Kolmen vapausasteen akseliston ohjaaminen mikroprosessorilla

Diplomityön tavoitteena on tehdä lasertyöasemalle liikkuva kolmen vapausasteen akselisto liikuttamaan laser-laitteiston skanneripäätä. Liikkeen tarkkuus ja tarkka toistettavuus ovat tärkeitä. Moottoreiden liikkeen nopeus sekä kiihdytys- ja jarrutusparametrien täytyy olla määriteltävissä jokaiselle moottorille erikseen. Kolmen vapausasteen akselisto muodostetaan käyttäen kolmea askelmoottoria ja lineaarivaihteistoa. Akselisto liikkuu vaaka-, pysty-, ja syvyyssuunnassa. Työssä kehitetään C-kielinen ohjelma käytettävälle prosessorille ja suunnitellaan ohjainkortti lopullista prototyyppiä varten. Moottoreiden ohjaus ja hallinta toteutetaan AT91S256-prosessorilla, jota ohjataan tietokoneen avulla RS-232 -väylää käyttäen. Vaatimuksena on myös mahdollisuus ohjata askelmoottorin sijasta servomoottoreita samalla ohjelmalla. Tietokoneen käyttöliittymä suunnitellaan erikseen.

Hybridikäytön mitoitus liikkuvan työkoneen energian talteenottojärjestelmäksi

Työssä tarkastellaan sähköisiä energian talteenottomahdollisuuksia liikkuvissa työkoneissa. Työssä esitetään kolme erityyppistä liikkuvaan työkoneeseen soveltuvaa sähköisen energian talteenottojärjestelmää sekä mitoitetaan hybridikäyttö kahdelle erityyppiselle työkonesovellukselle kuormituskäyrien perusteella. Lisäksi työssä lasketaan hybridijärjestelmää käyttämällä saavutettava energiansäästö nykyiseen käyttöön verrattuna.

Tuulivoimakäyttö sähköverkon vikatilanteissa

Tämä työ on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa, meneillään olevan tuulivoimalasimulaattorin kehitystyön yhteydessä. Työssä käydään läpi simulaattorissa käytettyjen generaattorisillan ja verkkosillan säätöperiaatteita, tehdään katsaus siirtoverkon jännitevikoihin sekä tuulivoimalan toimintaan näissä vikatilanteissa. Työn varsinainen tutkimuskohde on verkkosillan säädön toiminnan simuloiminen siirtoverkon jännitevioissa ja säädön parannusehdotukset.

Taajuusmuuttajaohjatun pumppukäytön simulointimallin kehittäminen ja testaus

Pumppukäytöt vastaavat noin neljänneksestä Euroopan sähkömoottoreissa kulutettavasta sähkötehosta. Energian kallistumisen vuoksi energian säästämisestä ja energiatehokkuudesta on tullut yhä tärkeämpää. Taajuusmuuttajat ovat tuoneet yksinkertaisen säätötavan, jolla suurimmassa osassa pumppukäyttöjä voidaan saada huomattavia energiasäästöjä. Koko energiansäästöpotentiaalin hyödyntämiseksi täytyy kuitenkin pumppujen toimintaa tarkkailla. Tarkkailu voidaan toteuttaa käyttämällä taajuusmuuttajan sisäisiä mittauksia pumpun toimintapisteen määrittämiseen. Tässä työssä muodostetaan kaksi simulointimallia, joilla voidaan tutkia pumppukäytön toimintapistettä ja energiatehokkuutta. Pumpattavan nesteen ominaisuuksien vaikutusta malleihin tutkitaan ja tapoja korjata virhettä selvitetään. Mallien tuottamia estimaatteja verrataan laboratorio ja pilot-kohteiden mittauksiin. Pilot-kohteiden avulla tutkitaan voidaanko simulointimalleja käyttää teollisuuden energiansäästöpotentiaalia omaavien pumppukäyttöjen havaitsemiseen.

Energy efficiency parameters in variable speed drives

The main purpose of this thesis is to measure and evaluate how accurately the current energy saving calculation in ABB’s new variable speed drive ACS850 works. The main topic of this thesis is energy-efficiency parameters. At the beginning of this thesis centrifugal pump, squirrel cage motor and variable speed drive, including some equations related to them, are being introduced. Also methods of throttling control and variable speed drive control of centrifugal pumps are being introduced. These subjects are introduced because the energy saving calculation in ACS850 is related to the centrifugal pumps usually driven by squirrel cage motors. The theory also includes short section about specific energy of pumping. Before measurements the current energy saving calculation of ACS850 is being introduced and analyzed. The measurements part includes introduction of measuring equipment, measurement results, summary and analysis of the measurements. At the end of this thesis a proposal for an improvement to the current energy saving calculation is being introduced and few proposals are made for new energy-efficiency parameters, which could be added to variable speed drives. At the end are also thoughts

Taajuusmuttajan vanheneminen syklisissä käytöissä

Tässä työssä tarkastellaan taajuusmuuttajan vanhenemista syklisissä käytöissä puolijohdetehokomponenttien osalta. Laitteiden vikaantumisprosessien analysoimiseksi työssä suunnitellaan syklinen kestotestausjärjestelmä, joka mahdollistaa useamman taajuusmuuttajan yhtäaikaisen vanhentamisen. Jaksottaisesti toistuvat kuormitussyklit rasittavat termomekaanisesti taajuusmuuttajan tehomoduulin sisäisiä rakenteita suurten lämpötilavaihtelujen johdosta. Teoriaosuuden pääpaino kohdistuu puolijohdetehokomponenttien rakenteeseen, vikaantumisprosesseihin ja eliniän kartoittamiseen. Työssä käydään läpi yleisimpien pienijännitteisten moottorinohjausinverttereiden tehomoduulien mekaaniset rakenteet, tyypillisemmät syklisestä kuormituksesta johtuvat vikaantumisprosessit sekä puolijohdetehokomponenttivalmistajien käyttämät syklisen eliniän testausmenetelmät. Loppuosassa työtä suunnitellaan taajuusmuuttajan syklinen kestotestausjärjestelmä laitteiden keinotekoista vanhentamista varten. Testausjärjestelmällä voidaan kuormittaa useampaa taajuusmuuttajaa vuorottain mielivaltaisella kuormitusvirtaprofiililla. Laitteita vanhennettiin kaksi testierää kuormittamalla niitä jaksottaisesti hissikäytön tyypillisellä kuormitusprofiililla. Puolijohdetehokomponentin vanhenemisen edistystä seurattiin termisen impedanssiketjun mittausmenetelmällä, joka perustuu IGBT:n kollektoriemitterijännitteen lämpötilariippuvuuteen. Testilaitteiden puolijohdetehokomponentit hajosivat syklisen eliniän päättymiseen teoriassa esitettyjen vikaantumisprosessien seurauksesta. Tehomoduulien vika-analyysi osoittaa syklisen kestotestausjärjestelmän soveltuvaksi menetelmäksi tutkia erilaisten kuormitusprofiilien vaikutusta taajuusmuuttajan vanhenemiseen.

Radio Frequency Measurement Method for Detecting Bearing Currents in Induction Motors

Induction motors are widely used in industry, and they are generally considered very reliable. They often have a critical role in industrial processes, and their failure can lead to significant losses as a result of shutdown times. Typical failures of induction motors can be classified into stator, rotor, and bearing failures. One of the reasons for a bearing damage and eventually a bearing failure is bearing currents. Bearing currents in induction motors can be divided into two main categories; classical bearing currents and inverter-induced bearing currents. A bearing damage caused by bearing currents results, for instance, from electrical discharges that take place through the lubricant film between the raceways of the inner and the outer ring and the rolling elements of a bearing. This phenomenon can be considered similar to the one of electrical discharge machining, where material is removed by a series of rapidly recurring electrical arcing discharges between an electrode and a workpiece. This thesis concentrates on bearing currents with a special reference to bearing current detection in induction motors. A bearing current detection method based on radio frequency impulse reception and detection is studied. The thesis describes how a motor can work as a “spark gap” transmitter and discusses a discharge in a bearing as a source of radio frequency impulse. It is shown that a discharge, occurring due to bearing currents, can be detected at a distance of several meters from the motor. The issues of interference, detection, and location techniques are discussed. The applicability of the method is shown with a series of measurements with a specially constructed test motor and an unmodified frequency-converter-driven motor. The radio frequency method studied provides a nonintrusive method to detect harmful bearing currents in the drive system. If bearing current mitigation techniques are applied, their effectiveness can be immediately verified with the proposed method. The method also gives a tool to estimate the harmfulness of the bearing currents by making it possible to detect and locate individual discharges inside the bearings of electric motors.

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.

Multichannel distribution strategy for electrical equipment marketing

The thesis examines System Integration and original equipment manufacturer (OEM) channel in the St. Petersburg drives market. The aim of the study was to increase understanding the relationship between OEM and SI and producers, problems and ongoing trends. The collected data was analyzed in order to find out which features of a power electronic drive product exercise a significant influence for the Russian companies decision. An essential part of this study was interviews as primary information sources, organized with SI and OEM companies which represented the basic SPb industry segments. The wholesalers and end users are left out from the analysis. The collected data was analyzed in order to find out which features of a power electronic drive product exercise a significant influence for the Russian companies decision.

Kokoonpantavuuden parantaminen uusien konepajatuotteiden verkostotuotannossa

Verkostotoiminta asettaa haasteita suunnittelutyölle, valmistukselle, hankintatoimelle ja laadunhallinnalle, jotka kaikki vaikuttavat kokoonpanon sujuvuuteen. Suunnittelun ja valmistuksen yhteistyö on entistäkin haasteellisempaa, kun osavalmistus toteutetaan erillisillä toimittajilla. Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää The Switch Drive Systems Oy:n tuotteiden kokoonpantavuuden parantamisen mahdollisuuksia sekä toimia yrityksen kokoonpantavuuteen liittyvien toimintamallien kehittämisen perustana. Diplomityöstä on olemassa myös julkinen versio. Työ alkaa kirjallisuuskatsauksella, jossa kuvataan kokoonpanoystävällisyyttä ja kokoonpanoystävällistä toimintaa kattaen suunnittelun, osien ja osakokoonpanojen valmistamisen verkostotuotannossa sekä kokoonpanotyön. Toimittajayhteistyötä ja laadunhallintaa käsitellään näiden lukujen yhteydessä. Työn käytännön osuudessa kartoitetaan The Switchin tuotteiden ja yrityksen toimintatapojen kokoonpanoystävällisyyden parantamismahdollisuuksia. Tämä toteutettiin The Switchin henkilöstön sekä osakokoonpanojen ja osien toimittajien haastatteluilla, toiminnan tarkkailulla sekä piirustuksiin ja prosessikuvauksiin perehtymällä. Kokoonpantavuuden ja valmistettavuuden systemaattinen huomioiminen on kannattavaa suunnittelun alusta alkaen. Tässä tulee mm. hyödyntää sekä toimittajien että The Switchin kokoonpanossa olevaa tietoa ja kokemusta.

Active du/dt Filtering for Variable-Speed AC Drives

An oscillating overvoltage has become a common phenomenon at the motor terminal in inverter-fed variable-speed drives. The problem has emerged since modern insulated gate bipolar transistors have become the standard choice as the power switch component in lowvoltage frequency converter drives. Theovervoltage phenomenon is a consequence of the pulse shape of inverter output voltage and impedance mismatches between the inverter, motor cable, and motor. The overvoltages are harmful to the electric motor, and may cause, for instance, insulation failure in the motor. Several methods have been developed to mitigate the problem. However, most of them are based on filtering with lossy passive components, the drawbacks of which are typically their cost and size. In this doctoral dissertation, application of a new active du/dt filtering method based on a low-loss LC circuit and active control to eliminate the motor overvoltages is discussed. The main benefits of the method are the controllability of the output voltage du/dt within certain limits, considerably smaller inductances in the filter circuit resulting in a smaller physical component size, and excellent filtering performance when compared with typical traditional du/dt filtering solutions. Moreover, no additional components are required, since the active control of the filter circuit takes place in the process of the upper-level PWM modulation using the same power switches as the inverter output stage. Further, the active du/dt method will benefit from the development of semiconductor power switch modules, as new technologies and materials emerge, because the method requires additional switching in the output stage of the inverter and generation of narrow voltage pulses. Since additional switching is required in the output stage, additional losses are generated in the inverter as a result of the application of the method. Considerations on the application of the active du/dt filtering method in electric drives are presented together with experimental data in order to verify the potential of the method.

Novel Robot Solutions for Carrying out Field Joint Welding and Machining in the Assembly of the Vacuum Vessel of ITER

It is necessary to use highly specialized robots in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) both in the manufacturing and maintenance of the reactor due to a demanding environment. The sectors of the ITER vacuum vessel (VV) require more stringent tolerances than normally expected for the size of the structure involved. VV consists of nine sectors that are to be welded together. The vacuum vessel has a toroidal chamber structure. The task of the designed robot is to carry the welding apparatus along a path with a stringent tolerance during the assembly operation. In addition to the initial vacuum vessel assembly, after a limited running period, sectors need to be replaced for repair. Mechanisms with closed-loop kinematic chains are used in the design of robots in this work. One version is a purely parallel manipulator and another is a hybrid manipulator where the parallel and serial structures are combined. Traditional industrial robots that generally have the links actuated in series are inherently not very rigid and have poor dynamic performance in high speed and high dynamic loading conditions. Compared with open chain manipulators, parallel manipulators have high stiffness, high accuracy and a high force/torque capacity in a reduced workspace. Parallel manipulators have a mechanical architecture where all of the links are connected to the base and to the end-effector of the robot. The purpose of this thesis is to develop special parallel robots for the assembly, machining and repairing of the VV of the ITER. The process of the assembly and machining of the vacuum vessel needs a special robot. By studying the structure of the vacuum vessel, two novel parallel robots were designed and built; they have six and ten degrees of freedom driven by hydraulic cylinders and electrical servo motors. Kinematic models for the proposed robots were defined and two prototypes built. Experiments for machine cutting and laser welding with the 6-DOF robot were carried out. It was demonstrated that the parallel robots are capable of holding all necessary machining tools and welding end-effectors in all positions accurately and stably inside the vacuum vessel sector. The kinematic models appeared to be complex especially in the case of the 10-DOF robot because of its redundant structure. Multibody dynamics simulations were carried out, ensuring sufficient stiffness during the robot motion. The entire design and testing processes of the robots appeared to be complex tasks due to the high specialization of the manufacturing technology needed in the ITER reactor, while the results demonstrate the applicability of the proposed solutions quite well. The results offer not only devices but also a methodology for the assembly and repair of ITER by means of parallel robots.

Reaaliaikainen Clarken muunnos

Työssä suunniteltiin ja rakennettiin laite, joka suorittaa reaaliaikaisen Clarken muunnoksen kolmivaiheiselle mittaussignaalille. Kolmivaiheisella mittaussignaalilla tarkoitetaan tässä kolmivaiheisesta järjestelmästä mitattuja vaihevirtoja tai -jännitteitä. Lähtö tuottaa kaksivaiheisen mittaussignaalin, jota voidaan tutkia oskilloskooppia. Käyttämällä oskilloskooppia xy-moodissa näytölle piirtyy virta- tai jänniteympyrä. Laitetta voidaan käyttää esimerkiksi taajuusmuuttajien testauksen apuvälineenä, jolloin parametrien muuttamisen vaikutus laitteen tuottaman sähkön laatuun nähdään välittömästi.

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.