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.

Verkkokäyttöisten tahtimoottorien käynnistyshäiriön tutkiminen

Diplomityössä tutkitaan verkkokäyttöisten harjattomasti magnetoitujen tahtimoottorien käynnistyshäiriötä, jossa moottori magnetoituu vasta useiden sekuntien kuluttua magnetoinnin kytkemisestä magnetointilaitteiston normaalista toiminnasta huolimatta. Syy magnetoitumisen viivästymiseen on magnetointikoneen oikosulkeutuminen roottorin ylijännitesuojana toimivan tyristorihaaran kautta siitä huolimatta, että tyristorihaaran tyristorien on tarkoitus olla johtamattomassa tilassa magnetointikoneen alkaessa syöttää magnetointivirtaa. Syitä tyristorien johtavana pysymiseen magnetoinnin kytkennän jälkeen etsitään tahtimoottorin käynnistyskokeista saatujen mittaustulosten sekä SMT- ja FCSMEK-laskentaohjelmilla tehtyjen käynnistyssimulointien avulla. Samalla arvioidaan ohjelmien käyttökelpoisuutta käynnistyshäiriön ennakoimisessa. Diplomityössä esitetään syyt kahden esimerkkikoneen magnetoitumisen viivästymiseen sekä muutoksia roottoripiiriin ja käynnistysproseduuriin, joiden avulla tutkittu käynnistyshäiriö voitaisiin tulevaisuudessa todennäköisesti välttää.

Internal material logistics development in customer-driven production

Työn tavoitteena oli synkronoida yleinen materiaalivirta tuotannon kanssa. Pyrkimyksenä oli virtaviivaistaa materiaalivirta, jotta materiaalin määrä, sekä turhat työvaiheet tuotantoalueella vähenisivät. Päämääränä oli vähentää materiaalilavojen määrää lattialla, sekä parantaa materiaalitoimitusten OTD (On-Time-Delivery) prosenttia.Teoreettinen osa käsittelee nykypäivän toimitusketjun tärkeimpiä elementtejä. Keskeisenä asiana perehdytään materiaalivirtaan ja sen tehokkaaseen hallintaan. Työ esittelee myös synkronisen johtamismallin periaatteet, sekä materiaalivirran synkronoimisen tuotannon kanssa.Empiirinen osuus kuvaa yrityksen materiaalihallinnan nykypäivän tilanteen, sen keskeiset ongelmat, sekä uuden toimintamalliehdotuksen. Työ esittelee kaksi pilottia, joiden tulokset varmistivat uuden virtaviivaistetun materiaalivirran ja täydennysmallin toimivuuden.Työn tulokset osoittavat, miten uusi materiaalin täydennysmalli vähentää materiaalilavojen, sekä jalostamattoman työn määrää tuotantoalueella.

Teollisuusverkon stabiilisuus saarekekäyttöön siirryttäessä

Työn aluksi on käsitelty sähkövoimajärjestelmien stabiilisuutta yleisesti. Myös teollisuuden sähköverkkojen erityispiirteitä on tarkasteltu. Teollisuusverkkojen komponentteja koskevassa selvityksessä eri laitteet on käsitelty siten, että niiden tärkeimmät ominaisuudet verkon erilaisissa muutostilanteissa tulevat esille. Tahtigeneraattorit ja epätahtikoneet on käsitelty yksityiskohtaisesti. Tutkimuksessa on esitelty teollisuusverkon saarekekäyttöön johtavia syitä, saarekkeeseen siirtymisen kriteereitä ja saarekekäytön toteutustapoja. Tehonvajaussuojaukseen liittyen on tutustuttu kuormanpudotusjärjestelyihin. Myös höyryverkon kuormien tasausten mahdollisuuksiin on luotu katsaus. Verkostolaskentaa käsittelevässä luvussa on keskitytty sopivan laskentamallin luomiseen liittyviin menetelmiin ja rajoituksiin. Lisäksi on kerrottu työn käytännön osan laskentamallin luomisen keskeiset periaatteet. Työn lopuksi on suoritettu simulointeja, joissa on tutkittu erään teollisuusverkon stabiilisuutta saarekekäyttöön siirryttäessä Calpos-verkostolaskentaohjelmistolla.

Sähköisen lineaariservomoottorijärjestelmän dynamiikan simulointi

Työssä johdettiin sähköisen lineaariservomoottorijärjestelmän dynaaminen malli. Lineaarimoottori on keksintönä vanha, mutta vasta viimeaikoina kestomagneettimateriaalien kehittyessä ja halvetessa lineaarimoottorista on tullut varteenotettava vaihtoehto pyörivän moottorin ja lineaarisen liikkeen toteuttavan mekanismin yhdistelmälle. Kestomagnetoituja lineaarimoottoreita käytetään sovelluksissa, joissa tarvitaan tarkkaa paikoitusta ja nopeudella ja kiihtyvyydellä on suuret vaatimukset. Moottorimalli toteutettiin vuorovaikutteisena simulointimallina. Moottorimalli, josta saatiin moottorin voima, rakennettiin MatLabâ 6.0/Simulinkâ –ohjelmalle ja moottoriin kiinnitetyn mekaniikan malli ADAMS 10.0 –ohjelmalle. Mallit on liitetty tämän jälkeen vuorovaikutteiseksi simulointimalliksi. Simuloinnista saatuja tuloksia on verrattu koneautomaation laboratorioon hankitun lineaarimoottorijärjestelmän mitattuihin vasteisiin.

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.

Reluktanssiverkkomalli kestomagneettitahtikoneen staattisen ilmavälivuontiheyden mallinnukseen

Kaikissa pyörivissä sähkömoottoreissa vääntömomentin tuoton kannalta olennainen magneettivuo kulkee staattorin ja roottorin välillä ilmavälin kautta. Ilmaväli mallinnetaan koneensuunnittelun yhteydessä tämän vuoksi tarkasti. Elementtimenetelmällä voidaan analysoida moottoreita varsin tarkasti, mutta menetelmän käyttö vie paljon aikaa ja sovittaminen muihin laskentaympäristöihin on usein hankalaa. Tämän vuoksi voidaan käyttää riittävän tarkkuuden omaavia analyyttisiä laskentamenetelmiä, joiden sovittaminen muihin ohjelmaympäristöihin on helpompaa kuin elementtimenetelmää käytettäessä. Diplomityössä kehitetään reluktanssiverkkomalli kestomagneettien aikaansaaman ilmavälivuontiheyden mallintamiseen kestomagneettitahtikoneille, joissa on pinta-asennetut kestomagneetit. Kehitetyn reluktanssiverkkomallin toimivuutta vertaillaan muihin ilmavälivuontiheyden laskentamenetelmiin.

Sähkökäyttöisen konejärjestelmän vuorovaikutteinen simulointi

Työn tavoitteena oli toteuttaa simulointimalli, jolla pystytään tutkimaan kestomagnetoidun tahtikoneen aiheuttaman vääntömomenttivärähtelyn vaikutuksia sähkömoottoriin liitetyssä mekaniikassa. Tarkoitus oli lisäksi selvittää kuinka kyseinen simulointimalli voidaan toteuttaa nykyaikaisia simulointiohjelmia käyttäen. Saatujen simulointitulosten oikeellisuus varmistettiin tätä työtä varten rakennetulla verifiointilaitteistolla. Tutkittava rakenne koostui akselista, johon kiinnitettiin epäkeskotanko. Epäkeskotankoon kiinnitettiin massa, jonka sijaintia voitiin muunnella. Massan asemaa muuttamalla saatiin rakenteelle erilaisia ominaistaajuuksia. Epäkeskotanko mallinnettiin joustavana elementtimenetelmää apuna käyttäen. Mekaniikka mallinnettiin dynamiikan simulointiin tarkoitetussa ADAMS –ohjelmistossa, johon joustavana mallinnettu epäkeskotanko tuotiin ANSYS –elementtimenetelmäohjelmasta. Mekaniikan malli siirrettiin SIMULINK –ohjelmistoon, jossa mallinnettiin myös sähkökäyttö. SIMULINK –ohjelmassa mallinnettiin sähkökäyttö, joka kuvaa kestomagnetoitua tahtikonetta. Kestomagnetoidun tahtikoneen yhtälöt perustuvat lineaarisiin differentiaaliyhtälöihin, joihin hammasvääntömomentin vaikutus on lisätty häiriösignaalina. Sähkökäytön malli tuottaa vääntömomenttia, joka syötetään ADAMS –ohjelmistolla mallinnettuun mekaniikkaan. Mekaniikan mallista otetaan roottorin kulmakiihtyvyyden arvo takaisinkytkentänä sähkömoottorin malliin. Näin saadaan aikaiseksi yhdistetty simulointi, joka koostuu sähkötoimilaitekäytöstä ja mekaniikasta. Tulosten perusteella voidaan todeta, että sähkökäyttöjen ja mekaniikan yhdistetty simulointi on mahdollista toteuttaa valituilla menetelmillä. Simuloimalla saadut tulokset vastaavat hyvin mitattuja tuloksia.

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.

Communication challenges in virtual teams – a case study of implementing computer-mediated communication technologies in inter-organisational virtual teams

This thesis seeks to answer, if communication challenges in virtual teams can be overcome with the help of computer-mediated communication. Virtual teams are becoming more common work method in many global companies. In order for virtual teams to reach their maximum potential, effective asynchronous and synchronous methods for communication are needed. The thesis covers communication in virtual teams, as well as leadership and trust building in virtual environments with the help of CMC. First, the communication challenges in virtual teams are identified by using a framework of knowledge sharing barriers in virtual teams by Rosen et al. (2007) Secondly, the leadership and trust in virtual teams are defined in the context of CMC. The performance of virtual teams is evaluated in the case study by exploiting these three dimensions. With the help of a case study of two virtual teams, the practical issues related to selecting and implementing communication technologies as well as overcoming knowledge sharing barriers is being discussed. The case studies involve a complex inter-organisational setting, where four companies are working together in order to maintain a new IT system. The communication difficulties are related to inadequate communication technologies, lack of trust and the undefined relationships of the stakeholders and the team members. As a result, it is suggested that communication technologies are needed in order to improve the virtual team performance, but are not however solely capable of solving the communication challenges in virtual teams. In addition, suitable leadership and trust between team members are required in order to improve the knowledge sharing and communication in virtual teams.

Electric energy recovery system for a hydraulic forklift

This thesis studies the possibilities to recover energy in a hydraulic forklift system. Controlling of the system is done directly with an electric servo motor drive and a hydraulic pump. A real system was built and tested and simulations of the system were made with Matlab. Results of the system and simulations were analysed and compared and according to them, energy can be recovered efficiently from the hydraulic forklift system. Also new ideas and directions of further research were obtained with the help of this research.

Loistehon tuottaminen painehiomon tahtimoottoreilla

Tämän työn tavoitteena on selvittää, millaisia häviöitä loistehon tuottaminen Stora Enson Anjalankosken tehtaiden hiomorakennuksessa sijaitsevilla kuudella 14 MW tahtimoottorilla aiheuttaa. Lähtötietoina käytettiin moottoreiden valmistajalta saatuja rkistotietoja ja niiden perusteella laadittiin äivitetty akselitehon ja loistehotuotannon ilaa kuvaava PQ-diagrammi digitaaliseen muotoon. Saatujen tulosten avulla on mahdollista suunnitella kustannustehokas tapa käyttää painehiomon tahtimoottoreita koko tehdasalueen loistehon säätöön.

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.

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.

Erikoissähkökoneen tyyppitestaus

Uusien erikoissähkökoneiden testaus perinteisten standardien mukaan on osittain haasteellista. Erikoissähkökoneille, kuten kestomagneettitahtikoneelle ei ole esitetty suoranaisia standardin vaatimia testejä, joten siihen joudutaan soveltamaan olemassa olevia erillismagnetoiduntahtikoneen standardeja. Testien tavoitteena on olla luotettavia sekä vertailukelpoisia. Mittausten on oltava toistettavissa. Mittaustavasta riippuen voidaan saada erilaisia tuloksia, jotka vaikuttavat lopputulokseen. Standardien mukaisessa testauksessa saadaan mittauksista samanlaisia ja samalla saadaan mittausvirheen mahdollisuus pienemmäksi ja tällä tavoin tulokset keskenään vertailukelpoisemmiksi. Tässä työssä tarkastellaan kahta erilaista erikoissähkokonetta, kestomagneettitahtikonetta ja massiiviroottoriepätahtikonetta. Työssä selvitetään standardin IEC 60034 soveltuvuutta tyyppitesteihin, joita kyseiset konetyypit vaativat. Lisäksi työssä vertaillaan standardin IEC 60034 mukaisen hyötysuhteen määrittämistä. Se antaakin useita vaihtoehtoja hyötysuhteen määrittämiselle.