Taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö

Tämä insinöörityö tehtiin ABB Oy, Drivesin Product AC -tulosyksikön tuotekehitysosastolle Helsingissä. Työssä kehitettiin taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö. ABB:n taajuusmuuttajien suorituskykytestejä ei ole aikaisemmin automatisoitu. Testit on tehty käsin ja niiden suorittamiseen ja tulosten käsittelyyn on kulunut paljon aikaa. Automaattisella testauksella pyrittiin testien suorittamiseen ja tulosten käsittelyyn kuluvan ajan huomattavaan pienentymiseen. Työssä ei ollut tarkoituksena tehdä suorituskykytestejä vaan kehittää automaattinen testausympäristö eli suorituskykytestipenkki, jossa suorituskykytestit on mahdollista suorittaa. Työssä keskityttiin taajuusmuuttajan nopeus- ja momenttisäätäjien suorituskykyyn. Työ toteutettiin suunnittelu- ja ohjelmointityönä. Testausympäristön laitteisto perustuu ABB:n tuotekehityslaboratorioiden olemassaoleviin testipaikkoihin. Testausympäristössä käytetään taajuusmuuttajien lisäksi pääasiassa kolmivaiheisia oikosulkumoottoreita. Lisäksi laitteistoon kuuluu ACS800-sarjan taajuusmuuttaja kuormakäyttönä, momenttianturi ja takometri eli kierrosnopeusmittari. Ohjelmointi tehtiin National Instrumentsin LabVIEW-ohjelmointiympäristön versiolla 8.0. Testausympäristön käyttöliittymänä toimii saman yrityksen TestStand-testausohjelmiston versio 3.5. Testattavien taajuusmuuttajien ohjausta ja momenttianturin lukemista varten ohjelmoitiin virtuaali-instrumentteja. Virtuaali-instrumentteja kutsutaan TestStand-testisekvensseistä. Testisekvenssit luodaan TestStandin sekvenssieditorilla ja suoritetaan sekvenssieditorissa tai operaattorin käyttöliittymässä. Työn tuloksena syntyi taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö. Testausympäristöä voidaan hyödyntää sekä nykyisen että seuraavan sukupolven taajuusmuuttajien testauksessa. Sillä on mahdollista suorittaa yleisimmät taajuusmuuttajien suorituskykytestit, kuten nopeus- ja momenttisäätöjen staattinen ja dynaaminen tarkkuus, hyvin kattavasti. Testit voidaan automaattisesti suorittaa koko testikäytön sallimalla pyörimisnopeus- ja kuormitusalueella. Näytteenottotaajuus voi olla enintään 1 kHz luettaessa pyörimisnopeutta ACS800-sarjan taajuusmuuttajan kautta ja momenttianturia samanaikaisesti. Virtuaali-instrumenteista koostuvia testisekvenssejä voidaan vapaasti muokata ja kehittää testejä edelleen tai luoda kokonaan uusia testejä. Testausympäristö perustuu teollisuudessa yleisesti käytettyihin ohjelmistoihin ja tarjoaa hyvät mahdollisuudet jatkokehitykselle.

Control d'il·luminació i ventilació d'un pàrquing

El treball presentat ve motivat per la necessitat d’instal•lació d’un pàrquing públic i privat de nova construcció a nivell d’il•luminació i ventilació. Per poder satisfer les necessitats del nostre client d’estalvi energètic i confort en l’edifici es decideix d’implementar una instal•lació immòtica que és l’aplicació de tècniques de gestió i control automatitzat a un edifici terciari amb bus de comunicació KNX/EIB. Per a la il•luminació s’han utilitzat fluorescents amb balasts DALI, que permeten la seva regulació i control, per així poder adequar en tot moment l’encesa i intensitat de llum d’aquests. En quant a la ventilació s’han utilitzat variadors de freqüència per també poder optimitzar el funcionament dels ventiladors podent posar-los en marxa quan realment sigui necessari i a la potència que calgui. Per enllaçar tots els elements de la instal•lació, detectors i actuadors, sorgeig la necessitat d’implementar xarxes de comunicació com el KNX/EIB, DALI, Modbus i Ethernet. Per gestionar variables, comunicacions i controlar elements, s´hi han implementen dos autòmats programables a més d’un PC integrat per la visualització i el control del pàrquing. S’ha aconseguit de realitzar un pàrquing totalment automàtic on no és necessaria l’actuació dels operaris i amb les principals càrregues elèctriques totalment regulables en potència. S’ha comprovat que la instal•lació funciona per sota de la potència nominal de les càrregues amb l’estalvi energètic que això suposa.

An evaluation of volume-based morphometry for prediction of mild cognitive impairment and Alzheimer's disease.

Voxel-based morphometry from conventional T1-weighted images has proved effective to quantify Alzheimer's disease (AD) related brain atrophy and to enable fairly accurate automated classification of AD patients, mild cognitive impaired patients (MCI) and elderly controls. Little is known, however, about the classification power of volume-based morphometry, where features of interest consist of a few brain structure volumes (e.g. hippocampi, lobes, ventricles) as opposed to hundreds of thousands of voxel-wise gray matter concentrations. In this work, we experimentally evaluate two distinct volume-based morphometry algorithms (FreeSurfer and an in-house algorithm called MorphoBox) for automatic disease classification on a standardized data set from the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative. Results indicate that both algorithms achieve classification accuracy comparable to the conventional whole-brain voxel-based morphometry pipeline using SPM for AD vs elderly controls and MCI vs controls, and higher accuracy for classification of AD vs MCI and early vs late AD converters, thereby demonstrating the potential of volume-based morphometry to assist diagnosis of mild cognitive impairment and Alzheimer's disease.

Relationship between imaging biomarkers, age, progression and symptom severity in Alzheimer's disease.

The early diagnostic value of glucose hypometabolism and atrophy as potential neuroimaging biomarkers of mild cognitive impairment (MCI) and Alzheimer's disease (AD) have been extensively explored using [18F]fluorodeoxyglucose positron emission tomography (FDG-PET) and structural magnetic resonance imaging (MRI). The vast majority of previous imaging studies neglected the effects of single factors, such as age, symptom severity or time to conversion in MCI thus limiting generalisability of results across studies. Here, we investigated the impact of these factors on metabolic and structural differences. FDG-PET and MRI data from AD patients (n = 80), MCI converters (n = 65) and MCI non-converters (n = 64) were compared to data of healthy subjects (n = 79). All patient groups were split into subgroups by age, time to conversion (for MCI), or symptom severity and compared to the control group. AD patients showed a strongly age-dependent pattern, with younger patients showing significantly more extensive reductions in gray matter volume and glucose utilisation. In the MCI converter group, the amount of glucose utilisation reduction was linked to the time to conversion but not to atrophy. Our findings indicate that FDG-PET might be more closely linked to future cognitive decline whilst MRI being more closely related to the current cognitive state reflects potentially irreversible damage.

How early can we predict Alzheimer's disease using computational anatomy?

Computational anatomy with magnetic resonance imaging (MRI) is well established as a noninvasive biomarker of Alzheimer's disease (AD); however, there is less certainty about its dependency on the staging of AD. We use classical group analyses and automated machine learning classification of standard structural MRI scans to investigate AD diagnostic accuracy from the preclinical phase to clinical dementia. Longitudinal data from the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative were stratified into 4 groups according to the clinical status-(1) AD patients; (2) mild cognitive impairment (MCI) converters; (3) MCI nonconverters; and (4) healthy controls-and submitted to a support vector machine. The obtained classifier was significantly above the chance level (62%) for detecting AD already 4 years before conversion from MCI. Voxel-based univariate tests confirmed the plausibility of our findings detecting a distributed network of hippocampal-temporoparietal atrophy in AD patients. We also identified a subgroup of control subjects with brain structure and cognitive changes highly similar to those observed in AD. Our results indicate that computational anatomy can detect AD substantially earlier than suggested by current models. The demonstrated differential spatial pattern of atrophy between correctly and incorrectly classified AD patients challenges the assumption of a uniform pathophysiological process underlying clinically identified AD.

Modeling and control of electromechanical systems

The material presented in the these notes covers the sessions Modelling of electromechanical systems, Passive control theory I and Passive control theory II of the II EURON/GEOPLEX Summer School on Modelling and Control of Complex Dynamical Systems.We start with a general description of what an electromechanical system is from a network modelling point of view. Next, a general formulation in terms of PHDS is introduced, and some of the previous electromechanical systems are rewritten in this formalism. Power converters, which are variable structure systems (VSS), can also be given a PHDS form.We conclude the modelling part of these lectures with a rather complex example, showing the interconnection of subsystems from several domains, namely an arrangement to temporally store the surplus energy in a section of a metropolitan transportation system based on dc motor vehicles, using either arrays of supercapacitors or an electric poweredflywheel. The second part of the lectures addresses control of PHD systems. We first present the idea of control as power connection of a plant and a controller. Next we discuss how to circumvent this obstacle and present the basic ideas of Interconnection and Damping Assignment (IDA) passivity-based control of PHD systems.

Power quality improving with virtual flux-based voltage source line converter

Line converters have become an attractive AC/DC power conversion solution in industrial applications. Line converters are based on controllable semiconductor switches, typically insulated gate bipolar transistors. Compared to the traditional diode bridge-based power converters line converters have many advantageous characteristics, including bidirectional power flow, controllable de-link voltage and power factor and sinusoidal line current. This thesis considers the control of the lineconverter and its application to power quality improving. The line converter control system studied is based on the virtual flux linkage orientation and the direct torque control (DTC) principle. A new DTC-based current control scheme is introduced and analyzed. The overmodulation characteristics of the DTC converter are considered and an analytical equation for the maximum modulation index is derived. The integration of the active filtering features to the line converter isconsidered. Three different active filtering methods are implemented. A frequency-domain method, which is based on selective harmonic sequence elimination, anda time-domain method, which is effective in a wider frequency band, are used inharmonic current compensation. Also, a voltage feedback active filtering method, which mitigates harmonic sequences of the grid voltage, is implemented. The frequency-domain and the voltage feedback active filtering control systems are analyzed and controllers are designed. The designs are verified with practical measurements. The performance and the characteristics of the implemented active filtering methods are compared and the effect of the L- and the LCL-type line filteris discussed. The importance of the correct grid impedance estimate in the voltage feedback active filter control system is discussed and a new measurement-based method to obtain it is proposed. Also, a power conditioning system (PCS) application of the line converter is considered. A new method for correcting the voltage unbalance of the PCS-fed island network is proposed and experimentally validated.

Taajuusmuuttajiakoskevat EMC-standardit

Taajuusmuuttajat aiheuttavat toimintansa seurauksena runsaasti laajakaistaisia sähkömagneettisia häiriöitä. Häiriöt etenevät sekä johtumalla että säteilemällä ja ne ovat seurausta pääasiassa taajuusmuuttajien toimintaan perustuvista nopeista kytkentäilmiöistä sekä puolijohdekomponenttien epälineaarisuuksista. Sähkömagneettisille häiriöille määritellään suurimmat sallitut tasot useissa EMC-standardeissa. Taajuusmuuttajia koskevia EMC-standardia on neljä; tuotestandardi EN 61800-3, harmonisia virtoja pienjänniteverkoissa käsittelevä EN 61000-3-12 sekä yleiset standardit EN 61000-6-1, -6-2 ja EN 61000-6-3, -6-4. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia ja koota yhteen edellä mainittujen standardien sisältämät vaatimukset. Työn pääpaino on kohdistettu häiriöpäästöille asetettuihin vaatimuksiin, sillä häiriöiden sietoon liittyvien vaatimusten täyttäminen ei taajuusmuuttajien kohdalla yleensä tuota ongelmia.

Katalysaattorin valmistuksen benchmarking

Työn tarkoituksena oli selvittää kilpailullisen benchmarkingin avulla Ecocat Oy:n käyttämien katalysaattoreiden valmistusmenetelmien suhdetta kilpailijoiden käyttämiin valmistusmenetelmiin, sekä tehdä benchmarking-tiedon pohjalta johtopäätöksiä ja ehdotuksia valmistusmenetelmien kehittämisestä. Tutkimuksen runkonatoimi benchmarking-prosessimalli, joka oli yhdistelmä kolmesta työn teoriaosassa esitellystä benchmarking-prosessimallista. Tiedon keruu benchmarkingia varten tapahtui käyttämällä hyväksi julkisten lähteiden lisäksi yrityksen sisäisiä tietolähteitä ja yrityksen ulkopuolisia kontakteja. Kerätyn tiedon pohjalta laadittiin kuvaukset Ecocatin ja sen kilpailijoiden käyttämistä valmistusmenetelmistä, tuotteista ja kustannuksista. Laadittujen kuvausten pohjalta suoritettiin vertailua menetelmien, tuotteiden ja kustannusten kesken. Tutkimuksessa havaittiin että Ecocatin käyttämät valmistusmenetelmät ovat kilpailukykyisiäja hyvin samankaltaisia kuin kilpailijoilla. Valmistusmenetelmien kehitysehdotusten tekemiseen kilpailullinen benchmarking antoi niukasti tietoa. Menetelmien kehittämiseen soveltuisikin paremmin jokin toinen benchmarking-tekniikka ja avoimempi benchmarking-yhteistyö.

Sähköteknisten laitteiden kunnossapidon kehittäminen sinkkitehtaalla

Diplomityön tavoitteena on ollut kehittää sähköteknisten laitteiden kunnossapitoa sinkkitehtaalla. Kokonaisuus on laaja ja laitteita paljon. Suuri kunnossapitobudjetti koostuu pienistä palasista. Kehitystyötä on pyritty tekemään käytännönläheisin ja helposti toteutettavin menetelmin, joissa voidaan mahdollisimman paljon hyödyntää sinkkitehtaan oman sähkökunnossapidon resursseja. Tämä kehittää myös henkilöstön laitetuntemusta. Kunnossapito-ohjelma pyritään pitämään riittävän kevyenä ja edullisena toteuttaa. Teoreettisen pohdiskelun ja huoltomenetelmien suunnittelun jälkeen kunnossapidon käytännön toteuttamiseksi on rakennettu tehtaan ATK-järjestelmään työmääräimiä, jotka pohjautuvat työn aikana kirjoitettuihin työohjeisiin. Työn alussa on selvitetty sähköturvallisuusmääräysten asettamia vaatimuksia. Suurella osalla huoltotoimenpiteistä pyritään parantamaan sähköturvallisuutta. Muilta osin työ keskittyy sähkökeskustiloihin ja moottorikäyttöihin, osastokohtaisiin prosessilaitteisiin ja tehtaalla oleviin tärkeisiin, muttaprosessiin varsinaisesti kuulumattomiin laitteisiin. Niiden käsittelyn yhteydessä esitellään myös huollossa käytettäviä menetelmiä, mittauksia ja tarkastuksia.

Nosturin tehonsyöttö rinnankytketyillä verkkovaihtosuuntaajilla

Taajuusmuuttajaohjatuissa nosturikäytöissä taakkaa laskettaessa syntyvä energia on muutettava lämmöksi jarruvastuksissa tai syötettävä takaisin sähköverkkoon esimerkiksi verkkovaihtosuuntaajalla. Verkkovaihtosuuntaajaa on tyypillisesti käytetty suurissa satamanostureissa, joiden tehontarve on yli 1000 kW. Työssä tutkitaan useista yhteiseen välipiiriin rinnankytketyistä nimellisteholtaan 250 kW:n verkkovaihtosuuntaajista koostuvan verkkoonjarrutuslaitteiston soveltuvuutta nosturikäyttöön. Lisäksi johdetaan yhtälöt verkkoonjarrutuslaitteiston virran laskemiseksi, kun nosturin mekaaniset arvot tunnetaan. Viidestä erityyppisestä nosturista esitellään esimerkkitoteutus rinnankytketyillä verkkovaihtosuuntaajilla. Aiemmin vastusjarruttavina toteutettujen nostureiden kustannuksia verrataan verkkovaihtosuuntaajilla toteutettuihin ratkaisuihin. Esimerkkinostureista esitetään nosturin työsykliin perustuva arvio verkkoonjarrutuksen tuomasta energian säästöstä. Tehtyjen mittausten perusteella käytetty menetelmä verkkovaihtosuuntaajien rinnan kytkemiseksi osoittautui nosturikäytössä toimivaksi. Kustannuslaskelmien perusteella verkkovaihtosuuntaajalla toteutetusta nosturista tulee materiaalikustannuksiltaan vastusjarruttavaa kalliimpi, vaikka paljon tilaa vievät vastuskaapit voidaankin jättää pois.

Taajuusmuuttajan häviöidensimulointityökalun kehitys

Diplomityössä on kehitetty kaksitasoisen jännitevälipiirillisen taajuusmuuttajan häviöiden simulointiin käytettävä simulointimalli osaksi säädettävän sähkömoottorikäytön simulointityökalua, jolla voidaan analysoida eri säätöalgoritmien, kuormituksen ja kytkentätaajuuden vaikutusta taajuusmuuttajan häviöihin. Aluksi on selvitetty yksityiskohtaisesti taajuusmuuttajan häviölähteet ja häviöiden fysikaalinen tausta. Taajuusmuuttajassa käytettäville komponenteille on esitetty simulointimalleja. Taajuusmuuttajan malli ja häviöiden laskenta-algoritmit on toteutettu C-kielellä. Taajuusmuuttajan malli vastaa perusrakenteeltaan ACS800-02-0260-5 - taajuusmuuttajaa. ACS800-02-0260-5 -taajuusmuuttajan häviöitä on simuloitu erilaisissa kuormitustilanteissa, ja simulointien tueksi taajuusmuuttajan häviöt on pyritty selvittämään laboratoriomittauksin.

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.

Sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan ohjauksen toteutus FPGA-piireillä

Tässä diplomityössä tutustutaan sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan rakenteeseen ja ohjaukseen. Työssä tarkastellaan myös hajautetun järjestelmän testaamista ja ohjelmointia. Työssä toteutettiin sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan modulaattori hajautetusti FPGA-piireille. Lisäksi diplomityössä kehitettiin ja toteutettiin optinen JTAG-rajapinta hajautetun järjestelmän testaukseen ja ohjelmointiin. Laboratoriokoelaitteisto koostui yhdeksästä taajuusmuuttajan ohjauskortista, LUT Master -ohjausyksiköstä ja dSPACE-ohjausjärjestelmästä. Laboratoriomittaukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Säätötekniikan laboratoriossa.

Moniensiöinen muuntaja taajuudenmuuttajakäytössä

Suuritehoisissa pumppu- ja puhallinkäytöissä käytetään usein suurnopeusmoottoria,jota syötetään välijännitteellä. Suurjännitetaajuudenmuuttajat ovat kalliita, eikä niitä ole aina edes mahdollista valmistaa. Tutkimuksen kohteena on rinnakkaisilla pienjännitetaajuudenmuuttajilla toteutettu sähkökäyttö, jossa pienjännite nostetaan moniensiöisellä muuntajalla suurjännitteeksi (6,6 kV) ja syötetään edelleen kuormana olevalle suurnopeusmoottorille. Opinnäytetyössä tutkitaan moniensiöisen muuntajan syöttöä rinnakkaisilla taajuudenmuuttajilla sekä niiden aiheuttamia häiriöitä toisilleen. Työssä tutkitaan myös harmonisten yliaaltojen vaikutuksia muuntajan häviöihin ja magnetointiominaisuuksiin. Taajuudenmuuttajan lähtöjännite ja -virta suodatetaan sinisuotimella, jonka parametreja simuloidaan Simulink- ohjelmistolla. Tavoite on löytää optimaaliset parametrit taajuudenmuuttajanlähtösuotimelle käyrämuotojen ja suotimeen jäävän tehon suhteen. Työssä tarkasteltiin sinisuodinta, johon jää 3 prosenttia syöttöjännitteestä. LC-suodin kompensoi sähkökäytön loistehon lähes kokonaan, joten taajuudenmuuttajien antotehon kannalta suotimet ovat perusteltuja. Taajuudenmuuttajan näennäisteho putoaa 22 prosenttia, joten taajuudenmuuttajat voidaan vastaavasti mitoittaa pienemmiksi.