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.

Calculation analysis of energy saving tools for fan and pump applications

This thesis analyses the calculation of FanSave and PumpSave energy saving tools calculation. With these programs energy consumption of variable speed drive control for fans and pumps can be compared to other control methods. With FanSave centrifugal and axial fans can be examined and PumpSave deals with centrifugal pumps. By means of these programs also suitable frequency converter can be chosen from the ABB collection. Programs need as initial values information about the appliances like amount of flow and efficiencies. Operation time is important factor when calculating the annual energy consumption and information about it are the length and profile. Basic theory related to fans and pumps is introduced without more precise instructions for dimensioning. FanSave and PumpSave contain various methods for flow control. These control methods are introduced in the thesis based on their operational principles and suitability. Also squirrel cage motor and frequency converter are introduced because of their close involvement to fans and pumps. Second part of the thesis contains comparison between results of FanSave’s and PumpSave’s calculation and performance curve based calculation. Also laboratory tests were made with centrifugal and axial fan and also with centrifugal pump. With the results from this thesis the calculation of these programs can be adjusted to be more accurate and also some new features can be added.

Jännitteen reunan hallinta taajuusmuuttajissa

Diplomityössä perehdyttiin taajuusmuuttajien toimintaan ja ohjaukseen. Lisäksi työssä tarkasteltiin vaihtosuuntaajan nopeiden transienttitilojen aiheuttamaa moottorin ylijännitettä. Moottorikaapelin heijastuksia käsiteltiin vertaamalla moottorikaapelia siirtolinjaan ja todennettiin ylijännitteen syyt. Ylijännitteen vähentämiseksi on kehitetty useita suodatusmenetelmiä. Työssä vertailtiin näitä menetelmiä ja kartoitettiin kaupallisia vaihtoehtoja. Taajuusmuuttajan ohjaus on tähän päivään asti tehty yleensä käyttäen mikroprosessoria sekä logiikkapiiriä. Tulevaisuudessa ohjaukseen käytetään todennäköisesti uudelleenohjelmoitavia FPGA-piirejä (Field Programmable Gate Array). FPGA-piirin etuihin kuuluu uudelleenohjelmoitavuus sekä ohjauksen keskittäminen yhdelle piirille.

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.

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.

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.

Active du/dt Filtering for Variable-Speed AC Drives

An oscillating overvoltage has become a common phenomenon at the motor terminal in inverter-fed variable-speed drives. The problem has emerged since modern insulated gate bipolar transistors have become the standard choice as the power switch component in lowvoltage frequency converter drives. Theovervoltage phenomenon is a consequence of the pulse shape of inverter output voltage and impedance mismatches between the inverter, motor cable, and motor. The overvoltages are harmful to the electric motor, and may cause, for instance, insulation failure in the motor. Several methods have been developed to mitigate the problem. However, most of them are based on filtering with lossy passive components, the drawbacks of which are typically their cost and size. In this doctoral dissertation, application of a new active du/dt filtering method based on a low-loss LC circuit and active control to eliminate the motor overvoltages is discussed. The main benefits of the method are the controllability of the output voltage du/dt within certain limits, considerably smaller inductances in the filter circuit resulting in a smaller physical component size, and excellent filtering performance when compared with typical traditional du/dt filtering solutions. Moreover, no additional components are required, since the active control of the filter circuit takes place in the process of the upper-level PWM modulation using the same power switches as the inverter output stage. Further, the active du/dt method will benefit from the development of semiconductor power switch modules, as new technologies and materials emerge, because the method requires additional switching in the output stage of the inverter and generation of narrow voltage pulses. Since additional switching is required in the output stage, additional losses are generated in the inverter as a result of the application of the method. Considerations on the application of the active du/dt filtering method in electric drives are presented together with experimental data in order to verify the potential of the method.

Kenttätietojen hyödyntäminen taajuusmuuttajan luotettavuuden suunnittelussa

Taajuusmuuttaja on yhä yleisempi laite perinteisten oikosulkumoottoreiden nopeuden säädössä, niin teollisuudessa kuin muilla käyttökohteissa. Ensimmäiset laitetyypit olivat mekaanisesti suurikokoisia ja vaativat laitteen tekniseltä tuelta ja kunnossapidolta hyvää teknistä perehtyneisyyttä laitteisiin. Teknologian kehittymisen myötä laitteiden teho/kokosuhde on pienentynyt ja tarjolla on useita eri sovelluskohteisiin suoraan soveltuvia taajuusmuuttajia varustettuna helppokäyttöisillä ja kaupallisilla käyttöliittymillä. Laitteen elinkaaren aikainen luotettavuusjohtaminen edellyttää valmistajalta varsinaisen laitesuunnittelun lisäksi tarkoituksenmukaisia testausmenetelmiä ja kokemusperäistä luotettavuustietoa myös asennetusta laitekannasta. Työssä on käyty taajuusmuuttajan suunnittelun kannalta läpi luotettavuuden käsitteistö sekä yleisimpiä luotettavuusmenetelmiä. Luotettavuusnäkökohtia verrataan asennetusta laitekannasta saatuihin kokemuksiin laitteen valmistajan ja tuotetuen kannalta. Työssä on esitetty luokittelun perusteita ja menetelmät, miten käytön aikana voidaan arvioida laitteen teknistä tilaa sekä huomioida se kunnossapidon suunnittelussa. Johtopäätöksenä huomataan, että asennuspaikka ja käyttösovellus määrittävät taajuusmuuttajan käytettävyyden. Kenttätietoja voidaan hyödyntää paikallisen kunnossapidon kannalta kunnossapidon ja investointien suunnittelussa. Toisaalta valmistajan tuotekehitys saa asennetuista laitteista kokemuksia seuraavan sukupolven tyypin suunnittelun perustaksi. Tekniikan voimakkaan kehittymisen seurauksena uusien taajuusmuuttajatyyppien valmistus kestää yhä lyhyemmän ajanjakson, jolloin asennetusta laitekannasta saatu kenttäkokemus on arvokasta tietoa laitevalmistajalle. Yhteenvetona valmistajan laiterekistereitä voidaan kehittää siten, että niihin on tallennettavissa laitekartoitusten perusteella kerättyä informaatiota, jota niin valmistajan myynti, tuotetuki kuin laitesuunnittelu voi omassa toiminnassaan hyödyntää.

Induction Motor Drive Energy Efficiency - Simulation and Analysis

A coupled system simulator, based on analytical circuit equations and a finite element method (FEM) model of the motor has been developed and it is used to analyse a frequency-converterfed industrial squirrel-cage induction motor. Two control systems that emulate the behaviour of commercial direct-torque-controlled (DTC) and vector-controlled industrial frequency converters have been studied, implemented in the simulation software and verified by extensive laboratory tests. Numerous factors that affect the operation of a variable speed drive (VSD) and its energy efficiency have been investigated, and their significance in the simulation of the VSD results has been studied. The dependency of the frequency converter, induction motor and system losses on the switching frequency is investigated by simulations and measurements at different speeds for both the vector control and the DTC. Intensive laboratory measurements have been carried out to verify the simulation results.

Centralized Motion Control of a Linear Tooth Belt Drive: Analysis of the Performance and Limitations

A centralized robust position control for an electrical driven tooth belt drive is designed in this doctoral thesis. Both a cascaded control structure and a PID based position controller are discussed. The performance and the limitations of the system are analyzed and design principles for the mechanical structure and the control design are given. These design principles are also suitable for most of the motion control applications, where mechanical resonance frequencies and control loop delays are present. One of the major challenges in the design of a controller for machinery applications is that the values of the parameters in the system model (parameter uncertainty) or the system model it self (non-parametric uncertainty) are seldom known accurately in advance. In this thesis a systematic analysis of the parameter uncertainty of the linear tooth beltdrive model is presented and the effect of the variation of a single parameter on the performance of the total system is shown. The total variation of the model parameters is taken into account in the control design phase using a Quantitative Feedback Theory (QFT). The thesis also introduces a new method to analyze reference feedforward controllers applying the QFT. The performance of the designed controllers is verified by experimentalmeasurements. The measurements confirm the control design principles that are given in this thesis.