Tuotelaadunhallintamallin kehittäminen taajuusmuuttajien varaosaliiketoiminnassa

Tutkimuksen tarkoituksena on ollut arvioida ja kehittää tuotelaadunhallintamalli taajuusmuuttajien elinkaaripalveluja tarjoavassa ABB Oy, Drives, Drives Service liiketoimintayksikössä. ABB:n valmistamat taajuusmuuttajat säätävät asiakkaiden prosesseja ympäri maailman useissa erityyppisissä sovelluksissa. Vanhimmat varaosatuen piirissä olevat asennukset ovat 1980-luvulta. Aluksi työssä tarkastellaan niitä elementtejä, joista laatu muodostuu eli kokemusperäisiä elementtejä sekä kvantitatiivisia attribuutteja. Yhteistä molemmille on, että niitä voidaan aktiivisesti monitoroida ja hallita. Laadun hallitsemiseksi verkostoituneessa toimintaympäristössä tarvitaan ymmärrystä liiketoimintaverkostoista ja erilaisien komponenttitoimittajien ja jakeluverkostojen markkinakentästä. Laatua ja liiketoimintaverkostoja käsittelevien osuuksien jälkeen pureudutaan kunnossapitoon ja sen lainalaisuuksiin. Lopuksi muodostetaan varaosaliiketoimintaa tukeva tuotelaadunhallintamalli, joka pyrkii peilaamaan erilaisien viitekehysten avulla tarkoituksen mukaista toimintamallia varaosatoimitusten tuotelaadun vaalimiseksi.

Aktiivisen verkkosillan tuottaman yhteismuotoisen jännitteen vaimentaminen kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä, taajuusmuuttajatopologiassa

Pulssinleveysmoduloidun vaihtosuuntaajan hyötysuhteen parantaminen ja kytkentätaajuuden suurentaminen ovat johtaneet lähtöjännitteen suuritaajuiseen taajuussisältöön kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajatopologiassa. Kasvava tarve siirtää tehoa myös verkkoon päin on lisännyt aktiivisen verkkosillan käyttöä. Kaksitasoisen aktiivisen verkkosillan vaikutuksesta DC-välipiirin keskipisteen ja kolmivaiheisen kuorman tähtipisteen välinen jännite on nollasta poikkeava aiheuttaen suurentuneen yhteismuotoisen jännitteen taajuusmuuttajan lähtöön ja verkon puolelle. Lisäksi yhteismuotoisten jännitteiden aiheuttamat kytkentätaajuiset häiriövirrat voivat aiheuttaa vikavirtasuojien tahatonta laukeamista, vaikeuttaa EMC-standardien vaatimusten täyttämistä, lisätä moottorin käämieristyksien rasitusta ja mahdollisuutta moottorin laakerivaurioille. Diplomityössä tutkitaan aktiivisen ja passiivisen verkkosillan tuottamaa yhteismuotoista jännitettä simuloinneilla. Esitellään aikaisempaa tutkimustietoa yhteismuotoisen jännitteen ja virran vaimennusratkaisuista aktiivista verkkosiltaa käytettäessä. Tutkimustiedon pohjalta suunnitellaan koelaitteistolle soveltuva suodin. Suotimen toiminta testataan simuloinnein sekä kokeellisin mittauksin. Tehdyt mittaukset osoittavat, että suunniteltu suodin vaimentaa yhteismuotoista jännitettä noin 20 dB verkkosillan kytkentätaajuudella ja tämän jälkeen yli 20 dB/dekadi taajuuteen 100 kHz asti. Lisäksi yhteismuotoisen virran suuruus syöttökaapelin kautta pieneni ehdotetun suotimen vaikutuksesta.

Jännitettä nostavan hakkurin käyttö akkukäyttöisessä audiolaitteessa

Audiovahvistimet pohjautuvat yhä useammin D-luokan vahvistimiin niiden korkean hyötysuhteen takia. Tämä mahdollistaa pidemmän käyttöajan tai vastaavasti tehon lisäämisen kannettavissa audiolaitteissa. Kuitenkin, jotta akkukäyttöisestä audiolaitteesta saataisiin suurempaa tehoa, se vaatii yleensä korkeamman jännitteen kuin yksittäisen akun lähtöjännite on. Korkeampi jännite voidaan saavuttaa lisäämällä akkuja tai käyttämällä jännitettä nostavaa hakkuria. Hakkureissa syntyy kuitenkin kytkennästä johtuvaa värettä, mille D-luokan vahvistimet ovat alttiita. Tässä työssä tutkitaan boost- ja Čuk-hakkurin soveltuvuutta jännitteen nostoon akkukäyttöisessä audiolaitteessa. Käytännön sovelluksena toimii Porsas, josta halutaan saada 500 W teho. Työssä tutkitaan audiolaitteen asettamia ehtoja jännitelähteelle sekä hakkurien mitoittamista ehtojen mukaisesti. Työn tutkimustapana on kirjallisuustutkimus ja simulointi. Audiolaitteen jännitelähteeltä vaatima teho vaihtelee suuresti. Tämä tulee ottaa huomioon hakkurin komponenttien mitoituksessa. Lisäksi hakkurin lähtöjännitteen väre pyritään minimoimaan, koska sillä on suuri vaikutus vahvistimen toimintaan. Tulovirran väreen minimoinnilla on pidentävä vaikutus akun purkusykliin. Hakkurien laskennalliset komponenttien arvot sekä simuloinnit osoittavat, että hakkurit olisivat myös mahdollista tehdä käytännössä. Simulointien perusteella boost-hakkurin komponenttien arvot ovat pienempiä kuin Čuk-hakkurin. Boost-hakkurille löytyy myös valmiita ohjainpiirejä enemmän. Toisaalta Čuk-hakkurilla on mahdollista tehdä myös energiansäästötila. Hakkurien ohjaus ja jäähdytys vaatisivat jatkotutkimusta.

Aaltoenergia

Työssä tutustutaan aaltoenergian nykytilaan maailmalla. Tarkoituksena on selvittää mitä aaltoenergia on ja miten sitä voidaan hyödyntää. Lähtökohtana on, ettei lukija ole perehtynyt aaltoenergiaan millään tavoin. Työssä tutustutaan eri sovelluksiin ja tekniikoihin ja pyritään keskittymään lähinnä sellaisiin tekniikoihin, jotka ovat tällä hetkellä selvästi kehityksen kärjessä tai esikaupallisessa kehitysvaiheessa. Lisäksi työssä pohditaan aaltoenergian potentiaalia ja mahdollisia ympäristövaikutuksia.

Limittelymenetelmän hyödyntäminen verkkovaihtosuuntaajassa: LCL-suotimen mitoitus

Teollisuudessa yleinen trendi on saada entistä tehokkaampia, halvempia, hyötysuhteeltaan parempia ja fyysisiltä mitoiltaan pienempiä sähkökäyttöjä. Luonnollisesti nämä vaatimukset ovat samoja myös taajuusmuuttajilla. Näiden vaatimusten välillä täytyy aina tehdä kompromisseja ja kehittää uusia menetelmiä. Monissa teollisuuden sähkökäytöissä tarvitaan verkkovaihtosuuntaajaa syöttämään tehoa generaattorilta tai jarrutettavalta moottorilta sähköverkkoon. Verkkovaihtosuuntaajassa käytännössä tarvitaan aina LCL-suodin, joka on fyysisesti järjestelmän suurin ja kallein yksittäinen komponentti, ja luonnollisesti suuritehoinen laite vaatii suuren LCL-suotimen. LCL-Suotimen fyysinen koko on kääntäen verrannollinen kytkentätaajuuteen. Tässä diplomityössä esitellään interleaving eli limittelymenetelmä, jonka avulla pystytään kasvattamaan verkkovaihtosuuntaajan ekvivalenttista kytkentätaajuutta ja pienentämään virran värettä sekä kokonaisharmonista säröä. Menetelmästä aiheutuu myös merkittävä haaste, kiertovirrat, joiden suodatusta tutkitaan kahdella eri menetelmällä. Käytetyt suodatustavat ovat LCL-suodin, jossa on lisäksi CM-kuristin ja LCL-suodin, jossa käytetään solujen välistä muuntajaa, ICT:tä. Työ suoritettiin teoriatutkimuksena ja simuloimalla. Tulokset osoittavat, että molemmat suodatustavat voivat toimia todellisessa sovelluksessa. Kuitenkin vain ICT:n omaava suodin on selkeästi vastaavan kokoista kaksitasoista verkkovaihtosuuntaajan suodinta pienempi. Tutkimus osoittaa myös sen, että tutkitussa sovelluskohteessa pelkkä fyysinen suodin ei riitä suodattamaan kiertovirtoja, vaan säätimeen täytyy tehdä myös muutoksia.

LVDC power distribution system: computational modelling

In the doctoral dissertation, low-voltage direct current (LVDC) distribution system stability, supply security and power quality are evaluated by computational modelling and measurements on an LVDC research platform. Computational models for the LVDC network analysis are developed. Time-domain simulation models are implemented in the time-domain simulation environment PSCAD/EMTDC. The PSCAD/EMTDC models of the LVDC network are applied to the transient behaviour and power quality studies. The LVDC network power loss model is developed in a MATLAB environment and is capable of fast estimation of the network and component power losses. The model integrates analytical equations that describe the power loss mechanism of the network components with power flow calculations. For an LVDC network research platform, a monitoring and control software solution is developed. The solution is used to deliver measurement data for verification of the developed models and analysis of the modelling results. In the work, the power loss mechanism of the LVDC network components and its main dependencies are described. Energy loss distribution of the LVDC network components is presented. Power quality measurements and current spectra are provided and harmonic pollution on the DC network is analysed. The transient behaviour of the network is verified through time-domain simulations. DC capacitor guidelines for an LVDC power distribution network are introduced. The power loss analysis results show that one of the main optimisation targets for an LVDC power distribution network should be reduction of the no-load losses and efficiency improvement of converters at partial loads. Low-frequency spectra of the network voltages and currents are shown, and harmonic propagation is analysed. Power quality in the LVDC network point of common coupling (PCC) is discussed. Power quality standard requirements are shown to be met by the LVDC network. The network behaviour during transients is analysed by time-domain simulations. The network is shown to be transient stable during large-scale disturbances. Measurement results on the LVDC research platform proving this are presented in the work.

Robust current control of a phase shifted full-bridge buck converter

In this thesis, the main point of interest is the robust control of a DC/DC converter. The use of reactive components in the power conversion gives rise to dynamical effects in DC/DC converters and the dynamical effects of the converter mandates the use of active control. Active control uses measurements from the converter to correct errors present in the converter’s output. The controller needs to be able to perform in the presence of varying component values and different kinds of disturbances in loading and noises in measurements. Such a feature in control design is referred as robustness. This thesis also contains survey of general properties of DC/DC converters and their effects on control design. In this thesis, a linear robust control design method is studied. A robust controller is then designed and applied to the current control of a phase shifted full bridge converter. The experimental results are shown to match simulations.

An optically coupled power stimulus isolation unit with high voltage and fast rise time output

Recent technological developments have created new devices that could improve and simplify the construction of stimulus isolators. HEXFET transistors can switch large currents and hundreds of volts in nanoseconds. The newer opto-isolators can give a pulse rise time of a few nanoseconds, with output compatible with MOSFET devices, in which delays are reduced to nanoseconds. Integrated DC/DC converters are now available. Using these new resources we developed a new electrical stimulus isolator circuit with selectable constant-current and constant-voltage modes, which are precise and easy to construct. The circuit works like a regulated power supply in both modes with output switched to zero or to free mode through an opto-isolator device. The isolator analyses showed good practical performance. The output to ground resistance was 1011 ohms and capacitance 35 picofarads. The rise time and fall time were identical (5 µs) and constant. The selectable voltage or current output mode made it very convenient to use. The current mode, with higher output resistance values in low current ranges, permits intracellular stimulation even with tip resistances close to 100 megaohms. The high compliance of 200 V guarantees the value of the current stimulus. The very low output resistance in the voltage mode made the device highly suitable for extracellular stimulation with low impedance electrodes. Most importantly, these characteristics were achieved with a circuit that was easy to build and modify and assembled with components available in Brazil.

The requirements of a feasible plastic packaging material for cultured dairy products

The objective of this Master´s Thesis was to conduct a wide scale preliminary survey regarding the package requirements of a cultured dairy package, and to compare the currently used material polystyrene to other suitable packaging materials. Polystyrene has a long history of use in dairy cups, but in recent years its price has increased significantly compared to other common packaging materials. The overall environmental effects of a package and a package material are today a part of designing a sustainable product life cycle. In addition, in certain contexts there has been discussion of the risks posed by styrene polymer for the environment and for humans. These risks are also discussed in this thesis. Polystyrene (PS) is still the most widely used material in dairy cups. In recent years, polypropylene (PP) cups have appeared in increasing numbers on market shelves. This study focuses on the differences of the suitable polymers and examines the suitability of alternative “suitable” polymers with regards to dairy packaging. Aside from focusing on the cup manufacturer, this thesis also examines its subject matter from the viewpoint of the dairy customer, as well as observing the concrete implications of material changes in the overall value chain. It was known in advance that material permeability would be one of the determining factors and that gas transmission testing would be a significant part of the thesis. Mechanical tests were the second part of the testing process, providing information regarding package strength and protectiveness during the package’s life cycle. Production efficiency, along with uninterrupted stable production, was another important factor that was taken into consideration. These two issues are sometimes neglected in similar contexts due to their self-evident nature. In addition, materials used in production may have a surprising significance to the production and efficiency. Consistent high quality is also partly based on material selection. All of the aforementioned factors have been documented and the results have been analyzed by the development team at Coveris Rigid Finland. Coveris is now calculating the total finance effects and capacities should the material changes be implemented in practice. There are many factors in favor of switching to polypropylene at the moment. The overall production costs, as well as the environmental effects of resin production are the primary influences for said switch from the converters’ perspective.

Radio-frequency-based measurement methods for bearing current analysis in induction motors

The most common reason for a low-voltage induction motor breakdown is a bearing failure. Along with the increasing popularity of modern frequency converters, bearing failures have become the most important motor fault type. Conditions in which bearing currents are likely to occur are generated as a side effect of fast du/dt switching transients. Once present, different types of bearing currents can accelerate the mechanical wear of bearings by causing deformation of metal parts in the bearing and degradation of the lubricating oil properties.The bearing current phenomena are well known, and several bearing current measurement and mitigation methods have been proposed. Nevertheless, in order to develop more feasible methods to measure and mitigate bearing currents, better knowledge of the phenomena is required. When mechanical wear is caused by bearing currents, the resulting aging impact has to be monitored and dealt with. Moreover, because of the stepwise aging mechanism, periodically executed condition monitoring measurements have been found ineffective. Thus, there is a need for feasible bearing current measurement methods that can be applied in parallel with the normal operation of series production drive systems. In order to reach the objectives of feasibility and applicability, nonintrusive measurement methods are preferred. In this doctoral dissertation, the characteristics and conditions of bearings that are related to the occurrence of different kinds of bearing currents are studied. Further, the study introduces some nonintrusive radio-frequency-signal-based approaches to detect and measure parameters that are associated with the accelerated bearing wear caused by bearing currents.

Modular Double-Cascade Converter

Medium-voltage motor drives extend the power rating of AC motor drives in industrial applications. Multilevel converters are gaining an ever-stronger foothold in this field. This doctoral dissertation introduces a new topology to the family of modular multilevel converters: the modular double-cascade converter. The modularity of the converter is enabled by the application of multiwinding mediumfrequency isolation transformers. Owing to the innovative transformer link, the converter presents many advantageous properties at a concept level: modularity, high input and output power quality, small footprint, and wide variety of applications, among others. Further, the research demonstrates that the transformer link also plays a key role in the disadvantages of the topology. An extensive simulation study on the new converter is performed. The focus of the simulation study is on the development of control algorithms and the feasibility of the topology. In particular, the circuit and control concepts used in the grid interface, the coupling configurations of the load inverter, and the transformer link operation are thoroughly investigated. Experimental results provide proof-of-concept results on the operation principle of the converter. This work concludes a research collaboration project on multilevel converters between LUT and Vacon Plc. The project was active from 2009 until 2014.

Invoice process analysis and development. Case: Power and automation technology company

This master’s thesis studies the case company’s current purchase invoice process and the challenges that are related to it. Like most of other master’s thesis this study consists of both theoretical- and empirical parts. The purpose of this work is to combine theoretical and empirical parts together so that the theoretical part brings value to the empirical case study. The case company’s main business is frequency converters for both low voltage AC & DC drives and medium voltage AC Drives which are used across all industries and applications. The main focus of this study is on the current invoice process modelling. When modelling the existing process with discipline and care, current challenges can be understood better. Empirical study relays heavily on interviews and existing, yet fragmented, data. This, along with own calculations and analysis, creates the foundation for the empirical part of this master’s thesis.

Electromagnetic and thermal design of a multilevel converter with high power density and reliability

Electric energy demand has been growing constantly as the global population increases. To avoid electric energy shortage, renewable energy sources and energy conservation are emphasized all over the world. The role of power electronics in energy saving and development of renewable energy systems is significant. Power electronics is applied in wind, solar, fuel cell, and micro turbine energy systems for the energy conversion and control. The use of power electronics introduces an energy saving potential in such applications as motors, lighting, home appliances, and consumer electronics. Despite the advantages of power converters, their penetration into the market requires that they have a set of characteristics such as high reliability and power density, cost effectiveness, and low weight, which are dictated by the emerging applications. In association with the increasing requirements, the design of the power converter is becoming more complicated, and thus, a multidisciplinary approach to the modelling of the converter is required. In this doctoral dissertation, methods and models are developed for the design of a multilevel power converter and the analysis of the related electromagnetic, thermal, and reliability issues. The focus is on the design of the main circuit. The electromagnetic model of the laminated busbar system and the IGBT modules is established with the aim of minimizing the stray inductance of the commutation loops that degrade the converter power capability. The circular busbar system is proposed to achieve equal current sharing among parallel-connected devices and implemented in the non-destructive test set-up. In addition to the electromagnetic model, a thermal model of the laminated busbar system is developed based on a lumped parameter thermal model. The temperature and temperature-dependent power losses of the busbars are estimated by the proposed algorithm. The Joule losses produced by non-sinusoidal currents flowing through the busbars in the converter are estimated taking into account the skin and proximity effects, which have a strong influence on the AC resistance of the busbars. The lifetime estimation algorithm was implemented to investigate the influence of the cooling solution on the reliability of the IGBT modules. As efficient cooling solutions have a low thermal inertia, they cause excessive temperature cycling of the IGBTs. Thus, a reliability analysis is required when selecting the cooling solutions for a particular application. The control of the cooling solution based on the use of a heat flux sensor is proposed to reduce the amplitude of the temperature cycles. The developed methods and models are verified experimentally by a laboratory prototype.

Converter-Fed Induction Motor Losses: Determination With IEC Methods

Energy efficiency is an important topic when considering electric motor drives market. Although more efficient electric motor types are available, the induction motor remains as the most common industrial motor type. IEC methods for determining losses and efficiency of converter-fed induction motors were introduced recently with the release of technical specification IEC/TS 60034-2-3. Determining the induction motor losses with IEC/TS 60034-2-3 method 2-3-A and assessing the practical applicability of the method are the main interests of this study. The method 2-3-A introduces a specific test converter waveform to be used in the measurements. Differences between the induction motor losses with a test converter supply, and with a DTC converter supply are investigated. In the IEC methods, the tests are run at motor rated fundamental voltage, which, in practice, requires the frequency converter to be fed with a risen input voltage. In this study, the tests are run on both frequency converters with artificially risen converter input voltage, resulting in rated motor fundamental input voltage as required by IEC. For comparison, the tests are run with both converters on normal grid input voltage supply, which results in lower motor fundamental voltage and reduced flux level, but should be more relevant from practical point of view. According to IEC method 2-3-A, tests are run at rated motor load, and to ensure comparability of the results, the rated load is used in the grid-fed converter measurements, although motor is overloaded while producing the rated torque at reduced flux level. The IEC 2-3-A method requires also sinusoidal supply test results with IEC method 2-1-1B. Therefore, the induction motor losses with the recently updated IEC 60034-2-1 method 2-1-1B are determined at the motor rated voltage, but also at two lower motor voltages, which are according to the output fundamental voltages of the two network-supplied converters. The method 2-3-A was found to be complex to apply but the results were stable. According to the results, the method 2-3-A and the test converter supply are usable for comparing losses and efficiency of different induction motors at the operating point of rated voltage, rated frequency and rated load, but the measurements do not give any prediction of the motor losses at final application. One might therefore strongly criticize the method’s main principles. It seems, that the release of IEC 60034-2-3 as a technical specification instead of a final standard for now was justified, since the practical relevance of the main method is questionable.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.