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.

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.

AMB system for high-speed motors using automatic commissioning

The general trend towards increasing e ciency and energy density drives the industry to high-speed technologies. Active Magnetic Bearings (AMBs) are one of the technologies that allow contactless support of a rotating body. Theoretically, there are no limitations on the rotational speed. The absence of friction, low maintenance cost, micrometer precision, and programmable sti ness have made AMBs a viable choice for highdemanding applications. Along with the advances in power electronics, such as signi cantly improved reliability and cost, AMB systems have gained a wide adoption in the industry. The AMB system is a complex, open-loop unstable system with multiple inputs and outputs. For normal operation, such a system requires a feedback control. To meet the high demands for performance and robustness, model-based control techniques should be applied. These techniques require an accurate plant model description and uncertainty estimations. The advanced control methods require more e ort at the commissioning stage. In this work, a methodology is developed for an automatic commissioning of a subcritical, rigid gas blower machine. The commissioning process includes open-loop tuning of separate parts such as sensors and actuators. The next step is to apply a system identi cation procedure to obtain a model for the controller synthesis. Finally, a robust model-based controller is synthesized and experimentally evaluated in the full operating range of the system. The commissioning procedure is developed by applying only the system components available and a priori knowledge without any additional hardware. Thus, the work provides an intelligent system with a self-diagnostics feature and an automatic commissioning.

Power line communication in motor cables of variable-speed electric drives − analysis and

Data transmission between an electric motor and a frequency converter is required in variablespeed electric drives because of sensors installed at the motor. Sensor information can be used for various useful applications to improve the system reliability and its properties. Traditionally, the communication medium is implemented by an additional cabling. However, the costs of the traditional method may be an obstacle to the wider application of data transmission between a motor and a frequency converter. In any case, a power cable is always installed between a motor and a frequency converter for power supply, and hence it may be applied as a communication medium for sensor level data. This thesis considers power line communication (PLC) in inverter-fed motor power cables. The motor cable is studied as a communication channel in the frequency band of 100 kHz−30 MHz. The communication channel and noise characteristics are described. All the individual components included in a variable-speed electric drive are presented in detail. A channel model is developed, and it is verified by measurements. A theoretical channel information capacity analysis is carried out to estimate the opportunities of a communication medium. Suitable communication and forward error correction (FEC) methods are suggested. A general method to implement a broadband and Ethernet-based communication medium between a motor and a frequency converter is proposed. A coupling interface is also developed that allows to install the communication device safely to a three-phase inverter-fed motor power cable. Practical tests are carried out, and the results are analyzed. Possible applications for the proposed method are presented. A speed feedback motor control application is verified in detail by simulations and laboratory tests because of restrictions for the delay in the feedback loop caused by PLC. Other possible applications are discussed at a more general level.

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.

Electric-drive-based control and electric energy regeneration in a hydraulic system

Over the recent years, development in mobile working machines has concentrated on reducing emissions owing to the tightening rules and needs to improve energy utilization and reduce power losses. This study focuses on energy utilization and regeneration in an electro-hydraulic forklift, which is a lifting equipment application. The study starts from the modelling and simulation of a hydraulic forklift. The energy regeneration from the potential energy of the load was studied. Also a flow-based electric motor speed control was suggested in this thesis instead of the throttle control method or the variable displacement pump control. Topics related to further development in the future are discussed. Finally, a summary and conclusions are presented.

Servo drive in hoist application

The objective of this master thesis is to test according to hoisting requirements, a servo drive system and compare its performance with the performance of a drive equipped with a vector controlled frequency converter. Both systems utilize closed-loop vector control based on PCL program control. In order to compare the results of tests both systems were connected to the same motor driving a variable speed electrical chain hoist. Tests were based on requirements to both systems. As requirements of tests zero speed operation, operation in field weakening, positioning accuracy and smoothness of motion are taken into consideration. Both systems demonstrate quite similar performance and meet the requirements. Servo drive system demonstrates a high positioning accuracy and dynamic performance. Frequency converter is not able to provide the same positioning accuracy and dynamic performance as servo drive.

Hydraulisen puomin avoimen piirin koordinaattiohjaus paine-ero-tilavuusvirta-approksimaation avulla

Diplomityön tavoitteena oli kehittää mahdollisimman hyvä koordinaattiohjaus. Sen tuli olla jälkiasennettavissa perinteisen ohjauksen rinnalle työkoneisiin, joissa on käytetty sähköohjattuja proportionaaliventtiileitä. Työssä keskityttiin tutkimaan suuntaventtiilin yli vallitsevasta paine-erosta saatavan tilavuusvirtatiedon hyödyntämistä ohjauksessa. Työn ensimmäisessä vaiheessa koordinaattiohjaus toteutettiin käyttäen 0-peittoisilla karoilla ja karan asematakaisinkytkennällä varustettuja suuntaventtiileitä. Hydrauliseen kuristukseen perustuen saatiin paine-erosta käyttökelpoista tilavuusvirtasignaalia ja koordinaattiohjauksen liikeradan seurannassa oli parhaimmillaan vain 3 cm:n virhe koenosturin työliikkeen pituudella. Toisessa vaiheessa käytettiin työkoneissa yleisesti esiintyvää positiivisin karapeitoin varustettua mobiiliventtiilistöä, jossa oli karakohtaiset painekompensaattorit. Painekompensaattoreiden takia ei paine-eron mittaaminen puhtaasti suuntaventtiilin karan yli ollut mahdollista, jonka takia tyydyttiin koordinaattiohjaus toteuttamaan ilman paineen mittausta luottaen painekompensaattoreiden toimintaan. Käytetyn venttiilistön kavitoinninestotoiminnon huomiointi ohjauksessa jäi ratkaisematta ja se ohitettiin vastusvastaventtiileiden avulla. Koordinaattiohjauksen tarkkuus mobiiliventtiileillä oli vaatimaton ja tulosten toistettavuus heikko. Tulosten perusteella todettiin avoimellakin koordinaattiohjauksella olevan mahdollista saavuttaa lupaava tarkkuus ammattikuljettajiin verrattuna. Mobiiliventtiilistöön liittyvät, työn aikana esiinnousseet epäkohdat olisi ratkaistava ennen käytettyjen menetelmien soveltamista käytännön kohteisiin.

Performance Characteristics of an Axial-Flux Solid-Rotor-Core Induction Motor

The integration of electric motors and industrial appliances such as pumps, fans, and compressors is rapidly increasing. For instance, the integration of an electric motor and a centrifugal pump provides cost savings and improved performance characteristics. Material cost savings are achieved when an electric motor is integrated into the shaft of a centrifugal pump, and the motor utilizes the bearings of the pump. This arrangement leads to a smaller configuration that occupies less floor space. The performance characteristics of a pump drive can be improved by using the variable-speed technology. This enables the full speed control of the drive and the absence of a mechanical gearbox and couplers. When using rotational speeds higher than those that can be directly achieved by the network frequency the structure of the rotor has to be mechanically durable. In this thesis the performance characteristics of an axial-flux solid-rotor-core induction motor are determined. The motor studied is a one-rotor-one-stator axial-flux induction motor, and thus, there is only one air-gap between the rotor and the stator. The motor was designed for higher rotational speeds, and therefore a good mechanical strength of the solid-rotor-core rotor is required to withstand the mechanical stresses. The construction of the rotor and the high rotational speeds together produce a feature, which is not typical of traditional induction motors: the dominating loss component of the motor is the rotor eddy current loss. In the case of a typical industrial induction motor instead the dominating loss component is the stator copper loss. In this thesis, several methods to decrease the rotor eddy current losses in the case of axial-flux induction motors are presented. A prototype motor with 45 kW output power at 6000 min-1 was designed and constructed for ascertaining the results obtained from the numerical FEM calculations. In general, this thesis concentrates on the methods for improving the electromagnetic properties of an axial-flux solid-rotor-core induction motor and examines the methods for decreasing the harmonic eddy currents of the rotor. The target is to improve the efficiency of the motor and to reach the efficiency standard of the present-day industrial induction motors equipped with laminated rotors.

DTC-OHJATUN TAHTIKONEKÄYTÖN PYÖRIMISNOPEUSSÄÄDÖN ANALYYSI INTEGROIDUN SIMULOINTIMALLIN AVULLA

Työssä rakennettiin integroitu simulointimalli sähkökäytölle, jonka mekaniikka koostuu joustava-akselisesta kaksimassa systeemistä. Lisäksi tarkasteltiin kyseiselle sähkökäytölle ominaisia piirteitä ja niiden aiheuttamia ongelmia eri sovelluksissa, sekä tutkittiin teollisuudessa yleisesti esiintyvän pyörimisnopeussäädön, PI-säädön, parametrien vaikutusta kyseisen mekaniikan omaaviin sähkökäyttöihin. Taajuusmuuttajalle kehiteltiin yksinkertaistettu simulointimalli, jolla pystytään pienentämään merkittävästi simuloinnin laskenta-aikaa. Vääntövärähtelyiden kompensointiin tutkittiin optimaalista tilasäätöä, jossa Kalman suotimella estimoidaan systeemin tilojen lisäksi myös kuormamomentti ja jossa nopeussäätö suunnitellaan lineaarisella neliöllisellä menetelmällä (Linear Quadratic).

Hiomon AI-järjestelmän toimivuuden arviointi

Työn tavoitteena oli uudentyyppisen hiontaprosessin ohjausjärjestelmän kehittäminen ja testaaminen UPM-Kymmene Kaukaan hiomossa. Uuden ohjausjärjestelmän perusajatuksena oli pitää yksittäistä hiomakiveä jatkuvasti optimaalisessa toimintapisteessä, ja hiomon kaikilla koneilla pyrittiin samaan kivenalusmassan laatuun. Uutta ohjaustapaa kutsuttiin Optimum operating point -strategiaksi (OOPS). Hiomakiven pitäminen optimaalisessa toimintapisteessä tapahtui pääosin vesiteräyskäsittelyllä, jonka intensiteettiä ohjasi asiantuntijajärjestelmä (AI-järjestelmä). Lisäksi testattiin ohjelmoidun anturan nopeussäädön vaikutusta hiomakoneen resurssien käyttöön. AI-järjestelmä päätteli vesiteräyskäsittelyn tarpeellisuuden CSF-mallin ja hiomakoneen resurssien perusteella. Seurannasta saatujen tulosten perusteella AI-järjestelmän käyttöönotto vesiteräyskäsittelyssä paransi tuotannon ja massan laadun tasaisuutta. Hiomakoneiden resurssien havaittiin pienenevän puunsyöttölinjan mukaisesti. Paksummat pöllit kerääntyvät linjan päähän, jolloin varsinkin hydrauliikkapaineiden tarve lisääntyy linjan päässä olevilla hiomakoneilla. Hiomakoneen resurssit saatiin paremmin käyttöön kuormittamalla konetta ohjelmoidulla anturan nopeussäädöllä (ONS) kuin vakioidulla anturan nopeussäädöllä (VNS). Kuitenkin hydraulipaineresurssien puutteellisuus rajoitti koeajon aikana ONS:n toimintaa. Resursseja ei optimoitu koeajon aikana, koska kiven pinnan haluttiin pysyvän mahdollisimman stabiilina. Kivelle ei suoritettu mekaanista käsittelyä, vaikka kivenpinnan massan kuljetuskapasiteetin havaittiin olevan huono. AI-järjestelmä otettiin ohjaamaan vesiteräyskäsittelyä vasta ONS - VNS -koeajon jälkeen. Mekaanisen rullateräyksen jälkeen massan ominaisuudet muuttuivat, koska kiven pinnan terävät särmät katkoivat kuituja alentaen massan sitoutumiskykyä. Heti rullakäsittelyn jälkeen mitattu CSF saattoi jopa alentua huomattavasti, mutta AI-järjestelmän laskema CSF nousi selvästi indikoiden energian ominaiskulutuksen (EOK) laskua. Muutaman päivän hionnan jälkeen mitattu ja laskettu CSF saavuttivat saman tason.

Taajuusmuuttajat voimalaitosten pumppauksissa, erityisesti syöttöveden pyörimisnopeussäädön vaikutus ruiskutusvesijärjestelmiin

Työn ensimmäisessä osassa tutustutaan pumppauksen teoriaan ja esitellään kuristus- ja pyörimisnopeussäätö. Toisessa osassa perehdytään pyörimisnopeussäädössä käytettävän taajuusmuuttajan rakenteeseen ja sen eri osissa syntyviin häviöihin. Kolmannessa osassa tutkitaan kolmen eri tavoin säädetyn pumppauksen toimintaa Pelloksen voimalaitoksella. Lauhdepumpun kierrosnopeussäätöä verrataan vaihtoehtoiseen kuristussäätöön. Viimeisessä osassa selvitetään mahdollisuutta poistaa pyörimisnopeussäädön turhaksi tekemä syöttövesiventtiili voimalaitosten suunnittelusta. Erityisesti etsitään vaihtoehtoisia menetelmiä ruiskutusveden tuottamiseen. Uusia vaihtoehtoja ruiskutusvedelle esitetään kaksitoista. Ruiskutusvesitekniikoita vertaillaan keskenään ja parasta vaihtoehtoa verrataan nykyiseen menettelyyn.

Kaksiakselisen välijäähdytyksellä, välipoltolla ja rekuperaattorilla varustetun mikrokaasuturbiinin osakuormahyötysuhteen säilyvyyden optimointi

Työssä pyrittiin etsimään differentiaalievoluutioalgoritmilla kaksiakseliselle, välijäähdytyksellä, välipoltolla ja rekuperaattorilla varustetulle mikrokaasuturbiinille sellaiset kompressorien painesuhteet ja rekuperaattorin rekuperaatioaste, että saavutettaisiin mandollisimman hyvä osakuormahyötysuhteen säilyvyys. Osakuormatehon säätömenetelmäksi oli valittu pyörimisnopeussäädön ja turbiinien sisääntulolämpötilan alentamisen yhdistelmä, jossa generaattorilla varustetun akselin pyörimisnopeus sekä molempien turbiinien sisääntulolämpötilat olivat toisistaan riippumatta vapaasti säädettävissä. Työssä löydettiin optimaalinen säätömenetelmien yhdistelmä, jolla saavutetaan parempi osakuormahyötysuhteen säilyvyys, kuin millään käytetyistä menetelmistä yksinään. Lisäksi havaittiin, ettei optimaalinen säätömenetelmä merkittävästi riipu koneikolle valituista suunnittelupisteen parametreista. Osakuormahyötysuhteen säilyvyyden kannalta optimaalinen koneikko ei merkittävästi poikennut suunnittelupisteen hyötysuhteen kannalta optimaalisesta.

Fraktioinnin tehostaminen lajittelussa

Painelajittimet ovat yleisimpiä hiokkeen lajitteluun käytettyjä lajittimia. Painelajittimien suorituskyky on parantunut viimeisten vuosikymmenien aikana niin paljon, että pyörrepuhdistuksesta on pääosin voitu luopua osana hiokkeen lajittelua. Painelajittimen erinomaisuus perustuu siihen, että sillä voidaan erottaa massasta hyvinkin erilaisia epäpuhtauksia. Nykyään vallitsevia painelajittelun trendejä ovat sakeuden nosto, energiankulutuksen vähentäminen sekä eri fraktioiden erottumisen tehostuminen. Kaikilla pyritään vähentämään vedenkäyttöä ja parantamaan massan ominaisuuksia jatkoprosesseja silmälläpitäen. Tässä työssä tarkasteltiin painelajittimen roottorin kierrosnopeuden vaikutusta akseptimassan laatuun. Luodaan malli freeness-pudotukselle lajittimen yli. Sekä tarkastellaan myös automaatioon pohjautuvan säädön käyttöönottoa lajittimen akseptimassan freenesvaihteluiden tasaamiseksi. Toisaalta tehdään myös suppea selvitys lajittimien energiankulutuksista erilaisilla roottorin pyörimisnopeuksilla. Tuotantokäytössä oleviin lajittimiin asennettujen invertterisäätöjen ja koepisteistä saatujen tulosten avulla voidaan todeta, että laskemalla roottorin pyörimisnopeutta voidaan lajittimessa tapahtuvaa freenespudotusta kasvattaa. Samalla saavutetaan hyötyjä myös muissa massan ominaisuuksissa, kuten vetolujuudessa. Automaattisäädön käyttöönotolla saavutetaan huomattavasti pienempi hajonta akseptimassan freeneksessä. Rejektilinjan lajittimissa hajonta lähes puolittui ja päälinjan lajittimissa päästiin noin kolmanneksen parannukseen. Energian kulutuksia tutkittaessa huomataan, että roottorin kierrosnopeutta alentamalla voidaan merkittävästi vähentää lajittimien energian kulutusta. Parhaassa tapauksessa voidaan säästää neljännes lajittelun energiakustannuksissa.

Supersaturation-controlled crystallization

Identification of product requirements and quality, together with the management of production are key issues in chemical engineering. Quality control of crystalline products is part of the quality of many industrially manufactured products like paper, paintings, medicines and fertilizers. In most crystallization cases, quality is described with the size, polymorph, shape and purity of the crystal. The chemical composition, hydrodynamics and driving force, together with the operating temperature are in a key position when the properties of a crystalline product are controlled with the crystallization process. This study concentrates on managing the identified properties of a crystalline product with the control of a driving force. The controlling of the driving force can be based on the change of solubility or the change of concentration. Solubility can be changed with temperature, pressure and an antisolvent. The concentration of crystallizing compound, the solute can be changed with the evaporation of the solvent and with the addition of a reagent. The present study focuses on reagent addition and temperature change as methods of changing the level of the driving force. Three control structures for direct control of supersaturation are built, one for cooling crystallization and two for reactive crystallization. Closed loop feedback control structures are based on the measurement of the solute concentration with attenuated total reflection - Fourier transform infrared spectrometer. The details of the reagent feed are analyzed with experimental studies and with results of computational fluid dynamic simulations of the inert particle pulse in the premixer and inert particle injection to the mixing tank. Nucleation in conditions of controlled reactive crystallization is analyzed with Nielsen’s equation of homogeneous nucleation. The resulting control systems, based on regulation of supersaturation, can be used to produce the desired polymorph of an organic product. The polymorph composition of product crystals is controlled repeatably with the decision of a set value of supersaturation level.