Frequency converter protection against supply network phenomena

This master’s thesis is focused on power supply network disturbances and their effects on the frequency converter – one of the components of modern process crane electrical system. The most critical disturbance types, their causes and the effect they bring to crane electrical system was determined in this work. Variety of protective devices used for mitigation of disturbances is investigated. Device protection solutions for the frequency converter used in crane applications are presented. Analyses of the power supply requirements for frequency converter and various components of crane electrical system were carried out and as a result the crane power supply requirements list that guarantees normal crane operation was built. This list is to be included in crane projects for troubleshooting purposes in order to determine potentially dangerous network.

Pumppukäyttöjen energiankulutuksen määrittäminen prosessimittauksia käyttäen

Pumppukäytöt vastaavat noin neljännestä Euroopan alueen sähkömoottoreissa kuluvasta energiasta. Energian hinnan nousun vuoksi energian säästäminen ja energiatehokkuus ovat nousseet tärkeään asemaan paljon energiaa kuluttavassa teollisuudessa. Pumppukäyttöjen hyötysuhteen parantaminen on noussut olennaiseen osaan paperi- ja kartonkiteollisuuden energiatehokkuustarkasteluissa. Tässä työssä tarkastellaan kartonkikoneen pumppukäyttöjen toiminnan energiatehokkuutta moottorin virtamittausten perusteella. Analyysi perustuu moottorin akselitehon määrittämiseen ja sen perusteella tehtävään pumpun toimintapisteen laskentaan. Työssä esitellään käytetyt estimointimenetelmät ja niillä saadut tulokset kartonkikoneen pumppukäytöille. Lisäksi työssä arvioidaan kolmen yksittäisen pumppukäytön energiankulutuksen säästöpotentiaalia. Työssä käytettyä menetelmää voidaan käyttää sekä vakio- että vaihtonopeuspumppukäyttöjen toiminnan ja hyötysuhteen analysointiin.

Sähkökäyttöinen moottorikelkka

Diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston sähkötekniikan yksikössä. Työssä tarkastellaan mahdollisuuksia toteuttaa sähkökäyttöinen moottorikelkka. Työn alussa selvitetään, millaiset ovat moottorikelkan käytön aiheuttamat kuormat ja pyörimisnopeusalueet sekä miten polttomoottorit niistä selviävät. Seuraavaksi tarkastellaan eri sähkömoottorityyppien ja akkuvaihtoehtojen soveltuvuutta vastaavaan tehtävään. Työn tuloksena valitaan sähkökäyttöiseen moottorikelkkaan soveltuva sähkömoottori- ja akkutyyppi.

Kestomagneettitahtikoneen emulointi digitaalisella signaaliprosessorilla

Sähkökäytön suunnittelussa säätöä voidaan testata useassa tapauksessa reaaliaikasimulaattorilla todellisen laitteiston sijaan. Monet reaaliaikasimulaatioiden perustana käytetyt algoritmit soveltuvat täysinohjatulle invertterisillalle. Eräissä sovelluksissa halutaan kuitenkin käyttää puoliksiohjattua siltaa. Puoliksiohjattulla sillalla mallin kausaalisuus voi kääntyä, mitä perinteiset reaaliaikasimulaattorit eivät pysty simuloimaan Tässä työssä oli tavoitteena kehittää reaaliaikasimulaattori puoliksiohjatulle kestomagneettitahtikonekäytölle. Emulaattoriin mallinnettiin todellisen käytön kestomagneettitahtikone ja invertterisilta. Simulaattori toteutettiin digitaaliselle signaaliprosessorille (DSP) ja mittauksiin liittyvät oheislaitteet mallinnettiin FPGA-piirille. Emulaattoriin liitettiin erillinen säätäjä, jota käytettiin myös todellisen sähkökäytön säätämiseen. Emulaattorilla ja todellisella käytöllä tehtyjä mittauksia verrattiin ja emuloimalla saadut tulokset vastasivat melko hyvin todellisesta käytöstä mitattuja.

Kestomagneettigeneraattorin lämmönsiirron mallinnus tuulivoimakäytössä

Pyörivien sähkökoneiden suunnittelussa terminen suunnittelu on yhtä tärkeää kuin sähköinen ja mekaaninen suunnittelukin. Tässä diplomityössä tarkoituksena on kehittää ilmajäähdytteisten kestomagneettigeneraattorien laskentaan soveltuva lämmönsiirtymismalli, jolla staattorin lämpötilajakauma voitaisiin selvittää. Kehitetty lämmönsiirtymismalli perustuu kolmiulotteiseen äärellisen erotuksen (finite difference) menetelmään. Malli ottaa huomioon lämmönjohtumisen staattorin aktiiviosissa ja konvektion jäähdytysilmavirtaan. Mallissa on myös yksinkertainen painehäviölaskenta jäähdytysjärjestelmän komponenttien mitoittamista varten. Laskentamallilla lasketaan esimerkkitapauksena 4,3 MW:n kestomagneettigeneraattorin jäähdytystä eri toimintapisteissä. Tuloksia verrataan CFD-mallinnuksen antamiin tuloksiin sekä kokeellisten mittausten antamiin tuloksiin.

Permanent Magnet Synchronous Machine for Parallel Hybrid Vehicle

The aim of this thesis is to describe hybrid drive design problems, the advantages and difficulties related to the drive. A review of possible hybrid constructions, benefits of parallel, series and series-parallel hybrids is done. In the thesis analytical and finite element calculations of permanent magnet synchronous machines with embedded magnets were done. The finite element calculations were done using Cedrat’s Flux 2D software. This machine is planned to be used as a motor-generator in a low power parallel hybrid vehicle. The boundary conditions for the design were found from Lucas-TVS Ltd., India. Design Requirements, briefly: • The system DC voltage level is 120 V, which implies Uphase = 49 V (RMS) in a three phase system. • The power output of 10 kW at base speed 1500 rpm (Torque of 65 Nm) is desired. • The maximum outer diameter should not be more than 250 mm, and the maximum core length should not exceed 40 mm. The main difficulties which the author met were the dimensional restrictions. After having designed and analyzed several possible constructions they were compared and the final design selected. Dimensioned and detailed design is performed. Effects of different parameters, such as the number of poles, number of turns and magnetic geometry are discussed. The best modification offers considerable reduction of volume.

Yritysverojärjestelmän hyvyys, merkitys ja verosuunnittelun painopistealueet yrittäjien sekä asiantuntijoiden näkökulmista

Tämän tutkielman tavoitteena on kuvata hyvän verojärjestelmän ominaisuuksien toteutumista nykyisessä pienten osakeyhtiöiden yritysverojärjestelmässä. Lisäksi tavoitteena on selvittää yritysverotuksen painoarvo yritystoimintaa säätelevässä lainsäädännössä sekä yritysverotuksen keskeiset teemat asiantuntijakirjoitusten perusteella. Verosuunnittelun ja verotuksen merkitystä yrityskentässä selvitetään myös yrittäjien näkökulmasta ja verrataan asiantuntijakirjoituksiin. Tutkimuksen teoriassa käydään läpi hyvän verojärjestelmän periaatteet sekä pienen osakeyhtiön verosuunnittelukeinot. Empiirisessä osassa tutkimuksen kyselyaineistoa käsiteltiin varianssianalyysilla (ANOVA) sekä asiantuntija-artikkelit jaettiin suhteellisiin pää- ja alaryhmiin. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että nykyinen yritysverojärjestelmä ei ole tarpeeksi yksinkertainen ja se luo epätasa-arvoa verovelvollisten joukossa. Muuten oikeudenmukaisuus toteutuu melko hyvin nykyisessä yritysverojärjestelmässä. Veroilla halutaan myös jonkin verran ohjata verovelvollisen käyttäytymistä ja näin ollen täysin neutraaliinkaan verojärjestelmään ei päästä. Kansainvälisen kilpailukyvyn näkökulmasta Suomen nimellinen verotus on EU-maiden keskiarvoa hieman korkeampi, mutta verotuksella ei karkoteta tuotannontekijöitä. Oikeusvarmuus ja ennakoitavuus toteutuvat hyvin. Yritysverotus on ollut esillä alan lehdissä runsaasti ja erityisesti kansainvälinen yritysverotus on saanut painoarvoa. Asiantuntijat näkevät verosuunnittelun monimuotoisempana kuin yrittäjät, jotka pitävät suunnittelua lähinnä palkan ja osingon edullisuuden vertailuna.

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation: S drive = H steam (ρ down + ρ mix) g where: ρ down - density of water in downcomer tubes; ρ mix - density of water in riser tubes; H steam - height of steam content section; g - acceleration of gravity. In steam boilers with natural circulation the circulation rate is usually between 10 and 30. Thus, consumption of water in the circulation circuit “circulation rate times” more than steam output of the boiler. There are two aspects of the design of natural water circulation loops. One is to ensure a sufficient mass flux of circulating water to avoid burnout of evaporator tubes. The other is to avoid tube wall temperature fluctuation and tube vibration due to oscillation of circulation velocity. The design criteria are therefore reduced, in principle, to those of critical heat flux, critical flow rate for burnout, and flow instability. In practical design, however, the circulation velocity and the void fraction at the evaporator tube outlet are used as the design criteria (Seikan I., et. al., 1999). This study has been made with assumption that the heat flux in the furnace of the boiler even all the time. The target of the study was to define the circulation rate of the boiler, thus average heat flux do not change it. I would like to acknowledge professionals from “Foster Wheeler” company for good and comfortable cooperation.

Energiankulutuksen vähentäminen jäähdytyspiirin pumppausprosessissa

Pumppujen oikean mitoituksen lisäksi niiden tuoton säätämisellä on merkitystä pumppausprosessin energiankulutukseen. Työssä tarkastellaan pyörimisnopeussäädön ja virtauksen kuristamisen eroja pumppauksen tilavuusvirran säätämisessä erityisesti energiatehokkuuden kannalta. Työn kokeellisessa osiossa tarkastellaan erään jäähdytyspiirin pumppujen hyötysuhteita ja lasketaan mahdollinen energiansäästöpotentiaali, mikäli pumppujen säätäminen olisi toteutettu pyörimisnopeussäädöllä.

Kylmätilojen kuljetinkäyttöjen energiatehokkuus

We study how conveyor drives in refrigerating rooms affect total energy costs. Studied conveyor drives are different types of gear motor drives. Energy efficiencies of the conveyor drives are determined by using direct torque measurement and energy costs of the conveyor drives are approximated from these results. From the measurement results and the approximated total costs it can be seen how the energy efficiency of a conveyor drive has a considerable influence on the total costs, especially, with large operating hours. An energy efficient conveyor drive can minimize the total energy costs by reducing the energy consumption of the conveyor motor while cooling costs in refrigerated rooms are also reduced.

Teollisuuden ja yhdyskuntien energiatehokkuusselvitykset, auditoinnit 2008–2010

Nykypäivänä energiansäästötavoitteet ovat haasteena yhä useammalle energiankuluttajalle. Tavoitteisiin päästäkseen yritykset ja kunnalliset energiankuluttajat kaipaavat usein apua kannattavien energiansäätökeinojen löytämiseksi. Erilaiset energiakatselmukset vastaavat tähän tarpeeseen ja ovat esimerkki tuloksellisesta energiansäästöstä. Lappeenrannan teknillinen yliopisto on tutkinut energiatehokkuutta pitkään erilaisissa projekteissa teollisuuden kanssa yhteistyössä. Osa LUT:n energiatehokkuustutkimusta ovat energia-auditoinnit yrityksille ja kunnille, joita LUT Energian projektin puitteissa alettiin kehittää vuoden 2008 syksyllä. Energia-auditointien fokuksena on pyritty pitämään pumppausprosessien energiatehokkuuden optimointia, sillä aihetta on tutkittu yliopistolla laajasti. Pumppausprosesseissa on todettu olevan merkittävä energiansäästöpotentiaali: pumppauksen kuluttamasta energiasta voi olla mahdollista säästää jopa 50 % erilaisilla laite- ja säästötaparatkaisuilla. Pumppausprosessien energia-auditointeja on tehty teollisuuden pumppauskohteisiin kuin myös kunnallisiin vesi-huoltolaitoksiin. Lisäksi energia-auditointien puitteissa on tutkittu energiansäästömahdollisuuksia rakennuksissa. Energiansäästökohteita etsitään sekä lämpö- että sähköenergian osalta. Energia-auditoinneissa pumppausten osalta energiansäästöpotentiaalia on todettu olevan etenkin suuren kokoluokan pumpuissa, joilla on pitkä vuosittainen käyttöaika. Myös pumppujen säätötavalla on suuri merkitys energiankulutukseen. Rakennusten osalta on pyritty selvittämään, kuinka energiankulutus jakautuu eri kulutusryhmien kesken. Säästökohteita on löydetty muun muassa rakennusten tiiviydestä, ilmanvaihdosta kuin valaistuksestakin. Monia auditointien asiakkaita on kiinnostanut etenkin led-teknologian hyödyntäminen yleisvalaistuksessa sekä muut keinot säästää valaistuksen energiankulutuksessa. Pyrkimyksenä on kehittää energia-auditointeja projektin aikana saavutettujen kokemusten avulla sekä myös liiketaloudellisessa mielessä opinnäytetutkielmien avulla. Menestyksekäs palveluliiketoiminta edellyttää määriteltyjä toimintatapoja, riittävän tarkkaa palvelujen rajausta ja koko energia-auditointiprosessin kehittämistä aina asiakassuhteen luomisesta sen jatko-hoitoon saakka.

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.

Analysis and Control of Excitation, Field Weakening and Stability in Direct Torque Controlled Electrically Excited Synchronous Motor Drives

Direct torque control (DTC) is a new control method for rotating field electrical machines. DTC controls directly the motor stator flux linkage with the stator voltage, and no stator current controllers are used. With the DTC method very good torque dynamics can be achieved. Until now, DTC has been applied to asynchronous motor drives. The purpose of this work is to analyse the applicability of DTC to electrically excited synchronous motor drives. Compared with asynchronous motor drives, electrically excited synchronous motor drives require an additional control for the rotor field current. The field current control is called excitation control in this study. The dependence of the static and dynamic performance of DTC synchronous motor drives on the excitation control has been analysed and a straightforward excitation control method has been developed and tested. In the field weakening range the stator flux linkage modulus must be reduced in order to keep the electro motive force of the synchronous motor smaller than the stator voltage and in order to maintain a sufficient voltage reserve. The dynamic performance of the DTC synchronous motor drive depends on the stator flux linkage modulus. Another important factor for the dynamic performance in the field weakening range is the excitation control. The field weakening analysis considers both dependencies. A modified excitation control method, which maximises the dynamic performance in the field weakening range, has been developed. In synchronous motor drives the load angle must be kept in a stabile working area in order to avoid loss of synchronism. The traditional vector control methods allow to adjust the load angle of the synchronous motor directly by the stator current control. In the DTC synchronous motor drive the load angle is not a directly controllable variable, but it is formed freely according to the motor’s electromagnetic state and load. The load angle can be limited indirectly by limiting the torque reference. This method is however parameter sensitive and requires a safety margin between the theoretical torque maximum and the actual torque limit. The DTC modulation principle allows however a direct load angle adjustment without any current control. In this work a direct load angle control method has been developed. The method keeps the drive stabile and allows the maximal utilisation of the drive without a safety margin in the torque limitation.

Public-Private Partnerships: Managing organizational change for acquiring value creative capabilities

The objective of the dissertation is to examine organizational responses of public actors to customer requirements which drive the transformation of value networks and promote public-private partnership in the electricity distribution industry and elderly care sectors. The research bridges the concept of offering to value networks where capabilities can be acquired for novel product concepts. The research contributes to recent literature, re-examining theories on interactions of customer requirements and supply management. A critical realist case study approach is applied to this abductive the research which directs to describe causalities in the analyzed phenomena. The presented evidence is based on three sources, which are in-depth interviews, archival analysis and the Delphi method. Service provision requires awareness on technology and functionalities of offering. Moreover, service provision includes interactions of multiple partners, which suggests the importance of the co-operative orientation of actors. According to the findings,portfolio management has a key role when intelligent solutions are implemented in public service provision because its concepts involve a variety of resources from multiple suppliers. However, emergent networks are not functional if they lack leaders who have access to the customer interface, have power to steer networks and a capability to build offerings. Public procurement policies were recognized to focus on a narrow scope in which price is a key factor in decisions. In the future, the public sector has to implement technology strategies and portfolio management, which mean longterm platform development and commitment to partnerships. On the other hand, the service providers should also be more aware of offerings into which their products will be integrated in the future. This requires making the customer’s voice in product development and co-operation in order to increase the interconnectivity of products.

Energiavarastojen mitoitus laivasähköjärjestelmään

Jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset ajavat eri alojen energiatuottajia kehittämään uusia ratkaisuja päästöjen pienentämiseksi. Viime aikoina myös laivojen päästörajoituksia on tiukennettu ja tulevaisuudessa niitä tullaan tiukentamaan lisää. Nämä tiukentuvat päästörajoitukset asettavat myös laivan dieselmoottoreiden valmistajat uusien haasteiden eteen. Yhtenä vaihtoehtona on lisätä dieselmoottorin rinnalle energiavarasto, joka vähentää dieselmoottorin päästöjä varsinkin nopeissa kuormituksen muutoksissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan sähköisten energiavarastojen mitoitusta laivan sähköjärjestelmään. Energiavarastot mitoitetaan useaan eri toimintatilanteeseen. Mitoituksen lisäksi pohditaan energiavarastoilla saatavaa mahdollista rahallista hyötyä sekä päästöjen vähenemistä.