Reuse of electric vehicle battery in uninterruptible power supply

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Nissan Leaf -sähköauton käytetyn litiumakun soveltuvuutta UPS-varavirtalaitteen energialähteeksi. Kun akku on heikentynyt niin ettei sen kapasiteetti enää ole riittävä autokäyttöön, sitä voidaan kuitenkin vielä hyödyntää muissa sovelluksissa, kuten UPS-laitteessa. Työ sai alkunsa osana GreenDataNet-projektia, jossa pyritään kehittämään datakeskuksiin ympäristöä vähemmän kuormittavia ratkaisuja käyttämällä uusiutuvia energialähteitä, akkujen uusiokäytöllä, sekä energianhallinnan optimoinnilla. Työssä käytiin läpi akun ja sen ohjausjärjestelmän ominaisuuksia, kerrottiin UPS:in ohjelmistoon tehdyistä muutoksista sekä esitettiin testitulokset. Lopputuloksena todettiin akun sopivan muuten hyvin UPS-käyttöön, mutta vaadittu päivittäinen kennojännitteiden tasaus ja sen aiheuttama katkos energian saatavuuteen heikentää UPSin käyttövarmuutta kuorman suojauksessa. Lopussa esitettiin muutamia ehdotuksia tämän ongelman korjaamiseksi.

Teholähdesuunnittelu

Työssä vertaillaan massatuotannon näkökulmasta eri tehoalueille sopivia teholähteen toteuttamisvaihtoehtoja. Lisäksi esitellään standardien asettamia vaatimuksia teholähteille. Työssä käsitellään teholähdesuunnittelun eri osa-alueita ja niihin sopivien simulointityökalujen hyödyntämismahdollisuuksia suunnitteluprosessin osana. Simulointituloksia ja teoreettisia laskelmia vertaillaan prototyypistä suoritettuihin mittauksiin.

Teholähdepiirilevyn suunnittelu akkukäyttöiseen laitteeseen

Teholähdepiirilevyn suunnittelu etenkin kooltaan pieneen akkukäyttöiseen laitteeseen on monivaiheinen suunnitteluprosessi. Teholähdetopologioiden valinta levylle määrää heti alkuunsa kuinka vakaata jännitettä levyllä voidaan tuottaa, kuinka suuria tehoja siitä voidaan ottaa, miten paljon häiriöitä levy tuottaa ympäristöönsä ja ennen kaikkea, kun akkukäyttöisestä laitteesta on kysymys, kuinka hyvään hyötysuhteeseen sillä voidaan päästä. Suunnittelun kannalta hakkuriteholähde on teholähdetopologioista vaativin. Tässä työssä paneudutaankin tarkemmin boost-hakkuriteholähteen suunnitteluun. Pelkkä hakkurin komponenttien mitoitus ei takaa teholähteelle parasta mahdollista toimintaa, vaan myös piirilevysuunnittelulla on suuri merkitys. Akkukäyttöisen laitteen teholähdepiirilevyn suunnittelu ei rajoitu yksinomaan teholähteiden suunnitteluun vaan levy sisältää usein myös muuta oheiselektroniikkaa, yleensä ainakin laitteen käynnistyselektroniikan sekä akun latausjärjestelmän. Etenkin akun latausjärjestelmän suunnittelu saattaa muodostua hyvinkin monimutkaiseksi tehtäväksi. Tässä työssä onkin tutkittu muutaman yleisimmän akkutyypin latausmenetelmiä. Työssä suunnitellaan myös käytännössä teholähdepiirilevy akkukäyttöiseen mittalaitteeseen. Levyn toimintaa tutkitaan erinäisin mittauksin, joilla pyritään selvittämään levyn heikkoudet. Näiden heikkouksien pohjalta levystä suunnitellaan paranneltu versio. Tällekin levylle tehdään samat mittaukset kuin edelliselle versiolle, joista selviää parannusten onnistuminen.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Modeling and Analysis of Noise and Interconnects for On-Chip Communication Link Design

This thesis considers modeling and analysis of noise and interconnects in onchip communication. Besides transistor count and speed, the capabilities of a modern design are often limited by on-chip communication links. These links typically consist of multiple interconnects that run parallel to each other for long distances between functional or memory blocks. Due to the scaling of technology, the interconnects have considerable electrical parasitics that affect their performance, power dissipation and signal integrity. Furthermore, because of electromagnetic coupling, the interconnects in the link need to be considered as an interacting group instead of as isolated signal paths. There is a need for accurate and computationally effective models in the early stages of the chip design process to assess or optimize issues affecting these interconnects. For this purpose, a set of analytical models is developed for on-chip data links in this thesis. First, a model is proposed for modeling crosstalk and intersymbol interference. The model takes into account the effects of inductance, initial states and bit sequences. Intersymbol interference is shown to affect crosstalk voltage and propagation delay depending on bus throughput and the amount of inductance. Next, a model is proposed for the switching current of a coupled bus. The model is combined with an existing model to evaluate power supply noise. The model is then applied to reduce both functional crosstalk and power supply noise caused by a bus as a trade-off with time. The proposed reduction method is shown to be effective in reducing long-range crosstalk noise. The effects of process variation on encoded signaling are then modeled. In encoded signaling, the input signals to a bus are encoded using additional signaling circuitry. The proposed model includes variation in both the signaling circuitry and in the wires to calculate the total delay variation of a bus. The model is applied to study level-encoded dual-rail and 1-of-4 signaling. In addition to regular voltage-mode and encoded voltage-mode signaling, current-mode signaling is a promising technique for global communication. A model for energy dissipation in RLC current-mode signaling is proposed in the thesis. The energy is derived separately for the driver, wire and receiver termination.

Minimizing Conducted RF-Emissions in Switch Mode Power Supplies Using Spread-Spectrum Techniques

Switching power supplies are usually implemented with a control circuitry that uses constant clock frequency turning the power semiconductor switches on and off. A drawback of this customary operating principle is that the switching frequency and harmonic frequencies are present in both the conducted and radiated EMI spectrum of the power converter. Various variable-frequency techniques have been introduced during the last decade to overcome the EMC problem. The main objective of this study was to compare the EMI and steady-state performance of a switch mode power supply with different spread-spectrum/variable-frequency methods. Another goal was to find out suitable tools for the variable-frequency EMI analysis. This thesis can be divided into three main parts: Firstly, some aspects of spectral estimation and measurement are presented. Secondly, selected spread spectrum generation techniques are presented with simulations and background information. Finally, simulations and prototype measurements from the EMC and the steady-state performance are carried out in the last part of this work. Combination of the autocorrelation function, the Welch spectrum estimate and the spectrogram were used as a substitute for ordinary Fourier methods in the EMC analysis. It was also shown that the switching function can be used in preliminary EMC analysis of a SMPS and the spectrum and autocorrelation sequence of a switching function correlates with the final EMI spectrum. This work is based on numerous simulations and measurements made with the prototype. All these simulations and measurements are made with the boost DC/DC converter. Four different variable-frequency modulation techniques in six different configurations were analyzed and the EMI performance was compared to the constant frequency operation. Output voltage and input current waveforms were also analyzed in time domain to see the effect of the spread spectrum operation on these quantities. According to the results presented in this work, spread spectrum modulation can be utilized in power converter for EMI mitigation. The results from steady-state voltage measurements show, that the variable-frequency operation of the SMPS has effect on the voltage ripple, but the ripple measured from the prototype is still acceptable in some applications. Both current and voltage ripple can be controlled with proper main circuit and controller design.

Analysing the power consumption behaviour of Ethernet switch using Design of Experiment

At present, one of the main concerns of green network is to minimize the power consumption of network infrastructure. Surveys show that, the highest amount of power is consumed by the network devices during its runtime. However to control this power consumption it is important to know which factors has highest impact on this matter. This paper is focused on the measurement and modeling the power consumption of an Ethernet switch during its runtime considering various types of input parameters with all possible combinations. For the experiment, three input parameters are chosen. They are bandwidth, link load and number of connections. The output to be measured is the power consumption of the Ethernet switch. Due to the uncertain power consuming pattern of the Ethernet switch a fully-comprehensive experimental evaluation would require an unfeasible and cumbersome experimental phase. Because of that, design of experiment (DoE) method has been applied to obtain adequate information on the effects of each input parameters on the power consumption. The whole work consists of three parts. In the first part a test bed is planned with input parameters and the power consumption of the switch is measured. The second part is about generating a mathematical model with the help of design of experiment tools. This model can be used for measuring precise power consumption in different scenario and also pinpoint the parameters with higher influence in power consumption. And in the last part, the mathematical model is evaluated by comparing with the experimental values.

Pituusleikkurin turvaväylät ja koneturvallisuus

Turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän tehtävänä on siirtää ja käsitellä turvallisuuskriittistä tietoa. Esimerkiksi anturin (turvalaitteen) havaitessa vaaravyöhykkeelle pyrkivän ihmisen tulee ensimmäisenä tiedon välittyä ohjausjärjestelmään. Ohjausjärjestelmän on muodostettava saapuneen tiedon perusteella käsky tehonohjauselimille. Tehonohjauselimillä säädellään koneen käyttöenergian syöttöä ja sitä kautta on mahdollista pysäyttää koneen liike ennen mahdollisen vahingon sattumista. Perinteiset turvaratkaisut ovat perustuneet pakkotoimintaisiin releisiin ja kahdennuksiin. Tällämenetelmällä on toteutettu varmatoimintaisia turvaratkaisuja, joissa yksittäiset viat ovat paljastuneet. Nykyisin on kuitenkin yhä enemmän tarvetta integroida turvatoiminnot automaatiojärjestelmään ja toteuttaa turvaratkaisut hajautetuillajärjestelmillä. Hajautetut järjestelmät sisältävät osittain ohjelmoitavien järjestelmien etuja ja haittoja, mutta tuovat mukanaan myös uudenlaisia vikoja. Työn tarkoitus oli selvittää, millaisia rajoituksia koneturvallisuus asettaa paperiteollisuuden pituusleikkurien turvallisuuteen liittyville ohjausjärjestelmille, sekä selvittää turvallisuuteen liittyvien järjestelmien rakennetta ja ominaisuuksia. Tässä työssä tutkittiin AS-i, EsaLan ja ProfiSafe turvajärjestelmiä teknisten tietojen perusteella. Tutkitut järjestelmät ovat erilaisia ja soveltuvat tämän vuoksi hieman erilaisiin kohteisiin. Kaikilla näillä järjestelmillä on kuitenkin mahdollista toteuttaa pituusleikkurin turvaväyläjärjestelmässä riittävä turvallisuuden taso koneturvallisuuden näkökulmasta. Tämä edellyttää oikein tehtyä riskianalyysiä ja oikeita suunnittelumenetelmiä. Teknisten tietojen perusteella otettiin testattavaksi AS-i safety at workja EsaLan:in Compact järjestelmät, joille suoritettiin sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen (EMC) ja toiminnallisuuteen liittyviä testejä.

Mekatronisen portaattomasti säädettävän ajoneuvotehonsiirtokoneiston suunnittelu ja simulointi

Työn tarkoituksena on tutkia tehonsiirron ratkaisuja, jotka mahdollistavat jatkuvanopeus ja -momentinsäädön. Työ on rajattu käsittämään kahta eri planeettavaihdetuotetta. Tutkimuksen kohteena ovat valittujen vaihdetuotteiden planeettapyörästöjen eri kytkentämahdollisuudet ja niiden vaikutus toisiinsa. Vaihteiden teknistä toteutusta ja toimivuutta tarkastellaan fyysisten testien, simuloinnin sekä analyyttisen laskennan avulla. Apuna työssä on käytetty Dymola simulointiohjelmaa, jossa kinemaattisten kuvakeliitäntöjen avulla on rakennettu virtuaalimalli tarkastellusta tuotteesta ja sen toiminnasta. Tietokoneen avulla luotua dynaamista simulointimallia on muokattu tutkimuksen edistyessä differentiaalisesti jatkuvasäätöisen momentinmuuntimen aikaan saamiseksi. Tuotteissa on käytetty aurinkopyörällisiä ja aurinkopyörättömiä planeettapyörästöjä. Ensimmäisessä tutkittavassa tuotteessa on kolme planeettapyörästöä ja toisessa kaksi. Teholähteeksi käy polttomoottori tai sähkömoottori. Välitys- ja pyörimissuhteiden muuntoon vaikuttaa planeettavaihteistoon kytketty sähkömoottori, jonka toimintaa voidaan ohjata erikseen. Työssä on selvitetty, millaisia kulmanopeuksia ja momentteja eri ajanhetkellä ja eri pisteissä simulointimallia esiintyy.Lisäksi selvitetään vaihteistojen portaattoman välityssuhteen muuntomahdollisuudet. Tarkoituksena on saada realistista informaatiota tutkittavien laitteiden toiminnasta. Johtavana ajatuksena on modernien menetelmien käyttäminen uusien innovaatioiden toimivuuden ja äärikohtien tutkimiseksi.

Hakkuriteholähteen säädön suunnittelu

Diplomityö on tehty osana ETX-tutkimushanketta: 'Volyymiteholähteen suunnittelumetodien kehitys ja optimointi DFM-viitekehyksessä'. Työssä suunnitellaan hakkuriteholähteelle säätäjä. Tähän suunnittelun sektoriin syventyminen on teollisuudessa jäänyt monesti vähälle. Säätö on tavallisesti ajan puutteen ja apuvälineiden käytön osaamattomuuden tai puuttumisen takia suunniteltu kokeilemalla. Työssä muodostetaan jännitemuotoisesti säädetylle hakkurille piensignaalimallilla linearisoidut siirtofunktiot, joiden perusteella voidaan tarkastella hakkurin stabiilisuutta takaisinkytketyssä säätösilmukassa. Stabiiliustarkastelu tehdään taajuustasossa käyttäen Bode-kuvaajia. Näiden kuvaajien perusteella viritetään järjestelmään säätäjä. Säätäjän toimintaa aikatasossa tarkastellaan simuloimalla ja reaalisen laitteen toimimista laboratorioprototyypin avulla. Tulosten perusteella voidaan todeta, että jännitemuotoisella säädöllä flyback-hakkuri saadaan nopeaksi epäjatkuvalla käämivirralla. Mikäli halutaan hakkurin toimivan jatkuvalla käämivirralla, on syytä käyttää muita säätömenetelmiä, esimerkiksi huippuvirtasäätöä.

Power line communication in motor cables of variable-speed electric drives − analysis and

Data transmission between an electric motor and a frequency converter is required in variablespeed electric drives because of sensors installed at the motor. Sensor information can be used for various useful applications to improve the system reliability and its properties. Traditionally, the communication medium is implemented by an additional cabling. However, the costs of the traditional method may be an obstacle to the wider application of data transmission between a motor and a frequency converter. In any case, a power cable is always installed between a motor and a frequency converter for power supply, and hence it may be applied as a communication medium for sensor level data. This thesis considers power line communication (PLC) in inverter-fed motor power cables. The motor cable is studied as a communication channel in the frequency band of 100 kHz−30 MHz. The communication channel and noise characteristics are described. All the individual components included in a variable-speed electric drive are presented in detail. A channel model is developed, and it is verified by measurements. A theoretical channel information capacity analysis is carried out to estimate the opportunities of a communication medium. Suitable communication and forward error correction (FEC) methods are suggested. A general method to implement a broadband and Ethernet-based communication medium between a motor and a frequency converter is proposed. A coupling interface is also developed that allows to install the communication device safely to a three-phase inverter-fed motor power cable. Practical tests are carried out, and the results are analyzed. Possible applications for the proposed method are presented. A speed feedback motor control application is verified in detail by simulations and laboratory tests because of restrictions for the delay in the feedback loop caused by PLC. Other possible applications are discussed at a more general level.

Invertteripääteasteen suunnittelu

Invertteritekniikalla voidaan toteuttaa nykyaikainen, monipuolinen ja tehokas pääteaste moneen eri käyttötarkoitukseen. Tässä työssä suunnitellaan invertteripääteaste mittalaite- ja virtalähdesovelluksiin. Suunnittelussa otetaan huomioon muunneltavuus, valmistuskustannukset ja mitat. Näiden kriteerien lisäksi pääteaste suunnitellaan niin, että se täyttää mittalaite- ja virtalähdesovelluksien vaatimat standardit. Pääteasteen teho rajoittuu 500 VA:iin, mutta vaatimukset lähtöjännitteen erimuotoisuudelle aiheuttavat suunnittelulle omat vaikeutensa. Työssä täytyy tutkia, minkälainen tuloaste, invertteri, suodin ja lähtöaste sopivat parhaiten pääteasteen toteutukseen. Sopivien topologioiden löydyttyä pääteaste simuloidaan tietokoneella, jonka jälkeen voidaan suunnitella prototyyppi käytännön testauksia varten. Suunnittelussa päädyttiin seuraaviin topologioihin: Tuloasteeksi valittiin PFC-piiri, joka on nykyaikana pakollinen invertterikäytössä, koska verkkoon palaavat harmoniset yliaaltokomponentit täytyy suodattaa. Invertteritopologiaksi valittiin kokosiltainvertteri, jolla saadaan parhaiten muutettua lähtöjännitteen taajuutta ja amplitudia. Suodintopologiaksi valittiin LC-suodin, jolla saadaan tehokkaasti suodatettua invertterin aiheuttamat harmoniset yliaallot. Lähtöön sijoitetaan muuntaja, jonka muuntosuhdetta muuntamalla saadaan lähtöjännite halutuksi eri käyttötarkoituksia varten.

Frequency converter protection against supply network phenomena

This master’s thesis is focused on power supply network disturbances and their effects on the frequency converter – one of the components of modern process crane electrical system. The most critical disturbance types, their causes and the effect they bring to crane electrical system was determined in this work. Variety of protective devices used for mitigation of disturbances is investigated. Device protection solutions for the frequency converter used in crane applications are presented. Analyses of the power supply requirements for frequency converter and various components of crane electrical system were carried out and as a result the crane power supply requirements list that guarantees normal crane operation was built. This list is to be included in crane projects for troubleshooting purposes in order to determine potentially dangerous network.

Jännitettä nostavan hakkurin käyttö akkukäyttöisessä audiolaitteessa

Audiovahvistimet pohjautuvat yhä useammin D-luokan vahvistimiin niiden korkean hyötysuhteen takia. Tämä mahdollistaa pidemmän käyttöajan tai vastaavasti tehon lisäämisen kannettavissa audiolaitteissa. Kuitenkin, jotta akkukäyttöisestä audiolaitteesta saataisiin suurempaa tehoa, se vaatii yleensä korkeamman jännitteen kuin yksittäisen akun lähtöjännite on. Korkeampi jännite voidaan saavuttaa lisäämällä akkuja tai käyttämällä jännitettä nostavaa hakkuria. Hakkureissa syntyy kuitenkin kytkennästä johtuvaa värettä, mille D-luokan vahvistimet ovat alttiita. Tässä työssä tutkitaan boost- ja Čuk-hakkurin soveltuvuutta jännitteen nostoon akkukäyttöisessä audiolaitteessa. Käytännön sovelluksena toimii Porsas, josta halutaan saada 500 W teho. Työssä tutkitaan audiolaitteen asettamia ehtoja jännitelähteelle sekä hakkurien mitoittamista ehtojen mukaisesti. Työn tutkimustapana on kirjallisuustutkimus ja simulointi. Audiolaitteen jännitelähteeltä vaatima teho vaihtelee suuresti. Tämä tulee ottaa huomioon hakkurin komponenttien mitoituksessa. Lisäksi hakkurin lähtöjännitteen väre pyritään minimoimaan, koska sillä on suuri vaikutus vahvistimen toimintaan. Tulovirran väreen minimoinnilla on pidentävä vaikutus akun purkusykliin. Hakkurien laskennalliset komponenttien arvot sekä simuloinnit osoittavat, että hakkurit olisivat myös mahdollista tehdä käytännössä. Simulointien perusteella boost-hakkurin komponenttien arvot ovat pienempiä kuin Čuk-hakkurin. Boost-hakkurille löytyy myös valmiita ohjainpiirejä enemmän. Toisaalta Čuk-hakkurilla on mahdollista tehdä myös energiansäästötila. Hakkurien ohjaus ja jäähdytys vaatisivat jatkotutkimusta.