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.

ZigBee-verkot ja evaluointilaitteen suunnittelu

In this thesis a closer look at ZigBee wireless network protocol was made and a ZigBee evaluation device was designed and built for testing it. ZigBee is a digital wireless network technology published in 2004, which was developed for wireless control and automation systems. It is based on the IEEE 802.15.4-2003 standard, and its aim was to create a reliable wireless networking protocol with secure data transmissions, low power consumption and low manufacturing costs. The low power consumption requirement has also led to a slow data rate and a short range, but in a ZigBee network individual network devices can route messages to each other, so short range is not a problem. In automation and control systems a fast data rate is not usually an important requirement either. ZigBee network can form automatically and one ZigBee network can theoretically include thousands of devices, all of which can communicate with each other. ZigBee network is also self-healing, so an individual device dropping out of the network, like breaking down, does not affect functionality of the network. Evaluation device was designed and implemented in four different versions, which were tested with six different antenna designs. All antennas were tested at a range of 100 meters in an open terrain using two different frequencies and transmission powers. Also a range test was performed for selected antennas using transmission power of 4,5 dBm, which was maximum power of the ZigBee chip used in the evaluation device. Range test resulted in a measured range of several hundred meters, which can be considered as a good result for a short-range technology.

Toimitusketjun hallinnan kehittäminen tekstiiliteollisuudessa

Due to the outsourcing of manufacturing, Finlayson Oy now has a need to develop its supply chain management as its new ability. This requires development of efficient and flexible procedures and models in order to efficiently manage the company’s floating assets without affecting the reliability of delivery promised for the customer. In this thesis we discuss Finlayson’s supply chain management with a focus on the operations between Finlayson and its suppliers. The aim is to develop these operations and increase the reaction speed of the supply chain in order to response to the changes in demand. In order to do this we discuss different product analysis, material and inventory management and demand forecasting. In the research part of the thesis we design strategies for different products based on product classification analysis. Market behavior of different products will be modeled with demand forecasting methods and inventory control systems will be designed for different product groups based on the nature of their supplier. We will also optimize the costs and resource needs for different suppliers’ order-deliver processes.

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.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön suunnittelu ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Ympäristörasituksen vähentäminen, tiukkenevat päästörajat ja ehtyvät öljyvarat ovat ajaneet kulkuvälineteollisuuden hakemaan uusia vaihtoehtoja ajoneuvojen energiatehokkuuden kehittämiseksi. Hybriditeknologia tarjoaa ratkaisuja kustannustehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden parantamiseksi. Hybriditeknologian yleistyessä myös työkoneympäristössä saadaan paitsi kehitettyä energiatehokkaampia ja pienemmillä käyttökustannuksilla olevia työkoneita, niin myös tuotua siviiliajoneuvoista tuttuja turvallisuusominaisuuksia työkoneympäristöön. Perinteisten diesel-moottorien korvaaminen nopeavasteisilla ja tarkasti säädettävillä sähkömoottoreilla tarjoaa mahdollisuuksia toteuttaa tarkempia ja monipuolisempia säätöjärjestelmiä kuin perinteisessä ympäristössä. Tässä diplomityössä suunnitellaan luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö hybridityökoneympäristöön. Järjestelmä voi käyttökohteesta riippuen pienentää huomattavasti käyttökustannuksia ja mahdollistaa uusien sovellusten tuomista markkinoille, kuten esimerkiksi kääntymisen avustaminen differentiaalisella ohjauksella.

Automation Concept for Electrically Excited LV Synchronous Motor: Implementation into AC500 Programmable Logic Environment

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 develop an automation concept for controlling the electrically excited synchronous motor. Thesis concentrates on the implementation of the automation concept into the ABB’s AC500 programmable logic enviroment. The automation program was developed as a state machine with the ABB’s PS501 Control Builder software. For controlling the automation program is developed a fieldbus control and with CodeSys Visualization Tool a local control with control panel. The fieldbus control is done to correspond the ABB drives communication profile and the local control is implemented with a function block which feeds right control words into the statemachine. A field current control of the synchronous motor is realized as a method presented in doctoral thesis of Olli Pyrhönen (Pyrhönen 1998). The Method combines stator flux and torque based openloop control and power factor based feedback control.

Yritysten eroavaisuuksien vaikutukset johdon ohjausjärjestelmiin - tapaustutkimus

Johdon ohjausjärjestelmät koostuvat yksittäisistä järjestelmistä, jotka muodostavat yrityksen ohjausjärjestelmäkokonaisuuden. Yksittäiset järjestelmät ovat sekä konkreettisia, kuten budjetit, mutta myös käsitteellisempiä tekijöitä, kuten henkilöstön ohjaus. Jokaisella yrityksellä on oma ohjausjärjestelmäkokonaisuutensa, joka riippuu esimerkiksi yrityksen toimialasta, strategiasta ja koosta. Menestyäkseen yrityksen on löydettävä mahdollisimman toimiva ja yhteensopiva ohjausjärjestelmäkokonaisuus juuri kyseiselle yritykselle. Tämän tutkielman ensisijaisena tavoitteena on selvittää miten yritysten eroavaisuudet vaikuttavat johdon ohjausjärjestelmiin. Tutkielma tehdään selvittämällä ensin mitä johdon ohjausjärjestelmät ovat ja tämän jälkeen haastattelemalla erilaisten yritysten talousjohtajia niiden ohjausjärjestelmistä. Tämän jälkeen vertaillaan tuloksia hallitsevaan teoriaan ja yritysten ohjausjärjestelmiä toisiinsa. Tutkielmassa havaittiin selviä eroja yritysten ohjausjärjestelmien välillä.

Applications and Benefits of Adaptive Pulsed GMAW

In ship and offshore terminal construction, welded cross sections are thick and the number of welds very high. Consequently, there are two aspects of great importance; cost and heat input. Reduction in the welding operation time decreases the costs of the work force and avoids excessive heat, preventing distortion and other weld defects. The need to increase productivity while using a single wire in the GMAW process has led to the use of a high current and voltage to improve the melting rate. Unfortunately, this also increases the heat input. Innovative GMAW processes, mostly implemented for sheet plate sections, have shown significant reduction in heat input (Q), low distortion and increase in welding speed. The aim of this study is to investigate adaptive pulsed GMAW processes and assess relevant applications in the high power range, considering possible benefits when welding thicker sections and high yield strength steel. The study experimentally tests the usability of adaptive welding processes and evaluates their effects on weld properties, penetration and shapes of the weld bead.The study first briefly reviews adaptive GMAW to evaluate different approaches and their applications and to identify benefits in adaptive pulsed. Experiments are then performed using Synergic Pulsed GMAW, WiseFusionTM and Synergic GMAW processes to weld a T-joint in a horizontal position (PB). The air gap between the parts ranges from 0 to 2.5 mm. The base materials are structural steel grade S355MC and filler material G3Si1. The experiment investigates heat input, mechanical properties and microstructure of the welded joint. Analysis of the literature reveals that different approaches have been suggested using advanced digital power sources with accurate waveform, current, voltage, and feedback control. In addition, studies have clearly indicated the efficiency of lower energy welding processes. Interest in the high power range is growing and a number of different approaches have been suggested. The welding experiments in this study reveal a significant reduction of heat input and a weld microstructure with the presence of acicular ferrite (AF) beneficial for resistance to crack propagation. The WiseFusion bead had higher dilution, due to the weld bead shape, and low defects. Adaptive pulse GMAW processes can be a favoured choice when welding structures with many welded joints. The total heat reduction mitigates residual stresses and the bead shape allows a higher amperage limit. The stability of the arc during the process is virtually spatter free and allows an increase in welding speed.

Petri Net approach for modelling system integration in intelligent buildings

In this paper, a Petri Net approach is introduced for modelling and simulation of control strategies in Intelligent Building. In this context, it is claimed that integration with other building systems can be achieved in a more systematic way considering a mechatronic approach (i.e. multidisciplinary concepts applied to the development of systems). The case study is the Ambulatory Building of Medical School Hospital of University of São Paulo. Particularly, the developed methodology is applied to the elevator system and to the HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) system. It is shown that using this approach, the control systems could be integrated, improving performance.

RFID-teknologia ja kulunvalvontajärjestelmät

RFID on radioaaltoja hyväksikäyttävä langaton kommunikointitekniikka, jota käytetään tunnistamaan tunnisteella merkittyjä esineitä tai ihmisiä yksilöinä. RFID on jo pitkään ollut tunnettu tekniikka, mutta vasta viime vuosikymmeninä sitä on alettu hyödyntämään kaupallisesti eri sovellusaloilla. Kandidaatintyön tarkoituksena on tehdä yleiskatsaus RFID:n historiaan, järjestelmien osiin ja niiden toimintaan sekä kartoittaa RFID-markkinoiden nykytilaa ja lähitulevaisuutta sekä globaalilta kannalta että Suomessa. Lopuksi työssä tarkastellaan RFID-perusteisten kulunvalvontajärjestelmien perusominaisuuksia ja niiden toimintaa.

Budjetointikäytännöt ja niiden kehittäminen vakuutusalalla

Budjetoinnin toimivuus jäykkänä suunnitteluprosessina kyseenalaistetaan tämän päivän nopeasti muuttuvassa toimintaympäristössä. Lisäksi sen merkitys johtamisen välineenä on ristiriitainen, eikä se välttämättä palvele strategisia tavoitteita. Perinteistä budjetointia kritisoivat tahot ovat kehittäneet uusia budjetointimenetelmiä, kuten toimintopohjaisen budjetoinnin ja Beyond budgeting -menetelmän. Tutkimuksessa haastateltiin kolmea vakuutusyhtiötä, tavoitteena on selvittää budjetoinnin merkitys vakuutusyhtiön talouden suunnittelussa ja kartoittaa kehitystarpeita taloussuunittelun toteuttamiselle ottaen huomioon toimialan erityispiirteet ja vaatimukset sekä ulkoinen toimintaympäristö. Tutkitut vakuutusyhtiöt kokivat käyttämänsä perinteisen vuosibudjetoinnin hyvänä taloussuunnittelun välineenä. Säätelyn kohteena olevilta vakuutusyhtiöiltä vaadi-taan tarkkaa pitkän tähtäimen talouden suunnittelua. Ulkoinen toimintaympäristö on ollut viime vuodet vakaa mahdollistaen taloussuunnittelun onnistumisen perinteisen vuosibudjetin keinoin.  

Production planning and optimization of a pulp mill: introduction of the optimisation based scheduling software for pulp industry

The objective of this project was to introduce a new software product to pulp industry, a new market for case company. An optimization based scheduling tool has been developed to allow pulp operations to better control their production processes and improve both production efficiency and stability. Both the work here and earlier research indicates that there is a potential for savings around 1-5%. All the supporting data is available today coming from distributed control systems, data historians and other existing sources. The pulp mill model together with the scheduler, allows what-if analyses of the impacts and timely feasibility of various external actions such as planned maintenance of any particular mill operation. The visibility gained from the model proves also to be a real benefit. The aim is to satisfy demand and gain extra profit, while achieving the required customer service level. Research effort has been put both in understanding the minimum features needed to satisfy the scheduling requirements in the industry and the overall existence of the market. A qualitative study was constructed to both identify competitive situation and the requirements vs. gaps on the market. It becomes clear that there is no such system on the marketplace today and also that there is room to improve target market overall process efficiency through such planning tool. This thesis also provides better overall understanding of the different processes in this particular industry for the case company.

Comparison of Different Concentrated Solar Power Collector Designs and Development of a Linear Fresnel Solar Collector Model

Concentrated solar power (CSP) is a renewable energy technology, which could contribute to overcoming global problems related to pollution emissions and increasing energy demand. CSP utilizes solar irradiation, which is a variable source of energy. In order to utilize CSP technology in energy production and reliably operate a solar field including thermal energy storage system, dynamic simulation tools are needed in order to study the dynamics of the solar field, to optimize production and develop control systems. The object of this Master’s Thesis is to compare different concentrated solar power technologies and configure a dynamic solar field model of one selected CSP field design in the dynamic simulation program Apros, owned by VTT and Fortum. The configured model is based on German Novatec Solar’s linear Fresnel reflector design. Solar collector components including dimensions and performance calculation were developed, as well as a simple solar field control system. The preliminary simulation results of two simulation cases under clear sky conditions were good; the desired and stable superheated steam conditions were maintained in both cases, while, as expected, the amount of steam produced was reduced in the case having lower irradiation conditions. As a result of the model development process, it can be concluded, that the configured model is working successfully and that Apros is a very capable and flexible tool for configuring new solar field models and control systems and simulating solar field dynamic behaviour.

Teollisuuspuhaltimille tarkoitetun suunnittelujärjestelmän kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli kehittää Dust Control Systems Oy:n nykyistä suunnittelujärjestelmää yrityksen toiminnan laadun ja suunnittelun tehokkuuden parantamiseksi. Suunnittelun suurin pullonkaula on valmistusdokumenttien tuottaminen, joten keskeinen tehtävä oli dokumenttien laadun parantaminen ja tuottamisen nopeuttaminen. Lisäksi tärkeää oli selkeyttää nykyistä nimikkeiden hallintaa ja ylläpitoa. Kehitystyö keskittyi suurelta osin suunnittelujärjestelmän ohjelmistoympäristön päivittämiseen ja sen muokkaamiseen. Teoriaosuudessa käsiteltiin nykyaikaista suunnittelua ja sen kehittämismahdollisuuksia. Lisäksi tarkasteltiin suunnittelun automatisoinnin tuomia hyötyjä sekä erilaisia tuotannon tehostamismenetelmiä. Kehitysosiossa tutkittiin yrityksen nykyistä suunnittelujärjestelmää ja ohjelmistoympäristöä, tuotteiden asettamia vaatimuksia sekä järjestelmän puutteita. Näihin liittyi suuresti yhteistyö henkilöstön sekä ohjelmistotoimittajan kanssa. Tutkimuksen perusteella ryhdyttiin kehittämään uutta järjestelmäkokonaisuutta, johon liitettiin tarvittavia ohjelmistoja ja päivityksiä. Käyttöönottoa varten ohjelmistot konfiguroitiin yrityksen tarpeita vastaaviksi. Työn tuloksena saatiin kehittyneempi ja nykyaikaisempi suunnittelujärjestelmä ja ohjelmistoympäristö. Suunnittelijoiden työtaakkaa saadaan kevennettyä toistuvien työvaiheiden pidemmälle viedyllä automatisoinnilla. Uudistettu ohjelmistoympäristö luo osaltaan ehtoja ja sääntöjä, jotta virheitä syntyy yhä vähemmän. Lisäksi suunnittelun läpimenoaikaa saadaan lyhennettyä parannetulla dokumenttien tuottamisella.