Observations of Acoustic Emission in Power Semiconductors

Industrial, electrical power generation, and transportation systems, to name but a few, rely heavily on power electronics to control and convert electrical power. Each of these systems, when encountering an unexpected failure, can cause significant financial losses, or even an emergency. A condition monitoring system would help to alleviate these concerns, but for the time being, there is no generally accepted and widely adopted method for power electronics. Acoustic emission is used as a failure precursor in many applications, but it has not been studied in power electronics so far. In this doctoral dissertation, observations of acoustic emission in power semiconductor components are presented. The acoustic emissions are caused by the switching operation and failure of power transistors. Three types of acoustic emission are observed. Furthermore, aspects related to the measurement and detection of acoustic phenomena are discussed. These include sensor performance and mechanical construction of experimental setups. The results presented in this dissertation are the outset of a research program where it will be determined whether an acoustic-emission-based condition monitoring method can be developed.

Piikarbidipuolijohdekomponentit tehoelektroniikassa

Piikarbidi (SiC) on tunnettu korkealuokkaisena hioma-aineena ja hiekkapaperin pin-noitteena yli 100 vuoden ajan. Nykyisin ainetta käytetään pääasiassa puolijohteiden raaka-aineena. Piikarbidi on puolijohteena ylivoimainen tavanomaiseen piihin (Si) verrattuna lähes joka suhteessa johtuen sen kiderakenteesta, mutta sen valmistus on osoittautunut erittäin monimutkaiseksi johtuen pääasiassa vaikeudesta kasvattaa riittävän suuria ja laadukkaita SiC-kiteitä. Siksi tehoelektroniikan SiC-puolijohdekomponenttien laajamittaista käyttöä joudutaan yhä odottamaan. Tässä diplomityössä tehdään perusteellinen selvitys, miten piikarbidin valmistuspro-sessit eroavat normaaleista piin valmistusprosesseista, mitä etuja piikarbidin käytöllä saavutetaan ja vastaavasti mitä varjopuolia sillä on. Työssä selvitetään tällä hetkellä markkinoilla olevien SiC-tehopuolijohdekomponenttien ominaisuuksia, ketkä ovat teh-neet tutkimusta alalla, sekä esitetään arvioita SiC-tekniikan tulevaisuuden näkymistä.

Taajuusmuttajan vanheneminen syklisissä käytöissä

Tässä työssä tarkastellaan taajuusmuuttajan vanhenemista syklisissä käytöissä puolijohdetehokomponenttien osalta. Laitteiden vikaantumisprosessien analysoimiseksi työssä suunnitellaan syklinen kestotestausjärjestelmä, joka mahdollistaa useamman taajuusmuuttajan yhtäaikaisen vanhentamisen. Jaksottaisesti toistuvat kuormitussyklit rasittavat termomekaanisesti taajuusmuuttajan tehomoduulin sisäisiä rakenteita suurten lämpötilavaihtelujen johdosta. Teoriaosuuden pääpaino kohdistuu puolijohdetehokomponenttien rakenteeseen, vikaantumisprosesseihin ja eliniän kartoittamiseen. Työssä käydään läpi yleisimpien pienijännitteisten moottorinohjausinverttereiden tehomoduulien mekaaniset rakenteet, tyypillisemmät syklisestä kuormituksesta johtuvat vikaantumisprosessit sekä puolijohdetehokomponenttivalmistajien käyttämät syklisen eliniän testausmenetelmät. Loppuosassa työtä suunnitellaan taajuusmuuttajan syklinen kestotestausjärjestelmä laitteiden keinotekoista vanhentamista varten. Testausjärjestelmällä voidaan kuormittaa useampaa taajuusmuuttajaa vuorottain mielivaltaisella kuormitusvirtaprofiililla. Laitteita vanhennettiin kaksi testierää kuormittamalla niitä jaksottaisesti hissikäytön tyypillisellä kuormitusprofiililla. Puolijohdetehokomponentin vanhenemisen edistystä seurattiin termisen impedanssiketjun mittausmenetelmällä, joka perustuu IGBT:n kollektoriemitterijännitteen lämpötilariippuvuuteen. Testilaitteiden puolijohdetehokomponentit hajosivat syklisen eliniän päättymiseen teoriassa esitettyjen vikaantumisprosessien seurauksesta. Tehomoduulien vika-analyysi osoittaa syklisen kestotestausjärjestelmän soveltuvaksi menetelmäksi tutkia erilaisten kuormitusprofiilien vaikutusta taajuusmuuttajan vanhenemiseen.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

Magnetic and transport properties of II-V diluted magnetic semiconductors doped with manganese and nickel

This thesis is devoted to investigations of three typical representatives of the II-V diluted magnetic semiconductors, Zn1-xMnxAs2, (Zn1-xMnx)3As2 and p-CdSb:Ni. When this work started the family of the II-V semiconductors was presented by only the compounds belonging to the subgroup II3-V2, as (Zn1-xMnx)3As2, whereas the rest of the materials mentioned above were not investigated at all. Pronounced low-field magnetic irreversibility, accompanied with a ferromagnetic transition, are observed in Zn1-xMnxAs2 and (Zn1-xMnx)3As2 near 300 K. These features give evidence for presence of MnAs nanosize magnetic clusters, responsible for frustrated ground magnetic state. In addition, (Zn1-xMnx)3As2 demonstrates large paramagnetic response due to considerable amount of single Mn ions and small antiferromagnetic clusters. Similar paramagnetic system existing in Zn1-xMnxAs2 is much weaker. Distinct low-field magnetic irreversibility, accompanied with a rapid saturation of the magnetization with increasing magnetic field, is observed near the room temperature in p- CdSb:Ni, as well. Such behavior is connected to the frustrated magnetic state, determined by Ni-rich magnetic Ni1-xSbx nanoclusters. Their large non-sphericity and preferable orientations are responsible for strong anisotropy of the coercivity and saturation magnetization of p- CdSb:Ni. Parameters of the Ni1-xSbx nanoclusters are estimated. Low-temperature resistivity of p-CdSb:Ni is governed by a hopping mechanism of charge transfer. The variable-range hopping conductivity, observed in zero magnetic field, demonstrates a tendency of transformation into the nearest-neighbor hopping conductivity in non-zero magnetic filed. The Hall effect in p-CdSb:Ni exhibits presence of a positive normal and a negative anomalous contributions to the Hall resistivity. The normal Hall coefficient is governed mainly by holes activated into the valence band, whereas the anomalous Hall effect, attributable to the Ni1-xSbx nanoclusters with ferromagnetically ordered internal spins, exhibits a low-temperature power-law resistivity scaling.

The Middle East in the American quest for world order : ideas of power, economics, and social development in United States foreign policy, 1953-1961

Doctoral dissertation, University of Tampere

Power quality improving with virtual flux-based voltage source line converter

Line converters have become an attractive AC/DC power conversion solution in industrial applications. Line converters are based on controllable semiconductor switches, typically insulated gate bipolar transistors. Compared to the traditional diode bridge-based power converters line converters have many advantageous characteristics, including bidirectional power flow, controllable de-link voltage and power factor and sinusoidal line current. This thesis considers the control of the lineconverter and its application to power quality improving. The line converter control system studied is based on the virtual flux linkage orientation and the direct torque control (DTC) principle. A new DTC-based current control scheme is introduced and analyzed. The overmodulation characteristics of the DTC converter are considered and an analytical equation for the maximum modulation index is derived. The integration of the active filtering features to the line converter isconsidered. Three different active filtering methods are implemented. A frequency-domain method, which is based on selective harmonic sequence elimination, anda time-domain method, which is effective in a wider frequency band, are used inharmonic current compensation. Also, a voltage feedback active filtering method, which mitigates harmonic sequences of the grid voltage, is implemented. The frequency-domain and the voltage feedback active filtering control systems are analyzed and controllers are designed. The designs are verified with practical measurements. The performance and the characteristics of the implemented active filtering methods are compared and the effect of the L- and the LCL-type line filteris discussed. The importance of the correct grid impedance estimate in the voltage feedback active filter control system is discussed and a new measurement-based method to obtain it is proposed. Also, a power conditioning system (PCS) application of the line converter is considered. A new method for correcting the voltage unbalance of the PCS-fed island network is proposed and experimentally validated.

The evolution ofRussian power industry from monopoly to market operation

ei

Convergence withEU environmental legislation in Russia and Kyoto Protocol effects on certain power plants in Russia

Venäjällä uudistetaan sähkömarkkinoita. Uudistamisella pyritään vapauttamaan sähkömarkkinat ja lisäämään kilpailua energiasektorilla. Sähkömarkkinoiden vapauttamisen tarkoitus on energiasektorin hyötysuhteen nostaminen ja investointien houkutteleminen sektorille. Venäjä on ratifioinut Kioton protokollan, mikä energiasektorin kannalta on tärkeää, koska protokollan yhteistoteutusmekanismin kautta saadaan houkuteltua investointeja sektorille. Venäjän sähkömarkkinoiden vapauttamisen pitkäaikainen tähtäin on Venäjän ja Euroopan sähkömarkkinoiden integroituminen, joka tarkoittaa myös ympäristölainsäädännönyhtenäistämistä. Tämä tutkimus on osa Fortum Oyj:n tarjoamaa teknistä katselmusta Venäjällä toimivalle sähköyhtiölle, TGC-9:lle. Tässä työssä keskitytään TGC-9:n omistamien energiatuotantolaitoksien happamoitumista aiheuttaviin ilmapäästöihin ja pölypäästöihin. Tutkimuksessa pyritään myös löytämään Kioton protokollan yhteistoteutusmekanismi hyödyntämiskohteita. NOx -päästöt tulevat olemaan suurin haaste TGC-9:lle, jos ympäristöstandardit yhdenmukaistetaan. Yhteistoteutusmekanismin hyödyntämiskohteita löydettiin neljä: koksaamokaasun hyödyntäminen, maakaasun korvaaminen kuoren poltolla ja kaksi tapausta liittyen laitoksien hyötysuhteen nostamiseen.

Investment Determinants and Future Shape of Russia's Power Generation

The reformation of power sector is still in the process of development. The present day situation in Russian electricity power market ischaracterized as transitional period: competitive electricity market is forming, new companies are being created and the power of government regulation is decreasing. The main aim of the reformation is to attract much-needed private investments to the power sector. The electricity consumption increases very rapidly and power sector has to cope with high demand. The goal of this master's thesis is to analyze the nowadays situation in Russian power sector, such as generation structure, condition of electricity networks, electricity price formation for end-users, shape of fuel sector and investments risks and attraction.The final result of this work is creation of scenario of Russian power sector future shape and analysis of the present day situation.

Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system

In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker. First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission. Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine. After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases. Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.

Scenarios for electricity power sector development in the North-West of Russia

Focus of this thesisis made on development of electricity sector of Russian North-West. The objective was to determine the most likely scenarios for development of the most critical (western) part of Interregional Power System of North-West, from where the most part of Russian electricity exports to the countries of European Union take place. For this purpose all the involved sides were analyzed: generation, transmission system and electricity consumption in different regions of Russian North-West. The analysis was performed through investigation of existing generation andtransmission capacities and plans for their development to be performed by the generation and transmission companies operating in the region. Principles of Russian electricity sector restructuring and electricity market design are also discussed as well as factors that may influence on future electricity price in the region.

Competitiveness Survey of a Biofuel Power Plant

Työn tarkoituksena on tarkastella Euroopan siirtymätalousalueelta kotimaisen biopoltto-ainevoimalaitoksen kilpailukykyä potentiaalisimmiksi markkinakohteiksi arvioitujen nykyisten Eu-valtioiden osalta. Työ tehdään osana kokoluokaltaan 3,5 MWth/1,0 MWe pienvoimalaitoksen tuotekehityshanketta, joka on käynnistynyt Varkaudessa tämän vuoden maaliskuussa. Potentiaalisimpien siirtymätalousmaiden valintakriteereinä on käytetty aiempia tutkimuksia ja raportteja. Huomio keskitetään kiinteän biopolttoaineen resursseihin ja biopolttoaineisiin pohjautuvalle energiantuotannolle asetettuihin tavoitteisiin. Edellä mainittujen kriteerien pohjalta tarkasteltaviksi valittujen valtioiden osalta tehtiin tarkemmat kilpailukykyanalyysit, otettiin yhteyttä markkina-alueeltaalan ammattilaisiin ja kartoitettiin potentiaalisimmat markkinakohteet. Tavoitteena on arvioida varteenotettavin kilpailija kiinteisiin biopolttoaineisiin pohjautuvalle sähkön ja lämmön yhteistuotannolle, jonka perusteella laaditaan mallivoimalaitoksen kilpailukykyisen hinnan määrittämiseksi tiettyyn takaisinmaksuaikaan ja korkotekijään perustuen. Lopulta tehdään maakohtaisesti yhteenveto merkittävimmistä markkinapotentiaaliin vaikuttavista kilpailutekijöistä, arvioidaan potentiaalisin kohdemaa sekä esitetään mahdollinen investoinnin rahoitusvaihtoehto ja keinoja markkinoida tuotetta potentiaalisille asiakkaille.

Wastewater Treatment of Diesel Power Plant

Diplomityön tavoitteena on selvittää Wärtsilän dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn vallitseva tila. Tutkimuksessa keskitytään raskaspolttoöljykäyttöisiin voimalaitoksiin. Työssä selvitetään yleisimmät dieselvoimalaitosten jätevesille asetetut vaatimukset. Selvitys tehdään keräämälläja tutkimalla dieselvoimalaitosten jätevesille sovellettuja standardeja. Työssä selvitetään myös dieselvoimalaitokselta ulostulevan jäteveden laatu sekä nykyisen jätevedenkäsittelyjärjestelmän toiminta. Selvitys tehdään keräämällä ja tutkimalla yrityksen sisäisiä tietoja, sekä ottamalla ja analysoimalla jätevesinäytteitä. Näytteiden otto ja analysointi toteutetaan vierailemallakahdessa voimalaitoksessa sekä yhdessä muussa kohteessa. Jäteveden laatu ennen ja jälkeen käsittelyn määritetään. Myös öljynjalostusteollisuuden jätevedenkäsittelyä tarkastellaan kirjallisuuteen pohjautuen. Tarkastelun tavoitteena on hankkia tietoa jätevedenkäsittelystä kohteissa, joissa jäteveden laatu vastaa dieselvoimalaitoksella syntyvää jätevettä. Vertailun vuoksi myös öljynjalostusteollisuudelle asetetuttuja jätevesistandardeja tutkitaan. Lisäksi työssä tutkitaan myös joitakin muita jätevedenkäsittelymenetelmiä. Diplomityön tuloksena määritetään dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn tulevaisuuden haasteet ja mahdollisuudet.