Analysis of torque and speed ripple producing non-idealities of frequency converters in electric drives

Electric motors driven by adjustable-frequency converters may produce periodic excitation forces that can cause torque and speed ripple. Interaction with the driven mechanical system may cause undesirable vibrations that affect the system performance and lifetime. Direct drives in sensitive applications, such as elevators or paper machines, emphasize the importance of smooth torque production. This thesis analyses the non-idealities of frequencyconverters that produce speed and torque ripple in electric drives. The origin of low order harmonics in speed and torque is examined. It is shown how different current measurement error types affect the torque. As the application environment, direct torque control (DTC) method is applied to permanent magnet synchronous machines (PMSM). A simulation model to analyse the effect of the frequency converter non-idealities on the performance of the electric drives is created. Themodel enables to identify potential problems causing torque vibrations and possibly damaging oscillations in electrically driven machine systems. The model is capable of coupling with separate simulation software of complex mechanical loads. Furthermore, the simulation model of the frequency converter's control algorithm can be applied to control a real frequency converter. A commercial frequencyconverter with standard software, a permanent magnet axial flux synchronous motor and a DC motor as the load are used to detect the effect of current measurement errors on load torque. A method to reduce the speed and torque ripple by compensating the current measurement errors is introduced. The method is based on analysing the amplitude of a selected harmonic component of speed as a function oftime and selecting a suitable compensation alternative for the current error. The speed can be either measured or estimated, so the compensation method is applicable also for speed sensorless drives. The proposed compensation method is tested with a laboratory drive, which consists of commercial frequency converter hardware with self-made software and a prototype PMSM. The speed and torque rippleof the test drive are reduced by applying the compensation method. In addition to the direct torque controlled PMSM drives, the compensation method can also beapplied to other motor types and control methods.

Necessidades hídricas de citros e macieiras a partir da área foliar e da energia solar

A energia solar é a fonte primária para a fotossíntese e a transpiração vegetal para que uma cultura expresse seu potencial produtivo em um dado local. O método proposto neste estudo pretende facilitar o cálculo do volume de água (litros/planta/dia) necessário para uma irrigação localizada com o mínimo desperdício possível em pomares cítricos e de macieiras, utilizando-se de dados usualmente disponíveis, tais como área foliar, densidade de fluxo de radiação solar global, saldo de radiação e déficit de saturação de vapor médio diário do ar. Considerando-se que a irrigação localizada consome bem menos água do que o sistema de aspersão, e que a outorga de água para irrigação está cada vez mais limitada, tal estudo vem a ser certamente de grande importância para assegurar a autossustentabilidade da agricultura irrigada, especialmente em regiões áridas e semiáridas. Foram utilizados neste trabalho, para desenvolvimento da metodologia proposta, dados de fluxo de seiva medidos através do método de fluxo de calor, em pomar de lima-ácida-Tahiti com área foliar de 48 e 99 m², bem como em pomar de macieiras com área foliar aproximada de 5; 8; 9; 11; 16 e 21 m². Os resultados obtidos indicaram que a metodologia proposta, baseada na habilidade das plantas em converter energia solar fixada em água transpirada, mostrou-se viável para avaliar a lâmina de irrigação de plantas cítricas e macieiras nas localidades estudadas.

Mitta-anturin mittauselektroniikan kehittäminen teräksen puutislepinnoituksen ohjaukseen

Työn tarkoituksena oli kehittää mittauselektroniikka puutislepinnoitusprosessin ohjaukseen. Mittauselektroniikalla on tarkoitus mitata pikoampeeriluokan virtoja mittaanturilta, jossa virtaa kuuma, noin 250 ºC asteinen kaasu. Mitta-anturin toiminta perustuu ioniliikkuvuusspektrometriaan. Työssä tutkitaan pikoampeeriluokan virtojen mittaamista sekä mittauskytkennöissä käytetyn virta-jännitemuuntimen ominaisuuksia ja mitoittamista. Työ tarkastelee myös T-kytkennän käyttöä vahvistimen takaisinkytkennässä. Jännitekertojakytkentöjä käsitellään teoreettisesti mitta-anturin biasjännitteiden luomiseksi vähäisellä piirilevypinta-alalla. Työssä suunniteltiin mittauselektroniikan esivahvistinprototyypit sekä mitta-anturin biasjännitekytkentä. Mitta-anturin kuumien olosuhteiden vuoksi on mittauselektroniikka siirrettävä etäämmäksi mitta-anturista. Prototyyppikytkennöillä sekä laboratoriomittauksilla selvitettiin mittauselektroniikan esivahvistimien siirtämiseen liittyviä ongelmia. Biasjännitekytkennän suunnittelussa pyrittiin kytkentä toteuttamaan mahdollisimman vähällä piirilevypinta-alalla. Mittauselektroniikka todettiin laboratoriomittausten perusteella toimivaksi puutislepinnoitusprosessissa suoritettavia koemittauksia varten.

Moottorinohjaukseen tarkoitettujen signaaliprosessoreiden vertailu

Työssä tarkastellaan kolmen eri valmistajan signaaliprosessoriperheitä. Työn tavoitteena on tutkia prosessoreiden teknistä soveltuvuutta suunnitteilla olevaan taajuusmuuttajatuoteperheeseen. Työn alkuosassa käydään taajuusmuuttajan rakenne läpi ja selostetaan oikosulkumoottorin yleisimmät ohjausmenetelmät. Työssä selvitetään myös signaaliprosessorin ja integroitujen oheispiirien toimintaa. Työn painopiste prosessoreiden teknisten ominaisuuksien vertailussa. Työssä on vertailtu muun muassa prosessoreiden sisäistä rakennetta, käskykantojen ominaisuuksia, keskeytysten palveluun kuluvaa aikaa ja oheispiirien ominaisuuksia. Oheispiirien, erityisesti analogiadigitaalimuuntimen halutunlainen toiminta on moottorinohjausohjelmiston kannalta tärkeää. Työhön sisällytetyt prosessoriperheet on pisteytetty tarkasteltujen ominaisuuksien osalta. Vertailun tuloksena on esitetty haettuun tarkoitukseen teknisesti soveltuvin prosessoriperhe ja prosessorityyppi. Työssä ei kuitenkaan voida antaa yleistä paremmuusjärjestystä tutkituille prosessoreille.

Market Study of Electric Drive Motion Control Business

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia älykkäiden paikoituskäyttöjen markkinoita ja liiketoimintamalleja. Työn pääongelmina oli määritellä alalla käytössä olevaa terminologiaa, määrittää markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaaville kolmivaihetaajuusmuuttajille, tutkia viiden alalla toimivan paikoituskäyttötoimittajan liiketoimintarakenteita ja tuotteita teknisestä näkökulmasta sekä esitellä kaksi teollisuuden käyttökohdetta paikoituskäytölle. Työn sisältö voidaan jakaa neljään eri osioon. Terminologian määrittely- ja markkinatutkimusosiot perustuvat pääasiassa kirjallisuustutkimukseen. Paikoituskäyttöjen toimittajia sekä niiden tuotteita käsittelevä osuus perustuu kirjallisuustutkimukseen sekä teknisiin esitteisiin ja manuaaleihin. Paikoituskäyttöjen sovellusesimerkit on selvitetty haastatteluin. Työ painottuu paikoituskäyttötoimittajien tuotteiden, tuoteominaisuuksien ja tuotetarjonnan tarkasteluun. Työn tuloksena on määritelty paikoituskäyttöjen liiketoiminnan tärkeimmät termit, paikoituskäyttöjen markkinoiden koko sekä markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaavalle kolmivaihetaajuusmuuttajalle. Alalla toimivien paikoituskäyttötoimittajien liiketoimintarakenne on selvitetty, jonka mukaan toimittajat on profiloitu komponentti-, komponenttipaketti-, toimialakeskeisiksi tai automaatiotoimittajiksi. Toimittajien paikoituskäyttötuotteet on luokiteltu viiteen eri luokkaan niiden teknisten ominaisuuksien perusteella. Lisäksi paikoituskäyttöjen suorituskyvyt on selvitetty säätimien momentti-, nopeus-, ja paikoituslaskenta-aikatasojen sekä kenttäväyläliityntöjen suhteen. Työssä kuvatut vanerinsorvausprosessi sekä FMS -materiaalinkäsittelyprosessi esittävät paikoituskäyttöjen potentiaalisia sovelluskohteita.

Sulautetun moniprosessorijärjestelmän suunnittelu sähkömoottorien ohjaus- ja valvontatarpeisiin

Universal Converter (UNICON) –projektin osana suunniteltiin sähkömoottorikäyttöjen ohjaukseen ja mittaukseen soveltuva digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) pohjautuva sulautettu järjestelmä. Riittävän laskentatehon varmistamiseksi päädyttiin käyttämään moniprosessorijärjestelmää. Prosessorijärjestelmässä käytettävää DSP-piiriä valittaessa valintaperusteina olivat piirien tarjoama prosessointiteho ja moniprosessorituki. Analog Devices:n SHARC-sarjan DSP-piirit täyttivät parhaiten asetetut vaatimukset: Ne tarjoavat tehokkaan käskykannan lisäksi suuren sisäisen muistin ja sisäänrakennetun moniprosessorituen. Järjestelmän mittalaiteluonteisuudesta johtuen keskeinen suunnitteluparametri oli luoda nopeat tiedonsiirtoyhteydet mittausantureilta DSP-järjestelmään. Tämä toteutettiin käyttäen ohjelmointavia FPGA-logiikkapiirejä digitaalimuotoisen mittausdatan vastaanotossa ja esikäsittelyssä. Tiedonsiirtoyhteys PC-tietokoneelle toteutettiin käyttäen erityistä liityntäkorttia DSP-järjestelmän ja PC-tietokoneen välillä. Liityntäkortin päätehtävänä on puskuroida siirrettävä data. Järjestelyllä estetään PC-tietokoneen vaikutus DSP-järjestelmän toimintaan, jotta kyetään takaamaan järjestelmän reaaliaikainen toiminta kaikissa olosuhteissa.

Moottorimalliton skalaarisäätö

Työssä tutkitaan nopeusanturittoman vaihtovirtakäytön skalaarisia ohjaus- ja säätömenetelmiä. Työn alussa esitetään perusteoriat taajuusmuuttajista ja oikosulkumoottoreista. Tämän jälkeen esitellään yleisimmin kirjallisuudessa esiintyneet skalaariohjaukset ja –säädöt. Vektorisäätöä ja erityisesti moottoriparametrien vaikutusta säädön toimivuuteen esitellään lyhyesti. Työn tavoitteena on ACS800 taajuusmuuttajan skalaarisäädön tutkiminen. ACS800:n nykyinen skalaarisäätö on liian sidoksissa vektorisäätöön, joten simulointien ja kirjallisuustutkimuksen tarkoituksena on täysin vektorisäädöstä eriytetyn skalaarisäädön kehitysmahdollisuuksien tutkiminen. Kirjallisuudessa esiintyneiden säätöjen avulla muodostetaan diskreettiaikainen toteutus skalaarisäädölle vaihtovirtakäytössä, jossa on käytössä virran ja välipiirijännitteen takaisinkytkentä. Säädettävää moottoria mallinnetaan jatkuvaaikaisella L-sijaiskytkennällä. Välipiirin mallinnus toimii myös jatkuva-aikaisena lukuun ottamatta välipiirin tasavirtakomponenttia, joka muodostetaan virran takaisinkytkennän ja PWM-modulaattorin kytkinasentojen avulla. Simuloinnin tarkoituksena on mallintaa skalaarisäädön suurimpia ongelmia, kuten virta- ja välijännitesäätöä. Tuloksista voidaan päätellä, että perussäädöt toimivat moitteettomasti, mutta erityisesti virtasäätöä tulisi kehittää.

Innovaatiojohtaminen suunnittelutoimistossa

Työn tavoitteena oli tutkia konsulttiyrityksen metsäteollisuusliiketoimintaryhmän innovatiivisuutta sekä sitä, onko johdon asettamia innovatiivisuuden tavoitteita saavutettu. Tavoitteena oli myös laatia innovaatiojohtamisen malli sekä antaa toimenpide-ehdotuksia ja suosituksia. Tutkimuksen teoriaosuus tehtiin kirjallisuustutkimuksena ja siinä selvitettiin, mitä innovatiivisuus merkitsee yrityksille, mitkä asiat vaikuttavat organisaation innovatiivisuuteen ja mitä innovaatiojohtamisessa tulee ottaa huomioon. Tutkimuksen empiirinen osuus suoritettiin case-analyysinä, ja se toteutettiin linjajohdon henkilöhaastattelujen, ja henkilöstölle tehtyjen kyselyjen avulla. Innovaatio on idean toimeenpano käytännössä, markkinoille saatettu toteutus tai uusittu prosessi. Jos innovaatioiden avulla saavutetaan radikaalia parannusta, niin kaizen-filosofia on pienin askelin tehtävää jatkuvaa parantamista. Yritysten innovatiivisuuteen vaikuttaa sekä kovia että pehmeitä asioita. Kovia asioita ovat mm. strategia, organisaation rakenne ja järjestelmät. Pehmeitä asioita taas ovat mm. yhteiset arvot, osaaminen, henkilöstö ja johtamistyyli. Kaikki edellä mainitut asiat tulee huomioida innovatiivisuuden kehittämisessä. Yritysten tietopääoma syntyy kyvystä käyttää hyväksi aineetonta pääomaa, joka on mm. dataa, informaatiota, immateriaalioikeuksia, osaamista, motivaatiota ja sitoutumista. Tutkitun konsulttiyrityksen metsäteollisuusliiketoimintaryhmällä on johdon asettamat innovatiivisuustavoitteet. Yrityksessä on valtavasti irrallista tietoa. Henkilöstön osaaminen ja motivaatio ovat korkeata luokkaa. Yritykselle on määritelty strategia, mutta sen jalkauttaminen henkilöstölle ei ole ollut tehokasta. Tutkitulla yrityksellä on monia innovatiivisuuteen kannustavia järjestelmiä. Järjestelmien käyttö on vain pienen ryhmän käytössä. Yrityksen innovatiivisuuspotentiaali on valtava. Toimenpide-ehdotuksina ja suosituksina esitetään yritykselle innovaatiojohtamisen mallia. Esitetyssä mallissa määritellään mm. innovaatiojohtamisen vastuut uudelleen. Innovaatioprosessi määritellään kokonaisvaltaisena asiana. Nykyisten järjestelmien käyttö laajennetaan koko henkilöstön käytettäväksi

Kestomagneettitahtikonekäytön soveltaminen paperiteollisuuden linjakäytöissä

Tässä työssä tutkitaan kestomagneettitahtimoottorin soveltuvuutta paperiteollisuuden linjakäyttöihin. Aluksi perehdytään taajuusohjatun kestomagneettitahtimoottorin häviöiden syntymiseen ja niiden jakautumiseen. Työssä esitellään kestomagneettitahtimoottorin koon valintaan vaikuttavia tekijöitä ja vertaillaan oikosulkumoottorin ja kestomagneettitahtimoottorin mitoituksen eroja. Lisäksi tarkasteltiin linjakäytön vaihtosuuntaajan ja syöttöryhmän mitoitusta, kun kestomagneettitahtimoottoria käytetään paperiteollisuuden linjakäytössä. Kestomagneettitahtimoottorin virran riippuvuutta kuormituksesta laskettiin ja mitattiin yhden kestomagneettitahtimoottorin virta eri kuormituksilla. Näin voitiin suorittaa vertailu laskennan ja todellisuuden välillä. Mittaus osoitti laskentatavan tarkkuuden. Selvityksessä löydettiin riittävän tarkka laskentatapa, jonka avulla voidaan määrittää linjakäytön invertterin koko.

Lämpötilanmittaus magneettikuvausympäristössä optista tehon- ja tiedonsiirtoa käyttäen

Lääketieteellisen magneettikuvantamisen yhteydessä on tarpeen mitata mm. potilaan lämpötilaa. Kuvantamisessa käytettävät kentät asettavat suuret vaatimukset kuvauksen aikana käytettäville mittalaitteille. Magneettikuvausympäristöön soveltuva lämpötilanmittausjärjestelmä on mahdollista toteuttaa käyttämällä sekä lämpötilatiedon että sähkötehon siirtämiseen valokuitua, jolloin järjestelmä on täysin galvaanisesti erotettu. Valokuidusta tuleva optinen teho muunnetaan sähkötehoksi valosähkömuuntimella. Tämä diplomityö keskittyy magneettikuvauksessa käytettävän lämpötilanmittausjärjestelmän suunnitteluun. Haasteena oli optisesta tehonsiirrosta johtuva tarve minimoida tehonkulutus ja lämpötilamittauksen tarkkuusvaatimus. Järjestelmän prototyyppi voidaan rakentaa suunnittelun mukaisesti. Diplomityössä suunnittelutuloksia testattiin koekytkennän avulla ja näin varmistuttiin mittausperiaatteen toimivuudesta.

Taajuusmuuttajat voimalaitosten pumppauksissa, erityisesti syöttöveden pyörimisnopeussäädön vaikutus ruiskutusvesijärjestelmiin

Työn ensimmäisessä osassa tutustutaan pumppauksen teoriaan ja esitellään kuristus- ja pyörimisnopeussäätö. Toisessa osassa perehdytään pyörimisnopeussäädössä käytettävän taajuusmuuttajan rakenteeseen ja sen eri osissa syntyviin häviöihin. Kolmannessa osassa tutkitaan kolmen eri tavoin säädetyn pumppauksen toimintaa Pelloksen voimalaitoksella. Lauhdepumpun kierrosnopeussäätöä verrataan vaihtoehtoiseen kuristussäätöön. Viimeisessä osassa selvitetään mahdollisuutta poistaa pyörimisnopeussäädön turhaksi tekemä syöttövesiventtiili voimalaitosten suunnittelusta. Erityisesti etsitään vaihtoehtoisia menetelmiä ruiskutusveden tuottamiseen. Uusia vaihtoehtoja ruiskutusvedelle esitetään kaksitoista. Ruiskutusvesitekniikoita vertaillaan keskenään ja parasta vaihtoehtoa verrataan nykyiseen menettelyyn.

IGBT:N KYLLÄSTYSVALVONTA

Tässä työssä on tutkittu IGBT-modulin kyllästysvalvontaa. Periaatteellisena erona yleisesti käytössä olevaan IGBT:n kyllästysvalvontamenetelmään on valvonnan perustuminen IGBT-modulin läpi kulkevaan virtaan, sen yli olevan jännitteen mittaamisen asemesta. IGBT-modulin läpi kulkeva virta aiheuttaa pienen jännitehäviön IGBT-modulin sisällä olevassa DC-miinuskiskossa. Jännitehäviön suuruus riippuu modulin läpi kulkevan virran suuruudesta. Jännitehäviö voidaan mitata kahden mittapisteen välisenä jännite-erona. Kun jännite-ero mittapisteiden välillä kasvaa tarpeeksi suureksi, IGBT:n voidaan olettaa olevan oikosulussa ja laukaisu voidaan suorittaa. Kyllästystilan havaitsemista kuitenkin vaikeuttaa se, että kyseisen DC-miinuskiskon läpi kulkee moottorivirta. Moottorivirran aiheuttamat jännite-erot on pystyttävä erottamaan luotettavasti oikosulkutilanteesta. Lisäksi komponentin ylikuormitettavuusvaatimukset lisäävät kytkennän toteuttamisen vaikeutta. Komponenttia voidaan hetkellisesti ylikuormittaa moninkertaisella nimellisvirralla eikä tämäkään tilanne saa johtaa laukaisuun.Kyllästysvalvonta toteutetaan taajuusmuuttajaan, joka on tunnetusti varsin häiriöinen ympäristö. DC-miinuskiskon mittapisteiden välissä on tämän johdosta havaittavissa virrasta riippuvan jännite-eron lisäksi erittäin voimakkaita kytkentäilmiöistä johtuvia häiriöitä. Myös muiden IGBT-modulien kytkentäilmiöistä johtuvat häiriöt kytkeytyvät kyllästysvalvontakytkentään ja vaikeuttavat osaltaan sen toteuttamista.

Taajuusmuuttajan verkkovirran yliaallot pienitehoisissa kolmivaihekäytöissä

Pienitehoisessa taajuusmuuttajassa verkkojännite tasasuunnataan yleisesti diodisillalla. Taajuusmuuttajaa kuormitettaessa diodisilta aiheuttaa sen, että verkosta otettava virta on epäsinimuotoista ja sisältää runsaasti eri kertalukujen yliaaltoja. Tällainen virta vääristää verkon jännitettä sekä aiheuttaa häviöitä, resonansseja ja toimintaepävarmuutta sähkönjakeluverkkoon liitetyissä laitteissa ja komponenteissa. Työssä on tarkasteltu pienitehoisen kolmivaiheisen taajuusmuuttajan tulovirrassa esiintyviä yliaaltoja ja keinoja niiden rajoittamiseksi. Laitevalmistajien osalta syynä aiheen tutkimiseen ja kiinnostavuuteen ovat lähinnä uudet yliaaltoja käsittelevät standardit. Työssä onkin tutustuttu tarvittavin osin standardoinnin nykytilaan sekä seurattu standardeja valmistelevien työryhmien työtä ja tätä kautta perehdytty alaa käsittelevien standardien tulevaisuudennäkymiin Euroopan Unionin alueella. Käsittely on kohdistettu kolmivaiheisiin laitteisiin. Standardi IEC 61000-3-2 asettaa yliaaltorajat ammattikäyttöön tarkoitetuille laitteille, kun laitteen tuloteho on korkeintaan 1 kW. Tällä tehoalueella riittää kolmivaihelaitteille kuristimilla suoritettu passiivinen suodatus täyttämään asetetut viranomaisvaatimukset. Tähän liittyen on suunniteltu kolmivaihekuristin, joka on tarkoitettu käytettäväksi taajuusmuuttajasarjan lisävarusteena tehoalueella 0.12…2.2 kW.

Sähkökoneiden kunnonvalvonta-antureiden kehitys vaativiin ympäristöolosuhteisiin

Diplomityössä kerrotaan sähkökoneiden on-line kunnonvalvontaan käytettävistä mittauksista ja analyyseistä sekä antureista, joilla näitä mittauksia voidaan suorittaa. Työssä pohditaan anturielektroniikan suunnittelua ja rakentamista vaativiin ympäristöolosuhteisiin, joita ovat muun muassa korkea lämpötila, kosteus, paine ja voimakkaat magneettikentät. Testataan analogisen lämpötila-anturin toimivuutta taajuusmuuttajakäytön läheisyydessä. Häiriöpiikkien suodattamista varten tehdään mediaanisuodatusohjelma. Lisäksi työssä suunnitellaan kunnonvalvontapilotit pumppuun sellutehtaalle sekä generaattorikäyttöön vesivoimalaan. Pilotit muodostuvat anturoinnista, anturitason tiedonsiirrosta ja mittaustiedon keruusta. Järjestelmää testataan lievästi sisäkehävaurioisella laakerilla. Työssä kerrotaan myös kunnonvalvontajärjestelmän pilotoinnista sellutehtaalle ja analysoidaan sieltä saatuja tuloksia.

Lyhytsanomakeskuksen lisäarvopalvelurajapinnan suunnittelu ja toteutus

Diplomityössä tutkitaan lisäarvopalveluiden tuottamisen ongelmia, jotka liittyvät teleoperaattoreiden ja palveluntuottajien väliselle ”harmaalle alueelle”. Tyypillisiä ongelmia tällä alueella ovat palveluiden lyhytsanomakeskusliityntöjen vaikeudet, laskutusongelmat ja palveluiden tietoturvan taso. Tutkimuksen lisäksi työhön kuuluu myös toteutus, joka tuottaa ratkaisun näihin ongelmiin. Ensin työssä käsitellään yleisesti lisäarvopalveluiden tuotantoon liittyviä asioita: lyhytsanomapalvelua, lyhytsanomakeskuksia, niiden lisäarvopalvelurajapintoja ja harmaan alueen käsitettä. Sitten esitellään kolme ratkaisumallia ongelmiin operaattorin näkökulmasta, joista parhaana valitaan Intellitel™ Messaging Gateway-sanomayhdyskäytävään toteutettava lisäarvopalvelurajapinta. Rajapinnan toteutus kuvataan suunnittelun, arkkitehtuurin ja toiminnallisuuksien osalta. Diplomityön tuloksena saadaan uusi testattu lisäarvopalvelurajapinta, joka täyttää sille asetetut vaatimukset. Työn lopuksi pohditaan rajapinnan jatkokehitystä ja kiinnostavia käyttökohteita. Näitä ovat rajapinnan käyttö protokollamuuntimen tai sanomayhdyskäytävän osana.