DTC-induktiomoottorikäytön soveltaminen keskitaajuusalueelle

Työssä tarkastellaan olemassa olevan suoraa vääntömomentin säätöä käyttävän taajuudenmuuttajan soveltamista keskitaajuusalueella toimiviin induktiomoottorikäyttöihin. Keskinopeusalueen sovellusten pyörimisnopeudet ovat tyypillisesti 6000…30000rpm. Tällöin invertterin lähtötaajuuden on nelinapaista moottoria ohjattaessa ulotuttava 1000Hz:iin. ABB:n ACS600 taajuudenmuuttajan nykyinen syöttötaajuus ulottuu noin 400Hz:iin ja sen keskimääräinen kytkentätaajuus on luokkaa 3kHz. Taajuudenmuuttajan keskimääräistä kytkentätaajuutta ei haluta tästä merkittävästi nostaa, koska tällöin pääteasteen mitoitusta ja rakennetta on muutettava. Tarkastelussa keskitytään täten jännitemodulointiin, joka määrittelee invertterin lähtöjännitteen käyrämuodon ja pääteasteen tehokytkimien kytkentätaajuuden. Työssä esitetään suoran käämivuon säädön periaatetta soveltava 30-kulmainen modulointimenetelmä (30-modulointi), jolla moottorin syöttövirrasta voidaan eliminoida 5. ja 7. yliharmoninen komponentti. Yliharmonisten komponenttien eliminointi mahdollistaa passiivisilla komponenteilla toteutetun alipäästösuodattimen asentamisen invertterin lähtöön, jolloin moottorissa tapahtuvat tehohäviöt saadaan pieniksi. 30-moduloinnin ohjaukseen ja säätöön esitetään menetelmät, jotka mahdollistavat sen toteuttamisen nykyiseen taajuudenmuuttajaan ohjelmallisesti ilman suuria laitteistomuutoksia. 30-moduloinnin ominaisuuksia tarkastellaan analyyttisin menetelmin ja sen toimintaa testataan esitettyjen teorioiden perusteella simuloimalla. 30-moduloinnin ohjelmallinen implementointi nykyiseen ACS600:een mahdollistaa periaatteessa noin 600Hz:n syöttötaajuuden saavuttamisen. Tällöin invertterin keskimääräinen kytkentätaajuus voidaan säätää koko pyörimisnopeusalueella alle 4kHz:n tasolle.

Jännitteen reunan hallinta taajuusmuuttajissa

Diplomityössä perehdyttiin taajuusmuuttajien toimintaan ja ohjaukseen. Lisäksi työssä tarkasteltiin vaihtosuuntaajan nopeiden transienttitilojen aiheuttamaa moottorin ylijännitettä. Moottorikaapelin heijastuksia käsiteltiin vertaamalla moottorikaapelia siirtolinjaan ja todennettiin ylijännitteen syyt. Ylijännitteen vähentämiseksi on kehitetty useita suodatusmenetelmiä. Työssä vertailtiin näitä menetelmiä ja kartoitettiin kaupallisia vaihtoehtoja. Taajuusmuuttajan ohjaus on tähän päivään asti tehty yleensä käyttäen mikroprosessoria sekä logiikkapiiriä. Tulevaisuudessa ohjaukseen käytetään todennäköisesti uudelleenohjelmoitavia FPGA-piirejä (Field Programmable Gate Array). FPGA-piirin etuihin kuuluu uudelleenohjelmoitavuus sekä ohjauksen keskittäminen yhdelle piirille.

Moottoreiden ylijännitesuojaus taajuusmuuttajakäytössä

Tämä insinöörityö tehtiin Konecranes Heavy Lifting Oy:n sähkölaitetehtaalle. Työn tavoitteena oli löytää valmiita suodatinratkaisuja nostureissa käytettävien oikosulkumoottoreiden ylijännitesuojaukseen PWM-taajuusmuuttajakäytöissä, sekä tutkia ratkaisuja kokeellisesti mittauksilla. Työssä tutkittiin PWM-taajuusmuuttajakäytöissä ilmeneviä oikosulkumoottoreiden ylijänniteongelmia sekä olemassa olevia suodatinratkaisuja ylijänniterasituksien välttämiseksi. Ongelmaa ja suodattimia tutkittiin teoreettisesti sekä kokeellisesti nosturikäyttöjen kannalta. Kokeelliset mittaukset suoritettiin mittauslaboratoriossa kuormittamalla oikosulkumoottoria kuormapenkissä erimittaisilla moottorikaapeleilla, simuloiden nosturikäytöille ominaisia tilanteita. Työssä esitellään moottoreiden ylijänniterasituksiin johtavia ongelmatekijöitä nosturikäytöissä ja sovelletaan siirtojohtoteoriaa taajuusmuuttajakäyttöön. Työssä esitetty teoria, käytäntö sekä mittaustulokset pätevät myös muihin taajuusmuuttajakäyttöihin. Työn alussa on esitelty tyypillisen siltanosturin rakenne ja taajuusmuuttajan toimintaperiaate. Tämän jälkeen ylijännitteen muodostuminen moottorilla on selitetty siirtojohtoteorian avulla. Lopuksi on tutkittu mittausten avulla nosturin sähkökäyttöihin soveltuvia du/dt-suodattimia ja moottorinsuojaukseen suunniteltua kuristinta. Mittaustuloksia on verrattu standardien antamiin ohjearvoihin ja arvioitu tutkittujen suodattimien toimintakykyä. Työn tuloksena saatiin uutta tietoa oikosulkumoottoreiden ylijännitesuojauksesta nosturikäytöissä sekä nostureissa mahdollisesti käytettävistä suodatinratkaisuista. Tuloksena saadun tiedon pohjalta voidaan arvioida mahdollisten suodattimien käyttötarvetta nostureissa. Työstä tehtyä testausraporttia voidaan käyttää tukena tulevissa jatkotutkimuksissa ja se mahdollistaa jatkotutkimuksen keskittämisen tehokkaasti.

ELISPOT-menetelmän testaaminen primaaristen immuunivajavuustilojen diagnosointiin

Primaarisilla immuunivajavuustiloilla tarkoitetaan ryhmää sairauksia, jotka johtuvat immuunijärjestelmän solujen sisäisestä häiriöstä. Primaarisessa immuunivajavuustilassa kyseessä on synnynnäinen puutos immuunijärjestelmässä geneettisen häiriön pohjalta. ELISPOT (Enzyme linked immunospot) -menetelmässä T-lymfosyyttejä stimuloidaan spesifisillä antigeeneilla. Stimuloidut solut alkavat tuottaa sytokiinia ja yksittäisten sytokiinia tuottavien solujen määrä voidaan mitata. Tutkimukseni tarkoituksena oli primaaristen immuunivajavuustilojen diagnostiikkaan soveltuvan ELISPOT-menetelmän alustava pystyttäminen ja testaaminen. Tavoitteena oli tutkia, vaikuttaako solujen pakastaminen ELISPOTin antamiin tuloksiin ja voisiko ELISPOT-menetelmässä käyttää pakastettuja soluja alustavien viitearvojen määrittämiseen. Tutkittiin myös yhden ja kolmen vuorokauden inkubaatioajan vaikutusta solujen sytokiinintuotantoon sekä optimaalisia mitogeenikonsentraatioita. Tuoreiden ja pakastettujen näytteiden vertailu tehtiin kolmella henkilökunnan näytteellä. Henkilöistä kerättyjen ja eristettyjen tuoreiden mononukleaarisolujen antamia tuloksia verrattiin samoista henkilöistä aikaisemmin kerättyjen ja pakastettujen solujen antamiin tuloksiin. Viitearvojen alustava määrittäminen tehtiin pakastetuista potilasnäytteistä. Mitogeenikonsentraatioiden titraaminen ja inkubaatioaikojen vertailu tehtiin henkilökunnan tuoreista näytteistä. Tulokset osoittivat, että tuoreiden ja pakastettujen solujen sytokiinintuotanto eroaa toisistaan ja pakastettuja soluja ei voi käyttää viitearvojen määrittämiseen tässä menetelmässä. Inkubaatioaikavertailu osoitti, että yhden vuorokauden inkubaatioaika antoi riittävästi spotteja, mutta kolmen vuorokauden inkubaatioaika lisäsi solujen sytokiinintuotantoa niin paljon, että tuloksia oli vaikea tulkita. Mitogeenikonsentraatioita titraamalla saatiin selville Con A-mitogeenin optimaalinen ja suboptimaalinen pitoisuus ELISPOT-menetelmää varten. PWM:lla ja PHA:lla titrauksia tulee vielä jatkaa optimaalisen konsentraation selvittämiseksi. Näille mitogeeneille käytetty solumäärä 200 000 solua/kuoppa oli liian suuri ja spotteja tuli liikaa, jotta niitä olisi voitu lukea. Mitogeenien konsentraatioiden titraamista kannattaa tutkia lisää. Lisäksi tulevaisuudessa kannattaa alustavien viitearvojen määrittäminen tehdä tuoreista soluista. Solumääriä kannattaa tulevaisuudessa myös titrata, jotta ELISPOT-menetelmälle parhaiten soveltuva solumäärä löytyisi.

Design of flywheel generator for a diesel hybrid working machine

The aim of this work is to design a flywheel generator for a diesel hybrid working machine. In this work we perform detailed design of a generator. Mobile machines are commonly used in industry: road building machines, three harvesting machines, boring machines, trucks and other equipment. These machines work with a hydraulic drive system. This system provides good service property and high technical level. Manufacturers of mobile machines tend to satisfy all requirements of customers and modernized drive system. In this work also a description of the frequency inverter is present. Power electronics system is one of the basic parts for structures perform in the project.

Effects of modern variable frequency drive on the reliability of an old crane induction motor

The work aims to analyze the possibilities of utilizing old crane driving AC induction motors in modern pulse-width-modulated variable frequency drives. Bearing currents and voltage stresses are the two main problems associated with modern IGBT inverters, and they may cause premature failure of an old induction motor. The origins of these two problems are studied. An analysis of the mechanism of bearing failure is proposed. Certain types of bearing currents are considered in detail. The most effective and economical means are chosen for bearing currents mitigation. Transient phenomena of cables and mechanism of over voltages occurring at motor terminals are studied in the work. The weakest places of the stator winding insulation system are shown and recommendations are given considering the mitigation of voltage stresses. Only the most appropriate and cost effective preventative methods are chosen for old motor drives. Rewinding of old motors is also considered.

Power line communication in motor cables of variable-speed electric drives − analysis and

Data transmission between an electric motor and a frequency converter is required in variablespeed electric drives because of sensors installed at the motor. Sensor information can be used for various useful applications to improve the system reliability and its properties. Traditionally, the communication medium is implemented by an additional cabling. However, the costs of the traditional method may be an obstacle to the wider application of data transmission between a motor and a frequency converter. In any case, a power cable is always installed between a motor and a frequency converter for power supply, and hence it may be applied as a communication medium for sensor level data. This thesis considers power line communication (PLC) in inverter-fed motor power cables. The motor cable is studied as a communication channel in the frequency band of 100 kHz−30 MHz. The communication channel and noise characteristics are described. All the individual components included in a variable-speed electric drive are presented in detail. A channel model is developed, and it is verified by measurements. A theoretical channel information capacity analysis is carried out to estimate the opportunities of a communication medium. Suitable communication and forward error correction (FEC) methods are suggested. A general method to implement a broadband and Ethernet-based communication medium between a motor and a frequency converter is proposed. A coupling interface is also developed that allows to install the communication device safely to a three-phase inverter-fed motor power cable. Practical tests are carried out, and the results are analyzed. Possible applications for the proposed method are presented. A speed feedback motor control application is verified in detail by simulations and laboratory tests because of restrictions for the delay in the feedback loop caused by PLC. Other possible applications are discussed at a more general level.

Tuulivoimakäyttö sähköverkon vikatilanteissa

Tämä työ on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa, meneillään olevan tuulivoimalasimulaattorin kehitystyön yhteydessä. Työssä käydään läpi simulaattorissa käytettyjen generaattorisillan ja verkkosillan säätöperiaatteita, tehdään katsaus siirtoverkon jännitevikoihin sekä tuulivoimalan toimintaan näissä vikatilanteissa. Työn varsinainen tutkimuskohde on verkkosillan säädön toiminnan simuloiminen siirtoverkon jännitevioissa ja säädön parannusehdotukset.

Radio Frequency Measurement Method for Detecting Bearing Currents in Induction Motors

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

Alternative Energy Conversion Systems for a Micro Scale Wind Turbine

This Master's thesis deals with a Micro Scale Wind Wind Turbine application. The thesis consists of nine chapters. The first chapter is an introduction to the philosophy of a small scale wind turbine application. The second defines concepts, and lists the requirements. The third presents the whole application for an On-Grid , and for an Off-Grid arrangement, with main concentration on lighting, heating, and energy storage. The fourth deals with the Inverter's technology, which are used for the conversion of the produced power. The fifth chapter presents the available storage technology and it's possibilities. The sixth deals with the system, and the technological means used for the implementation. The seventh presents the PLC device, which was used as the controller for the management of the whole application. The eighth deals with the concept and the control application philosophy that the PLC involves. And the final chapter presents conclusions and ideas for further considerations.

Dimensioning DC-voltage capacitor for a DC-distribution system and dynamic analysis

Technical analysis of Low Voltage Direct Current (LVDC) distribution systems shows that in LVDC transmission the customer voltage quality is higher. One of the problems in LVDC distribution networks that converters both ends of the DC line are required. Because of the converters produce not pure DC voltage, but some fluctuations as well, the huge electrolytic capacitors are required to reduce voltage distortions in the DC-side. This thesis master’s thesis is focused on calculating required DC-link capacitance for LVDC transmission and estimation of the influence of different parameters on the voltage quality. The goal is to investigate the methods of the DC-link capacitance estimation and location in the transmission line.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Invertteripääteasteen suunnittelu

Invertteritekniikalla voidaan toteuttaa nykyaikainen, monipuolinen ja tehokas pääteaste moneen eri käyttötarkoitukseen. Tässä työssä suunnitellaan invertteripääteaste mittalaite- ja virtalähdesovelluksiin. Suunnittelussa otetaan huomioon muunneltavuus, valmistuskustannukset ja mitat. Näiden kriteerien lisäksi pääteaste suunnitellaan niin, että se täyttää mittalaite- ja virtalähdesovelluksien vaatimat standardit. Pääteasteen teho rajoittuu 500 VA:iin, mutta vaatimukset lähtöjännitteen erimuotoisuudelle aiheuttavat suunnittelulle omat vaikeutensa. Työssä täytyy tutkia, minkälainen tuloaste, invertteri, suodin ja lähtöaste sopivat parhaiten pääteasteen toteutukseen. Sopivien topologioiden löydyttyä pääteaste simuloidaan tietokoneella, jonka jälkeen voidaan suunnitella prototyyppi käytännön testauksia varten. Suunnittelussa päädyttiin seuraaviin topologioihin: Tuloasteeksi valittiin PFC-piiri, joka on nykyaikana pakollinen invertterikäytössä, koska verkkoon palaavat harmoniset yliaaltokomponentit täytyy suodattaa. Invertteritopologiaksi valittiin kokosiltainvertteri, jolla saadaan parhaiten muutettua lähtöjännitteen taajuutta ja amplitudia. Suodintopologiaksi valittiin LC-suodin, jolla saadaan tehokkaasti suodatettua invertterin aiheuttamat harmoniset yliaallot. Lähtöön sijoitetaan muuntaja, jonka muuntosuhdetta muuntamalla saadaan lähtöjännite halutuksi eri käyttötarkoituksia varten.

DC Boost Stage in Photovoltaic Systems

The performance of Grid connected Photovoltaic System working with DCBoost stage is investigated. The DC-Boost Converter topology is deduced from three phase half controlled bridge and controlled by Sliding Mode Control. Due to the fact that Grid connected Photovoltaic System includes Solar cells as a DC source and inverter for grid connection, those are under the scope of this research as well. The advantages of using MPPT are analyzed. The system is simulated in Matlab-Simulink™ environment.

Salient Pole Synchronous Machine Modelling in an Industrial Direct Torque Controlled Drive Application

Synchronous motors are used mainly in large drives, for example in ship propulsion systems and in steel factories' rolling mills because of their high efficiency, high overload capacity and good performance in the field weakening range. This, however, requires an extremely good torque control system. A fast torque response and a torque accuracy are basic requirements for such a drive. For large power, high dynamic performance drives the commonly known principle of field oriented vector control has been used solely hitherto, but nowadays it is not the only way to implement such a drive. A new control method Direct Torque Control (DTC) has also emerged. The performance of such a high quality torque control as DTC in dynamically demanding industrial applications is mainly based on the accurate estimate of the various flux linkages' space vectors. Nowadays industrial motor control systems are real time applications with restricted calculation capacity. At the same time the control system requires a simple, fast calculable and reasonably accurate motor model. In this work a method to handle these problems in a Direct Torque Controlled (DTC) salient pole synchronous motor drive is proposed. A motor model which combines the induction law based "voltage model" and motor inductance parameters based "current model" is presented. The voltage model operates as a main model and is calculated at a very fast sampling rate (for example 40 kHz). The stator flux linkage calculated via integration from the stator voltages is corrected using the stator flux linkage computed from the current model. The current model acts as a supervisor that prevents only the motor stator flux linkage from drifting erroneous during longer time intervals. At very low speeds the role of the current model is emphasised but, nevertheless, the voltage model always stays the main model. At higher speeds the function of the current model correction is to act as a stabiliser of the control system. The current model contains a set of inductance parameters which must be known. The validation of the current model in steady state is not self evident. It depends on the accuracy of the saturated value of the inductances. Parameter measurement of the motor model where the supply inverter is used as a measurement signal generator is presented. This so called identification run can be performed prior to delivery or during drive commissioning. A derivation method for the inductance models used for the representation of the saturation effects is proposed. The performance of the electrically excited synchronous motor supplied with the DTC inverter is proven with experimental results. It is shown that it is possible to obtain a good static accuracy of the DTC's torque controller for an electrically excited synchronous motor. The dynamic response is fast and a new operation point is achieved without oscillation. The operation is stable throughout the speed range. The modelling of the magnetising inductance saturation is essential and cross saturation has to be considered as well. The effect of cross saturation is very significant. A DTC inverter can be used as a measuring equipment and the parameters needed for the motor model can be defined by the inverter itself. The main advantage is that the parameters defined are measured in similar magnetic operation conditions and no disagreement between the parameters will exist. The inductance models generated are adequate to meet the requirements of dynamically demanding drives.