpäin. Työssä kehitetään simulointimalli tiedonsiirtokanavan taajuusriippuvan vaimennuksen simuloimiseen. Lisäksi kehitetään kytkentärajapinta, joka mahdollistaa tiedonsiirron kolmivaiheisessa taajuusmuuttajan syöttämässä moottorikaapelissa. Työssä suunnitellaan ja toteutetaan tiedonsiirtoa varten pilot-laitteisto, jolla tehdään laboratoriotestit. Laboratoriotesteillä varmistetaan menetelmän soveltuvuus. Laboratoriotestien avulla etsitään myös reunaehdot tiedonsiirron toiminnalle ja tiedonsiirtonopeuteen vaikuttavia tekijöitä taajuusmuuttajakäytössä. Lisäksi tarkastellaan menetelmän aiheuttamaa viivettä, joka on tärkeäsäätösovellusten kannalta. Lopuksi arvioidaan menetelmän soveltuvuus käytännön sovelluksiin.

Paalutuskoneen vakavuuslaskennan kehittäminen

Tässä diplomityössä tutkitaan paalutuskoneen stabiliteetti- elivakavuuslaskennan toteuttamista yleisesti käytetyn monikappaledynamiikan ohjelmiston avulla. Vakavuuslaskenta kuuluu olennaisena osana paalutuskoneen suunnitteluun ja siitä saadut tulokset asettavat rajat massoille, joita paalutuskone pystyy turvallisesti käsittelemään. Tutkittavana kohteena oli uudentyyppinen poraavapaalutuskone, josta saatiin myös todellista mittaustietoa työssä laaditun simulointimallin toimivuuden arvioimiseksi. Työssä kokeiltiin erityisesti ohjelmiston tarjoamia keinoja laskentaprosessin yksinkertaistamiseksi jasimulointimallin käytön helpottamiseksi. Koska simulointimalli haluttiin säilyttää mahdollisimman yksinkertaisena, porakoneen komponentit mallinnettiin jäykkinä. Mallin ratkaisussa käytettiin staattista ja kvasistaattista analyysia. Dynaamisten voimien vaikutus porakoneeseen otettiin mallissa huomioon lisäämällä massakeskipisteisiin vastaavat pistevoimat.

Taajuusmuuttajan häviöidensimulointityökalun kehitys

Diplomityössä on kehitetty kaksitasoisen jännitevälipiirillisen taajuusmuuttajan häviöiden simulointiin käytettävä simulointimalli osaksi säädettävän sähkömoottorikäytön simulointityökalua, jolla voidaan analysoida eri säätöalgoritmien, kuormituksen ja kytkentätaajuuden vaikutusta taajuusmuuttajan häviöihin. Aluksi on selvitetty yksityiskohtaisesti taajuusmuuttajan häviölähteet ja häviöiden fysikaalinen tausta. Taajuusmuuttajassa käytettäville komponenteille on esitetty simulointimalleja. Taajuusmuuttajan malli ja häviöiden laskenta-algoritmit on toteutettu C-kielellä. Taajuusmuuttajan malli vastaa perusrakenteeltaan ACS800-02-0260-5 - taajuusmuuttajaa. ACS800-02-0260-5 -taajuusmuuttajan häviöitä on simuloitu erilaisissa kuormitustilanteissa, ja simulointien tueksi taajuusmuuttajan häviöt on pyritty selvittämään laboratoriomittauksin.

Paperikoneen vesi- ja energiatehokkuuden parantaminen

Työn tavoitteena oli laatia reaaliaikaiset vesi- ja energiatasenäytöt Stora Enso PublicationPaper Veitsiluodon tehtaalle, paperikone 5:lle. Tavoitteena oli myös simuloida kyseisen paperikonelinjan vesitase. Aluksi työssä piirrettiin lohkokaaviot taseita varten paperikoneen kaikista vettä tai energiaa sisältävistä jakeista. Näitä yksinkertaistettuja lohkokaavioita hyväksi käyttäen laadittiin taseidenlaskentakaavat, jotka testattiin tarkastuslaskelmien avulla. Vesi- ja energiataseista tehtiin myös suunnitelmat prosessinohjausjärjestelmän tasenäytöiksi. FlowMac-simulointiohjelmalla rakennetun paperikone 5 vesitaseen simulointimallin tulosten oikeellisuutta arvioitiin herkkyysanalyysin avulla. Tehdyn herkkyysanalyysin tuloksien perusteella voidaan olettaa, että simulointimalli toimii luotettavasti. Tämän vesitaseen simulointimallin avulla tarkasteltiin kiekkosuotimien uudistamisen vaikutuksia paperikonelinjan vesitaseeseen. Tarkastelussa huomattiin, että vaihtamalla kiekkosuotimien syöttöventtiilit kolmea jaetta tuottaviksi, voitaisiin flotaatioallas ja suihkuveden kaarisihti poistaa käytöstä. Tulevaisuudessa simulointimallia voidaan käyttää myös monilla muilla eri tavoin hyödyksi kyseisellä paperikoneella. Työssä laaditut vesi- ja energiataseet saatiin niin tarkoiksi kuin se nykyisiä mittauksia hyödyntäen on mahdollista. Jostaseita haluttaisiin tarkentaa, olisi paperikonelinjalle syytä lisätä joitakin mittauksia. Myös työssä tehty vesitaseen simulointi FlowMac:lla onnistui hyvin mutta kyseisessä ohjelmassa havaittiin silti joitakin kehittämistarpeita. Työn tuloksien perusteella vettä ja energiaa voitaisiin mahdollisesti säästää paperikone 5:llä esimerkiksi laimennussäätöisen perälaatikon avulla, kiekkosuotimien uusimisella sekä kenkäpuristimen käyttöönotolla. Jatkotutkimuskohteita voisivat olla esimerkiksi paperikone 5:n lämpötase, kemiallisesti puhdistetun veden tulolämpötilan nostaminen, hiomon suodosveden ylimääräisen lämmön hyödyntäminen paperikone 5 kirkassuodoksen lämmittämisen jälkeen, lämmön talteenotossa lämmitysvesikennon ja prosessivesikennon järjestyksen vaihtaminen sekä vastaavien vesi- ja energiataseiden laatiminen paperikone 1:lle ja hiomolle.

Puunkäsittelykoneen simulointi ja mekaaniset häviöt

Diplomityö on osa Savonia-amk:n koneosaston TOVI-projektia, jossa metsä-konevalmistaja Ponsse Oyj on mukana. Työssä tutkittiin Ponsse Oyj:n metsäkoneen harvesteripäätä. Tavoitteena oli harvesteripään puun syöttöliikkeessä syntyvien mekaanisten häviöiden selvittäminen. Mekaanisilla häviöillä tarkoitamme karsintaterien kitkavoimia ja syöttörullien vierintävastusta.Edellisten lisäksi tavoitteena oli tutkia puun syöttöliikkeen simuloitavuutta monikappaledynamiikkaan perustuvalla simu-lointiohjelmistolla. Työ toteutettiin mittaamalla harvesteripään hydraulisten toimilaitteiden paineita, puun syötön aikana. Mittasimme myös puun ja harvesteripään välistä liikematkaa, nopeutta, kiihtyvyyttä, sekä puun paksuutta. Mittausten lisäksi harvesteripäästä rakennettiin simulointimalli. Mitattujen paineiden avulla laskettiin vastaavien toimilaitteiden synnyttämät voimat ja momentit. Simulointimallilla toistettiin mittaustapahtumat, käyttäen mittausten avulla laskettuja voimia ja momentteja. Mallin kitkakertoimien ja vierintävastusten avulla simuloidut ja mitatut liikematkat haettiin yhteneviksi. Toisin sanoen, simulointimalli verifioitiin todellisuutta vastaavaksi, jolloin simulointimallista voitiin lukea syntyneet häviöt.

Metsäteollisuuden prosessien suunnittelu simulointiympäristössä

Prosessisimulointiohjelmistojen käyttö on yleistynyt paperiteollisuuden prosessien kartoituksessa ja kyseiset ohjelmistot ovat jo pitkään olleet myös Pöyry Engineering Oy:n työkaluja prosessisuunnittelussa. Tämän työn tavoitteeksi määritettiin prosessisimulointiohjelmistojen käytön selvittäminen suomalaisissa paperitehtaissa sekä prosessisimuloinnin tulevaisuuden näkymien arviointi metsäteollisuuden suunnittelupalveluissa liiketoiminnan kehittämiseksi. Työn teoriaosassa selvitetään mm. seuraavia asioita: mitä prosessisimulointi on, miksi simuloidaan ja mitkä ovat simuloinnin hyödyt ja haasteet. Teoriaosassa esitellään yleisimmät käytössä olevat prosessisimulointiohjelmistot, simulointiprosessin eteneminen sekä prosessisimuloinnin tuotteistamisen vaatimuksia. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin kyselyn avulla prosessisimulointiohjelmistojen käyttöä Suomen paperitehtaissa. Kysely lähetettiin kaikille Suomen tärkeimmille paperitehtaille. Kyselyn avulla selvitettiin mm, mitä ohjelmia käytetään, mitä on simuloitu, mitä pitää vielä simuloida ja kuinka tarpeellisena prosessisimulointia pidetään. Työntulokset osoittavat, että kaikilla kyselyyn vastanneilla suomalaisilla paperitehtailla on käytetty prosessisimulointia. Suurin osa simuloinneista on tehty konelinjoihin sekä massa- ja vesijärjestelmiin. Tulevaisuuden tärkeimpänä kohteena pidetään energiavirtojen simulointia. Simulointimallien pitkäjänteisessä hyödyntämisessä ja ylläpidossa on kehitettävää, jossa simulointipalvelujen hankkiminen palveluna on tehtaille todennäköisin vaihtoehto. Johtopäätöksenä on se, että tehtailla on tarvetta prosessisimuloinnille. Ilmapiiri on kyselytuloksien mukaan suotuisa ja simulointi nähdään tarpeellisena työkaluna. Prosessisimuloinnin markkinointia, erillispalvelutuotteen lisäksi, kannattaisi kehittää siten, että simulointimallin ylläpito jatkuisi projektin jälkeen lähipalveluna. Markkinointi pitäisi tehdä jo projektin alkuvaiheessa tai projektin aikana. Simulointiohjelmien kirjosta suunnittelutoimiston kannattaa valita simulointiohjelmistoja, jotka sopivat sille parhaiten. Erityistapauksissa muiden ohjelmien hankintaa kannattaa harkita asiakkaan toivomusten mukaisesti.

Mekatronisen portaattomasti säädettävän ajoneuvotehonsiirtokoneiston suunnittelu ja simulointi

Työn tarkoituksena on tutkia tehonsiirron ratkaisuja, jotka mahdollistavat jatkuvanopeus ja -momentinsäädön. Työ on rajattu käsittämään kahta eri planeettavaihdetuotetta. Tutkimuksen kohteena ovat valittujen vaihdetuotteiden planeettapyörästöjen eri kytkentämahdollisuudet ja niiden vaikutus toisiinsa. Vaihteiden teknistä toteutusta ja toimivuutta tarkastellaan fyysisten testien, simuloinnin sekä analyyttisen laskennan avulla. Apuna työssä on käytetty Dymola simulointiohjelmaa, jossa kinemaattisten kuvakeliitäntöjen avulla on rakennettu virtuaalimalli tarkastellusta tuotteesta ja sen toiminnasta. Tietokoneen avulla luotua dynaamista simulointimallia on muokattu tutkimuksen edistyessä differentiaalisesti jatkuvasäätöisen momentinmuuntimen aikaan saamiseksi. Tuotteissa on käytetty aurinkopyörällisiä ja aurinkopyörättömiä planeettapyörästöjä. Ensimmäisessä tutkittavassa tuotteessa on kolme planeettapyörästöä ja toisessa kaksi. Teholähteeksi käy polttomoottori tai sähkömoottori. Välitys- ja pyörimissuhteiden muuntoon vaikuttaa planeettavaihteistoon kytketty sähkömoottori, jonka toimintaa voidaan ohjata erikseen. Työssä on selvitetty, millaisia kulmanopeuksia ja momentteja eri ajanhetkellä ja eri pisteissä simulointimallia esiintyy.Lisäksi selvitetään vaihteistojen portaattoman välityssuhteen muuntomahdollisuudet. Tarkoituksena on saada realistista informaatiota tutkittavien laitteiden toiminnasta. Johtavana ajatuksena on modernien menetelmien käyttäminen uusien innovaatioiden toimivuuden ja äärikohtien tutkimiseksi.

Aktiivisten magneettilaakereiden tilasäädön mallinnus ja simulointi

Aktiivisten magneettilaakereiden avulla on mahdollista kannatella ferromagneettisia kappaleita, kuten sähkökoneiden roottoreita, ilman fyysistä kontaktia. Magneettilaakerit tarjoavat monia etuja, kuten esimerkiksi kitkattomuuden, verrattuina perinteisiin mekaanisiin laakereihin. Nämä edut vielä korostuvat suurnopeuskäytöissä, jotka ovat magneettilaakereiden pääasiallisia käyttökohteita. Tässä työssä esitellään magneettilaakereihin liittyvät erusteoriat ja niiden sovellustavat. Tämän jälkeen tarkastellaanmagneettilaakereiden kanssa käytettäviä säätöratkaisuja ja esitetään niille soveltuvat viritysmenetelmät. Teorioiden pohjalta rakennetaan täydellinen magneettilaakerijärjestelmän simulointimalli säätöratkaisuineen ja suoritetaan järjestelmän toimintaa kuvaavia simulointeja. Simuloinneissa saadut tulokset pyritään vielä varmentamaan suorittamalla mittauksia koelaitteistolla ja vertaamalla saatuja tuloksia keskenään.

Laskentamalli PKL-koelaitteiston pienen vuodon kokeen simuloimiseksi Apros-ohjelmistolla

Työn tavoitteena oli tehdä Apros-laskentamalli PKL-koelaitteistosta ja testata kuinka hyvin Apros pystyy laskemaan PKL-koelaitteistolla suoritetun E2.2 pienen vuodon kokeen. Tavoitteena oli myös tarkastella boorittoman veden tulpan etenemistä pienen vuodon kokeen aikana. PKL-koelaitteisto vastaa saksalaista sähköteholtaan 1300 MW olevaa Philippsburg 2 painevesilaitosta. Koelaitteiston tilavuudet ja teho on skaalattu kertoimella 145. Työssä tehdyllä laskentamallilla tarkasteltiin boorittoman veden tulpan liikkumista pienen vuodon kokeen aikana. Kun malli oli valmis, laskenta suoritettiin Apros 5.05 versiolla. Boorittoman veden tulpan etenemisen laskennassa käytettiin toisen kertaluvun diskretointia, jolla booripitoisuuden muutokset säilyvät teräväreunaisina. Laskentamalli pystyi kuvaamaan koelaitteistolla suoritetussa pienen vuodon kokeessa tapahtuneet ilmiöt varsin hyvin. Eroa koetuloksiintuli pääkiertopiirien luonnonkiertojen alkamishetkistä ja primääripaineen käyttäytymisessä. Kokeen alkutilanne ei ollut stationääritila, joten alkutilanteen asettamisessa oli hankaluuksia. Varsinkin pääkiertopiirien veden pinnankorkeuksienasettamisessa oli vaikeuksia, koska veden pinnankorkeuksien erot pyrkivät tasoittumaan nopeasti kokeen aikana. Apros pystyi laskemaan PKL-koelaitteistolla suoritetun pienen vuodon kokeen hyvin. Mallilla tulisi kuitenkin laskea vielä toisentyyppisiäkin kokeita, ennen kuin voidaan varmuudella tietää mallin toimivuus. PKL-koelaitteisto vastaa pääpiirteiltään Suomeen rakennettavaa Olkiluoto 3 ydinvoimalaitosta. Tehty työ antaa lisävarmuutta, kun Olkiluoto 3 laitoksen turvallisuustarkasteluita tehdään.

Dynamic Simulations of Rotors during Drop on Retainer Bearings

The active magnetic bearings have recently been intensively developed because of noncontact support having several advantages compared to conventional bearings. Due to improved materials, strategies of control, and electrical components, the performance and reliability of the active magnetic bearings are improving. However, additional bearings, retainer bearings, still have a vital role in the applications of the active magnetic bearings. The most crucial moment when the retainer bearings are needed is when the rotor drops from the active magnetic bearings on the retainer bearings due to component or power failure. Without appropriate knowledge of the retainer bearings, there is a chance that an active magnetic bearing supported rotor system will be fatal in a drop-down situation. This study introduces a detailed simulation model of a rotor system in order to describe a rotor drop-down situation on the retainer bearings. The introduced simulation model couples a finite element model with component mode synthesis and detailed bearing models. In this study, electrical components and electromechanical forces are not in the focus. The research looks at the theoretical background of the finite element method with component mode synthesis that can be used in the dynamic analysis of flexible rotors. The retainer bearings are described by using two ball bearing models, which include damping and stiffness properties, oil film, inertia of rolling elements and friction between races and rolling elements. Thefirst bearing model assumes that the cage of the bearing is ideal and that the cage holds the balls in their predefined positions precisely. The second bearing model is an extension of the first model and describes the behavior of the cageless bearing. In the bearing model, each ball is described by using two degrees of freedom. The models introduced in this study are verified with a corresponding actual structure. By using verified bearing models, the effects of the parameters of the rotor system onits dynamics during emergency stops are examined. As shown in this study, the misalignment of the retainer bearings has a significant influence on the behavior of the rotor system in a drop-down situation. In this study, a stability map of the rotor system as a function of rotational speed of the rotor and the misalignment of the retainer bearings is presented. In addition, the effects of parameters of the simulation procedure and the rotor system on the dynamics of system are studied.

Direct-on-line axial flux permanent magnet synchronous generator static and dynamic performance

In distributed energy production, permanent magnet synchronous generators (PMSG) are often connected to the grid via frequency converters, such as voltage source line converters. The price of the converter may constitute a large part of the costs of a generating set. Some of the permanent magnet synchronous generators with converters and traditional separately excited synchronous generators couldbe replaced by direct-on-line (DOL) non-controlled PMSGs. Small directly networkconnected generators are likely to have large markets in the area of distributed electric energy generation. Typical prime movers could be windmills, watermills and internal combustion engines. DOL PMSGs could also be applied in island networks, such as ships and oil platforms. Also various back-up power generating systems could be carried out with DOL PMSGs. The benefits would be a lower priceof the generating set and the robustness and easy use of the system. The performance of DOL PMSGs is analyzed. The electricity distribution companies have regulations that constrain the design of the generators being connected to the grid. The general guidelines and recommendations are applied in the analysis. By analyzing the results produced by the simulation model for the permanent magnet machine, the guidelines for efficient damper winding parameters for DOL PMSGs are presented. The simulation model is used to simulate grid connections and load transients. The damper winding parameters are calculated by the finite element method (FEM) and determined from experimental measurements. Three-dimensional finite element analysis (3D FEA) is carried out. The results from the simulation model and 3D FEA are compared with practical measurements from two prototype axial flux permanent magnet generators provided with damper windings. The dimensioning of the damper winding parameters is case specific. The damper winding should be dimensioned based on the moment of inertia of the generating set. It is shown that the damper winding has optimal values to reach synchronous operation in the shortest period of time after transient operation. With optimal dimensioning, interferenceon the grid is minimized.

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.

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.