Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system

In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker. First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission. Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine. After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases. Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

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.

Moottorimalliton skalaarisäätö

Työssä tutkitaan nopeusanturittoman vaihtovirtakäytön skalaarisia ohjaus- ja säätömenetelmiä. Työn alussa esitetään perusteoriat taajuusmuuttajista ja oikosulkumoottoreista. Tämän jälkeen esitellään yleisimmin kirjallisuudessa esiintyneet skalaariohjaukset ja –säädöt. Vektorisäätöä ja erityisesti moottoriparametrien vaikutusta säädön toimivuuteen esitellään lyhyesti. Työn tavoitteena on ACS800 taajuusmuuttajan skalaarisäädön tutkiminen. ACS800:n nykyinen skalaarisäätö on liian sidoksissa vektorisäätöön, joten simulointien ja kirjallisuustutkimuksen tarkoituksena on täysin vektorisäädöstä eriytetyn skalaarisäädön kehitysmahdollisuuksien tutkiminen. Kirjallisuudessa esiintyneiden säätöjen avulla muodostetaan diskreettiaikainen toteutus skalaarisäädölle vaihtovirtakäytössä, jossa on käytössä virran ja välipiirijännitteen takaisinkytkentä. Säädettävää moottoria mallinnetaan jatkuvaaikaisella L-sijaiskytkennällä. Välipiirin mallinnus toimii myös jatkuva-aikaisena lukuun ottamatta välipiirin tasavirtakomponenttia, joka muodostetaan virran takaisinkytkennän ja PWM-modulaattorin kytkinasentojen avulla. Simuloinnin tarkoituksena on mallintaa skalaarisäädön suurimpia ongelmia, kuten virta- ja välijännitesäätöä. Tuloksista voidaan päätellä, että perussäädöt toimivat moitteettomasti, mutta erityisesti virtasäätöä tulisi kehittää.

Kestomagneettitahtikonekäytön soveltaminen paperiteollisuuden linjakäytöissä

Tässä työssä tutkitaan kestomagneettitahtimoottorin soveltuvuutta paperiteollisuuden linjakäyttöihin. Aluksi perehdytään taajuusohjatun kestomagneettitahtimoottorin häviöiden syntymiseen ja niiden jakautumiseen. Työssä esitellään kestomagneettitahtimoottorin koon valintaan vaikuttavia tekijöitä ja vertaillaan oikosulkumoottorin ja kestomagneettitahtimoottorin mitoituksen eroja. Lisäksi tarkasteltiin linjakäytön vaihtosuuntaajan ja syöttöryhmän mitoitusta, kun kestomagneettitahtimoottoria käytetään paperiteollisuuden linjakäytössä. Kestomagneettitahtimoottorin virran riippuvuutta kuormituksesta laskettiin ja mitattiin yhden kestomagneettitahtimoottorin virta eri kuormituksilla. Näin voitiin suorittaa vertailu laskennan ja todellisuuden välillä. Mittaus osoitti laskentatavan tarkkuuden. Selvityksessä löydettiin riittävän tarkka laskentatapa, jonka avulla voidaan määrittää linjakäytön invertterin koko.

Taajuusmuuttajan verkkovirran yliaallot pienitehoisissa kolmivaihekäytöissä

Pienitehoisessa taajuusmuuttajassa verkkojännite tasasuunnataan yleisesti diodisillalla. Taajuusmuuttajaa kuormitettaessa diodisilta aiheuttaa sen, että verkosta otettava virta on epäsinimuotoista ja sisältää runsaasti eri kertalukujen yliaaltoja. Tällainen virta vääristää verkon jännitettä sekä aiheuttaa häviöitä, resonansseja ja toimintaepävarmuutta sähkönjakeluverkkoon liitetyissä laitteissa ja komponenteissa. Työssä on tarkasteltu pienitehoisen kolmivaiheisen taajuusmuuttajan tulovirrassa esiintyviä yliaaltoja ja keinoja niiden rajoittamiseksi. Laitevalmistajien osalta syynä aiheen tutkimiseen ja kiinnostavuuteen ovat lähinnä uudet yliaaltoja käsittelevät standardit. Työssä onkin tutustuttu tarvittavin osin standardoinnin nykytilaan sekä seurattu standardeja valmistelevien työryhmien työtä ja tätä kautta perehdytty alaa käsittelevien standardien tulevaisuudennäkymiin Euroopan Unionin alueella. Käsittely on kohdistettu kolmivaiheisiin laitteisiin. Standardi IEC 61000-3-2 asettaa yliaaltorajat ammattikäyttöön tarkoitetuille laitteille, kun laitteen tuloteho on korkeintaan 1 kW. Tällä tehoalueella riittää kolmivaihelaitteille kuristimilla suoritettu passiivinen suodatus täyttämään asetetut viranomaisvaatimukset. Tähän liittyen on suunniteltu kolmivaihekuristin, joka on tarkoitettu käytettäväksi taajuusmuuttajasarjan lisävarusteena tehoalueella 0.12…2.2 kW.

Sähkökäyttöjen kaapelivärähtelyt

Taajuudenmuuttajan kytkennän synnyttämä nopea jännitemuutos aiheuttaa pitkään moottorikaapeliin sähköisen värähtelyilmiön. Ilmiö on tullut erityisesti esille uusien nopeasti kytkevien puolijohdetehokytkimien ilmestyttyä markkinoille. Taajuudenmuuttajan lähtöön asennettu jännitteen nousunopeutta rajoittava suodin vähentää kaapelivärähtelyä, mutta riittävän pitkässä kaapelissa värähtely on voimakasta lähtösuotimesta huolimatta. Kaapelivärähtelyilmiön seurauksena moottorikaapelin taajuudenmuuttajan puoleiseen päähän syntyy voimakas virtavärähtely ja moottorin puoleiseen päähän voimakas jännitevärähtely. Sähkökäyttöjen vektorisäätöalgoritmit tekevät ohjauspäätöksiä moottorikaapelin taajuudenmuuttajan päästä tehtyjen virtamittausten perusteella. Säädön päätösväli on niin lyhyt, että kaapelin virtavärähtely ehtii häiritä säädön toimintaa. Tässä työssä on esitetty kaapelivärähtelyä kuvaava taajuudenmuuttajan lähtösuotimen huomioon ottava siirtofunktioperustainen matemaattinen malli. Mallin avulla kaapelivärähtelyilmiötä voi analysoida lineaarisen säätöteorian menetelmillä. Virtavärähtelyn moottorisäätöön tuomiin ongelmiin ratkaisuksi on esitetty virran mittasignaalin käsittelemistä analogisella ja digitaalisella suotimella. Simulointitulosten perusteella ratkaisua voidaan pitää toimivana. Lopuksi esitetään, kuinka avaruusvektoriteorian mukaista induktiomoottorimallia ja kaapelivärähtelymallia voidaan simuloida yhdessä.

High Performance Electrical Drive System for a Biomechanical Test and Rehabilitation Equipment

Suunniteltiin ja rakennettiin suoraa vääntömomenttisäätöä soveltava taajuudenmuuttajakäyttö oikosulkumoottorin ohjaukseen korvaamaan passiivinen jarrukäyttö. Laite on kuntoutuslaite, jolla tehdään lihasvoiman mittauksia ja voimaharjoituksia. Selvitettiin kaupallisten moottoreiden ja taajuudenmuuttajien suoritusominaisuuksia ja tämän perusteella valittiin käyttöön sopivat laitteet. Työssä esitetään kaksi oikosulkumoottorin ohjaustapaa: vektorisäätö ja suora vääntömomenttisäätö. Merkittävin osa tästä työstä käsittelee - tarkan turvallisuussuunnitelman lisäksi - kuntoutuslaitteen prototyypin komponentteja, kokoamista ja suoritustestien tuloksia.

Keskinopeusalueella toimivan induktiomoottori - puhallinkäytön suorituskyvyn mittaus alipainekäytössä

Keskinopeusalueella toimivaa massiiviroottorista epätahtimoottoria voidaan käyttää teollisissa puhaltimissa, joissa on tärkeää saavuttaa normaalia korkeampi pyörimisnopeus ja paine-ero. Usein tällaisella puhaltimella saavutetaan parempi hyötysuhde ja säädettävyys kuin vanhoilla volumetrisilla pumpuilla. Paperikoneiden vedenpoistossa käytetty alipaineen tuotto muodostaa erään sovelluskohteen tällaiselle puhallinkäytölle. Työssä esitellään tällaiseen sovelluskohteeseen suunnitellun puhaltimen ja sitä käyttävän massiiviroottorisen epätahtikoneen testausmenetelmät niiden ominaisuuksien määrittämiseksi, sekä siihen tarvittavan mittalaitteiston vaatimukset. Puhaltimen osalta esitetään täydellinen laskenta perustuen LTKK:ssa 20.10.2000 - 27.10.2000 välisenä aikana suoritettuun puhaltimen testiajoon.

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.

Competitor comparison: variable speed drives in pumping applications

As the world’s energy demand is increasing, a durable solution to control it is to improve the energy efficiency of the processes. It has been estimated that pumping applications have a significant potential for energy savings trough equipment or control system changes. For many pumping application the use of a variable speed drive as a process control element is the most energy efficient solution. The main target of this study is to examine the energy efficiency of a drive system that moves the pump. In a larger scale the purpose of this study is to examine how the different manufacturers’ variable speed drives are functioning as a control device of a pumping process. The idea is to compare the drives from a normal pump user’s point of view. The things that are mattering for the pump user are the efficiency gained in the process and the easiness of the use of the VSD. So some thought is given also on valuating the user-friendliness of the VSDs. The VSDs are compared to each other also on the basis of their life cycle energy costs in different kind of pumping cases. The comparison is made between ACS800 from ABB, VLT AQUA Drive from Danfoss, NX-drive from Vacon and Micromaster 430 from Siemens. The efficiencies are measured in power electronics laboratory in the Lappeenranta University of Technology with a system that consists of a variable speed drive, an induction motor with dc-machine, two power analyzers and a torque transducer. The efficiencies are measured as a function of a load at different frequencies. According to measurement results the differences between the measured system efficiencies on the actual working area of pumping are on average few percent units. When examining efficiencies at the whole range of different loads and frequencies, the differences get bigger. At low frequencies and loads the differences between the most efficient and the least efficient systems are at the most about ten percent units. At the most of the tested points ABB’s drive seem to have slightly better efficiencies than the other drives.

System Investigation for Hybrid Electric Vehicle

A hybrid electric vehicle is a fast-growing concept in the field of vehicle industry. Nowadays two global problems make manufactures to develop such systems. These problems are: the growing cost of a fuel and environmental pollution. Also development of controlled electric drive with high control accuracy and reliability allows improving of vehicle drive characteristics. The objective of this Diploma Thesis is to investigate the possibilities of electrical drive application for new principle of parallel hybrid vehicle system. Electric motor calculations, selection of most suitable control system and other calculations are needed. This work is not final work for such topic. Further investigation with more precise calculations, modeling, measurements and cost calculations are needed to answer the question if such system is efficient.

The Quality of Paediatric Nursing Care - Children’s Perspective

Hoitotyön laatu - lasten näkökulma Tämän kolmivaiheisen tutkimuksen tarkoituksena oli kuvailla lasten odotuksia ja arviointeja lasten hoitotyön laadusta sekä kehittää mittari kouluikäisille sairaalassa oleville lapsille laadun arviointiin. Perimmäisenä tavoitteena oli lasten hoitotyön laadun kehittäminen sairaalassa. Ensimmäisessä vaiheessa 20 alle kouluikäistä (4-6v) sekä 20 kouluikäistä (7-11v) lasta kuvailivat odotuksiaan lasten hoitotyön laadusta. Aineisto kerättiin haastattelulla ja lasten piirustusten avulla, sekä analysoitiin sisällön analyysilla. Lasten odotukset lasten hoitotyön laadusta kohdistuivat hoitajaan, hoitotyön toimintoihin ja ympäristöön, fyysinen ympäristö korostui piirustuksissa. Ensimmäisen vaiheen tulosten, aikaisemman kirjallisuuden sekä Leino-Kilven “HYVÄ HOITO” mittarin pohjalta kehitettiin “Lasten Hoidon Laatu Sairaalassa” (LHLS) mittari ja testattiin sen psykometrisiä ominaisuuksia tutkimuksen toisessa vaiheessa. Mittaria kehitettiin ja testattiin kolmen vaiheen kautta. Aluksi asiantuntijapaneeli (n=7) arvioi mittarin sisältöä. Seuraavaksi mittari esitestattiin kahdesti kouluikäisillä sairaalassa olevilla lapsilla (n=41 ja n=16), samassa vaiheessa myös viiden lastenosaston hoitajat (n=19) yhdessä arvioivat mittarin sisältöä sekä 8 lasta. Lopuksi mittaria testattiin kouluikäisillä lapsilla (n=388) sairaalassa sekä hoitajat (n=198) arvioivat mittarin sisällön validiteettia. Mittarin kehittämisen aikana päälaatuluokkien: hoitajan ominaisuudet, hoitotyön toiminnot ja hoitotyön ympäristö Cronbachin alfa kertoimet paranivat. Pääkomponentti analyysi tuki mittarin hoitotyön toimintojen ja ympäristön alaluokkien teoreettista rakennetta. Kolmannessa vaiheessa “Lasten Hoidon Laatu Sairaalassa” (LHLS III, versio neljä) mittarilla kerättiin aineisto Suomen yliopistosairaaloiden lastenosastoilta kouluikäisiltä 7-11 -vuotiailta lapsilta (n=388). Mittarin lopussa lapsia pyydettiin lisäksi kuvailemaan kivointa ja ikävintä kokemustaan sairaalahoidon aikana lauseen täydennystehtävänä. Aineisto analysoitiin tilastollisesti sekä sisällön analyysilla. Lapset arvioivat fyysisen hoitoympäristön, hoitajien inhimillisyyden ja luotettavuuden sekä huolenpidon ja vuorovaikutustoiminnot kiitettäviksi. Lapset arvioivat hoitajien viihdyttämistoiminnot kaikkein alhaisimmiksi. Lapsen ikä ja sairaalantulotapa olivat yhteydessä lasten saamaan tiedon määrään. Lasten kivoimmat kokemukset liittyivät ihmisiin ja heidän ominaisuuksiinsa, toimintoihin, ympäristöön sekä lopputuloksiin. Ikävimmät kokemukset liittyivät potilaana oloon, tuntemuksiin sairauden oireista sekä erossaoloon, hoitotyön fyysisiin toimintoihin sekä ympäristöön. Tutkimuksen tulokset osoittavat lasten olevan kykeneviä arvioimaan omaa hoitoaan ja heidän näkökulmansa tulisi nähdä osana koko laadun kehittämisprosessia parannettaessa laatua käytännössä todella lapsilähtöisemmällä lähestymistavalla. “Lasten Hoidon Laatu Sairaalassa” (LHLS) mittari on mahdollinen väline saada tietoa lasten arvioinneista lasten hoitotyön laadusta, mutta mittarin testaamista tulisi jatkaa tulevaisuudessa

Tehokerrointa korjaava skalaariohjaus puoliohjatussa ja kuusikytkintasasuuntaajassa

Verkon harmonisvirtoja rajoittavien standardien tiukentuessa joudutaan etenkin suuritehoisissa tehoelektronisissa laitteissa siirtymään aktiivisiin transistoriohjattuihin tasasuuntaajiin, jotka korjaavat tehokerrointa ja siten pienentävät verkkoon kytkeytyviä häiriövirtoja. Tässä diplomityössä esitellään yleisimpien kolmivaiheisten tasasuuntaajatopologioiden eroja ja vertaillaan puoliohjatun kolmikytkintopologian ja kuusikytkintopologian suorituskykyä tehokertoimen ja harmonissärön osalta, 16 kilowatin teholuokan taajuusmuuttajassa. Tasasuuntaajille tehtiin skalaariohjaukseen perustuva simulointimalli. Työn tavoitteena esitellään simulointitulokset harmonistason sekä tehokertoimen osalta. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisen yliopiston sovelletun elektroniikan laboratorion ja Vacon Oyj:n yhteiseen hankkeeseen.