Dynamic analysis of belt-drives using the absolute nodal coordinate formulation

Belt-drive systems have been and still are the most commonly used power transmission form in various applications of different scale and use. The peculiar features of the dynamics of the belt-drives include highly nonlinear deformation,large rigid body motion, a dynamical contact through a dry friction interface between the belt and pulleys with sticking and slipping zones, cyclic tension of the belt during the operation and creeping of the belt against the pulleys. The life of the belt-drive is critically related on these features, and therefore, amodel which can be used to study the correlations between the initial values and the responses of the belt-drives is a valuable source of information for the development process of the belt-drives. Traditionally, the finite element models of the belt-drives consist of a large number of elements thatmay lead to computational inefficiency. In this research, the beneficial features of the absolute nodal coordinate formulation are utilized in the modeling of the belt-drives in order to fulfill the following requirements for the successful and efficient analysis of the belt-drive systems: the exact modeling of the rigid body inertia during an arbitrary rigid body motion, the consideration of theeffect of the shear deformation, the exact description of the highly nonlinear deformations and a simple and realistic description of the contact. The use of distributed contact forces and high order beam and plate elements based on the absolute nodal coordinate formulation are applied to the modeling of the belt-drives in two- and three-dimensional cases. According to the numerical results, a realistic behavior of the belt-drives can be obtained with a significantly smaller number of elements and degrees of freedom in comparison to the previously published finite element models of belt-drives. The results of theexamples demonstrate the functionality and suitability of the absolute nodal coordinate formulation for the computationally efficient and realistic modeling ofbelt-drives. This study also introduces an approach to avoid the problems related to the use of the continuum mechanics approach in the definition of elastic forces on the absolute nodal coordinate formulation. This approach is applied to a new computationally efficient two-dimensional shear deformable beam element based on the absolute nodal coordinate formulation. The proposed beam element uses a linear displacement field neglecting higher-order terms and a reduced number of nodal coordinates, which leads to fewer degrees of freedom in a finite element.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Tasasähkönjakelun käyttöpotentiaalin määrittäminen

Sähkönjakeluverkkojen kehittäminen nykyistä käyttövarmemmiksi ja taloudellisemmiksi vaatii jatkuvasti uusia ratkaisumalleja. Lupaavaksi tekniikaksi sähkönjakeluverkkojen kehittämisessä on osoittautumassa tasasähkönjakelu tehoelektronisten komponenttien kehittyessä ja hintojen laskiessa samanaikaisesti. Pienjännitedirektiivi mahdollistaa tasajännitteen myötä aiempaa suurempien jännitteiden käytön pienjänniteverkoissa. Tasajännitteen käytöllä voidaan saavuttaa etuja mm. tehonsiirtokyvyssä, sähkönlaadussa, käyttövarmuudessa sekä kustannuksissa. Työssä tehdään yksityiskohtaisia teknistaloudellisia tarkasteluja perinteistä 20/0,4 kV tekniikkaa, 1000 V sähkönjakelua sekä tasasähköjärjestelmiä hyödyntäen ja verrataan näiden järjestelmien kustannuksia ja ominaisuuksia toisiinsa. Tutkimusalueet on valittu Fortum Sähkönsiirto Oy:n maaseutu- ja taajamaverkoista. Työssä pyritään hahmotta-maan teknistaloudellista käyttöaluetta eri tasasähkönjakelujärjestelmille sekä määrittä-mään tasasähkönjakelun käyttöpotentiaali tutkimuskohteena olleissa verkoissa. Lisäksi tutkitaan eri tekijöiden vaikutuksia tasasähköjakelun kannattavuuteen ja käyttövarmuu-teen sekä pyritään tuomaan esiin muitakin tasasähkönjakelujärjestelmien ominaisuuksia.

Lämpötilanmittaus magneettikuvausympäristössä optista tehon- ja tiedonsiirtoa käyttäen

Lääketieteellisen magneettikuvantamisen yhteydessä on tarpeen mitata mm. potilaan lämpötilaa. Kuvantamisessa käytettävät kentät asettavat suuret vaatimukset kuvauksen aikana käytettäville mittalaitteille. Magneettikuvausympäristöön soveltuva lämpötilanmittausjärjestelmä on mahdollista toteuttaa käyttämällä sekä lämpötilatiedon että sähkötehon siirtämiseen valokuitua, jolloin järjestelmä on täysin galvaanisesti erotettu. Valokuidusta tuleva optinen teho muunnetaan sähkötehoksi valosähkömuuntimella. Tämä diplomityö keskittyy magneettikuvauksessa käytettävän lämpötilanmittausjärjestelmän suunnitteluun. Haasteena oli optisesta tehonsiirrosta johtuva tarve minimoida tehonkulutus ja lämpötilamittauksen tarkkuusvaatimus. Järjestelmän prototyyppi voidaan rakentaa suunnittelun mukaisesti. Diplomityössä suunnittelutuloksia testattiin koekytkennän avulla ja näin varmistuttiin mittausperiaatteen toimivuudesta.

Energiansiirtoketjun energiatehokkuus

Tämän työn tavoitteena oli tarkastella energiansiirtoketjun kokonaisenergiatehokkuutta, alkaen polttoaineesta ja päättyen sähköenergian loppukäyttäjään. Tarkasteltava energiansiirtoketju alkaa polttoaineen tuotannosta ja siirrosta. Tämän jälkeen tulee sähköenergian tuottaminen, siirtäminen, jakelu ja loppukäyttö. Sähköntuotannon osalta tarkasteltiin myös vesivoimaa ja tuulivoimaa, jolloin energiansiirtoketjusta jää polttoaineen tuotannon ja siirron häviöt pois. Työn pääpaino kohdistui sähköenergian tuotannon, siirron, jakelun ja loppukäytön energiatehokkuuksien tarkastelemiseen. Työssä selvitettiin myös tulevaisuuden näkymiä, miten hyötysuhteita saataisiin parannettua eri osa-alueilla uusilla tekniikoilla ja käyttötottumuksilla. Loppukäyttäjä saa polttoaineen energiasta hyödyksi noin neljänneksen. Suurimmat häviöt syntyvät sähköenergian tuotannossa, lukuun ottamatta vesivoimalaitoksia, joiden hyötysuhde on erittäin korkea.

Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutukset

Tässä kandidaatintyössä on käsitelty hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia eri näkökulmista. Työssä on esitelty keskeisimmät sähkötekniset vaikutukset jakeluverkkoon ja tarkasteltu vaikutuksia suojauksen, käyttövarmuuden, verkkoliiketoiminnan ja suunnittelun näkökulmasta. Tarkastelu osuuden lopuksi on esitetty yksinkertainen esimerkki pienvoimalan liittämisen vaikutuksista jakeluverkkoon. Työn lopuksi on otettu katsaus tuleviin vaikutuksiin tuotantoyksiköiden lisääntyessä jakeluverkoissa. Hajautettu sähköntuotanto mahdollistaa paikallisten energiavarojen hyödyntämisen sähköntuotantoon jakeluverkon alueella. Tämä tarkoittaa, että siirtoetäisyydet pienenevät, jolloin häviöt saadaan minimoitua. Haittapuolena tällaisessa järjestelmässä on epävarmuus jakeluverkon ja tuotantoyksiköiden käyttäytymisestä eri tilanteissa, kuten myös jännitteen nousu. Suojauksen toimivuus on myös suuri ongelma, koska sen täytyy toimia riippumatta siitä onko voimala verkossa vai ei. Suojauksen toiminta hajautetun tuotannon yhteydessä on epävarmaa ja selvästi tällä hetkellä suurin este järjestelmän laajempaan hyödyntämiseen.

Sähköasemainvestointihankkeen määrittely

Tämän työn tavoitteena oli tehdä perusteltu esitys kahden suunnitellun sähköaseman toiminnan aloittamisen ajankohdasta sekä rakentamisen kestosta lupamenettelyineen. Työssä oli pyrkimys perustella asemien maantieteellinen sijainti, toteutustapa, rakenne sekä sähköasemien syöttöön tarvittavien 110 kV johtojen alustava rakenne ja reitti. Työssä on tarkasteltu uuden sähköaseman verkosto- ja kustannusvaikutuksia, sähköasemarakenteita ja niiden valintaa, sähköasemainvestointihankkeen vaiheita ja rakennuttamisprosessin läpivientiin tarvittavaa aikaa. Verkoston nykytilaa, käyttövarmuutta ja selviytymistä kuormituksen kasvusta on tarkasteltu sähköasemien toiminnan aloittamisen ajankohtien määrittämiseksi. Työn keskeisin painopiste oli sähköasemien rakentamisajankohdan määrittäminen. Sähköasemien toiminnan aloittamisen ajankohdan määrääväksi tekijäksi muodostuivat sähköasemien korvaustilanteet. Nykytilassa Valkealan haja-asutusalueen sähkönjakelua ei voida taata yksittäisen sähköaseman korvaustilanteessa, minkä takia sähköasemahankkeen valmistelu on aloitettava välittömästi. Kouvolan ydinkeskustan alueen maakaapeliverkon tehonsiirtokyky ja päämuuntajien reservitehokapasiteetti korvaustilanteissa riittävät vielä 5-10 vuotta riippuen suuresti alueen kuormituksen kasvusta.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Azimuth thrusterin rungon lujuustekninen tarkastelu

Työssä perehdyttiin azimuth potkurilaitteen rakenteelliseen kestävyyteen vaikuttaviin seikkoihin. Työn tavoitteena oli tutkia eri rakenneratkaisuja ja yksityiskohtia sekä niiden vaikutusta koko potkurilaitteen toimintaan. Potkurilaitteiden lujuustekninen tarkastelu sisälsi rakenteen eheyden tarkistuksen mekaanisten kuormitusten alla kuin myös värähtelykäyttäytymisen tutkimisen. Tarkastelun pääsääntöinen kohde oli potkurilaitteen alarunko, eli laivan ulkopuolelle jäävä osa. Diplomityö oli osa kahden uuden potkurilaitteen kehitysprojektia. Projektissa esiin tulleita rakennemuutoksia vertailtiin vanhoihin, jo toteutettuihin rakenneyksityiskohtiin. Lisäksi tutkittiin olemassa olevien rakenneratkaisujen hyödyntämistä uusissa laitteissa. Huomiota kiinnitettiin myös hitsien muotoiluun ja näiden mitoituskäytäntöihin. Rungon ehyyttä koskevat laskelman ovat hyvin pitkälti suoritettu elementtimenetelmää apuna käyttäen. Elementtimenetelmää varten luotiin useita malleja kattaen kokonaisia potkurilaittee runkoja kuin myös sen yksittäisiä osia. Elementtimenetelmän avulla saatuja tuloksia vertailtiin käytettävissä oleviin mittaustuloksiin. Työssä havaittiin potkurilaitteen rungon mitoittavaksi tekijäksi staattisessa tilanteessa muodostuvan voimansiirtolinja ja siinä sijaitsevien hammaspyörien siirtymät. Tämän seurauksena rungon taipumat ovat määräävämpiä geometrian kannalta kuin materiaalien sallitut jännitykset.

Tutorials for MeVEA Simulation Software

The objective of the thesis was to create three tutorials for MeVEA Simulation Software to instruct the new users to the modeling methodology used in the MeVEA Simulation Software. MeVEA Simulation Software is a real-time simulation software based on multibody dynamics. The simulation software is designed to create simulation models of complete mechatronical system. The thesis begins with a more detail description of the MeVEA Simulation Software and its components. The thesis presents the three simulation models and written theory of the steps of model creation. The first tutorial introduces the basic features which are used in most simulation models. The basic features include bodies, constrains, forces, basic hydraulics and motors. The second tutorial introduces the power transmission components, tyres and user input definitions for the different components in power transmission systems. The third tutorial introduces the definitions of two different types of collisions and collision graphics used in MeVEA Simulation Software.

Reaaliaikaisen PMU-mittaustiedon hyödyntäminen voimajärjestelmän valvonnassa

Tämä työ on tehty Fingrid Oyj:lle. Työn tavoitteena oli tutkia, miten reaaliaikaista PMU-mittaustietoa voidaan hyödyntää voimajärjestelmän valvonnassa. Voimajärjestelmän dynaamisia ilmiöitä ovat jännite- ja kulmastabiilius. Työssä tutkittiin voimajärjestelmän kulmastabiiliutta PSS/E-ohjelmalla simuloitujen mittaustulosten perusteella. Fouriermuunnoksen tulokset osoittavat, että huonoiten vaimeneva taajuuskomponentti on 0,3 Hz taajuus. Lisäksi tiedetään, että huonosti vaimeneva taajuuskomponentti rajoittaa siirtokapasiteettia. Voimajärjestelmän stabiiliutta voidaan esittää Wide Area Monitoring -järjestelmien (WAMS) avulla. WAMS perustuu Phasor Measurement -laitteen (PMU) reaaliaikaiseen mittaustekniikkaan. Jännitteen vaihekulman mittaaminen mahdollistaa voimajärjestelmän tilan määrittämisen reaaliajassa. Työssä on esitelty Fingridin käytössä oleva WAMS ja lisäksi esitelty kolmen eri laitetoimittajan WAMS:n rakennetta ja operaattorin käyttöön tarkoitettuja käyttöliittymiä. WAMS:n rakenteet ovat pääpiirteittäin samanlaisia, mutta stabiiliuden visuaalisessa esittämisessä on eroja. PMU -mittaustietoja on mahdollista tuoda käytönvalvontajärjestelmään erillisellä tiedonsiirtoprotokollalla. PMU-mittaustiedon hyödyntäminen käytönvalvontajärjestelmän toimintaaluenäytöllä mahdollistaa verkon tilan esittämisen reaaliajassa. Roottorin kulmastabiilius esitetään Fingridin käytönvalvontajärjestelmässä vaihekulmaerojen avulla ja työssä on esitetty, kuinka vaihekulmaeron arvolla on vaikutus tehonsiirtoon. Vaihekulmaeron arvo kuvaa vian jälkeisen tehoheilahtelun voimakkuutta. PMU-mittaustiedon esittäminen antaa operaattorille selkeämmän kuvan ylläpitää tehonsiirto turvallisella tasolla ja epästabiilin heilahtelun havainnoiminen vähentää suurhäiriön riskiä. Tulevaisuudessa siirtoverkon kehittyessä tarvitaan operaattorin käyttöön myös nopeita stabiilisuutta esittäviä työkaluja.

Identification of flexural stiffness parameters of beams

A three degree of freedom model of the dynamic mass at the middle of a test sample, resembling a Stockbridge neutraliser, is introduced. This model is used to identify the hereby called equivalent complex cross section flexural stiffness (ECFS) of the beam element which is part of the whole test sample. This ECFS, once identified, gives the effective cross section flexural stiffness of the beam as well as its effective damping, measured as the loss factor of an equivalent viscoelastic beam. The beam element of the test sample may be of any complexity, such as a segment of stranded cable of the ACSR type. These data are important parameters for the design of overhead power transmission lines and other cable structures. A cost function is defined and used in the identification of the ECFS. An experiment, designed to measure the dynamic masses of two test samples, is described. Experimental and identified results are presented and discussed.

Identification of Flexural Stiffness Parameters of Beams

A three degree of freedom model of the dynamic mass at the middle of a test sample, resembling a Stockbridge neutraliser, is introduced. This model is used to identify the hereby called equivalent complex cross section flexural stiffness (ECFS) of the beam element which is part of the whole test sample. This ECFS, once identified, gives the effective cross section flexural stiffness of the beam as well as its effective damping, measured as the loss factor of an equivalent viscoelastic beam. The beam element of the test sample may be of any complexity, such as a segment of stranded cable of the ACSR type. These data are important parameters for the design of overhead power transmission lines and other cable structures. A cost function is defined and used in the identification of the ECFS. An experiment, designed to measure the dynamic masses of two test samples, is described. Experimental and identified results are presented and discussed.

Baltian maiden sähkömarkkinat

Tässä kandidaatintutkielmassa on tarkoituksena selvittää Baltian maiden sähkömarkkinoi- den kehittymistä ja avautumista kilpailulle. Baltian maiden sähkömarkkinoiden kehittymis- tä on vauhdittanut EU:n energiapolitiikka, jolla pyritään edistämään toimivien yhteiseu- rooppalaisten sähkömarkkinoiden kehittymistä. Baltian maista tullaankin lähitulevaisuu- dessa rakentamaan lisäsiirtoyhteyksiä Pohjoismaihin ja Eurooppaan. Työssä tutkitaan myös Baltian maiden sähköntuotantorakenteen muodostumista ja sähkönsiirtoverkon ra- kennetta. Suomen ja Venäjän välisessä sähkökaupassa on tapahtunut merkittäviä muutok- sia syksyn 2011 jälkeen. Tutkitaan myös Venäjän ja Baltian maiden välistä sähkönsiirtoa.