Improving Dynamic Characteristics of Open-loop Controlled Log Crane

The improvement of the dynamics of flexible manipulators like log cranes often requires advanced control methods. This thesis discusses the vibration problems in the cranes used in commercial forestry machines. Two control methods, adaptive filtering and semi-active damping, are presented. The adaptive filter uses a part of the lowest natural frequency of the crane as a filtering frequency. The payload estimation algorithm, filtering of control signal and algorithm for calculation of the lowest natural frequency of the crane are presented. The semi-active damping method is basedon pressure feedback. The pressure vibration, scaled with suitable gain, is added to the control signal of the valve of the lift cylinder to suppress vibrations. The adaptive filter cuts off high frequency impulses coming from the operatorand semi-active damping suppresses the crane?s oscillation, which is often caused by some external disturbance. In field tests performed on the crane, a correctly tuned (25 % tuning) adaptive filter reduced pressure vibration by 14-17 % and semi-active damping correspondingly by 21-43%. Applying of these methods require auxiliary transducers, installed in specific points in the crane, and electronically controlled directional control valves.

CFD Simulation of Two-phase and Three-phase Flows in Internal-loop Airlift

Airlift reactors are pneumatically agitated reactors that have been widely used in chemical, petrochemical, and bioprocess industries, such as fermentation and wastewater treatment. Computational Fluid Dynamics (CFD) has become more popular approach for design, scale-up and performance evaluation of such reactors. In the present work numerical simulations for internal-loop airlift reactors were performed using the transient Eulerian model with CFD package, ANSYS Fluent 12.1. The turbulence in the liquid phase is described using κ- ε the model. Global hydrodynamic parameters like gas holdup, gas velocity and liquid velocity have been investigated for a range of superficial gas velocities, both with 2D and 3D simulations. Moreover, the study of geometry and scale influence on the reactor have been considered. The results suggest that both, geometry and scale have significant effects on the hydrodynamic parameters, which may have substantial effects on the reactor performance. Grid refinement and time-step size effect have been discussed. Numerical calculations with gas-liquid-solid three-phase flow system have been carried out to investigate the effect of solid loading, solid particle size and solid density on the hydrodynamic characteristics of internal loop airlift reactor with different superficial gas velocities. It was observed that averaged gas holdup is significantly decreased with increasing slurry concentration. Simulations show that the riser gas holdup decreases with increase in solid particle diameter. In addition, it was found that the averaged solid holdup increases in the riser section with the increase of solid density. These produced results reveal that CFD have excellent potential to simulate two-phase and three-phase flow system.

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.

Induktiosilmukka kuulolaitteen käyttäjän apuvälineenä

Tämä insinöörityö tehtiin Kuulonhuoltoliitto ry:n Esteetön kuuntelu -projektille. Työ käsittelee kuulolaitteen käyttäjän apuvälineenä käytettäviä induktiosilmukkajärjestelmiä. Induktiivisen äänensiirtojärjestelmän avulla huonokuuloinen saa kuunteluympäristöstään paremman signaali-kohinasuhteen ilman tilan kaikua ja taustahälyä. Tämä helpottaa kuuntelua esimerkiksi puhetilaisuuksissa. Työn tarkoituksena oli päivittää aiempia tutkimuksia kokoamalla uusin tietous induktiosilmukoiden tekniikasta. Kirjallisuustutkimuksen lisäksi kartoitettiin nykyinen silmukkavahvistinkanta haastattelemalla maahantuojia ja jälleenmyyjiä. Silmukkavahvistimien hintakartoituksen tarkoituksena oli rakentaa perusteet sopivan tehoisen ja hintaisen vahvistimen hankintaa varten suunniteltaessa induktiivisella äänensiirtojärjestelmällä varustettavia tiloja. Työ tarkastelee induktiivisen äänensiirtojärjestelmän ensisijaisen kohderyhmän, kuulokojeita käyttävien huonokuuloisten keskeisiä tarpeita ja heidän käyttämäänsä apuvälinetekniikkaa. Työ käy läpi audiotekniikan perusteita, sähkömagneettisen induktioilmiön, induktiivisen äänensiirtojärjestelmän rakenteen, sen ylikuulumisongelmat ja häiriötekijät sekä IEC:n 60118-4 edition 2.0 standardin CDV-luonnoksen mukaiset periaatteelliset asennusja mittausohjeet. IEC:n tuleva standardi tekee työstä ajankohtaisen. Työn tuloksena saatua tietoa voidaan käyttää Kuulonhuoltoliitto ry:n opas- ja tiedotusmateriaalin uudistamisessa, pohjana hyvän kuunteluympäristön malliratkaisujen ja esteettömyyskriteerien soveltamisessa. Työstä on hyötyä erityisesti Kuulonhuoltoliitto ry:n vapaaehtoiskartoittajille kuten myös kenelle tahansa aiheesta syvemmin kiinnostuneelle.

Testing of Access Network's Internet Protocol Television Features

Testaus on tänä päivänä olennainen osa tuotekehitysprosessia koko tuotteen elinkaaren ajan, myös tietoliikennetekniikassa. Tietoverkoille asetetut tiukat vaatimukset ympärivuorokautisen toimivuuden suhteen nostavatmyös niiden testauksen tason ja laadun merkitystä. Erityisesti verkkojen uudet toiminnallisuudet, joilla ei ole vielä vuosia kestäneen käytön ja kehityksen tuomaa varmuus- ja laatutasoa, tuovat haasteita testauksen toteutukselle. Televisiokuvan välityksen Internetin yli mahdollistavat ominaisuudet ovat esimerkki tällaisista toiminnallisuuksista. Tässä diplomityössä käsitellään Tellabs Oy:n tuotekehitysosastolla vuosina 2005 ja 2006 toteutetun, erään operaattorin laajakaistaliityntäverkon päivitysprojektin testausosuutta. Kattavamman tarkastelun kohteena ovat erityisesti verkkoon lisättyjen laajakaistatelevisio- eli IPTV-toiminnallisuuksien integraatio- ja systeemitestausmenetelmät.

Stability Evaluation of a Paper Machine Wet End

Työssä analysoidaanprosessin vaikutusta paperikoneen stabiiliuteen. Kaksi modernia sanomalehtipaperikonetta analysoitiin ja sen perusteella molemmista prosesseista rakennettiin fysiikan lakeihin perustuvat simulointimallit APROS Paper simulointiohjelmistolla. Työn tavoitteena on selvittää, miten kyseisten koneiden prosessit eroavat toisistaan ja arvioida, miten havaitut erot vaikuttavat prosessien stabiiliuteen. Työssä tarkastellaan periodisten häiriöiden vaimenemista prosessissa. Simuloinnissa herätteenä käytettiin puhdasta valkoista kohinaa, jonka avulla eri taajuistenperiodisten häiriöiden vaimenemista analysoitiin. Prosessien häiriövasteet esitetään taajuuskoordinaatistossa. Suurimmat erot prosessien välillä löytyivät viirakaivosta ja sen sekoitusdynamiikasta. Perinteisen viirakaivon todettiin muistuttavan käyttäytymiseltään sarjaan kytkettyjä ideaalisekoittimia, kun taas pienempitilavuuksisen fluumin todettiin käyttäytyvän lähes kuin putkiviive. Vaikka erotprosessitilavuudessa sekä viirakaivon sekoitusdynamiikassa olivat hyvin selkeät, havaittiin vain marginaalinen ero prosessin välillä periodisten häiriöiden vaimenemisessa, koska erot viiraretentiotasoissa vaikuttivat eniten simulointituloksia. Matalammalla viiraretentiolla operoivan paperikoneen todettiin vaimentavan tehokkaammin prosessihäiriöitä. Samalla retentiotasolla pienempitilavuuksisen prosessin todettiin vaimentavan hitaita prosessihäiriöitä marginaalisesti paremmin. Tutkituista paperikoneista toisella simuloitiin viiraosan vedenpoistomuutoksenvaikutusta viiraretentioon ja paperin koostumukseen. Lisäksi arvioitiin viiraretention säädön toimivuutta. Viiraosan listakengän vedenpoiston todettiin aiheuttavan merkittäviä sakeus- ja retentiohäiriöitä, mikäli sen avulla poistettavan kiintoaineen virtaus tuplaantuisi. Viiraretention säädön todettiin estävän häiriöiden kierron prosessissa, mutta siirtävän ne suoraan rainaan. Retention säädön eikuitenkaan todettu olevan suoranainen häiriön lähde.

Painelajittimen toimintasakeuden nostaminen havupuusellun lajittelussa

Painelajittimien kyky poistaa epäpuhtauksia on parantunut erityisesti roottorien ja sihtirumpujen kehityksen myötä. Painelajittimella pystytään nykyisin poistamaan yhä pienempiä roskapartikkeleja, minkä ansiosta painelajittimilla pystytään korvaamaan pyörrepuhdistimia hienolajittelussa. Nykyään ratkaisevaa on lajittimen mahdollinen toimintasakeus ja energiankulutus, joihin voidaan vaikuttaa roottori- ja sihtiratkaisuin sekä laitteen ajotavalla. Lajittimen toimintasakeutta nostamalla voitaisiin saavuttaa etuja tuotantoprosessissa pienempien virtauksien ja prosessin paremman ajettavuuden vuoksi. Työssä tarkasteltiin painelajittimen rakenneparametreista roottorin ja sihtirummun sekä ajoparametreista syöttösakeuden, massarejektisuhteen, tuotantomäärän ja roottorin kehänopeuden vaikutusta painelajittimen toimintaan. Erityisesti tutkittiin mahdollisuuksia nostaa lajittelusakeutta ja sakeuden nostonvaikutusta lajittimen energiankulutukseen. Sellutehtaaseen rakennetussa koelajitinlinjassa pystyttiin perusrakenteeltaan nykyisenlaisella painelajittimella muuttamalla roottorin ja sihdin rakennetta sekä nostamalla roottorin kehänopeutta lajittelemaan laitteen mitoitustuotannossa massaa korkeimmillaan 4,8 %:n sakeudessa. Suurin saavutettu sakeus, jossa energiankulutusta voidaanpitää hyväksyttävänä oli 4,4%. Nykyisellä ajotavalla ja roottori- ja sihtirakenteella pystyttiin lajittelemaan massaa 3,2 %:ssa. Tuloksista voidaan päätellä, että massan lajittelu yli 5 %:n sakeudessa on mahdollista roottorirakennetta edelleen kehittämällä.

Jatkuvatoimisen sellukeittimen säätöjen suorituskyvyn analysointi

Työssä tarkastellaan yleisiä menetelmiä säätöpiirien suorituskyvyn analysointiin ja sovelletaan niitä jatkuvatoimisen sellukeittimen säätöihin. Esitellyt menetelmät tarjoavat keinoja myös huonon säätötuloksen syyn selvittämiseen ja vinkkejä paremman suorituskyvyn saavuttamiseksi. Analyysissä edettiin top-down periaatteen mukaisesti lähtien liikkeelle keittimen tärkeimmästä säädöstä eli kappaluvun säädöstä. Sitten etsittiin tähän vaikuttavia tekijöitä mitatuista suureista. Seuraavaksi arvioitiin tärkeimmäksi katsotun tekijän (hakepinnankorkeus) säädön suorituskyky, jossa havaittiin parannettavaa. Lopuksi hakepinnankorkeuden säädön viritystämuutettiin ja tehtiin identifiointikoe säätörakenteen uudelleen järjestelyä varten.

SIMULATION OF AMB SUPPORTED ROTOR DURING DROP ON RETAINER BEARINGS

The active magnetic bearings present a new technology which has many advantages compared to traditional bearing designs. Active magnetic bearings, however, require retainer bearings order to prevent damages in the event of a component, power or a control loop failure. In the dropdown situation, when the rotor drops from the magnetic bearings to the retainer bearings, the design parameters of the retainer bearings have a significant influence on the behaviour of the rotor. In this study, the dynamics of an active magnetic bearings supported electric motor during rotor drop on retainer bearings is studied using a multibody simulation approach. Various design parameters of retainer bearings are studied using a simulation model while results are compared with those found in literature. The retainer bearings are modelled using a detailed ball bearing model, which accounts damping and stiffness properties, oil film and friction between races and rolling elements. The model of the ball bearings includes inertia description of rollingelements. The model of the magnetic bearing system contains unbalances of the rotor and stiffness and damping properties of support. In this study, a computationally efficient contact model between the rotor and the retainer bearings is proposed. In addition, this work introduces information for the design of physicalprototype and its retainer bearings.

Validation Studies of Thermal-hydraulic Code for Safety Analysis of Nuclear Power Plants

This thesis gives an overview of the validation process for thermal hydraulic system codes and it presents in more detail the assessment and validation of the French code CATHARE for VVER calculations. Three assessment cases are presented: loop seal clearing, core reflooding and flow in a horizontal steam generator. The experience gained during these assessment and validation calculations has been used to analyze the behavior of the horizontal steam generator and the natural circulation in the geometry of the Loviisa nuclear power plant. The cases presented are not exhaustive, but they give a good overview of the work performed by the personnel of Lappeenranta University of Technology (LUT). Large part of the work has been performed in co-operation with the CATHARE-team in Grenoble, France. The design of a Russian type pressurized water reactor, VVER, differs from that of a Western-type PWR. Most of thermal-hydraulic system codes are validated only for the Western-type PWRs. Thus, the codes should be assessed and validated also for VVER design in order to establish any weaknesses in the models. This information is needed before codes can be used for the safety analysis. Theresults of the assessment and validation calculations presented here show that the CATHARE code can be used also for the thermal-hydraulic safety studies for VVER type plants. However, some areas have been indicated which need to be reassessed after further experimental data become available. These areas are mostly connected to the horizontal stem generators, like condensation and phase separation in primary side tubes. The work presented in this thesis covers a large numberof the phenomena included in the CSNI code validation matrices for small and intermediate leaks and for transients. Also some of the phenomena included in the matrix for large break LOCAs are covered. The matrices for code validation for VVER applications should be used when future experimental programs are planned for code validation.

Converter-flux-based current control of voltage source PWM rectifiers - analysis and implementation

Pulsewidth-modulated (PWM) rectifier technology is increasingly used in industrial applications like variable-speed motor drives, since it offers several desired features such as sinusoidal input currents, controllable power factor, bidirectional power flow and high quality DC output voltage. To achieve these features,however, an effective control system with fast and accurate current and DC voltage responses is required. From various control strategies proposed to meet these control objectives, in most cases the commonly known principle of the synchronous-frame current vector control along with some space-vector PWM scheme have been applied. Recently, however, new control approaches analogous to the well-established direct torque control (DTC) method for electrical machines have also emerged to implement a high-performance PWM rectifier. In this thesis the concepts of classical synchronous-frame current control and DTC-based PWM rectifier control are combined and a new converter-flux-based current control (CFCC) scheme is introduced. To achieve sufficient dynamic performance and to ensure a stable operation, the proposed control system is thoroughly analysed and simple rules for the controller design are suggested. Special attention is paid to the estimationof the converter flux, which is the key element of converter-flux-based control. Discrete-time implementation is also discussed. Line-voltage-sensorless reactive reactive power control methods for the L- and LCL-type line filters are presented. For the L-filter an open-loop control law for the d-axis current referenceis proposed. In the case of the LCL-filter the combined open-loop control and feedback control is proposed. The influence of the erroneous filter parameter estimates on the accuracy of the developed control schemes is also discussed. A newzero vector selection rule for suppressing the zero-sequence current in parallel-connected PWM rectifiers is proposed. With this method a truly standalone and independent control of the converter units is allowed and traditional transformer isolation and synchronised-control-based solutions are avoided. The implementation requires only one additional current sensor. The proposed schemes are evaluated by the simulations and laboratory experiments. A satisfactory performance and good agreement between the theory and practice are demonstrated.

Ramp-up Predictability - Designing and Prototyping Ramp-up Predictability concept for new product creation

Diplomityön tavoitteena on tutkia ja kehittää menetelmä tuotekehitysprojektin ajalliselle ennustamiselle tuotteen siirtyessä tuotekehityksestä massatuotantoon. Ajallisen ennustamisen merkitys korostuu mitä lähemmäksi uuden tuotteen massatuotannon aloittaminen (ramp-up) tulee, koska strategiset päätökset koskien mm. uusia tuotantolinjoja, materiaalien- ja komponenttien tilaamisia sekä vahvistus asiakastoimitusten aloittamista täytyy tehdä jo paljon aikaisemmin.Työ aloitetaan tutkimalla rinnakkaista insinöörityötä (concurrent engineering) sekä suoritusten mittaamista (performance measurement), joiden sisältämistä ajattelumalleista, työkaluista ja tekniikoista hahmottuivat ajallisen ennustettavuuden onnistumisen edellytykset. Näitä olivat suunnitellun tuotteen ja tuotekehitysprosessin laatu sekä resurssien ja tiimien kompetenssit. Toisaalta ajalliseen ennustettavuuteen vaikuttavat myös projektien riippuvuudet ulkoisista toimittajista ja heidän aikatauluistaan.Teoreettisena viitekehyksenä käytetään Bradford L. Goldense:n luomaa mallia tuotekehityksen proaktiiviseksi mittaamiseksi sekä sovelletaan W. Edward Deming:in jatkuvan parantamisen silmukkaa. Työssä kehitetään Ramp-up Predictability konsepti, joka koostuu keskipitkän ja pitkän aikavälin ennustamisesta. Työhön ei kuulunut mallin käyttöönotto ja seuranta.Toimenpide ehdotuksena esitetään lisätutkimusta mittareiden keskinäisestä korrelaatioista ja niiden luotettavuudesta sekä mallien tarjoamista mahdollisuuksista muille tulosyksiköille.

Market Study of Electric Drive Motion Control Business

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia älykkäiden paikoituskäyttöjen markkinoita ja liiketoimintamalleja. Työn pääongelmina oli määritellä alalla käytössä olevaa terminologiaa, määrittää markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaaville kolmivaihetaajuusmuuttajille, tutkia viiden alalla toimivan paikoituskäyttötoimittajan liiketoimintarakenteita ja tuotteita teknisestä näkökulmasta sekä esitellä kaksi teollisuuden käyttökohdetta paikoituskäytölle. Työn sisältö voidaan jakaa neljään eri osioon. Terminologian määrittely- ja markkinatutkimusosiot perustuvat pääasiassa kirjallisuustutkimukseen. Paikoituskäyttöjen toimittajia sekä niiden tuotteita käsittelevä osuus perustuu kirjallisuustutkimukseen sekä teknisiin esitteisiin ja manuaaleihin. Paikoituskäyttöjen sovellusesimerkit on selvitetty haastatteluin. Työ painottuu paikoituskäyttötoimittajien tuotteiden, tuoteominaisuuksien ja tuotetarjonnan tarkasteluun. Työn tuloksena on määritelty paikoituskäyttöjen liiketoiminnan tärkeimmät termit, paikoituskäyttöjen markkinoiden koko sekä markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaavalle kolmivaihetaajuusmuuttajalle. Alalla toimivien paikoituskäyttötoimittajien liiketoimintarakenne on selvitetty, jonka mukaan toimittajat on profiloitu komponentti-, komponenttipaketti-, toimialakeskeisiksi tai automaatiotoimittajiksi. Toimittajien paikoituskäyttötuotteet on luokiteltu viiteen eri luokkaan niiden teknisten ominaisuuksien perusteella. Lisäksi paikoituskäyttöjen suorituskyvyt on selvitetty säätimien momentti-, nopeus-, ja paikoituslaskenta-aikatasojen sekä kenttäväyläliityntöjen suhteen. Työssä kuvatut vanerinsorvausprosessi sekä FMS -materiaalinkäsittelyprosessi esittävät paikoituskäyttöjen potentiaalisia sovelluskohteita.