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.

Radio-frequency-based measurement methods for bearing current analysis in induction motors

The most common reason for a low-voltage induction motor breakdown is a bearing failure. Along with the increasing popularity of modern frequency converters, bearing failures have become the most important motor fault type. Conditions in which bearing currents are likely to occur are generated as a side effect of fast du/dt switching transients. Once present, different types of bearing currents can accelerate the mechanical wear of bearings by causing deformation of metal parts in the bearing and degradation of the lubricating oil properties.The bearing current phenomena are well known, and several bearing current measurement and mitigation methods have been proposed. Nevertheless, in order to develop more feasible methods to measure and mitigate bearing currents, better knowledge of the phenomena is required. When mechanical wear is caused by bearing currents, the resulting aging impact has to be monitored and dealt with. Moreover, because of the stepwise aging mechanism, periodically executed condition monitoring measurements have been found ineffective. Thus, there is a need for feasible bearing current measurement methods that can be applied in parallel with the normal operation of series production drive systems. In order to reach the objectives of feasibility and applicability, nonintrusive measurement methods are preferred. In this doctoral dissertation, the characteristics and conditions of bearings that are related to the occurrence of different kinds of bearing currents are studied. Further, the study introduces some nonintrusive radio-frequency-signal-based approaches to detect and measure parameters that are associated with the accelerated bearing wear caused by bearing currents.

On the Condition Monitoring of Induction machines

The research of condition monitoring of electric motors has been wide for several decades. The research and development at universities and in industry has provided means for the predictive condition monitoring. Many different devices and systems are developed and are widely used in industry, transportation and in civil engineering. In addition, many methods are developed and reported in scientific arenas in order to improve existing methods for the automatic analysis of faults. The methods, however, are not widely used as a part of condition monitoring systems. The main reasons are, firstly, that many methods are presented in scientific papers but their performance in different conditions is not evaluated, secondly, the methods include parameters that are so case specific that the implementation of a systemusing such methods would be far from straightforward. In this thesis, some of these methods are evaluated theoretically and tested with simulations and with a drive in a laboratory. A new automatic analysis method for the bearing fault detection is introduced. In the first part of this work the generation of the bearing fault originating signal is explained and its influence into the stator current is concerned with qualitative and quantitative estimation. The verification of the feasibility of the stator current measurement as a bearing fault indicatoris experimentally tested with the running 15 kW induction motor. The second part of this work concentrates on the bearing fault analysis using the vibration measurement signal. The performance of the micromachined silicon accelerometer chip in conjunction with the envelope spectrum analysis of the cyclic bearing faultis experimentally tested. Furthermore, different methods for the creation of feature extractors for the bearing fault classification are researched and an automatic fault classifier using multivariate statistical discrimination and fuzzy logic is introduced. It is often important that the on-line condition monitoring system is integrated with the industrial communications infrastructure. Two types of a sensor solutions are tested in the thesis: the first one is a sensor withcalculation capacity for example for the production of the envelope spectra; the other one can collect the measurement data in memory and another device can read the data via field bus. The data communications requirements highly depend onthe type of the sensor solution selected. If the data is already analysed in the sensor the data communications are needed only for the results but in the other case, all measurement data need to be transferred. The complexity of the classification method can be great if the data is analysed at the management level computer, but if the analysis is made in sensor itself, the analyses must be simple due to the restricted calculation and memory capacity.

Induktiomoottorin hyötysuhdemittaukset verkko- ja taajuusmuuttajasyötössä

Hyötysuhde on tärkeätekijä moottorimarkkinoilla, sillä moottorin ostajan kannalta moottorin hyvä hyötysuhde merkitsee taloudellisuutta pitkällä aikavälillä. Tästä johtuen hyötysuhde on merkittävä kriteeri moottorisuunnittelussa. Moottorin hyötysuhteen määrittämisen mittausmenetelmät on määritelty IEC- ja IEEE-standardeissa. Diplomityössäkäydään läpi eri standardimenetelmillä tehtäviä mittauksia ja vertaillaan niitäkeskenään, koska hyötysuhteen määrityksen tarkkuus riippuu käytettävästä mittausmenetelmästä. Työssä keskitytään sinimuotoisella jännitteellä syötetyn induktiomoottoriin hyötysuhteen määritysmenetelmiin perehtyen erityisesti IEEE 112-standardin B-menetelmään, ja mitataan erään induktiomoottorin hyötysuhde B-menetelmällä. Työssä tehdään selkoa sinisyötölle tarkoitettujen hyötysuhdemittausmenetelmien soveltamisesta epäsinimuotoiseen taajuusmuuttajasyöttöön sekä tutkitaan taajuusmuuttajalla syötetyn moottorin sähköisten suureiden mittaamiseen liittyvää mittausepävarmuutta. Lisäksi selvitetään kokeellisesti taajuusmuuttajasyötöllä tehdyistä mittauksista saatujen tulosten riippuvuutta käytetystä virranmittaustavasta.

Mittausjärjestelmä IGBT:n lämpötilan määrittämiseen

Tässä diplomityössä tutustutaan IGBT:n ja tehodiodin rakenteisiin, lämmön muodostumiseen kyseisissä komponenteissa sekä menetelmiin, joilla komponenttien lämpötilat voidaan määrittää. Työssä suunnitellaan ja rakennetaan mittausjärjestelmä, jolla IGBT:n ja tehodiodin lämpötilat voidaan määrittää suoraan mittaamalla sekä matemaattisten mallien avulla. Mittausjärjestelmä koostuu DC-chopper -kytkennästä, kuormavirran, välipiirin jännitteen sekä lämpötilan mittauksista. Lämpötilan mittauksissa käytettiin komponenttien pintoihin liitettyjä termopareja. Matemaattisia malleja varten mittausjärjestelmään lisättiin välipiirin jännitteen sekä kuormavirran mittaus. Laitteiston ohjaus sekä mittaustulosten tallentaminen toteutettiin dSPACE -laitteistolla. Mittausjärjestelmän toimivuus testattiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Säätötekniikan laboratoriossa tehdyillä mittauksilla.

Oikosulkumoottorin roottorivaurioiden tunnistaminen staattorivirran avulla

Diplomityössä esitellään menetelmiä sauvarikon toteamiseksi. Työn tarkoituksena on tutkia roottorivaurioita staattorivirran avulla. Työ jaetaan karkeasti kolmeen osa-alueeseen: oikosulkumoottorin vikoihin, roottorivaurioiden tunnistamiseen ja signaalinkäsittelymenetelmiin, jonka avulla havaitaan sauvarikko. Oikosulkumoottorin vikoja ovat staattorikäämien vauriot ja roottorivauriot. Roottorikäämien vaurioita ovat roottori sauvojen murtuminen sekä roottorisauvan irtoaminen oikosulkujenkaan päästä. Roottorivaurioiden tunnistamismenetelmiä ovat parametrin arviointi ja virtaspektrianalyysi. Työn alkuosassa esitellään oikosulkumoottorien rakenne ja toiminta. Esitellään moottoriin kohdistuvia vikoja ja etsitään ratkaisumenetelmiä roottorivaurioiden tunnistamisessa. Lopuksi tutkitaan, kuinka staattorimittaustietojen perusteella saadut tulokset voidaan käsitellä FFT -algoritmilla ja kuinka FFT -algoritmi voidaan toteuttaa sulautettuna Sharc -prosessorin avulla. Työssä käytetään ADSP 21062 EZ -LAB kehitysympäristöä, jonka avulla voidaan ajaa ohjelmia RAM-sirusta, joka on vuorovaikutuksessa SHARC -laudassa oleviin laitteisiin.

Tunnuslukujärjestelmän kehittäminen projektiliiketoiminnalle

Tämän työn päätavoitteena on kehittää suorituskyvyn tunnuslukujärjestelmä projektiliiketoimintaa harjoittavalle yritykselle. Muita tavoitteita ovat kehittämisprosessin, mittaristoijen ja mittareiden käytön kartoitus sekä kohdeyrityksen suorituskyvyn nykytilanteen selvitys kerättävän esimerkki-aineiston perusteella. Yrityksen informaatiotarpeiden perusteella mittausjärjestelmän tavoitteeksi asetettiin johdon päätöksenteon tukeminen. Mittariston perusosa-alueet valittiin kirjallisuuteen ja nykyisen mittauksen puutteisiin perustuen. Alueet olivat toimittajat, henkilöstö, toiminta ja asiakkaat. Tunnusluvut valittiin yhdessä käyttäjien kanssa valmiista esimerkeistä ja yrityksessä kehitetyistä uusista ja olemassa olevista mittareista. Yrityksen suorituskyvyn nykytilaa analysoitiin valituilla tunnusluvuilla. Toimintatapojen yhtenäisyys on kehityskohde, jolla mittarien arvoista saadaan nykyistä vertailukelpoisempia ja luotettavampia. Tulevaisuudessa luotua tunnuslukujärjestelmää on kehitettävä toiminnan muutosten mukana. Toimintolaskennan käyttöönotto on eräs mahdollisuus toiminnan ja mittariston jatkokehittämiseen sekä kustannustietojen ja hinnoittelun tarkkuuden parantamiseen.

Pienitaajuinen radiosekoitin

Normaalisti radiovastaanottimet on luokiteltavissa suoriin vastaanottimiin ja superheterodynevastaanottimiin. Jälkimmäistä nimitetään tavallisesti supervastaanottimeksi. Molemman vastaanottimen oleellisiin osiin kuuluu antennin virityspiiri, supervastaanottimelle lisäksi paikallisoskillaattorin virityspiiri, mikä pitää virittää antennipiirin kanssa samanaikaisesti. Pienillä taajuuksilla, taajuudet luokassa kilo-Hertzejä tai pienemmillä, on antennipiirin viritys resonanssipiirin ominaisuuksista johtuen sitä kapeammalla kaistalla ja sitä hitaampaa mitä pienemmällä taajuudella vastaanotto tapahtuu. Lisäksi virityspiiri hyvyysluku Q on vaikea saada sopivaksi, mikäli viritys on muuten käytännöllinen, säädettävä resonanssipiiri. Vaadittaessa kiinteätaajuista viritystä on käytännöllistä hyödyntää sähkömekaanisia osia, siis keraamisia tai kvartsikiteitä. Koska kiteitten ja korkean hyvyysluvun piirin värähtely jatkuu useita värähtelyjaksoja ennen saapuneitten värähtelyjen sammumista, kestää myös kauan aikaa, ennen kuin värähtely piirissä on loppu. Pienitaajuinen resonanssipiiri saavuttaa maksimivirtansa hitaasti, jos hyvyysluku on iso, kun piiri alkaa johtaa resonanssitaajuista virtaa. Tässä työssä pyritään vastaanotinjärjestelyyn ongelmallisen, pientaajuisen virityspiirin käytön välttämiseksi. Toisena tavoitteena on saada aikaan vastaanotto siten, että tietty pienitaajuinen radiotaajuusalue voidaan kokonaisuudessaan vastaanottaa jatkuva-aikaisesti, ilman antennipiirin jatkuvaa virittämistä erillisille taajuuksille. Laaditaan kytkentä, joka mitoitetaan, simuloidaan ja mitataan.

Jännitevälipiiritaajuusmuuttajan moottorikaapelin maksimipituuden määrittely

Työssä tutkitaan, kuinka pitkää moottorikaapelia on jännitevälipiiritaajuusmuuttajan kanssa mahdollista käyttää niin, että määritellyt reunaehdot vielä toteutuvat. Tavoitteena on tuottaa tietoa myynnille, markkinoinnille, tuotehallinnalle sekä tuoteylläpidolle siitä, miten taajuus-muuttaja toimii pidemmillä moottorikaapeleilla kuin valmistaja suosittelee. Tutkitut moottori-kaapelipituudet olivat 175…1025 metriä ja tutkitut laitteet nimellislähtövirroiltaan 2,4...25 A. Työssä aihetta käsitellään jänniteheijastusten näkökulmasta. Lisäksi tutkitaan moottorikaapelin pituuden vaikutusta taajuusmuuttajan eri komponenttien lämpenemiseen. Taajuusmuuttajan toiminnallisuutta arvioidaan moottorin suunnanvaihtojen avulla sekä turvallista toimintaa oikosulkutestein. Tutkittujen taajuusmuuttajien kohdalla on mahdollista käyttää taajuusmuuttajavalmistajan suositusta pidempiä moottorikaapeleita. Moottoriliittimien ylijännitteitä aiheuttavat jännite-heijastukset eivät aiheuttaneet raja-arvoja ylittäviä huippujännitteitä tutkituilla laitekokoon-panoilla. Myös lämpötilannousu oli maltillista tai jopa vähäistä taajuusmuuttajasta mitatuilla komponenteilla. Moottorisäätö havaittiin toimintakykyiseksi pidemmilläkin moottorikaape-leilla, tosin moottorin vääntömomentti heikkeni moottorikaapelien pituutta kasvatettaessa. Virranmittaus toimi hyvin myös pitkillä kaapeleilla, tuottaen vikalaukaisun kaikissa tehdyissä oikosulkutilanteissa. Moottorin ja taajuusmuuttajan melutaso nousivat moottorikaapelien pi-tuutta kasvatettaessa, vaikkakin moottorin käynti oli tasaista ja katkotonta Moottorikaapelin pituutta voidaan kasvattaa 325 metriin kaikissa tutkituissa laitteissa ilman, että mikään tutkittu ominaisuus vielä olennaisesti heikkenisi. Vielä 525 metrin moottorikaape-leita on mahdollista käyttää, mutta tällöin vääntömomentin tuotto on jo heikompaa.

Taajuusmuuttaja aktiivisesti säädetyn magneettilaakerin virtalähteenä

Työssä tutkitaan mahdollisuutta hyödyntää sähkömoottorien nopeudensäätöön suunniteltuja kaupallisia taajuusmuuttajia osana aktiivisesti säädetyn magneettilaakeroinnin säätöjärjestelmää. Magneettilaakerijärjestelmän ohjaamiseksi tarvitaan vahvistin, jonka tehtävänä on muuntaa paikkasäätöjärjestelmältä tuleva ohjearvo virraksi, jännitteeksi tai magneettivuoksi voiman tuottamiseksi laakerikäämityksellä. Nykyaikaiset modernit taajuusmuuttajat mahdollistavat säätöalgoritmien suorittamisen sekä liitynnän muuhun automaatiojärjestelmään kenttäväylien kautta. Tämän järjestelmäintegraation myötä olisi mahdollista rakentaa modulaarinen säätöjärjestelmä hyödyntäen luotettavaksi todettuja teollisuusautomaatiotuotteita vain muutamalla itse magneettilaakerijärjestelmään liittyvällä tuotteella. Haluttaessa hyödyntää kolmivaiheinen taajuusmuuttaja mahdollisimman tehokkaasti magneettilaakerin teholähteenä tulee laakerikäämityksien kytkeytymistä taajuusmuuttajaan tarkastella tarkemmin. Kirjallisuustutkimuksessa keskitytään taajuusmuuttajan tehokytkimien muodostaman vaihtosuuntaajan eri rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön dynaamisten ominaisuuksien tarkasteluun. Soveltuvien rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön suorituskyky todennetaan simuloinnein ja lopuksi todellisella koelaitteistolla. Magneettilaakeroinnilla varustetun sähkökoneen roottorin onnistunut leijuttaminen viiden vapausasteen suhteen paikkasäädettynä sekä mittauksien tulokset osoittavat, ettei taajuusmuuttajien järjestelmäarkkitehtuurista löydy merkittäviä esteitä muuttajien hyödyntämiseksi magneettilaakerisovelluksissa.

Sähkökoagulaatiolaitteiston kehittäminen pintakäsittelylaitoksen jäteveden käsittelyyn

Tässä työssä kehitetään sähkökoagulaatiolaitteisto metallipinnoituslaitoksen jätevesien puhdistamiseen. Sähkökoagulaatio on sähkökemiallinen vedenpuhdistusprosessi, jossa hyödynnetään liukenevaa metallianodia. Sähkövirta irrottaa anodilta metalli-ioneja, jotka yhdistyvät vapaiden hydroksidi-ionien kanssa. Syntyneet metallihydroksidit vetävät puoleensa veden epäpuhtauksia ja saostuvat. Tämän työn tavoitteena oli kehittää sähkökoagulaatiolaitteistosta korvaaja käytössä olleelle kemialliselle jätevedenpuhdistuslaitteistolle. Sähkökoaglaatiolaitteiston toivottiin parantavan jätevedenpuhdistuksen toimintavarmuutta ja pienentävän käyttökustannuksia. Prototyyppilaitteistolla suoritettujen kokeiden perusteella sähkökoagulaation todettiin olevan kemiallista jätevedenkäsittelyä toimintavarmempi. Käyttökustannusten todettiin olevan samaa tasoa tai korkeammat kuin kemiallisella menetelmällä. Laitteiston suunnittelussa sovellettiin järjestelmällistä koneensuunnittelua. Suunnittelussa saavutettiin sille asetetut tavoitteet. Osatoiminnoille löydettiin toimivat ratkaisut ja laite on helposti huollettavissa.

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.

Design of an amplifier and an instrumentation setup for a harsh environment heat flux measurement application – case axial flux electric machine

Measurement is a tool for researching. Therefore, it is important that the measuring process is carried out correctly, without distorting the signal or the measured event. Researches of thermoelectric phenomena have been focused more on transverse thermoelectric phenomena during recent decades. Transverse Seebeck effect enables to produce thinner and faster heat flux sensor than before. Studies about transverse Seebeck effect have so far focused on materials, so in this Master’s Thesis instrumentation of transverse Seebeck effect based heat flux sensor is studied, This Master’s Thesis examines an equivalent circuit of transverse Seebeck effect heat flux sensors, their connectivity to electronics and choosing and design a right type amplifier. The research is carried out with a case study which is Gradient Heat Flux Sensors and an electrical motor. In this work, a general equivalent circuit was presented for the transverse Seebeck effect-based heat flux sensor. An amplifier was designed for the sensor of the case study, and the solution was produced for the measurement of the local heat flux of the electric motor to improve the electromagnetic compatibility.

Measurement of Bioactivity of Immunomodulatory Treatment of Relapsing Multiple Sclerosis. With Emphasis on MxA Protein

Background Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating disease of the central nervous system, which mainly affects young adults. In Finland, approximately 2500 out of 6000 MS patients have relapsing MS and are treated with disease modifying drugs (DMD): interferon- β (INF-β-1a or INF-β-1b) and glatiramer acetate (GA). Depending on the used IFN-β preparation, 2 % to 40 % of patients develop neutralizing antibodies (NAbs), which abolish the biological effects of IFN-β, leading to reduced clinical and MRI detected efficacy. According to the Finnish Current Care Guidelines and European Federation of Neurological Societis (EFNS) guidelines, it is suggested tomeasure the presence of NAbs during the first 24 months of IFN-β therapy. Aims The aim of this thesis was to measure the bioactivity of IFN-β therapy by focusing on the induction of MxA protein (myxovirus resistance protein A) and its correlation to neutralizing antibodies (NAb). A new MxA EIA assay was set up to offer an easier and rapid method for MxA protein detection in clinical practice. In addition, the tolerability and safety of GA were evaluated in patients who haddiscontinued IFN-β therapy due to side effects and lack of efficacy. Results NAbs developed towards the end of 12 months of treatment, and binding antibodies were detectable before or parallel with them. The titer of NAb correlated negatively with the amount of MxA protein and the mean values of preinjection MxA levels never returned to true baseline in NAb negative patients, but tended to drop in the NAb positive group. The test results between MxA EIA and flow cytometric analysis showed significant correlation. GA reduced the relapse rate and was a safe and well-tolerated therapy in IFN-β-intolerant MS patients. Conclusions NAbs inhibit the induction of MxA protein, which can be used as a surrogate marker of the bioactivity of IFN-β therapy. Compared to flow cytometricanalysis and NAb assay, MxA-EIA seemed to be a sensitive and more practical method in clinical use to measure the actual bioactivity of IFN-β treatment, which is of value also from a cost-effective perspective.

Measurement of the tree root growth using electrical impedance spectroscopy

Abstract