Uncertainty of Efficiency Measurements in Electric Drives

The two central goals of this master's thesis are to serve as a guidebook on the determination of uncertainty in efficiency measurements and to investigate sources of uncertainty in efficiency measurements in the field of electric drives by a literature review, mathematical modeling and experimental means. The influence of individual sources of uncertainty on the total instrumental uncertainty is investigated with the help of mathematical models derived for a balance and a direct air cooled calorimeter. The losses of a frequency converter and an induction motor are measured with the input-output method and a balance calorimeter at 50 and 100 % loads. A software linking features of Matlab and Excel is created to process measurement data, calculate uncertainties and to calculate and visualize results. The uncertainties are combined with both the worst case and the realistic perturbation method and distributions of uncertainty by source are shown based on experimental results. A comparison of the calculated uncertainties suggests that the balance calorimeter determines losses more accurately than the input-output method with a relative RPM uncertainty of 1.46 % compared to 3.78 - 12.74 % respectively with 95 % level of confidence at the 93 % induction motor efficiency or higher. As some principles in uncertainty analysis are open to interpretation the views and decisions of the analyst can have noticeable influence on the uncertainty in the measurement result.

Kotkan kaupungin ja lähialueen sähkönjakeluverkon kehittämissuunnitelma

Kotkan jakelualueella käytetään historiallisista syistä keskijänniteverkossa kahta jänniteta-soa, 10 kV ja 20 kV. Eri jännitetasojen lisäksi Kotkan jakelualueen 110/20 päämuuntajien kytkentäryhmänä on käytössä YNyn0, kun taas muualla verkossa käytetään YNd11 kyt-kentäryhmää. Jännitetasoista ja kytkentäryhmistä johtuen Kotkan jakeluverkon yhteenkyt-kettävyys ympäröivän verkon kanssa on haastavaa. Työn tavoitteena on selvittää Kotkan kaupungin keskijänniteverkon nykytila ja käytettä-vyys häiriötilanteissa pahimpana mahdollisena aikana, sekä löytää mahdolliset ongelma-kohdat. Verkon nykytila tarkasteltiin verkkotietojärjestelmän avulla käyttäen laskennallisia tuloksia, jotka skaalattiin vastaamaan kovemman pakkastalven kuormitusta. Skaalaus teh-tiin useamman vuoden takaiseen tilanteeseen, jolloin yleinen taloustilanne oli parempi ja verkon kuormitus suurempi, jolloin verkko ei tule alimitoitetuksi taloustilanteen parantuessa. Tulevaisuuden varalta muodostettiin alueen tulevaisuuden kuormitusennusteet käyttämällä historiatietoja sekä tulevaisuuden näkymiä apuna. Työn keskeisimmäksi sisällöksi muodostui selvittää tarve usean käyttöjännitteen säilyttä-miselle sekä erilaisten kytkentäryhmien ylläpitämiseen ja kosketusjänniteongelman ratkai-seminen. Alueen sähköverkon kehittämiseksi tehtiin useita eri vaihtoehtoja, joita vertailtiin elinkaarikustannusperiaatteella toisiinsa. Vertailun pohjalta saatiin investointistrategia ehdo-tukset, joiden pohjalta verkkoyhtiö voi tehdä tulevaisuuteen sijoittuvia ratkaisuja.

Energy Management System for LVDC Island Networks

Recent developments in power electronics technology have made it possible to develop competitive and reliable low-voltage DC (LVDC) distribution networks. Further, islanded microgrids—isolated small-scale localized distribution networks— have been proposed to reliably supply power using distributed generations. However, islanded operations face many issues such as power quality, voltage regulation, network stability, and protection. In this thesis, an energy management system (EMS) that ensures efficient energy and power balancing and voltage regulation has been proposed for an LVDC island network utilizing solar panels for electricity production and lead-acid batteries for energy storage. The EMS uses the master/slave method with robust communication infrastructure to control the production, storage, and loads. The logical basis for the EMS operations has been established by proposing functionalities of the network components as well as by defining appropriate operation modes that encompass all situations. During loss-of-powersupply periods, load prioritizations and disconnections are employed to maintain the power supply to at least some loads. The proposed EMS ensures optimal energy balance in the network. A sizing method based on discrete-event simulations has also been proposed to obtain reliable capacities of the photovoltaic array and battery. In addition, an algorithm to determine the number of hours of electric power supply that can be guaranteed to the customers at any given location has been developed. The successful performances of all the proposed algorithms have been demonstrated by simulations.

Modelling of changes in electricity end-use and their impacts on electricity distribution

The electricity distribution sector will face significant changes in the future. Increasing reliability demands will call for major network investments. At the same time, electricity end-use is undergoing profound changes. The changes include future energy technologies and other advances in the field. New technologies such as microgeneration and electric vehicles will have different kinds of impacts on electricity distribution network loads. In addition, smart metering provides more accurate electricity consumption data and opportunities to develop sophisticated load modelling and forecasting approaches. Thus, there are both demands and opportunities to develop a new type of long-term forecasting methodology for electricity distribution. The work concentrates on the technical and economic perspectives of electricity distribution. The doctoral dissertation proposes a methodology to forecast electricity consumption in the distribution networks. The forecasting process consists of a spatial analysis, clustering, end-use modelling, scenarios and simulation methods, and the load forecasts are based on the application of automatic meter reading (AMR) data. The developed long-term forecasting process produces power-based load forecasts. By applying these results, it is possible to forecast the impacts of changes on electrical energy in the network, and further, on the distribution system operator’s revenue. These results are applicable to distribution network and business planning. This doctoral dissertation includes a case study, which tests the forecasting process in practice. For the case study, the most prominent future energy technologies are chosen, and their impacts on the electrical energy and power on the network are analysed. The most relevant topics related to changes in the operating environment, namely energy efficiency, microgeneration, electric vehicles, energy storages and demand response, are discussed in more detail. The study shows that changes in electricity end-use may have radical impacts both on electrical energy and power in the distribution networks and on the distribution revenue. These changes will probably pose challenges for distribution system operators. The study suggests solutions for the distribution system operators on how they can prepare for the changing conditions. It is concluded that a new type of load forecasting methodology is needed, because the previous methods are no longer able to produce adequate forecasts.

Valukappaleiden valmistusprosessin kapeikot teräsvalimossa

Teräsvalimon toimitusprosessissa toimitusvarmuus on tärkeä tuotannon tunnusluku. Valimotuotannossa olevien lukuisten muuttujien vuoksi tuotannonsuunnittelu ja läpivirtauksen hallinta on haasteellista. Tuotteiden, valumateriaalien ja näiden yhdistelmien suuri yhtäaikainen määrä tuotannossa vaikeuttaa tuotannon ennustettavuutta sekä vaikuttaa läpivirtaukseen ja toimitusvarmuuteen. Lisäksi tuotannon eri työvaiheissa ilmenevät kapeikot rajoittavat läpivirtausta ja kasvattavat läpimenoaikoja. Kapeikkoja voidaan hyödyntää tuotannonohjauksessa jos kapeikot ovat selkeästi havaittavissa. Kapasiteetin siirtäminen ei-kapeikosta kapeikkoon lisää tuotannon läpivirtausta. Pelkkä kapeikkojen hallinta ei paranna toimitusvarmuutta jos keskeneräisen tuotannon määrä on suuri ja järjestys väärä. Tuotannon työkuormien visuaalisuuden parantaminen kaikilla työvaiheilla antaa mahdollisuuksia ohjata tuotantoa tehokkaammin. Kandidaatintyössä on tarkasteltu teräsvalimon valmistusprosessia ja selvitetty tuotannon eri vaiheissa ilmeneviä kapeikkoja. Selvitystyössä hyödynnettiin TOC-analyysiä. Keskeneräisen tuotannon määrää mitattiin useilla otannoilla eri työvaiheiden kohdalla. Tuloksia analysoimalla löydettiin tuotannon ongelmakohdat ja niihin tarvittavat kehitystoimenpiteet.

Preparation and Investigation of Bio-coal Mixture Fuels Used in Large Diesel Engines

Coal slurry was of vital interest during the last century due to its potential as an alternative fuel where liquid fuels were necessary. Recently, environmental impacts of the traditional fuels, similarities of bio-coal to that of coal, and huge bio-coal supply has attracted the attention to prepare bio-coal slurries as a new fuel. Rudolf Diesel who invented the diesel engine on 1895 was of the opinion that diesel engines are capable to use different kinds of fuels due to the special design. He tried some kind of vegetable oil to operate on his IC engine. Recently, due to high energy density and more environmentally friendly fuel, researchers believe that bio-coal slurries could act as a new alternative fuel in large diesel engines. Loads of research on different kinds of bio-coal slurry were done by the other researchers worldwide and a lot of progress to boost slurry’s quality were achieved recently. The present study aims to achieve the ideal condition of different factors affecting on the quality of bio-coal slurry. One charcoal sample and two kinds of torrefied wood were used to investigate and compare the reaction of various factors. The results show a great gap between the quality of slurries made of different samples and more researches are necessary to fully understand the impact of the different parameter and improving the quality.

Sähkön kysyntäjouston kannattavuus teollisuuskiinteistössä

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin sähkön kysyntäjouston kannattavuutta teollisuuskiinteis-tössä. Tutkimus suoritettiin tutkimalla vuosien 2014 ja 2015 sähkön käyttöraportteja sekä toteutuneita Elspot hintoja. Lisäksi suoritettiin mittauksia ilmalämpöpumpuista, joiden pe-rusteella selvitettiin ilmalämpöpumppujen soveltuvuutta kysyntäjoustoon. Työssä käydään läpi kysyntäjouston vaikutuksia sekä eri kuormanohjaus mahdollisuuksia asiakkaan näkökulmasta. Lisäksi tuodaan esille Elspot hinnan muodostuminen sekä Elspot hintaan vaikuttavat tekijät. Työssä vertaillaan esimerkkikiinteistön sähkönkulutuksen suh-detta toteutuneisiin Elspot hintoihin. Lisäksi tutkitaan lämmityskuormien ohjauspotentiaalia kysyntäjouston näkökulmasta. Potentiaalin kartoittamiseksi suoritettiin mittauksia sekä teh-tiin esimerkkilaskelmia kysyntäjouston kannattavuudesta. Tutkimusten perusteella voidaan huomata, että vuositasolla saavutetut säästöt jäävät pienik-si. Huomioiden riskit Elspot hinnan vaihteluissa voidaan todetta, ettei siirtyminen tuntihin-noiteltuun sähköenergiaan ole kannattavaa esimerkkikiinteistössä. Lämmityskuormien oh-jauksesta tuntitiedon mukaan saatavien lisäsäästöjen jäädessä vähäisiksi kiinteistöön ei ole järkevää investoida erillisiä järjestelmiä kuormien ohjaukseen.

Hakeperävaunun rungon esikorotuksen määritys

Hakeperävaunun rungon esikorotuksen suuruutta laskennallisesti ei ollut aiemmin määritet-ty Konepaja Antti Ranta Oy:ssä. Hakeperävaunun runko on valmistettu teräksestä. Tutki-muksessa luoduilla laskentamalleilla selvitettiin viisiakselisen hakeperävaunun rungon pys-tysuuntainen taipuma kuormitettuna. Tutkimus suoritettiin laskemalla hakeperävaunun pystysuuntainen siirtymä 42 tonnin ja 36 tonnin kokonaismassojen kuormituksilla hakeperävaunun rungon pituuden suhteen. Käsin-laskentamenetelmä on tässä tutkimuksessa englannin kieliseltä nimeltään conjugate beam method, suoraan käännettynä konjugaattipalkkimenetelmä. FE-analyysia sovellettiin kah-della eri laskentamallilla; käsinlaskentaa vertailevalla ja todellista hakeperävaunun runkoa vertailevilla FE-analyyseilla. Tutkimuksessa käytettyjen eri laskentatapojen tulokset vastasivat toisiaan sekä 42 tonnin että 36 tonnin kokonaismassojen kuormituksilla. Esikorotus määritettiin 42 tonnin koko-naismassalla kuormitetun todellista hakeperävaunun runkoa vastaavan 3D-mallin pysty-suuntaisesta taipumasta, josta luotiin esikorotettu hakeperävaunun rungon 3D-malli. Tutkimuksessa kehitettyjä laskentamalleja voidaan tulevaisuudessa käyttää yrityksen tuo-tekehityksessä. Esikorotuksella voidaan kompensoida pystysuuntaista taipumaa, jos esiko-rotuksesta ei ole haittaa itse rakenteelle.

Työkoneen levypyörän kantavuus

Työkoneen vanteen kantavuuslaskentaan käytettävän taulukon epäiltiin tuottavan todellista huonompia kantavuuksia etenkin suurten offset-arvon vanteiden tapauksessa. Tutkimuksessa yhdestä tyypillistä kokoa edustavasta vannetyypistä valmistettiin offset-säädettävä erikoisvanne. Vanteen käytön aikaisia rasituksia seurattiin venymäliuska-antureilla koeajoradalla tavanomaisissa ajotilanteissa eri offset-arvoilla traktorilla vedettävän kuormitetun testivaunun avulla. Saatuja tuloksia vertailtiin vanteen elementtimallin tuloksiin ja käytettyjä kuormitusolettamia muutettiin. Tutkimuksen tuloksena kantavuuden laskentaan käytettävän taulukon todettiin toimivan pääosin mittauksen mukaisesti. Vanteen offset-arvolla on laskentataulukon mukaisesti merkittävä vaikutus vanteen keskiön väsymiskestävyyteen. Suurilla negatiivisilla offset-arvoilla vanteen kestoiän määrä ajo taisella alustalla, kun taas suurten positiivisten vanteiden väsymisvaurio aiheutuu pääosin kaltevalla pinnalla ajosta. Mittauksella pystyttiin osoittamaan laskentataulukon konservatiivinen olettama etenkin suurten negatiivisten offset-arvojen vanteille, jolla kyseenomaisten vanteiden väsymiskestoikää voidaan parantaa merkittävästi. Lisäksi laskentaohjelman tekemisessä käytettyjen kuormitus- ja reunaehto-olettamien vahvistettiin toimivan keskiön kannalta riittävällä tarkkuudella. Havainnolla on tärkeä rooli tulevissa elementtimenetelmään perustuvissa kantavuuslaskelmissa.

Standardized electrical tests for electrical equipment in road vehicles Case: Visedo Oy PowerMASTER M-frame

Electrical road vehicles were common at the begin of the 20th century but internal combustion engines took a victory from electrical motors in road vehicles. The acknowledgement of the environment, and the price and the availability of the crude oil are reasons for the comeback of the electrical vehicles. Advancement in industrial technology and political atmosphere in EU as the directive 20--20--20, which consists of reducing fossil emission, increasing renewable energy and increasing the energy efficiency, have made the electrification popular again. In this thesis tests based on standard ISO 16750--2 electrical loads for electrical equipment in road vehicles are made for Visedo Oy's PowerMASTER M-frame power electronics device. This device is designed for mainly drive trains in mobile work machines and marine vessels but can be used in other application in its power range which also includes road vehicles. The functionality of the device is tested with preliminary tests which act as a framework for the tests based on standards.