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.

Taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuudet kompressorijärjestelmien elinkaarikustannusten optimoimisessa

Paineilmaa on kutsuttu neljänneksi perushyödykkeeksi veden, sähkön ja kaasun lisäksi. Paineilman kuluttaja on usein myös sen tuottaja. EU:n alueen teollisuudessa keskimää-rin 16 % kulutetusta kokonaissähkötehosta kuluu ilmakompressoreiden käyttöön. Taa-juusmuuttajan käyttö on viime vuosikymmeninä lisääntynyt merkittävästi, kun on pyrit-ty energiatehokkaisiin ratkaisuihin esimerkiksi pumppaus- ja puhallinjärjestelmissä. Kompressorijärjestelmissä taajuusmuuttajien käyttö ei ole vielä yhtä yleistä kuin esi-merkiksi pumppukäytöissä, vaikka taajuusmuuttajan käytöllä saavutetaan useimmissa tapauksissa huomattavia etuja. Tässä työssä tutkitaan taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuuksia kompressorijär-jestelmien käytönaikaisten elinkaarikustannusten optimoimisessa. Työssä selvitetään säästöpotentiaalia, ja pohditaan pyörimisnopeussäädöllä saavutettavia etuja eri komp-ressorityypeillä. Lopuksi muodostetaan elinkaarikustannusanalyysit kahdelle todelliselle teollisuuden kompressorikohteelle. Tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustyö sekä asi-antuntijahaastattelut teollisuudesta. Työn tavoitteena on kartoittaa taajuusmuuttajan hyödyntämispotentiaalia kompressorijärjestelmissä ja luoda pohjaa mahdolliselle jatko-tutkimukselle.

Kartonkipakkauskoneen dynaaminen kireydenhallinta

Työssä tutkitaan PI-säätimen käyttöä dynaamisessa kireydensäädössä ilman varsinaista kireyden takaisinkytkentää. Kireyttä säädetään epäsuorasti käyttämällä takaisinkytkentätietona kahden telan välistä paikkaeroa. Kireyssäädin toteutetaan nopeussäätimen rinnalle. Rinnakkaisrakenteella pyritään kireyden muutoksiin nopeasti reagoivaan säätöratkaisuun. Rakenne toteutetaan osaksi taajuusmuuttajan säätöketjua. Työssä esitetään telasysteemin simulointimalli, jonka toimivuus varmistetaan käytännön mittauksin. Lisäksi työssä arvioidaan kireyssäädön toimintaa dynaamisessa kireydensäädössä simulointien ja testilaitteistolla suoritettavien mittausten perusteella.

Control system for forced-air cooling of horticultural products

This work is a study of the implementation of a classical controller using a tuning method referred to as IMC (Internal Model Control) and aimed at the reduction of electrical energy consumption by the appropriate relation between energy consumption and the cooling time with forced air. The supervisory system installed was able to manipulate the variable of frequency of the signal power of the exhaust fan engine (forced air module), to accelerate or decelerate the loss of heat from the product to be cooled by airflow variation that passes through the mass of the produce. The results demonstrated a reduction in energy consumption from 64% and an increase of only 8% in the cooling time to the system using PI/IMC (Proportional - Integral with IMC) tuning method compared with the system in its operating nominal condition. This PI/IMC control may be implemented directly in a frequency converter, without the need to purchase a computer or PLC (programmable logic controller) to run the dedicated application, increasing its economical viability.

Automation concept for an electrically excited synchronous motor: Setup and requirements specification

This bachelor’s thesis is a part of the research project realized in the summer 2011 in Lappeenranta University of Technology. The goal of the project was to create an automation concept for controlling an electrically excited synchronous motor. This thesis concentrates on the setup and requirements specification part of the concept. The setup consists of ABB AC500 as the PLC master device, DCS800 as an exciter and ACS800 as a frequency converter. The ACS800 frequency converter uses permanent magnet synchronous machine software to control the stator’s magnetic field, the DC drive handles the excitation and the AC500 PLC master controls the communication and functionality of the system. The requirements specification briefly explains the general over-view of the concept, the use and functionality of the PLC program and the requirements needed for the whole concept and the PLC program to work as intended.

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.

Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.

Power cycling lifetime estimation of IGBT power modules based on chip temperature modeling

In this doctoral thesis, methods to estimate the expected power cycling life of power semiconductor modules based on chip temperature modeling are developed. Frequency converters operate under dynamic loads in most electric drives. The varying loads cause thermal expansion and contraction, which stresses the internal boundaries between the material layers in the power module. Eventually, the stress wears out the semiconductor modules. The wear-out cannot be detected by traditional temperature or current measurements inside the frequency converter. Therefore, it is important to develop a method to predict the end of the converter lifetime. The thesis concentrates on power-cycling-related failures of insulated gate bipolar transistors. Two types of power modules are discussed: a direct bonded copper (DBC) sandwich structure with and without a baseplate. Most common failure mechanisms are reviewed, and methods to improve the power cycling lifetime of the power modules are presented. Power cycling curves are determined for a module with a lead-free solder by accelerated power cycling tests. A lifetime model is selected and the parameters are updated based on the power cycling test results. According to the measurements, the factor of improvement in the power cycling lifetime of modern IGBT power modules is greater than 10 during the last decade. Also, it is noticed that a 10 C increase in the chip temperature cycle amplitude decreases the lifetime by 40%. A thermal model for the chip temperature estimation is developed. The model is based on power loss estimation of the chip from the output current of the frequency converter. The model is verified with a purpose-built test equipment, which allows simultaneous measurement and simulation of the chip temperature with an arbitrary load waveform. The measurement system is shown to be convenient for studying the thermal behavior of the chip. It is found that the thermal model has a 5 C accuracy in the temperature estimation. The temperature cycles that the power semiconductor chip has experienced are counted by the rainflow algorithm. The counted cycles are compared with the experimentally verified power cycling curves to estimate the life consumption based on the mission profile of the drive. The methods are validated by the lifetime estimation of a power module in a direct-driven wind turbine. The estimated lifetime of the IGBT power module in a direct-driven wind turbine is 15 000 years, if the turbine is located in south-eastern Finland.

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.

Pumping system optimization tool

Pumping systems account for over 20 % of all electricity consumption in European industry. Optimization and correct design of such systems is important and there is a reasonable amount of unrealized energy saving potential in old pumping systems. The energy efficiency and therefore also the energy consumption of a pumping system heavily depends on the correct dimensioning and selection of devices. In this work, a graphical optimization tool for pumping systems is developed in Matlab programming language. The tool selects optimal pump, electrical motor and frequency converter for existing pumping process and calculates the life cycle costs of the whole system. The tool could be used as an aid when choosing the machinery and to analyze the energy consumption of existing systems. Results given by the tool are compared to the results of laboratory tests. The selection of pump and motor works reasonably well, but the frequency converter selection still needs development

Konversiosähköauton mitoitussuunnitelma

Sähköautojen tulemista on odotettu jo pitkään ja ne ovat potentiaalisia fossiilisilla polttoaineilla toimivien polttomoottoreiden korvaajia. Hybridiautoja on tullut markkinoille entistä enemmän ja ne osaltaan auttavat vähentämään fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Sähköautot ovat toistaiseksi jääneet taka-alalle. Tässä työssä on tehty konversiosähköauton mitoitussuunnitelma museoikäiseen autoon. Työssä on mitoitettu kolme sähköisen voimansiirron pääkomponenttia sähkömoottori, taajuudenmuuttaja ja akusto. Mitoitussuunnitelma toimii hyvänä pohjana, jonka avulla konversiota voidaan alkaa rakentamaan.

Taajuusmuuttaja aktiivisesti säädetyn magneettilaakerin virtalähteenä

Työssä tutkitaan mahdollisuutta hyödyntää sähkömoottorien nopeudensäätöön suunniteltuja kaupallisia taajuusmuuttajia osana aktiivisesti säädetyn magneettilaakeroinnin säätöjärjestelmää. Magneettilaakerijärjestelmän ohjaamiseksi tarvitaan vahvistin, jonka tehtävänä on muuntaa paikkasäätöjärjestelmältä tuleva ohjearvo virraksi, jännitteeksi tai magneettivuoksi voiman tuottamiseksi laakerikäämityksellä. Nykyaikaiset modernit taajuusmuuttajat mahdollistavat säätöalgoritmien suorittamisen sekä liitynnän muuhun automaatiojärjestelmään kenttäväylien kautta. Tämän järjestelmäintegraation myötä olisi mahdollista rakentaa modulaarinen säätöjärjestelmä hyödyntäen luotettavaksi todettuja teollisuusautomaatiotuotteita vain muutamalla itse magneettilaakerijärjestelmään liittyvällä tuotteella. Haluttaessa hyödyntää kolmivaiheinen taajuusmuuttaja mahdollisimman tehokkaasti magneettilaakerin teholähteenä tulee laakerikäämityksien kytkeytymistä taajuusmuuttajaan tarkastella tarkemmin. Kirjallisuustutkimuksessa keskitytään taajuusmuuttajan tehokytkimien muodostaman vaihtosuuntaajan eri rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön dynaamisten ominaisuuksien tarkasteluun. Soveltuvien rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön suorituskyky todennetaan simuloinnein ja lopuksi todellisella koelaitteistolla. Magneettilaakeroinnilla varustetun sähkökoneen roottorin onnistunut leijuttaminen viiden vapausasteen suhteen paikkasäädettynä sekä mittauksien tulokset osoittavat, ettei taajuusmuuttajien järjestelmäarkkitehtuurista löydy merkittäviä esteitä muuttajien hyödyntämiseksi magneettilaakerisovelluksissa.

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.