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.

Tulospalkkaus käytännössä - ansaittu etu vai toiminnan ohjaaja

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää tulospalkkiojärjestelmän vaikutuksia käytännössä. Päätutkimusongelmat olivat: toimiiko tulospalkkiojärjestelmä toivotulla tavalla ja jos ei toimi, niin miten sitä tulisi kehittää? Vastausten saamiseksi kerättiin empiiristä aineistoa suomalaisesta hotelli- ja ravintola-alan yrityksestä. Aineisto kerättiin www-kyselynä Internetin kautta. Kyselyssä selvitettiin mielipiteitä myös avoimin kommentein. Teorian mukaan hyvin toimiva tulospalkkiojärjestelmä voi tukea merkittävästi yrityksen strategisten tavoitteiden saavuttamista. Toisaalta huonosti suunniteltu ja strategian kanssa ristiriidassa oleva järjestelmä voi toimia tavoitteiden vastaisesti. Tulospalkkiojärjestelmän rakenne, kehittämistapa, yhteensopivuus strategian kanssa sekä ennen kaikkea työntekijöiden tietämys järjestelmästä vaikuttavat tulospalkkiojärjestelmän merkitykseen työntekijöille. Tulospalkkiojärjestelmä vaikuttaa yksilön toimintaan merkityksensä kautta. Tutkimuksen teoreettisena viitekehyksenä käytettiin TKK:n tulospalkkiojärjestelmän toimivuusmallia. Mallin avulla arvioitiin tulospalkkiojärjestelmän vaikutuksia tavoitteisiin, toimintaan, yhteistyöhän ja ilmapiiriin sekä työasenteisiin. Lisäksi arvioitiin järjestelmän toimivuutta järjestelmän tarkoituksen, rakenteen sekä esimiestyön kannalta. Tutkimustulokset osoittavat arvioidun järjestelmän toimivan pääosin hyvin ja sillä on merkitystä työntekijöille. Järjestelmä tunnetaan hyvin ja sillä on myös rahallista merkitystä. Toteutuneiden tulospalkkioiden määrä ei kuitenkaan näytä olevan riittävän suuri motivoidakseen sellaisenaan. Teorian ja tutkimustulosten perusteella esitettiin ehdotuksia tulospalkkiojärjestelmän kehittämiseksi. Tulospalkkiojärjestelmää tulisi kehittää yksinkertaisemmaksi, jotta sillä olisi enemmän toivottuja vaikutuksia.

Improving Cross Direction Basis Weight Profile in a Fourdrinier Paper Machine

The purpose of this study was to improve PM7’s basis weight CD profile in Stora Enso’s Berghuizer mill and to search mechanical defects which affect to the formation of the basis weight CD profile. In the theoretical part PM7’s structure was presented and the formation of the basis weight and caliper CD profiles was examined as well as disturbances which are affecting to the formation. The function of the control system was scrutinised for the side of CD profiles as well as the formation of the measured CD profiles. Tuning of the control system was examined through the response model and filtering. Specification of the response model and filtering was explained and how to determine 2sigma statistical number. In the end of the theoretical part ATPA hardware and a new profile browser were introduced. In the experimental part focus was in the beginning to search and remove mechanical defects which are affecting to CD profiles. The next step was to verify the reliability of the online measurements, to study the stability of the basis weight CD profile and to find out so called fingerprint, a basis weight CD profile which is unique for each paper machine. New response model and filtering value for basis weight CD profile was determined by bump tests. After a follow up period the affect of the new response model and filtering was analysed.

Tiedon hajautus johtamisjärjestelmässä ja DDS-teknologia

Verkostokeskeisessä sodankäynnissä tietojärjestelmien suurimpana haasteena on oikean tiedon hajauttaminen oikeaan paikkaan ja aikaan. Tietojärjestelmissä esitettävän ilmatilannekuvan tulee vastata reaalimaailman tilannetta parhaalla mahdollisella tavalla. Ilmatorjunnassa reaaliaikaisuus nousee erityisen suureen rooliin nopeasti liikkuvien kohteiden takia. Tämä diplomityö on tehty Insta DefSec Oy:ssä liittyen johtamisjärjestelmän uudistamishankkeeseen. Työn vaatimuksina olivat standardeihin perustuvat ratkaisut, joista keskeisimmäksi nousi Data Distribution Service -standardi (DDS) ja sen hyödyntäminen osana johtamisjärjestelmän tiedon hajautusta. Työssä esitellään johtamisjärjestelmien tiedon hajautukseen liittyviä haasteita sekä paikallisessa että maantieteellisesti hajautetussa toimintaympäristössä. Työssä toteutettiin liityntäohjelmisto nykyisen ja uuden johtamisjärjestelmän välille. Liityntäohjelmiston tehtävänä on tuottaa reaaliaikaista ilmatilannekuvaa nykyisestä johtamisjärjestelmästä uuteen johtamisjärjestelmään. DDS-standardin toteuttavana välikerrosarkkitehtuurina käytettiin OpenSplice DDS -tuotetta. Valittu teknologia tarjoaa edistykselliset julkaisija–tilaaja-mallin mukaiset menetelmät tiedon reaaliaikaiseen hajauttamiseen. DDS:n arkkitehtuuri ja palvelun laadun mekanismit mahdollistavat tiedon hajautuksen sodanajan johtamisjärjestelmille.

Robottisolun servotekniikan kehittäminen

Työn kehityksen kohteena toimii CIRB 500i –robottisolu, jonka sisällä työskentelee korkeaan tuotantokapasiteettiin kehitetty näköjärjestelmällä ohjattu sähköservomanipulaattori. Kokonaisuutena ajatellen työ tekee servotekniikan osalta poikkileikkauksen CIRB 500i –robottisolun matkasta prototyypistä tuotteeksi erilaisine kehitysvaiheineen. Työn alkutaipaleella perehdytään pitkälle pelkkään teoriaan nojautuen mitä on servotekniikka, miten se toimii ja kuinka se viritetään. Tämän jälkeen edellä opitut teoriat konkretisoidaan CIRB 500i –robottisoluun ja siinä käytettävään servotekniikkaan. Robottisolun komponenttien ja laitteistojen tullessa tutuiksi mietitään ja kehitetään kuinka robottisolusta saataisiin entistä kehittyneempi ja käytännöllisempi teknillisestä näkökulmasta katsoen kuitenkaan valmistamisen kustannustehokkuutta unohtamatta. Loppupuolella analysoidaan miten edellä tehdyt kehitystoimenpiteet ovat vaikuttaneet robottisolun toimintaan ja valmistamiseen. Lopuksi sovelletaan teoriaosuuden virityskeinoja servojen virittämiseen käytännössä ja analysoidaan saavutettuja kehittämistyön tuloksia. Lisäksi tehdään katsaus CIRB 500i –robottisolun tulevaisuuden näkymiin.

Autosimulaattoripeleihin soveltuvan kaksiakselisen liikealustan kehittäminen

Työssä kehitettiin kohtuuhintainen ja suorituskyvyltään riittävä autosimulaattoripelikäyttöön soveltuva liikealusta. Työssä tutustuttiin aluksi markkinoilla oleviin liikealustaratkaisuihin. Työssä selvitettiin myös liikealustaa koskevia turvallisuusmääräyksiä. Kehittäminen alkoi liikealustan vaatimusten määrittelyllä ja kuormituksien simuloinnilla. Runkorakenteet mitoitettiin kestämään simuloituja rasituksia. Liikealustan toimilaitteet valittiin simulointitulosten perusteella. Työssä suunniteltiin myös liikealustan ohjausjärjestelmä. Mekaanisien osien ja voimansiirron mitoittamisen jälkeen suoritettiin osien yksityiskohtainen suunnittelu. Alihankkijat valmistivat osat ja ne koottiin Älykkäiden koneiden laboratoriossa. Järjestelmän kokoamisen jälkeen viritettiin säätäjät ja testattiin liikealustan toimivuutta. Kehitettyä liikealustaa on käytetty muutamissa tapahtumissa. Asetetut tavoitteet saavutettiin ja liikealusta soveltuu kokemuksien perusteella hyvin rata-autosimulaattoripelien kanssa käytettäväksi.

Betoniaseman ohjausjärjestelmän etäyhteysjärjestelmän suunnittelu ja toteutus

Etäyhteyksien merkitys yhteisöiden ja yritysten sisäisessä tiedonsiirrossa on kasvanut vuosi vuodelta, ja langattomien verkkoyhteyksien laajenemisen myötä niiden toteuttaminen on helpompaa kuin koskaan ennen. Tämän myötä entistä merkittävämmäksi seikaksi on tullut tiedonsiirron suojaaminen ulkopuolisilta. Tässä diplomityössä on toteutettu betoniaseman ohjausjärjestelmään liitettävä etäyhteysjärjestelmä. Työssä käydään läpi etäyhteyksien toteuttamisen syitä ja toteutusmenetelmiä, sekä käsitellään etähallinnan ja etätuen merkitystä yritystoiminnassa. Työssä havaittiin, että virtuaalinen yksityinen verkko on tällä hetkellä soveltuvimpia menetelmiä etäyhteyksien toteuttamiseen Internet-verkkoyhteyden kautta. Sen ominaisuudet mahdollistavat sen monipuolisen käytön eri ympäristöissä.

Fraktioinnin tehostaminen lajittelussa

Painelajittimet ovat yleisimpiä hiokkeen lajitteluun käytettyjä lajittimia. Painelajittimien suorituskyky on parantunut viimeisten vuosikymmenien aikana niin paljon, että pyörrepuhdistuksesta on pääosin voitu luopua osana hiokkeen lajittelua. Painelajittimen erinomaisuus perustuu siihen, että sillä voidaan erottaa massasta hyvinkin erilaisia epäpuhtauksia. Nykyään vallitsevia painelajittelun trendejä ovat sakeuden nosto, energiankulutuksen vähentäminen sekä eri fraktioiden erottumisen tehostuminen. Kaikilla pyritään vähentämään vedenkäyttöä ja parantamaan massan ominaisuuksia jatkoprosesseja silmälläpitäen. Tässä työssä tarkasteltiin painelajittimen roottorin kierrosnopeuden vaikutusta akseptimassan laatuun. Luodaan malli freeness-pudotukselle lajittimen yli. Sekä tarkastellaan myös automaatioon pohjautuvan säädön käyttöönottoa lajittimen akseptimassan freenesvaihteluiden tasaamiseksi. Toisaalta tehdään myös suppea selvitys lajittimien energiankulutuksista erilaisilla roottorin pyörimisnopeuksilla. Tuotantokäytössä oleviin lajittimiin asennettujen invertterisäätöjen ja koepisteistä saatujen tulosten avulla voidaan todeta, että laskemalla roottorin pyörimisnopeutta voidaan lajittimessa tapahtuvaa freenespudotusta kasvattaa. Samalla saavutetaan hyötyjä myös muissa massan ominaisuuksissa, kuten vetolujuudessa. Automaattisäädön käyttöönotolla saavutetaan huomattavasti pienempi hajonta akseptimassan freeneksessä. Rejektilinjan lajittimissa hajonta lähes puolittui ja päälinjan lajittimissa päästiin noin kolmanneksen parannukseen. Energian kulutuksia tutkittaessa huomataan, että roottorin kierrosnopeutta alentamalla voidaan merkittävästi vähentää lajittimien energian kulutusta. Parhaassa tapauksessa voidaan säästää neljännes lajittelun energiakustannuksissa.

Hybrid du/dt-filter in frequency converter applications

The aim of the thesis is to investigate the hybrid LC filter behavior in modern power drives; to analyze the influence of such a du/dt filter on the control system stability. With the implementation of the inverter output RLC filter the motor control becomes more complicated. And during the design process the influence of the filter on the motor should be considered and the filter RLC parameters should be constrained.

Parallel-Operating Three-Phase Voltage Source Inverters – Circulating CurrentModeling, Analysis and Mitigation

The maximum realizable power throughput of power electronic converters may be limited or constrained by technical or economical considerations. One solution to this problemis to connect several power converter units in parallel. The parallel connection can be used to increase the current carrying capacity of the overall system beyond the ratings of individual power converter units. Thus, it is possible to use several lower-power converter units, produced in large quantities, as building blocks to construct high-power converters in a modular manner. High-power converters realized by using parallel connection are needed for example in multimegawatt wind power generation systems. Parallel connection of power converter units is also required in emerging applications such as photovoltaic and fuel cell power conversion. The parallel operation of power converter units is not, however, problem free. This is because parallel-operating units are subject to overcurrent stresses, which are caused by unequal load current sharing or currents that flow between the units. Commonly, the term ’circulatingcurrent’ is used to describe both the unequal load current sharing and the currents flowing between the units. Circulating currents, again, are caused by component tolerances and asynchronous operation of the parallel units. Parallel-operating units are also subject to stresses caused by unequal thermal stress distribution. Both of these problemscan, nevertheless, be handled with a proper circulating current control. To design an effective circulating current control system, we need information about circulating current dynamics. The dynamics of the circulating currents can be investigated by developing appropriate mathematical models. In this dissertation, circulating current models aredeveloped for two different types of parallel two-level three-phase inverter configurations. Themodels, which are developed for an arbitrary number of parallel units, provide a framework for analyzing circulating current generation mechanisms and developing circulating current control systems. In addition to developing circulating current models, modulation of parallel inverters is considered. It is illustrated that depending on the parallel inverter configuration and the modulation method applied, common-mode circulating currents may be excited as a consequence of the differential-mode circulating current control. To prevent the common-mode circulating currents that are caused by the modulation, a dual modulator method is introduced. The dual modulator basically consists of two independently operating modulators, the outputs of which eventually constitute the switching commands of the inverter. The two independently operating modulators are referred to as primary and secondary modulators. In its intended usage, the same voltage vector is fed to the primary modulators of each parallel unit, and the inputs of the secondary modulators are obtained from the circulating current controllers. To ensure that voltage commands obtained from the circulating current controllers are realizable, it must be guaranteed that the inverter is not driven into saturation by the primary modulator. The inverter saturation can be prevented by limiting the inputs of the primary and secondary modulators. Because of this, also a limitation algorithm is proposed. The operation of both the proposed dual modulator and the limitation algorithm is verified experimentally.

Joustavan särmäyssolun kehittäminen

Tässä diplomityössä esitellään robotisoinnin teoria ja robottisolun oheislaitteet, vaihtoehdot, toiminta ja turvallisuus. Joustavalla tuotantosolulla tarkoitetaan automaattista valmistusjärjestelmää, jossa on useita toisiinsa liitettyjä koneita yhteisellä ohjausjärjestelmällä. Solun komponentteja ovat tuotantolaitteet ja -koneet, ohjausjärjestelmät, valvontalaitteet ja anturit, toimi- ja säätölaitteet sekä ohjelmointijärjestelmä. Joustavaa tuotantosolua voidaan kehittää tehostamalla työntekijöiden koulutusta, ohjelmointia, asetusten tekemistä ja layouttia. Diplomityöhön liittyvä kehitystehtävä koskee heinäveteläisen alihankintakonepajan, Metalliset Oy:n, tuotannon tehostamista robotisoinnin avulla. Metalliset Oy:n joustavan särmäyssolun kehittämiskeinoiksi valittiin nykyisen järjestelmän tehostaminen, uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen ja tulevaisuuden tuotantosolun kehittäminen. Vertailussa parhaimmaksi osoittautui uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen.

Tuotannon tunnuslukujen analysointi ja kehittäminen kourukoneilla

Sisäisen suorituskyvyn tehostaminen on yrityksille jatkuvan kehityksen prosessi. Diplomityön tarkoituksena oli selvittää Paroc Oy Ab:n kourukoneiden suorituskykymittarit sekä analysoida ja kehittää niitä. Lisäksi selvitettiin suorituskykyä kuvaavat raporttimallit eri tuotantopaikkakunnilta ja kehitettiin niitä. Teoriaosuudessa kerrotaan, mitä suorituskyvyllä tarkoitetaan sekä käydään läpi sen eri osa-alueita. Siinä esitetään myös suorituskyvyn mittaamista sekä kuinka mittareita suunnitellaan ja rakennetaan. Työn painopiste on kuitenkin empiirisessä osuudessa, jossa ensin kerrotaan työn kohteena olevien kourukoneiden tuotantoprosessi ja tämän jälkeen paneudutaan suorituskykymittareihin ja niiden analysointiin sekä raporttimalleihin. Lopuksi esitetään työn aikana esille nousseita kehitysehdotuksia. Tunnuslukujen selvittämisen tuloksena havaittiin, että kirjallisuus tukee käytössä olevia mittareita. Työssä kerättiin tuotantodataa kourukoneilta usean vuoden aikajaksolta. Datasta valmisteltiin mallit, joita käytettiin mittarien analysointiin. Analysoinnin tuloksena kävi ilmi, että mittarien tarjoama tieto oli joiltakin osin puutteellista ja näin ollen päätöksentekijälle harhaanjohtavaa. Raporttimallit eivät olleet yhtenäisiä paikkakuntien välillä, mikä toi epävarmuutta tuloksiin laskentaperiaatteiden osalta. Työn lopputuloksena tehtiin käytössä oleville suorituskykymittareille kehitysehdotuksia tarkemman ja laadukkaamman tiedon takaamiseksi. Työssä esitettiin myös uusia mittariehdotuksia. Raporttimallit yhtenäistettiin uuden tuotannonohjausjärjestelmän tuomien mahdollisuuksien myötä.

Uuden robottisolun ohjelmointitavan mahdollisuudet pienille ja keskisuurille yrityksille

Robotin ohjelmointi on aikaa vievää ja tarvitsee robotin ohjelmoinnin tuntevan operaattorin toimimaan robotin opettajana. Saadakseen robottisolun kustannustehokkaaksi operaattorilla olisi hyvä olla useampi solu hoidettavanaan samaan aikaan. Tämä ei ole suuri ongelma suurille yrityksille, joissa voi olla kymmeniä robottisoluja. Jos kyseessä on pieni tai keskisuuri yritys, automatisointi-investointi voi jäädä tekemättä ohjelmoinnin vaikeuden aiheuttaman ongelman vuoksi. Diplomityössä keskityttiin tutkimaan robotisointia pienten ja keskisuurten yritysten kannalta. Teoriaosassa on keskitytty robottisolun suunnittelun kannalta tarvittaviin perustietoihin robotin rakenteesta, ohjausjärjestelmästä, ohjelmoinnista sekä turvallisuudesta. Näiden perustietojen lisäksi on huomioitu hitsauksen automatisointia sekä taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun tekninen konsepti. Taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun konseptin käsittelyosassa on myös perehdytty taluttamalla ohjelmoinnin vaatimiin komponentteihin kuten voima/vääntö-anturi. Robottisolun suunnittelu on tehtävä koneasetuksen vaatimusten mukaan. Turvallisuus osiossa on käsitelty koneasetuksen vaatimuksia koneensuunnittelulle ja käytännön osassa on käsitelty Winnovan taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun suunnittelua koneasetuksen ohjeiden mukaan. Käytännön osassa on tutkittu taluttamalla ohjelmoinnin tuomia etuja muihin ohjelmointimenetelmiin nähden sekä suoritettu investointilaskelmat taluttamalla ohjelmoitavasta ja opettamalla ohjelmoitavasta robottisolusta. Koetuloksista nähdään taluttamalla ohjelmoinnin olevan nopeampi ja yksinkertaisempi tapa ohjelmoida robottia kuin opettamalla ohjelmointi. Investointilaskelmien vertailusta nähdään taluttamalla ohjelmoinnin tulevan opettamalla ohjelmointia edullisemmaksi vaihtoehdoksi käyttökustannusten edullisuuden ansiosta.

Kuivurin pölynhallintajärjestelmä

Lämminilmakuivaus on viljan kuivaamisen menetelmistä ylivoimaisesti käytetyin. Siinä kuivurissa olevan viljakerroksen läpi puhalletaan lämmintä ilmaa, kunnes viljan kosteuspitoisuus laskee tavoitetasoon. Viljan jyvistä irtoaa aina pölyä niiden hangatessa toisiaan vasten. Viljankuivaamoiden pölyisyyttä on normaalisti pyritty vähentämään poistamalla leijuvaa pölyä viljan liikkeen epäjatkuvuuskohdista. Pölyä kulkeutuu kuitenkin kuivaamon ulkopuolelle myös kuivaukseen käytetyn ilman mukana. Poistoilman pölypitoisuus ei tavallisesti ole korkea, mutta kuivaamiseen käytetyistä suurista ilmamääristä johtuen pölyä voi kertyä poistoilmakanavan ympäristöön huomattavia määriä. Tämän diplomityön tavoitteena onkin viljankuivurin poistoilman pölypitoisuuden vähentämiseen soveltuvan pölynhallintajärjestelmän kehittäminen. Selvityksessä tarkasteltiin ensinnäkin kuivurin poistoilman pölypitoisuuteen liittyvää kansallista ja kansainvälistä lainsäädäntöä sekä raja-arvoja. Lähdemateriaalin perusteella kartoitettiin pölypitoisuuden vähentämiseen soveltuvia menetelmiä sekä kilpailijoiden toteuttamia ratkaisuja. Myös muita pölynhallintajärjestelmän edellytyksiä selvitettiin. Teoreettisessa tarkastelussa teknistaloudellisesti parhaaksi osoittautunut pölynhallintaratkaisu jalostettiin prototyypiksi. Sen toimintakykyä testattiin erotustehokkuuden mittaamiseen soveltuvan koelaitteiston avulla. Testitulosten perusteella kyseinen pölynhallintajärjestelmä todettiin toimivaksi ja pienellä jatkokehittelyllä myös kaupalliseen käyttöön soveltuvaksi. Testitulosten hyödyntämismahdollisuuksien lisäksi diplomityössä esitetään myös muutamia jatkokehitysehdotuksia.