Upgrading of thethird generation of the Remote Diagnostic Systems for ABB Marine Propulsion Systems

Remote diagnostics has become very popular in marine industry. Diagnostic systems are improved all the time and the newest monitoring systems are constantly taken into operation. Most vessels are, however, rigged up by outmoded facilities, which should be updated. In this work the principles of operating of such a remote diagnostic system as the ABB's third generation remote diagnostic system (RDS) and the newest Propulsion Condition Management System (PCMS) are studied. As a result of the thesis the ways of upgrading the old systems of RDS are presented. Specifically, the work focuses on the establishment of the connection between Advant controller AC-110 from the old system and PCMS server, and in other words how to get Modbus data by OPC server.

Electric propulsion system in a modern sports car

In this thesis an electric propulsion system is designed on a device level using Cadence ORCAD. The vehicle belongs to the Helsinki Metropolia University of Applied Sci-ences and it is to compete in the Automotive X-Prize competition held in the USA. In this thesis the electric propulsion system and related electric safety measures are designed. Also electro-magnetic compatibility and interferences present in the system are examined by examining the birth mechanisms and transmission paths of interference. Per device effects of interference and solutions to minimize them were examined and proposed. Suitability of permanent magnet synchronous machines for passenger vehicle use was examined by examining the torque production capability of the motor and the torque requirements of the vehicle. Also a short overview of history of electric vehicles is given.

Propulsion products services laakerikunnonvalvonnan ansaintalogiikan kehittäminen

Tämän työn ensisijaisena tavoitteena on selvittää ABB Oy, Marine & Cranes, Propulsion Products Services tarjoamien laakerikunnonvalvontatuotteiden luonne, tuotteistuksen tila, liiketoimintamalli ja tutkia, kuinka olemassa olevaa ansaintalogiikkaa voidaan kehittää. Teoreettisessa osassa käydään läpi palvelun määritelmää, palveluiden tuotteistamista, akateemisia tuotteistusprosessimalleja sekä liiketoimintamallin käsitettä. Liiketoimintamallin käsittely työssä keskittyy Osterwalderin (2010) liiketoimintamallikehykseen. Teoriaosuuden materiaalia hyödynnetään empiirisessä osuudessa laakerikunnonvalvonnan tuotteiden tuotteistuksen tilan, tuotteistusprosessimallin, liiketoimintamallin ja ansaintalogiikan kehittämiseen. Työn keskeisimpinä tuloksina saatiin kehitysehdotuksia työntilaajalle liittyen laakerikun- nonvalvonnan ansaintalogiikkaan ja palveluiden tuotteistamiseen. Työssä ilmeni, että yrityksen olisi suositeltavaa optimoida tehtävien palveluiden suorittamissatamat. Jo olemassa olevien tuotteiden dokumentointia tulisi täydentää työssä ehdotetun mukaisesti. Omien resurssien laajempaa käyttämistä tulisi lisätä ja laakerikunnonvalvonnan palvelupakettien päivittämistarve sekä valmiiden tuotteiden säännöllinen päivittäminen ja niiden mahdollinen poistaminen valikoimasta tulisi ottaa osaksi käytössä olevaa prosessia.

Laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen ruoripotkurikäytön vuorovaikutusten mallintaminen

Diplomityössä on tutkittu sähköisellä potkurijärjestelmällä varustetun laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen propulsiokäytön vuorovaikutusta laivan hätäpysäytyksen aikana. Työssä on kehitetty simulointimalleja jännitevälipiirillisten sähkökäyttöjen simuloimiseksi Saber -simulontiohjelmistolla.Työn alkuosassa esitetään lyhyt yhteenveto laivan sähköisestä potkurijärjestelmästä komponentteineen, käsitellään laivan hätäpysäytyksen teoriaa sekä simuloinneissa huomioonotettavia laivan ja potkurin hydrodynaamisia ominaisuuksia. Työssä käytettävän simulointiohjelmiston toimintaa selvitetään lyhyesti. Jännitevälipiirillisellä propulsiokäytöllä varustetun laivan hätäpysäytyksen simulointimalli esitellään kokonaisuudessaan ja käsitellään simulointimallin sisältämien osakokonaisuuksien teoriaa ja toimintaa. Kehitetyn simulointimallin toimintaa on tarkasteltu vertaamalla tuloksia vastaavansyklokonvertterikäytöllä varustetun laivan simulointituloksiin sekä vertaamallasimulointituloksia laivan merikoeajon yhteydessä tehtyihin mittauksiin. Simulointitulokset vastasivat teoriaa sekä mittaustuloksia varsin hyvin. Voimalaitoksenosalta ei mittaustuloksia ollut käytettävissä, mutta simulointitulokset ovat teorian mukaisia.

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.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Position sensorless electrically excited synchronous motor drive for industrial use based on direct flux linkage and torque control

Synchronous machines with an AC converter are used mainly in large drives, for example in ship propulsion drives as well as in rolling mill drives in steel industry. These motors are used because of their high efficiency, high overload capacity and good performance in the field weakening area. Present day drives for electrically excited synchronous motors are equipped with position sensors. Most drives for electrically excited synchronous motors will be equipped with position sensors also in future. This kind of drives with good dynamics are mainly used in metal industry. Drives without a position sensor can be used e.g. in ship propulsion and in large pump and blower drives. Nowadays, these drives are equipped with a position sensor, too. The tendency is to avoid a position sensor if possible, since a sensor reduces the reliability of the drive and increases costs (latter is not very significant for large drives). A new control technique for a synchronous motor drive is a combination of the Direct Flux Linkage Control (DFLC) based on a voltage model and a supervising method (e.g. current model). This combination is called Direct Torque Control method (DTC). In the case of the position sensorless drive, the DTC can be implemented by using other supervising methods that keep the stator flux linkage origin centered. In this thesis, a method for the observation of the drift of the real stator flux linkage in the DTC drive is introduced. It is also shown how this method can be used as a supervising method that keeps the stator flux linkage origin centered in the case of the DTC. In the position sensorless case, a synchronous motor can be started up with the DTC control, when a method for the determination of the initial rotor position presented in this thesis is used. The load characteristics of such a drive are not very good at low rotational speeds. Furthermore, continuous operation at a zero speed and at a low rotational speed is not possible, which is partly due to the problems related to the flux linkage estimate. For operation in a low speed area, a stator current control method based on the DFLC modulator (DMCQ is presented. With the DMCC, it is possible to start up and operate a synchronous motor at a zero speed and at low rotational speeds in general. The DMCC is necessary in situations where high torque (e.g. nominal torque) is required at the starting moment, or if the motor runs several seconds at a zero speed or at a low speed range (up to 2 Hz). The behaviour of the described methods is shown with test results. The test results are presented for the direct flux linkage and torque controlled test drive system with a 14.5 kVA, four pole salient pole synchronous motor with a damper winding and electric excitation. The static accuracy of the drive is verified by measuring the torque in a static load operation, and the dynamics of the drive is proven in load transient tests. The performance of the drive concept presented in this work is sufficient e.g. for ship propulsion and for large pump drives. Furthermore, the developed methods are almost independent of the machine parameters.

Salient Pole Synchronous Machine Modelling in an Industrial Direct Torque Controlled Drive Application

Synchronous motors are used mainly in large drives, for example in ship propulsion systems and in steel factories' rolling mills because of their high efficiency, high overload capacity and good performance in the field weakening range. This, however, requires an extremely good torque control system. A fast torque response and a torque accuracy are basic requirements for such a drive. For large power, high dynamic performance drives the commonly known principle of field oriented vector control has been used solely hitherto, but nowadays it is not the only way to implement such a drive. A new control method Direct Torque Control (DTC) has also emerged. The performance of such a high quality torque control as DTC in dynamically demanding industrial applications is mainly based on the accurate estimate of the various flux linkages' space vectors. Nowadays industrial motor control systems are real time applications with restricted calculation capacity. At the same time the control system requires a simple, fast calculable and reasonably accurate motor model. In this work a method to handle these problems in a Direct Torque Controlled (DTC) salient pole synchronous motor drive is proposed. A motor model which combines the induction law based "voltage model" and motor inductance parameters based "current model" is presented. The voltage model operates as a main model and is calculated at a very fast sampling rate (for example 40 kHz). The stator flux linkage calculated via integration from the stator voltages is corrected using the stator flux linkage computed from the current model. The current model acts as a supervisor that prevents only the motor stator flux linkage from drifting erroneous during longer time intervals. At very low speeds the role of the current model is emphasised but, nevertheless, the voltage model always stays the main model. At higher speeds the function of the current model correction is to act as a stabiliser of the control system. The current model contains a set of inductance parameters which must be known. The validation of the current model in steady state is not self evident. It depends on the accuracy of the saturated value of the inductances. Parameter measurement of the motor model where the supply inverter is used as a measurement signal generator is presented. This so called identification run can be performed prior to delivery or during drive commissioning. A derivation method for the inductance models used for the representation of the saturation effects is proposed. The performance of the electrically excited synchronous motor supplied with the DTC inverter is proven with experimental results. It is shown that it is possible to obtain a good static accuracy of the DTC's torque controller for an electrically excited synchronous motor. The dynamic response is fast and a new operation point is achieved without oscillation. The operation is stable throughout the speed range. The modelling of the magnetising inductance saturation is essential and cross saturation has to be considered as well. The effect of cross saturation is very significant. A DTC inverter can be used as a measuring equipment and the parameters needed for the motor model can be defined by the inverter itself. The main advantage is that the parameters defined are measured in similar magnetic operation conditions and no disagreement between the parameters will exist. The inductance models generated are adequate to meet the requirements of dynamically demanding drives.

Design of marine generators for alternative diesel-electric power systems

This study compares different electric propulsion systems. Results of the analysis of all the advantages and disadvantages of the different propulsion systems are given. This thesis estimates possibilities to apply different diesel-electric propulsion concepts for different vessel types. Small and medium size vessel’s power ranges are studied. The optimal delivery system is chosen. This choice is made on the base of detailed study of the concepts, electrical equipment market and comparison of mass, volume and efficiency parameters. In this thesis three marine generators are designed. They are: salient pole synchronous generator and two permanent magnet synchronous generators. Their electrical, dimensional, cost and efficiency parameters are compared. To understand all the benefits diagrams with these parameters are prepared. Possible benefits and money savings are estimated. As the result the advantages, disadvantages and boundary conditions for the permanent magnet synchronous generator application in marine electric-power systems are found out.

Sähkö- ja hybridiautojen voimansiirtojärjestelmien jännitetasot

Kasvihuonekaasu- ja hiilidioksidipäästöt ovat kasvaneet viimeisten vuosikymmenten aikana merkittävästi. Merkittävimpiä päästöjen lähteitä ovat liikenteessä ja energiantuotannossa käytetyt fossiiliset polttoaineet. Kaikista maailman kasvihuonepäästöistä liikenne aiheuttaa noin 13 %, josta yli 80 % on tieliikenteen aiheuttamia päästöjä. Jotta tieliikenteen ai-heuttamia päästöjä saataisiin vähennettyä on tieliikenteeseen kehitettävä yhä vähäpäästöisempiä ja päästöttömiä kulkuvälineitä. Tämä on ollut yksi päätekijä sähkö- ja hybridiautojen kehitykseen. Tässä kandidaatintyössä selvitetään sähkö- ja hybridiautoissa käytettyjä jännitetasoja sekä voimansiirtojärjestelmissä käytettyjä komponentteja. Työ rajoittuu ainoastaan henkilöautoihin, joista tarkastelun kohteena ovat sähkö-, hybridi- ja muunnossähköautot. Työssä tarkastellaan myös sähkö- ja hybridiautojen tulevaisuuden näkymiä turvallisuuden ja standardoinnin kannalta. Työssä esitettyjen tietojen perusteella saadaan selkeä näkemys siitä, miten käytetyt jännitetasot ja komponentit vaihtelevat eri autovalmistajien kesken. Korkeammat jännitetasot ovat energiatehokkuuden kannalta parempia, mutta aiheuttavat vaatimuksia käyttöturvallisuuteen liittyvissä kysymyksissä.

Merivoimien apualuksen propulsiojärjestelmä ja sen kehitysmahdollisuudet

Suomen merivoimien aluskalustoon kuuluu taistelualuksia ja apualuksia. Apualukset ovat välttämättömiä huollon ja kuljetusten välineitä, minkä vuoksi niiltä edellytetään ympärivuotista, luotettavaa ja taloudellista suorituskykyä. Apualusten suorituskykyyn vaikuttaa olennaisesti niiden propulsiojärjestelmä. Apualuksen propulsiojärjestelmälle merivoimat eivät ole asettaneet erityisvaatimuksia. Järjestelmävalinnat ja tehojen kartoittaminen on tehty aluskohtaisesti uutta alusta suunniteltaessa. Nykyisten apualusten propulsiojärjestelmissä epäillään olevan puutteita tehon ja järjestelmävalintojen osalta. Tämä tutkielma selvittää apualuksen propulsiolle asetettavat vaatimukset ja esittelee järjestelmän mitoitukseen käytettävät laskukaavat. Tutkielma ottaa myös kantaa apualuksen propulsiojärjestelmän valintaan sekä järjestelmän ominaisuuksiin. Esimerkkeinä on käytetty Valas ja Pansio luokan aluksia, joiden järjestelmiin esitetään kehitysehdotuksia. Tutkielma rakentuu apualusten ja propulsion perusteille. Apualusten perusteissa etsitään propulsorin valintaan vaikuttavia seikkoja. Propulsiota tarkastellaan laitevalintojen ja mitoituksen kannalta. Nämä perusteet yhdistämällä saadaan vaatimukset apualuksen propulsorille, jonka osien valintaa ja mitoitusta tarkastellaan tutkimuksen loppupuolella. Tutkielman pääongelma on: Millainen on ihanteellinen propulsiojärjestelmä nykypäivän apualukselle? Tutkielma pyrkii hahmottamaan lukijalle, mitä asioita tulee ottaa huomioon suunniteltaessa apualuksen propulsiota. Tutkielman aineistona ovat olleet propulsiota ja hydrodynamiikkaa käsittelevät teokset, propulsiojärjestelmän osia koskevat teokset sekä merivoimien aiheeseen liittyvät oppaat ja ohjeet. Tutkielmassa on käytetty kolmea tutkimusmenetelmää: kirjallisuusselvitystä, matemaattista analyysia sekä vertailua. Tutkimusstrategiana on tapaustutkimus. Tutkielman teorian ja laskennan tukemana merivoimien apualukselle soveltuu parhaiten perinteinen potkuripropulsiojärjestelmä keskinopealla dieselmoottorilla sekä kiinteälapaisella potkurilla. Järjestelmä on edullinen, luotettava ja taloudellinen. Apulaitteeksi alukselle tulee asentaa keulapotkuri, jonka käyttöjärjestelmistä parhaaksi on todettu dieselsähköinen järjestelmä. Propulsiojärjestelmien tehot ovat nykyisissä aluksissa liian alhaisia. Heräte ja meluominaisuuksiltaan nykyiset apualukset ovat sopivia tehtäviinsä, mutta alusten äänieristystä voitaisiin kehittää entisestään.

Modeling and Parameter Estimation of Double-Star Permanent Magnet Synchronous Machines

The power rating of wind turbines is constantly increasing; however, keeping the voltage rating at the low-voltage level results in high kilo-ampere currents. An alternative for increasing the power levels without raising the voltage level is provided by multiphase machines. Multiphase machines are used for instance in ship propulsion systems, aerospace applications, electric vehicles, and in other high-power applications including wind energy conversion systems. A machine model in an appropriate reference frame is required in order to design an efficient control for the electric drive. Modeling of multiphase machines poses a challenge because of the mutual couplings between the phases. Mutual couplings degrade the drive performance unless they are properly considered. In certain multiphase machines there is also a problem of high current harmonics, which are easily generated because of the small current path impedance of the harmonic components. However, multiphase machines provide special characteristics compared with the three-phase counterparts: Multiphase machines have a better fault tolerance, and are thus more robust. In addition, the controlled power can be divided among more inverter legs by increasing the number of phases. Moreover, the torque pulsation can be decreased and the harmonic frequency of the torque ripple increased by an appropriate multiphase configuration. By increasing the number of phases it is also possible to obtain more torque per RMS ampere for the same volume, and thus, increase the power density. In this doctoral thesis, a decoupled d–q model of double-star permanent-magnet (PM) synchronous machines is derived based on the inductance matrix diagonalization. The double-star machine is a special type of multiphase machines. Its armature consists of two three-phase winding sets, which are commonly displaced by 30 electrical degrees. In this study, the displacement angle between the sets is considered a parameter. The diagonalization of the inductance matrix results in a simplified model structure, in which the mutual couplings between the reference frames are eliminated. Moreover, the current harmonics are mapped into a reference frame, in which they can be easily controlled. The work also presents methods to determine the machine inductances by a finite-element analysis and by voltage-source inverters on-site. The derived model is validated by experimental results obtained with an example double-star interior PM (IPM) synchronous machine having the sets displaced by 30 electrical degrees. The derived transformation, and consequently, the decoupled d–q machine model, are shown to model the behavior of an actual machine with an acceptable accuracy. Thus, the proposed model is suitable to be used for the model-based control design of electric drives consisting of double-star IPM synchronous machines.

Kestomagneettitahtikoneen vääntömomentin tuottokyvyn optimointi hybridibussikäyttöön

Työssä tarkastellaan hybridi- ja sähköajoneuvojen voimankäyttöjärjestelmiä ja bussin ajomoottorina toimivan kestomagneettitahtikoneen toimintaa ja sen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön. Esitetään analyyttinen työkalu kestomagneettitahtikoneen induktanssisuunnittelun ja koneen vääntömomentin tuottokyvyn optimoinnin tueksi. Työkalua hyödynnetään esitettävässä ajomoottorin mitoituslaskelmassa. Työssä päätellään, että kestomagneettitahtimoottori soveltuu hyvin ajoneuvokäyttöön. Maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi sen roottorin rakenne ja induktanssit on optimoitava. Analysoimalla ajoneuvokäyttöön tarkoitettua kestomagneettitahtimoottoria työkalun avulla havaitaan, että yhtä suuremmalla induktanssisuhteella vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä kuin ajettaessa konetta taajuusmuuttajalla vakioteholla nimelliskuormalla. Vastaavasti yhtä pienemmillä induktanssisuhteilla vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä. Todetaan, että vääntömomentti kasvaa induktanssisuhteen poiketessa yhdestä. Suuri vääntömomentti saadaan pienillä induktanssisuhteilla. Induktanssisuhteen kasvattaminen yhdestä ei lisää moottorin tuottamaa vääntömomenttia yhtä paljon kuin induktanssisuhteen pienentäminen. Työn lopuksi verrataan työkalun laskemia tuloksia kirjallisuudesta löytyvillä yhtälöillä laskettuihin tuloksiin. Työkalun laskemat tulokset vaikuttavat ristiriidattomilta ja yhteneväisiltä teorian kanssa. Työkalun toteutuksessa tehdyt teoreettiset yksinkertaistukset aiheuttavat todennäköisesti epätarkkuutta tuloksissa erityisesti suurella kuormituksella.

Esikiristetyn pulttiliitoksen vaikutus hitsausmuodonmuutoksiin

Tässä työssä tutkitaan propulsioyksikön kiinnitysrenkaan pulttiliitosten vaikutusta asen-nushitsauksesta aiheutuviin hitsausmuodonmuutoksiin. Hitsausmuodonmuutoksissa tutki-taan tärkeimpinä kohtina asennuslohkossa laakerin rajapintaa sekä kääntömoottorin kiinni-tyspintaa. Tutkimuksessa asennuslohkon hitsaaminen ja muodonmuutosten arvioiminen toteutettiin käyttämällä epälineaarista elementtimenetelmää. Ensisijaisena tavoitteena työssä on tutkia esikiristettyjen pulttiliitoksien vaikutusta raken-teen muodonmuutoksiin ja pohtia aiheutuvien siirtymien perusteella pulttien tarpeellisuutta rakenteessa. Tämän lisäksi vertaillaan pultillisen ja pultittoman kiinnitystavan eroavaisuuk-sia tuloksia analysoimalla. Saatujen tuloksien perusteella radiaaliset ja aksiaaliset siirtymät eivät olleet riittävän suuria aiheuttamaan haittoja rakenteen toimivuudelle kummassakaan mallissa. Lisäanalyysejä tar-kemmalla lämmöntuonnilla voidaan pitää tarvittavana pulttiliitoksien tarpeellisuuden tar-kemman testaamisen vuoksi.

Logistiikkakeskuksen uuden sijainnin vaikutukset logistisiin prosesseihin

Diplomityössä tarkoituksena oli tutkia miten potkurilaitteita valmistavan yrityksen logistiikkakeskuksen siirtyminen kokoonpanotehtaan viereen vaikuttaisi yrityksen logistisiin prosesseihin. Tutkimuskohteena olevan yrityksen logistiikkakeskus muodostuu keskusvarastosta ja pakkaamosta. Nykytilanteen selvityksen pohjalta kartoitettiin logistiikkakeskuksen ja kokoonpanotehtaan väliset nykytilan logistiset prosessit, niissä esiintyvät ongelmat sekä vaiheiden vaatimat resurssit. Käsiteltävät prosessit koostuvat pääasiassa tulo- ja lähtölogistiikan toiminnoista sekä sisäisistä materiaalisiirroista. Tutkimuksen perusteella logistiikkakeskuksen uudella sijainnilla kohdeyrityksen on mahdollista tehostaa monia logistisia toimintojaan ja näin parantaa logistista kilpailukykyään. Lisäksi monia nykytoiminnoissa esiintyviä ongelmia ja niiden aiheuttamia lieveilmiötä on mahdollista poistaa sijainnin muutoksen myötä.