Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön suunnittelu ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Ympäristörasituksen vähentäminen, tiukkenevat päästörajat ja ehtyvät öljyvarat ovat ajaneet kulkuvälineteollisuuden hakemaan uusia vaihtoehtoja ajoneuvojen energiatehokkuuden kehittämiseksi. Hybriditeknologia tarjoaa ratkaisuja kustannustehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden parantamiseksi. Hybriditeknologian yleistyessä myös työkoneympäristössä saadaan paitsi kehitettyä energiatehokkaampia ja pienemmillä käyttökustannuksilla olevia työkoneita, niin myös tuotua siviiliajoneuvoista tuttuja turvallisuusominaisuuksia työkoneympäristöön. Perinteisten diesel-moottorien korvaaminen nopeavasteisilla ja tarkasti säädettävillä sähkömoottoreilla tarjoaa mahdollisuuksia toteuttaa tarkempia ja monipuolisempia säätöjärjestelmiä kuin perinteisessä ympäristössä. Tässä diplomityössä suunnitellaan luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö hybridityökoneympäristöön. Järjestelmä voi käyttökohteesta riippuen pienentää huomattavasti käyttökustannuksia ja mahdollistaa uusien sovellusten tuomista markkinoille, kuten esimerkiksi kääntymisen avustaminen differentiaalisella ohjauksella.

Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems

One of the targets of the climate and energy package of the European Union is to increase the energy efficiency in order to achieve a 20 percent reduction in primary energy use compared with the projected level by 2020. The energy efficiency can be improved for example by increasing the rotational speed of large electrical drives, because this enables the elimination of gearboxes leading to a compact design with lower losses. The rotational speeds of traditional bearings, such as roller bearings, are limited by mechanical friction. Active magnetic bearings (AMBs), on the other hand, allow very high rotational speeds. Consequently, their use in large medium- and high-speed machines has rapidly increased. An active magnetic bearing rotor system is an inherently unstable, nonlinear multiple-input, multiple-output system. Model-based controller design of AMBs requires an accurate system model. Finite element modeling (FEM) together with the experimental modal analysis provides a very accurate model for the rotor, and a linearized model of the magneticactuators has proven to work well in normal conditions. However, the overall system may suffer from unmodeled dynamics, such as dynamics of foundation or shrink fits. This dynamics can be modeled by system identification. System identification can also be used for on-line diagnostics. In this study, broadband excitation signals are adopted to the identification of an active magnetic bearing rotor system. The broadband excitation enables faster frequency response function measurements when compared with the widely used stepped sine and swept sine excitations. Different broadband excitations are reviewed, and the random phase multisine excitation is chosen for further study. The measurement times using the multisine excitation and the stepped sine excitation are compared. An excitation signal design with an analysis of the harmonics produced by the nonlinear system is presented. The suitability of different frequency response function estimators for an AMB rotor system are also compared. Additionally, analytical modeling of an AMB rotor system, obtaining a parametric model from the nonparametric frequency response functions, and model updating are discussed in brief, as they are key elements in the modeling for a control design. Theoretical methods are tested with a laboratory test rig. The results conclude that an appropriately designed random phase multisine excitation is suitable for the identification of AMB rotor systems.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön testaus ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Työssä toteutettiin C-kielellä luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö Simulinkmallien pohjalta hybridityökoneeseen. Hybridityökoneen sähkökäytöt mahdollistavat tarkan vääntömomentin säädön, joka mahdollistaa työssä kuvatun kaltaisen järjestelmän toteuttamisen. Toteutettua järjestelmää simuloitiin MeVEA Oy:n ajoneuvomallinnukseen kehitetyssä simulaattorissa. Lisäksi järjestelmästä kehitettiin Visedo Oy:n sähkökäyttösimulaattoriin sopiva versio, jota testattiin Visedon sähkökäyttöjä simuloivan ohjelman kanssa. Simulointituloksien mukaan luistonesto estää vetäviä pyöriä luistamasta liukkaalla alustalla eikä toisaalta vähennä aiheetta kuljettajan asettamaa vääntömomenttia. Myös sähköinen tasauspyörästö toimi kuten oli suunniteltu. Työssä kehitetty luistonesto tarvitsee toimiakseen tiedon ajoneuvon kokonaismassasta, joten työssä kehitettiin myös tapa ajoneuvon massan estimoimiseksi ajoneuvon kiihdyttäessä. Massan estimointia testattiin pitävällä ja liukkaalla alustalla. Massan estimointi toimi simulaattoriympäristössä hyvällä tarkkuudella.

Energy storage in electric drive system

In recent years the environmental issues and the energy saving have become increasingly import in modern society where industry is the major emission factor and energy consumer. Generally, most of the total energy consumption is caused by electrical drives used in industrial applications and thus improving the performance of electrical drives give an opportunity to improve the energy efficiency. In this Master Thesis improving the energy efficiency in different electrical drives is clarified with different cases: regenerative braking in the electric grid or recovery of the braking energy into an energy storage. In addition, as an example, the energy consumption of an elevator is analyzed by measurements. From these measurement results it can be estimated how much the share of the standby energy consumption is from the total energy consumption and how much regenerative energy is available. The latter part of the thesis concentrates on determination of the properties of lithium iron phosphate battery with measurements.

Sähköajoneuvon sähkökäytön ja mekaniikan reaaliaikaisen yhdistelmäsimulaation toteuttaminen virtuaaliympäristössä

Esitetyn tutkimuksen tavoite on selvittää yksinkertaisen sähköajoneuvosimulaation avulla sähkökäyttösimulaation ja mekaniikkasimulaation välisen ohjelmallisen rajapinnan toimivuutta ja samalla toteuttaa LUT Energian hybridilaboratorion ensimmäinen rajapintaa hyödyntävä sähkökäytön ja mekaniikan yhdistelmäsimulaatio. Tutkimus on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston hybridikäyttötutkimusta, jossa muun muassa virtuaalisimuloinnin ja in-loop –simulaatioiden avulla tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisoinnin vaikutuksia esimerkiksi niiden suorituskykyyn, energiatehokkuuteen ja käytettävyyteen. Tulokset osoittavat mainitun rajapinnan toimivuuden, mikä mahdollistaa tutkimuksen etenemisen. Lisäksi raportti selvittää virtuaalisimuloinnin keskeisiä käsitteitä (virtual prototyping, hardware-in-the-loop sekä human-in-the-loop –simulointi).

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.

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.

Kestomagneettitahtikonekäyttöjen erot

Permanent magnet drives with nominal power over 10 kW were not a cost-sufficient system 25 years ago due to high material expenses. The improvements in motor drives, the rise in competition and the tightening of standards and regulations have caused that the PM-drives are more and more common in the over 10 kW nominal power range. The goal of this thesis is to research the performance in relation to nominal power of a PM-drive technique that is vastly increasing its popularity in fan related devices. The studied motor technique brushless direct current drive (BLDC) consists of a voltage source inverter, permanent motor and six-step-control. The reference drive is a brushless alternating current drive (BLAC) which consists of a VSI, PM and a hysteresis control. As a conclusion there are no major obstacles that would impede the BLDC-drive technique from expanding to larger power stages. The following factors must be taken into consideration when designing a BLDC-drive: motor’s current change rate, inverter switching frequency, motor’s nominal electric frequency, phase inductance and the current handling capability of the inverter. The fluctuating material costs create instability to the end prices of PM-motors that can in the worst case lead to diminished interest towards BLDC- and PM-drives in general.

Energy and Dynamics of the solar agricultural robot "SolarSprayer"

The main objective of the present study was to design an agricultural robot, which work is based on the generation of the electricity by the solar panel. To achieve the proper operation of the robot according to the assumed working cycle the detailed design of the main equipment was made. By analysing the possible areas of implementation together with developments, the economic forecast was held. As a result a decision about possibility of such device working in agricultural sector was made and the probable topics of the further study were found out.

Variable speed refrigeration system with HPF input rectifier stage

This paper is based on the analysis and implementation of a new drive system applied to refrigeration systems, complying with the restrictions imposed by the IEC standards (Harmonic/Flicker/EMI-Electromagnetic Interference restrictions), in order to obtain high efficiency, high power factor, reduced harmonic distortion in the input current and reduced electromagnetic interference, with excellent performance in temperature control of a refrigeration prototype system (automatic control, precision and high dynamic response). The proposal is replace the single-phase motor by a three-phase motor, in the conventional refrigeration system. In this way, a proper control technique can be applied, using a closed-loop (feedback control), that will allow an accurate adjustment of the desirable temperature. The proposed refrigeration prototype uses a 0.5Hp three-phase motor and an open (Belt-Drive) Bitzer IY type compressor. The input rectifier stage's features include the reduction in the input current ripple, the reduction in the output voltage ripple, the use of low stress devices, low volume for the EMI input filter, high input power factor (PF), and low total harmonic distortion (THD) in the input current, in compliance with the IEC61000-3-2 standards. The digital controller for the output three-phase inverter stage has been developed using a conventional voltage-frequency control (scalar V/f control), and a simplified stator oriented Vector control, in order to verify the feasibility and performance of the proposed digital controls for continuous temperature control applied at the refrigerator prototype. ©2008 IEEE.

Trolleybus power system for operation with AC or DC distribution networks

This paper presents the development and experimental analysis of a special input stage converter for a Trolleybus type vehicle allowing its operation in AC (two wires, single-phase) or DC distribution networks. The architecture of proposed input stage converter is composed by five interleaved boost rectifiers operating in discontinuous conduction mode. Furthermore, due to the power lines characteristics, the proposed input power structure can act as AC to DC or as DC to DC converter providing a proper DC output voltage range required to the DC bus. When operation is AC to DC, the converter is capable to provide high power factor with reduced harmonic distortion for the input current, complying with the restrictions imposed by IEC 61000-3-4 standard. Finally, the main experimental results are presented in order to verify the feasibility of the proposed converter, demonstrating the benefits and the possibility for AC feeding system for trolleybus type vehicle. © 2010 IEEE.

Optimized dynamic response of parallel operation of two single phase inverters based on evolutionary theory

In this work it is proposed an optimized dynamic response of parallel operation of two single-phase inverters with no control communication. The optimization aims the tuning of the slopes of P-ω and Q-V curves so that the system is stable, damped and minimum settling time. The slopes are tuned using an algorithm based on evolutionary theory. Simulation and experimental results are presented to prove the feasibility of the proposed approach. © 2010 IEEE.

A HPF AC-AC converter for Permanent Magnet Generator applications

This paper describes the design and development of a high input power-factor (HPF) AC to AC converter for naval applications using Permanent Magnet Generator (PMG). The proposed converter comprises an isolated three-phase uncontrolled multipulse rectification stage directly connected to a single-phase inverter stage, without the use of DC to DC intermediary stage, resulting in more simplicity for the overall circuitry, assuring robustness, reliability and reduced costs. Furthermore, the multipulse rectifier stage is capable to provide high power factor and input currents with low total harmonic distortion (THD). The output voltage of the PMG varies from 260V rms (220 Hz) to 380V rms (360 Hz), depending on load conditions. The output single-phase inverter stage was designed to operate with wide range of DC bus voltage, maintaining 120V rms, 60 Hz output. Measured total harmonic distortion for the AC output voltage represents less than 2%, at 3.6kW nominal linear load. © 2010 IEEE.

Three-phase tri-state integrated boost inverter with special space vector and dq0 control

This paper presents a three-phase integrated inverter suitable for stand-alone and grid-connected applications. Furthermore, the utilization of the special features of the tri-state coupled with the new space vector modulation allows the converter to present an attractive degree of freedom for the designing of the controllers. Additionally, the control is derived through dq0 transformation, all the system is described and interesting simulation results are available to confirm the proposal. © 2012 IEEE.

Tri-state single-phase integrated inverters with input to output power decoupling control

Researches on control for power electronics have looked for original solutions in order to advance renewable resources feasibility, specially the photovoltaic (PV). In this context, for PV renewable energy source the usage of compact, high efficiency, low cost and reliable converters are very attractive. In this context, two improved simplified converters, namely Tri-state Boost and Tri-state Buck-Boost integrated single-phase inverters, are achieved with the presented Tri-state modulation and control schemes, which guarantees the input to output power decoupling control. This feature enhances the field of single-phase PV inverters once the energy storage is mainly inductive. The main features of the proposal are confirmed with some simulations and experimental results. © 2012 IEEE.