Study of Control Methods of a High-Frequency Cycloconverter for Domestic Induction Heating Appliances

A high-frequency cyclonverter acts as a direct ac-to-ac power converter circuit that does not require a diode bidge rectifier. Bridgeless topology makes it possible to remove forward voltage drop losses that are present in a diode bridge. In addition, the on-state losses can be reduced to 1.5 times the on-state resistance of switches in half-bridge operation of the cycloconverter. A high-frequency cycloconverter is reviewed and the charging effect of the dc-capacitors in ``back-to-back'' or synchronous mode operation operation is analyzed. In addition, a control method is introduced for regulating dc-voltage of the ac-side capacitors in synchronous operation mode. The controller regulates the dc-capacitors and prevents switches from reaching overvoltage level. This can be accomplished by variating phase-shift between the upper and the lower gate signals. By adding phase-shift between the gate signal pairs, the charge stored in the energy storage capacitors can be discharged through the resonant load and substantially, the output resonant current amplitude can be improved. The above goals are analyzed and illustrated with simulation. Theory is supported with practical measurements where the proposed control method is implemented in an FPGA device and tested with a high-frequency cycloconverter using super-junction power MOSFETs as switching devices.

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.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Electric Motor and Frequency Converter Markets in Latin America and Especially in the Mining Industry of Chile

Latinalaisen Amerikan osuus maailmantaloudesta on pieni verrattuna sen maantieteelliseen kokoon, väkilukuun ja luonnonvaroihin. Aluetta pidetään kuitenkin yhtenä tulevaisuuden merkittävistä kasvumarkkinoista. Useissa Latinalaisen Amerikan maissa on teollisuutta, joka hyödyntää luonnonvaroja ja tuottaa raaka-aineita sekä kotimaan että ulkomaiden markkinoille. Tällaisia tyypillisiä teollisuudenaloja Latinalaisessa Amerikassa ovat kaivos- ja metsäteollisuus sekä öljyn ja maakaasun tuotanto. Näiden teollisuudenalojen tuotantolaitteiden ja koneiden valmistusta ei Latinalaisessa Amerikassa juurikaan ole. Ne tuodaan yleensä Pohjois-Amerikasta ja Euroopasta. Tässä diplomityössä tutkitaan sähkömoottorien ja taajuusmuuttajien markkinapotentiaalia Latinalaisessa Amerikassa. Tutkimuksessa perehdytään Latinalaisen Amerikan maiden kansantalouksien tilaan sekä arvioidaan sähkömoottorien ja taajuusmuuttajien markkinoiden kokoa tullitilastojen avulla. Chilen kaivosteollisuudessa arvioidaan olevan erityistä potentiaalia. Diplomityössä selvitetään ostoprosessin kulkua Chilen kaivosteollisuudessa ja eri asiakastyyppien roolia siinä sekä tärkeimpiä päätöskriteerejä toimittaja- ja teknologiavalinnoissa.

Effects of modern variable frequency drive on the reliability of an old crane induction motor

The work aims to analyze the possibilities of utilizing old crane driving AC induction motors in modern pulse-width-modulated variable frequency drives. Bearing currents and voltage stresses are the two main problems associated with modern IGBT inverters, and they may cause premature failure of an old induction motor. The origins of these two problems are studied. An analysis of the mechanism of bearing failure is proposed. Certain types of bearing currents are considered in detail. The most effective and economical means are chosen for bearing currents mitigation. Transient phenomena of cables and mechanism of over voltages occurring at motor terminals are studied in the work. The weakest places of the stator winding insulation system are shown and recommendations are given considering the mitigation of voltage stresses. Only the most appropriate and cost effective preventative methods are chosen for old motor drives. Rewinding of old motors is also considered.

Market Opportunities for Paper Industry in Radio Frequency Identification

The paper industry has been experiencing remarkable structural changes since paper demand growth has ceased and some markets are declining. One reason behind the declined demand is the Internet, which has partially substituted the newspaper as a source of information. Paper products alone can no longer provide livelihood, and the paper industry has to find new business areas. In this research, we studied radio frequency identification (RFID), and the market opportunities it could provide for paper industry. The research combined a quantitative industry analysis and qualitative interviews. RFID is a growing industry in the beginning of its life cycle, in which value chains and technologies still evolve significantly. The industry is going to concentrate on the future, and in the long term RFID-identifiers will probably be printed on paper substrate or directly onto products. Paper industry has the chance to enter the RFID industry, but it has to obtain the required competences, for example through acquisitions. The business potential RFID offers to paper industry is inadequate, and while reviewing new strategic options, the paper industry must consider more options, for example the entire printed intelligence.

Tehokerrointa korjaava skalaariohjaus puoliohjatussa ja kuusikytkintasasuuntaajassa

Verkon harmonisvirtoja rajoittavien standardien tiukentuessa joudutaan etenkin suuritehoisissa tehoelektronisissa laitteissa siirtymään aktiivisiin transistoriohjattuihin tasasuuntaajiin, jotka korjaavat tehokerrointa ja siten pienentävät verkkoon kytkeytyviä häiriövirtoja. Tässä diplomityössä esitellään yleisimpien kolmivaiheisten tasasuuntaajatopologioiden eroja ja vertaillaan puoliohjatun kolmikytkintopologian ja kuusikytkintopologian suorituskykyä tehokertoimen ja harmonissärön osalta, 16 kilowatin teholuokan taajuusmuuttajassa. Tasasuuntaajille tehtiin skalaariohjaukseen perustuva simulointimalli. Työn tavoitteena esitellään simulointitulokset harmonistason sekä tehokertoimen osalta. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisen yliopiston sovelletun elektroniikan laboratorion ja Vacon Oyj:n yhteiseen hankkeeseen.

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.

Nuorisorikollisuuden esiintyvyys, taustatekijät ja sovittelu

Tausta Vaikka nuorisorikollisuus on kriminologisen tutkimuksen perinteinen kohde, on edelleen tarvetta pitkittäistutkimuksille, joissa on laaja, koko väestöä edustava otos. Kriminaalipolitiikan alalla puolestaan rikosten sovittelu ja muut restoratiivisen oikeuden muodot ovat nousseet Suomessakin haastamaan perinteiset rikoskontrollin paradigmat, rangaistuksen ja hoidon. Tutkimuskysymykset Tutkimuksen pääkysymyksenä oli, mitkä lapsuudessa (8 v.) ja nuoruudessa (18 v.) mitatut psykososiaaliset tekijät ovat yhteydessä nuorisorikollisuuden (16-20 v.) määrään ja lajiin. Lisäksi yhtenä kysymyksenä oli, miten varusmiespalvelun aikaiset psykiatriset diagnoosit liittyvät nuorisorikollisuuteen. Lisäksi tutkimme nuorisorikollisuuden esiintyvyyttä ja palvelujen käyttöä, ja vertailimme eri informanttien (tutkimushenkilöt itse, vanhemmat ja opettajat) vastausten ennusvoimaa lasten tulevan rikollisuuden suhteen. Rikosten sovittelun osalta kysymyksenä oli, miten suomalainen sovittelukäytäntö vastaa restoratiivisen oikeuden teoriaa ja miten sovittelua pitäisi kehittää. Aineisto ja metodit Pitkittäistutkimuksemme aineistona oli valtakunnallisesti edustava satunnaisotos, joka vastasi 10% vuonna 1981 Suomessa syntyneistä suomenkielisistä pojista. Ensimmäinen tiedonkeruu tapahtui 1989, kun pojat olivat 8-vuotiaita. Tietoa kerättiin lomakekyselyin pojilta itseltään sekä heidän vanhemmiltaan ja opettajiltaan. Tietoja saatiin 2946 pojasta. Lasten lomakkeena oli Children’s Depression Inventory, vanhemman lomakkeena Rutter A2 ja opettajan lomakkeena Rutter B2. Toinen tiedonkeruu järjestettiin, kun pojat osallistuivat kutsuntoihin 1999. Tietoja saatiin 2330 pojasta. Lomakkeena oli Young Adult Self-Report . Puolustusvoimien rekisteristä saatiin tiedot poikien kutsunnoissa ja palvelusaikana (vuosina 1999-04) saamista psykiatrisista diagnooseista, jotka luokiteltiin kuuteen luokkaan: antisosiaalinen persoonallisuushäiriö, päihdehäiriöt, psykoottiset häiriöt, ahdistuneisuushäiriöt, masennustilat ja sopeutumishäiriöt. Tieto mahdollisesta diagnoosista saatiin 2712 pojasta. Rikollisuus operationalisoitiin poliisin ns. RIKI-rekisteriin vuosina 1998-2001 rekisteröityjen tekojen avulla, kun pojat olivat pääasiassa 16-20-vuotiaita. Rikosten määrän mukaan pojat jaettiin neljään ryhmään: ei rikoksia, 1-2 rikosta (satunnainen rikollisuus), 3-5 rikosta (uusintarikollisuus) ja yli 5 rikosta (aktiivinen uusintarikollisuus). Rikoslajeista muodostettiin viisi kategoriaa: huume-, väkivalta-, omaisuus-, liikenne- ja rattijuopumusrikollisuus. Analyysivaiheessa rekisteridatasta poistettiin liikennerikkomukset. Kaikkiaan tiedot mahdollisista poliisikontakteista saatiin 2866 pojasta. Sovitteludata koostui 16 sovittelujutun havainnoinnista Turussa vuosina 2001- 2003. Tulokset Kaikkiaan 23% pojista oli rekisteröity rikoksesta (poissulkien liikennerikkomukset) nelivuotisen tutkimusperiodin aikana 16-20-vuotiaana. Satunnaisia rikoksentekijöitä oli 15%, uusijoita 4% ja moninkertaisia uusijoita 4%. Rikokset kasautuivat moninkertaisille uusijoille: tämä 4%:n ryhmä teki 72% kaikista rikoksista . Omaisuus- ja liikennerikollisia oli eniten (kumpiakin 11%), ja huumerikollisia vähiten (4%). Kaikki rikoslajit korreloivat keskenään tilastollisesti merkitsevästi. Nuorisorikollisuuden itsenäisiä ennustekijöitä lapsuudessa olivat rikkinäinen perherakenne, vanhempien alhainen koulutustaso, lapsen käytösongelmat ja hyperaktiivisuus. Kun verrattiin eri informantteja (lapset itse ja heidän vanhempansa ja opettajansa), etenkin opettajien vastaukset ennustivat lasten tulevaa rikollisuutta. Nuoruudessa rikollisuuden itsenäisiä korrelaatteja olivat pienellä paikkakunnalla asuminen, vanhempien ero, seurustelu, itse ilmoitettu antisosiaalisuus ja säännöllinen tupakointi ja humalajuominen. Ennus- ja taustatekijöille oli tyypillistä se, että ne olivat lineaarisessa yhteydessä rikosten määrään (ongelmat ja rikosten määrä lisääntyivät käsi kädessä) ja että ne liittyivät useaan rikoslajiin yhtä aikaa. Huumerikollisuudella oli kuitenkin vähemmän itsenäisiä ennus- ja taustatekijöitä kuin muilla rikoslajeilla. Joka kymmenes poika kärsi psykiatrisista häiriöistä. Tämä ryhmä teki noin puolet kaikista rikoksista, ja lähes joka toinen poika, jolla oli psykiatrinen häiriö, oli rekisteröity rikoksista. Rikolliseen käytökseen liittyivät etenkin antisosiaalinen persoonallisuushäiriö ja päihdehäiriöt. Masennustilat olivat kuitenkin ainoa diagnoosiryhmä, joka ei ollut yhteydessä rikollisuuteen. Myös psykiatristen häiriöiden esiintyvyys kasvoi lineaarisesti rikosten määrän kanssa; aktiivisista uusintarikollisista yli puolella (59%) oli psykiatrinen diagnoosi. Rikollisuuden lisäksi erilaiset psykososiaaliset ongelmat kasautuivat pienelle vähemmistölle. Aktiivisten uusijoiden ryhmään olivat tilastollisesti merkitsevästi yhteydessä lähes kaikki ongelmat mitä tutkimme. Kuitenkin tästä ryhmästä vain alle 3% oli käyttänyt mielenterveyspalveluja viimeisen vuoden aikana. Rikossovittelun havainnointitutkimuksen perusteella sovittelussa monet perusasiat ovat kunnossa, ja toiminta on mielekästä niin asianosaisten kuin yhteiskunnankin kannalta. Useimmiten osapuolet kohtasivat ja saivat aikaan sopimuksen, johon he vaikuttivat tyytyväisiltä. Rikoksentekijät olivat motivoituneita korvaamaan aiheuttamansa vahingot. Osapuolet saivat kertoa tarinansa omin sanoin, heitä kuunneltiin ja he ymmärsivät mitä sovittelussa puhutaan ja sovitaan. Sovittelun kuluessa jännitys väheni ja asiat saatiin loppuunkäsiteltyä. Asianosaiset saivat vaikuttaa prosessiin ja sopimukseen, ja uhrin oikeudet olivat sovittelussa keskeisellä sijalla. Restoratiivisen teorian perusteella sovittelussa havaittiin myös kehittämisen varaa: Etenkin nuoria rikoksentekijöitä oli hankala saada osallistumaan tosissaan, ja aikuiset helposti hallitsivat keskustelua. Etukäteistapaamisia ja tukihenkilöitä ei juuri hyödynnetty. Sovitteluja hallitsi puhe sopimuksesta ja rahasta. Työkorvauksia ei käytetty eikä rehabilitaatiota käsitelty. Sekä sovitteluun pääsy että sovittelumenettely riippuivat yksittäisistä henkilöistä. Johtopäätökset Rikosten tekeminen nuoruudessa on melko yleistä ja monimuotoista. Rikokset ja psykososiaaliset ongelmat kasautuvat pienelle ryhmälle ja kulkevat käsi kädessä. Myös psykiatriset häiriöt ovat lineaarisessa yhteydessä rikosten määrään. Rikosriskiä voidaan ennustaa jo lapsuudessa, ja etenkin opettajat ovat tarkkanäköisiä lasten ongelmien suhteen. Eri rikoslajeilla on varsin samanlaisia taustatekijöitä. Aktiiviset rikoksentekijät vastaavat suuresta osasta kokonaisrikollisuutta, tarvitsevat eniten apua, mutta eivät kuitenkaan hakeudu psykososiaalisten palvelujen piiriin. Rikosten sovittelu tarjoaa keinon puuttua ongelmiin varhaisessa vaiheessa ilman leimaamista. Sovittelun kehitystehtävät liittyvät etenkin dialogiin, valmisteluihin, tukihenkilöihin, työkorvauksiin, palveluunohjaukseen ja sovittelun sovellusalaan. Sovittelua ja muita restoratiivisia menettelyjä on kehitettävä ja laajennettava esimerkiksi niin, että niitä voitaisiin käyttää palveluunohjauksen välineenä.

Suunnitellun alas- ja ylösajon todennäköisyysperustainen riskianalyysi ydinvoimalaitokselle

Työssä tehtiin ydinvoimalaitoksen suunnitellun alas- ja ylösajon todennäköisyysperus-tainen riskianalyysi. Suunnitellun alasajon analyysi sisälsi Teollisuuden Voima Oyj:n käyttämän vanhan PRA-mallin päivityksen ja laajentamisen. Ylösajon analyysiä varten kehitettiin kokonaan uusi malli. Diplomityöselostuksen alussa on yleinen katsaus luotettavuustekniikan käsitteisiin, pe-rusperiaatteisiin ja työkaluihin. Sitten on esitelty laitostekniikkaa tärkeimpien alas- ja ylösajoihin osallistuvien järjestelmien osalta. Myös normaalit alas- ja ylösajotoimenpi-teet on kuvattu. Yleisen teoriaosuuden jälkeen on keskitytty uusien mallien muodosta-miseen. Työssä käytetyt oletukset ja arviot on esitelty perusteluineen. Uudet tapahtuma- ja vikapuut sekä niiden perusteella lasketut sydänvaurioriskit johtopäätöksineen on käy-ty läpi selostuksen lopussa. Alkutapahtumataajuuksien määrittäminen tehtiin vikapuiden avulla, joissa huomioitiin komponenttivikojen, inhimillisten virheiden ja ulkoisten tekijöiden vaikutus. Aiemmin alkutapahtumat oli määritetty pääasiassa käyttöhistorian perusteella. Uusi määrittelytapa antaa eri vikaantumistapojen välille paremman kuvan niiden keskinäisestä merkitykses-tä sekä paremman päivitettävyyden laitosmuutosten yhteydessä. Mallien avulla voidaan laskea alas- ja ylösajon merkitys kokonaissydänvauriotaajuuteen entistä yksityiskohtaisemmin. Tuloksia voidaan myös hyödyntää laitosten vikatilanteis-sa, kun vertaillaan jatketun käytön ja mahdollisten korjaustöiden vaatiman alas- ja ylösajon riskejä. Uusien mallien antamat tulokset laskivat vain hieman kokonaissydän-vauriotaajuutta, mutta merkittävästi alasajon vaikutusta siihen. Ylösajosta aiheutuva riskinlisä oli noin puolet alasajon riskistä.

Hybrid du/dt-filter in frequency converter applications

The aim of the thesis is to investigate the hybrid LC filter behavior in modern power drives; to analyze the influence of such a du/dt filter on the control system stability. With the implementation of the inverter output RLC filter the motor control becomes more complicated. And during the design process the influence of the filter on the motor should be considered and the filter RLC parameters should be constrained.

Frequency converter protection against supply network phenomena

This master’s thesis is focused on power supply network disturbances and their effects on the frequency converter – one of the components of modern process crane electrical system. The most critical disturbance types, their causes and the effect they bring to crane electrical system was determined in this work. Variety of protective devices used for mitigation of disturbances is investigated. Device protection solutions for the frequency converter used in crane applications are presented. Analyses of the power supply requirements for frequency converter and various components of crane electrical system were carried out and as a result the crane power supply requirements list that guarantees normal crane operation was built. This list is to be included in crane projects for troubleshooting purposes in order to determine potentially dangerous network.