Eficiència energètica aplicada a les instal·lacions de la Universitat de Vic

En termes generals, es pot definir l’Eficiència Energètica com la reducció del consum d’energia mantenint els mateixos serveis energètics, sense disminuir el nostre confort i qualitat de vida, protegint el medi ambient, assegurant el proveïment i fomentant un comportament Sostenible al seu ús. L’objectiu principal d’aquest treball, és reduir el consum d’energia i terme de potència contractat a la Universitat de Vic, aplicant un programa d’estalvi amb mesures correctores en el funcionament de les seves instal·lacions o espais. Per tal de poder arribar a aquest objectiu marcat, prèviament s’ha realitzat un estudi acurat, obtenint tota la informació necessària per poder aplicar les mesures correctores a la bossa més important de consum. Un cop trobada, dur a terme l’estudi de la viabilitat de la inversió de les mesures correctores més eficients, optimitzant els recursos destinats. L’espai on s’ha dut a terme l’estudi, ha estat a l’edifici F del Campus Miramarges, seguint les indicacions d’Arnau Bardolet (Cap de Manteniment de la UVIC). Aquest edifici consta d’un entresol, baixos i quatre plantes. L’equip de mesura que s’ha fet servir per realitzar l’estudi, és de la marca Circutor sèrie AR5-L, aquests equips són programables que mesuren, calculen i emmagatzemen en memòria els principals paràmetres elèctrics en xarxes trifàsiques. Els projectes futurs complementaris que es podrien realitzar a part d’aquest són: instal·lar sensors, instal·lar mòduls convertidors TCP/IP, aprofitar la xarxa intranet i crear un escada amb un sinòptic de control i gestió des d’un punt de treball. Aquest aplicatiu permet visualitzar en una pantalla d’un PC tots els estats dels elements controlats mitjançant un sinòptic (encendre/parar manualment l’enllumenat i endolls de les aules, estat d’enllumenat i endolls de les aules, consums instantanis/acumulats energètics, estat dels passadissos entre altres) i explotar les dades recollides a la base de dades. Cada espai tindria la seva lògica de funcionament automàtic específic. Entre les conclusions més rellevants obtingudes en aquest treball s’observa: · Que és pot reduir la potència contractada a la factura a l’estar per sota de la realment consumida. · Que no hi ha penalitzacions a la factura per consum de reactiva, ja que el compensador funciona correctament. · Que es pot reduir l’horari de l’inici del consum d’energia, ja que no correspon a l’activitat docent. · Els valors de la tensió i freqüència estan dintre de la normalitat. · Els harmònics estan al llindar màxim. Analitzant aquestes conclusions, voldria destacar les mesures correctores més importants que es poden dur a terme: canvi tecnològic a LED, temporitzar automàticament l’encesa i apagada dels fluorescents i equips informàtics de les aules “seguint calendari docent”, instal·lar sensors de moviment amb detecció lumínica als passadissos. Totes les conclusions extretes d’aquest treball, es poden aplicar a tots els edificis de la facultat, prèviament realitzant l’estudi individual de cadascuna, seguint els mateixos criteris per tal d’optimitzar la inversió.

Gestió d'un portal web d'intercanvi de coneixement

En aquest món on ens ha tocat viure i patir canvis tan durs amb la crisi econòmica que patim, que ens ha fet passar de lligar els gossos amb llonganisses a vigilar en les despeses del dia a dia per poder arribar just a final de mes, és el moment de reinventar-se. És per aquest motiu que presento aquesta idea, on el seu objectiu és desenvolupar una pàgina web que esdevingui un punt de trobada entre usuaris que volen transmetre o ampliar el seu coneixement i oferir-los la possibilitat que entre ells puguin compartir les seves habilitats i destreses. El web consistirà en un panell d’activitats on els usuaris un cop s’hagin registrat puguin crear les activitats que vulguin aprendre o bé ensenyar, tot demanant, si ho desitgen, quelcom a canvi. Aleshores la resta d’usuaris si els interessa l’activitat, poden acceptar la demanda o bé fer una proposta pròpia. A partir d’aquí els usuaris s’han de posar d’acord a l’hora de dur a terme l’activitat. El web disposarà d’una part pels usuaris amb permisos d’administrador perquè puguin gestionar el portal. Aquest projecte s’ha desenvolupat amb el framework de PHP Codeigniter, el qual utilitza la programació per capes MVC, la qual separa la programació en tres parts: el Model, la Vista i el Controlador. També s’han utilitzat els llenguatges HTML5 i CSS3, i jQuery, que és una llibreria de JavaScript. Com a sistema gestor de base de dades s’ha utilitzat el MySQL.

Controllerilta vaadittavat ominaisuudet ja keskeisimmät työtehtävät - casetutkimus

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, millaiset ovat controllereiden työtehtävät ja controllereilta vaadittavat ominaisuudet tänä päivänä. Teoreettisena taustana tutkimuksessa oli johdon laskentatoimen kehitys 1980-luvulta tähän päivään. Tutkimus toteutettiin kvalitatiivisin menetelmin analysoimalla tänä vuonna julkaistuja suomalaisia ja ruotsalaisia controller-rekrytointi-ilmoituksia ja haastattelemalla henkilökohtaisesti controllerin työtehtävissä työskenteleviä henkilöitä useilta toimialoilta. Tutkimuksen keskeisimpänä tuloksena havaittiin, että yrityksen työpaikkailmoituksissa vaadittavissa ominaisuuksissa on eroavaisuuksia suhteessa haastattelussa painotettuihin ominaisuuksiin. Ilmoituksissa mainitut controllereiden työtehtävät olivat enemmän linjassa todellisten työtehtävien kanssa. Sekä työpaikkailmoituksissa että haastatteluissa kävi ilmi, että controllerin työtehtävä sisältää useasti edelleen ulkoiseen laskentaan liittyviä työtehtäviä. Tämä viittaa siihen, että controller-nimikkeen käyttö ei ole vielä vakiintunut vastaamaan johdon laskentatoimen tehtäviä. Controllereiden haastatteluissa nousi esiin useita controller-toiminnon kehityskohteita. Tutkimuksen johtopäätöksenä todettiin, että controllerin työtehtävien ja ominaisuuksien kehittämiseen ovat vaikuttaneet johdon laskentatoimen tietojärjestelmien kehitys, uudet laskentainnovaatiot ja controllerin roolinmuutos kohti strategista liiketoiminnan tukijaa. Yritysten controller-toimintoa ei ole haastatteluiden perusteella kuitenkaan vielä organisoitu vastaamaan tätä roolinmuutosta, joten controllerit kokivat, että heillä ei ole riittävästi aikaa analysointityöhön. Lisäksi controllereiden yhteistyötä kollegojen ja sidosryhmien kanssa pitäisi lisätä ja controller-toiminto tulisi tuoda lähemmäs liiketoimintaa.

Diagnostiikkayksikön kehittäminen rautatiesovellukseen

Suomessa rautatiellä käytetään muutamia tuhansia sähköisesti ohjattavia vaihteita, joiden toiminta varmistetaan määräajoin tehtävillä huolloilla. Työssä on tutkittu, onko kehitteillä olevalla vaihteenohjaimella mahdollista mitata ja analysoida vaihteen kunnonvalvontaan liittyviä suureita. Tutkimuksessa on tutustuttu rautatietekniikkaan sekä vaihdetta ohjaavaan vaihteenkääntölaitteeseen. Tutkimuksen perusteella on kehitetty sulautettuun järjestelmään perustuva mittaus- ja analysointijärjestelmäsovellus, joka tekee mittauksia, havaintoja ja johtopäätöksiä vaihteen toiminnasta. Mittaukset on suoritettu moottoria ohjaavista johtimista ja mittaustulokset on tallennettu analysointia ja jatkokäsittelyä varten. Ohjelmiston toimintaa on varmistettu mittauksilla sekä laboratorio-olosuhteissa että oikealla vaihteella testausympäristössä. Saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että kehitetyllä laitteistolla on mahdollista toteuttaa vaihdetta diagnosoivia mittauksia riittävän laadukkaasti ja tarkasti. Työssä kehitetty järjestelmäalusta soveltuu käytettäväksi vaihteen diagnostiikan jatkokehittämiselle.

Multilevel converter modulation: implementation and analysis

Multilevel converters provide an attractive solution to bring the benefits of speed-controlled rotational movement to high-power applications. Therefore, multilevel inverters have attracted wide interest in both the academic community and in the industry for the past two decades. In this doctoral thesis, modulation methods suitable especially for series connected H-bridge multilevel inverters are discussed. A concept of duty cycle modulation is presented and its modification is proposed. These methods are compared with other well-known modulation schemes, such as space-vector pulse width modulation and carrier-based modulation schemes. The advantage of the modified duty-cycle modulation is its algorithmic simplicity. A similar mathematical formulation for the original duty cycle modulation is proposed. The modified duty cycle modulation is shown to produce well-formed phase-to-neutral voltages that have lower total harmonic distortion than the space-vector pulse width modulation and the duty cycle modulation. The space-vector-based solution and the duty cycle modulation, on the other hand, result in a better-quality line-to-line voltage and current waveform. The voltage of the DC links in the modules of the series-connected H-bridge inverter are shown to fluctuate while they are under load. The fluctuation causes inaccuracies in the voltage production, which may result in a failure of the flux estimator in the controller. An extension for upper-level modulation schemes, which changes the switching instants of the inverter so that the output voltage meets the reference voltage accurately regardless of the DC link voltages, is proposed. The method is shown to reduce the error to a very low level when a sufficient switching frequency is used. An appropriate way to organize the switching instants of the multilevel inverter is to make only one-level steps at a time. This causes restrictions on the dynamical features of the modulation schemes. The produced voltage vector cannot be rotated several tens of degrees in a single switching period without violating the above-mentioned one-level-step rule. The dynamical capabilities of multilevel inverters are analyzed in this doctoral thesis, and it is shown that the multilevel inverters are capable of operating even in dynamically demanding metal industry applications. In addition to the discussion on modulation schemes, an overvoltage in multilevel converter drives caused by cable reflection is addressed. The voltage reflection phenomenon in drives with long feeder cables causes premature insulation deterioration and also affects the commonmode voltage, which is one of the main reasons for bearing currents. Bearing currents, on the other hand, cause fluting in the bearings, which results in premature bearing failure. The reflection phenomenon is traditionally prevented by filtering, but in this thesis, a modulationbased filterless method to mitigate the overvoltage in multilevel drives is proposed. Moreover, the mitigation method can be implemented as an extension for upper-level modulation schemes. The method exploits the oscillations caused by two consecutive voltage edges so that the sum of the oscillations results in a mitigated peak of the overvoltage. The applicability of the method is verified by simulations together with experiments with a full-scale prototype.

Lappeenranta-malli alueellisen julkisen verkon toteutustapana

Työssä perehdytään tapoihin, joilla alueellinen julkinen verkko voidaan toteuttaa. Työn lähtökohtana on näkemys, että tietoyhteiskunnassa pääsy verkkoon on perusedellytys. Tällöin lähes kaikissa kodeissa tulisi olla mahdollisuus kytkeytyä ja olla jatkuvasti kytkeytyneenä tietoverkkoon. Lappeenranta-malli määrittelee tavan toteuttaa alueellisen julkisen verkon peruspalvelut. Mallin erityispiirteenä on mahdollisuus ilmoitusten esittämiseen verkon käyttäjille. Työssä arvioidaan Lappeenranta-mallin sopivuutta alueellisen julkisen verkon toteutustavaksi ja mitataan mallin suorituskykyä. Työn osana toteutetaan Lappeenranta-malliin kuuluva yhdysliikennepiste Lappeenrannan teknillisen yliopiston käyttöön.

Uuden robottisolun ohjelmointitavan mahdollisuudet pienille ja keskisuurille yrityksille

Robotin ohjelmointi on aikaa vievää ja tarvitsee robotin ohjelmoinnin tuntevan operaattorin toimimaan robotin opettajana. Saadakseen robottisolun kustannustehokkaaksi operaattorilla olisi hyvä olla useampi solu hoidettavanaan samaan aikaan. Tämä ei ole suuri ongelma suurille yrityksille, joissa voi olla kymmeniä robottisoluja. Jos kyseessä on pieni tai keskisuuri yritys, automatisointi-investointi voi jäädä tekemättä ohjelmoinnin vaikeuden aiheuttaman ongelman vuoksi. Diplomityössä keskityttiin tutkimaan robotisointia pienten ja keskisuurten yritysten kannalta. Teoriaosassa on keskitytty robottisolun suunnittelun kannalta tarvittaviin perustietoihin robotin rakenteesta, ohjausjärjestelmästä, ohjelmoinnista sekä turvallisuudesta. Näiden perustietojen lisäksi on huomioitu hitsauksen automatisointia sekä taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun tekninen konsepti. Taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun konseptin käsittelyosassa on myös perehdytty taluttamalla ohjelmoinnin vaatimiin komponentteihin kuten voima/vääntö-anturi. Robottisolun suunnittelu on tehtävä koneasetuksen vaatimusten mukaan. Turvallisuus osiossa on käsitelty koneasetuksen vaatimuksia koneensuunnittelulle ja käytännön osassa on käsitelty Winnovan taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun suunnittelua koneasetuksen ohjeiden mukaan. Käytännön osassa on tutkittu taluttamalla ohjelmoinnin tuomia etuja muihin ohjelmointimenetelmiin nähden sekä suoritettu investointilaskelmat taluttamalla ohjelmoitavasta ja opettamalla ohjelmoitavasta robottisolusta. Koetuloksista nähdään taluttamalla ohjelmoinnin olevan nopeampi ja yksinkertaisempi tapa ohjelmoida robottia kuin opettamalla ohjelmointi. Investointilaskelmien vertailusta nähdään taluttamalla ohjelmoinnin tulevan opettamalla ohjelmointia edullisemmaksi vaihtoehdoksi käyttökustannusten edullisuuden ansiosta.

Automaatiolaitteiden elinkaaren hallinta ydinvoimalaitoksessa

Diplomityön tavoitteena on selvittää automaatiolaitteiden elinkaaren hallintaa ottaen huomioon ydinvoimalaitoksessa toimimisen erityispiirteet. Elinkaaren hallinnan tavoitteena on laitoksen korkean turvallisuuden ja käyttökertoimen varmistaminen. Työssä käydään läpi elinkaaren vaiheita käyttäen esimerkkinä turbiinilaitoksen automaation modernisointiprojektia. Diplomityö alkaa katsauksella ydinenergia-alan viranomaisiin, säännöksiin sekä menetelmiin, joilla ydinturvallisuus varmistetaan. Työssä otetaan selvää, millaisissa tehtävissä automaatiolaitteet ja –järjestelmät ydinvoimalaitoksissa toimivat ja millä perusteilla ne kelpoistetaan käyttötarkoitukseensa. Työssä pyritään lisäksi kartoittamaan ydinvoimala-alan tarpeita erilaisilleautomaatiotekniikkaan liittyville palveluille. Esiin nousivat etenkin haasteet ohjelmistoversioiden hallinnassa.

Distributed ControlArchitecture of Power Electronics Building-Block-Based Frequency Converters

The increasing power demand and emerging applications drive the design of electrical power converters into modularization. Despite the wide use of modularized power stage structures, the control schemes that are used are often traditional, in other words, centralized. The flexibility and re-usability of these controllers are typically poor. With a dedicated distributed control scheme, the flexibility and re-usability of the system parts, building blocks, can be increased. Only a few distributed control schemes have been introduced for this purpose, but their breakthrough has not yet taken place. A demand for the further development offlexible control schemes for building-block-based applications clearly exists. The control topology, communication, synchronization, and functionality allocationaspects of building-block-based converters are studied in this doctoral thesis. A distributed control scheme that can be easily adapted to building-block-based power converter designs is developed. The example applications are a parallel and series connection of building blocks. The building block that is used in the implementations of both the applications is a commercial off-the-shelf two-level three-phase frequency converter with a custom-designed controller card. The major challenge with the parallel connection of power stages is the synchronization of the building blocks. The effect of synchronization accuracy on the system performance is studied. The functionality allocation and control scheme design are challenging in the seriesconnected multilevel converters, mainly because of the large number of modules. Various multilevel modulation schemes are analyzed with respect to the implementation, and this information is used to develop a flexible control scheme for modular multilevel inverters.

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.

Diskreettiaikainen liukuvan moodin säätö kiinteäoksidipolttokennon DC-tasonnostossa

Huoli ympäristön tilasta ja fossiilisten polttoaineiden hinnan nousu ovat vauhdittaneet tutkimusta uusien energialähteiden löytämiseksi. Polttokennot ovat yksi lupaavimmista tekniikoista etenkin hajautetun energiantuotannon, varavoimalaitosten sekä liikennevälineiden alueella. Polttokenno on tehonlähteenä kuitenkin hyvin epäideaalinen, ja se asettaa tehoelektroniikalle lukuisia erityisvaatimuksia. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon on tavallisesti toteutettu käyttämällä galvaanisesti erottavaa DC/DC hakkuria sekä vaihtosuuntaajaa sarjassa. Polttokennon kulumisen estämiseksi tehoelektroniikalta vaaditaan tarkkaa polttokennon lähtövirran hallintaa. Perinteisesti virran hallinta on toteutettu säätämällä hakkurin tulovirtaa PI (Proportional and Integral) tai PID (Proportional, Integral and Derivative) -säätimellä. Hakkurin epälineaarisuudesta johtuen tällainen ratkaisu ei välttämättä toimi kaukana linearisointipisteestä. Lisäksi perinteiset säätimet ovat herkkiä mallinnusvirheille. Tässä diplomityössä on esitetty polttokennon jännitettä nostavan hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli, sekä malliin perustuva diskreettiaikainen integroiva liukuvan moodin säätö. Esitetty säätö on luonteeltaan epälineaarinen ja se soveltuu epälineaaristen ja heikosti tunnettujen järjestelmien säätämiseen.

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.

Comparison and Evaluation of Eddy Current Sensors

In the work eddy current sensors are described and evaluated. Theoretical part includes physical basics of the eddy currents, overview of available commercial products and technologies. Industrial sensors operation was assessed based on several working modes. Apart from this, the model was created in Matlab Simulink with Xilinx Blockset and then translated into a Xilinx ISE Design Suite compatible project. The performance of the resulting implementation was compared to the existing implementation in the Xilinx Spartan 3 FPGA board with the custom made sensor. Additionally, an introduction to FPGAs and VHDL is presented.

Hammashihnajohdeakseleiden liikkeiden synkronointi

Nykyisessä valmistusteollisuudessa erilaisten robottien ja automatisoitujen tuotantovaiheiden rooli on erittäin merkittävä. Tarkasti suunnitellut liikkeet ja toimintavaiheet voidaan nykyisillä järjestelmillä ajoittaa tarkasti toisiinsa nähden, jolloin erilaisten virhetilanteidenkin sattuessa järjestelmä pystyy toimimaan tilanteen edellyttämällä tavalla. Automatisoinnin etuna on myös tuotannon muokkaaminen erilaisten tuotteiden valmistamiseen pienillä muutoksilla, jolloin tuotantokustannukset pysyvät matalina myös pienten valmistuserien tapauksissa. Usean akselin laitteissa eli niin sanotuissa moniakselikäytöissä laitteen toimintatarkkuus riippuu jokaisen liikeakselin tarkkuudesta. Liikkeenohjauksessa on perinteisesti ollut käytössä myötäkytketty paikkakaskadi, jonka virityksessä otetaan huomioon akselilla olevat erilaiset dynaamiset tilat ja käytettävät referenssit. Monissa nykyisissä hajautetuissa järjestelmissä eli moniakselikäytöissä, joissa jokaiselle akselille on oma ohjauslaite, ei yksittäisen akselin paikkavirhettä huomioida muiden akseleiden ohjauksessa. Työssä tutkitaan erilaisia moniakselijärjestelmien ohjausmenetelmiä ja myötäkytketyn paikkakaskadin toimintaa moniakselikäytössä pyritään parantamaan tuomalla paikkasäätimen rinnalle toinen säädin, jonka tulona on akseleiden välinen paikkaero.

Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems

One of the targets of the climate and energy package of the European Union is to increase the energy efficiency in order to achieve a 20 percent reduction in primary energy use compared with the projected level by 2020. The energy efficiency can be improved for example by increasing the rotational speed of large electrical drives, because this enables the elimination of gearboxes leading to a compact design with lower losses. The rotational speeds of traditional bearings, such as roller bearings, are limited by mechanical friction. Active magnetic bearings (AMBs), on the other hand, allow very high rotational speeds. Consequently, their use in large medium- and high-speed machines has rapidly increased. An active magnetic bearing rotor system is an inherently unstable, nonlinear multiple-input, multiple-output system. Model-based controller design of AMBs requires an accurate system model. Finite element modeling (FEM) together with the experimental modal analysis provides a very accurate model for the rotor, and a linearized model of the magneticactuators has proven to work well in normal conditions. However, the overall system may suffer from unmodeled dynamics, such as dynamics of foundation or shrink fits. This dynamics can be modeled by system identification. System identification can also be used for on-line diagnostics. In this study, broadband excitation signals are adopted to the identification of an active magnetic bearing rotor system. The broadband excitation enables faster frequency response function measurements when compared with the widely used stepped sine and swept sine excitations. Different broadband excitations are reviewed, and the random phase multisine excitation is chosen for further study. The measurement times using the multisine excitation and the stepped sine excitation are compared. An excitation signal design with an analysis of the harmonics produced by the nonlinear system is presented. The suitability of different frequency response function estimators for an AMB rotor system are also compared. Additionally, analytical modeling of an AMB rotor system, obtaining a parametric model from the nonparametric frequency response functions, and model updating are discussed in brief, as they are key elements in the modeling for a control design. Theoretical methods are tested with a laboratory test rig. The results conclude that an appropriately designed random phase multisine excitation is suitable for the identification of AMB rotor systems.