Kestomagneettitahtikoneen vääntömomentin tuottokyvyn optimointi hybridibussikäyttöön

Työssä tarkastellaan hybridi- ja sähköajoneuvojen voimankäyttöjärjestelmiä ja bussin ajomoottorina toimivan kestomagneettitahtikoneen toimintaa ja sen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön. Esitetään analyyttinen työkalu kestomagneettitahtikoneen induktanssisuunnittelun ja koneen vääntömomentin tuottokyvyn optimoinnin tueksi. Työkalua hyödynnetään esitettävässä ajomoottorin mitoituslaskelmassa. Työssä päätellään, että kestomagneettitahtimoottori soveltuu hyvin ajoneuvokäyttöön. Maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi sen roottorin rakenne ja induktanssit on optimoitava. Analysoimalla ajoneuvokäyttöön tarkoitettua kestomagneettitahtimoottoria työkalun avulla havaitaan, että yhtä suuremmalla induktanssisuhteella vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä kuin ajettaessa konetta taajuusmuuttajalla vakioteholla nimelliskuormalla. Vastaavasti yhtä pienemmillä induktanssisuhteilla vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä. Todetaan, että vääntömomentti kasvaa induktanssisuhteen poiketessa yhdestä. Suuri vääntömomentti saadaan pienillä induktanssisuhteilla. Induktanssisuhteen kasvattaminen yhdestä ei lisää moottorin tuottamaa vääntömomenttia yhtä paljon kuin induktanssisuhteen pienentäminen. Työn lopuksi verrataan työkalun laskemia tuloksia kirjallisuudesta löytyvillä yhtälöillä laskettuihin tuloksiin. Työkalun laskemat tulokset vaikuttavat ristiriidattomilta ja yhteneväisiltä teorian kanssa. Työkalun toteutuksessa tehdyt teoreettiset yksinkertaistukset aiheuttavat todennäköisesti epätarkkuutta tuloksissa erityisesti suurella kuormituksella.

Langaton vääntömomentin mittausjärjestelmä

Diplomityössä suunnitellaan ja toteutetaan teollisuusympäristöön soveltuva langaton vääntömomentin mittausjärjestelmä. Langaton tiedonsiirto toteutetaan soveltaen Zigbee-radiotekniikkaan perustuvia XBee-moduuleja. Käyttökohteina sovellukselle ovat pyörivät akselit, joihin langallisen mittausjärjestelmän asentaminen on hankalaa tai mahdotonta. Työssä kuvataan järjestelmän toiminnallisuus, esitellään oleellisimmat järjestelmän rakenteeseen ja toimintaan liittyvät asiat, arvioidaan järjestelmän mittausepävarmuus sekä esitellään järjestelmällä saatuja mittaustuloksia. Lisäksi osaa mittaustuloksista verrataan referenssilaitteistolla saataviin tuloksiin.

Reluktanssiverkkomalli kestomagneettitahtikoneen staattisen ilmavälivuontiheyden mallinnukseen

Kaikissa pyörivissä sähkömoottoreissa vääntömomentin tuoton kannalta olennainen magneettivuo kulkee staattorin ja roottorin välillä ilmavälin kautta. Ilmaväli mallinnetaan koneensuunnittelun yhteydessä tämän vuoksi tarkasti. Elementtimenetelmällä voidaan analysoida moottoreita varsin tarkasti, mutta menetelmän käyttö vie paljon aikaa ja sovittaminen muihin laskentaympäristöihin on usein hankalaa. Tämän vuoksi voidaan käyttää riittävän tarkkuuden omaavia analyyttisiä laskentamenetelmiä, joiden sovittaminen muihin ohjelmaympäristöihin on helpompaa kuin elementtimenetelmää käytettäessä. Diplomityössä kehitetään reluktanssiverkkomalli kestomagneettien aikaansaaman ilmavälivuontiheyden mallintamiseen kestomagneettitahtikoneille, joissa on pinta-asennetut kestomagneetit. Kehitetyn reluktanssiverkkomallin toimivuutta vertaillaan muihin ilmavälivuontiheyden laskentamenetelmiin.

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.

Mittaukset kostean höyryn turbiineille

Diplomityön tavoitteena oli selvittää Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinin suoritus-kyvyn mittaamiseen käytettävissä olevia menetelmiä ja mittausjärjestelmiä. Tavoitteena oli selvittää mitkä tekijät aiheuttavat mittauksiin mittausvirheitä ja tutkia turbiineiden nykyisten mittalaitteiden epävarmuudet. Tässä diplomityössä selvitettiin millaisia standardinmukaisia testejä sekä muita varteenotettavia testejä turbiinin suorituskyvyn määrittämiseen on käytetty ja millaisia mittauksia ne vaativat. Lisäksi tutkittiin eri lähteistä millaisia mittalaitteita ja mittausjärjestelmiä voidaan käyttää turbiinin toiminnan mittauksiin. Soveltuvista mittausmenetelmistä esitettiin toimintaperiaatteet ja teoria. Kunnonvalvontaa varten esiteltiin värähtelyiden ja vääntö-momentin mittaamisen periaatteet. Epävarmuuksia arvioitiin mittalaitteiden teoreettisen epävarmuuden ja laitesijoittelun pohjalta. Työssä havaittiin, että suorituskyvyn arvioimiseksi on olemassa useita standardeja, mutta niiden mukaisiin mittauksiin tarvittaisiin nykyistä enemmän mittaustuloksia. Tarkkoja sekä luotettavia mittaustuloksia on haasteellista saada kaksifaasivirtauksesta. Mittalaitevalinnoilla ja mittalaitteiden määrää lisäämällä voidaan mittausten epävarmuutta pienentää. Loviisan ydinvoimalaitokselle ehdotettiin muutamia mittausjärjestelmiä turbiinin suoritus-kyvyn määrittämiseksi. Erityisesti turbiinin sisäiset olosuhteet tulisi määrittää nykyistä tarkemmin. Vääntömomentin mittaaminen olisi hyvä kunnonvalvonnan työkalu.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön testaus ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Työssä toteutettiin C-kielellä luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö Simulinkmallien pohjalta hybridityökoneeseen. Hybridityökoneen sähkökäytöt mahdollistavat tarkan vääntömomentin säädön, joka mahdollistaa työssä kuvatun kaltaisen järjestelmän toteuttamisen. Toteutettua järjestelmää simuloitiin MeVEA Oy:n ajoneuvomallinnukseen kehitetyssä simulaattorissa. Lisäksi järjestelmästä kehitettiin Visedo Oy:n sähkökäyttösimulaattoriin sopiva versio, jota testattiin Visedon sähkökäyttöjä simuloivan ohjelman kanssa. Simulointituloksien mukaan luistonesto estää vetäviä pyöriä luistamasta liukkaalla alustalla eikä toisaalta vähennä aiheetta kuljettajan asettamaa vääntömomenttia. Myös sähköinen tasauspyörästö toimi kuten oli suunniteltu. Työssä kehitetty luistonesto tarvitsee toimiakseen tiedon ajoneuvon kokonaismassasta, joten työssä kehitettiin myös tapa ajoneuvon massan estimoimiseksi ajoneuvon kiihdyttäessä. Massan estimointia testattiin pitävällä ja liukkaalla alustalla. Massan estimointi toimi simulaattoriympäristössä hyvällä tarkkuudella.

Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.

Accuracy Analysis of Frequency Converter Estimates in Diagnostic Applications

Transportation of fluids is one of the most common and energy intensive processes in the industrial and HVAC sectors. Pumping systems are frequently subject to engineering malpractice when dimensioned, which can lead to poor operational efficiency. Moreover, pump monitoring requires dedicated measuring equipment, which imply costly investments. Inefficient pump operation and improper maintenance can increase energy costs substantially and even lead to pump failure. A centrifugal pump is commonly driven by an induction motor. Driving the induction motor with a frequency converter can diminish energy consumption in pump drives and provide better control of a process. In addition, induction machine signals can also be estimated by modern frequency converters, dispensing with the use of sensors. If the estimates are accurate enough, a pump can be modelled and integrated into the frequency converter control scheme. This can open the possibility of joint motor and pump monitoring and diagnostics, thereby allowing the detection of reliability-reducing operating states that can lead to additional maintenance costs. The goal of this work is to study the accuracy of rotational speed, torque and shaft power estimates calculated by a frequency converter. Laboratory tests were performed in order to observe estimate behaviour in both steady-state and transient operation. An induction machine driven by a vector-controlled frequency converter, coupled with another induction machine acting as load was used in the tests. The estimated quantities were obtained through the frequency converter’s Trend Recorder software. A high-precision, HBM T12 torque-speed transducer was used to measure the actual values of the aforementioned variables. The effect of the flux optimization energy saving feature on the estimate quality was also studied. A processing function was developed in MATLAB for comparison of the obtained data. The obtained results confirm the suitability of this particular converter to provide accurate enough estimates for pumping applications.

Jännitevälipiiritaajuusmuuttajan moottorikaapelin maksimipituuden määrittely

Työssä tutkitaan, kuinka pitkää moottorikaapelia on jännitevälipiiritaajuusmuuttajan kanssa mahdollista käyttää niin, että määritellyt reunaehdot vielä toteutuvat. Tavoitteena on tuottaa tietoa myynnille, markkinoinnille, tuotehallinnalle sekä tuoteylläpidolle siitä, miten taajuus-muuttaja toimii pidemmillä moottorikaapeleilla kuin valmistaja suosittelee. Tutkitut moottori-kaapelipituudet olivat 175…1025 metriä ja tutkitut laitteet nimellislähtövirroiltaan 2,4...25 A. Työssä aihetta käsitellään jänniteheijastusten näkökulmasta. Lisäksi tutkitaan moottorikaapelin pituuden vaikutusta taajuusmuuttajan eri komponenttien lämpenemiseen. Taajuusmuuttajan toiminnallisuutta arvioidaan moottorin suunnanvaihtojen avulla sekä turvallista toimintaa oikosulkutestein. Tutkittujen taajuusmuuttajien kohdalla on mahdollista käyttää taajuusmuuttajavalmistajan suositusta pidempiä moottorikaapeleita. Moottoriliittimien ylijännitteitä aiheuttavat jännite-heijastukset eivät aiheuttaneet raja-arvoja ylittäviä huippujännitteitä tutkituilla laitekokoon-panoilla. Myös lämpötilannousu oli maltillista tai jopa vähäistä taajuusmuuttajasta mitatuilla komponenteilla. Moottorisäätö havaittiin toimintakykyiseksi pidemmilläkin moottorikaape-leilla, tosin moottorin vääntömomentti heikkeni moottorikaapelien pituutta kasvatettaessa. Virranmittaus toimi hyvin myös pitkillä kaapeleilla, tuottaen vikalaukaisun kaikissa tehdyissä oikosulkutilanteissa. Moottorin ja taajuusmuuttajan melutaso nousivat moottorikaapelien pi-tuutta kasvatettaessa, vaikkakin moottorin käynti oli tasaista ja katkotonta Moottorikaapelin pituutta voidaan kasvattaa 325 metriin kaikissa tutkituissa laitteissa ilman, että mikään tutkittu ominaisuus vielä olennaisesti heikkenisi. Vielä 525 metrin moottorikaape-leita on mahdollista käyttää, mutta tällöin vääntömomentin tuotto on jo heikompaa.

Multibody models for examination of touchdown bearing systems

Increased rotational speed brings many advantages to an electric motor. One of the benefits is that when the desired power is generated at increased rotational speed, the torque demanded from the rotor decreases linearly, and as a consequence, a motor of smaller size can be used. Using a rotor with high rotational speed in a system with mechanical bearings can, however, create undesirable vibrations, and therefore active magnetic bearings (AMBs) are often considered a good option for the main bearings, as the rotor then has no mechanical contact with other parts of the system but levitates on the magnetic forces. On the other hand, such systems can experience overloading or a sudden shutdown of the electrical system, whereupon the magnetic field becomes extinct, and as a result of rotor delevitation, mechanical contact occurs. To manage such nonstandard operations, AMB-systems require mechanical touchdown bearings with an oversized bore diameter. The need for touchdown bearings seems to be one of the barriers preventing greater adoption of AMB technology, because in the event of an uncontrolled touchdown, failure may occur, for example, in the bearing’s cage or balls, or in the rotor. This dissertation consists of two parts: First, touchdown bearing misalignment in the contact event is studied. It is found that misalignment increases the likelihood of a potentially damaging whirling motion of the rotor. A model for analysis of the stresses occurring in the rotor is proposed. In the studies of misalignment and stresses, a flexible rotor using a finite element approach is applied. Simplified models of cageless and caged bearings are used for the description of touchdown bearings. The results indicate that an increase in misalignment can have a direct influence on the bending and shear stresses occurring in the rotor during the contact event. Thus, it was concluded that analysis of stresses arising in the contact event is essential to guarantee appropriate system dimensioning for possible contact events with misaligned touchdown bearings. One of the conclusions drawn from the first part of the study is that knowledge of the forces affecting the balls and cage of the touchdown bearings can enable a more reliable estimation of the service life of the bearing. Therefore, the second part of the dissertation investigates the forces occurring in the cage and balls of touchdown bearings and introduces two detailed models of touchdown bearings in which all bearing parts are modelled as independent bodies. Two multibody-based two-dimensional models of touchdown bearings are introduced for dynamic analysis of the contact event. All parts of the bearings are modelled with geometrical surfaces, and the bodies interact with each other through elastic contact forces. To assist in identification of the forces affecting the balls and cage in the contact event, the first model describes a touchdown bearing without a cage, and the second model describes a touchdown bearing with a cage. The introduced models are compared with the simplified models used in the first part of the dissertation through parametric study. Damages to the rotor, cage and balls are some of the main reasons for failures of AMB-systems. The stresses in the rotor in the contact event are defined in this work. Furthermore, the forces affecting key bodies of the bearings, cage and balls can be studied using the models of touchdown bearings introduced in this dissertation. Knowledge obtained from the introduced models is valuable since it can enable an optimum structure for a rotor and touchdown bearings to be designed.