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.

Sellutehtaan varavoimajärjestelmän mitoitus ja teknistaloudellinen vertailu 400 ja 690 voltin jännitteillä

Tämän diplomityön tarkoitus on selvittää pienjakelujännitteen nostosta aiheutuvia vaikutuksia sellutehtaan varavoimaverkossa. Työn alussa esitellään varavoimaverkkoon kuuluvia osia, selvitetään erilaisten kuormien vaikutusta varavoimaverkon sähkön laatuun sekä kuormien jakoa varmennettuihin verkkoihin. Seuraavaksi suunnitellaan kaksi keskitettyä varavoimaverkkomallia eri pienjakelujännitteillä. Mallien nimellisjännitteet ovat 400 V ja 690 V. Varavoimaverkkomallien kuormat ja osastojen väliset etäisyydet on otettu valmiista sellutehtaista. Tässä diplomityössä painotutaan erityisesti varavoimaverkkomallien mitoitukseen ja jakelujännitteen nostosta aiheutuvien vaikutusten teknistaloudelliseen vertailuun. Vertailu tehdään keskijännitekojeiston ja varavoimakeskusten välisellä alueella, johon kuu-luvat jakelumuuntaja, varavoimakone, varavoimapääkeskus, kiskosillat, jakelukaapelit, kytkinvaroke- ja katkaisijalähdöt sekä mahdolliset välimuuntajat. Varavoimaverkkojen välisessä kustannusvertailussa käytetään nykyarvomenetelmää.

Teho- ja energiamittauspalvelun kartoitus ja kehittäminen

Luotettavien energiamittauspalvelujen tarjoaminen vaatii mittauksien ja niihin liittyvien työvaiheiden tarkan dokumentoinnin ja ohjeistuksen. Sähkötaseiden hallinnassa ja sel-vityksessä käytettävien mittaustietojen määrä on suuri. Dokumentointijärjestelmä on välttämätön mittaustietojen hallitsemiseksi. Sujuva työvaiheiden suorittaminen vaatii niiden kartoittamisen ja sen pohjalta tehdyn ohjeistamisen. Diplomityö voidaan jakaa neljään osaan. Aluksi selvitetään sähköenergiamittausten käyttöä tasehallinnassa ja -selvityksessä. Siihen liittyen tehdään selvitys myös mittaus-velvollisuuksista sekä mittausten tarvitsijoista. Toisessa osassa tutkitaan, miten mittaustieto siirretään jännite- ja virtamuuntajilta ener-gianhallintajärjestelmään, ja mitä työvaiheita on suoritettava ennen kuin mittaustieto voidaan ohjata asiakkaalle tai jatkokäsittelyyn. Kolmas osa muodostuu mittaustietokannan kehittämisestä Microsoft Access-tietokantaohjelmalla. Tietokantaan keskitetään kaikki mahdollinen mittauksiin liittyvä tieto. Tietokanta helpottaa monia mittauksiin liittyviä selvitystehtäviä, sillä siitä voidaan hakea tietoa monin eri hakukriteerein. Neljännessä osassa tarkastellaan mittauspalvelun toiminnassa esiin tulleita epäkohtia ja esitetään niille korjausehdotukset.

Kaapeloinnin kannattavuus Fortum Sähkönjakelun keskijänniteverkoissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kaapeloinnin kannattavuutta keskijänniteverkossa. Työssä vertailtiin ilmajohto- ja kaapelirakenteen teknisen elinkaaren aikaisia kustannuksia. Myös rakennevaihtoehtojen ympäristöllisiä vaikutuksia tarkasteltiin ja vertailtiin. Kustannusten vertailu tapahtui esimerkkilaskelmin olemassa olevaan verkkoon. Tarkoituksena oli löytää Fortum Sähkönjakelulle mahdollisimman tyypilliset alueet tarkasteltaviksi kohteiksi. Esimerkkialueiksi valittiin Talvisillan haja-asutuslähtö Somerolta, Ruskon maaseututaajama sekä Kaarinan teollisuusalue. Vertailulaskelmat suoritettiin siten, että kullekin alueelle tehtiin sekä ilmajohto- että kaapelisaneeraus ja laskettiin kummankin rakenteen investointi-, ylläpito- ja keskeytyskustannukset. Laskelmissa selvisi, että haja-asutusalueella kaapeli ja ilmajohto olivat lähes yhtä edulliset. Maaseututaajamassa sekä teollisuusalueella ilmajohto oli selvemmin edullisempi nykyisellä kustannustasolla. Lisäksi laskettiin kustannusvertailu tulevaisuudessa mahdollisesti tapahtuvien erilaisten kustannusmuutosten lähtöarvoilla. Useassa skenaariossa kaapeli oli haja-asutusalueella edullisempi. Maaseututaajamassa ja teollisuusalueella ilmajohto pysyi pääasiassa edullisempana vaihtoehtona.

Kuopion Energian keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma

Tämän työn tavoitteena oli laatia Kuopion Energian keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma. Kehittämissuunnitelmaa varten selvitettiin ensin verkon nykytila ja toimivuus korvaustilanteissa. Tämän jälkeen laadittiin vuoteen 2020 asti ulottuvat kuormitusennusteet. Nykytilan ja kuormitusennusteiden pohjalta selvitettiin toimenpiteet, joilla Kuopion Energian keskijänniteverkko selviää tulevaisuuden vaatimuksista. Kehittämissuunnitelmassa selvitettiin alueet, joilla kuormitettavuus, korvattavuus tai oikosulkukestoisuus muodostuisi tulevaisuudessa toimivan sähkönjakelun esteeksi. Työn painopistealueiksi muodostuivat Savilahden ja Petosen alueet. Työssä selvitettiin, kuinka Petosen alueen nopean kuormituksen kasvun aiheuttama lisätehontarve saadaan hoidettua. Vaihtoehtoisina ratkaisutapoina selvitettiin lisäkapasiteetin rakentamista Petosen aluetta nykyisin syöttävälle Leväsen sähköasemalle tai uuden sähköaseman rakentamista. Savilahden alueen kasvavan tehontarpeen tyydyttämiseksi selvitettiin lisätehon saneeraamista Savilahden sähköasemalle tai vastaavasti uuden sähköaseman rakentamista Iloharjun kytkinasemalle.

Quantifying the time for accurate EEG decoding of single value-based decisions.

BACKGROUND: Recent neuroimaging studies suggest that value-based decision-making may rely on mechanisms of evidence accumulation. However no studies have explicitly investigated the time when single decisions are taken based on such an accumulation process. NEW METHOD: Here, we outline a novel electroencephalography (EEG) decoding technique which is based on accumulating the probability of appearance of prototypical voltage topographies and can be used for predicting subjects' decisions. We use this approach for studying the time-course of single decisions, during a task where subjects were asked to compare reward vs. loss points for accepting or rejecting offers. RESULTS: We show that based on this new method, we can accurately decode decisions for the majority of the subjects. The typical time-period for accurate decoding was modulated by task difficulty on a trial-by-trial basis. Typical latencies of when decisions are made were detected at ∼500ms for 'easy' vs. ∼700ms for 'hard' decisions, well before subjects' response (∼340ms). Importantly, this decision time correlated with the drift rates of a diffusion model, evaluated independently at the behavioral level. COMPARISON WITH EXISTING METHOD(S): We compare the performance of our algorithm with logistic regression and support vector machine and show that we obtain significant results for a higher number of subjects than with these two approaches. We also carry out analyses at the average event-related potential level, for comparison with previous studies on decision-making. CONCLUSIONS: We present a novel approach for studying the timing of value-based decision-making, by accumulating patterns of topographic EEG activity at single-trial level.

Tandem-GMA Welding of Low Alloy Structural Steel

The Tandem-GMAW method is the latest development as the consequences of improvements in the welding methods. The twin-wire and then the Tandem-method with the separate power sources has got a remarkable place in the welding of many types of materials with different joint types. The biggest advantage of Tandem welding method is the flexibility of choosing both the electrodes of different types from each other according to the type of the parent material. This is possible because of the feasibility of setting the separate welding parameters for both the wires. In this thesis work the effect of the variation in three parameters on the weld bead in Tandem-GMA welding method is studied. Theses three parameters are the wire feed rate in the slave wire, the wire feed rate in the master wire and the voltage difference in both the wires. The results are then compared to study the behaviour of the weld bead with the change in these parameters.

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.

Syöttöjännitteen jännitehäiriöt paperikoneen sähkökäytössä

Diplomityön tavoitteena oli selvittää paperikonelinjakäyttöjen toimintaa syöttöjännitteen alenemien ja –jännitekatkojen aikana. Työssä haluttiin selvittää, millaisista häiriöistä laitteistot selviävät pysähtymättä ja kuinka laitteistojen immuniteettia häiriöille voitaisiin parantaa. Standardien esittämien jännitehäiriöiden siedon vaatimuksien lisäksi haluttiin selvittää olosuhteet, joissa asiakkaiden sähkökäytöt tulisi toimia. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi selvitettiin laboratoriomittauksin tyristori- ja ISU –syöttöyksiköillä varustettujen linjakäyttöjen testilaitteistojen ominaisuuksia jännitteen alenemien aikana. Lisäksi selvitettiin paperikoneen muiden laitteistojen toimintaa jännitehäiriöiden aikana. Avain sähkökäyttöjen jännitehäiriöiden siedon parantamiseksi löytyy ulkoisista energiavarastoista ja paperikoneen linjakäyttöjen hallitusta ohjaamisesta häiriöiden aikana. Näiden hyödyntäminen edellyttää kuitenkin työssä selvitetyn paperiprosessin ohjauksen tuntemista ratakatkon aikana.

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.

Sähkökäyttöjen kaapelivärähtelyt

Taajuudenmuuttajan kytkennän synnyttämä nopea jännitemuutos aiheuttaa pitkään moottorikaapeliin sähköisen värähtelyilmiön. Ilmiö on tullut erityisesti esille uusien nopeasti kytkevien puolijohdetehokytkimien ilmestyttyä markkinoille. Taajuudenmuuttajan lähtöön asennettu jännitteen nousunopeutta rajoittava suodin vähentää kaapelivärähtelyä, mutta riittävän pitkässä kaapelissa värähtely on voimakasta lähtösuotimesta huolimatta. Kaapelivärähtelyilmiön seurauksena moottorikaapelin taajuudenmuuttajan puoleiseen päähän syntyy voimakas virtavärähtely ja moottorin puoleiseen päähän voimakas jännitevärähtely. Sähkökäyttöjen vektorisäätöalgoritmit tekevät ohjauspäätöksiä moottorikaapelin taajuudenmuuttajan päästä tehtyjen virtamittausten perusteella. Säädön päätösväli on niin lyhyt, että kaapelin virtavärähtely ehtii häiritä säädön toimintaa. Tässä työssä on esitetty kaapelivärähtelyä kuvaava taajuudenmuuttajan lähtösuotimen huomioon ottava siirtofunktioperustainen matemaattinen malli. Mallin avulla kaapelivärähtelyilmiötä voi analysoida lineaarisen säätöteorian menetelmillä. Virtavärähtelyn moottorisäätöön tuomiin ongelmiin ratkaisuksi on esitetty virran mittasignaalin käsittelemistä analogisella ja digitaalisella suotimella. Simulointitulosten perusteella ratkaisua voidaan pitää toimivana. Lopuksi esitetään, kuinka avaruusvektoriteorian mukaista induktiomoottorimallia ja kaapelivärähtelymallia voidaan simuloida yhdessä.

IGBT:n kytkentäviiveiden mittaaminen

Taajuusmuuttajassa tehokytkinten, tässä tapauksessa IGBT, kytkentäviiveet vääristävät lähtöjännitettä varsinkin pienillä lähtöjännitteen arvoilla. Kun viiveiden pituudet tunnetaan voidaan niiden vaikutus kompensoida taajuusmuuttajan ohjauksella. Perinteisissä toteutuksissa viiveiden pituudet on arvioitu ennalta määritetyn taulukon mukaisesti, jossa parametrina on ollut muun muassa moottorivirta. Viiveet kuitenkin vaihtelevat yksilökohtaisesti, eikä kaikkia viiveisiin vaikuttavia tekijöitä voida ottaa huomioon, joten taulukko antaa vain suuntaa. Ratkaisuna tähän on viiveiden mittaus. Työssä tutustutaan jännitevälipiirillisen PWM-taajuusmuuttajan toimintaan yleisellä tasolla. IGBT:n toimintaan syvennytään tarkemmin sekä teoreettisella tasolla että käytännön mittauksilla. Työssä tarkastellaan kytkimien kytkentäviiveiden syntytapaa ja niiden vaikutuksia lähtöjännitteeseen. Viiveiden aiheuttamiin lähtöjännitteen virheiden korjaukseen esitetään erilaisia menetelmiä. Työssä rakennetaan mittalaite jolla tarkkaillaan taajuusmuuttajan lähtöjännitettä ja mitataan sen avulla kytkentäviiveiden suuruutta. Kytkennässä huomioidaan erityisesti häiriöisen ympäristön EMI-vaikutusten minimointi laitteen toiminnassa. Käytännön mittauksilla ja testauksilla kytkentä todetaan toimivaksi ja soveltuvaksi kytkentäviiveiden vaihevirheettömään mittaukseen.

Elinkaarikustannusten ja toimitusvarmuuden analysointi sähkönjakelun saneerausmenetelmille

Tässä työssä tutkitaan haja-asutusalueiden sähkönjakeluverkkojen kehittämistä. Kehityskohteiksi on valittu viisi tekniikkaa, 1000 V-järjestelmä, keskijännitejohtojen siirtäminen teiden varsille, PAS -johtojen käyttö, maakaapelointi sekä pylväskatkaisijan käyttö. Teoreettisen tarkastelun tavoitteena on määrittää reunaehdot tarkasteltavien tekniikoiden kannattavuudelle. Aiemmin keskijänniteverkko on rakennettu lähes poikkeuksetta avojohtona. Viime vuosien myrskyt sekä lumikuormat ovat häirinneet sähkönjakelua ja nostaneet painetta jakeluvarmuuden kasvattamiseksi. Tutkimuksessa haja-asutusalueiden sähkönjakeluverkon kehittämiseen etsitään teknillisesti sekä taloudellisesti kannattavia ratkaisumalleja. Kehittämisen tavoitteena on parantaa kuluttajien sähkön laatua ja toimitusvarmuutta. Tutkimuksessa käsitellään tarkasteltavia tekniikoita esimerkkikohteiden avulla, jotka on valittu Itä-Suomelle tyypillisiltä jakelualueilta. Kohteissa taloudellista kannattavuutta tutkitaan vertaamalla perinteistä saneeraamista tarkastelussa oleviin korvaaviin menetelmiin. Korvaavilla ratkaisuilla toimitusvarmuus paranee, mutta kannattavuus riippuu siirrettävästä tehosta, asiakasryhmien jakaumasta sekä saavutettavasta vikataajuuden muutoksesta.

DTC-induktiomoottorikäytön soveltaminen keskitaajuusalueelle

Työssä tarkastellaan olemassa olevan suoraa vääntömomentin säätöä käyttävän taajuudenmuuttajan soveltamista keskitaajuusalueella toimiviin induktiomoottorikäyttöihin. Keskinopeusalueen sovellusten pyörimisnopeudet ovat tyypillisesti 6000…30000rpm. Tällöin invertterin lähtötaajuuden on nelinapaista moottoria ohjattaessa ulotuttava 1000Hz:iin. ABB:n ACS600 taajuudenmuuttajan nykyinen syöttötaajuus ulottuu noin 400Hz:iin ja sen keskimääräinen kytkentätaajuus on luokkaa 3kHz. Taajuudenmuuttajan keskimääräistä kytkentätaajuutta ei haluta tästä merkittävästi nostaa, koska tällöin pääteasteen mitoitusta ja rakennetta on muutettava. Tarkastelussa keskitytään täten jännitemodulointiin, joka määrittelee invertterin lähtöjännitteen käyrämuodon ja pääteasteen tehokytkimien kytkentätaajuuden. Työssä esitetään suoran käämivuon säädön periaatetta soveltava 30-kulmainen modulointimenetelmä (30-modulointi), jolla moottorin syöttövirrasta voidaan eliminoida 5. ja 7. yliharmoninen komponentti. Yliharmonisten komponenttien eliminointi mahdollistaa passiivisilla komponenteilla toteutetun alipäästösuodattimen asentamisen invertterin lähtöön, jolloin moottorissa tapahtuvat tehohäviöt saadaan pieniksi. 30-moduloinnin ohjaukseen ja säätöön esitetään menetelmät, jotka mahdollistavat sen toteuttamisen nykyiseen taajuudenmuuttajaan ohjelmallisesti ilman suuria laitteistomuutoksia. 30-moduloinnin ominaisuuksia tarkastellaan analyyttisin menetelmin ja sen toimintaa testataan esitettyjen teorioiden perusteella simuloimalla. 30-moduloinnin ohjelmallinen implementointi nykyiseen ACS600:een mahdollistaa periaatteessa noin 600Hz:n syöttötaajuuden saavuttamisen. Tällöin invertterin keskimääräinen kytkentätaajuus voidaan säätää koko pyörimisnopeusalueella alle 4kHz:n tasolle.

Teholähdepiirilevyn suunnittelu akkukäyttöiseen laitteeseen

Teholähdepiirilevyn suunnittelu etenkin kooltaan pieneen akkukäyttöiseen laitteeseen on monivaiheinen suunnitteluprosessi. Teholähdetopologioiden valinta levylle määrää heti alkuunsa kuinka vakaata jännitettä levyllä voidaan tuottaa, kuinka suuria tehoja siitä voidaan ottaa, miten paljon häiriöitä levy tuottaa ympäristöönsä ja ennen kaikkea, kun akkukäyttöisestä laitteesta on kysymys, kuinka hyvään hyötysuhteeseen sillä voidaan päästä. Suunnittelun kannalta hakkuriteholähde on teholähdetopologioista vaativin. Tässä työssä paneudutaankin tarkemmin boost-hakkuriteholähteen suunnitteluun. Pelkkä hakkurin komponenttien mitoitus ei takaa teholähteelle parasta mahdollista toimintaa, vaan myös piirilevysuunnittelulla on suuri merkitys. Akkukäyttöisen laitteen teholähdepiirilevyn suunnittelu ei rajoitu yksinomaan teholähteiden suunnitteluun vaan levy sisältää usein myös muuta oheiselektroniikkaa, yleensä ainakin laitteen käynnistyselektroniikan sekä akun latausjärjestelmän. Etenkin akun latausjärjestelmän suunnittelu saattaa muodostua hyvinkin monimutkaiseksi tehtäväksi. Tässä työssä onkin tutkittu muutaman yleisimmän akkutyypin latausmenetelmiä. Työssä suunnitellaan myös käytännössä teholähdepiirilevy akkukäyttöiseen mittalaitteeseen. Levyn toimintaa tutkitaan erinäisin mittauksin, joilla pyritään selvittämään levyn heikkoudet. Näiden heikkouksien pohjalta levystä suunnitellaan paranneltu versio. Tällekin levylle tehdään samat mittaukset kuin edelliselle versiolle, joista selviää parannusten onnistuminen.