Analytic evaluation of three-phase short circuit demagnetization and hysteresis loss risk in rotor-surface-magnet Permanent-Magnet Synchronous Machines

Permanent magnet synchronous machines (PMSM) have become widely used in applications because of high efficiency compared to synchronous machines with exciting winding or to induction motors. This feature of PMSM is achieved through the using the permanent magnets (PM) as the main excitation source. The magnetic properties of the PM have significant influence on all the PMSM characteristics. Recent observations of the PM material properties when used in rotating machines revealed that in all PMSMs the magnets do not necessarily operate in the second quadrant of the demagnetization curve which makes the magnets prone to hysteresis losses. Moreover, still no good analytical approach has not been derived for the magnetic flux density distribution along the PM during the different short circuits faults. The main task of this thesis is to derive simple analytical tool which can predict magnetic flux density distribution along the rotor-surface mounted PM in two cases: during normal operating mode and in the worst moment of time from the PM’s point of view of the three phase symmetrical short circuit. The surface mounted PMSMs were selected because of their prevalence and relatively simple construction. The proposed model is based on the combination of two theories: the theory of the magnetic circuit and space vector theory. The comparison of the results in case of the normal operating mode obtained from finite element software with the results calculated with the proposed model shows good accuracy of model in the parts of the PM which are most of all prone to hysteresis losses. The comparison of the results for three phase symmetrical short circuit revealed significant inaccuracy of the proposed model compared with results from finite element software. The analysis of the inaccuracy reasons was provided. The impact on the model of the Carter factor theory and assumption that air have permeability of the PM were analyzed. The propositions for the further model development are presented.

Welding of Sheet metal using Modified short arc MIG/MAG welding process

In this research work, the results of an investigation dealing with welding of sheet metals with diverse air gap using FastROOT modified short arc welding method and short circuit MAG welding processes have been presented. Welding runs were made under different conditions and, during each run, the different process parameters were continuously monitored. It was found that maximum welding speed and less HAZ are reached under specific welding conditions with FastROOT method with the emphasis on arc stability. Welding results show that modified short arc exhibits a higher electrode melting coefficient and with virtually spatter free droplet transition. By adjusting the short circuit duration the penetration can be controlled with only a small change in electrode deposition. Furthermore, by mixing pulsed MIG welding with modified arc welding the working envelope of the process is greatly extended allowing thicker material sections to be welded with improved weld bead aesthetics. FastROOT is a modified short arc welding process using mechanized or automated welding process based on dip transfer welding, characterized by controlled material deposition during the short circuit of the wire electrode to the workpiece.

Symmetristen komponenttien mallinnus

Tässä insinöörityössä suunniteltiin Helsingin ammattikorkeakoululle jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen symmetristen komponenttien laskutavan havainnollistamiseen sopiva sijaiskytkentä. Sijaiskytkennässä tärkeitä huomioitavia asioita olivat mm. jännitetaso, havainnollistavien muuntajien oikosulkukestoisuus, jatkokäyttö laboratoriotyönä ja yleinen havainnollistavuus. Työssä on aluksi perehdytty symmetristen komponenttien ja jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen teoriaan. Tämän jälkeen mitoitettiin tarvittavan kytkennän komponenttien jännite- ja virtakestoisuudet mahdolliset lisäkäytöt huomioiden. Näiden rajoitusten mukaan perusteella työtä ruvettiin toteuttamaan. Työssä tilattiin sähkön 40 V:n pääjännitetasolle alentava muuntaja syöttämään oikosulun kestävää muuntajaa, jolla simuloitiin jakeluverkon yleisimpiä vikatyyppejä. Jälkimmäiselle muuntajalle mitoitettiin ja hankittiin sisäistä impedanssia vastaava induktanssi. Tämän avulla rakennettiin kokonaisuus, jonka avulla voidaan simuloida kaikkia tapahtuvia oikosulkuja vastaavat sijaiskytkennät. Työhön jätettiin kehittämisvaraa ja muita laboratoriotyön rakentamismahdollisuuksia tulevien insinööritöiden tekijöille.

Vuosaaren sataman sähköverkon suojaus

Insinöörityössä on tutkittu Vuosaareen rakennettavan sataman omistaman sähköverkon topologiaa, tehonjakoa ja ennen kaikkea niitä toteutusperiaatteita, joilla sataman sähköverkko suojataan ylikuormituksia, oikosulkuja, ja maasulkuja vastaan. Työn alussa on esitelty yleisesti koko Vuosaaren satamahanke, siihen liittyvät taustat, toimijat, kustannukset ja liikenneyhteydet. Seuraavaksi on esitelty läpileikkaus relesuojaustekniikan perusteista ja käyty läpi suojareletyypit ja -lajit sekä mittamuuntajat. Työssä on esitelty eri suojauskohteiden toteutusperi-aatteet sekä sulakesuojaus. Edelleen työssä on esitelty Vuosaaren sataman sähköverkon rakenne, sen komponentit ja peruskäyttötilanteet sekä se osa Helenin verkkoa, josta satama saa syöttönsä. Työssä on laskettu sataman verkon eri kohdissa esiintyvät maksimi- ja minimioikosulkuvirrat IEC60909 mukaisesti sekä lasketaan karkeasti esiintyvät maasulkuvirrat. Työssä esitellään ne suojausperiaatteet, joiden avulla sataman verkon suojauksesta saadaan järkevä kokonaisuus. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että taustaverkon oikosulkutehon ollessa kyseisellä alueella niinkin suuri, sataman sähköverkossa oikosulkuvirtojen suhteen ei aiheudu ongelmia. Riittävä oikosulkusuojaus saadaan helposti aikaan aikaporrastuksilla. Maasulkuvirtojen suhteen sataman verkolla on marginaalinen rooli Helenin taustaverkkoon nähden, joten maasulkusuojaus saadaan toimivaksi suunnatuilla suojilla täydennettynä aikaporrastuksella.

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.

Sähköverkkoyhtiön keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma

Tämän työn tavoitteena oli laatia KSS Energia Oy:n keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma. Tätä varten selvitettiin verkon nykytila ja sen toimivuus korvaustilanteissa. Suunnitelmaa varten laadittiin verkoston vuoteen 2020 asti ulottuva kuormitusennuste. Kehittämissuunnitelmassa paikannettiin alueet, joilla kuormitettavuus, korvattavuus tai oikosulkukestoisuus olisivat toimivansähkönjakelun esteinä tulevaisuudessa. Työn painopistealueiksi muodostuivat Vuolenkosken, Paimenpolun ja Valkealan alueet. Näiden alueiden kasvavan tehontarpeen tyydyttämiseksi selvitettiin uusien sähköasemien rakentamisvaihtoehtoja. Suunnitelmassa tarkasteltiin ja vertailtiin kolmen uuden sähköaseman rakentamista keskijänniteverkon saneerausvaihtoehtoon. Työssä selvitettiin myös miten alueen kuormituksen kasvun aiheuttama lisätehontarpeen jakelu voidaan hoitaa. Näiden alueiden kuormituksen kasvu edellyttää uusien sähköasemien rakentamista seuraavien 10vuoden kuluessa.

Kiinteistösähköverkkojen laskentaohjelmiston valinta.

Jotta kiinteistösähköverkkojen laskentaohjelmia voidaan vertailla mielekkäästi keskenään, on tunnettava suunnitteluprosessin vaiheet ja tarvittavat laskelmat. Sähköverkon mitoituksessa tärkeitä tietoja ovat verkon oikosulkuteho, kuormitukset ja vikavirrat, joiden avulla määritellään tarvittavat suojaukset, johtojen poikkipinnat ja jännitteenalenemat. Tällä hetkellä markkinoilla olevia ohjelmia ovat esimerkiksi Ecodial, NolaWi, DOCWin, EDSA ja KUBS+. Kun painotetaan ohjelman hintaa, kieltä, verkon rakentamista, komponenttikirjastojen kokoa, solmupisteiden määrää, suojauksen selektiivisyyden tarkastamista ja kosketusjännitesuojauksen toiminnan toteamista sekä tuloksien esitystä niin ohjelmista parhaiten pärjäävät Ecodial ja DOCWin. Vertailun tuloksena ehdotetaan suunnittelutyöhön valittavaksi ohjelmaksi ABB:n DOCWin:a, joka täyttää parhaiten halutut ominaisuudet ja on lisäksi käyttökustannuksiltaan edullinen.

IGBT:N KYLLÄSTYSVALVONTA

Tässä työssä on tutkittu IGBT-modulin kyllästysvalvontaa. Periaatteellisena erona yleisesti käytössä olevaan IGBT:n kyllästysvalvontamenetelmään on valvonnan perustuminen IGBT-modulin läpi kulkevaan virtaan, sen yli olevan jännitteen mittaamisen asemesta. IGBT-modulin läpi kulkeva virta aiheuttaa pienen jännitehäviön IGBT-modulin sisällä olevassa DC-miinuskiskossa. Jännitehäviön suuruus riippuu modulin läpi kulkevan virran suuruudesta. Jännitehäviö voidaan mitata kahden mittapisteen välisenä jännite-erona. Kun jännite-ero mittapisteiden välillä kasvaa tarpeeksi suureksi, IGBT:n voidaan olettaa olevan oikosulussa ja laukaisu voidaan suorittaa. Kyllästystilan havaitsemista kuitenkin vaikeuttaa se, että kyseisen DC-miinuskiskon läpi kulkee moottorivirta. Moottorivirran aiheuttamat jännite-erot on pystyttävä erottamaan luotettavasti oikosulkutilanteesta. Lisäksi komponentin ylikuormitettavuusvaatimukset lisäävät kytkennän toteuttamisen vaikeutta. Komponenttia voidaan hetkellisesti ylikuormittaa moninkertaisella nimellisvirralla eikä tämäkään tilanne saa johtaa laukaisuun.Kyllästysvalvonta toteutetaan taajuusmuuttajaan, joka on tunnetusti varsin häiriöinen ympäristö. DC-miinuskiskon mittapisteiden välissä on tämän johdosta havaittavissa virrasta riippuvan jännite-eron lisäksi erittäin voimakkaita kytkentäilmiöistä johtuvia häiriöitä. Myös muiden IGBT-modulien kytkentäilmiöistä johtuvat häiriöt kytkeytyvät kyllästysvalvontakytkentään ja vaikeuttavat osaltaan sen toteuttamista.

Monitoisioisen muuntajan parametrien mittaus

Tässä kandidaatintyössä on tarkoitus määrittää monitoisioisen muuntajan yksivaiheisen sijaiskytkentä ja sen parametrit käyttämällä perinteisiä mittausmenetelmiä. Näihin kuuluvat tyhjäkäynti-, oikosulku- sekä tasajännitekoe. Muuntajasta on tehty simulointimalli, jota varten sijaiskytkennän parametreja tarvitaan.

Converter Supply Transformer For LVDC Distribution System

This master’s thesis is focused on optimizing the parameters of a distribution transformer with respect to low voltage direct current (LVDC) distribution system. One of the main parts of low voltage direct current (LVDC) distribution system is transformer. It is studied from several viewpoints like filtering capabilities of harmonics caused by rectifier, losses and short circuit current limiting Determining available short circuit currents is one of the most important aspects of designing power distribution systems. Short circuits and their effects must be considered in selecting electrical equipment, circuit protection and other devices.

Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytilan määritys sekä kehittämissuunnitelma käyttövarmuuden näkökulmasta

Tämän työn tavoitteena on analysoida Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytila sekä selvittää verkon kehittämisen suuntaviivoja. Nykytilan määrityksessä selvitetään kuormitettavuusasteet, jännitteenalenemat, häviöt oiko- ja maasulkusuojauksen toimivuus sekä keskeytyskustannukset. Nykytilan määrityksen apuna käytettiin verkkotietojärjestelmä Xpowerin tehojako-, oikosulku- ja maasulkulaskentoja. Nykytila on määritetty sekä normaalissa kytkentätilanteessa, että tilanteessa jossa yksi sähköasema kerrallaan on poissa käytöstä. Nykytilan määrityksen perusteella voidaan todeta, että normaalissa kytkentätilanteessa keskijänniteverkko täyttää suurilta osin sille asetetut tekniset reunaehdot, jotka ovat jännitteenalenema, kuormitettavuus, oikosulkukestoisuus sekä oiko- ja maasulkusuojauksen havahtuvaisuus. Jotta reunaehdot toteutuisivat kokonaisuudessaan, tulee oikosulkukestottomien lähtöjen releasetteluja muuttaa tai vaihtaa oikosulkukestottomat johto-osuudet suurempi poikkipintaiseen johtimeen. Nykytilan määrityksen perusteella neljän päämuuntajan kuormitettavuusaste on yli 90 %, joten näiden asemien alueiden kehitystä tulee tarkkailla. Sähköasemien korvaustarkastelun perusteella viiden sähköaseman korvaus tuottaa ongelmia jo nykyisillä huippukuormilla. Työssä tehtyjen selvitystöiden perusteella Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkkoon lisättiin 10 maastokatkaisijaa sekä selvitettiin verkon mahdollisia tulevaisuuden kehittämisen suuntaviivoja.

Estimation of existing cable systems in generator-busbar unit and choice the optimal solution for its modernization

The aim of this master’s thesis is to develop an algorithm to calculate the cable network for heat and power station CHGRES. This algorithm includes important aspect which has an influence on the cable network reliability. Moreover, according to developed algorithm, the optimal solution for modernization cable system from economical and technical point of view was obtained. The conditions of existing cable lines show that replacement is necessary. Otherwise, the fault situation would happen. In this case company would loss not only money but also its prestige. As a solution, XLPE single core cables are more profitable than other types of cable considered in this work. Moreover, it is presented the dependence of value of short circuit current on number of 10/110 kV transformers connected in parallel between main grid and considered 10 kV busbar and how it affects on final decision. Furthermore, the losses of company in power (capacity) market due to fault situation are presented. These losses are commensurable with investment to replace existing cable system.

Elintarviketehtaan sähköverkon selvitys ja kehittämissuunnitelma

Työssä selvitetään elintarviketehtaan sähköverkon kunto sen suurimpien sähkönsyöttöjen osalta ja lasketaan oikosulkuvirtojen suuruus, kaapeleiden kuormitettavuus ja jännitteenalenemat verkon eri osissa. Laskentatulosten analysoinnin jälkeen esitetään korjaavat toimenpiteet löydettyjen epäkohtien osalta. Lisäksi tarkastellaan tehtaan energiankulutusta ja suunniteltujen energiansäästöehdotuksien vaikutuksia sähköverkon toimintaan. Työssä arvioidaan myös verkon eri osienvikaantumisen vaikutusta tehtaan tuotantoon ja esitetään parannuskeinoja verkon luotettavuuden parantamiseksi. Lopuksi on esitelty suunnitelma sähköverkon laajentamiselle ja käyty läpi tulevien investointien sähköteknistä mitoitusta ja vaikutusta verkon tulevaan tilaan.

Heating control of an electrical motor

Electrical motors on a ship attackable to different factors which decrease these lifetimes. One of the main external factors on a ship which usually is a reason of the motor failure is a moisture condensation which decreases the motor winding insulation and increase a probability of the short circuit. Therefore, the protection against moisture is necessary for ship electrical motors. The motor should be protected against moisture all time when it does not operate. The necessity of such protection requires a lot of energy consumption. This master’s thesis is focused on the creation of the electrical motor thermal model and on the different methods of the motor protection against moisture analysis with energy consumption point of view.

Advanced orbital pipe welding

Since the introduction of automatic orbital welding in pipeline application in 1961, significant improvements have been obtained in orbital pipe welding systems. Requirement of more productive welding systems for pipeline application forces manufacturers to innovate new advanced systems and welding processes for orbital welding method. Various methods have been used to make welding process adaptive, such as visual sensing, passive visual sensing, real-time intelligent control, scan welding technique, multi laser vision sensor, thermal scanning, adaptive image processing, neural network model, machine vision, and optical sensing. Numerous studies are reviewed and discussed in this Master’s thesis and based on a wide range of experiments which already have been accomplished by different researches the vision sensor are reported to be the best choice for adaptive orbital pipe welding system. Also, in this study the most welding processes as well as the most pipe variations welded by orbital welding systems mainly for oil and gas pipeline applications are explained. The welding results show that Gas Metal Arc Welding (GMAW) and its variants like Surface Tension Transfer (STT) and modified short circuit are the most preferred processes in the welding of root pass and can be replaced to the Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) in many applications. Furthermore, dual-tandem gas metal arc welding technique is currently considered the most efficient method in the welding of fill pass. Orbital GTAW process mostly is applied for applications ranging from single run welding of thin walled stainless tubes to multi run welding of thick walled pipes. Flux cored arc welding process is faster process with higher deposition rate and recently this process is getting more popular in pipe welding applications. Also, combination of gas metal arc welding and Nd:YAG laser has shown acceptable results in girth welding of land pipelines for oil and gas industry. This Master’s thesis can be implemented as a guideline in welding of pipes and tubes to achieve higher quality and efficiency. Also, this research can be used as a base material for future investigations to supplement present finding.