Tasasähköverkon modulaarisen vaihtosuuntaajan rakenne- ja kustannusanalyysi

Diplomityössä tarkastellaan tapausta, jossa tasasähköverkon vaihtosuuntaaja toteutetaan kolmella yksivaiheisella suuntaajalla yhden kolmivaiheisen sijaan. Modulaarinen rakenne mahdollistaa sen, että osa vaiheista voitaisiin sammuttaa kun kuormitus on erittäin pientä eikä kuorma ole kolmivaiheista. Galvaaninen erotus oletetaan tehtävän erottavalla DC-DC -konvertterilla, joka mahdollistaa samalla vaihtosuuntaajan DC-syöttöjännitteen muuttamisen. Työssä tutkitaan, mitkä tekijät vaikuttavat DC-syöttöjännitteen valintaan sekä tehdään valinta kyseisen jännitteen arvolle. Valittua jännitetasoa käytetään vaihtosuuntaajan suunnittelemiseen. Vaihtosuuntaajan rakennetta tarkastellaan vaihtosuuntaussillan kytkinkomponenttien sekä lähtöjännitteen suotimen osalta. Yksivaiheiselle moduulille määritetään optimaalinen teholuokka investointi- ja käyttökustannusten kannalta. Tarkastelu pitää sisällään erilaisten transistoritekniikkojen, kytkentätaajuuksien sekä kahden suodintyypin vaikutuksen kustannustehokkuuteen.

Active inverter output filtering methods

Frequency converters are widely used in the industry to enable better controllability and efficiency of variable speed AC motor drives. Despite these advantages, certain challenges concerning the inverter and motor interfacing have been present for decades. As insulated gate bipolar transistors entered the market, the inverter output voltage transition rate significantly increased compared with their predecessors. Inverters operate based on pulse width modulation of the output voltage, and the steep voltage edge fed by the inverter produces a motor terminal overvoltage. The overvoltage causes extra stress to the motor insulation, which may lead to a prematuremotor failure. The overvoltage is not generated by the inverter alone, but also by the sum effect of the motor cable length and the impedance mismatch between the cable and the motor. Many solutions have been shown to limit the overvoltage, and the mainstream products focus on passive filters. This doctoral thesis studies an alternative methodology for motor overvoltage reduction. The focus is on minimization of the passive filter dimensions, physical and electrical, or better yet, on operation without any filter. This is achieved by additional inverter control and modulation. The studied methods are implemented on different inverter topologies, varying in nominal voltage and current.For two-level inverters, the studied method is termed active du/dt. It consists of a small output LC filter, which is controlled by an independent modulator. The overvoltage is limited by a reduced voltage transition rate. For multilevel inverters, an overvoltage mitigation method operating without a passive filter, called edge modulation, is implemented. The method uses the capability of the inverter to produce two switching operations in the same direction to cancel the oscillating voltages of opposite phases. For parallel inverters, two methods are studied. They are both intended for two-level inverters, but the first uses individual motor cables from each inverter while the other topology applies output inductors. The overvoltage is reduced by interleaving the switching operations to produce a similar oscillation accumulation as with the edge modulation. The implementation of these methods is discussed in detail, and the necessary modifications to the control system of the inverter are presented. Each method is experimentally verified by operating industrial frequency converters with the modified control. All the methods are found feasible, and they provide sufficient overvoltage protection. The limitations and challenges brought about by the methods are discussed.

Hitsatun rakenteen lujuustarkastelu kokeellisesti määritetyn kuormitushistorian perusteella

Työssä tutkittiin jätteen murskauksesta murskaimeen aiheutuvia kuormituksia vastusvenymäliuskamittauksilla. Eri jätetyyppien aiheuttamia kuormituksia tutkittiin erillisinä tapauksina ja näistä tyyppikuormituksista johdettiin rakenteen normaalia käyttöä vastaava kuormitushistoria käyttäen painokertoimia eri tyyppikuormien kesken. Murskaimen runkorakennetta tutkittiin FE-analyysillä käyttäen kuormituksena kenttämittauksilla saatua todellista kuormitusta. FE-menetelmällä tutkittiin väsymisen kannalta kriittisiä kohtia rakenteesta. Tulosten perusteella kriittisiin yksityiskohtiin laadittiin parannusehdotuksia, joiden perusteella yhteistyössä työn teettäjän kanssa laadittiin uudet rakenneratkaisut. Rakenteen kestoikä määritettiin väsymisvaurion kannalta kriittisimmän yksityiskohdan mukaan. Kestoiän määrittämiseen käytettiin Palmgren-Miner menetelmää ja Palmgren-Miner menetelmästä johdettua ekvivalentin jännitysvaihtelun menetelmää. Muutosten jälkeen rakenne täyttää sille asetetun suunnittelukestoiän käytettyjen menetelmien perusteella.

Eri laskentamenetelmien vertailu hitsatun rakenteen väsymislaskennassa

Tässä työssä tutkittiin eri mitoitusmenetelmien soveltuvuutta hitsattujen rakenteiden vä-symislaskennassa. Käytetyt menetelmät olivat rakenteellinen jännityksen menetelmä, te-hollisen lovijännityksen menetelmä ja murtumismekaniikka. Lisäksi rakenteellisen jänni-tyksen määrittämiseksi käytettiin kolmea eri menetelmää. Menetelmät olivat pintaa pitkin ekstrapolointi, paksuuden yli linearisointi ja Dongin menetelmä. Väsymiskestävyys määritettiin kahdelle hitsiliitoksen yksityiskohdalle. Laskenta tehtiin käyttäen elementtimenetelmää rakenteen 3D-mallille. Tutkittavasta aggregaattirungosta oli olemassa FE-malli mutta alimallinnustekniikkaa hyödyntämällä pystyttiin yksityiskohtai-semmin tutkimaan vain pientä osaa koko rungon mallista. Rakenteellisen jännityksen menetelmä perustuu nimellisiin jännityksiin. Kyseinen mene-telmä ei vaadi geometrian muokkausta. Yleensä rakenteellisen jännityksen menetelmää käytetään hitsin rajaviivan väsymislaskennassa, mutta joissain tapauksissa sitä on käytetty juuren puolen laskennassa. Tässä työssä rakenteellisen jännityksen menetelmää käytettiin myös juuren puolen tutkimisessa. Tehollista lovijännitystä tutkitaan mallintamalla 1 mm fiktiiviset pyöristykset sekä rajaviivalle että juuren puolelle. Murtumismekaniikan so-veltuvuutta tutkittiin käyttämällä Franc2D särön kasvun simulointiohjelmaa. Väsymislaskennan tulokset eivät merkittävästi poikkea eri laskentamenetelmien välillä. Ainoastaan rakenteellisen jännityksen Dongin menetelmällä saadaan poikkeavia tuloksia. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että menetelmän laskentaetäisyydestä ei ole tietoa. Raken-teellisen jännityksen menetelmällä, tehollisen lovijännityksen menetelmällä ja murtumis-mekaniikalla saadaan samansuuntaiset tulokset. Suurin ero menetelmien välillä on mal-linnuksen ja laskennan vaatima työmäärä.

Novel Methods for Error Modeling and Parameter Identification of a Redundant Serial-Parallel Hybrid Robot

To obtain the desirable accuracy of a robot, there are two techniques available. The first option would be to make the robot match the nominal mathematic model. In other words, the manufacturing and assembling tolerances of every part would be extremely tight so that all of the various parameters would match the “design” or “nominal” values as closely as possible. This method can satisfy most of the accuracy requirements， but the cost would increase dramatically as the accuracy requirement increases. Alternatively, a more cost-effective solution is to build a manipulator with relaxed manufacturing and assembling tolerances. By modifying the mathematical model in the controller, the actual errors of the robot can be compensated. This is the essence of robot calibration. Simply put, robot calibration is the process of defining an appropriate error model and then identifying the various parameter errors that make the error model match the robot as closely as possible. This work focuses on kinematic calibration of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant serial-parallel hybrid robot. The robot consists of a 4-DOF serial mechanism and a 6-DOF hexapod parallel manipulator. The redundant 4-DOF serial structure is used to enlarge workspace and the 6-DOF hexapod manipulator is used to provide high load capabilities and stiffness for the whole structure. The main objective of the study is to develop a suitable calibration method to improve the accuracy of the redundant serial-parallel hybrid robot. To this end, a Denavit–Hartenberg (DH) hybrid error model and a Product-of-Exponential (POE) error model are developed for error modeling of the proposed robot. Furthermore, two kinds of global optimization methods, i.e. the differential-evolution (DE) algorithm and the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm, are employed to identify the parameter errors of the derived error model. A measurement method based on a 3-2-1 wire-based pose estimation system is proposed and implemented in a Solidworks environment to simulate the real experimental validations. Numerical simulations and Solidworks prototype-model validations are carried out on the hybrid robot to verify the effectiveness, accuracy and robustness of the calibration algorithms.

FAT-luokkien määritys hitsatuille levyliitoksille käyttämällä lineaarisen murtumismekaniikan särönkasvun simulointia

Työssä tutkittiin hitsattujen levyliitosten väsymiskestävyyden mitoitusarvoja. Hitsien väsymiskestävyyden mitoitusarvot määritettiin lineaarista murtumismekaniikkaa soveltavalla 2D FEM-laskentaohjelmalla. Murtumismekaanisen laskennan tuloksista määriteltiin, eri liitosgeometrioiden ja kuormitustyyppien mukaisia, nimellisen jännityksen väsymismitoitusmenetelmää vastaavia FAT-luokkia, joissa on huomioitu rakenteellinen jännitys hitsiä vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tutkittujen liitosten geometriat olivat pääsääntöisesti poikkeavia mitoitusstandardien ja ohjeiden sisältämistä taulukkotapauksista. Laskennassa otettiin huomioon hitsien liittymiskulma perusaineeseen, rajaviivan pyöristykset ja vajaa hitsautumissyvyys. Kuormitustyyppien vaihtelua tutkittiin rakenteellisen jännityksen taivutusosuuden muutoksilla ja kuormaa kantavien X-liitosten risteävien kuormituksien suhteellisilla suuruuksilla. Väsymiskestävyydet määritettiin kuormituskohtaisille kalvo- ja taivutusjännityksille sekä näiden jännitysjakaumien keskiarvoille. Työssä saatuja FAT-luokkia voidaan hyödyntää vastaavien geometrioiden ja kuormitusten yhteydessä, sekä interpoloimalla myös tuloksien väliarvoissa. Työssä käytetyillä menetelmillä voidaan parantaa nimellisen jännityksen mitoitusmenetelmän tarkkuutta ja laajentaa sitä koskemaan myös taulukkotapausten ulkopuolisia liitoksia. Työn tuloksissa on esitetty FAT-luokkia T-, X- ja päittäisliitoksille ja näiden eri kuormitusyhdistelmille.

Ongelmien ratkaisun rooli asiakastyytyväisyyden hallinnassa b2b-kontekstissa

Tutkielman tarkoituksena oli tutkia ongelmien ratkaisun roolia asiakastyytyväisyyden hallinnassa b2b-kontekstissa. Työn tavoitteena oli tutkia asiakkaan ongelmien ratkaisun ja asiakastyytyväisyyden välistä yhteyttä sekä tunnistaa tekijät, jotka vaikuttavat asiakkaan ongelmien ratkaisuun. Asiakastyytyväisyys on osa asiakaskokemusta. Tietyt asiakastyytyväisyyden piirteet ovat yhteisiä sekä b2b- että b2c-kontekstille, mutta ensin mainitulle on myös pelkästään sille ominaisia piirteitä. Ongelmien ratkaiseminen vaikuttaa yleisesti asiakastyytyväisyyteen ja sen merkitys on huomattava. Näihin aiheisiin liittyvää kirjallisuutta on työssä esitelty laajasti. Tutkimusmenetelmänä oli laadullinen tapaustutkimus, jossa havaittiin, että ongelmien ratkaiseminen vaikuttaa asiakastyytyväisyyteen voimakkaasti b2b-kontekstissa. Lisäksi löydettiin muutamia keinoja tunnistaa tyytyväisyyden kannalta tärkeitä tapauksia sekä suuri joukko toimia, joilla yritykset voivat kehittää ongelmien ratkaisemista asiakastyytyväisyyttä turvaavalla tavalla.

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.

Capacity of an I-beam made of S960 QC based on Eurocode 3

The capacity of beams is a very important factor in the study of durability of structures and structural members. The capacity of a high-strength steel I-beam made of S960 QC was investigated in this study. The investigation included assessment of the service limits and ultimate limits of the steel beam. The thesis was done according to European standards for steel structures, Eurocode 3. An analytical method was used to determine the throat thickness, deformation, elastic and plastic moment capacities as well as the fatigue life of the beam. The results of the analytical method were compared with those obtained by Finite Element Analysis (FEA). Elastic moment capacity obtained by the analytical method was 172 kNm. FEA and the analytical method predicted the maximum lateral-torsional buckling (LTB) capacity in the range of 90-93 kNm and the probability of failure as a result of LTB is estimated to be 50%. The lateral buckling capacity meant that the I-beam can carry a safe load of 300 kN instead of the initial load of 600 kN. The beam is liable to fail shortly after exceeding the elastic moment capacity. Based on results in of the different approaches, it was noted that FEA predicted higher deformation values on the load-deformation curve than the analytical results. However, both FEA and the analytical methods predicted identical results for nominal stress range and moment capacities. Fatigue life was estimated to be in the range of 53000-64000 cycles for bending stress range using crack propagation equation and strength-life approach. As Eurocode 3 is limited to steel grades up to S690, results for S960 must be verified with experimental data and appropriate design rules.

FE-analyysin soveltaminen S960 QC teräksisen I-profiilin äärikestävyyden määrittämisessä

Tässä työssä tutkittiin FE-analyysin soveltamista S960 QC teräksisen I-profiilin kestävyyden määrittämisessä. Työn tavoitteena oli tarkastella nykyisten suunnitteluohjeiden soveltuvuutta ultralujille teräksille ja koota ohjemateriaali I-profiilin optimoimisesta sekä FE-analyysin hyö-dyntämisestä I-profiilin staattisen ja dynaamisen kestävyyden määrittämisessä. I-profiili mitoitettiin ja optimoitiin Eurokoodi 3:ssa esitettyjen PL3 mukaisten mitoitusohjeiden avulla. Rakenteelle suoritettiin Eurokoodi 3:n ja IIW:n mukaiset lommahdus-, kiepahdus- ja vä-symiskestävyystarkastelut. Väsymistarkastelussa sovellettiin nimellisen jännityksen, rakenteelli-sen jännityksen ja tehollisen lovijännityksen menetelmiä sekä murtumismekaniikkaa. Rakenteel-lisen jännityksen menetelmässä sovellettiin lisäksi lineaarista ja parabolista pintaa pitkin ekstra-polointia, paksuuden yli linearisointia sekä Dong:in menetelmää. Lommahdus-, kiepahdus- ja väsymistarkasteluissa hyödynnettiin analyyttistä laskentaa, FE-analyysiä sekä Frank2d sovellusta. Tarkastelujen perusteella voidaan todeta, että analyyttisillä menetelmillä saadaan numeerisia me-netelmiä varmemmalla puolella olevia tuloksia. Lommahdustarkastelussa ero tulosten välillä on suurimmillaan 8 % ja kiepahdustarkastelussa suurimmillaan 20 % mutta väsymistarkastelussa saadut tulokset eroavat keskenään huomattavasti. Väsymistarkastelussa tehollisen lovijännityksen menetelmällä sekä rakenteellisen jännityksen menetelmän Dong:in menetelmällä saadaan huo-mattavasti muita menetelmiä pidempiä kestoikiä, kun taas yksinkertaisemmilla menetelmillä saa-dut kestoiät ovat lyhyempiä. Rakenteen kestävyyden määrittäminen analyyttisillä menetelmillä on melko helppoa, mutta tu-lokset ovat monesti liian konservatiivisia. FE-analyysillä saadaan puolestaan hyvin tarkkoja tu-loksia mallin ollessa yksityiskohtainen. Mallintaminen on kuitenkin aikaa ja resursseja vievää ja vaatii käyttökokemusta. FE-analyysin mahdolliset hyödyt on aina arvioitava tapauskohtaisesti tarkasteltavan geometrian, kuormitusten ja reunaehtojen perusteella.

Turveperävaunun väsymiskestävyyden parantaminen

Työssä tutkittiin turveperävaunun renkaan kiinnitysrakenteen väsymiskestävyyttä. Väsymiskestävyyden parantamiseksi renkaiden kiinnityskohdan muotoilu ja mitoitus suunniteltiin uudelleen. Suunnittelussa keskityttiin ensisijaisesti nimellisten ja rakenteellisten jännitysheilahdusten pienentämiseen. Sekä vanhan, että uuden rakenneratkaisun väsymiskestoikiä tarkasteltiin käyttämällä hot spot – menetelmää.

Rivan kärjen jännityskomponentit

Tässä kandidaatin työssä on tutkitti miten eri jännityskomponentit käyttäytyvät rivan kärjen läheisyydessä. Työssä tutkittiin kahta eri mallia, rivallista levyä ja rivallista levyä hitsauksesta johtuvalla kulmavetäymällä. Tutkimus suoritettiin FEA-analyysin avulla. Komponenttien käyttäytymistä tutkittiin sekä veto- että taivutuskuormituksella. Tuloksissa on verrattu miten kulmavetäymä vaikuttaa komponenttien syntyyn ja miten eri kuormituksilla saadut tulokset poikkeavat toisistaan.

Pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä

Tässä diplomityössä määritettiin pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä. Työn tavoitteena oli vertailla eri jälkikäsittelyjen ja kahden eri materiaalin vaikutusta väsymislujuuteen. Materiaaleina kokeissa oli Ruukki double grade ja Optim 700 Plus MH. Eurokoodi 3 ja IIW määrittelee kiinnityshitseille väsymiskestävyysluokaksi 125-140, kun SN -käyrän kaltevuus, m = 3. Koetuloksia vertailtiin näihin valmiiksi määriteltyihin väsymiskestävyysluokkiin. Ruukki Metals Oy toimitti koemateriaalin kahdenlaisia väsytyskokeita varten, joiden avulla väsymislujuus voitiin määrittää. Ensimmäinen koe suoritettiin värähtelyllä hyödyntäen rakenneputken ominaistaajuutta, jolloin kuormituksen rajajännityssuhde on -1. Toinen väsytyskoe suoritettiin rakenneputkista leikatuille väsytyssauvoille, missä pituussuuntainen HF –hitsi on keskellä sauvaa. Tämä väsytyskoe suoritettiin vetotykytyksellä rajajännityssuhteella 0,1. Väsytyskokeissa havaittiin, että kiinnityshitsi täyttää sille asetetut vaatimukset, koska murtumat tapahtuivat perusaineesta. Tällöin koetuloksia vertaillaan Eurokoodi 3:n perusaineen väsymisluokkaan 160, SN -käyrän kaltevuudella m = 5. Kaikkien koetulosten väsymiskestävyysluokan keskiarvoksi saatiin 185 95 %:n todennäköisyydellä. Tutkimuksessa saatiin arvokasta tietoa kahden eri materiaalin väsymislujuudesta. Materiaalilla ei kuitenkaan havaittu vaikutusta lujuuteen. Eri jälkikäsittelyt eli juuren puolen metallipurseen höyläys tai pituussuuntaisen hitsisauman hehkutus eivät vaikuttaneet väsymislujuuteen. Kokeissa väsymismurtuma ydintyi rakenneputken pinnalta olevista alkuvioista, joten putkien käsittelyä valmistuksen jälkeen voitaisiin parantaa.

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.

Notchikololiitosten FE-analyysit

Työn kandidaatintyössä tutkittiin kolollisen levyrakenteen hot spot -jännityksiä ja väsymiskestävyyttä varioimalla kolon sädettä. Työssä haluttiin selvittää, kuinka hot spot -jännitykset, rakenteen kestoikä ja rakenteen kriittinen kohta muuttuvat, kun kolon sädettä muutetaan. Työn tavoitteena oli myös tutkia, kuinka laboratoriossa suoritettujen väsytyskokeiden ja tietokoneella laskettujen elementtimallien tulokset eroavat toisistaan.