Hammashihnajohdeakseleiden liikkeiden synkronointi

Nykyisessä valmistusteollisuudessa erilaisten robottien ja automatisoitujen tuotantovaiheiden rooli on erittäin merkittävä. Tarkasti suunnitellut liikkeet ja toimintavaiheet voidaan nykyisillä järjestelmillä ajoittaa tarkasti toisiinsa nähden, jolloin erilaisten virhetilanteidenkin sattuessa järjestelmä pystyy toimimaan tilanteen edellyttämällä tavalla. Automatisoinnin etuna on myös tuotannon muokkaaminen erilaisten tuotteiden valmistamiseen pienillä muutoksilla, jolloin tuotantokustannukset pysyvät matalina myös pienten valmistuserien tapauksissa. Usean akselin laitteissa eli niin sanotuissa moniakselikäytöissä laitteen toimintatarkkuus riippuu jokaisen liikeakselin tarkkuudesta. Liikkeenohjauksessa on perinteisesti ollut käytössä myötäkytketty paikkakaskadi, jonka virityksessä otetaan huomioon akselilla olevat erilaiset dynaamiset tilat ja käytettävät referenssit. Monissa nykyisissä hajautetuissa järjestelmissä eli moniakselikäytöissä, joissa jokaiselle akselille on oma ohjauslaite, ei yksittäisen akselin paikkavirhettä huomioida muiden akseleiden ohjauksessa. Työssä tutkitaan erilaisia moniakselijärjestelmien ohjausmenetelmiä ja myötäkytketyn paikkakaskadin toimintaa moniakselikäytössä pyritään parantamaan tuomalla paikkasäätimen rinnalle toinen säädin, jonka tulona on akseleiden välinen paikkaero.

Design Aspects of Megawatt-Range Direct-Driven Permanent MagnetWind Generators

Direct-driven permanent magnet synchronous generator is one of the most promising topologies for megawatt-range wind power applications. The rotational speed of the direct-driven generator is very low compared with the traditional electrical machines. The low rotational speed requires high torque to produce megawatt-range power. The special features of the direct-driven generators caused by the low speed and high torque are discussed in this doctoral thesis. Low speed and high torque set high demands on the torque quality. The cogging torque and the load torque ripple must be as low as possible to prevent mechanical failures. In this doctoral thesis, various methods to improve the torque quality are compared with each other. The rotor surface shaping, magnet skew, magnet shaping, and the asymmetrical placement of magnets and stator slots are studied not only by means of torque quality, but also the effects on the electromagnetic performance and manufacturability of the machine are discussed. The heat transfer of the direct-driven generator must be designed to handle the copper losses of the stator winding carrying high current density and to keep the temperature of the magnets low enough. The cooling system of the direct-driven generator applying the doubly radial air cooling with numerous radial cooling ducts was modeled with a lumped-parameter-based thermal network. The performance of the cooling system was discussed during the steady and transient states. The effect of the number and width of radial cooling ducts was explored. The large number of radial cooling ducts drastically increases the impact of the stack end area effects, because the stator stack consists of numerous substacks. The effects of the radial cooling ducts on the effective axial length of the machine were studied by analyzing the crosssection of the machine in the axial direction. The method to compensate the magnet end area leakage was considered. The effect of the cooling ducts and the stack end area effects on the no-load voltages and inductances of the machine were explored by using numerical analysis tools based on the three-dimensional finite element method. The electrical efficiency of the permanent magnet machine with different control methods was estimated analytically over the whole speed and torque range. The electrical efficiencies achieved with the most common control methods were compared with each other. The stator voltage increase caused by the armature reaction was analyzed. The effect of inductance saturation as a function of load current was implemented to the analytical efficiency calculation.

Jännitteenkorotin heikkoihin jakeluverkkoihin

Sähkönkulutuksen kasvaessa jakeluverkossa syntyy yhä enemmän jännitteenalenemia, jotka ylittävät sähkön laatustandardin asettamat raja-arvot. Jännitteenalenemista kärsivät etenkin syrjäseuduilla asuvat ihmiset, joiden käyttökohteet sijaitsevat kaukana jakelumuuntajasta. Perinteinen tapa on ollut kasvattaa syöttävän jakelukaapelin poikkipinta-alaa ja vaihtaa jakelumuuntaja suurempaan ongelman ratkaisemiseksi, mutta investointi on kuitenkin kallis eikä välttämättä maksa itseään koskaan takaisin. On myös mahdollista, että aiempaa suuremman muuntajan tyhjäkäyntihäviöillä on huonontava vaikutus järjestelmän energiatehokkuuteen. Tällöin voi olla kokonaistaloudellisesti kannattavampaa liittää sähköverkkoon laite, jolla voidaan korjata jännitteenalenemia. Diplomityössä tutkitaan säästömuuntajaan perustuvaa jännitteenkorotinta, jolla voidaan vähentää jakeluverkon jännitteenalenemien aiheuttamia haittoja. Työssä tutkitaan laitteen eri kytkintopologioita sekä niiden ohjausmenetelmiä, joilla voidaan muuttaa säästömuuntajan käämikierrosmääriä sen ollessa kuormitettuna.

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.

One chip solution for low-cost active magnetic bearing system

In this work the implementation of the active magnetic bearing control system in a single FPGA is studied. Requirements for the full magnetic bearing control system are reviewed. Different control methods for active magnetic bearings are described shortly. Flux and the current base controllers are implemented in a FPGA. Suitability of the con-trollers for a low-cost magnetic bearing application is studied. Floating-point arithmetic’s are used in the controllers to ease designing burden and improve calculation precision. Per-formance of the flux controller is verified with simulations.

Taajuusmuuttajaohjattu kestomagneettitahtikone opetuslaboratoriokäytössä

Kestomagneettien kehittyminen on mahdollistanut sähkökoneen rakentamisen perinteisistä menetelmistä poiketen ja on samalla luonut uudenlaisia ominaisuuksia ja käyttökohteita. Erityisesti kestomagneettitahtikone (PMSM) on kasvattanut suosiota hyvän hyötysuhteen ja luotettavuuden myötä. Työssä esitellään kestomagneettitahtikonetta sen rakenteen ja toimintaperiaatteen avulla. Tarkastellaan kestomagneettien kehitystä ja tulevaisuuden näkymiä. Perehdytään myös taajuusmuuttajaan, mitä käytetään yleensä kestomagneettitahtikoneen ohjaukseen. Lisäksi esitetään taajuusmuuttajan erilaisia säätötapoja. Työn kokeellisessa osuudessa yliopiston opetuslaboratorioon kehitetään koneikko, jonka avulla tutkitaan kestomagneettitahtikoneen toimintaan osana sähkökäyttöä. Työn tavoitteena on selvittää PMSM:n ominaisuuksia sekä suunnitella sähkötekniikan työkurssille soveltuva mittaussarja, mikä johdattaa opiskelijat tässä työssä käsiteltyihin aihealueisiin.

Talousveden tuotannon ja jakelun tietohuollon kehittäminen julkisomisteisessa vesilaitoksessa

Vesilaitokset kuluttavat merkittäviä määriä energiaa, johon on alettu kiinnittää huomiota viime vuosina. Energiatehokkuuden edistämisen hidasteeksi on noussut puutteellinen tietohuolto sekä vesilaitosten yhteisten tunnuslukujen ja kriteerien puuttuminen. Diplomityön tavoitteena on selvittää tietohuollon ongelmia Tampereen Vedellä. Työn tavoitteena on myös tutkia veden tuotannon ja jakelun energiatehokkaiden ohjaustapojen löytämistä tietohuollon ja tunnuslukujen avulla. Työssä käytetyt metodologiat ovat Tampereen Veden työntekijöiden haastattelut, prototyypin analysointi sekä vedenottamoiden ominaisenergiaan liittyvien mittauspisteiden läpikäynti. Diplomityön tuloksena saatiin laaja kuva Tampereen Veden tietohuoltoon liittyvistä ongelmista. Merkittävimmät tietohuollon haasteet liittyvät työntekijöihin, järjestelmiin sekä mittauspisteiden puuttumiseen. Mittauspisteet ja niiden tallentuminen ovat edellytys tunnuslukujen luomiselle. Tunnuslukuja voidaan hyödyntää energiatehokkaiden ohjaustapojen löytämiseksi, mutta vesilaitosten yhteiset kriteerit tunnusluvuille puuttuvat. Energiatehokkuustunnuslukuja on tarve tutkia lisää ja kehittää yhteistyötä vesilaitosten välillä tunnuslukujen luomiseksi sekä vertailutietojen saamiseksi.

Pk-yrityksen materiaalivarastotasojen seurannan kehittäminen

Tässä diplomityössä selvitettiin kuinka pk-yrityksen materiaalivarastotasojen seurantaa pystyttäisiin kehittämään. Tarkoituksena oli tutkia yrityksen nykyisiä materiaalivarastotasojen seurantamenetelmiä haastattelujen ja erilaisten raporttien avulla, sekä löytää näiden avulla tarvittavat kehityskohteet ylivarastoinnin ja puutetilanteiden estämiseksi. Työn keskeiseksi sisällöksi nousivat ABC-analyysin ja eri varastonohjausmenetelmien teoriat, joiden pohjalta kehityskohteita alettiin työstämään. Diplomityön keskeisimpinä tuloksina saatiin pk-yrityksen nimikkeiden ABC-analyysit ja niiden mukaan määritetyt palveluasteet. Kaikille nimikkeille saatiin ABC-analyysien perusteella määriteltyä varastonohjausmenetelmät sekä varastotasojen seurantaa ja hankintaa varten tarvittavat parametrit, kuten tilauspisteet ja täydennyseräkoot. Näiden tulosten avulla yrityksen materiaalivarastotasojen seurantaa pystyttiin helpottamaan ja yksinkertaistamaan.

Effects of weed "Reestablishment" after hoeing on corn yields

Some growers and researchers sustain the idea that regrowth or root setting of some weeds may occur after hoeing, with detrimental effects over corn. The objective of this study was to evaluate the effects of weed removal from the field, removal after each hoeing, and corn intercropped with gliricidia on weed control and corn yield values. The experimental design consisted of blocks with split-plots and six replicates. Cultivars AG 1051 and BM 2022, planted in the plots, were submitted to the following treatments: no hoeing, two hoeings (at 20 and 40 days after planting), and intercropped with gliricidia. The hoed plots were either submitted to weed removal after the first, second, or both hoeings, or remained without weed removal. In the intercropped treatment, gliricidia was sown by broadcasting at corn planting between the corn rows, at a density of 15 seeds m-2. Twenty-five weed species occurred in the experiment; the most frequent was Digitaria sanguinalis (family Poaceae). The weed control methods tested had similar effects on the cultivars, which were not different from one another with respect to the evaluated traits, except for one-hundred-kernel weight, with cultivar AG 1051 being superior. Weed removal did not influence green corn yield or grain yield. However, the number of kernels/ear was higher in plots where weeds were removed in relation to plots without weed removal, suggesting that weed removal might be beneficial to corn. Besides, a higher dry matter weight was obtained for the above-ground part of weeds removed from the field after the first and second hoeings than the weight of weeds removed after the second hoeing only which, in turn, was higher than the weight of weeds removed after the first hoeing only. Green ear yield, grain yield, and dry matter of the above-ground part of the weeds did not show differences in hoed plots and were superior to the non-weeded plots and the intercropped plots, which were not different from each other; therefore, intercropping with gliricidia did not improve corn yield values.

Eucalypt Growth Submitted to Management of Urochloa spp.

The objective of this work was to evaluate the initial growth and the physiological characteristics of eucalypt submitted to different managements of signalgrass. The experiment was conducted in a protected environment, using a randomized blocks design with five repetitions. The treatments were arranged in a (5 x 2) + 1 factorial design, and the first factor corresponded to the types of weed management (no control; chemical control keeping the signalgrass shoot on the soil; chemical control with removal of the signalgrass shoot; mechanical control keeping the signalgrass shoot on the soil, and mechanical control with removal of the signalgrass shoot); the second factor corresponded to the two weeds species (U. brizantha and U. decumbens) and a control relative to the eucalypt in monoculture. The eucalypt growth was not affected by the presence of the Urochloa species until 50 days after treatments (DAT). However, the coexistence of these species with eucalypt for 107 DAT reduced the collar diameter, total dry matter, and the leaf area, but did not alter the characteristics related to photosynthesis and transpiration. The control method adopted, with removal or maintenance of the signalgrass shoot, regardless of species, did not change the initial eucalypt growth. It can be concluded that the coexistence of eucalypt with Urochloa decumbens or Urochloa brizantha for 105 days reduces the eucalypt growth. However, the use of chemical or mechanical control, with or without removal of signalgrass residue, were effective methods to prevent interference of these weeds.

Valaistuksen käyttö kysynnän jouston resurssina

Työssä tarkoituksena oli tutkia voidaanko valaistuksella toteutettua kysynnän joustoa. Työssä tutustuttiin mahdollisiin markkinapaikkoihin ja kysynnän jousto tarkoittaa. Työssä käydään läpi valaistuksen perusteita, sekä nykyisien ohjaustapojen energiatehokkuutta tukevia ratkaisuja. Tekniselle toteutukselle ei ole estettä, käytännöntoteutukselle esteeksi muodostuu valaistustason muutoksen häiritsevyys. Järjestelmällä voidaan muodostaa valaistukselle hinta mitä halutaan palvelusta maksaa. Työssä tarkasteltiin ohjauksen sijoittamista esimerkkikuormalle.

Savings Calculator for Centrifugal Pumps

Centrifugal pumps are one of the major energy consuming end-devices in developed coun-tries both in industrial and services sectors. According to recent studies, even 30 % of the energy used in pumping systems could be saved by more careful choosing of devices and system design. One of the most efficient and affordable ways to decrease the energy con-sumption of the pumping system is to substitute traditionally used flow control methods, like valve control, with modern variable speed drive (VSD) control. In this thesis, Microsoft Excel based program, Savings Calculator for Centrifugal Pumps (SCCP), is designed. SCCP calculates the achievable energy and financial savings when throttle control is substituted by VSD control in the pumping system. Compared to the sim-ilar existing programs, the goal is to make SCCP calculations more accurate and require less input information. Also some useful additional features are added to the designed program to make it more user friendly. The reliability of the calculations of designed program seem to vary depending on case. The results are corresponding accurately to the laboratory measurements, but there occurs high deviations in some cases, when the results are compared to the pump information specified by manufacturer. On the basis of verification in this thesis, SCCP seems to be at least as accurate as similar existing programs and it can be used as help in investment decision whether to have VSD or not.

Modelling Cutting States in Rough Turning of 34CrNiMo6 Steel

Rough turning is an important form of manufacturing cylinder-symmetric parts. Thus far, increasing the level of automation in rough turning has included process monitoring methods or adaptive turning control methods that aim to keep the process conditions constant. However, in order to improve process safety, quality and efficiency, an adaptive turning control should be transformed into an intelligent machining system optimizing cutting values to match process conditions or to actively seek to improve process conditions. In this study, primary and secondary chatter and chip formation are studied to understand how to measure the effect of these phenomena to the process conditions and how to avoid undesired cutting conditions. The concept of cutting state is used to address the combination of these phenomena and the current use of the power capacity of the lathe. The measures to the phenomena are not developed based on physical measures, but instead, the severity of the measures is modelled against expert opinion. Based on the concept of cutting state, an expert system style fuzzy control system capable of optimizing the cutting process was created. Important aspects of the system include the capability to adapt to several cutting phenomena appearing at once, even if the said phenomena would potentially require conflicting control action.

Hankintatoimen, varaston- ja materiaalienhallinnan kehittäminen

Työn tavoitteena on kehittää kohdeyrityksen hankintatoimea sekä varaston- ja materiaalienhallintaa kokonaisvaltaisesti. Pääpaino kehittämisessä kohdistuu materiaalitarvelaskennan systematisointiin ja parantamiseen sekä oikeiden varastonohjausmuotojen valintaan ja implementointiin. Teoreettisesti työ perustuu näin ollen erityisesti varastonohjauksen sekä materiaalitarvelaskennan kirjallisuuteen. Keskeiseksi kehityskohteeksi tunnistetaan varastotietojen ajantasaisuuden ja oikeellisuuden vaatimus. Tältä pohjalta työssä voidaan kehittää materiaalitarvelaskentajärjestelmä sekä tunnistaa ja implementoida valitut varastonohjausmuodot. Tärkeimmät toimittajat/nimikeryhmät käsitellään työssä tarkemmin ja kokonaiskustannusten analyysilla tunnistetaan, kuinka niiden hallintaa tulee jatkaa ja jatkokehittää. Kokonaisuutena, työn tuloksena saavutetaan kohdeyritykseen systemaattisesti ja taloudellisesti toimiva hankintatoimi, joka perustuu tehokkaaseen materiaalitarvelaskentaan ja perustellusti valittuihin varastonohjausmuotoihin. Tuotannonsuunnittelun tärkeys tunnistetaan erittäin suureksi ja se onkin jatkokehityskohteista kohdeyritykselle merkittävin tässä yhteydessä.

Ajoneuvokatsastuksen valvontamalli

Tutkimuksessa kehitettiin ajoneuvokatsastuksen suorituskykymittari sekä suorituskyvyn johtamiseen perustuva ajoneuvokatsastuksen valvontamalli. Suorituskykymittarin avulla voidaan mitata ajoneuvokatsastuksen suorituskykyä, seurata suorituskyvyn kehitystä, suunnitella ja päättää mitä pitäisi parantaa sekä seurata tehtyjen toimenpiteiden vaikutuksia eli johtaa toimintaa. Tutkimuksessa kehitetty suorituskykymittari perustuu Liikenteen turvallisuusviraston ylläpitämään ajoneuvoliikennerekisteriin tallennettujen katsastustietojen analysointiin sekä tilastollisten prosessin ohjausmenetelmien (SPC) hyödyntämiseen. Tutkimuksessa kehitetyssä ajoneuvokatsastuksen valvontamallissa Liikenteen turvallisuusviraston valvontatoimintoja sekä katsastusyritysten omaa laadunhallintaa johdetaan suorituskykymittarin avulla. Tutkimuksessa kehitetyn suorituskykymittarin ja valvontamallin avulla Liikenteen turvallisuusvirastolla ja katsastusyrityksillä on aiempaa paremmat edellytykset valvoa ja johtaa ajoneuvokatsastuksen suorituskykyä katsastustoiminnalle asetettujen tavoitteiden kannalta vaikuttavasti ja oikein. Tutkimus toteutettiin konstruktiivista tutkimusotetta käyttäen ja tutkimuksessa kehitetty ajoneuvokatsastuksen valvontamalli implementoitiin osaksi kansallista lainsäädäntöä sekä Liikenteen turvallisuusviraston ja katsastusyritysten johtamistoimintoja.