Modular Double-Cascade Converter

Medium-voltage motor drives extend the power rating of AC motor drives in industrial applications. Multilevel converters are gaining an ever-stronger foothold in this field. This doctoral dissertation introduces a new topology to the family of modular multilevel converters: the modular double-cascade converter. The modularity of the converter is enabled by the application of multiwinding mediumfrequency isolation transformers. Owing to the innovative transformer link, the converter presents many advantageous properties at a concept level: modularity, high input and output power quality, small footprint, and wide variety of applications, among others. Further, the research demonstrates that the transformer link also plays a key role in the disadvantages of the topology. An extensive simulation study on the new converter is performed. The focus of the simulation study is on the development of control algorithms and the feasibility of the topology. In particular, the circuit and control concepts used in the grid interface, the coupling configurations of the load inverter, and the transformer link operation are thoroughly investigated. Experimental results provide proof-of-concept results on the operation principle of the converter. This work concludes a research collaboration project on multilevel converters between LUT and Vacon Plc. The project was active from 2009 until 2014.

Analysis of torque and speed ripple producing non-idealities of frequency converters in electric drives

Electric motors driven by adjustable-frequency converters may produce periodic excitation forces that can cause torque and speed ripple. Interaction with the driven mechanical system may cause undesirable vibrations that affect the system performance and lifetime. Direct drives in sensitive applications, such as elevators or paper machines, emphasize the importance of smooth torque production. This thesis analyses the non-idealities of frequencyconverters that produce speed and torque ripple in electric drives. The origin of low order harmonics in speed and torque is examined. It is shown how different current measurement error types affect the torque. As the application environment, direct torque control (DTC) method is applied to permanent magnet synchronous machines (PMSM). A simulation model to analyse the effect of the frequency converter non-idealities on the performance of the electric drives is created. Themodel enables to identify potential problems causing torque vibrations and possibly damaging oscillations in electrically driven machine systems. The model is capable of coupling with separate simulation software of complex mechanical loads. Furthermore, the simulation model of the frequency converter's control algorithm can be applied to control a real frequency converter. A commercial frequencyconverter with standard software, a permanent magnet axial flux synchronous motor and a DC motor as the load are used to detect the effect of current measurement errors on load torque. A method to reduce the speed and torque ripple by compensating the current measurement errors is introduced. The method is based on analysing the amplitude of a selected harmonic component of speed as a function oftime and selecting a suitable compensation alternative for the current error. The speed can be either measured or estimated, so the compensation method is applicable also for speed sensorless drives. The proposed compensation method is tested with a laboratory drive, which consists of commercial frequency converter hardware with self-made software and a prototype PMSM. The speed and torque rippleof the test drive are reduced by applying the compensation method. In addition to the direct torque controlled PMSM drives, the compensation method can also beapplied to other motor types and control methods.

Distributed ControlArchitecture of Power Electronics Building-Block-Based Frequency Converters

The increasing power demand and emerging applications drive the design of electrical power converters into modularization. Despite the wide use of modularized power stage structures, the control schemes that are used are often traditional, in other words, centralized. The flexibility and re-usability of these controllers are typically poor. With a dedicated distributed control scheme, the flexibility and re-usability of the system parts, building blocks, can be increased. Only a few distributed control schemes have been introduced for this purpose, but their breakthrough has not yet taken place. A demand for the further development offlexible control schemes for building-block-based applications clearly exists. The control topology, communication, synchronization, and functionality allocationaspects of building-block-based converters are studied in this doctoral thesis. A distributed control scheme that can be easily adapted to building-block-based power converter designs is developed. The example applications are a parallel and series connection of building blocks. The building block that is used in the implementations of both the applications is a commercial off-the-shelf two-level three-phase frequency converter with a custom-designed controller card. The major challenge with the parallel connection of power stages is the synchronization of the building blocks. The effect of synchronization accuracy on the system performance is studied. The functionality allocation and control scheme design are challenging in the seriesconnected multilevel converters, mainly because of the large number of modules. Various multilevel modulation schemes are analyzed with respect to the implementation, and this information is used to develop a flexible control scheme for modular multilevel inverters.

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.

Software product line for power converters

Työn tilaajana toimi Visedo Oy. Työn tavoitteina oli tutkia Visedo Oy:n ohjelmistokehityksen nykytila, tunnistaa seuraavat parannuskohteet ja antaa ohjeita havaittujen parannuskohteiden korjaamiseksi. Visedo Oy:n tehonmuokkain ohjelmistokehityksen nykytilaa käsiteltiin neljän valitun osa-alueen näkökulmasta: ohjelmistoarkkitehtuurityyli, komponenttipohjainen ohjelmistokehitys, ohjelmistotuotelinjojen kehitysmenetelmät ja ohjelmistovariaatioiden hallinta. Valituilla osa-alueilla havaittujen parannuskohteiden perusteella annettiin korjausehdotuksia: ohjelmistoarkkitehtuurin rakenteeseen, komponenttien jakautumiselle, komponenttien koostamiselle ja komponenttien versioinnille. Lisäksi ehdotettiin uudenlaista ohjelmistotuotelinja rakennetta, joka yhdistää kerros- ja komponenttipohjaiset arkkitehtuurityylit mahdollistaen ominaisuuksiltaan eroavien tehonmuokkain ohjelmistojen hallinnan.

Power Electronic Converters in Low-Voltage Direct Current Distribution – Analysis and Implementation

Over the recent years, smart grids have received great public attention. Many proposed functionalities rely on power electronics, which play a key role in the smart grid, together with the communication network. However, “smartness” is not the driver that alone motivates the research towards distribution networks based on power electronics; the network vulnerability to natural hazards has resulted in tightening requirements for the supply security, set both by electricity end-users and authorities. Because of the favorable price development and advancements in the field, direct current (DC) distribution has become an attractive alternative for distribution networks. In this doctoral dissertation, power electronic converters for a low-voltage DC (LVDC) distribution system are investigated. These include the rectifier located at the beginning of the LVDC network and the customer-end inverter (CEI) on the customer premises. Rectifier topologies are introduced, and according to the LVDC system requirements, topologies are chosen for the analysis. Similarly, suitable CEI topologies are addressed and selected for study. Application of power electronics into electricity distribution poses some new challenges. Because the electricity end-user is supplied with the CEI, it is responsible for the end-user voltage quality, but it also has to be able to supply adequate current in all operating conditions, including a short-circuit, to ensure the electrical safety. Supplying short-circuit current with power electronics requires additional measures, and therefore, the short-circuit behavior is described and methods to overcome the high-current supply to the fault are proposed. Power electronic converters also produce common-mode (CM) and radio-frequency (RF) electromagnetic interferences (EMI), which are not present in AC distribution. Hence, their magnitudes are investigated. To enable comprehensive research on the LVDC distribution field, a research site was built into a public low-voltage distribution network. The implementation was a joint task by the LVDC research team of Lappeenranta University of Technology and a power company Suur-Savon S¨ahk¨o Oy. Now, the measurements could be conducted in an actual environment. This is important especially for the EMI studies. The main results of the work concern the short-circuit operation of the CEI and the EMI issues. The applicability of the power electronic converters to electricity distribution is demonstrated, and suggestions for future research are proposed.

Cascade hydropower capacity increase profitability analysis with optimisation modelling

The electricity market and climate are both undergoing a change. The changes impact hydropower and provoke an interest for hydropower capacity increases. In this thesis a new methodology was developed utilising short-term hydropower optimisation and planning software for better capacity increase profitability analysis accuracy. In the methodology income increases are calculated in month long periods while varying average discharge and electricity price volatility. The monthly incomes are used for constructing year scenarios, and from different types of year scenarios a long-term profitability analysis can be made. Average price development is included utilising a multiplier. The method was applied on Oulujoki hydropower plants. It was found that the capacity additions that were analysed for Oulujoki were not profitable. However, the methodology was found versatile and useful. The result showed that short periods of peaking prices play major role in the profitability of capacity increases. Adding more discharge capacity to hydropower plants that initially bypassed water more often showed the best improvements both in income and power generation profile flexibility.

Taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö

Tämä insinöörityö tehtiin ABB Oy, Drivesin Product AC -tulosyksikön tuotekehitysosastolle Helsingissä. Työssä kehitettiin taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö. ABB:n taajuusmuuttajien suorituskykytestejä ei ole aikaisemmin automatisoitu. Testit on tehty käsin ja niiden suorittamiseen ja tulosten käsittelyyn on kulunut paljon aikaa. Automaattisella testauksella pyrittiin testien suorittamiseen ja tulosten käsittelyyn kuluvan ajan huomattavaan pienentymiseen. Työssä ei ollut tarkoituksena tehdä suorituskykytestejä vaan kehittää automaattinen testausympäristö eli suorituskykytestipenkki, jossa suorituskykytestit on mahdollista suorittaa. Työssä keskityttiin taajuusmuuttajan nopeus- ja momenttisäätäjien suorituskykyyn. Työ toteutettiin suunnittelu- ja ohjelmointityönä. Testausympäristön laitteisto perustuu ABB:n tuotekehityslaboratorioiden olemassaoleviin testipaikkoihin. Testausympäristössä käytetään taajuusmuuttajien lisäksi pääasiassa kolmivaiheisia oikosulkumoottoreita. Lisäksi laitteistoon kuuluu ACS800-sarjan taajuusmuuttaja kuormakäyttönä, momenttianturi ja takometri eli kierrosnopeusmittari. Ohjelmointi tehtiin National Instrumentsin LabVIEW-ohjelmointiympäristön versiolla 8.0. Testausympäristön käyttöliittymänä toimii saman yrityksen TestStand-testausohjelmiston versio 3.5. Testattavien taajuusmuuttajien ohjausta ja momenttianturin lukemista varten ohjelmoitiin virtuaali-instrumentteja. Virtuaali-instrumentteja kutsutaan TestStand-testisekvensseistä. Testisekvenssit luodaan TestStandin sekvenssieditorilla ja suoritetaan sekvenssieditorissa tai operaattorin käyttöliittymässä. Työn tuloksena syntyi taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö. Testausympäristöä voidaan hyödyntää sekä nykyisen että seuraavan sukupolven taajuusmuuttajien testauksessa. Sillä on mahdollista suorittaa yleisimmät taajuusmuuttajien suorituskykytestit, kuten nopeus- ja momenttisäätöjen staattinen ja dynaaminen tarkkuus, hyvin kattavasti. Testit voidaan automaattisesti suorittaa koko testikäytön sallimalla pyörimisnopeus- ja kuormitusalueella. Näytteenottotaajuus voi olla enintään 1 kHz luettaessa pyörimisnopeutta ACS800-sarjan taajuusmuuttajan kautta ja momenttianturia samanaikaisesti. Virtuaali-instrumenteista koostuvia testisekvenssejä voidaan vapaasti muokata ja kehittää testejä edelleen tai luoda kokonaan uusia testejä. Testausympäristö perustuu teollisuudessa yleisesti käytettyihin ohjelmistoihin ja tarjoaa hyvät mahdollisuudet jatkokehitykselle.

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.

Taajuusmuuttajiakoskevat EMC-standardit

Taajuusmuuttajat aiheuttavat toimintansa seurauksena runsaasti laajakaistaisia sähkömagneettisia häiriöitä. Häiriöt etenevät sekä johtumalla että säteilemällä ja ne ovat seurausta pääasiassa taajuusmuuttajien toimintaan perustuvista nopeista kytkentäilmiöistä sekä puolijohdekomponenttien epälineaarisuuksista. Sähkömagneettisille häiriöille määritellään suurimmat sallitut tasot useissa EMC-standardeissa. Taajuusmuuttajia koskevia EMC-standardia on neljä; tuotestandardi EN 61800-3, harmonisia virtoja pienjänniteverkoissa käsittelevä EN 61000-3-12 sekä yleiset standardit EN 61000-6-1, -6-2 ja EN 61000-6-3, -6-4. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia ja koota yhteen edellä mainittujen standardien sisältämät vaatimukset. Työn pääpaino on kohdistettu häiriöpäästöille asetettuihin vaatimuksiin, sillä häiriöiden sietoon liittyvien vaatimusten täyttäminen ei taajuusmuuttajien kohdalla yleensä tuota ongelmia.

Katalysaattorin valmistuksen benchmarking

Työn tarkoituksena oli selvittää kilpailullisen benchmarkingin avulla Ecocat Oy:n käyttämien katalysaattoreiden valmistusmenetelmien suhdetta kilpailijoiden käyttämiin valmistusmenetelmiin, sekä tehdä benchmarking-tiedon pohjalta johtopäätöksiä ja ehdotuksia valmistusmenetelmien kehittämisestä. Tutkimuksen runkonatoimi benchmarking-prosessimalli, joka oli yhdistelmä kolmesta työn teoriaosassa esitellystä benchmarking-prosessimallista. Tiedon keruu benchmarkingia varten tapahtui käyttämällä hyväksi julkisten lähteiden lisäksi yrityksen sisäisiä tietolähteitä ja yrityksen ulkopuolisia kontakteja. Kerätyn tiedon pohjalta laadittiin kuvaukset Ecocatin ja sen kilpailijoiden käyttämistä valmistusmenetelmistä, tuotteista ja kustannuksista. Laadittujen kuvausten pohjalta suoritettiin vertailua menetelmien, tuotteiden ja kustannusten kesken. Tutkimuksessa havaittiin että Ecocatin käyttämät valmistusmenetelmät ovat kilpailukykyisiäja hyvin samankaltaisia kuin kilpailijoilla. Valmistusmenetelmien kehitysehdotusten tekemiseen kilpailullinen benchmarking antoi niukasti tietoa. Menetelmien kehittämiseen soveltuisikin paremmin jokin toinen benchmarking-tekniikka ja avoimempi benchmarking-yhteistyö.

Sähköteknisten laitteiden kunnossapidon kehittäminen sinkkitehtaalla

Diplomityön tavoitteena on ollut kehittää sähköteknisten laitteiden kunnossapitoa sinkkitehtaalla. Kokonaisuus on laaja ja laitteita paljon. Suuri kunnossapitobudjetti koostuu pienistä palasista. Kehitystyötä on pyritty tekemään käytännönläheisin ja helposti toteutettavin menetelmin, joissa voidaan mahdollisimman paljon hyödyntää sinkkitehtaan oman sähkökunnossapidon resursseja. Tämä kehittää myös henkilöstön laitetuntemusta. Kunnossapito-ohjelma pyritään pitämään riittävän kevyenä ja edullisena toteuttaa. Teoreettisen pohdiskelun ja huoltomenetelmien suunnittelun jälkeen kunnossapidon käytännön toteuttamiseksi on rakennettu tehtaan ATK-järjestelmään työmääräimiä, jotka pohjautuvat työn aikana kirjoitettuihin työohjeisiin. Työn alussa on selvitetty sähköturvallisuusmääräysten asettamia vaatimuksia. Suurella osalla huoltotoimenpiteistä pyritään parantamaan sähköturvallisuutta. Muilta osin työ keskittyy sähkökeskustiloihin ja moottorikäyttöihin, osastokohtaisiin prosessilaitteisiin ja tehtaalla oleviin tärkeisiin, muttaprosessiin varsinaisesti kuulumattomiin laitteisiin. Niiden käsittelyn yhteydessä esitellään myös huollossa käytettäviä menetelmiä, mittauksia ja tarkastuksia.

Nosturin tehonsyöttö rinnankytketyillä verkkovaihtosuuntaajilla

Taajuusmuuttajaohjatuissa nosturikäytöissä taakkaa laskettaessa syntyvä energia on muutettava lämmöksi jarruvastuksissa tai syötettävä takaisin sähköverkkoon esimerkiksi verkkovaihtosuuntaajalla. Verkkovaihtosuuntaajaa on tyypillisesti käytetty suurissa satamanostureissa, joiden tehontarve on yli 1000 kW. Työssä tutkitaan useista yhteiseen välipiiriin rinnankytketyistä nimellisteholtaan 250 kW:n verkkovaihtosuuntaajista koostuvan verkkoonjarrutuslaitteiston soveltuvuutta nosturikäyttöön. Lisäksi johdetaan yhtälöt verkkoonjarrutuslaitteiston virran laskemiseksi, kun nosturin mekaaniset arvot tunnetaan. Viidestä erityyppisestä nosturista esitellään esimerkkitoteutus rinnankytketyillä verkkovaihtosuuntaajilla. Aiemmin vastusjarruttavina toteutettujen nostureiden kustannuksia verrataan verkkovaihtosuuntaajilla toteutettuihin ratkaisuihin. Esimerkkinostureista esitetään nosturin työsykliin perustuva arvio verkkoonjarrutuksen tuomasta energian säästöstä. Tehtyjen mittausten perusteella käytetty menetelmä verkkovaihtosuuntaajien rinnan kytkemiseksi osoittautui nosturikäytössä toimivaksi. Kustannuslaskelmien perusteella verkkovaihtosuuntaajalla toteutetusta nosturista tulee materiaalikustannuksiltaan vastusjarruttavaa kalliimpi, vaikka paljon tilaa vievät vastuskaapit voidaankin jättää pois.

Taajuusmuuttajan häviöidensimulointityökalun kehitys

Diplomityössä on kehitetty kaksitasoisen jännitevälipiirillisen taajuusmuuttajan häviöiden simulointiin käytettävä simulointimalli osaksi säädettävän sähkömoottorikäytön simulointityökalua, jolla voidaan analysoida eri säätöalgoritmien, kuormituksen ja kytkentätaajuuden vaikutusta taajuusmuuttajan häviöihin. Aluksi on selvitetty yksityiskohtaisesti taajuusmuuttajan häviölähteet ja häviöiden fysikaalinen tausta. Taajuusmuuttajassa käytettäville komponenteille on esitetty simulointimalleja. Taajuusmuuttajan malli ja häviöiden laskenta-algoritmit on toteutettu C-kielellä. Taajuusmuuttajan malli vastaa perusrakenteeltaan ACS800-02-0260-5 - taajuusmuuttajaa. ACS800-02-0260-5 -taajuusmuuttajan häviöitä on simuloitu erilaisissa kuormitustilanteissa, ja simulointien tueksi taajuusmuuttajan häviöt on pyritty selvittämään laboratoriomittauksin.

Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system

In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker. First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission. Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine. After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases. Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.