Kestomagneettitahtikoneen emulointi digitaalisella signaaliprosessorilla

Sähkökäytön suunnittelussa säätöä voidaan testata useassa tapauksessa reaaliaikasimulaattorilla todellisen laitteiston sijaan. Monet reaaliaikasimulaatioiden perustana käytetyt algoritmit soveltuvat täysinohjatulle invertterisillalle. Eräissä sovelluksissa halutaan kuitenkin käyttää puoliksiohjattua siltaa. Puoliksiohjattulla sillalla mallin kausaalisuus voi kääntyä, mitä perinteiset reaaliaikasimulaattorit eivät pysty simuloimaan Tässä työssä oli tavoitteena kehittää reaaliaikasimulaattori puoliksiohjatulle kestomagneettitahtikonekäytölle. Emulaattoriin mallinnettiin todellisen käytön kestomagneettitahtikone ja invertterisilta. Simulaattori toteutettiin digitaaliselle signaaliprosessorille (DSP) ja mittauksiin liittyvät oheislaitteet mallinnettiin FPGA-piirille. Emulaattoriin liitettiin erillinen säätäjä, jota käytettiin myös todellisen sähkökäytön säätämiseen. Emulaattorilla ja todellisella käytöllä tehtyjä mittauksia verrattiin ja emuloimalla saadut tulokset vastasivat melko hyvin todellisesta käytöstä mitattuja.

Analysis and Control of Excitation, Field Weakening and Stability in Direct Torque Controlled Electrically Excited Synchronous Motor Drives

Direct torque control (DTC) is a new control method for rotating field electrical machines. DTC controls directly the motor stator flux linkage with the stator voltage, and no stator current controllers are used. With the DTC method very good torque dynamics can be achieved. Until now, DTC has been applied to asynchronous motor drives. The purpose of this work is to analyse the applicability of DTC to electrically excited synchronous motor drives. Compared with asynchronous motor drives, electrically excited synchronous motor drives require an additional control for the rotor field current. The field current control is called excitation control in this study. The dependence of the static and dynamic performance of DTC synchronous motor drives on the excitation control has been analysed and a straightforward excitation control method has been developed and tested. In the field weakening range the stator flux linkage modulus must be reduced in order to keep the electro motive force of the synchronous motor smaller than the stator voltage and in order to maintain a sufficient voltage reserve. The dynamic performance of the DTC synchronous motor drive depends on the stator flux linkage modulus. Another important factor for the dynamic performance in the field weakening range is the excitation control. The field weakening analysis considers both dependencies. A modified excitation control method, which maximises the dynamic performance in the field weakening range, has been developed. In synchronous motor drives the load angle must be kept in a stabile working area in order to avoid loss of synchronism. The traditional vector control methods allow to adjust the load angle of the synchronous motor directly by the stator current control. In the DTC synchronous motor drive the load angle is not a directly controllable variable, but it is formed freely according to the motor’s electromagnetic state and load. The load angle can be limited indirectly by limiting the torque reference. This method is however parameter sensitive and requires a safety margin between the theoretical torque maximum and the actual torque limit. The DTC modulation principle allows however a direct load angle adjustment without any current control. In this work a direct load angle control method has been developed. The method keeps the drive stabile and allows the maximal utilisation of the drive without a safety margin in the torque limitation.

Design Aspects of Megawatt-Range Direct-Driven Permanent MagnetWind Generators

Direct-driven permanent magnet synchronous generator is one of the most promising topologies for megawatt-range wind power applications. The rotational speed of the direct-driven generator is very low compared with the traditional electrical machines. The low rotational speed requires high torque to produce megawatt-range power. The special features of the direct-driven generators caused by the low speed and high torque are discussed in this doctoral thesis. Low speed and high torque set high demands on the torque quality. The cogging torque and the load torque ripple must be as low as possible to prevent mechanical failures. In this doctoral thesis, various methods to improve the torque quality are compared with each other. The rotor surface shaping, magnet skew, magnet shaping, and the asymmetrical placement of magnets and stator slots are studied not only by means of torque quality, but also the effects on the electromagnetic performance and manufacturability of the machine are discussed. The heat transfer of the direct-driven generator must be designed to handle the copper losses of the stator winding carrying high current density and to keep the temperature of the magnets low enough. The cooling system of the direct-driven generator applying the doubly radial air cooling with numerous radial cooling ducts was modeled with a lumped-parameter-based thermal network. The performance of the cooling system was discussed during the steady and transient states. The effect of the number and width of radial cooling ducts was explored. The large number of radial cooling ducts drastically increases the impact of the stack end area effects, because the stator stack consists of numerous substacks. The effects of the radial cooling ducts on the effective axial length of the machine were studied by analyzing the crosssection of the machine in the axial direction. The method to compensate the magnet end area leakage was considered. The effect of the cooling ducts and the stack end area effects on the no-load voltages and inductances of the machine were explored by using numerical analysis tools based on the three-dimensional finite element method. The electrical efficiency of the permanent magnet machine with different control methods was estimated analytically over the whole speed and torque range. The electrical efficiencies achieved with the most common control methods were compared with each other. The stator voltage increase caused by the armature reaction was analyzed. The effect of inductance saturation as a function of load current was implemented to the analytical efficiency calculation.

Automation Concept for Electrically Excited LV Synchronous Motor: Implementation into AC500 Programmable Logic Environment

This bachelor’s thesis is a part of the research project realized in the summer 2011 in Lappeenranta University of Technology. The goal of the project was to develop an automation concept for controlling the electrically excited synchronous motor. Thesis concentrates on the implementation of the automation concept into the ABB’s AC500 programmable logic enviroment. The automation program was developed as a state machine with the ABB’s PS501 Control Builder software. For controlling the automation program is developed a fieldbus control and with CodeSys Visualization Tool a local control with control panel. The fieldbus control is done to correspond the ABB drives communication profile and the local control is implemented with a function block which feeds right control words into the statemachine. A field current control of the synchronous motor is realized as a method presented in doctoral thesis of Olli Pyrhönen (Pyrhönen 1998). The Method combines stator flux and torque based openloop control and power factor based feedback control.

Identification of Some Additional Loss Components in High-Power Low-Voltage Permanent Magnet Generators

Permanent magnet generators (PMG) represent the cutting edge technology in modern wind mills. The efficiency remains high (over 90%) at partial loads. To improve the machine efficiency even further, every aspect of machine losses has to be analyzed. Additional losses are often given as a certain percentage without providing any detailed information about the actual calculation process; meanwhile, there are many design-dependent losses that have an effect on the total amount of additional losses and that have to be taken into consideration. Additional losses are most often eddy current losses in different parts of the machine. These losses are usually difficult to calculate in the design process. In this doctoral thesis, some additional losses are identified and modeled. Further, suggestions on how to minimize the losses are given. Iron losses can differ significantly between the measured no-load values and the loss values under load. In addition, with embedded magnet rotors, the quadrature-axis armature reaction adds losses to the stator iron by manipulating the harmonic content of the flux. It was, therefore, re-evaluated that in salient pole machines, to minimize the losses and the loss difference between the no-load and load operation, the flux density has to be kept below 1.5 T in the stator yoke, which is the traditional guideline for machine designers. Eddy current losses may occur in the end-winding area and in the support structure of the machine, that is, in the finger plate and the clamping ring. With construction steel, these losses account for 0.08% of the input power of the machine. These losses can be reduced almost to zero by using nonmagnetic stainless steel. In addition, the machine housing may be subjected to eddy current losses if the flux density exceeds 1.5 T in the stator yoke. Winding losses can rise rapidly when high frequencies and 10–15 mm high conductors are used. In general, minimizing the winding losses is simple. For example, it can be done by dividing the conductor into transposed subconductors. However, this comes with the expense of an increase in the DC resistance. In the doctoral thesis, a new method is presented to minimize the winding losses by applying a litz wire with noninsulated strands. The construction is the same as in a normal litz wire but the insulation between the subconductors has been left out. The idea is that the connection is kept weak to prevent harmful eddy currents from flowing. Moreover, the analytical solution for calculating the AC resistance factor of the litz-wire is supplemented by including an end-winding resistance in the analytical solution. A simple measurement device is developed to measure the AC resistance in the windings. In the case of a litz-wire with originally noninsulated strands, vacuum pressure impregnation (VPI) is used to insulate the subconductors. In one of the two cases studied, the VPI affected the AC resistance factor, but in the other case, it did not have any effect. However, more research is needed to determine the effect of the VPI on litz-wire with noninsulated strands. An empirical model is developed to calculate the AC resistance factor of a single-layer formwound winding. The model includes the end-winding length and the number of strands and turns. The end winding includes the circulating current (eddy currents that are traveling through the whole winding between parallel strands) and the main current. The end-winding length also affects the total AC resistance factor.

Kestomagneettitahtikoneen vääntömomentin tuottokyvyn optimointi hybridibussikäyttöön

Työssä tarkastellaan hybridi- ja sähköajoneuvojen voimankäyttöjärjestelmiä ja bussin ajomoottorina toimivan kestomagneettitahtikoneen toimintaa ja sen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön. Esitetään analyyttinen työkalu kestomagneettitahtikoneen induktanssisuunnittelun ja koneen vääntömomentin tuottokyvyn optimoinnin tueksi. Työkalua hyödynnetään esitettävässä ajomoottorin mitoituslaskelmassa. Työssä päätellään, että kestomagneettitahtimoottori soveltuu hyvin ajoneuvokäyttöön. Maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi sen roottorin rakenne ja induktanssit on optimoitava. Analysoimalla ajoneuvokäyttöön tarkoitettua kestomagneettitahtimoottoria työkalun avulla havaitaan, että yhtä suuremmalla induktanssisuhteella vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä kuin ajettaessa konetta taajuusmuuttajalla vakioteholla nimelliskuormalla. Vastaavasti yhtä pienemmillä induktanssisuhteilla vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä. Todetaan, että vääntömomentti kasvaa induktanssisuhteen poiketessa yhdestä. Suuri vääntömomentti saadaan pienillä induktanssisuhteilla. Induktanssisuhteen kasvattaminen yhdestä ei lisää moottorin tuottamaa vääntömomenttia yhtä paljon kuin induktanssisuhteen pienentäminen. Työn lopuksi verrataan työkalun laskemia tuloksia kirjallisuudesta löytyvillä yhtälöillä laskettuihin tuloksiin. Työkalun laskemat tulokset vaikuttavat ristiriidattomilta ja yhteneväisiltä teorian kanssa. Työkalun toteutuksessa tehdyt teoreettiset yksinkertaistukset aiheuttavat todennäköisesti epätarkkuutta tuloksissa erityisesti suurella kuormituksella.

Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.

Design of a Traction Motor With Tooth-Coil Windings and Embedded Magnets

Traction motor design significantly differs from industrial machine design. The starting point is the load cycle instead of the steady-state rated operation point. The speed of the motor varies from zero to very high speeds. At low speeds, heavy overloading is used for starting, and the field-weakening region also plays an important role. Finding a suitable fieldweakening point is one of the important design targets. At the lowest speeds, a high torque output is desired, and all current reserves of the supplying converter unit are used to achieve the torque. In this paper, a 110-kW 2.5-p.u. starting torque and a maximum 2.5-p.u. speed permanent-magnet traction motor will be studied. The field-weakening point is altered by varying the number of winding turns of machine. One design is selected for prototyping. Theoretical results are verified by measurements.

Sähkökoneessa esiintyvien voimien yksityiskohtainen mittausjärjestelmä

Hissiteollisuudessa nostokoneistoina käytettyjen sähkömoottoreiden laatuvaatimukset ovat tiuken-tuneet viime vuosina. Erityisesti koneistojen tuottama ääni ja mekaaninen värähtely ovat olleet jat-kuvasti tiukentuneen tarkastelun alaisena. Hissikoriin ja hissiä ympäröiviin rakenteisiin välittyvästä värähtelystä johtuva ääni on yksi hissin laatuvaikutelmaan merkittävimmin vaikuttavia tekijöitä. Nostokoneisto on yksi tärkeimmistä äänen ja värähtelyn lähteistä hissijärjestelmässä. Koneiston suunnittelulla edellä mainittuja tekijöitä voidaan minimoida. Sähkökoneiden suunnittelussa finiit-tielementtimenetelmien (FEM) käyttö on vakiintunut haastavimmissa sovelluksissa. Kone Oyj:llä nostokoneistoina käytetään aksiaalivuokestomagneettitahtikoneita (AFPMSM), joiden FEM simu-lointiin käytetään yleisesti kolmea eri tapaa. Kukin näistä vaihtoehdoista pitää sisällään omat hyö-tynsä, että haittansa. Suunnittelun kannalta tärkeää on oikean menetelmän valinta ai-ka/informatiivisuus suhteen maksimoimiseksi. Erittäin tärkeää on myös saatujen tulosten oikeelli-suus. Tämän diplomityön tavoite on kehittää järjestelmä, jonka avulla AFPMS-koneen voimia voidaan mitata yksityiskohtaisella tasolla. Järjestelmän avulla voidaan tarkastella käytössä olevien FE-menetelmien tulosten oikeellisuutta sekä äänen että värähtelyn syntymekanismeja. Järjestelmän tarkoitus on myös syventää Kone Oyj tietotaitoa AFPMS-koneiden toiminnasta. Tässä työssä esitellään AFPMS-koneen epäideaalisuuksia, jotka voivat vaikuttaa mittajärjestelmän suunnitteluun. Myös koneen epäideaalisuuksiin lukeutuvaa ääntä on tarkasteltu tässä työssä. Jotta työn tavoitteiden mukaista FE-menetelmien vertailua ja tulosten oikeellisuuden tarkastelua voitai-siin tehdä, myös yleisimpiä AFPMS-koneen FE-menetelmiä tarkastellaan. Työn tuloksena on mittajärjestelmän suunnitelma, jonka avulla voidaan toteuttaa kuuden vapausas-teen voimamittaus jokaiselle koneistomagneetille alle 1N resoluutiolla. Suunnitellun järjestelmän toimivuutta on tarkasteltu FE-menetelmiä käyttäen ja järjestelmässä käytettävän voima-anturin ky-vykkyyttä on todennettu referenssimittauksin. Suunniteltu mittajärjestelmä mahdollistaa sähkömoottorin useiden eri epäideaalisuuksien tarkaste-lun yksityiskohtaisella tasolla. Mittausajatuksen soveltaminen myös muiden koneiden tutkimiseen tarjoaa mahdollisuuksia jatkotutkimuksille.

Napakäämityn murtovakokestomagneettitahtikoneen suunnittelu

Diplomityössä tutustutaan napakäämittyihin murtovakokestomagneettitahtikoneisiin sekä syvennytään niiden suunnitteluun analyyttisen laskennanavulla. Analyyttisen laskennan haasteena on perinteisesti käytettyjen kestomagneettitahtikoneiden laskentayhtälöiden sovittaminen murtovakokäämityille kestomagneettitahtikoneille. Työn lopussa analyyttisen laskennan tuloksia verrataan kenttälaskentaohjelmalla saatuihin tuloksiin. Tärkeimmät analyyttiset yhtälöt sekä laskentamallin rakenne on esitetty työssä.

Kestomagneettitahtikoneen lämpömallinnus

Sähkökoneenterminen suunnittelu on yhtä tärkeätä kuin koneen sähköisten piirien ja magneettipiirin mitoitus, koska koneen lämpenemä määrää koneesta saatavan tehon. Pääosasähkökoneista suunnitellaan edelleen ns. perimätiedon avulla, jossa tukeudutaanvalmiiksi koeteltuihin ratkaisuihin ja kokemusperäiseen tietoon tiettyjen rakenteiden toimivuudesta. Perinteisin menetelmin uusia konerakenteita suunniteltaessa ei pystytä saamaan luotettavaa tietoa uusien ratkaisuiden toimivuudesta. Etenkin hitaasti pyörivien ja suuren vääntötiheyden omaavien kestomagneettitahtikoneiden jäähdytyksen mitoitus on ongelmallista. Siten tarve kehittää analyyttisiä työkaluja lämpenemän mallinnukseen on perusteltua. Tässä työssäperehdytään suuren tehotiheyden omaavien kestomagneettikoneiden urakoon ja virrantiheyden valintaan termisen mitoituksen kannalta. Työn tavoitteena on laatia yksinkertainen analyyttinen työkalu urakoon ja virrantiheyden valintaan. Työkaluavoidaan hyödyntää jo koneensuunnittelun alkuvaiheessa.

Sähköisen liikkeenohjauskäytön mitoitus, käyttöönoton dokumentointi ja pakkauslinjasovellukset

Frequency converters have started to gain new market areas in the field of motion control applications. The communication and control properties of frequency converters have reached the properties of traditional servo amplifiers during the past few years. In this thesis a motion control system was examined. This particular system consists of frequency converters, permanent magnet synchronous motors and linear belt drives. The properties and prerequisites for packing are discussed. A test setup was build and measurement sets were done to examine the performance of the system. Speed and accuracy measurements were done in all three dimensions. Based on the measurement results applicability of the system for packing industry was evaluated.

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.

Design of marine generators for alternative diesel-electric power systems

This study compares different electric propulsion systems. Results of the analysis of all the advantages and disadvantages of the different propulsion systems are given. This thesis estimates possibilities to apply different diesel-electric propulsion concepts for different vessel types. Small and medium size vessel’s power ranges are studied. The optimal delivery system is chosen. This choice is made on the base of detailed study of the concepts, electrical equipment market and comparison of mass, volume and efficiency parameters. In this thesis three marine generators are designed. They are: salient pole synchronous generator and two permanent magnet synchronous generators. Their electrical, dimensional, cost and efficiency parameters are compared. To understand all the benefits diagrams with these parameters are prepared. Possible benefits and money savings are estimated. As the result the advantages, disadvantages and boundary conditions for the permanent magnet synchronous generator application in marine electric-power systems are found out.

Laakerivirrat kestomagneettitahtikoneissa

Diplomityössä on esitelty ja tutkittu laakerivirtailmiötä sähkökoneissa. Työn pääpaino on suurissa kestomagneettitahtikoneissa, joissa niin sanotut kiertävät laakerivirrat ovat dominoivia. Työssä on lisäksi tarkasteltu staattorin segmentoinnin aiheuttamia matalataajuisia kiertovirtoja. Laakerivirran ja akselijännitteen ehkäisyyn on esitetty sekä testattu mahdollisia ratkaisuja.