Täystehokonvertterin tehohäviöt ja hyötysuhde

Diplomityössä perehdytään tuuliturbineissa käytettyjen täystehokonvertterien tehohäviöihin ja hyötysuhteeseen. Täystehokonvertterissa generaattorin tuottama sähköteho tasasuunnataan hyvällä hyötysuhteella aktiivisella geenraattorisillalla konvertterin välipiiriin ja edelleen vaihtosuunnataan aktiivisella verkkovaihtosuuntaajasillalla siirtoverkkoon. Työn tarkoituksena on antaa yleiskuva tehohäviöiden jakautumisesta ja yksinkertaistaa niiden laskentaa. Häviömekanismit ja häviöiden määräytyminen esitellään pääkomponenttitasolla. Tehohäviöiden osalta keskitytään erityisesti muuntajateräksestä valmistettujen sinisuotimien ja du/dt-suotimien rautahäviöihin. Ongelmana rautahäviöiden määrittämisessä on korkeilla taajuuksilla tapahtuvat häviöt, joiden laskentaan ei ole yleensä saatavilla tarvittavia materiaaliparametrejä. Tehohäviöiden laskentaa varten toteutettu laskentasovellus on esitelty periaatteellisina vuokaavioina ja sovelluksella saatavia tuloksia on esitetty ja vertailtu mitattuihin tuloksiin.

Vaihtosuuntaajan reaaliaikainen lämpömalli

Vaihtosuuntaajan IGBT-moduulin liitosten lämpötiloja ei voida suoraan mitata, joten niiden arviointiin tarvitaan reaaliaikainen lämpömalli. Tässä työssä on tavoitteena kehittää tähän tarkoitukseen C-kielellä implementoitu ratkaisu, joka on riittävän tarkka ja samalla mahdollisimman laskennallisesti tehokas. Ohjelmallisen toteutuksen täytyy myös sopia erilaisille moduulityypeille ja sen on tarvittaessa otettava huomioon saman moduulin muiden sirujen lämmittävä vaikutus toisiinsa. Kirjallisuuskatsauksen perusteella valitaan olemassa olevista lämpömalleista käytännön toteutuksen pohjaksi lämpöimpedanssimatriisiin perustuva malli. Lämpöimpedanssimatriisista tehdään Simulink-ohjelmalla s-tason simulointimalli, jota käytetään referenssinä muun muassa implementoinnin tarkkuuden verifiointiin. Lämpömalli tarvitsee tiedon vaihtosuuntaajan häviöistä, joten työssä on selvitetty eri vaihtoehtoja häviölaskentaan. Lämpömallin kehittäminen s-tason mallista valmiiksi C-kieliseksi koodiksi on kuvattu tarkasti. Ensin s-tason malli diskretoidaan z-tasoon. Z-tason siirtofunktiot muutetaan puolestaan ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöiksi. Työssä kehitetty monen aikatason lämpömalli saadaan jakamalla ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöt eri aikatasoille suoritettavaksi sen mukaan, mikä niiden kuvaileman termin vaatima päivitysnopeus on. Tällainen toteutus voi parhaimmillaan kuluttaa alle viidesosan kellojaksoja verrattuna suoraviivaiseen yhden aikatason toteutukseen. Implementoinnin tarkkuus on hyvä. Implementoinnin vaatimia suoritusaikoja testattiin Texas Instrumentsin TMS320C6727- prosessorilla (300 MHz). Esimerkkimallin laskemisen määritettiin kuluttavan vaihtosuuntaajan toimiessa 5 kHz kytkentätaajuudella vain 0,4 % prosessorin kellojaksoista. Toteutuksen tarkkuus ja laskentakapasiteetin vähäinen vaatimus mahdollistavat lämpömallin käyttämisen lämpösuojaukseen ja lisäämisen osaksi muuta jo prosessorilla olemassa olevaa systeemiä.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaajan pulssintiheysmoduloidun pääteasteen ja prototyypin toteutus

Työssä esiteltävä laite on osa DC-AC hakkuria, jolla muodostetaan 750 V tasajännitteestä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) galvaanisesti erotettua verkkojännitettä. Tasajännite muunnetaan resonanssikonvertterilla korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi, joka johdetaan erotusmuuntajaan. Galvaanisen erotuksen jälkeen korkeataajuisesta vaihtojännitteestä muodostetaan suoraan verkkotaajuista vaihtojännitettä työssä esiteltävällä syklokonvertterilla. Suunnittelussa on pyritty minimoimaan häviöt mahdollisimman tarkkaan, jotta laite olisi kilpailukykyinen ei-galvaanisesti erottavien konverttereiden kanssa. Tämä on toteutettu käyttämällä mahdollisimman vähän komponentteja virran kulkureitillä sekä soveltamalla pehmeää kytkentää kaikissa tilanteissa. Lopuksi esitellään prototyyppi, jonka tarkoitus oli selvittää laitteen toiminta ja ongelmakohdat käytännössä.

Kasvatus on kasvamaan saattamista. Kasvatusfilosofinen tutkimus J. A. Hollon sivistyskasvatusajattelusta

Tutkimukseni käsittelee J. A. Hollon (1885–1967) sivistyskasvatusajattelua. Hollo oli monitoiminen kulttuurivaikuttaja, joka toimi kriitikkona, kirjailijana, suomentajana ja kasvatustieteilijänä. Häntä voidaan pitää J. V. Snellmanin rinnalla yhtenä merkittävimpänä suomalaisena kasvatusajattelijana. Hänen kasvatusajattelustaan ei ole kuitenkaan aiemmin tehty väitöskirjatason tutkimusta. Tutkimuskysymykseni ovat seuraavat: 1. Millainen on Hollon näkemys kasvatuksesta, kasvatuksen maailmasta ja kasvatuksen teoriasta? 2. Mikä on Hollon käsitys kasvattajan ja kasvatettavan merkityksestä kasvatustapahtumassa? 3. Mitä asioita sisältyy sivistyskasvatuksen eli kasvamaan saattamisen elementteihin? Tutkimukseni on kasvatusfilosofinen. Tutkimusmenetelmäni on systemaattinen analyysi ja lähestymistapani on hermeneuttinen. Tutkimukseni pääaineistona ovat Hollon kasvatusta koskevat kirjoitukset, joista tärkeimmät ovat Mielikuvitus ja sen kasvattaminen I-II (1918, 1919), Kasvatuksen maailma (1927), Kasvatuksen teoria (1927) ja Itsekasvatus ja elämisen taito (1931). Hollon mukaan kasvatuksen maailma on suhteellisen itsenäinen elämänmuoto (Lebensform), jolla on oma ontologinen erityislaatunsa, so. sui generis. Kasvatusoppia ei pidä redusoida psykologiaan tai filosofiaan, koska sillä tavoin se menettää tieteellisen itsenäisyytensä. Hollon mielestä kasvatuksen teoria on teoria käytäntöä varten. Kasvatuksen teorian luomisessa tulee ottaa huomioon kasvatuksen maailman erityispiirteenä oleva kokonaisvaltainen näkökulma ja elämän palvelemisen päämäärä. Kasvattaminen on aina myös eettistä toimintaa. Kasvatuksen tavoitteena on hyvä elämä. Hollon mukaan kasvattajan tehtävä on luoda kasvatettavalleen eheä sivistyksellinen perusta. Tämä voi tapahtua vain laaja-alaisen sivistyskasvatuksen avulla, jonka runkona on antiikin humanistinen sivistysperinne. Sivistyskasvatukseen kuuluvat älyllinen, eettinen, uskonnollinen, esteettinen ja toiminnallinen kasvatus. Mielikuvituksen avulla kasvattaja voi yhdistää kasvatuksen osa-alueet eheäksi kokonaisuudeksi. Ilman mielikuvitusta erilaiset ilmiöt olisivat pirstaleisina, toisistaan erillisinä osina ihmisen mielessä. Opettajan persoona on merkittävä tekijä kasvatuksessa. Se tulee ottaa huomioon opettajankoulutuksen eli kasvattajan kasvattamisen valinnoissa. Opettaja-kasvattajan on tärkeää opiskella laajasti humanistisia opintoja, koska kasvatuksessa on kysymys ihmisestä. Ennen kaikkea kasvattajan eettistä ja esteettistä kykyä tulee harjoituttaa. Näin hän oppii käyttämään mielikuvitustaan kasvatustapahtumassa siten, että hän tulee kasvatuksellisesti näkeväksi kasvamaan saattajaksi, joka ymmärtää sen, mikä kussakin tilanteessa vaatii erityistä huomiota. Tutkimukseni osoittaa, että Hollon henkitieteellinen ja fenomenologis-hermeneuttinen kasvatusnäkemys ei ole vain vastaparadigma empiiriselle kasvatustieteelle, vaan myös nykyajan teknis-taloudelliselle eetokselle, joka yhtäältä uhkaa välineellistää kasvatuksen ja toisaalta väärällä tavoin tieteellistää kasvatuksen tutkimuksen. Tämän takia kasvatusoppi kysymyksineen uhkaa siirtyä kasvatuskeskustelussa syrjemmälle, jopa hävitä kokonaan. Kasvatuksen ja kasvatuksen tutkimuksen vaarana on niiden liiallinen sitouttaminen tuotantoelämän jatkeeksi, minkä seurauksena on ihmisyyden toteuttamisen vaikeutuminen. Tutkimuksen lopuksi esitän ideaalikoulunäkemykseni, joka perustuu osittain Hollon kasvatusnäkemykseen. Hollon näkemys on yhä ajankohtainen ja merkittävä kontribuutio kasvatusta, sen teoriaa ja käytäntöä koskevaan keskusteluun.

Kestomagneettitahtigeneraattorin kannattavuustarkastelu vesivoimalaitoksen saneerauksen yhteydessä

Työssä vertaillaan kestomagneettitahtigeneraattorin kannattavuutta suhteessa perinteiseen erillismagnetoituun tahtigeneraattoriin. Sähkön markkinahinnan nousu tulevaisuudessa, pakottaa etsimään uusia ratkaisuja jo olemassa olevien vesivoimalaitosten hyötysuhteen parantamiseksi. Hyötysuhteeseen vaikuttavat laitoksen mekaaniset ja sähköiset häviöt. Työn kohteena olevan vesivoimalaitoksen saneeraus on ajankohtainen lähivuosina, ja samalla avautuu mahdollisuus vaihtaa myös vanha erillismagnetoitu tahtigeneraattori uudempaan kestomagneeteilla toteutettuun. Työssä tarkastellaan kalliimman investoinnin kannattavuutta suhteessa kasvavaan energian tuotantoon. Tarkastelujaksolla lisääntyneen vuosituotannon osuuden rahallista arvoa verrataan investointihetken kustannuksiin. Työn edetessä havaittiin, että virtaamamäärän lisäyksellä on vahva rooli kannattavuutta laskettaessa. Pienillä virtaamilla ei saavuteta riittävää tuottoa ilman mekaanisen hyötysuhteen parantamista. Pelkästään generaattorityypin vaihto ei tällä hetkellä kannata, kun nykyisellä generaattorilla on käyttöaikaa jäljellä kymmeniä vuosia. Tilanne voi muuttua kannattavaksi esimerkiksi äkillisen generaattorivaurion myötä.

Benefits of gas driven ground source heat pump systems

This thesis studies energy efficiencies and technical properties of gas driven ground source heat pumps and pump systems. The research focuses on two technologies: gas engine driven compressor heat pump and thermally driven gas absorption heat pump. System consist of a gas driven compressor or absorption ground source heat pump and a gas condensing boiler, which covers peak load. The reference system is a standard electrically powered compressor heat pump with electric heating elements for peak load. The systems are compared through primary energy ratios. Coefficient of performances of different heat pump technologies are also compared. At heat pump level, gas driven heat pumps are having lower coefficient of performances as compared with corresponding electric driven heat pump. However, gas heat pumps are competitive when primary energy ratios, where electricity production losses are counted in, are compared. Technically, gas heat pumps can potentially achieve a slightly higher temperatures with greater total energy efficiency as compared to the electric driven heat pump. The primary energy ratios of gas heat pump systems in relation to EHP-system improves when the share of peak load increases. Electric heat pump system's overall energy efficiency is heavily dependent on the electricity production efficiency. Economy as well as CO2-emissions were not examined in this thesis, which however, would be good topics for further study.

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.

Uncertainty of Efficiency Measurements in Electric Drives

The two central goals of this master's thesis are to serve as a guidebook on the determination of uncertainty in efficiency measurements and to investigate sources of uncertainty in efficiency measurements in the field of electric drives by a literature review, mathematical modeling and experimental means. The influence of individual sources of uncertainty on the total instrumental uncertainty is investigated with the help of mathematical models derived for a balance and a direct air cooled calorimeter. The losses of a frequency converter and an induction motor are measured with the input-output method and a balance calorimeter at 50 and 100 % loads. A software linking features of Matlab and Excel is created to process measurement data, calculate uncertainties and to calculate and visualize results. The uncertainties are combined with both the worst case and the realistic perturbation method and distributions of uncertainty by source are shown based on experimental results. A comparison of the calculated uncertainties suggests that the balance calorimeter determines losses more accurately than the input-output method with a relative RPM uncertainty of 1.46 % compared to 3.78 - 12.74 % respectively with 95 % level of confidence at the 93 % induction motor efficiency or higher. As some principles in uncertainty analysis are open to interpretation the views and decisions of the analyst can have noticeable influence on the uncertainty in the measurement result.

Loistehon kompensoinnin ja yliaaltosuodattimien nykytila sekä kehityskohteet Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtaalla

Tutkimuksessa käsitelty kemikaalitehdas on 110 kV:n kantaverkkoon liittyvä tehointensiivinen teollisuuslaitos. Prosessien käyttöön mukautetut sähkönjakeluverkon yliaaltosuodattimet ja niiden käyttökytkennät ovat tärkeässä asemassa loistehon tuoton hallitsemiseksi liittymän loistehoikkunaan ja riittävän yliaaltosuodatuksen järjestämiseksi häviöt minimoiden. Kohteena olleen kemikaalitehtaan sähkönjakeluverkon kompensointia ja yliaaltosuodatusta on viimeksi tutkittu vuonna 2003. Tämän jälkeen verkostokomponentit ovat ikääntyneet, prosessien käyttö sekä pienjänniteverkko ovat muuttuneet ja tehdasta käyttävät osittain eri henkilöt. Nykytilaselvitykselle ja verkon kehityskohteiden analysoinnille on tullut tarve edellisen selvityksen jatkoksi. Tutkimus painottuu vahvasti kenttämittauksiin, joiden perusteella sekä kirjallisuutta ja tehtaan järjestelmiä hyödyntäen määritetään loistehotasot verkon keskeisimmissä kohteissa pien-, keski- ja suurjännitetasoilla. Tutkimuksessa esitetään lipeätehtaan suotimien uudelleenjärjestely 4. yliaallon vähentämiseksi ja yksikkökoon pienentämiseksi. Kantaverkon liittymäpisteen tilanne oli hyväksyttävä. Tutkimus esittää pienjännitekompensointia KF-4-100 keskukseen varayhteyden kapasiteettia lisäten. Tutkimus tuotti yleistietoutta verkon käytöstä ja selvitti parhaat käyttökytkennät loistehoikkunan hallitsemiseksi ilman loistehokustannuksia.