Taajuusmuuttajan vaihtaminen pakkaajarobottiin

Tässä sähkövoimatekniikan insinöörityössä on käsitelty taajuusmuuttajan vaihtamisprosessia. Työ on tehty Oy Sinebrychoff Ab:n Keravan tuotantolaitokselle täyttöosastolle 0.33 litran lasipullon pakkaajarobottiin. Työssä on aluksi todettu olevan kahdenlaisia taajuusmuuttajia: suoria ja välipiirillisiä. Tämän jälkeen on käsitelty taajuusmuuttajan rakennetta yleisesti tutustumalla taajuusmuuttajan neljään pääosaan: tasasuuntaajaan, välipiiriin, vaihtosuuntaajaan sekä ohjauspiirin. Lisäksi on tutustuttu erilaisiin taajuusmuuttajan ohjaus- ja säätötapoihin kuten skalaariohjaus ja -säätö, vektorisäätö sekä suoravääntömomenttisäätö. Työssä on lisäksi käsitelty taajuusmuuttajien käyttökohteita, tulevaisuutta sekä niiden hyötyjä teollisuudelle. Työssä on käsitelty myös Vaconin taajuusmuuttaja tuotesarjoja NXS, NXP sekä NXL ja vertailtu niiden eroja ja käyttökohteita. Lisäksi on käsitelty Vaconin ”All in One” -ohjelmasovelluspakettia, joka sisältää seitsemän erilaista ohjelmasovellusta: perussovellus, vakiosovellus, paikallis/kauko-ohjaussovellus, vakionopeussovellus, PID-säätösovellus, erikoiskäyttösovellus, pumppu- ja puhallinautomatiikkasovellus. Lisäksi on tutustuttu valitun taajuusmuuttajan lajimerkkiavaimeen eli käsitelty kirjainten ja numeroiden merkitystä taajuusmuuttajamallille. Taajuusmuuttajan vaihtamisosiossa käsitellään vaihtamisprosessia aloittaen vanhan SEW Eurodrive - taajuusmuuttajan irrottamisesta sekä ohjausarvojen mittaamisesta. Tämän jälkeen käsitellään uuden VACON NXS -taajuusmuuttajan asentamista sekä valitun sovel-lusohjelman parametrien asettamista moottorille sopivaksi. Lisäksi työssä on tutustuttu vaihdettavan taajuusmuuttajan käyttöympäristöön ja piirretty uudestaan taajuusmuuttaja-käytön piirikuvat CADS-ohjelmalla, jotta piirikaavioissa liittimien numeroinnit vastaisivat uuden taajuusmuuttajan liittimien numeroita. Työn lopussa on käsitelty työn etuja yritykselle ja linjan toimivuudelle. Lisäksi on laskettu työn kannattavuutta yritykselle sekä laskettu aika, jolloin taajuusmuuttaja maksaa itsensä takaisin.

Virtauslaskennankäyttö keskipakopumpun eroosiokulumisen mallintamisessa

Diplomityössä kehitetään malli tiheän kaksifaasivirtauksen aiheuttaman eroosiokulumi-sen mallintamiseksi, ratkaistaan virtauskenttä kahdessa erilaisessa keskipakopumpussa, sovelletaan kehitettyä mallia, sekävertaillaan mallin antamia tuloksia käytännön kokeissa saavutettuihin tuloksiin. Työssä on erityisenä mielenkiinnon kohteena savukaasupesurin pumppu. Työn alkuosa sisältää tarkemman kuvauksen savukaasupesurin toi-minnasta. Numeerinen ratkaisu ja laskentahilan generointi suoritetaan ANSYS CFX- ja Turbo-Grid-ohjelmistoilla. Laskennassa virtauksen Navier-Stokesin yhtälöt on aikakeskiarvo-tettu ja ratkaistu käyttäen kontrollitilavuusmenetelmää. Tiheiden kaksifaasivirtausten eroosiokulumista on mallinnettu tekijän kehittämällä mallilla, jonka käytännön toteutus-ta ei kuitenkaan saateta julkiseksi, koodin kehittämisessä käytetty teoria on kuitenkin esitetty työssä. Työn piirissä tehtiin myös kulumiskokeita Sulzer Pumps Finlandin Karhulan tehtailla, sekä vertailtiin simuloinnin tuloksia aikaisemmissa kokeissa saavutettuihin. Koejärjestelyt kuvataan työssä.

Moniensiöinen muuntaja taajuudenmuuttajakäytössä

Suuritehoisissa pumppu- ja puhallinkäytöissä käytetään usein suurnopeusmoottoria,jota syötetään välijännitteellä. Suurjännitetaajuudenmuuttajat ovat kalliita, eikä niitä ole aina edes mahdollista valmistaa. Tutkimuksen kohteena on rinnakkaisilla pienjännitetaajuudenmuuttajilla toteutettu sähkökäyttö, jossa pienjännite nostetaan moniensiöisellä muuntajalla suurjännitteeksi (6,6 kV) ja syötetään edelleen kuormana olevalle suurnopeusmoottorille. Opinnäytetyössä tutkitaan moniensiöisen muuntajan syöttöä rinnakkaisilla taajuudenmuuttajilla sekä niiden aiheuttamia häiriöitä toisilleen. Työssä tutkitaan myös harmonisten yliaaltojen vaikutuksia muuntajan häviöihin ja magnetointiominaisuuksiin. Taajuudenmuuttajan lähtöjännite ja -virta suodatetaan sinisuotimella, jonka parametreja simuloidaan Simulink- ohjelmistolla. Tavoite on löytää optimaaliset parametrit taajuudenmuuttajanlähtösuotimelle käyrämuotojen ja suotimeen jäävän tehon suhteen. Työssä tarkasteltiin sinisuodinta, johon jää 3 prosenttia syöttöjännitteestä. LC-suodin kompensoi sähkökäytön loistehon lähes kokonaan, joten taajuudenmuuttajien antotehon kannalta suotimet ovat perusteltuja. Taajuudenmuuttajan näennäisteho putoaa 22 prosenttia, joten taajuudenmuuttajat voidaan vastaavasti mitoittaa pienemmiksi.

Optimization of energy consumption in wastewater pumping

Pumppauksessa arvioidaan olevan niin teknisesti kuin taloudellisestikin huomattavia mahdollisuuksia säästää energiaa. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa lähes 22 % sähkö-moottorien energiantarpeesta. Tietyillä teollisuudenaloilla jopa yli 50 % moottorien käyttämästä sähköenergiasta voi kulua pumppaukseen. Jäteveden pumppauksessa pumppujen toiminta perustuu tyypillisesti on-off käyntiin, jolloin pumpun ollessa päällä se käy täydellä teholla. Monissa tapauksissa pumput ovat myös ylimitoitettuja. Yhdessä nämä seikat johtavat kasvaneeseen energian kulutukseen. Työn teoriaosassa esitellään perusteet jätevesihuollosta ja jäteveden käsittelystä sekä pumppaussysteemin pääkomponentit: pumppu, putkisto, moottori ja taajuusmuuttaja. Työn empiirisessä osassa esitellään työn aikana kehitetty laskuri, jonka avulla voidaan arvioida energiansäästöpotentiaalia jäteveden pumppaussysteemeissä. Laskurilla on mandollista laskea energiansäästöpotentiaali käytettäessä pumpun tuoton ohjaustapana pyörimisnopeuden säätöä taajuusmuuttajalla on-off säädön sijasta. Laskuri ilmoittaa optimaalisimmanpumpun pyörimisnopeuden sekä ominaisenergiankulutuksen. Perustuen laskuriin, kolme kunnallista jätevedenpumppaamoa tutkittiin. Myös laboratorio-testitsuoritettiin laskurin simuloimiseksi sekä energiansäästöpotentiaalin arvioimiseksi. Tutkimukset osoittavat, että jätevedenpumppauksessa on huomattavia mandollisuuksia säästää energiaa pumpun pyörimisnopeutta pienentämällä. Geodeettisen nostokorkeuden ollessa pieni, voidaan energiaa säästää jopa 50 % ja pitkällä aikavälillä säästö voi olla merkittävä. Tulokset vahvistavat myös tarpeen jätevedenpumppaussysteemien toiminnan optimoimiseksi.

Pumpunvalitsimet integroidussa simulointiympäristössä

Työssä on tutkittu pumpun valintaa integroidussa simulointiympäristössä. Tutkimuksen avulla on tarkoitus kehittää tieto- ja malligallerian (Galleria) infrastuktuuria ja käytössä olevia työvälineitä siihen suuntaan, että ulkoisten valitsinkomponenttien implementoiminen Gallerian tietokantaan olisi lähitulevaisuudessa helppoa ja nopeaa. Prosessi-integraation tieto- ja malligalleria on infrastruktuurimäärittely ja työvälineistö prosessikomponenttien ja osaprosessien simulointiin tarvittavien malli- ja parametritietojen kirjastoimiseksi internetpohjaiseen tietokantaan, josta ne ovat simulointiohjelmien käyttäjien ja muiden prosessisuunnittelijoiden helposti saatavilla. Tutkimuksen kirjallisessa osassa on keskitytty tutkimaan pumpun valinnan etenemistä ja valintaan vaikuttavia tekijöitä prosessisuunnittelijan näkökulmasta. Tutkimuksen soveltavassa osassa luotiin pumpunvalitsin ja sitä testattiiin Galleria- ympäristöä vastaavassa kehitysympäristössä. Pumpunvalitsimen kehittämisessä on käytetty apuna laitevalmistajalta saatua prosessikomponenttitietoa. Pumpunvalitsimen toteutus perustuu pumpun hydrauliseen valintaan ja esimerkkitapauksena käytettiin keskipakopumppua

Competitor comparison: variable speed drives in pumping applications

As the world’s energy demand is increasing, a durable solution to control it is to improve the energy efficiency of the processes. It has been estimated that pumping applications have a significant potential for energy savings trough equipment or control system changes. For many pumping application the use of a variable speed drive as a process control element is the most energy efficient solution. The main target of this study is to examine the energy efficiency of a drive system that moves the pump. In a larger scale the purpose of this study is to examine how the different manufacturers’ variable speed drives are functioning as a control device of a pumping process. The idea is to compare the drives from a normal pump user’s point of view. The things that are mattering for the pump user are the efficiency gained in the process and the easiness of the use of the VSD. So some thought is given also on valuating the user-friendliness of the VSDs. The VSDs are compared to each other also on the basis of their life cycle energy costs in different kind of pumping cases. The comparison is made between ACS800 from ABB, VLT AQUA Drive from Danfoss, NX-drive from Vacon and Micromaster 430 from Siemens. The efficiencies are measured in power electronics laboratory in the Lappeenranta University of Technology with a system that consists of a variable speed drive, an induction motor with dc-machine, two power analyzers and a torque transducer. The efficiencies are measured as a function of a load at different frequencies. According to measurement results the differences between the measured system efficiencies on the actual working area of pumping are on average few percent units. When examining efficiencies at the whole range of different loads and frequencies, the differences get bigger. At low frequencies and loads the differences between the most efficient and the least efficient systems are at the most about ten percent units. At the most of the tested points ABB’s drive seem to have slightly better efficiencies than the other drives.

Jätevesipumpun jalustan värähtelytutkimus

Tässä insinöörityössä tutkittiin jätevesipumpun runkokokojen 66 ja 70 jalustaa. Grundfos Environment Finlandilla on kolme erilaista pumpunkiinnitystapaa. Tässä työssä perehdyttiin 3-version jalustaan. Moottori on kiinni pystysuorassa asennossa kolmijalan päällä. Työn tarkoituksena oli analysoida jätevesipumpun jalustaa. Jalustaa tutkittiin aluksi kokeellisesti etsimällä jalustan ominaistaajuudet. Ominaistaajuudet selvitettiin värähtelymittauksen avulla sekä simuloinnilla. Jalustaa haluttiin saada jäykemmäksi, jotta pumppu ei tärisisi niin paljoa. Samalla tarkasteltiin myös ominaistaajuuksien muutoksia. Työn alussa pumpun kokoonpano rakennettiin ja asennettiin kiihtyvyysanturit paikalle. Testeissä saatiin sopivaa dataa analysointia varten. MatLab-ohjelmalla datasta saatiin kiihtyvyyskäyrä sekä tehospektri. Testien avulla saadut tiedot käytettiin hyväksi suunniteltaessa uutta rakennetta jalustalle. Työn tarkoituksena oli löytää parempi rakenne jalustalle, jotta tärinää saataisiin pienennettyä. Uutta jalustaa ei valmistettu, vaan asia todistetaan FEM -laskennalla.

Energiaa säästävä uusi viemäriveden pumppausteknologia

Pumppaaminen kuluttaa teollisuudessa huomattavan osan energiasta, joten siellä on myös merkittäviä säästömahdollisuuksia. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa noin viidenneksen sähkömoottorien energiantarpeesta, ja tietyillä teollisuudentoimialoilla jopa yli 50%. Jätevedenpumppaus perustuu edelleenkin pääosin 50- ja 60- luvuilla kehitettyyn tekniikkaan, merkittäviä energiansäästöjä on mahdollista saavuttaa suhteellisen pienillä investoinneilla. Työn teoriaosassa käsitellään perusteet jätevedenkäsittelystä, ja viemäriputkiston rakenteesta. Pumppuja, sähkömoottoreita ja taajuusmuuttajia käsitellään laajemmin keskittyen niiden toimintaan ja toimintaa ohjaaviin teorioihin. Empiirisessä osassa tutkitaan uuden teknologian energiansäästöpotentiaalia erilaisilla mittauksilla, sekä mittausten pohjalta tehdyillä case-analyyseillä. Näitä analyysejä varten työn aikana kehiteltiin laskin, jolla voidaan arvioida energian kulutusta tunnetulle pumpulle, kun tiedetään haluttu toimintapiste. Työssä käsitelty uusi teknologia on mahdollisesti merkittävin uudistus viemäriveden pumppausteknologiaan taajuusmuuttajien käyttöönoton jälkeen. Teknologialla päästään eroon imukaivoista liki täysin, ja sitä kautta saadaan paremmin hallittua monia ongelmia kuten hajuhaittoja. Teknologian merkittävin hyöty on kuitenkin energiansäästö. Perinteisessä teknologiassa taajuusmuuttajat ovat olleet kannattavia, mikäli geodeettisen nostokorkeuden osuus on mahdollisimman pieni. Tyypillisessä uuden teknologian sovelluskohteissa geodeettinen nostokorkeus tulee yleensä olemaan pieni, joten uuden teknologian käyttöönoton kannattavuus on näissä kohteissa erityisen hyvä.

Energy efficiency parameters in variable speed drives

The main purpose of this thesis is to measure and evaluate how accurately the current energy saving calculation in ABB’s new variable speed drive ACS850 works. The main topic of this thesis is energy-efficiency parameters. At the beginning of this thesis centrifugal pump, squirrel cage motor and variable speed drive, including some equations related to them, are being introduced. Also methods of throttling control and variable speed drive control of centrifugal pumps are being introduced. These subjects are introduced because the energy saving calculation in ACS850 is related to the centrifugal pumps usually driven by squirrel cage motors. The theory also includes short section about specific energy of pumping. Before measurements the current energy saving calculation of ACS850 is being introduced and analyzed. The measurements part includes introduction of measuring equipment, measurement results, summary and analysis of the measurements. At the end of this thesis a proposal for an improvement to the current energy saving calculation is being introduced and few proposals are made for new energy-efficiency parameters, which could be added to variable speed drives. At the end are also thoughts

Elinkaariarvioinnin hyödyntäminen pumpputehtaan ympäristötoimenpiteiden tunnistamisessa

Voimistuvan kasvihuoneilmiön myötä kiinnostus hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen on lisääntynyt. Ympäristöteknologian tavoitteena on hidastaa tämän ilmiön haitallisia vaikutuksia maailmanlaajuisesti, kansallisesti sekä yritystasolla. Yrityksillä on yhä suurempi paine valmistaa tuotteita ympäristöä vähemmän kuormittavasti. Työn tavoitteena on tarkastella elinkaariarvioinnin käytettävyyttä, kun halutaan tunnistaa pumpputehtaan mahdollisuuksia pienentää tuotteidensa valmistuksen ympäristönkuormittavuutta. Työssä pyritään myös selvittämään ne pumpun valmistuksen prosessit, jotka tuottavat eniten kasvihuonekaasupäästöjä. Tarkastelussa on keskitytty lähinnä hiilidioksidipäästöjen laskentaan. Työssä on käytetty elinkaariarvioinnin menetelmää ja työ noudattaa SFS ISO 14040 ja 14044 standardia. Elinkaariarviointi on hyväksi havaittu keino tunnistaa ne tuotteen tai palvelun yksikköprosessit, joilla on suurin vaikutus ympäristöön. Tutkimuksessa luotiin elinkaariarviointi pumppulaitoksen vuosittain tuottamille pumpuille. Samalla toteutettiin elinkaariarviointiin Excel-malli, jolla voidaan arvioida yksittäisten pumppujen valmistuksen hiilidioksidipäästöt. Tulosten pohjalta on tehty myös joitakin ehdotuksia pumpun valmistuksen hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Laskennassa käytetty aineisto kerättiin kirjallisuudesta, pumppulaitoksen alihankkijoilta sekä julkaistuista elinkaariarvioinneista vuoden 2008 kesän aikana. Työssä on osoitettu, että elinkaariarviointia voidaan hyödyntää tunnistettaessa pumpputehtaan ympäristötoimenpiteitä. Saatujen tulosten luotettavuus on kuitenkin riippuvainen käytettävissä olevista resursseista sekä lähtötietojen tarkkuudesta. Erityisesti valimoiden ilmoittamat energiankulutusmäärät vaikuttavat tulosten tarkkuuteen. Tarkempien tulosten saaminen edellyttäisi muun muassa tehtaan alihankkijoiden parempaa tietoisuutta omasta energiankulutuksestaan.

Suljetun jäähdytysvesiverkon mallinnus

Työssä selvitettiin Neste Oil Porvoon jalostamon tuotantolinja 2 jäähdytysvesiverkon tilaa. Jäähdytysvesiverkon hydraulinen malli päivitettiin ja verifioitiin painemittauksin. Mallia tarkennettiin säätöventtiilien mallinnuksen sekä virhelähteiden tarkastelun perusteella havaituin muutoksin. Mallin verifioinnissa havaittiin huomattavia eroja mallin ja mitattujen paineiden välillä. Tämä johti mallin tarkempaan tarkasteluun, sekä virhelähteiden ja niiden vaikutusten selvittämiseen. Putkivarusteiden mallinnusmenetelmiä, sekä mallinnusperiaatteita vertailtiin keskenään. Koska jäähdytysveden kokonaiskierto oli riittämätön, tarkasteltiin kolmea vaihtoehtoa riittävän kiertovesimäärän aikaansaamiseksi. Nykyisten kiertovesipumppujen rinnanoperointi, sekä riittävän suureksi skaalatun pumpun käyttö simuloitiin. Kolmantena tapauksena arvioitiin lämmönvaihdinkohtaisen kuristussuunnitelman vaikutus putkiston painehäviöön, sekä putkistolle sopiva kiertovesipumppu. Vaihtoehdoille laskettiin suuntaa-antavat investointi- ja käyttökustannukset. Tarkastelun perusteella riittävän suureksi skaalattu pumppu todettiin kannattavimmaksi pienen hintaeron, sekä luotettavamman jäähdytysvesikierron käyttövarmuuden vuoksi. Työssä onnistuttiin tuottamaan yleispätevää tietoa suljetun jäähdytysvesiverkon hydrauliseen mallinnukseen vaikuttavista tekijöistä, sekä niiden vaikutuksesta mallin tarkkuuteen. Selvityksen perusteella tarkasteltua mallia saatiin tarkemmaksi.

Variable-speed-drive-based detection methods for problems in fluid handling systems

Fluid handling systems account for a significant share of the global consumption of electrical energy. They also suffer from problems, which reduce their energy efficiency and increase life-cycle costs. Detecting or predicting these problems in time can make fluid handling systems more environmentally and economically sustainable to operate. In this Master’s Thesis, significant problems in fluid systems were studied and possibilities to develop variable-speed-drive-based detection methods for them was discussed. A literature review was conducted to find significant problems occurring in fluid handling systems containing pumps, fans and compressors. To find case examples for evaluating the feasibility of variable-speed-drive-based methods, queries were sent to industrial companies. As a result of this, the possibility to detect heat exchanger fouling with a variable-speed drive was analysed with data from three industrial cases. It was found that a mass flow rate estimate, which can be generated with a variable speed drive, can be used together with temperature measurements to monitor a heat exchanger’s thermal performance. Secondly, it was found that the fouling-related increase in the pressure drop of a heat exchanger can be monitored with a variable speed drive. Lastly, for systems where the flow device is speed controlled with by a pressure measurement, it was concluded that increasing rotational speed can be interpreted as progressing fouling in the heat exchanger.