Power quality improving with virtual flux-based voltage source line converter

Line converters have become an attractive AC/DC power conversion solution in industrial applications. Line converters are based on controllable semiconductor switches, typically insulated gate bipolar transistors. Compared to the traditional diode bridge-based power converters line converters have many advantageous characteristics, including bidirectional power flow, controllable de-link voltage and power factor and sinusoidal line current. This thesis considers the control of the lineconverter and its application to power quality improving. The line converter control system studied is based on the virtual flux linkage orientation and the direct torque control (DTC) principle. A new DTC-based current control scheme is introduced and analyzed. The overmodulation characteristics of the DTC converter are considered and an analytical equation for the maximum modulation index is derived. The integration of the active filtering features to the line converter isconsidered. Three different active filtering methods are implemented. A frequency-domain method, which is based on selective harmonic sequence elimination, anda time-domain method, which is effective in a wider frequency band, are used inharmonic current compensation. Also, a voltage feedback active filtering method, which mitigates harmonic sequences of the grid voltage, is implemented. The frequency-domain and the voltage feedback active filtering control systems are analyzed and controllers are designed. The designs are verified with practical measurements. The performance and the characteristics of the implemented active filtering methods are compared and the effect of the L- and the LCL-type line filteris discussed. The importance of the correct grid impedance estimate in the voltage feedback active filter control system is discussed and a new measurement-based method to obtain it is proposed. Also, a power conditioning system (PCS) application of the line converter is considered. A new method for correcting the voltage unbalance of the PCS-fed island network is proposed and experimentally validated.

Energy-efficient control strategies for variable speed driven parallel pumping systems based on pump operation point monitoring with frequency converters

The pumping processes requiring wide range of flow are often equipped with parallelconnected centrifugal pumps. In parallel pumping systems, the use of variable speed control allows that the required output for the process can be delivered with a varying number of operated pump units and selected rotational speed references. However, the optimization of the parallel-connected rotational speed controlled pump units often requires adaptive modelling of both parallel pump characteristics and the surrounding system in varying operation conditions. The available information required for the system modelling in typical parallel pumping applications such as waste water treatment and various cooling and water delivery pumping tasks can be limited, and the lack of real-time operation point monitoring often sets limits for accurate energy efficiency optimization. Hence, alternatives for easily implementable control strategies which can be adopted with minimum system data are necessary. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the energy efficient use of variable speed controlled parallel pumps in system scenarios in which the parallel pump units consist of a centrifugal pump, an electric motor, and a frequency converter. Firstly, the suitable operation conditions for variable speed controlled parallel pumps are studied. Secondly, methods for determining the output of each parallel pump unit using characteristic curve-based operation point estimation with frequency converter are discussed. Thirdly, the implementation of the control strategy based on real-time pump operation point estimation and sub-optimization of each parallel pump unit is studied. The findings of the thesis support the idea that the energy efficiency of the pumping can be increased without the installation of new, more efficient components in the systems by simply adopting suitable control strategies. An easily implementable and adaptive control strategy for variable speed controlled parallel pumping systems can be created by utilizing the pump operation point estimation available in modern frequency converters. Hence, additional real-time flow metering, start-up measurements, and detailed system model are unnecessary, and the pumping task can be fulfilled by determining a speed reference for each parallel-pump unit which suggests the energy efficient operation of the pumping system.

Aktiivinen melunvaimennus ampumaradalla

Aktiivinen melunvaimennus (active noise control, ANC) onkauan tunnettu ja sovellettu tekniikka. Kuitenkaan sitä ei ole aiemmin sovellettu impulssimaiseen satunnaiseen meluun. Tässä diplomityössä tutkitaan aktiivisenmelunvaimennuksen soveltuvuutta ampumaradan melunvaimennukseen. Ampumarata äärimmäisenä tapauksena asettaa korkean vaatimustason laitteistolle ja sen komponenteille. Suurin haaste on etsiä sopivat laitteiston komponentit, jotka tuottavat ja kestävät suurta äänenpainetasoa. Myös muuttuvat sääolosuhteet asettavat vaatimuksensa laitteiden mekaaniselle kestävyydelle sekä säänkestävyydelle. Työssä paneuduttiin erityisesti selvittämään, mitä kaupallisesti saatavilla olevia komponentteja voidaan hyödyntää aktiiviseen impulssimelunvaimennusjärjestelmään. Kaupallisten komponenttien soveltuvuutta aktiiviseen impulssimelunvaimennukseen analysoitiin laboratorio- ja kenttämittauksin. Työssä esitetään myös tulokset yksinkertaisella koelaitteistolla saavutetusta vaimennuksesta kenttäolosuhteissa.

Audiosignaalin digitaalinen käsittely aktiivisessa meluntorjunnassa

Meluntorjuntaan on perinteisesti käytetty passiivisia menetelmiä. Monissa sovelluksissa melua voidaan vaimentaa myös aktiivisella meluntorjunnalla. Tässä työssä tutkitaan aktiivisen meluntorjunnan signaalinkäsittelyä sekä signaalinkäsittelyyn soveltuvia laitteistoja. Lisäksi selvitetään ANC-järjestelmien (Active Noise Control) toimintaanja signaalinkäsittelyyn vaikuttavia tekijöitä. Tutkinnassa rajoitutaan yksikanavaisiin järjestelmiin. Esimerkkisovelluksena käytetään ulkotilan melunvaimennukseen soveltuvaa järjestelmää. Esimerkkijärjestelmään suunniteltiin signaalinkäsittelylaitteisto, jonka soveltuvuutta järjestelmän signaalinkäsittelyyn selvitettiin suorituskykymittauksin ja kokeellisin mittauksin.Lisäksi pohditaan signaalinkäsittelyn toteuttamista tutkittavassa järjestelmässä ja sovelluskohteessa.

Aktiivinen meluntorjunta ulkotiloissa

Ympäristömelu on nyky-yhteiskunnassa kasvava ongelma. Perinteisesti tätä melua on pyritty vähentämään passiivisen melunvaimennuksen avulla, kuten tienvarsien melumuureilla. Melua voidaan kuitenkin vaimentaa myös aktiivisellameluntorjunnalla (ANC, active noise control). Tässä työssä selvitetäänmitä ongelmia kohdataan, kun ANC-järjestelmää suunnitellaan ulkotiloihin ja mitä ominaisuuksia tällaiselta järjestelmältä vaaditaan. Työssä tutkitaan myös miten vaihtuvat ympäristöolosuhteet ja ulkoakustiset ilmiöt vaikuttavat ANC-järjestelmän toimintaan. Tutkimuksen pohjalta toteutetaan oma ANC-järjestelmä, jonka suorituskykyä työssä mitataan sekä komponentti- että järjestelmätasolla. Myös järjestelmän toimivuuteen vaikuttavia tekijöitä kartoitetaan mittausten avulla. Erikoistapauksena työssä selvitetään voiko suunnitellulla ANC-järjestelmällä vaimentaa impulssimaista melua paikallisesti.

Tuotantolinjan suorituskyvyn operatiivinen parantaminen ja ylläpitäminen

Työn tarkoitus on konelinjaan tutustumalla ja kyselyllä selvittää merkittävimmät kehitystä hidastavat ei-tekniset tekijät, jotka vaativat nykyistä enemmän panostusta suorituskyvyn nostamiseksi ja toiminnan tehostamiseksi valitulla konelinjalla. Työn tavoitteena on antaa suositus toimenpiteistä, joilla tehdyt ja tulevaisuudessa tehtävät parannustoimenpiteet viedään nykyistä paremmin käytäntöön. Kyselyn vastausten perusteella lähdetään etsimään haastatteluilla syvällisempiä vastauksia ja toimintaehdotuksia kyselyllä löydettyihin kehitystä vaativiin kohteisiin konelinjalla. Ongelmana eivät ole suorituskyvyn mittarit, vaan parannusten ja uusien toimintatapojen vieminen käytännön toiminnaksi.Nykyään ei-taloudelliset ja ei-tekniset tekijät ovat merkittävässä asemassa suorituskyvyn parantamisessa ja ylläpitämisessä. Henkilöstö on merkittävä voimavara, ja tämän vuoksi esimiesten yksi tärkeimmistä tehtävistä on motivoida työntekijät ja saada sitä kautta piilevät voimavarat tehokkaampaan käyttöön.Konelinjan henkilöstön tehokkaampi työskentely edellyttää läheistä yhteistyötä esimiesten ja työntekijöiden välillä, mitä edesauttaa esimerkiksi toimiva tiedonkulku. On löydettävä uusia toimintamalleja, joilla työntekijöiden osaaminen saadaan paremmin otettua huomioon

Calculation analysis of energy saving tools for fan and pump applications

This thesis analyses the calculation of FanSave and PumpSave energy saving tools calculation. With these programs energy consumption of variable speed drive control for fans and pumps can be compared to other control methods. With FanSave centrifugal and axial fans can be examined and PumpSave deals with centrifugal pumps. By means of these programs also suitable frequency converter can be chosen from the ABB collection. Programs need as initial values information about the appliances like amount of flow and efficiencies. Operation time is important factor when calculating the annual energy consumption and information about it are the length and profile. Basic theory related to fans and pumps is introduced without more precise instructions for dimensioning. FanSave and PumpSave contain various methods for flow control. These control methods are introduced in the thesis based on their operational principles and suitability. Also squirrel cage motor and frequency converter are introduced because of their close involvement to fans and pumps. Second part of the thesis contains comparison between results of FanSave’s and PumpSave’s calculation and performance curve based calculation. Also laboratory tests were made with centrifugal and axial fan and also with centrifugal pump. With the results from this thesis the calculation of these programs can be adjusted to be more accurate and also some new features can be added.

3D-tuoteyhdistelmämallien ja mittakuvien tuottaminen PDM-järjestelmästä

Tämä diplomityö on selvitystyö mittakuvien ja kolmiulotteisten CAD-mallien tuottamisesta. Mittakuvat ja 3D-CAD-mallit halutaan Neles-tuotemerkin omaaville tuotteille. Olennaisena osana työssä on tuotetiedonhallintajärjestelmä AtonPDM, koska mittakuvia ja malleja toivottaisiin hallittavan AtonPDM-järjestelmällä. Työ tehdään Metso Automationin (MA) Flow Control (FC) –liiketoimintalinjalle. Nykyiset mittakuvat aiheuttavat ongelmia sekä MA:ssa että asiakkaille. MA:ssa mittakuvien tekeminen kestää kauemmin kuin asiakas toivoisi. Nykyisen mittakuvaohjelmiston riittämättömät ominaisuudet aiheuttavat lisätyötä mittakuvien valmistuksessa. Asiakkaille mittakuvien viivästyminen on suunnittelua hidastava tekijä. Mittakuvissa olevat virheet ja puutteet vaikeuttavat asiakkaan suunnittelutyötä ja saattavat päästä läpi tarkatuksien myös loppusuunnitelmiin, jolloin seurauksena voi olla rahallisia menetyksiä. Tämän päivän putkistosuunnittelu hoidetaan suurimmaksi osaksi 3D-CADohjelmistoilla. Suunnittelua helpotetaan ja nopeutetaan valmiilla komponenttien 3Dmalleilla, joihin on liitetty tuotetietoa. Työssä on haastateltu MA:n henkilökuntaa, CAD-järjestelmien toimittajia ja asiakkaita. Haastattelut ovat työn tärkein tiedonlähde. Teoriatietoa on selvitetty kirjoista, lehdistä ja internetistä. Teoriaosiossa käydään läpi tuotetiedonhallinta (Product Data Management, PDM), tietokanta ja parametrinen mallintaminen. Työn lopputuloksena on pyritty saamaan kuvaus siitä miten tuotetaan 3D-CAD-mallit ja mittakuvat Neles-tuotteista käyttäen tiedonlähteenä AtonPDM:ää ja millaisia 3Dmallien ja mittakuvien tulee olla. Malleja ja mittakuvia tuottavaan järjestelmään on etsitty ratkaisuja CAD-ohjelmistoista. Ratkaisuja on verrattu keskenään ominaisuuksien, joustavuuden ja AtonPDM yhteensopivuuden perusteella.

Aktiivinen jännitteensäätö hajautetussa sähköntuotannossa

Hajautetun tuotannon määrä kasvaa jakeluverkossa tulevaisuudessa ja siksi jakeluverkon toiminta tulee muuttumaan aktiivisempaan suuntaan. Nykyisin tuotannon aiheuttamaa jännitteennousua rajoitetaan yleensä passiivisilla menetelmillä kuten vahvistamalla verkkoa. Tuotantolaitos ei tällöin osallistu jakeluverkon jännitteensäätöön. Tämä saattaa nostaa kapasiteetiltaan suurehkon tuotannon liittymiskustannukset niin korkeiksi, ettei tuotantolaitosta kannata rakentaa. Aktiivisella jännitteensäädöllä tuotantokapasiteettia voitaisiin merkittävästi kasvattaa nykyisissä jakeluverkoissa. Aktiivinen jännitteensäätö voi perustua joko paikalliseen säätöön, jolloin esim. tuotantolaitosta säädetään paikallisen jännitteen perusteella tai koordinoituun säätöön, jolloin verkon komponentteja säädetään kokonaisuutena. Työssä tutustutaan hajautettuun tuotantoon ja sen vaikutuksiin jakeluverkon jännitetasoissa sekä jännitteensäädössä. Työssä edetään passiivisesta jännitteensäädöstä aktiiviseen jännitteensäätöön. Aktiivisessa jännitteensäädössä tutustutaan muutamaan kirjallisuudessa esitettyyn algoritmiin ja käytännön toteutukseen. Työssä keskitytään vain verkon jännitetasoon, eikä muita jännitteen laadun ominaisuuksia oteta huomioon.

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

On Fault Tolerance Methods for Networks-on-Chip

Technology scaling has proceeded into dimensions in which the reliability of manufactured devices is becoming endangered. The reliability decrease is a consequence of physical limitations, relative increase of variations, and decreasing noise margins, among others. A promising solution for bringing the reliability of circuits back to a desired level is the use of design methods which introduce tolerance against possible faults in an integrated circuit. This thesis studies and presents fault tolerance methods for network-onchip (NoC) which is a design paradigm targeted for very large systems-onchip. In a NoC resources, such as processors and memories, are connected to a communication network; comparable to the Internet. Fault tolerance in such a system can be achieved at many abstraction levels. The thesis studies the origin of faults in modern technologies and explains the classification to transient, intermittent and permanent faults. A survey of fault tolerance methods is presented to demonstrate the diversity of available methods. Networks-on-chip are approached by exploring their main design choices: the selection of a topology, routing protocol, and flow control method. Fault tolerance methods for NoCs are studied at different layers of the OSI reference model. The data link layer provides a reliable communication link over a physical channel. Error control coding is an efficient fault tolerance method especially against transient faults at this abstraction level. Error control coding methods suitable for on-chip communication are studied and their implementations presented. Error control coding loses its effectiveness in the presence of intermittent and permanent faults. Therefore, other solutions against them are presented. The introduction of spare wires and split transmissions are shown to provide good tolerance against intermittent and permanent errors and their combination to error control coding is illustrated. At the network layer positioned above the data link layer, fault tolerance can be achieved with the design of fault tolerant network topologies and routing algorithms. Both of these approaches are presented in the thesis together with realizations in the both categories. The thesis concludes that an optimal fault tolerance solution contains carefully co-designed elements from different abstraction levels

Mobile system for pump working point estimation

In the current economy situation companies try to reduce their expenses. One of the solutions is to improve the energy efficiency of the processes. It is known that the energy consumption of pumping applications range from 20 up to 50% of the energy usage in the certain industrial plants operations. Some studies have shown that 30% to 50% of energy consumed by pump systems could be saved by changing the pump or the flow control method. The aim of this thesis is to create a mobile measurement system that can calculate a working point position of a pump drive. This information can be used to determine the efficiency of the pump drive operation and to develop a solution to bring pump’s efficiency to a maximum possible value. This can allow a great reduction in the pump drive’s life cycle cost. In the first part of the thesis, a brief introduction in the details of pump drive operation is given. Methods that can be used in the project are presented. Later, the review of available platforms for the project implementation is given. In the second part of the thesis, components of the project are presented. Detailed description for each created component is given. Finally, results of laboratory tests are presented. Acquired results are compared and analyzed. In addition, the operation of created system is analyzed and suggestions for the future development are given.

Pumppauksen energiansäästökartoitus teollisuuslaitoksessa

Tässä diplomityössä on suoritettu pumppauksen energiansäästökartoitus Nordkalkin Lappeenrannan teollisuuslaitoksessa. Tavoitteena on kuvata teollisuuslaitoksen nykyistä pumppauksen tarvetta sekä etsiä energiansäästökohteita. Työn valmistelussa on käytetty apuna energiankulutustiedoista koostettuja energiataseita sekä yrityksen valmistelemia pumppulistoja. Energiansäästökohteita haettaessa tässä tarkastelutyössä huomio on kohdistettu pumppujen säätötapoihin ja mahdollisuuksiin vähentää virtaamaa tai pumppujärjestelmän kokonaisnostokorkeutta. Pumppujärjestelmän toiminnan määrittämisessä on käytetty hyväksi tilavuusvirran ja sähkötehon mittauksia sekä teoreettista tarkastelua kokonaisnostokorkeuden ja pumpun toimintapisteen selvittämiseksi. Kaikkien tarkasteltavien pumppujen osalta on hyödynnetty laitevalmistajien tarjoamia tietoja. Pumppujen vuotuisen toiminnan arviointi on suoritettu tuotantotietojen sekä käyttöhenkilökunnan haastatteluilla kerätyn tiedon perusteella. Työn lopussa on esitetty tarkastelukohteiksi valittujen pumppujärjestelmien energiatehokkuuden parantamiseksi suositeltavia toimenpiteitä. Suositeltavien toimenpiteiden sisältäessä investointeja on niille laskettu nykyarvot sekä takaisinmaksuajat. Energiansäästökohteiksi valittujen pumppujärjestelmien yhteenlaskettu vuosittainen energiansäästö on 352 MWh/a (24640 €/a) investointikustannusten (hankintakustannukset) ollessa 12000 €.

Hitsaustuotannon kehittäminen tuulivoimalan tornin valmistuksessa

Tuulivoima on Euroopassa nopeimmin kasvava energian tuotantomuoto. Tuulivoimateollisuuden arvioidaan kasvavan Suomessa huomattavasti lähivuosien aikana ennakoidun syöttötariffipäätöksen myötä, jolloin kilpailu alalla tulee kasvamaan. Tavoitteena oli kehittää tuulivoimalan tornin valmistusta Levator Oy:ssä hitsaustuotantoa tehostamalla ja tuotannon ohjattavuutta parantamalla. Kehitystyöhön kuului toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelu ja ohjeiston laatiminen työnjohdolle. Toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelun tarkoituksena oli suunnitella muutokset nykyiseen tuotantoon uuden linjan käyttöönoton mahdollistamiseksi. Suunnittelu aloitettiin valitsemalla hitsausprosessit, jonka jälkeen suunniteltiin laitetarpeet työvaihe-analyysien pohjalta. Tuotantolayout muutettiin nykyisestä funktionaalisesta tuotannosta tuotantosoluista koostuvaksi tuotantolinjaksi, jolloin materiaalien virtautus parani huomattavasti. Tuotannon ohjaustavaksi valittiin kapeikko-ohjaus. Ohjeiston laatimisen tarkoituksena oli kerätä ja dokumentoida kaikki tuotannossa tarvittava tieto. Ohjeiston sisältää laadunohjaus, materiaalivirtojen ohjaus ja työnohjaus osiot, joiden tarkoituksena on helpottaa työnjohtamista. Ohjeisto määrittelee yhtenäiset tuotannon toimintatavat, jolloin tuotannon ohjattavuus helpottuu. Tavoitteet täyttyivät, kun toisen tuotantolinjan käyttöönoton vaatimat muutokset aloitettiin suunnitelmien mukaisesti syyskuussa 2009. Ohjeiston sisältö saatiin määriteltyä ja eri osioiden pilotit saatiin valmiiksi joulukuun aikana. Tuotannon ohjattavuus kehittyi huomattavasti ja samalla tuottavuus parani merkittävästi.

Mittakuvatoiminnan asiakaslähtöisyyden kehittäminen

Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää tämän päivän mittakuviin liittyviä asiakastarpeita Metso Automaation Virtauksensäätöratkaisut -liiketoimintalinjassa. Mittakuvat ovat tärkeä osa asiakkaalle tuotteen yhteydessä toimitettavaa dokumenttipakettia, joihin on kohdistettu yhä enemmän vaatimuksia viime vuosien aikana. Tutkimuksen keskeisenä tavoitteena oli ymmärtää 3D-mittakuvien merkitys Metson liiketoiminnassa, tunnistaa tämän päivän mittakuviin liittyvät asiakastarpeet, sekä luoda tunnistettujen asiakastarpeiden pohjalta kehittämissuunnitelma mittakuvatoiminnalle. Työssä toteutettiin teoreettinen kirjallisuusselvitys 3D-mallintamisesta sekä empiirinen tutkimusosuus asiakastarpeiden tunnistamisesta. Venttiiliyhdistelmä -mittakuviin liittyvät asiakastarpeet kerättiin haastatteluiden sekä verkkokyselyn avulla. Työssä haastateltiin Metson asiantuntijoita, Metson asiakkaita sekä CAD-järjestelmien toimittajia. Työn keskeisimpänä tuloksena esitettiin mittakuvatoiminnan kehittämissuunnitelma, jonka perustana oli mittakuviin liittyvä asiakastarvekartoitus, arvio Metson mittakuvatyökaluista sekä tulokset 3D-mittakuvien data- ja järjestelmävaatimuksista. Kehittämissuunnitelmassa kuvattiin, miten mittakuvatoimintaa tulee kehittää kokonaisvaltaisesti lähitulevaisuudessa. Tulokset antavat hyvän perustan laadukkaamman ja asiakaslähtöisemmän toiminnan kehittämiselle.