Design and testing of an armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator for island operation

At present, permanent magnet synchronous generators (PMSGs) are of great interest. Since they do not have electrical excitation losses, the highly efficient, lightweight and compact PMSGs equipped with damper windings work perfectly when connected to a network. However, in island operation, the generator (or parallel generators) alone is responsible for the building up of the network and maintaining its voltage and reactive power level. Thus, in island operation, a PMSG faces very tight constraints, which are difficult to meet, because the flux produced by the permanent magnets (PMs) is constant and the voltage of the generator cannot be controlled. Traditional electrically excited synchronous generators (EESGs) can easily meet these constraints, because the field winding current is controllable. The main drawback of the conventional EESG is the relatively high excitation loss. This doctoral thesis presents a study of an alternative solution termed as a hybrid excitation synchronous generator (HESG). HESGs are a special class of electrical machines, where the total rotor current linkage is produced by the simultaneous action of two different excitation sources: the electrical and permanent magnet (PM) excitation. An overview of the existing HESGs is given. Several HESGs are introduced and compared with the conventional EESG from technical and economic points of view. In the study, the armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator with alternated current linkages (ARC-PMSG with ACL) showed a better performance than the other options. Therefore, this machine type is studied in more detail. An electromagnetic design and a thermal analysis are presented. To verify the operation principle and the electromagnetic design, a down-sized prototype of 69 kVA apparent power was built. The experimental results are demonstrated and compared with the predicted ones. A prerequisite for an ARC-PMSG with ACL is an even number of pole pairs (p = 2, 4, 6, …) in the machine. Naturally, the HESG technology is not limited to even-pole-pair machines. However, the analysis of machines with p = 3, 5, 7, … becomes more complicated, especially if analytical tools are used, and is outside the scope of this thesis. The contribution of this study is to propose a solution where an ARC-PMSG replaces an EESG in electrical power generation while meeting all the requirements set for generators given for instance by ship classification societies, particularly as regards island operation. The maximum power level when applying the technology studied here is mainly limited by the economy of the machine. The larger the machine is, the smaller is the efficiency benefit. However, it seems that machines up to ten megawatts of power could benefit from the technology. However, in low-power applications, for instance in the 500 kW range, the efficiency increase can be significant.

Energy-efficient control strategies for variable speed driven parallel pumping systems based on pump operation point monitoring with frequency converters

The pumping processes requiring wide range of flow are often equipped with parallelconnected centrifugal pumps. In parallel pumping systems, the use of variable speed control allows that the required output for the process can be delivered with a varying number of operated pump units and selected rotational speed references. However, the optimization of the parallel-connected rotational speed controlled pump units often requires adaptive modelling of both parallel pump characteristics and the surrounding system in varying operation conditions. The available information required for the system modelling in typical parallel pumping applications such as waste water treatment and various cooling and water delivery pumping tasks can be limited, and the lack of real-time operation point monitoring often sets limits for accurate energy efficiency optimization. Hence, alternatives for easily implementable control strategies which can be adopted with minimum system data are necessary. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the energy efficient use of variable speed controlled parallel pumps in system scenarios in which the parallel pump units consist of a centrifugal pump, an electric motor, and a frequency converter. Firstly, the suitable operation conditions for variable speed controlled parallel pumps are studied. Secondly, methods for determining the output of each parallel pump unit using characteristic curve-based operation point estimation with frequency converter are discussed. Thirdly, the implementation of the control strategy based on real-time pump operation point estimation and sub-optimization of each parallel pump unit is studied. The findings of the thesis support the idea that the energy efficiency of the pumping can be increased without the installation of new, more efficient components in the systems by simply adopting suitable control strategies. An easily implementable and adaptive control strategy for variable speed controlled parallel pumping systems can be created by utilizing the pump operation point estimation available in modern frequency converters. Hence, additional real-time flow metering, start-up measurements, and detailed system model are unnecessary, and the pumping task can be fulfilled by determining a speed reference for each parallel-pump unit which suggests the energy efficient operation of the pumping system.

Microcracks and Vortices in Superconducting Thin Films

In this work, superconducting YBa₂ Cu₃O_6+x (YBCO) thin films have been studied with the experimental focus on the anisotropy of BaZrO₃ (BZO) doped YBCOthin films and the theoretical focus on modelling flux pinning by numerically solving Ginzburg- Landau equations. Also, the structural properties of undoped YBCO thin films grown on NdGaO₃ (NGO) and MgO substrates were investigated. The thin film samples were made by pulsed laser ablation on single crystal substrates. The structural properties of the thin films were characterized by X-ray diffraction and atomic force microscope measurements. The superconducting properties were investigated with a magnetometer and also with transport measurements in pulsed magnetic field up to 30 T. Flux pinning was modelled by restricting the value of the order parameter inside the columnar pinning sites and then solving the Ginzburg-Landau equations numerically with the restrictions in place. The computations were done with a parallel code on a supercomputer. The YBCO thin films were seen to develop microcracks when grown on NGO or MgO substrates. The microcrack formation was connected to the structure of the YBCO thin films in both cases. Additionally, the microcracks can be avoided by careful optimization of the deposition parameters and the film thickness. The BZO doping of the YBCO thin films was seen to decrease the effective electron mass anisotropy, which was seen by fitting the Blatter scaling to the angle dependence of the upper critical field. The Ginzburg-Landau simulations were able to reproduce the measured magnetic field dependence of the critical current density for BZO doped and undoped YBCO. The simulations showed that in addition to the large density also the large size of the BZO nanorods is a key factor behind the change in the power law behaviour between BZO doped and undoped YBCO. Additionally, the Ginzburg-Landau equations were solved for type I thin films where giant vortices were seen to appear depending on the film thickness. The simulations predicted that singly quantized vortices are stable in type I films up to quite large thicknesses and that the size of the vortices increases with decreasing film thickness, in a way that is similar to the behaviour of the interaction length of Pearl vortices.

The effects of congestion in the daily management of a trauma hospital

Today’s healthcare organizations are under constant pressure for change, as hospitals should be able to offer their patients the best possible medical care with limited resources and, at the same time, to retain steady efficiency level in their operation. This is challenging, especially in trauma hospitals, in which the variation in the patient cases and volumes is relatively high. Furthermore, the trauma patient's care requires plenty of resources as most the patients have to be treated as single cases. Occasionally, the sudden increases in demand causes congestion in the operations of the hospital, which in Töölö hospital appears as an increase in the surgery waiting times within the yellow urgency class patients. An increase in the surgery waiting times may cause the diminution of the patient's condition, which also raises the surgery risks. The congestion itself causes overloading of the hospital capacity and staff. The aim of this master’s thesis is to introduce the factors contributing to the trauma process, and to examine the correlation between the different variables and the lengthened surgery waiting times. The results of this study are based on a three-year patient data and different quantitative analysis. Based on the analysis, a daily usable indicator was created in order to support the decision making in the operations management. By using the selected indicator, the effects of congestion can be acknowledged and the corrective action can also be taken more proactively.

Social-business tensions and their management in social enterprise: evidence from Finland.

This thesis aims to provide insight into the social-business tensions the social enterprises face in their operation and how they manage them. The social-business tensions are examined from four theoretical perspectives using triangulation approach. The theoretical lenses chosen are organizational identity, stakeholder theory, paradox theory and institutional theory. The theories aim to clarify, how the tensions are formed, how they appear and how they are managed in social enterprises. One viewpoint of this thesis is to examine the competence of these theories in explaining the social-business tensions in practise. The qualitative data was collected by interviewing persons from the management of two social enterprises. The empirical evidence of this thesis suggests that the appearing of social-business tensions varies between the social enterprises and they can be seen both as an advantage and as a challenge. Most of the social-business tensions arise from the enterprise’s multiple incoherent objectives, their stakeholders’ various demands and the differing understanding of the company’s central operation among the members of the organization. According to this thesis, the theories of organizational identity, stakeholder, paradox and institution are all able to provide unique insight into the identification and management of the social-business tensions. However, the paradox theory turned out to be the most abstract of the theories and thus being the farthest from the practise.

Nuorten mielikuvat Suomen Kansallisteatterista

This thesis is about young people's views and mental images of the Finnish National Theatre (FNT). Research was needed into the views of young people about the FNT. The results would also be useful for FNT's marketing operations. The research was executed as a qualitative interview (based on a structured questionnaire) among 16 young people in January and February 2006. Four different high schools were involved: Ressun Lukio, Mäkelänrinteen Lukio, Kallion Lukio and Helsingin Kaupungin Kuvataidelukio (which together represented art-oriented high schools) and Vuosaaren Lukio. From each high school two boys and two girls were selected for interview. FNT's marketing director was also interviewed. The questions for the interview were formulated in co-operation with the FNT. The structural questionnaire was basically broken down into three different sections. The first section concentrated on the interviewee's hobbies and his/her past and present relationship to theatre. The second section consisted of questions about his/her views on the FNT. There were different sets of questions regarding whether or not the interviewee had visited the FNT. The last section was about the interviewee's use of media. This thesis focuses on the second section of questions. The answers revealed that, out of the group of sixteen, all but one had visited the FNT. Most of them saw the FNT as a traditional and valuable institution which is easier to approach than Finnish National Opera. Eleven of the interviewees reported that the main reason for their visit was a school project, and that without it they probably wouldn't have gone to the FNT at all. The thesis contemplates co-operation between the FNT and schools, and the meaning of art education for children's and young people's positive cultural development.

Koneistuksen kannattavuus ostaa-valmistaa päätöksentekotilanteessa

Työn tavoitteena oli tutkia kohdeyrityksen oman koneistuksen tämän hetkistä kannattavuutta ostaa-valmistaa päätöksentekotilanteessa. Tarkoituksena oli löytää edullisin menetelmä hankkia yrityksen tarvitsemat koneistetut osat. Työssä selvitettiin oman koneistuksen aiheuttamat vuotuiset kustannukset, ulkoa ostettavan koneistuksen kustannukset sekä muille yrityksille myytävän alihankinnan tuomat tulot yritykselle. Työn lopussa on verrattu eri vaihtoehtojen vuotuisia kokonaiskustannuksia, joista perustellen valittiin kyseisen yrityksen toimintaan parhaiten soveltuva koneistettavien tuotteiden hankintamalli.Toimintamalleissa, missä yritykselle syntyy uutta liiketoimintaa, on kyseisen toiminnan osalta otettu huomioon yrityksen johdon asettama myyntikatetavoite. Työn lopputulemana on joko yrityksen koneistuksen jatkaminen entisellään, koneistustoiminnan laajentaminen tai koneistuksen täydellinen tai osittainen ulkoistaminen. Koneistusta on tarkasteltu tässä työssä kokonaisuutena.

Kulutusosapalvelun hinnoittelumallin kehittäminen

Tämä diplomityö käsittelee paperikoneiden kulutusosapalvelua tarjoavan yrityksen hinnoittelumallin kehittämistä haastavassa toimintaympäristössä, jossa kilpailu on kiristynyt ja asiakkaat ovat muuttuneet entistä hintatietoisemmiksi. Työn tavoitteena on kehittää kulutusosapalvelulle hinnoittelumalli ja pohtia ¤/tuotettu paperitonni (¤/tonni)-hinnoittelun soveltuvuutta paperikoneiden kulutusosapalvelua toimittaville yrityksille. ¤/tonni-hinnoittelussalähtökohta on asiakkaalle tuotettu hyöty; kuinka paljon paperia kulutusosilla pystytään tuottamaan. ¤/tonni-hinnoittelua tarkastellaan tarkemmin esimerkkiasiakkaiden avulla, joiden tehtailla toimintatavat kulutusosapalveluun liittyen vaihtelevat. Tavoitteena on selvittää kulutusosapalvelun ¤/tonni-kustannukset eri toimintatavoissa kulutusosapalveluita tarjoavan yrityksen sekä asiakkaan näkökulmasta. Työssä selvitetään kuinka eri toimintatapojen ja asiakkaiden kannattavuus vaihtelee kulutusosapalveluita tarjoavan yrityksen kannalta, jamikä toimintamalli on edullisin asiakkaan kannalta. Kehitettävän hinnoittelumallin avulla analysoidaan, kuinka paljon hyötyä kulutusosapalveluita tarjoava yritys tarjoaa asiakkailleen palveluillaan. Kulutusosapalvelu jaetaan kolmeen selvitettävään kustannuskomponenttiin; kulutusosa-, logistiikka- ja laadun puutekustannuksiin. Työn teoreettinen osa koostuu kirjallisuustutkimuksesta liittyen hinnoitteluun, hinnoittelumalleihin ja hinnoittelusopimuksiin. Työnempiirinen osa perustuu haastatteluihin ja sisäisten tietojärjestelmien tietoihin. Kirjallisuustutkimuksen, haastattelujen ja kohdeyrityksen sisäisen materiaalin avulla mallinnetaan loogismatemaattisesti taulukkolaskentasovellus, ¤/tonni-hinnoittelumalli. Työn keskeiset tulokset liittyvät siihen, mitä asioita tulee huomioida ¤/tonni-hinnoittelusopimusta asiakkaan kanssa tehtäessä, miten ¤/tonni-kustannukset vaihtelevat eri toimintavoissa ja kuinka hinnoittelumallin kehittämistä kannattaa edelleen jatkaa.

Johdon laskentajärjestelmän suunnittelu ja toimintoperusteisen laskennan käyttöönotto tietojärjestelmähankkeen yhteydessä

Tutkimus on tehty keskisuomalaiselle pk-yritykselle vuosien 2003-2005 aikana. Tutkimusjaksolla kohdeyrityksessä on toteutettu lukuisia mittavia muutoksia ja merkittävä investointiohjelma. Tutkimuksen kannalta oleellisin muutos on ollut yrityksen tietojärjestelmien kokonaisvaltainen uudistaminen. Vanha tuotannonohjausjärjestelmä on korvattu uudella toiminnanohjausjärjestelmällä ja myös taloudenohjausjärjestelmät on uudistettu. Tutkimuksen tavoitteena on ollut laatia kokonaisvaltainen suunnitelma johdon laskentajärjestelmien kehittämiseksi ja selvittää erityisesti toimintolaskentajärjestelmän sekä suorituskyvyn mittaus- ja analysointijärjestelmän implementoinnin edellytyksiä tutkimuksen kohdeyrityksessä ja laatia konkreettinen esitys järjestelmien rakentamiseksi. Johdon laskentajärjestelmän kokonaissuunnitelmassa tarkoituksena on laatia laskentajärjestelmän loogisten elementtien kuvauksen lisäksi esitys tarvittavista sovelluksista sekä tutkia sovellusten välisiä fyysisiä rajapintoja ja suunnitella järjestelmäintegraatio siten, että johdon laskentajärjestelmän koko naissuunnitelma on mahdollista taloudellisesti toteuttaa. Tutkimuksen tavoitteena on lisäksi ollut selvittääyrityksen toimintojen kustannukset ja tuoteryhmien kannattavuudet sekä rakentaasuorituskyvyn mittaus- ja analysointijärjestelmä SAKE prosessi-malliinperustuen. Lisäksi tutkimuksen puitteissa on rakennettu erilaisia liiketoimintaa tukevia raportteja erilaisilla kehitysvälineillä. Tutkimukselle asetetut sisällölliset tavoitteet saavutettiin pääpiirteissään. Jatkuvatoimisten ja integroitujen toimintolaskentajärjestelmän sekä suorituskyvyn mittaus- ja analysointijärjestelmän rakentaminen osoittautui tutkimuksen aikana haastavaksi, joskaan ei mahdottomaksi tehtäväksi. Järjestelmien rakennustyö jatkuu tutkimuksessa esitettyihin ajatuksiin perustuen yhteistyössä ohjelmistotoimittajan kanssa edelleen ja järjestelmät valmistunevat vuosien 2005-2006 aikana.

Öljytuotteiden ja maakaasun myyntitilastotietokannan kehittäminen

Diplomityössä on tutkittu ja tarkasteltu Öljy- ja Kaasualan Keskusliiton käytössä olevaa myyntitietokantaa,joka sisältää Suomessa toimivien öljy- ja kaasualan toimijoiden volyymit. Tarkastelun alla ovat olleet tietokannan nykyiset käytön aikana ilmenneet puutteet, sekä mandolliset tulevaisuuden tarpeet. Kehitystyö on suoritettu tiiviissä yhteistyössä Öljy- ja Kaasualan Keskusliiton sekä asiaa koskevien öljyalanyhtiöiden kanssa. Näin on saatu poistettua useita tietokannan toimintaa rajoittavia tekijöitä ja nykyisin tarpeettomia toimintoja sekä lisättyä monia uusia ominaisuuksia olemassa olevaan tietokantaan.

Suomen PK -rakennusyritysten kilpailukyky

Tutkimuksen tavoitteena on tutkia Suomen PK -rakennusyritysten kilpailukykyä yleensä sekä antaa parannusehdotuksia rakennusalan kansallisen kilpailukyvyn parantamiseksi. Tutkimusaineisto on koottu sekä kirjallisuustutkimuksena että tekemällä haastattelututkimus Rakennusteollisuus RT ry:n talonrakennusjaoston jäsenyritysten omistajille. Saatuja tuloksia on syvennetty Rakennusteollisuus RT ry:n talonrakennusjaoston jäsenyritysten kehitysjohtajille suunnatuilla workshop -menettelyllä. Tutkimuksessa esitetyt mallit pyrkivät löytämään tekijöitä, joiden avulla kilpailukyky olisi selkeästi määriteltävissä. Measuring Construction Competitiveness in Selected Countries -tutkimuksen luoma kilpailukykykuutio ja sen käyttäminen tässä tutkimuksessa muodostavat kilpailukyvyn osa-alueiden käsittelytavalle tutkimuksessa käytetyn viitekehyksen. Tutkimuksessa esitettyjen kilpailukykyä vahvistavien tekijöiden huomattiin siirtyneen puhtaasta sopimuksenhallinnasta alueellista yhteistyötä rakentamisen osapuolien välillä korostavaan suuntaan. Rakentaminen halutaan nähdä useiden toimijoiden sopuisana suorituksena, missä yhdessä sopimisella on keskeinen merkitys. Suomen PK -rakennusyritysten kilpailukyvyn parantamiseen tähtääviä toimenpide-ehdotuksia olivat rakennusalan eri toimijoiden verkottuminen sekä yrityksen henkilöresurssien motivointi.

Sisäisten tarkastajien ja tilintarkastajien välinen yhteistoiminta Suomessa

Tutkimuksen tavoitteena on ensin selvittää, kuinka ulkoisenja sisäisen tar-kastuksen välisen rajapinnan pitäisi lähdeaineiston perusteellateoriassa muodostua. Teoreettisen viitekehyksen muodostamisen jälkeen tutkimuk-sen empiirisessä osassa pyritään lähdeaineistoon perustuvan kyselytutki-muksen avulla muodostamaan käsitys siitä, millaiseksi sisäisen ja ulkoisen tarkastuksen välinen rajapinta käytännössä muodostuu. Tutkimuksen em-piirinen osa toteutettiin kyselylomakkeella, joka lähetettiin 60 suomalaisen yrityksen sisäisen tarkastuksen päällikölle ja päävastuulliselle tilintarkasta-jalle. Sisäisten ja ulkoisten tarkastajien mielipide-erojen tilastollinen mer-kitsevyys testattiin parillisten vastausten t-testillä. Tutkimustulokset osoittavat, että tarkastajien välilläon yhteistyötä ja että he koordinoivat työtään jonkin verran. Parhaiten koordinointitoimenpiteet onnistuvat päällekkäisen työn ehkäisemissä. Jos ja kun osapuolet ovat yh-teistyössä, tapahtuu se yleensä tilintarkastajien aloitteesta; tilintarkastajat päättävät missä ja milloin yhteistyö tapahtuu. Yhteistyön ja koordinaation lisäämiselle on siis paljon tilaa. Rohkaisevaa kuitenkin on, että vastausten perusteella yhteistyö on viime vuosina lisääntynyt.

Kulttuurierot kaksoiskaupunkiyhteistyössä Case: Imatra-Svetogorsk

The primary target of this study is to examine what kind of cultural differences have been noticed in co-operation concerning twin-city of Finnish town Imatra and Russian town Svetogorsk. The secondary purpose of the study is to analyse influences of cultural differences on leadership in this twin-city project and it's realizing. The case study has been carried out by qualitative research method. The research material has been gathered mainly by interviews. The results of the study show that cultural differences in twin-city co-operation are most clearly associated with the culture of the administration, attitude towards relations, communication style and the meaning of planning and time. The results also show that it has been realized both in Imatra and in Svetogorsk, that culture is a significant factor when people work together. Although its influence on leadership has not been analysed completely. The activities are mostly guided by common goals.

Validation Studies of Thermal-hydraulic Code for Safety Analysis of Nuclear Power Plants

This thesis gives an overview of the validation process for thermal hydraulic system codes and it presents in more detail the assessment and validation of the French code CATHARE for VVER calculations. Three assessment cases are presented: loop seal clearing, core reflooding and flow in a horizontal steam generator. The experience gained during these assessment and validation calculations has been used to analyze the behavior of the horizontal steam generator and the natural circulation in the geometry of the Loviisa nuclear power plant. The cases presented are not exhaustive, but they give a good overview of the work performed by the personnel of Lappeenranta University of Technology (LUT). Large part of the work has been performed in co-operation with the CATHARE-team in Grenoble, France. The design of a Russian type pressurized water reactor, VVER, differs from that of a Western-type PWR. Most of thermal-hydraulic system codes are validated only for the Western-type PWRs. Thus, the codes should be assessed and validated also for VVER design in order to establish any weaknesses in the models. This information is needed before codes can be used for the safety analysis. Theresults of the assessment and validation calculations presented here show that the CATHARE code can be used also for the thermal-hydraulic safety studies for VVER type plants. However, some areas have been indicated which need to be reassessed after further experimental data become available. These areas are mostly connected to the horizontal stem generators, like condensation and phase separation in primary side tubes. The work presented in this thesis covers a large numberof the phenomena included in the CSNI code validation matrices for small and intermediate leaks and for transients. Also some of the phenomena included in the matrix for large break LOCAs are covered. The matrices for code validation for VVER applications should be used when future experimental programs are planned for code validation.

Toimintojärjestelmän rakentaminen. Laatu- ja ympäristöjärjestelmän rakentaminen kuljetusyritykselle ja sen tytäryhtiöille

Tämän työn tavoitteena oli helpottaa kuljetusyrityksiä toimintajärjestelmän rakentamisessa. Yrityksen toiminnan jatkuva parantaminen ja kehitystyö tehtiin huomioiden sekä talous- että ympäristötekijät. Työssä perehdyttiin laatu- ja ympäristökäsitteiden kirjallisuuteen ja niitä koskeviin lakeihin. Malli pohjautuu ISO 9001 ja ISO 14001 standardeihin. Malli toimintajärjestelmän rakentamiseksi on suunniteltu yleisohjeeksi erilaisille ja erikokoisille kuljetusyrityksille. Ei ole olemassa vain yhtä oikeaa tapaa rakentaa toimintajärjestelmä, vaan jokainen yritys rakentaa oman järjestelmän yrityksen toimintaympäristöstä ja kulttuurista riippuen. Yrityksen johdon täydellinen sitoutuminen järjestelmän rakentamiseen on ehdoton edellytys työyhteisön jäsenten sitoutumiselle uuteen toimintamalliin. Järjestelmään sisältyvät yrityksen taustatiedot ja toiminta-ajatus sekä laatu- ja ympäristöpolitiikka. Oleelliset prosessit on myös kuvattava sekä ympäristöasiat suunniteltava. Lisäksi yritysten organisaatiot on kuvattava sekä johdon katselmukset, resurssit, auditoinnit, mittaaminen, poikkeamien hallinta että jatkuva parantaminen on selvitettävä. Järjestelmän rakentamisen jälkeen suurimman haasteen muodostaa henkilöstön asenteiden ja toimintatavan muuttaminen kouluttamisen avulla. Koulutuksessa täytyy huomioida kaikki yrityksen henkilöstöryhmät. Sekä sisäisillä että ulkoisilla auditoinneilla valvotaan jatkuvaa toiminnan oikeellisuutta. Kilpailukykyyn vaikuttava järjestelmän sertifioinnin määräaikaisuus asettaa henkilöstölle motivaation jatkuvaan parantamiseen ja toiminnan kehittämiseen.