Insulation System in an Integrated Motor Compressor

A high-speed and high-voltage solid-rotor induction machine provides beneficial features for natural gas compressor technology. The mechanical robustness of the machine enables its use in an integrated motor-compressor. The technology uses a centrifugal compressor, which is mounted on the same shaft with the high-speed electrical machine driving it. No gearbox is needed as the speed is determined by the frequency converter. The cooling is provided by the process gas, which flows through the motor and is capable of transferring the heat away from the motor. The technology has been used in the compressors in the natural gas supply chain in the central Europe. New areas of application include natural gas compressors working at the wellheads of the subsea gas reservoir. A key challenge for the design of such a motor is the resistance of the stator insulation to the raw natural gas from the well. The gas contains water and heavy hydrocarbon compounds and it is far harsher than the sales gas in the natural gas supply network. The objective of this doctoral thesis is to discuss the resistance of the insulation to the raw natural gas and the phenomena degrading the insulation. The presence of partial discharges is analyzed in this doctoral dissertation. The breakdown voltage of the gas is measured as a function of pressure and gap distance. The partial discharge activity is measured on small samples representing the windings of the machine. The electrical field behavior is also modeled by finite element methods. Based on the measurements it has been concluded that the discharges are expected to disappear at gas pressures above 4 – 5 bar. The disappearance of discharges is caused by the breakdown strength of the gas, which increases as the pressure increases. Based on the finite element analysis, the physical length of a discharge seen in the PD measurements at atmospheric pressure was approximated to be 40 – 120 m. The chemical aging of the insulation when exposed to raw natural gas is discussed based on a vast set of experimental tests with the gas mixture representing the real gas mixture at the wellhead. The mixture was created by mixing dry hydrocarbon gas, heavy hydrocarbon compounds, monoethylene glycol, and water. The mixture was chosen to be more aggressive by increasing the amount of liquid substances. Furthermore, the temperature and pressure were increased, which resulted in accelerated test conditions. The time required to detect severe degradation was thus decreased. The test program included a comparison of materials, an analysis of the e ects of di erent compounds in the gas mixture, namely water and heavy hydrocarbons, on the aging, an analysis of the e ects of temperature and exposure duration, and also an analysis on the e ect of sudden pressure changes on the degradation of the insulating materials. It was found in the tests that an insulation consisting of mica, glass, and epoxy resin can tolerate the raw natural gas, but it experiences some degradation. The key material in the composite insulation is the resin, which largely defines the performance of the insulation system. The degradation of the insulation is mostly determined by the amount of gas mixture di used into it. The di usion was seen to follow Fick’s second law, but the coe cients were not accurately defined. The di usion was not sensitive to temperature, but it was dependent upon the thermodynamic state of the gas mixture, in other words, the amounts of liquid components in the gas. The weight increase observed was mostly related to heavy hydrocarbon compounds, which act as plasticizers in the epoxy resin. The di usion of these compounds is determined by the crosslink density of the resin. Water causes slight changes in the chemical structure, but these changes do not significantly contribute to the aging phenomena. Sudden changes in pressure can lead to severe damages in the insulation, because the motion of the di used gas is able to create internal cracks in the insulation. Therefore, the di usion only reduces the mechanical strength of the insulation, but the ultimate breakdown can potentially be caused by a sudden drop in the pressure of the process gas.

Investointilaskelmien hyödyntäminen teknologisen innovaation myyntityössä. Tapaustutkimus

Tämän tutkimuksen tutkimuskohteena oli case-yrityksen tuoteinnovaation kannattavuuden tarkastelu. Kiristyneen ilmastopolitiikan seurauksena tutkimuksen kohdeyritys on kehittänyt innovaation ja tutkimuksen päätavoite oli laatia kohdeyritykselle innovaation myyntityön tueksi Microsoft Excel-taulukkolaskentaohjelmalla investointilaskentatyökalu. Toisena tavoitteena oli selvittää innovaation, eli liikkuvien työkoneiden hybridisoinnin, kannattavuus investointilaskelmien avulla. Investointilaskelmien lisäksi tutkimuksessa perehdyttiin korkean teknologian markkinointiin ja yritysasiakkaiden käyttäytymiseen innovaatioiden omaksujina. Tutkimus on tyypiltään laadullinen tapaustutkimus. Investointilaskentatyökalu rakennettiin kohdeyrityksen tarpeiden mukaan ja investointien kannattavuutta mitattiin korottoman ja korollisen takaisinmaksuajan, sisäisen koron sekä nettonykyarvon avulla, minkä lisäksi nettonykyarvolle tehtiin herkkyysanalyysi. Kannattavuuslaskelmat tehtiin omaksujan näkökulmasta myyntityön tueksi kohdeyritykselle. Investointilaskelmat osoittivat että kohdeyrityksen tuottama innovaatio on kannattava sijoitus ja tutkimustuloksena syntynyt konstruktio osoittautui toimivaksi. Laskelmiin vaikutti eniten investoinnin hinta ja polttoaineen hinnan nousulla oli merkittävä vaikutus investoinnin kannattavuuteen.

Redundant Ethernet-based fieldbuses

Ethernet-pohjaisten kenttäväylien suosio teollisuudessa on kasvanut viime aikoina voimakkaasti. Ethernet tarjoaa suuren bittinopeuden, edulliset laitteet ja tekniikkaa on tutkittu laajasti. Diplomityö esittelee Ethernet-tekniikan perusteet ja joitakin teollisuudessa käytettäviä Ethernet-pohjaisia kenttäväyläprotokollia. Työn tarkoitus on tehdä tiivis käsikirja eri Ethernet-pohjaisista kenttäväyläprotokollista ja erityisesti niiden redundanttisuusominaisuuksista. Lähempään tarkasteluun on otettu redundantti EtherNet/IP ja sen alemmat kerrokset, sekä implementoitu redundanttisuus ABB:n ACS350-taajuusmuuttajaan.

Galvaanisen erotuksen toteuttaminen tasavirtasähkönjakelun asiakaspäätelaitteessa

Suomessa sähkönjakeluverkon pääasialliset jännitetasot ovat 20 kV ja 400 V. 20 kV jännitetasolla sähkö viedään lähelle kuluttajia ja muunnetaan pienemmäksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että 20 kV avojohtosähkönsiirtoverkko on hyvin vika-altis ja usein yhden haaran vikaantuessa monta muutakin jää ilman sähköä. Lisäksi hintavien ja suurien jakelumuuntajien määrä on suuri. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen pienjännite olisi 400 V:a suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä edellyttää vaihtosuuntauksen toteuttamista kuluttajan päässä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA:n tehoisella vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Suurtaajuusmuuntajan mitoitus mahdollisimman hyvälle hyötysuhteelle on haastava tehtävä, koska vaatimuksia sille asettavat sekä syöttävä resonanssikonvertteri että syötettävä syklokonvertteri. Mitoituksessa on pyrittävä löytämään mahdollisimman hyvä hyötysuhde kustannusten ja toteutettavuuden suhteen.

Servo drive in hoist application

The objective of this master thesis is to test according to hoisting requirements, a servo drive system and compare its performance with the performance of a drive equipped with a vector controlled frequency converter. Both systems utilize closed-loop vector control based on PCL program control. In order to compare the results of tests both systems were connected to the same motor driving a variable speed electrical chain hoist. Tests were based on requirements to both systems. As requirements of tests zero speed operation, operation in field weakening, positioning accuracy and smoothness of motion are taken into consideration. Both systems demonstrate quite similar performance and meet the requirements. Servo drive system demonstrates a high positioning accuracy and dynamic performance. Frequency converter is not able to provide the same positioning accuracy and dynamic performance as servo drive.

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.

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.

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.

Energy-efficient control strategies for variable speed driven parallel pumping systems based on pump operation point monitoring with frequency converters

The pumping processes requiring wide range of flow are often equipped with parallelconnected centrifugal pumps. In parallel pumping systems, the use of variable speed control allows that the required output for the process can be delivered with a varying number of operated pump units and selected rotational speed references. However, the optimization of the parallel-connected rotational speed controlled pump units often requires adaptive modelling of both parallel pump characteristics and the surrounding system in varying operation conditions. The available information required for the system modelling in typical parallel pumping applications such as waste water treatment and various cooling and water delivery pumping tasks can be limited, and the lack of real-time operation point monitoring often sets limits for accurate energy efficiency optimization. Hence, alternatives for easily implementable control strategies which can be adopted with minimum system data are necessary. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the energy efficient use of variable speed controlled parallel pumps in system scenarios in which the parallel pump units consist of a centrifugal pump, an electric motor, and a frequency converter. Firstly, the suitable operation conditions for variable speed controlled parallel pumps are studied. Secondly, methods for determining the output of each parallel pump unit using characteristic curve-based operation point estimation with frequency converter are discussed. Thirdly, the implementation of the control strategy based on real-time pump operation point estimation and sub-optimization of each parallel pump unit is studied. The findings of the thesis support the idea that the energy efficiency of the pumping can be increased without the installation of new, more efficient components in the systems by simply adopting suitable control strategies. An easily implementable and adaptive control strategy for variable speed controlled parallel pumping systems can be created by utilizing the pump operation point estimation available in modern frequency converters. Hence, additional real-time flow metering, start-up measurements, and detailed system model are unnecessary, and the pumping task can be fulfilled by determining a speed reference for each parallel-pump unit which suggests the energy efficient operation of the pumping system.

Kestomagneettitahtikoneen vääntömomentin tuottokyvyn optimointi hybridibussikäyttöön

Työssä tarkastellaan hybridi- ja sähköajoneuvojen voimankäyttöjärjestelmiä ja bussin ajomoottorina toimivan kestomagneettitahtikoneen toimintaa ja sen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön. Esitetään analyyttinen työkalu kestomagneettitahtikoneen induktanssisuunnittelun ja koneen vääntömomentin tuottokyvyn optimoinnin tueksi. Työkalua hyödynnetään esitettävässä ajomoottorin mitoituslaskelmassa. Työssä päätellään, että kestomagneettitahtimoottori soveltuu hyvin ajoneuvokäyttöön. Maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi sen roottorin rakenne ja induktanssit on optimoitava. Analysoimalla ajoneuvokäyttöön tarkoitettua kestomagneettitahtimoottoria työkalun avulla havaitaan, että yhtä suuremmalla induktanssisuhteella vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä kuin ajettaessa konetta taajuusmuuttajalla vakioteholla nimelliskuormalla. Vastaavasti yhtä pienemmillä induktanssisuhteilla vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä. Todetaan, että vääntömomentti kasvaa induktanssisuhteen poiketessa yhdestä. Suuri vääntömomentti saadaan pienillä induktanssisuhteilla. Induktanssisuhteen kasvattaminen yhdestä ei lisää moottorin tuottamaa vääntömomenttia yhtä paljon kuin induktanssisuhteen pienentäminen. Työn lopuksi verrataan työkalun laskemia tuloksia kirjallisuudesta löytyvillä yhtälöillä laskettuihin tuloksiin. Työkalun laskemat tulokset vaikuttavat ristiriidattomilta ja yhteneväisiltä teorian kanssa. Työkalun toteutuksessa tehdyt teoreettiset yksinkertaistukset aiheuttavat todennäköisesti epätarkkuutta tuloksissa erityisesti suurella kuormituksella.

Frequency of islet cell autoantibodies (IA-2 and GAD) in young Brazilian type 1 diabetes patients

Type 1 diabetes, as an autoimmune disease, presents several islet cell-specific autoantibodies such as islet cell antibody (ICA), anti-insulin, anti-glutamic acid decarboxylase (GAD) and the antibody (Ab) against tyrosine phosphatase (PTP)-like protein known as ICA-512 (IA-2). In order to determine the frequency of the anti-GAD and anti-IA-2 autoantibodies in Brazilian type 1 diabetes patients we studied 35 diabetes mellitus (DM) type 1 patients with recent-onset disease (£12 months) and 37 type 1 diabetes patients with long-duration diabetes (>12 months) who were compared to 12 children with normal fasting glucose. Anti-GAD65 and anti-IA-2 autoantibodies were detected with commercial immunoprecipitation assays. The frequency of positive results in recent-onset DM type 1 patients was 80.0% for GADAb, 62.9% for IA-2Ab and 82.9% for GADAb and/or IA-2Ab. The long-duration type 1 diabetes subjects presented frequencies of 54.1% for GADAb and IA-2Ab, and 67.5% for GAD and/or IA-2 antibodies. The control group showed no positive cases. Anti-GAD and IA-2 assays showed a high frequency of positivity in these Brazilian type 1 diabetes patients, who presented the same prevalence as a Caucasian population.

Frequency of Fanconi anemia in Brazil and efficacy of screening for the FANCA 3788-3790del mutation

Fanconi anemia (FA) is an autosomal recessive genetic disease characterized by progressive bone marrow failure, susceptibility to cancer and multiple congenital anomalies. There is important clinical variability among patients and the knowledge of factors which might predict outcome would greatly help the decision making regarding the choices of treatment and the appropriate time to start it. Future studies of the possible correlation between specific mutations with specific clinical presentations will provide the answer to one of these factors. At our Center we standardized a rapid and precise screening test using a mismatch PCR assay for a specific mutation (3788-3790del in exon 38 of gene FANCA) in Brazilian FA patients. We present the results obtained after screening 80 non-consanguineous FA patients referred from all regions of Brazil with a clinical diagnosis of FA supported by cellular hypersensitivity to diepoxybutane. We were able to detect the 3788-3790del allele in 24 of the 80 (30%) FA patients studied. Thirteen of the 80 (16.25%) were homozygotes and 11 of the 80 (13.75%) were compound heterozygotes, thus confirming the high frequency of the FANCA 3788-3790del mutation in Brazilian FA patients. The identification of patients with specific mutations in the FA genes may lead to a better clinical description of this condition, also providing data for genotype-phenotype correlations, to a better understanding of the interaction of this specific mutation with other mutations in compound heterozygote patients, and ultimately to the right choices of treatment for each patient with improvement of the prognosis on future studies.

High prevalence of the GSTM3*A/B polymorphism in sub-Sarahan African populations

A 3-bp insertion/deletion polymorphism in intron 6 of GSTM3 (rs1799735, GSTM3*A/*B) affects the activity of the phase 2 xenobiotic metabolizing enzyme GSTM3 and has been associated with increased cancer risk. The GSTM3*B allele is rare or absent in Southeast Asians, occurs in 5-20% of Europeans but was detected in 80% of Bantu from South Africa. The wide genetic diversity among Africans led us to investigate whether the high frequency of GSTM3*B prevailed in other sub-Saharan African populations. In 168 healthy individuals from Angola, Mozambique and the São Tomé e Príncipe islands, the GSTM3*B allele was three times more frequent (0.74-0.78) than the GSTM3*A allele (0.22-0.26), with no significant differences in allele frequency across the three groups. We combined these data with previously published results to carry out a multidimensional scaling analysis, which provided a visualization of the worldwide population affinities based on the GSTM3 *A/*B polymorphism.

Determination of CYP2D6 *3, *4, and *10 frequency in women with breast cancer in São Luís, Brazil, and its association with prognostic factors and disease-free survival

The CYP2D6 enzyme is crucial for the metabolism of tamoxifen. The CYP2D6 gene is highly polymorphic, and individuals can be extensive, intermediate, or poor tamoxifen metabolizers. The aim of this study was to determine the frequencies of the CYP2D6 *3, *4, and *10 alleles in women with breast cancer who were treated with tamoxifen and analyze the association of enzyme activity with prognostic factors and disease-free survival. We observed a high frequency of CYP2D6 *10, with an allelic frequency of 0.14 (14.4%). The *3 allele was not present in the studied population, and *4 had an allelic frequency of 0.13 (13.8%). We conclude that patients with reduced CYP2D6 activity did not present worse tumor characteristics or decreased disease-free survival than women with normal enzyme activity, as the difference was not statistically significant. We also observed a high frequency of CYP2D6 *10, which had not been previously described in this specific population. This study is the first in north-northeastern Brazil that aimed to contribute to the knowledge of the Brazilian regional profile for CYP2D6 polymorphisms and their phenotypes. These findings add to the knowledge of the distribution of different polymorphic CYP2D6 alleles and the potential role of CYP2D6 genotyping in clinical practice prior to choosing therapeutic protocols.

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.