Puunkäsittelykoneen simulointi ja mekaaniset häviöt

Diplomityö on osa Savonia-amk:n koneosaston TOVI-projektia, jossa metsä-konevalmistaja Ponsse Oyj on mukana. Työssä tutkittiin Ponsse Oyj:n metsäkoneen harvesteripäätä. Tavoitteena oli harvesteripään puun syöttöliikkeessä syntyvien mekaanisten häviöiden selvittäminen. Mekaanisilla häviöillä tarkoitamme karsintaterien kitkavoimia ja syöttörullien vierintävastusta.Edellisten lisäksi tavoitteena oli tutkia puun syöttöliikkeen simuloitavuutta monikappaledynamiikkaan perustuvalla simu-lointiohjelmistolla. Työ toteutettiin mittaamalla harvesteripään hydraulisten toimilaitteiden paineita, puun syötön aikana. Mittasimme myös puun ja harvesteripään välistä liikematkaa, nopeutta, kiihtyvyyttä, sekä puun paksuutta. Mittausten lisäksi harvesteripäästä rakennettiin simulointimalli. Mitattujen paineiden avulla laskettiin vastaavien toimilaitteiden synnyttämät voimat ja momentit. Simulointimallilla toistettiin mittaustapahtumat, käyttäen mittausten avulla laskettuja voimia ja momentteja. Mallin kitkakertoimien ja vierintävastusten avulla simuloidut ja mitatut liikematkat haettiin yhteneviksi. Toisin sanoen, simulointimalli verifioitiin todellisuutta vastaavaksi, jolloin simulointimallista voitiin lukea syntyneet häviöt.

"Sotien täytyy hävitä sivistyskansojen keskuudesta"

Kirjallisuusarvostelu

Taajuusmuuttajan häviöidensimulointityökalun kehitys

Diplomityössä on kehitetty kaksitasoisen jännitevälipiirillisen taajuusmuuttajan häviöiden simulointiin käytettävä simulointimalli osaksi säädettävän sähkömoottorikäytön simulointityökalua, jolla voidaan analysoida eri säätöalgoritmien, kuormituksen ja kytkentätaajuuden vaikutusta taajuusmuuttajan häviöihin. Aluksi on selvitetty yksityiskohtaisesti taajuusmuuttajan häviölähteet ja häviöiden fysikaalinen tausta. Taajuusmuuttajassa käytettäville komponenteille on esitetty simulointimalleja. Taajuusmuuttajan malli ja häviöiden laskenta-algoritmit on toteutettu C-kielellä. Taajuusmuuttajan malli vastaa perusrakenteeltaan ACS800-02-0260-5 - taajuusmuuttajaa. ACS800-02-0260-5 -taajuusmuuttajan häviöitä on simuloitu erilaisissa kuormitustilanteissa, ja simulointien tueksi taajuusmuuttajan häviöt on pyritty selvittämään laboratoriomittauksin.

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.

Comparison of Compound Lean Nozzles and Controlled Flow Nozzles at Off-Design

Turbokoneet ja etenkin höyryturbiinit ovat usein suunniteltu ja optimoitu toimimaan tietyssä toimintapisteessä jossa häviöt on minimoitu ja hyötysuhde maksimoitu. Joissakin tapauksissa on kuitenkin tarpeellista käyttää turbiinia toimintapisteen ulkopuolella. Tällöin turbiinin läpi virtaava massavirta muuttuu ja yleensä heikentää hyötysuhdetta. Turbokoneiden suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä kolmidimensionaalisesti muotoiltuja siipiä. Työssä on vertailtu laskennallisesti kahta kohtuullisesti muotoiltua suutinta (Compound lean ja Controlled flow) niiden suunnitellun toimintapisteen ulkopuolella. Kolmas suutin, ilman kolmidimensionaalista muotoilua on mukana vertailukohteena. Suutinten suorituskykyä tutkitaan laskennallisen virtausmekaniikan avulla olosuhteissa, jotka ovat toimintapisteen ulkopuolella. Virtauksen muutoksia tutkitaan kokonaispainehäviön, isentrooppisen hyötysuhteen ja virtauspinnan yhdenmukaisuuden avulla. Virtauspintoja verrataan ulosvirtauskulman, massavirran ja toisiovirtausvektoreiden jakauman avulla. Erot suutinten suorituskykyvyssä korostavat ylikuormalla. Kun massavirran arvoa on kohotettu eniten, Compound lean suuttimilla hyötysuhde laskee Controlled flow suuttimeen verrattuna vähemmän. Alikuormalla, kun massavirran arvoa lasketaan, erot suuttimien suorituskyvyssä pienenevät ja tutkittujen suuttimien ulosvirtaus on samankaltainen.

Hyvän hyötysuhteen moottorilla saavutettavat säästöt

Työssä on tutkittu milloin kannattaa hankkia hyvän hyötysuhteen moottori tavallisen moottorin sijasta. Työ on tehty UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan tehtailla. Ensiksi selvitettiin millaisessa kuormassa moottorit Kaukaan sellu- ja paperitehtaalla käyvät. Sen jälkeen työssä laskettiin, milloin hyvän hyötysuhteen moottorilla saavutetaan niin suuret säästöt, että se kannattaa hankkia. Hyvän hyötysuhteen moottorin hankinnalle laskettiin myös takaisinmaksuaika ja sisäinen korko. Herkkyysanalyysillä tutkittiin muuttuuko moottori-investoinnin kannattavuus, kun hankkeen kriittisiä tekijöitä muutetaan. Oleellista moottori-investoinnissa on moottoreiden hinta ja hyötysuhde-ero sekä moottorin käyntiaika ja kuormitusprosentti. Työn perusteella selvisi, että ainakin pienet moottorit kannattaa hankkia hyvän hyötysuhteen moottoreina.

Applying Active Front End To Multilevel Inverter

The aim of this work was to make an active front end from IGBTs for a multilevel inverter. The work was done for Mosart II, a long term still ongoing Vacon Oyj project. The purpose of the AFE is to balance the DC-voltage and to put the returning power back to the grid instead of the breaking chopper and the capacitor. With a diode rectifier the bridge only allows power to pass in one direction and the switching times are not controllable. That means the rectifier always takes the highest phase and the phases are always conducting the same 120◦. With an AFE it is possible to actively change the rectifiers switching pattern. A diode bridge also generates much greater losses than an IGBT bridge. With these arguments it is rational to start researching the possibility of an AFE in a multilevel inverter.

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.

Tehokerroinkorjatun hakkuriteholähteen toteutusvaihtoehdot

Hyötysuhteen merkitys tehoelektroniikan järjestelmissä kasvaa jatkuvasti kun käytössä olevien järjestelmien määrä lisääntyy ja toisaalta energian hinta kallistuu. Hyötysuhteen lisäksi verkkovirran käyrämuotovaatimukset asettavat omat haasteensa sähköverkkoon liitettävien tehoelektroniikkajärjestelmien suunnittelulle. Tässä työssä tutkitaan häviöiden syntyyn vaikuttavia tekijöitä hakkuriteholähteissä ja pyritään löytämään keinoja hyötysuhteen parantamiseksi. Työssä analysoidaan 300 W – 2 kW tehoalueelle soveltuvat, tehokerroinkorjattujen AC/DC-hakkuriteholähteiden topologiavaihtoehdot ja arvioidaan niiden soveltuvuutta tavanomaisen boost-topologian korvaajaksi. Tarkastelussa otetaan huomioon kustannukset, toimivuus sekä saavutettu hyötysuhteen parantuminen verrattuna perinteisellä topologialla toteutettuun teholähteeseen. Tarkasteltavat topologiat valitaan kirjallisuustutkimuksen perusteella. Valittujen topologioiden häviöt ja hyötysuhde selvitetään analyyttisin menetelmin sekä simuloimalla. Käytännön testausta varten suunnitellaan ja rakennetaan prototyyppi valitusta topologiasta.

Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytilan määritys sekä kehittämissuunnitelma käyttövarmuuden näkökulmasta

Tämän työn tavoitteena on analysoida Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytila sekä selvittää verkon kehittämisen suuntaviivoja. Nykytilan määrityksessä selvitetään kuormitettavuusasteet, jännitteenalenemat, häviöt oiko- ja maasulkusuojauksen toimivuus sekä keskeytyskustannukset. Nykytilan määrityksen apuna käytettiin verkkotietojärjestelmä Xpowerin tehojako-, oikosulku- ja maasulkulaskentoja. Nykytila on määritetty sekä normaalissa kytkentätilanteessa, että tilanteessa jossa yksi sähköasema kerrallaan on poissa käytöstä. Nykytilan määrityksen perusteella voidaan todeta, että normaalissa kytkentätilanteessa keskijänniteverkko täyttää suurilta osin sille asetetut tekniset reunaehdot, jotka ovat jännitteenalenema, kuormitettavuus, oikosulkukestoisuus sekä oiko- ja maasulkusuojauksen havahtuvaisuus. Jotta reunaehdot toteutuisivat kokonaisuudessaan, tulee oikosulkukestottomien lähtöjen releasetteluja muuttaa tai vaihtaa oikosulkukestottomat johto-osuudet suurempi poikkipintaiseen johtimeen. Nykytilan määrityksen perusteella neljän päämuuntajan kuormitettavuusaste on yli 90 %, joten näiden asemien alueiden kehitystä tulee tarkkailla. Sähköasemien korvaustarkastelun perusteella viiden sähköaseman korvaus tuottaa ongelmia jo nykyisillä huippukuormilla. Työssä tehtyjen selvitystöiden perusteella Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkkoon lisättiin 10 maastokatkaisijaa sekä selvitettiin verkon mahdollisia tulevaisuuden kehittämisen suuntaviivoja.