Performance and scalability of isolated DC-DC converter topologies in low voltage, high current applications

Fuel cells are a promising alternative for clean and efficient energy production. A fuel cell is probably the most demanding of all distributed generation power sources. It resembles a solar cell in many ways, but sets strict limits to current ripple, common mode voltages and load variations. The typically low output voltage from the fuel cell stack needs to be boosted to a higher voltage level for grid interfacing. Due to the high electrical efficiency of the fuel cell, there is a need for high efficiency power converters, and in the case of low voltage, high current and galvanic isolation, the implementation of such converters is not a trivial task. This thesis presents galvanically isolated DC-DC converter topologies that have favorable characteristics for fuel cell usage and reviews the topologies from the viewpoint of electrical efficiency and cost efficiency. The focus is on evaluating the design issues when considering a single converter module having large current stresses. The dominating loss mechanism in low voltage, high current applications is conduction losses. In the case of MOSFETs, the conduction losses can be efficiently reduced by paralleling, but in the case of diodes, the effectiveness of paralleling depends strongly on the semiconductor material, diode parameters and output configuration. The transformer winding losses can be a major source of losses if the windings are not optimized according to the topology and the operating conditions. Transformer prototyping can be expensive and time consuming, and thus it is preferable to utilize various calculation methods during the design process in order to evaluate the performance of the transformer. This thesis reviews calculation methods for solid wire, litz wire and copper foil winding losses, and in order to evaluate the applicability of the methods, the calculations are compared against measurements and FEM simulations. By selecting a proper calculation method for each winding type, the winding losses can be predicted quite accurately before actually constructing the transformer. The transformer leakage inductance, the amount of which can also be calculated with reasonable accuracy, has a significant impact on the semiconductor switching losses. Therefore, the leakage inductance effects should also be taken into account when considering the overall efficiency of the converter. It is demonstrated in this thesis that although there are some distinctive differences in the loss distributions between the converter topologies, the differences in the overall efficiency can remain within a range of a few percentage points. However, the optimization effort required in order to achieve the high efficiencies is quite different in each topology. In the presence of practical constraints such as manufacturing complexity or cost, the question of topology selection can become crucial.

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.

Building organizational creativity – a multitheory and multilevel approach for understanding and stimulating organizational creativity

Organizational creativity is increasingly important for organizations aiming to survive and thrive in complex and unexpectedly changing environments. It is precondition of innovation and a driver of an organization’s performance success. Whereas innovation research increasingly promotes high-involvement and participatory innovation, the models of organizational creativity are still mainly based on an individual-creativity view. Likewise, the definitions of organizational creativity and innovation are somewhat equal, and they are used as interchangeable constructs, while on the other hand they are seen as different constructs. Creativity is seen as generation of novel and useful ideas, whereas innovation is seen as the implementation of these ideas. The research streams of innovation and organizational creativity seem to be advancing somewhat separately, although together they could provide many synergy advantages. Thereby, this study addresses three main research gaps. First, as the knowledge and knowing is being increasingly expertized and distributed in organizations, the conceptualization of organizational creativity needs to face that perspective, rather than relying on the individual-creativity view. Thus, the conceptualization of organizational creativity needs clarification, especially as an organizational-level phenomenon (i.e., creativity by an organization). Second, approaches to consciously build organizational creativity to increase the capacity of an organization to demonstrate novelty in its knowledgeable actions are rare. The current creativity techniques are mainly based on individual-creativity views, and they mainly focus on the occasional problem-solving cases among a limited number of individuals, whereas, the development of collective creativity and creativity by the organization lacks approaches. Third, in terms of organizational creativity as a collective phenomenon, the engagement, contributions, and participation of organizational members into activities of common meaning creation are more important than the individualcreativity skills. Therefore, the development approaches to foster creativity as social, emerging, embodied, and collective creativity are needed to complement the current creativity techniques. To address these gaps, the study takes a multiparadigm perspective to face the following three objectives. The first objective of this study is to clarify and extend the conceptualization of organizational creativity. The second is to study the development of organizational creativity. The third is to explore how an improvisational theater based approach fosters organizational creativity. The study consists of two parts comprising the introductory part (part I) and six publications (part II). Each publication addresses the research questions of the thesis through detailed subquestions. The study makes three main contributions to the research of organizational creativity. First, it contributes toward the conceptualization of organizational creativity by extending the current view of organizational creativity. This study views organizational creativity as a multilevel construct constituting both of individual and collective (group and organizational) creativity. In contrast to current views of organizational creativity, this study bases on organizational (collective) knowledge that is based on and demonstrated through the knowledgeable actions of an organization as a whole. The study defines organizational creativity as an overall ability of an organization to demonstrate novelty in its knowledgeable actions (through what it does and how it does what it does).Second, this study contributes toward the development of organizational creativity as multi-level phenomena, introducing developmental approaches that face two or more of these levels simultaneously. More specifically, the study presents the cross-level approaches to building organizational creativity, by using an approach based in improvisational theater and considering assessment of organizational renewal capability. Third, the study contributes on development of organizational creativity using an improvisational theater based approach as twofold meaning. First, it fosters individual and collective creativity simultaneously and builds space for creativity to occur. Second, it models collective and distributed creativity processes, thereby, contributing to the conceptualization of organizational creativity.

Robust current control of a phase shifted full-bridge buck converter

In this thesis, the main point of interest is the robust control of a DC/DC converter. The use of reactive components in the power conversion gives rise to dynamical effects in DC/DC converters and the dynamical effects of the converter mandates the use of active control. Active control uses measurements from the converter to correct errors present in the converter’s output. The controller needs to be able to perform in the presence of varying component values and different kinds of disturbances in loading and noises in measurements. Such a feature in control design is referred as robustness. This thesis also contains survey of general properties of DC/DC converters and their effects on control design. In this thesis, a linear robust control design method is studied. A robust controller is then designed and applied to the current control of a phase shifted full bridge converter. The experimental results are shown to match simulations.

The board of directors as a part of family business governance – multilevel participation and board development

In this study, I examine the board of directors as a part of family business governance. Both boards and governance have increased their attractiveness as a research topic lately. Research on boards has concentrated mostly on the study of different board attributes, like composition, and the relationship of these attributes to the firm’s performance. Family business governance studies are criticized for ignoring the multifaceted needs of companies. More research observing the context and contingencies affecting the governance and board of directors is needed. The objective of this study is to clarify: 1) how the board participates in family business governance, and 2) how the board develops along with the firm’s and family’s development. The study is implemented as qualitative research, and the longitudinal process approach has been used as it provides the opportunity to examine development in context. Selection criteria for the two cases selected for this study are: active board of directors, at least one implemented succession, and interviewees available from two generations and from different positions in the firm. The data consists of interviews and secondary data, and it is collected from different data sources. The analysis was done selecting first some critical events from both cases to closer examination, and analysing them by using content analysis technique. Several conclusions were drawn basing on the findings. First, the family business board participates in the firm’s activities much more widely than it is customary to think. Second, the family business board is not a static part of the business, but it develops and it has to develop for different reasons. Third, ownership is not only the basis for the board’s activities or existence, but the relationship between the board and ownership is two-way. The board contributes to a large extent to the ownership decisions, and in this way to the management of ownership. Fourth, according to the cases, the board has many unrecognized possibilities to facilitate succession in family firms.

Comparison of Model-Based Flow Rate Estimation Methods in Frequency-Converter-Driven Pumps and Fans

Fluid handling systems such as pump and fan systems are found to have a significant potential for energy efficiency improvements. To deliver the energy saving potential, there is a need for easily implementable methods to monitor the system output. This is because information is needed to identify inefficient operation of the fluid handling system and to control the output of the pumping system according to process needs. Model-based pump or fan monitoring methods implemented in variable speed drives have proven to be able to give information on the system output without additional metering; however, the current model-based methods may not be usable or sufficiently accurate in the whole operation range of the fluid handling device. To apply model-based system monitoring in a wider selection of systems and to improve the accuracy of the monitoring, this paper proposes a new method for pump and fan output monitoring with variable-speed drives. The method uses a combination of already known operating point estimation methods. Laboratory measurements are used to verify the benefits and applicability of the improved estimation method, and the new method is compared with five previously introduced model-based estimation methods. According to the laboratory measurements, the new estimation method is the most accurate and reliable of the model-based estimation methods.

Converter-Fed Induction Motor Losses: Determination With IEC Methods

Energy efficiency is an important topic when considering electric motor drives market. Although more efficient electric motor types are available, the induction motor remains as the most common industrial motor type. IEC methods for determining losses and efficiency of converter-fed induction motors were introduced recently with the release of technical specification IEC/TS 60034-2-3. Determining the induction motor losses with IEC/TS 60034-2-3 method 2-3-A and assessing the practical applicability of the method are the main interests of this study. The method 2-3-A introduces a specific test converter waveform to be used in the measurements. Differences between the induction motor losses with a test converter supply, and with a DTC converter supply are investigated. In the IEC methods, the tests are run at motor rated fundamental voltage, which, in practice, requires the frequency converter to be fed with a risen input voltage. In this study, the tests are run on both frequency converters with artificially risen converter input voltage, resulting in rated motor fundamental input voltage as required by IEC. For comparison, the tests are run with both converters on normal grid input voltage supply, which results in lower motor fundamental voltage and reduced flux level, but should be more relevant from practical point of view. According to IEC method 2-3-A, tests are run at rated motor load, and to ensure comparability of the results, the rated load is used in the grid-fed converter measurements, although motor is overloaded while producing the rated torque at reduced flux level. The IEC 2-3-A method requires also sinusoidal supply test results with IEC method 2-1-1B. Therefore, the induction motor losses with the recently updated IEC 60034-2-1 method 2-1-1B are determined at the motor rated voltage, but also at two lower motor voltages, which are according to the output fundamental voltages of the two network-supplied converters. The method 2-3-A was found to be complex to apply but the results were stable. According to the results, the method 2-3-A and the test converter supply are usable for comparing losses and efficiency of different induction motors at the operating point of rated voltage, rated frequency and rated load, but the measurements do not give any prediction of the motor losses at final application. One might therefore strongly criticize the method’s main principles. It seems, that the release of IEC 60034-2-3 as a technical specification instead of a final standard for now was justified, since the practical relevance of the main method is questionable.

On site measurements of DC link electrolytic capacitor bank of frequency converter using constant DC magnetization of the motor

Preventive maintenance of frequency converters has been based on pre-planned replace-ment of wearing or ageing components. Exchange intervals follow component life-time expectations which are based on empirical knowledge or schedules defined by manufac-turer. However, the lifetime of a component can vary significantly, because drives are used in very different operating environments and applications. The main objective of the research was to provide information on methods, i.e. how in-verter's operating condition can be measured reliably under field conditions. At first, the research focused on critical components such as current transducers, IGBTs and DC link capacitor bank, because these aging have already been identified. Of these, the DC link capacitor measurement method was selected for closer examination. With this method, the total capacitance and its total series resistance can be measured. The suitability of the measuring procedure was estimated on the basis of practical measurements. The research was made by using so called triangulation method, including a literature review, simulations and practical measurements. Based on the results, the new measu-rement method seems suitable with some reservations to practical measurements. How-ever, the measuring method should be further developed in order to improve its reliability.

Taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö

Tämä insinöörityö tehtiin ABB Oy, Drivesin Product AC -tulosyksikön tuotekehitysosastolle Helsingissä. Työssä kehitettiin taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö. ABB:n taajuusmuuttajien suorituskykytestejä ei ole aikaisemmin automatisoitu. Testit on tehty käsin ja niiden suorittamiseen ja tulosten käsittelyyn on kulunut paljon aikaa. Automaattisella testauksella pyrittiin testien suorittamiseen ja tulosten käsittelyyn kuluvan ajan huomattavaan pienentymiseen. Työssä ei ollut tarkoituksena tehdä suorituskykytestejä vaan kehittää automaattinen testausympäristö eli suorituskykytestipenkki, jossa suorituskykytestit on mahdollista suorittaa. Työssä keskityttiin taajuusmuuttajan nopeus- ja momenttisäätäjien suorituskykyyn. Työ toteutettiin suunnittelu- ja ohjelmointityönä. Testausympäristön laitteisto perustuu ABB:n tuotekehityslaboratorioiden olemassaoleviin testipaikkoihin. Testausympäristössä käytetään taajuusmuuttajien lisäksi pääasiassa kolmivaiheisia oikosulkumoottoreita. Lisäksi laitteistoon kuuluu ACS800-sarjan taajuusmuuttaja kuormakäyttönä, momenttianturi ja takometri eli kierrosnopeusmittari. Ohjelmointi tehtiin National Instrumentsin LabVIEW-ohjelmointiympäristön versiolla 8.0. Testausympäristön käyttöliittymänä toimii saman yrityksen TestStand-testausohjelmiston versio 3.5. Testattavien taajuusmuuttajien ohjausta ja momenttianturin lukemista varten ohjelmoitiin virtuaali-instrumentteja. Virtuaali-instrumentteja kutsutaan TestStand-testisekvensseistä. Testisekvenssit luodaan TestStandin sekvenssieditorilla ja suoritetaan sekvenssieditorissa tai operaattorin käyttöliittymässä. Työn tuloksena syntyi taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö. Testausympäristöä voidaan hyödyntää sekä nykyisen että seuraavan sukupolven taajuusmuuttajien testauksessa. Sillä on mahdollista suorittaa yleisimmät taajuusmuuttajien suorituskykytestit, kuten nopeus- ja momenttisäätöjen staattinen ja dynaaminen tarkkuus, hyvin kattavasti. Testit voidaan automaattisesti suorittaa koko testikäytön sallimalla pyörimisnopeus- ja kuormitusalueella. Näytteenottotaajuus voi olla enintään 1 kHz luettaessa pyörimisnopeutta ACS800-sarjan taajuusmuuttajan kautta ja momenttianturia samanaikaisesti. Virtuaali-instrumenteista koostuvia testisekvenssejä voidaan vapaasti muokata ja kehittää testejä edelleen tai luoda kokonaan uusia testejä. Testausympäristö perustuu teollisuudessa yleisesti käytettyihin ohjelmistoihin ja tarjoaa hyvät mahdollisuudet jatkokehitykselle.

Taajuusmuuttajan ohjelmiston testaus

Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää menetelmiä ja ohjeitataajuusmuuttajan sulautetun ohjelmiston kehityksen aikaiseen testaukseen. Soveltuvia menetelmiä etsittiin tutkimalla laajasti kirjallisuutta sekä selvittämälläyrityksen testauskäytäntöä. Tutkittuja kirjallisuudesta löytyneitä menetelmä olivat testauskehykset, simulointi ja staattinen sekä automaattinen testaus. Kirjallisuudesta etsittiin myös menetelmiä, joiden avulla testausprosessia voidaan helpottaa tai muuten parantaa. Tällaisista menetelmistä tutkittiin muun muassa testidatan valintaa, testauslähtöistä kehitystä sekä testattavuuden parantamista. Lisäksi selvitettiin uudelleenkäytettävien testien ohjelmointiin soveltuvia ohjelmointikieliä. Haastatteluiden ja dokumentaation avulla saatiin hyvä käsitys yrityksessä vallitsevasta testauskäytännöstä sekä sen ongelmakohdista. Testauksen ongelmiksi havaittiin testausprosessin järjestelmällisyyden puute sekä tarve suunnittelijoiden testauskoulutukseen. Testausprosessin parantamiseksi esitetään moduulitestauskehyksen käyttöönottoa. Lisäksi suunnittelijoiden testauskoulutuksella arvioidaan olevan suuri vaikutus koko testausprosessiin. Testitapausten suunnitteluun esitetään menetelmiä, joiden avulla voidaan suunnitella kattavampia testejä.

Taajuusmuuttajiakoskevat EMC-standardit

Taajuusmuuttajat aiheuttavat toimintansa seurauksena runsaasti laajakaistaisia sähkömagneettisia häiriöitä. Häiriöt etenevät sekä johtumalla että säteilemällä ja ne ovat seurausta pääasiassa taajuusmuuttajien toimintaan perustuvista nopeista kytkentäilmiöistä sekä puolijohdekomponenttien epälineaarisuuksista. Sähkömagneettisille häiriöille määritellään suurimmat sallitut tasot useissa EMC-standardeissa. Taajuusmuuttajia koskevia EMC-standardia on neljä; tuotestandardi EN 61800-3, harmonisia virtoja pienjänniteverkoissa käsittelevä EN 61000-3-12 sekä yleiset standardit EN 61000-6-1, -6-2 ja EN 61000-6-3, -6-4. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia ja koota yhteen edellä mainittujen standardien sisältämät vaatimukset. Työn pääpaino on kohdistettu häiriöpäästöille asetettuihin vaatimuksiin, sillä häiriöiden sietoon liittyvien vaatimusten täyttäminen ei taajuusmuuttajien kohdalla yleensä tuota ongelmia.

Katalysaattorin valmistuksen benchmarking

Työn tarkoituksena oli selvittää kilpailullisen benchmarkingin avulla Ecocat Oy:n käyttämien katalysaattoreiden valmistusmenetelmien suhdetta kilpailijoiden käyttämiin valmistusmenetelmiin, sekä tehdä benchmarking-tiedon pohjalta johtopäätöksiä ja ehdotuksia valmistusmenetelmien kehittämisestä. Tutkimuksen runkonatoimi benchmarking-prosessimalli, joka oli yhdistelmä kolmesta työn teoriaosassa esitellystä benchmarking-prosessimallista. Tiedon keruu benchmarkingia varten tapahtui käyttämällä hyväksi julkisten lähteiden lisäksi yrityksen sisäisiä tietolähteitä ja yrityksen ulkopuolisia kontakteja. Kerätyn tiedon pohjalta laadittiin kuvaukset Ecocatin ja sen kilpailijoiden käyttämistä valmistusmenetelmistä, tuotteista ja kustannuksista. Laadittujen kuvausten pohjalta suoritettiin vertailua menetelmien, tuotteiden ja kustannusten kesken. Tutkimuksessa havaittiin että Ecocatin käyttämät valmistusmenetelmät ovat kilpailukykyisiäja hyvin samankaltaisia kuin kilpailijoilla. Valmistusmenetelmien kehitysehdotusten tekemiseen kilpailullinen benchmarking antoi niukasti tietoa. Menetelmien kehittämiseen soveltuisikin paremmin jokin toinen benchmarking-tekniikka ja avoimempi benchmarking-yhteistyö.

Nosturin tehonsyöttö rinnankytketyillä verkkovaihtosuuntaajilla

Taajuusmuuttajaohjatuissa nosturikäytöissä taakkaa laskettaessa syntyvä energia on muutettava lämmöksi jarruvastuksissa tai syötettävä takaisin sähköverkkoon esimerkiksi verkkovaihtosuuntaajalla. Verkkovaihtosuuntaajaa on tyypillisesti käytetty suurissa satamanostureissa, joiden tehontarve on yli 1000 kW. Työssä tutkitaan useista yhteiseen välipiiriin rinnankytketyistä nimellisteholtaan 250 kW:n verkkovaihtosuuntaajista koostuvan verkkoonjarrutuslaitteiston soveltuvuutta nosturikäyttöön. Lisäksi johdetaan yhtälöt verkkoonjarrutuslaitteiston virran laskemiseksi, kun nosturin mekaaniset arvot tunnetaan. Viidestä erityyppisestä nosturista esitellään esimerkkitoteutus rinnankytketyillä verkkovaihtosuuntaajilla. Aiemmin vastusjarruttavina toteutettujen nostureiden kustannuksia verrataan verkkovaihtosuuntaajilla toteutettuihin ratkaisuihin. Esimerkkinostureista esitetään nosturin työsykliin perustuva arvio verkkoonjarrutuksen tuomasta energian säästöstä. Tehtyjen mittausten perusteella käytetty menetelmä verkkovaihtosuuntaajien rinnan kytkemiseksi osoittautui nosturikäytössä toimivaksi. Kustannuslaskelmien perusteella verkkovaihtosuuntaajalla toteutetusta nosturista tulee materiaalikustannuksiltaan vastusjarruttavaa kalliimpi, vaikka paljon tilaa vievät vastuskaapit voidaankin jättää pois.

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.

Sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan ohjauksen toteutus FPGA-piireillä

Tässä diplomityössä tutustutaan sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan rakenteeseen ja ohjaukseen. Työssä tarkastellaan myös hajautetun järjestelmän testaamista ja ohjelmointia. Työssä toteutettiin sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan modulaattori hajautetusti FPGA-piireille. Lisäksi diplomityössä kehitettiin ja toteutettiin optinen JTAG-rajapinta hajautetun järjestelmän testaukseen ja ohjelmointiin. Laboratoriokoelaitteisto koostui yhdeksästä taajuusmuuttajan ohjauskortista, LUT Master -ohjausyksiköstä ja dSPACE-ohjausjärjestelmästä. Laboratoriomittaukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Säätötekniikan laboratoriossa.