Energiaa säästävä uusi viemäriveden pumppausteknologia

Pumppaaminen kuluttaa teollisuudessa huomattavan osan energiasta, joten siellä on myös merkittäviä säästömahdollisuuksia. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa noin viidenneksen sähkömoottorien energiantarpeesta, ja tietyillä teollisuudentoimialoilla jopa yli 50%. Jätevedenpumppaus perustuu edelleenkin pääosin 50- ja 60- luvuilla kehitettyyn tekniikkaan, merkittäviä energiansäästöjä on mahdollista saavuttaa suhteellisen pienillä investoinneilla. Työn teoriaosassa käsitellään perusteet jätevedenkäsittelystä, ja viemäriputkiston rakenteesta. Pumppuja, sähkömoottoreita ja taajuusmuuttajia käsitellään laajemmin keskittyen niiden toimintaan ja toimintaa ohjaaviin teorioihin. Empiirisessä osassa tutkitaan uuden teknologian energiansäästöpotentiaalia erilaisilla mittauksilla, sekä mittausten pohjalta tehdyillä case-analyyseillä. Näitä analyysejä varten työn aikana kehiteltiin laskin, jolla voidaan arvioida energian kulutusta tunnetulle pumpulle, kun tiedetään haluttu toimintapiste. Työssä käsitelty uusi teknologia on mahdollisesti merkittävin uudistus viemäriveden pumppausteknologiaan taajuusmuuttajien käyttöönoton jälkeen. Teknologialla päästään eroon imukaivoista liki täysin, ja sitä kautta saadaan paremmin hallittua monia ongelmia kuten hajuhaittoja. Teknologian merkittävin hyöty on kuitenkin energiansäästö. Perinteisessä teknologiassa taajuusmuuttajat ovat olleet kannattavia, mikäli geodeettisen nostokorkeuden osuus on mahdollisimman pieni. Tyypillisessä uuden teknologian sovelluskohteissa geodeettinen nostokorkeus tulee yleensä olemaan pieni, joten uuden teknologian käyttöönoton kannattavuus on näissä kohteissa erityisen hyvä.

Power line communication in motor cables of variable-speed electric drives − analysis and

Data transmission between an electric motor and a frequency converter is required in variablespeed electric drives because of sensors installed at the motor. Sensor information can be used for various useful applications to improve the system reliability and its properties. Traditionally, the communication medium is implemented by an additional cabling. However, the costs of the traditional method may be an obstacle to the wider application of data transmission between a motor and a frequency converter. In any case, a power cable is always installed between a motor and a frequency converter for power supply, and hence it may be applied as a communication medium for sensor level data. This thesis considers power line communication (PLC) in inverter-fed motor power cables. The motor cable is studied as a communication channel in the frequency band of 100 kHz−30 MHz. The communication channel and noise characteristics are described. All the individual components included in a variable-speed electric drive are presented in detail. A channel model is developed, and it is verified by measurements. A theoretical channel information capacity analysis is carried out to estimate the opportunities of a communication medium. Suitable communication and forward error correction (FEC) methods are suggested. A general method to implement a broadband and Ethernet-based communication medium between a motor and a frequency converter is proposed. A coupling interface is also developed that allows to install the communication device safely to a three-phase inverter-fed motor power cable. Practical tests are carried out, and the results are analyzed. Possible applications for the proposed method are presented. A speed feedback motor control application is verified in detail by simulations and laboratory tests because of restrictions for the delay in the feedback loop caused by PLC. Other possible applications are discussed at a more general level.

Desenvolvimento de um detector piezelétrico para cromatógrafo a gás interfaceado a microcomputador

A piezoelectric detector based on a commercial quartz crystal of 3.57MHz is shown. A PTFE cell attached to the GC-column outlet holds the polymer-coated crystal, whose terminals were removed. Two TTL oscillators (reference and sensor) are used and the beating of their frequencies is monitored through a home-made counter card inserted in a microcomputer. The original thermal conductivity detector was also interfaced, but through a 12-bit analog-to-digital converter. In spite of the well-known fact that QCM has low sensitivity at high temperatures, results show significant peak deformation for low temperatures. In addition, the phenomenon is also dependent on the chemical composition of the absorbent film besides instantaneous partial pressure and chemical composition of the analyte.

Tuulivoimakäytön verkkoliitynnät ja mittaukset

Tässä työssä tutkitaan muuttuvanopeuksisen tuulivoimakäytön verkkoliityntöjä, verkkomääräyksiä ja mittausmenetelmiä Euroopassa. Yleiset tuulivoimalaitoksen verkkomääräyksiin liittyvät asiat on selitetty standardisarjassa IEC 61000 ja mittauksiin liittyvät säännökset standardissa IEC 61400-21. Työssä selvitetään Euroopan yleiset verkkomääräykset ja vertaillaan niitä keskenään, sekä määritetään tärkeimmät mittaukset. Lisäksi esitellään eräs standardimittauksiin soveltuva mittalaite ja analysoidaan täystehomuokkaimen suorituskykyä tuulivoimapuistossa. Työssä havaittiin, että standardin mukaisten mittausten toteuttaminen ja analysointi on hyvin haastava prosessi. Verkkomääräysten eroavaisuudet aiheuttavat hankaluuksia tuulivoimalan valmistajan ja verkko-operaattorien välillä. Täten myös konvertterivalmistajan täytyy olla selvillä käytössä olevista verkkomääräyksistä ja standardeista.

Tuulivoimakäyttö sähköverkon vikatilanteissa

Tämä työ on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa, meneillään olevan tuulivoimalasimulaattorin kehitystyön yhteydessä. Työssä käydään läpi simulaattorissa käytettyjen generaattorisillan ja verkkosillan säätöperiaatteita, tehdään katsaus siirtoverkon jännitevikoihin sekä tuulivoimalan toimintaan näissä vikatilanteissa. Työn varsinainen tutkimuskohde on verkkosillan säädön toiminnan simuloiminen siirtoverkon jännitevioissa ja säädön parannusehdotukset.

Taajuusmuuttajaohjatun pumppukäytön simulointimallin kehittäminen ja testaus

Pumppukäytöt vastaavat noin neljänneksestä Euroopan sähkömoottoreissa kulutettavasta sähkötehosta. Energian kallistumisen vuoksi energian säästämisestä ja energiatehokkuudesta on tullut yhä tärkeämpää. Taajuusmuuttajat ovat tuoneet yksinkertaisen säätötavan, jolla suurimmassa osassa pumppukäyttöjä voidaan saada huomattavia energiasäästöjä. Koko energiansäästöpotentiaalin hyödyntämiseksi täytyy kuitenkin pumppujen toimintaa tarkkailla. Tarkkailu voidaan toteuttaa käyttämällä taajuusmuuttajan sisäisiä mittauksia pumpun toimintapisteen määrittämiseen. Tässä työssä muodostetaan kaksi simulointimallia, joilla voidaan tutkia pumppukäytön toimintapistettä ja energiatehokkuutta. Pumpattavan nesteen ominaisuuksien vaikutusta malleihin tutkitaan ja tapoja korjata virhettä selvitetään. Mallien tuottamia estimaatteja verrataan laboratorio ja pilot-kohteiden mittauksiin. Pilot-kohteiden avulla tutkitaan voidaanko simulointimalleja käyttää teollisuuden energiansäästöpotentiaalia omaavien pumppukäyttöjen havaitsemiseen.

Tehokerrointa korjaava skalaariohjaus puoliohjatussa ja kuusikytkintasasuuntaajassa

Verkon harmonisvirtoja rajoittavien standardien tiukentuessa joudutaan etenkin suuritehoisissa tehoelektronisissa laitteissa siirtymään aktiivisiin transistoriohjattuihin tasasuuntaajiin, jotka korjaavat tehokerrointa ja siten pienentävät verkkoon kytkeytyviä häiriövirtoja. Tässä diplomityössä esitellään yleisimpien kolmivaiheisten tasasuuntaajatopologioiden eroja ja vertaillaan puoliohjatun kolmikytkintopologian ja kuusikytkintopologian suorituskykyä tehokertoimen ja harmonissärön osalta, 16 kilowatin teholuokan taajuusmuuttajassa. Tasasuuntaajille tehtiin skalaariohjaukseen perustuva simulointimalli. Työn tavoitteena esitellään simulointitulokset harmonistason sekä tehokertoimen osalta. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisen yliopiston sovelletun elektroniikan laboratorion ja Vacon Oyj:n yhteiseen hankkeeseen.

Jäähdytysnestekierron optimointi tuuliturbiinin konvertterikaapistoon

Diplomityössä perehdytään tuuliturbiinin konvertterikaapiston nestekierron tarkasteluun ja mittausten suunnitteluun sitä varten. Tarkastelun tulokset ovat yhdistettävissä konvertterikaapiston ilmapuolen jäähdytykseen, jolloin koko jäähdytysjärjestelmä on katettu. Työn alkupuolella perehdytään lyhyesti nykyhetken tuulivoimaan. Tämän jälkeen tarkastellaan itse konvertterikaapistoa, sen toimintaa sekä nestejäähdytyksen toteutusta komponentteineen. Työn keskimmäisessä osassa konvertterille tehtiin virtaustekninen malli aiempaa mittausdataa hyväksi käyttäen. Tällä mallilla suoritettiin herkkyystarkasteluja ja simuloitiin konvertterikaapiston nestekierron käyttäytymistä yhden tai useamman haaran tukkeutuessa osittain tai kokonaan. Lisäksi suunniteltiin uusi nestekierto. Lopuksi selvitetään mittauksissa tarvittava laitteisto, perehdytään kunkin laitteen toimintaperiaatteeseen sekä selvennetään suositeltavat asennuspaikat ja suojaetäisyydet.

Taajuusmuttajan vanheneminen syklisissä käytöissä

Tässä työssä tarkastellaan taajuusmuuttajan vanhenemista syklisissä käytöissä puolijohdetehokomponenttien osalta. Laitteiden vikaantumisprosessien analysoimiseksi työssä suunnitellaan syklinen kestotestausjärjestelmä, joka mahdollistaa useamman taajuusmuuttajan yhtäaikaisen vanhentamisen. Jaksottaisesti toistuvat kuormitussyklit rasittavat termomekaanisesti taajuusmuuttajan tehomoduulin sisäisiä rakenteita suurten lämpötilavaihtelujen johdosta. Teoriaosuuden pääpaino kohdistuu puolijohdetehokomponenttien rakenteeseen, vikaantumisprosesseihin ja eliniän kartoittamiseen. Työssä käydään läpi yleisimpien pienijännitteisten moottorinohjausinverttereiden tehomoduulien mekaaniset rakenteet, tyypillisemmät syklisestä kuormituksesta johtuvat vikaantumisprosessit sekä puolijohdetehokomponenttivalmistajien käyttämät syklisen eliniän testausmenetelmät. Loppuosassa työtä suunnitellaan taajuusmuuttajan syklinen kestotestausjärjestelmä laitteiden keinotekoista vanhentamista varten. Testausjärjestelmällä voidaan kuormittaa useampaa taajuusmuuttajaa vuorottain mielivaltaisella kuormitusvirtaprofiililla. Laitteita vanhennettiin kaksi testierää kuormittamalla niitä jaksottaisesti hissikäytön tyypillisellä kuormitusprofiililla. Puolijohdetehokomponentin vanhenemisen edistystä seurattiin termisen impedanssiketjun mittausmenetelmällä, joka perustuu IGBT:n kollektoriemitterijännitteen lämpötilariippuvuuteen. Testilaitteiden puolijohdetehokomponentit hajosivat syklisen eliniän päättymiseen teoriassa esitettyjen vikaantumisprosessien seurauksesta. Tehomoduulien vika-analyysi osoittaa syklisen kestotestausjärjestelmän soveltuvaksi menetelmäksi tutkia erilaisten kuormitusprofiilien vaikutusta taajuusmuuttajan vanhenemiseen.

Radio Frequency Measurement Method for Detecting Bearing Currents in Induction Motors

Induction motors are widely used in industry, and they are generally considered very reliable. They often have a critical role in industrial processes, and their failure can lead to significant losses as a result of shutdown times. Typical failures of induction motors can be classified into stator, rotor, and bearing failures. One of the reasons for a bearing damage and eventually a bearing failure is bearing currents. Bearing currents in induction motors can be divided into two main categories; classical bearing currents and inverter-induced bearing currents. A bearing damage caused by bearing currents results, for instance, from electrical discharges that take place through the lubricant film between the raceways of the inner and the outer ring and the rolling elements of a bearing. This phenomenon can be considered similar to the one of electrical discharge machining, where material is removed by a series of rapidly recurring electrical arcing discharges between an electrode and a workpiece. This thesis concentrates on bearing currents with a special reference to bearing current detection in induction motors. A bearing current detection method based on radio frequency impulse reception and detection is studied. The thesis describes how a motor can work as a “spark gap” transmitter and discusses a discharge in a bearing as a source of radio frequency impulse. It is shown that a discharge, occurring due to bearing currents, can be detected at a distance of several meters from the motor. The issues of interference, detection, and location techniques are discussed. The applicability of the method is shown with a series of measurements with a specially constructed test motor and an unmodified frequency-converter-driven motor. The radio frequency method studied provides a nonintrusive method to detect harmful bearing currents in the drive system. If bearing current mitigation techniques are applied, their effectiveness can be immediately verified with the proposed method. The method also gives a tool to estimate the harmfulness of the bearing currents by making it possible to detect and locate individual discharges inside the bearings of electric motors.

Dimensioning DC-voltage capacitor for a DC-distribution system and dynamic analysis

Technical analysis of Low Voltage Direct Current (LVDC) distribution systems shows that in LVDC transmission the customer voltage quality is higher. One of the problems in LVDC distribution networks that converters both ends of the DC line are required. Because of the converters produce not pure DC voltage, but some fluctuations as well, the huge electrolytic capacitors are required to reduce voltage distortions in the DC-side. This thesis master’s thesis is focused on calculating required DC-link capacitance for LVDC transmission and estimation of the influence of different parameters on the voltage quality. The goal is to investigate the methods of the DC-link capacitance estimation and location in the transmission line.

Multímetro interfaceado de baixo custo para aquisição de dados

A digital multimeter (~U$ 240.00 on the national market) connected to a microcomputer by a RS-232 serial interface is proposed for data acquisition in equipment with analog output. Data are measured at the rate of 2 points per second and stored in text files by the software that accompanies the device, running in a Windows environment. The performance of the multimeter was verified by monitoring the transient signals generated in flow injection systems associated with fluorimetric, spectrophotometric and flame photometric detection. In addition, the performance of the proposed device was similar to that attained by employing an interface card with a 12-bit analog-to-digital converter for acquisition of the signals generated by a capillary electrophoresis equipment with oscillometric detection.

DC Boost Stage in Photovoltaic Systems

The performance of Grid connected Photovoltaic System working with DCBoost stage is investigated. The DC-Boost Converter topology is deduced from three phase half controlled bridge and controlled by Sliding Mode Control. Due to the fact that Grid connected Photovoltaic System includes Solar cells as a DC source and inverter for grid connection, those are under the scope of this research as well. The advantages of using MPPT are analyzed. The system is simulated in Matlab-Simulink™ environment.

Position sensorless electrically excited synchronous motor drive for industrial use based on direct flux linkage and torque control

Synchronous machines with an AC converter are used mainly in large drives, for example in ship propulsion drives as well as in rolling mill drives in steel industry. These motors are used because of their high efficiency, high overload capacity and good performance in the field weakening area. Present day drives for electrically excited synchronous motors are equipped with position sensors. Most drives for electrically excited synchronous motors will be equipped with position sensors also in future. This kind of drives with good dynamics are mainly used in metal industry. Drives without a position sensor can be used e.g. in ship propulsion and in large pump and blower drives. Nowadays, these drives are equipped with a position sensor, too. The tendency is to avoid a position sensor if possible, since a sensor reduces the reliability of the drive and increases costs (latter is not very significant for large drives). A new control technique for a synchronous motor drive is a combination of the Direct Flux Linkage Control (DFLC) based on a voltage model and a supervising method (e.g. current model). This combination is called Direct Torque Control method (DTC). In the case of the position sensorless drive, the DTC can be implemented by using other supervising methods that keep the stator flux linkage origin centered. In this thesis, a method for the observation of the drift of the real stator flux linkage in the DTC drive is introduced. It is also shown how this method can be used as a supervising method that keeps the stator flux linkage origin centered in the case of the DTC. In the position sensorless case, a synchronous motor can be started up with the DTC control, when a method for the determination of the initial rotor position presented in this thesis is used. The load characteristics of such a drive are not very good at low rotational speeds. Furthermore, continuous operation at a zero speed and at a low rotational speed is not possible, which is partly due to the problems related to the flux linkage estimate. For operation in a low speed area, a stator current control method based on the DFLC modulator (DMCQ is presented. With the DMCC, it is possible to start up and operate a synchronous motor at a zero speed and at low rotational speeds in general. The DMCC is necessary in situations where high torque (e.g. nominal torque) is required at the starting moment, or if the motor runs several seconds at a zero speed or at a low speed range (up to 2 Hz). The behaviour of the described methods is shown with test results. The test results are presented for the direct flux linkage and torque controlled test drive system with a 14.5 kVA, four pole salient pole synchronous motor with a damper winding and electric excitation. The static accuracy of the drive is verified by measuring the torque in a static load operation, and the dynamics of the drive is proven in load transient tests. The performance of the drive concept presented in this work is sufficient e.g. for ship propulsion and for large pump drives. Furthermore, the developed methods are almost independent of the machine parameters.

Hybrid LC Filter for Power Electronic Drives: Theory and Implementation

Power electronic converter drives use, for the sake of high efficiency, pulse-width modulation that results in sequences of high-voltage high-frequency steep-edged pulses. Such a signal contains a set of high harmonics not required for control purposes. Harmonics cause reflections in the cable between the motor and the inverter leading to faster winding insulation ageing. Bearing failures and problems with electromagnetic compatibility may also result. Electrical du/dt filters provide an effective solution to problems caused by pulse-width modulation, thereby increasing the performance and service life of the electrical machines. It is shown that RLC filters effectively decrease the reflection phenomena in the cable. Improved (simple, but effective) solutions are found for both differential- and common-mode signals; these solutions use a galvanic connection between the RLC filter star point and the converter DC link. Foil chokes and film capacitors are among the most widely used components in high-power applications. In actual applications they can be placed in different parts of the cabinet. This fact complicates the arrangement of the cabinet and decreases the reliability of the system. In addition, the inductances of connection wires may prevent filtration at high frequencies. This thesis introduces a new hybrid LC filter that uses a natural capacitance between the turns of the foil choke based on integration of an auxiliary layer into it. The main idea of the hybrid LC filter results from the fact that both the foil choke and the film capacitors have the same roll structure. Moreover, the capacitance between the turns (“intra capacitance”) of the foil inductors is the reason for the deterioration of their properties at high frequencies. It is shown that the proposed filter has a natural cancellation of the intra capacitance. A hybrid LC filter may contain two or more foil layers isolated from each other and coiled on a core. The core material can be iron or even air as in the filter considered in this work. One of the foils, called the main foil, can be placed between the inverter and the motor cable. Other ones, called auxiliary foils, may be connected in star to create differential-mode noise paths, and then coupled to the DC link midpoint to guarantee a traveling path, especially for the common-mode currents. This way, there is a remarkable capacitance between the main foil and the auxiliary foil. Investigations showed that such a system can be described by a simple equivalent LC filter in a wide range of frequencies. Because of its simple hybrid construction, the proposed LC filter can be a cost-effective and competitive solution for modern power drives. In the thesis, the application field of the proposed filter is considered and determined. The basics of hybrid LC filter design are developed further. High-frequency behaviour of the proposed filter is analysed by simulations. Finally, the thesis presents experimental data proving that the hybrid LC filter can be used for du/dt of PWM pulses and reduction of common-mode currents.