Sellutehtaan varavoimajärjestelmän mitoitus ja teknistaloudellinen vertailu 400 ja 690 voltin jännitteillä

Tämän diplomityön tarkoitus on selvittää pienjakelujännitteen nostosta aiheutuvia vaikutuksia sellutehtaan varavoimaverkossa. Työn alussa esitellään varavoimaverkkoon kuuluvia osia, selvitetään erilaisten kuormien vaikutusta varavoimaverkon sähkön laatuun sekä kuormien jakoa varmennettuihin verkkoihin. Seuraavaksi suunnitellaan kaksi keskitettyä varavoimaverkkomallia eri pienjakelujännitteillä. Mallien nimellisjännitteet ovat 400 V ja 690 V. Varavoimaverkkomallien kuormat ja osastojen väliset etäisyydet on otettu valmiista sellutehtaista. Tässä diplomityössä painotutaan erityisesti varavoimaverkkomallien mitoitukseen ja jakelujännitteen nostosta aiheutuvien vaikutusten teknistaloudelliseen vertailuun. Vertailu tehdään keskijännitekojeiston ja varavoimakeskusten välisellä alueella, johon kuu-luvat jakelumuuntaja, varavoimakone, varavoimapääkeskus, kiskosillat, jakelukaapelit, kytkinvaroke- ja katkaisijalähdöt sekä mahdolliset välimuuntajat. Varavoimaverkkojen välisessä kustannusvertailussa käytetään nykyarvomenetelmää.

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.

Compliance of crane electrics with electrical safety standards and codes

Master’s thesis focuses on the questions of crane electrics compliance with electrical safety standards. Overview and short comparison of the world’s effective standards in the field is made in order to understand their demands. Basic concepts of a proper electrical circuit design are presented. Characteristics, construction and operation principles of overcurrent protective devices are studied in details. Electrics of the basic crane is designed according to the assumed customer’s demands, compliance with the requirements of the standards is checked. Solutions to achieve better compliance in some issues are proposed. Accent is made on the National Electrical Code (NEC) and standards by Underwriters Laboratories (UL) latests demands. Requirements of the International Electrotechnical Commission (IEC) are also taken into account.

Testing of Vacuum Drum Filter

Tämän diplomityön tavoitteena oli testata ja optimoida erään alipainerumpusuodattimen toimivuutta, ja lisäksi maksimoida tuottavuus ja vertailla erilaisten pesumenetelmientehokkuutta. Testilietteiden ¿ rautarikasteen ja täyteainepastan ¿ karakterisointi oli myös tärkeää. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin lyhyesti neste-kiintoaine-erotuksen teoriaa, erityisesti alipainesuodatusta ja alipainerumpusuodattimia. Lisäksi käsiteltiin kapillaarisuodatuksen toimintaperiaatteita sekä selvitettiin kaivosteollisuuden veden talteenottokeinoja, kiintoainejäämien käsittelymenetelmiä ja Chilen kaivosteollisuuden nykytilaa. Työn kokeellinen osa suoritettiin käyttämällä raskaita ja kiintoainepitoisuuksiltaan korkeita lietteitä, eli rautarikastetta ja täyteainepastaa. Kokeet suoritettiin erityisellä alipainerumpusuodattimella, joka oli muokattu perinteisestäpäältä syötettävästä alipainerumpusuodattimesta. Kokeissa tutkittiin pyörimisnopeuden ja erilaisten pesumenetelmien vaikutusta kakun kosteuteen ja suodatuskapasiteettiin. Koelietteiden karakterisointi suoritettiin analysoimalla partikkelikokojakauma, kiintoainepitoisuus, metallipitoisuus ja koostumus. Kokeiden perusteella havaittiin, että rummun pyörimisnopeudella ja lietteen kiintoainepitoisuudella on merkittävä vaikutus suodatuskapasiteettiin ja kakun kosteuspitoisuuteen. Havaittiin myös, että kakun kosteuspitoisuuksissa ja rummun suodatuskapasiteeteissa oli eroja, kun verrattiin eri suodatinväliaineen pesumenetelmiä. Täten oikean pesumenetelmän valinta on tärkeää, ja sillä pystytään lisäämään suodatinväliaineen käyttöikää.

Plasmapolttoprosessin kehittäminen ja optimointi

Ydinvoimaloidenprimaarivesikierron puhdistukseen käytetään ioninvaihtohartsia. Käytönjälkeen ioninvaihtohartsi luokitellaan matalaja keskiaktiivisiin jätteisiin. Plasmakäsittelyllä käytetyn ioninvaihtohartsin tilavuutta voidaan pienentää sekä sen orgaaninen luonne poistaa. Plasmakäsittelyn tarkoituksena on hapettaa orgaaninen aines oksideiksi, jotka poistuvat prosessista savukaasuina. Epäorgaaninen aines, joka sisältää radioaktiivisen aineksen, on tarkoitus hapettaa oksideiksi ja sulfideiksi, jotka voidaan kerätä talteen tuhkana. Tässä diplomityössä käsitellään käytetyn ioninvaihtohartsin käsittelyyn suunnitellun plasmapolttoprosessin kehittämistä ja optimointia. Ioninvaihtohartsin plasmakäsittelyssä syntyvien reaktiotuotteiden selvittäminen suoritettiin tarkastelemalla ainetaseita sekä aihetta käsitteleviä tutkimuksia. Näiden perusteella parannettiin jäähdytystä, suunniteltiin jatkuvatoiminen syöttömenetelmä sekä laadittiin toimintaalueen reunaehdot laitteistolle. Koelaitteistossa 6,5 kW:n rfteho syötetään sovitinpiirin ja kuparisen induktiokelan kautta plasmaan. Plasmakaasuna on käytetty hapenja argonin seoskaasua. Plasmapolttoa on seurattu massaspektrometrilla, optisella emissiospektrometrilla, lämpösekä painemittareilla. Laskennan ja kokeiden pohjalta selvitettiin optimaalinen seossuhde plasmakaasulle, paineen ja tehon noston vaikutus hartsin polttonopeuteen sekä jatkuvatoimisen syöttömenetelmän edut panostoimiseen syöttöön. Rfgeneraattorin teho rajoitti jatkuvatoimisen polttonopeuden 130 g/h ja hetkellisen polttonopeuden 175 g/h. Radioaktiivisten aineiden pidätys oli 93,5 % cesiumin osalta. Tulosten perusteella 4 kg/h ioninvaihtohartsia polttavan laitteiston tehon lähteeksi tarvitaan 65 kW rfgeneraattori. Palamattoman hartsin ja tuhkan kulkeutuminen partikkelisuodattimille sekä reaktiotuotteena syntyvien rikinoksidien käsittely vaatii vielä jatkotutkimusta.

Novel Robot Solutions for Carrying out Field Joint Welding and Machining in the Assembly of the Vacuum Vessel of ITER

It is necessary to use highly specialized robots in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) both in the manufacturing and maintenance of the reactor due to a demanding environment. The sectors of the ITER vacuum vessel (VV) require more stringent tolerances than normally expected for the size of the structure involved. VV consists of nine sectors that are to be welded together. The vacuum vessel has a toroidal chamber structure. The task of the designed robot is to carry the welding apparatus along a path with a stringent tolerance during the assembly operation. In addition to the initial vacuum vessel assembly, after a limited running period, sectors need to be replaced for repair. Mechanisms with closed-loop kinematic chains are used in the design of robots in this work. One version is a purely parallel manipulator and another is a hybrid manipulator where the parallel and serial structures are combined. Traditional industrial robots that generally have the links actuated in series are inherently not very rigid and have poor dynamic performance in high speed and high dynamic loading conditions. Compared with open chain manipulators, parallel manipulators have high stiffness, high accuracy and a high force/torque capacity in a reduced workspace. Parallel manipulators have a mechanical architecture where all of the links are connected to the base and to the end-effector of the robot. The purpose of this thesis is to develop special parallel robots for the assembly, machining and repairing of the VV of the ITER. The process of the assembly and machining of the vacuum vessel needs a special robot. By studying the structure of the vacuum vessel, two novel parallel robots were designed and built; they have six and ten degrees of freedom driven by hydraulic cylinders and electrical servo motors. Kinematic models for the proposed robots were defined and two prototypes built. Experiments for machine cutting and laser welding with the 6-DOF robot were carried out. It was demonstrated that the parallel robots are capable of holding all necessary machining tools and welding end-effectors in all positions accurately and stably inside the vacuum vessel sector. The kinematic models appeared to be complex especially in the case of the 10-DOF robot because of its redundant structure. Multibody dynamics simulations were carried out, ensuring sufficient stiffness during the robot motion. The entire design and testing processes of the robots appeared to be complex tasks due to the high specialization of the manufacturing technology needed in the ITER reactor, while the results demonstrate the applicability of the proposed solutions quite well. The results offer not only devices but also a methodology for the assembly and repair of ITER by means of parallel robots.

Algorithmic Solutions for Combinatorial Problems in Resource Management of Manufacturing Environments

This thesis studies the use of heuristic algorithms in a number of combinatorial problems that occur in various resource constrained environments. Such problems occur, for example, in manufacturing, where a restricted number of resources (tools, machines, feeder slots) are needed to perform some operations. Many of these problems turn out to be computationally intractable, and heuristic algorithms are used to provide efficient, yet sub-optimal solutions. The main goal of the present study is to build upon existing methods to create new heuristics that provide improved solutions for some of these problems. All of these problems occur in practice, and one of the motivations of our study was the request for improvements from industrial sources. We approach three different resource constrained problems. The first is the tool switching and loading problem, and occurs especially in the assembly of printed circuit boards. This problem has to be solved when an efficient, yet small primary storage is used to access resources (tools) from a less efficient (but unlimited) secondary storage area. We study various forms of the problem and provide improved heuristics for its solution. Second, the nozzle assignment problem is concerned with selecting a suitable set of vacuum nozzles for the arms of a robotic assembly machine. It turns out that this is a specialized formulation of the MINMAX resource allocation formulation of the apportionment problem and it can be solved efficiently and optimally. We construct an exact algorithm specialized for the nozzle selection and provide a proof of its optimality. Third, the problem of feeder assignment and component tape construction occurs when electronic components are inserted and certain component types cause tape movement delays that can significantly impact the efficiency of printed circuit board assembly. Here, careful selection of component slots in the feeder improves the tape movement speed. We provide a formal proof that this problem is of the same complexity as the turnpike problem (a well studied geometric optimization problem), and provide a heuristic algorithm for this problem.

Electrical Equivalent Circuit for Dry Bacteriorhodopsin Sensor

Bacteriorhodopsin (BR) is a photosensitive protein which functions as a light-driven proton pump. Due to its photoactivity, BR could be used in photosensing and information processing which has inspired researchers to study the photoelectric response and the appropriate measurement instrumentation for BR. In this thesis, the measurement instrumentation connected to a dry BR sensor was confirmed to affect the photovoltage response measured by using voltage amplifiers. Changing of the input impedance of the measurement instrumentation was shown to alter a part of the measured photovoltage response. The photocurrent measurements using transimpedance amplifier and the presented electrical equivalent circuit were used to show that the photocurrent measurements have no significant effect on the photoelectric response. The photocurrent was shown to be a derivate of the photovoltage response measured from the dry BR sensor when it was compared to the response measured with a voltage amplifier. This confirmed that another part of the photovoltage response was not affected by the measurement instrumentation. The time-variant behavior of the dry BR sensor was confirmed in both the photocurrent and the photovoltage measurements. This was caused by the fact that the capacitance of the dry BR sensor changes with the excitation light intensity.

Optimization and Measuring Techniques for Collect-and-Place Machines in Printed Circuit Board Industry

This thesis considers optimization problems arising in printed circuit board assembly. Especially, the case in which the electronic components of a single circuit board are placed using a single placement machine is studied. Although there is a large number of different placement machines, the use of collect-and-place -type gantry machines is discussed because of their flexibility and increasing popularity in the industry. Instead of solving the entire control optimization problem of a collect-andplace machine with a single application, the problem is divided into multiple subproblems because of its hard combinatorial nature. This dividing technique is called hierarchical decomposition. All the subproblems of the one PCB - one machine -context are described, classified and reviewed. The derived subproblems are then either solved with exact methods or new heuristic algorithms are developed and applied. The exact methods include, for example, a greedy algorithm and a solution based on dynamic programming. Some of the proposed heuristics contain constructive parts while others utilize local search or are based on frequency calculations. For the heuristics, it is made sure with comprehensive experimental tests that they are applicable and feasible. A number of quality functions will be proposed for evaluation and applied to the subproblems. In the experimental tests, artificially generated data from Markov-models and data from real-world PCB production are used. The thesis consists of an introduction and of five publications where the developed and used solution methods are described in their full detail. For all the problems stated in this thesis, the methods proposed are efficient enough to be used in the PCB assembly production in practice and are readily applicable in the PCB manufacturing industry.

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.