Investointilaskelmien hyödyntäminen teknologisen innovaation myyntityössä. Tapaustutkimus

Tämän tutkimuksen tutkimuskohteena oli case-yrityksen tuoteinnovaation kannattavuuden tarkastelu. Kiristyneen ilmastopolitiikan seurauksena tutkimuksen kohdeyritys on kehittänyt innovaation ja tutkimuksen päätavoite oli laatia kohdeyritykselle innovaation myyntityön tueksi Microsoft Excel-taulukkolaskentaohjelmalla investointilaskentatyökalu. Toisena tavoitteena oli selvittää innovaation, eli liikkuvien työkoneiden hybridisoinnin, kannattavuus investointilaskelmien avulla. Investointilaskelmien lisäksi tutkimuksessa perehdyttiin korkean teknologian markkinointiin ja yritysasiakkaiden käyttäytymiseen innovaatioiden omaksujina. Tutkimus on tyypiltään laadullinen tapaustutkimus. Investointilaskentatyökalu rakennettiin kohdeyrityksen tarpeiden mukaan ja investointien kannattavuutta mitattiin korottoman ja korollisen takaisinmaksuajan, sisäisen koron sekä nettonykyarvon avulla, minkä lisäksi nettonykyarvolle tehtiin herkkyysanalyysi. Kannattavuuslaskelmat tehtiin omaksujan näkökulmasta myyntityön tueksi kohdeyritykselle. Investointilaskelmat osoittivat että kohdeyrityksen tuottama innovaatio on kannattava sijoitus ja tutkimustuloksena syntynyt konstruktio osoittautui toimivaksi. Laskelmiin vaikutti eniten investoinnin hinta ja polttoaineen hinnan nousulla oli merkittävä vaikutus investoinnin kannattavuuteen.

Redundant Ethernet-based fieldbuses

Ethernet-pohjaisten kenttäväylien suosio teollisuudessa on kasvanut viime aikoina voimakkaasti. Ethernet tarjoaa suuren bittinopeuden, edulliset laitteet ja tekniikkaa on tutkittu laajasti. Diplomityö esittelee Ethernet-tekniikan perusteet ja joitakin teollisuudessa käytettäviä Ethernet-pohjaisia kenttäväyläprotokollia. Työn tarkoitus on tehdä tiivis käsikirja eri Ethernet-pohjaisista kenttäväyläprotokollista ja erityisesti niiden redundanttisuusominaisuuksista. Lähempään tarkasteluun on otettu redundantti EtherNet/IP ja sen alemmat kerrokset, sekä implementoitu redundanttisuus ABB:n ACS350-taajuusmuuttajaan.

Taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuudet kompressorijärjestelmien elinkaarikustannusten optimoimisessa

Paineilmaa on kutsuttu neljänneksi perushyödykkeeksi veden, sähkön ja kaasun lisäksi. Paineilman kuluttaja on usein myös sen tuottaja. EU:n alueen teollisuudessa keskimää-rin 16 % kulutetusta kokonaissähkötehosta kuluu ilmakompressoreiden käyttöön. Taa-juusmuuttajan käyttö on viime vuosikymmeninä lisääntynyt merkittävästi, kun on pyrit-ty energiatehokkaisiin ratkaisuihin esimerkiksi pumppaus- ja puhallinjärjestelmissä. Kompressorijärjestelmissä taajuusmuuttajien käyttö ei ole vielä yhtä yleistä kuin esi-merkiksi pumppukäytöissä, vaikka taajuusmuuttajan käytöllä saavutetaan useimmissa tapauksissa huomattavia etuja. Tässä työssä tutkitaan taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuuksia kompressorijär-jestelmien käytönaikaisten elinkaarikustannusten optimoimisessa. Työssä selvitetään säästöpotentiaalia, ja pohditaan pyörimisnopeussäädöllä saavutettavia etuja eri komp-ressorityypeillä. Lopuksi muodostetaan elinkaarikustannusanalyysit kahdelle todelliselle teollisuuden kompressorikohteelle. Tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustyö sekä asi-antuntijahaastattelut teollisuudesta. Työn tavoitteena on kartoittaa taajuusmuuttajan hyödyntämispotentiaalia kompressorijärjestelmissä ja luoda pohjaa mahdolliselle jatko-tutkimukselle.

Kartonkipakkauskoneen dynaaminen kireydenhallinta

Työssä tutkitaan PI-säätimen käyttöä dynaamisessa kireydensäädössä ilman varsinaista kireyden takaisinkytkentää. Kireyttä säädetään epäsuorasti käyttämällä takaisinkytkentätietona kahden telan välistä paikkaeroa. Kireyssäädin toteutetaan nopeussäätimen rinnalle. Rinnakkaisrakenteella pyritään kireyden muutoksiin nopeasti reagoivaan säätöratkaisuun. Rakenne toteutetaan osaksi taajuusmuuttajan säätöketjua. Työssä esitetään telasysteemin simulointimalli, jonka toimivuus varmistetaan käytännön mittauksin. Lisäksi työssä arvioidaan kireyssäädön toimintaa dynaamisessa kireydensäädössä simulointien ja testilaitteistolla suoritettavien mittausten perusteella.

Optimization of hydrogen plant efficiency

The purpose of this master’s thesis was to study ways to increase the operating cost-efficiency of the hydrogen production process by optimizing the process parameters while, at the same time, maintaining plant reliability and safety. The literature part reviewed other hydrogen production and purification processes as well as raw material alternatives for hydrogen production. The experimental part of the master’s thesis was conducted at Solvay Chemicals Finland Oy’s hydrogen plant in spring 2012. It was performed by changing the process parameters, first, one by one, aiming for a more efficient process with clean product gas and lower natural gas consumption. The values of the process parameters were tested based on the information from the literature, process simulation and experiences of previous similar processes. The studied parameters were reformer outlet temperature, shift converter inlet temperature and steam/carbon ratio. The results show that the optimal process conditions are a lower steam/carbon ratio and reformer outlet temperature than the current values of 3.0 and 798 °C. An increase/decrease in the shift conversion inlet temperature does not affect natural gas consumption, but it has an effect on minimizing the process steam overload.

Automation concept for an electrically excited synchronous motor: Setup and requirements specification

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 create an automation concept for controlling an electrically excited synchronous motor. This thesis concentrates on the setup and requirements specification part of the concept. The setup consists of ABB AC500 as the PLC master device, DCS800 as an exciter and ACS800 as a frequency converter. The ACS800 frequency converter uses permanent magnet synchronous machine software to control the stator’s magnetic field, the DC drive handles the excitation and the AC500 PLC master controls the communication and functionality of the system. The requirements specification briefly explains the general over-view of the concept, the use and functionality of the PLC program and the requirements needed for the whole concept and the PLC program to work as intended.

Tasasähköverkon modulaarisen vaihtosuuntaajan rakenne- ja kustannusanalyysi

Diplomityössä tarkastellaan tapausta, jossa tasasähköverkon vaihtosuuntaaja toteutetaan kolmella yksivaiheisella suuntaajalla yhden kolmivaiheisen sijaan. Modulaarinen rakenne mahdollistaa sen, että osa vaiheista voitaisiin sammuttaa kun kuormitus on erittäin pientä eikä kuorma ole kolmivaiheista. Galvaaninen erotus oletetaan tehtävän erottavalla DC-DC -konvertterilla, joka mahdollistaa samalla vaihtosuuntaajan DC-syöttöjännitteen muuttamisen. Työssä tutkitaan, mitkä tekijät vaikuttavat DC-syöttöjännitteen valintaan sekä tehdään valinta kyseisen jännitteen arvolle. Valittua jännitetasoa käytetään vaihtosuuntaajan suunnittelemiseen. Vaihtosuuntaajan rakennetta tarkastellaan vaihtosuuntaussillan kytkinkomponenttien sekä lähtöjännitteen suotimen osalta. Yksivaiheiselle moduulille määritetään optimaalinen teholuokka investointi- ja käyttökustannusten kannalta. Tarkastelu pitää sisällään erilaisten transistoritekniikkojen, kytkentätaajuuksien sekä kahden suodintyypin vaikutuksen kustannustehokkuuteen.

Servo drive in hoist application

The objective of this master thesis is to test according to hoisting requirements, a servo drive system and compare its performance with the performance of a drive equipped with a vector controlled frequency converter. Both systems utilize closed-loop vector control based on PCL program control. In order to compare the results of tests both systems were connected to the same motor driving a variable speed electrical chain hoist. Tests were based on requirements to both systems. As requirements of tests zero speed operation, operation in field weakening, positioning accuracy and smoothness of motion are taken into consideration. Both systems demonstrate quite similar performance and meet the requirements. Servo drive system demonstrates a high positioning accuracy and dynamic performance. Frequency converter is not able to provide the same positioning accuracy and dynamic performance as servo drive.

Tasasähkönjakeluverkon asiakaspäätelaitteen galvaanisen erotuksen toteuttaminen

Tässä työssä tutkitaan LLC resonanssipiirin soveltuvuutta galvaanisen erotuksen toteuttamiseen tasasähkönjakeluverkon asiakaspäätelaitteessa. Tarkastellaan resonanssipiirin ominaisuuksia ja aikaisempia käyttökohteita. Tutkitaan piirin soveltuvuutta vaihtosähkö sovellukseen ja esitellään piirin toimintaa, häviöitä ja ohjausta. Esitellään pulssin leveys moduloitu (PWM) ja pulssin tiheys moduloitu (PDM) invertteri sovellukset ja näiden toimintaa. Esitetään vielä parannusehdotuksia ja kytkentäkuvio kytkennän ominaisuuksien ja hyö-tysuhteen parantamiseksi. Tutkimuksessa selvisi, että suora PDM topologia ei sovellu tähän käyttötarkoitukseen suuren suodin induktanssin vuoksi. PWM invertteri topologia jännitteen tasasuuntauksella taas sopii sovellukseen ja tällä rakenteella on mahdollista tehdä galvaaninen erotus hyvinkin hyvällä hyötysuhteella. Pehmeän kytkennän aiheuttamien häviöiden tarkka määrittely simulointimallista on parhaimmillaankin vain suuntaa-antava, mutta tulokset olivat mielestäni oikein positiivisia. LLC resonanssipiirin toimintaa tutkittiin vain resonanssitaajuudella kytkettäessä, jolloin sen jännitevahvistusominaisuuksien hyödyntäminen jää tarkastelun ulko-puolelle.

Design and Control of Permanent Magnet Synchronous Machine for Hybrid Electric Vehicle

This master’s thesis mainly focuses on the design requirements of an Electric drive for Hybrid car application and its control strategy to achieve a wide speed range. It also emphasises how the control and performance requirements are transformed into its design variables. A parallel hybrid topology is considered where an IC engine and an electric drive share a common crank shaft. A permanent magnet synchronous machine (PMSM) is used as an electric drive machine. Performance requirements are converted into Machine design variables using the vector model of PMSM. Main dimensions of the machine are arrived using analytical approach and Finite Element Analysis (FEA) is used to verify the design and performance. Vector control algorithm was used to control the machine. The control algorithm was tested in a low power PMSM using an embedded controller. A prototype of 10 kW PMSM was built according to the design values. The prototype was tested in the laboratory using a high power converter. Tests were carried out to verify different operating modes. The results were in agreement with the calculations.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaajan pulssintiheysmoduloidun pääteasteen ja prototyypin toteutus

Työssä esiteltävä laite on osa DC-AC hakkuria, jolla muodostetaan 750 V tasajännitteestä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) galvaanisesti erotettua verkkojännitettä. Tasajännite muunnetaan resonanssikonvertterilla korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi, joka johdetaan erotusmuuntajaan. Galvaanisen erotuksen jälkeen korkeataajuisesta vaihtojännitteestä muodostetaan suoraan verkkotaajuista vaihtojännitettä työssä esiteltävällä syklokonvertterilla. Suunnittelussa on pyritty minimoimaan häviöt mahdollisimman tarkkaan, jotta laite olisi kilpailukykyinen ei-galvaanisesti erottavien konverttereiden kanssa. Tämä on toteutettu käyttämällä mahdollisimman vähän komponentteja virran kulkureitillä sekä soveltamalla pehmeää kytkentää kaikissa tilanteissa. Lopuksi esitellään prototyyppi, jonka tarkoitus oli selvittää laitteen toiminta ja ongelmakohdat käytännössä.

Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.

Power cycling lifetime estimation of IGBT power modules based on chip temperature modeling

In this doctoral thesis, methods to estimate the expected power cycling life of power semiconductor modules based on chip temperature modeling are developed. Frequency converters operate under dynamic loads in most electric drives. The varying loads cause thermal expansion and contraction, which stresses the internal boundaries between the material layers in the power module. Eventually, the stress wears out the semiconductor modules. The wear-out cannot be detected by traditional temperature or current measurements inside the frequency converter. Therefore, it is important to develop a method to predict the end of the converter lifetime. The thesis concentrates on power-cycling-related failures of insulated gate bipolar transistors. Two types of power modules are discussed: a direct bonded copper (DBC) sandwich structure with and without a baseplate. Most common failure mechanisms are reviewed, and methods to improve the power cycling lifetime of the power modules are presented. Power cycling curves are determined for a module with a lead-free solder by accelerated power cycling tests. A lifetime model is selected and the parameters are updated based on the power cycling test results. According to the measurements, the factor of improvement in the power cycling lifetime of modern IGBT power modules is greater than 10 during the last decade. Also, it is noticed that a 10 C increase in the chip temperature cycle amplitude decreases the lifetime by 40%. A thermal model for the chip temperature estimation is developed. The model is based on power loss estimation of the chip from the output current of the frequency converter. The model is verified with a purpose-built test equipment, which allows simultaneous measurement and simulation of the chip temperature with an arbitrary load waveform. The measurement system is shown to be convenient for studying the thermal behavior of the chip. It is found that the thermal model has a 5 C accuracy in the temperature estimation. The temperature cycles that the power semiconductor chip has experienced are counted by the rainflow algorithm. The counted cycles are compared with the experimentally verified power cycling curves to estimate the life consumption based on the mission profile of the drive. The methods are validated by the lifetime estimation of a power module in a direct-driven wind turbine. The estimated lifetime of the IGBT power module in a direct-driven wind turbine is 15 000 years, if the turbine is located in south-eastern Finland.

Taajuusmuuttajaohjattu kestomagneettitahtikone opetuslaboratoriokäytössä

Kestomagneettien kehittyminen on mahdollistanut sähkökoneen rakentamisen perinteisistä menetelmistä poiketen ja on samalla luonut uudenlaisia ominaisuuksia ja käyttökohteita. Erityisesti kestomagneettitahtikone (PMSM) on kasvattanut suosiota hyvän hyötysuhteen ja luotettavuuden myötä. Työssä esitellään kestomagneettitahtikonetta sen rakenteen ja toimintaperiaatteen avulla. Tarkastellaan kestomagneettien kehitystä ja tulevaisuuden näkymiä. Perehdytään myös taajuusmuuttajaan, mitä käytetään yleensä kestomagneettitahtikoneen ohjaukseen. Lisäksi esitetään taajuusmuuttajan erilaisia säätötapoja. Työn kokeellisessa osuudessa yliopiston opetuslaboratorioon kehitetään koneikko, jonka avulla tutkitaan kestomagneettitahtikoneen toimintaan osana sähkökäyttöä. Työn tavoitteena on selvittää PMSM:n ominaisuuksia sekä suunnitella sähkötekniikan työkurssille soveltuva mittaussarja, mikä johdattaa opiskelijat tässä työssä käsiteltyihin aihealueisiin.

Pumping system optimization tool

Pumping systems account for over 20 % of all electricity consumption in European industry. Optimization and correct design of such systems is important and there is a reasonable amount of unrealized energy saving potential in old pumping systems. The energy efficiency and therefore also the energy consumption of a pumping system heavily depends on the correct dimensioning and selection of devices. In this work, a graphical optimization tool for pumping systems is developed in Matlab programming language. The tool selects optimal pump, electrical motor and frequency converter for existing pumping process and calculates the life cycle costs of the whole system. The tool could be used as an aid when choosing the machinery and to analyze the energy consumption of existing systems. Results given by the tool are compared to the results of laboratory tests. The selection of pump and motor works reasonably well, but the frequency converter selection still needs development