Päästökauppa ja sen vaikutukset Suomen terästeollisuuteen

Tässä työssä tavoitteena oli selvittää päästökaupan vaikutuksia Rautaruukin toimintaan ja kilpailukykyyn. Työssä tarkasteltiin tarkemmin Euroopan Yhteisöjen komission esittämää ehdotusta Euroopan Unionin laajuisesta päästökauppajärjestelmästä. Työssä selvitettiin Rautaruukin Raahen ja Koverharin terästehtaiden jo tehtyjen toimien vaikutus hiilidioksidipäästöihin sekä tulevaisuuden päästövähennysmahdollisuudet huomioiden eri päästöskenaariovaihtoehdot. Rautaruukki on saavuttanut tehdyillä toimenpiteillä huomattavia hiilidioksidipäästöjen vähenemiä. Ilman vuosien 1990-2001 välisenä aikana tehtyjä toimia olisivat hiilidioksidi-päästöt vuonna 2001 olleet noin 1 Mt suuremmat kuin ne todellisuudessa olivat. Myös tuulevaisuudessa Rautaruukilla on mahdollisuus vaikuttaa hiilidioksidipäästöihin. Laskelmien mukaan tunnistetuilla toimilla saavutettavat päästövähenemät vuonna 2005 voisivat olla noin 930 000 t ja vuonna 2008 960 00 t. Kuitenkin osa toimista on pitkäntähtäimen toimia, joiden toteuttaminen on vielä hyvin epätodennäköistä. Lisäksi toimien kustannuksista ei ole vielä tarkkaa tietoa. Päästökauppadirektiiviehdotuksen alkujaon merkitystä Rautaruukille on arvioitu vertailemalla eri alkujakovaihtoehtoja. Laskennassa on oletettu, että päästöoikeuksien ensimmäinen alkujako on ilmainen, jolloin kaikki vuoden 1990 päästöt saadaan ilmaiseksi. Näin Ollen vuonna 2005 kymmenen euron päästöoikeuden hinnalla tulee vuosittaiseksi kustannuksiksi noin 16 miljoonaa euroa. Toisella velvoitekaudella 90 % päästöoikeuksista jaetaan ilmaiseksi ja 10 % joudutaan ostamaan. Näin ollen vuonna 2008 kustannukset olisivat noin 69 miljoonaa euroa. Vastaavasti, jos huomioidaan tulevaisuuden investoinneilla saavutettavissa olevat hiilidioksidipäästöjen vähenemät, ovat kustannukset vuonna 2005 noin seitsemän miljoonaa euroa ja vuonna 2008 noin 59 miljoonaa euroa.

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.

Puhelunohjaus Internetissä

Puhelunohjaus Internetissä ei sido käyttäjää tiettyyn paikkaan tai päätelaitteeseen. Käyttäjä voidaan paikantaa ja kommunikointi hänen kanssaan on mahdollista yhdistelemällä perinteisen puhelinverkon ja Internetin palveluita. Käyttäjä voi itse valita haluamansa palvelut aina tarpeensa mukaan. Tämä diplomityö esittelee Internet-puhelunohjauksen arkkitehtuurin ja tämän toteutuksen. Arkkitehtuurin perusosat kuvataan ja toteutuksen toimivuutta arvioidaan. Internet-puhelunohjaukseen liittyvät Internet-standardit esitellään ja niiden sopivuutta puhelunohjaukseen pohditaan. Aiheeseen liittyviä vaihtoehtoisia standardeja ja menetelmiä puhelunohjaukseen vertaillaan. Lisäksi työssä tutkitaan Necsom Oy:n Media Switch-reitittimen sopivuutta puhelunohjauksen laitealustaksi. Puhelunohjauksen arkkitehtuuri Internetissä mahdollistaa istuntojen muodostamisen ja ohjaamisen käyttäjäkohtaisen osoitteen perusteella. Muuta tietoa käyttäjästä ei tarvita istunnon aloitusvaiheessa. Työssä toteutettu puhelunohjausjärjestelmä on tehty Necsom Oy:n ja Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun yhteishankkeena. Toteutuksesta saatujen tulosten perusteella Internet-puhelunohjaus on käyttökelpoinen tuotantokäytössä nyt ja tulevaisuudessa.

Teollisuussuodattimen kehikon hitsauskiinnittimen suunnittelu robottihitsausasemaan Larox Oy:lle

The purpose of this work is to support the company in the designing of a welding clamp and to switch partly from manual welding to automatic welding. The product is a stainless steel frame of an industrial filter. This work includes the theory and the case sections. The theory covers the half of the work and studies significant aspects of designing of a welding clamp. The case reveals few models for a welding clamp for the company's needs. The study of the initial conditions and possible changes to existing product line are also included.

Tehokerrointa korjaava skalaariohjaus puoliohjatussa ja kuusikytkintasasuuntaajassa

Verkon harmonisvirtoja rajoittavien standardien tiukentuessa joudutaan etenkin suuritehoisissa tehoelektronisissa laitteissa siirtymään aktiivisiin transistoriohjattuihin tasasuuntaajiin, jotka korjaavat tehokerrointa ja siten pienentävät verkkoon kytkeytyviä häiriövirtoja. Tässä diplomityössä esitellään yleisimpien kolmivaiheisten tasasuuntaajatopologioiden eroja ja vertaillaan puoliohjatun kolmikytkintopologian ja kuusikytkintopologian suorituskykyä tehokertoimen ja harmonissärön osalta, 16 kilowatin teholuokan taajuusmuuttajassa. Tasasuuntaajille tehtiin skalaariohjaukseen perustuva simulointimalli. Työn tavoitteena esitellään simulointitulokset harmonistason sekä tehokertoimen osalta. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisen yliopiston sovelletun elektroniikan laboratorion ja Vacon Oyj:n yhteiseen hankkeeseen.

Developing an Improved System for Allocating Support Unit Costs to Business Units

The objective of this study is to develop an improved support unit cost allocation system for a medium-sized technology company, and to examine which options for overhead cost accounting exist. The study begins with presenting the terminology and methods associated with overhead cost accounting and responsibility accounting. Also the most common challenges and resulting benefits of overhead cost allocation system development are brought up. As one research method two case studies were conducted for benchmarking purposes. These external cases are compared with the principal company’s cost allocation system and reflected against the theoretical background. In the empirical section interviews were used as the primary source of information alongside self studying principal company’s old cost allocation method. Interviews revealed the main weaknesses of the old system and proposals for a new one, which were utilized in setting targets for developing the new system. As a result of the development process an improved support unit cost allocation system was realized for year 2009. The new system is able to handle support unit costs in more detail enhancing the transparency and fairness of resulting cost allocations. Parts of support unit costs are now seen as business units’ own costs rather than group-level overhead. Also recommendations for further development are made after analyzing how well the targets were reached.

Intracellular membrane trafficking in Osteoclasts The role of direct Rab protein – Rac 1 interactions in the targeting of intracellular vesicles

Osteoclasts are cells responsible for bone resorption. These cells undergo extensive membrane re-organization during their polarization for bone resorption and form four distinct membrane domains, namely the ruffled border, the basolateral membrane, the sealing zone and the functional secretory domain. The endocytic/biosynthetic pathway and transcytotic route(s) are important for the resorption process, since the endocytic/biosynthetic pathway brings the specific vesicles to the ruffled border whereas the transcytotic flow is believed to transport the degraded bone matrix away from the resorption lacuna to the functional secretory domain. In the present study, we found a new transcytotic route from the functional secretory domain to the ruffled border, which may compensate membrane loss from the ruffled border during the resorption process. We also found that lipid rafts are essential for the ruffled border-targeted late endosomal pathways. A small GTP-binding protein, Rab7, has earlier been shown to regulate the late steps of the endocytic pathway. In bone-resorbing osteoclasts it is involved in the formation of the ruffled border, which displays several features of late endosomal membranes. Here we discovered a new Rab7-interacting protein, Rac1, which is another small GTP-binding protein and binds to the GTP-form of Rab7 in vitro. We demonstrated further that Rab7 colocalizes with Rac1 at the fusion zone of the ruffled border in bone-resorbing osteoclasts. In other cell types, such as fibroblast-like cells, this colocalization is mainly perinuclear. Because Rac1 is known to control the actin cytoskeleton through its effectors, we suggest that the Rab7-Rac1 interaction may mediate late endosomal transport between microtubules and microfilaments, thus enabling endosomal vesicles to switch tracks from microtubules to microfilaments before their fusion to the ruffled border. We then studied the role of Rab-Rac1 interaction in the slow recycling pathway. We revealed that Rac1 also binds directly to Rab11 and to some other but not all Rab-proteins, suggesting that Rab-Rac1 interaction could be a general regulatory mechanism to direct the intracellular vesicles from microtubule mediated transport to actin filament mediated transport and vice versa. On the basis of our results we thus propose a new hypothesis for these GTPases in the regulation of intracellular membrane flow.

Kokoonpantavuuden parantaminen uusien konepajatuotteiden verkostotuotannossa

Verkostotoiminta asettaa haasteita suunnittelutyölle, valmistukselle, hankintatoimelle ja laadunhallinnalle, jotka kaikki vaikuttavat kokoonpanon sujuvuuteen. Suunnittelun ja valmistuksen yhteistyö on entistäkin haasteellisempaa, kun osavalmistus toteutetaan erillisillä toimittajilla. Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää The Switch Drive Systems Oy:n tuotteiden kokoonpantavuuden parantamisen mahdollisuuksia sekä toimia yrityksen kokoonpantavuuteen liittyvien toimintamallien kehittämisen perustana. Diplomityöstä on olemassa myös julkinen versio. Työ alkaa kirjallisuuskatsauksella, jossa kuvataan kokoonpanoystävällisyyttä ja kokoonpanoystävällistä toimintaa kattaen suunnittelun, osien ja osakokoonpanojen valmistamisen verkostotuotannossa sekä kokoonpanotyön. Toimittajayhteistyötä ja laadunhallintaa käsitellään näiden lukujen yhteydessä. Työn käytännön osuudessa kartoitetaan The Switchin tuotteiden ja yrityksen toimintatapojen kokoonpanoystävällisyyden parantamismahdollisuuksia. Tämä toteutettiin The Switchin henkilöstön sekä osakokoonpanojen ja osien toimittajien haastatteluilla, toiminnan tarkkailulla sekä piirustuksiin ja prosessikuvauksiin perehtymällä. Kokoonpantavuuden ja valmistettavuuden systemaattinen huomioiminen on kannattavaa suunnittelun alusta alkaen. Tässä tulee mm. hyödyntää sekä toimittajien että The Switchin kokoonpanossa olevaa tietoa ja kokemusta.

Active du/dt Filtering for Variable-Speed AC Drives

An oscillating overvoltage has become a common phenomenon at the motor terminal in inverter-fed variable-speed drives. The problem has emerged since modern insulated gate bipolar transistors have become the standard choice as the power switch component in lowvoltage frequency converter drives. Theovervoltage phenomenon is a consequence of the pulse shape of inverter output voltage and impedance mismatches between the inverter, motor cable, and motor. The overvoltages are harmful to the electric motor, and may cause, for instance, insulation failure in the motor. Several methods have been developed to mitigate the problem. However, most of them are based on filtering with lossy passive components, the drawbacks of which are typically their cost and size. In this doctoral dissertation, application of a new active du/dt filtering method based on a low-loss LC circuit and active control to eliminate the motor overvoltages is discussed. The main benefits of the method are the controllability of the output voltage du/dt within certain limits, considerably smaller inductances in the filter circuit resulting in a smaller physical component size, and excellent filtering performance when compared with typical traditional du/dt filtering solutions. Moreover, no additional components are required, since the active control of the filter circuit takes place in the process of the upper-level PWM modulation using the same power switches as the inverter output stage. Further, the active du/dt method will benefit from the development of semiconductor power switch modules, as new technologies and materials emerge, because the method requires additional switching in the output stage of the inverter and generation of narrow voltage pulses. Since additional switching is required in the output stage, additional losses are generated in the inverter as a result of the application of the method. Considerations on the application of the active du/dt filtering method in electric drives are presented together with experimental data in order to verify the potential of the method.

Regime Switching Models for Electricity Time Series that Capture Fat Tailed Distributions

In the power market, electricity prices play an important role at the economic level. The behavior of a price trend usually known as a structural break may change over time in terms of its mean value, its volatility, or it may change for a period of time before reverting back to its original behavior or switching to another style of behavior, and the latter is typically termed a regime shift or regime switch. Our task in this thesis is to develop an electricity price time series model that captures fat tailed distributions which can explain this behavior and analyze it for better understanding. For NordPool data used, the obtained Markov Regime-Switching model operates on two regimes: regular and non-regular. Three criteria have been considered price difference criterion, capacity/flow difference criterion and spikes in Finland criterion. The suitability of GARCH modeling to simulate multi-regime modeling is also studied.

Preconditions for Successful Global Sourcing and Production Ramp up

Työn tavoitteena oli tutkia The Switch Drive Systems Oy:n edellytyksiä globaalille hankintatoiminnalle ja tuotannon aloittamiselle Kiinassa. Lisäksi pyrittiin keräämään empiiristä tietoa ja palautetta yrityksen prosesseista niiden kehittämistä varten. Yrityksen tuotantostrategia perustuu mallitehdaskonseptiin ja yrityksellä on kaksi mallitehdasta Suomessa. Työ keskittyy tutkimaan näiden mallitehtaiden valmiuksia aloittaa globaali ja ulkoistettu sarjatuotanto. Tutkimus suoritettiin empiirisenä tutkimuksena haastattelemalla yhteensä yhdeksää edustajaa yrityksen kolmesta yksiköstä Suomessa. Empiirinen tutkimus perustui riskienhallinnan keinoihin. Kvantitatiivisen tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa merkittävimmät riskit tarkempaa tarkastelua varten. Kvalitatiivisen tutkimuksen tavoitteena oli löytää syitä merkittävimmille riskeille. Tutkimuksen keskeisimmäksi tulokseksi on saatu lista merkittävimmistä syistä, jotka vaikeuttavat yrityksen tuotantostrategian toteuttamista. Lisäksi tuloksia ovat kvantitatiiviset tulokset merkittävimmistä riskeistä ja niihin liittyvät syyseuraussuhteet.

DFMA-ohjeistuksen laatiminen tuulivoimateollisuuden mekaniikkasuunnittelijoille

Osien hyvä valmistettavuus on aina asettanut haasteita suunnittelulle. Yritysten verkostoituminen lisää haasteellisuutta, kun tuotteiden suunnittelu tehdään erillään kokoonpanosta ja osavalmistus tapahtuu alihankintana. Tällöin on ensiarvoisen tärkeää, että suunnittelulla on tarvittavat perustiedot eri valmistusmenetelmistä, jotta suunniteltujen osien valmistus ja kokoonpano luonnistuu ongelmitta. Työn alun kirjallisuusosiossa käsitellään suunnittelun teoriaa, joka toimii perustana hyvälle osasuunnittelulle. Teorian lisäksi työssä käsitellään eri työmenetelmiä koskevat rajoitukset ja mahdollisuudet. Oikein suunniteltu osa on työstömenetelmien kannalta hyvin valmistettavissa, työ voidaan tehdä taloudellisilla työmenetelmillä ja kokoonpanossa osat sopivat yhteen ilman sovitustyötä. Käytännön osuudessa on käsitelty The Switch Drive Systems Oy:n tuotteiden valmistettavuuden kehityskohteita, joilla tuotteiden valmistettavuutta voidaan parantaa. Kehityskohteiden perusteella on laadittu valmistusmenetelmäkohtainen suunnittelun ohjeistus, jonka avulla kehitetään The Switchin suunnittelua vastaamaan paremmin laitetoimittajien tarpeisiin. Näiden ohjeistuksien avulla voidaan kehittää suunnittelutyötä siten, että osien valmistettavuus sekä laatu paranevat ja kokoonpano nopeutuu.

Energy harvesting methods for wireless sensor nodes in heavy-duty vehicles

The number of autonomous wireless sensor and control nodes has been increasing rapidly during the last decade. Until recently, these wireless nodes have been powered with batteries, which have lead to a short life cycle and high maintenance need. Due to these battery-related problems, new energy sources have been studied to power wireless nodes. One solution is energy harvesting, i.e. extracting energy from the ambient environment. Energy harvesting can provide a long-lasting power source for sensor nodes, with no need for maintenance. In this thesis, various energy harvesting technologies are studied whilst focusing on the theory of each technology and the state-of-the-art solutions of published studies and commercial solutions. In addition to energy harvesting, energy storage and energy management solutions are also studied as a subsystem of a whole energy source solution. Wireless nodes are also used in heavy-duty vehicles. Therefore a reliable, long-lasting and maintenance-free power source is also needed in this kind of environment. A forestry harvester has been used as a case study to study the feasibility of energy harvesting in a forestry harvester’s sliding boom. The energy harvester should be able to produce few milliwatts to power the target system, an independent limit switch.

Diskreettiaikainen liukuvan moodin säätö kiinteäoksidipolttokennon DC-tasonnostossa

Huoli ympäristön tilasta ja fossiilisten polttoaineiden hinnan nousu ovat vauhdittaneet tutkimusta uusien energialähteiden löytämiseksi. Polttokennot ovat yksi lupaavimmista tekniikoista etenkin hajautetun energiantuotannon, varavoimalaitosten sekä liikennevälineiden alueella. Polttokenno on tehonlähteenä kuitenkin hyvin epäideaalinen, ja se asettaa tehoelektroniikalle lukuisia erityisvaatimuksia. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon on tavallisesti toteutettu käyttämällä galvaanisesti erottavaa DC/DC hakkuria sekä vaihtosuuntaajaa sarjassa. Polttokennon kulumisen estämiseksi tehoelektroniikalta vaaditaan tarkkaa polttokennon lähtövirran hallintaa. Perinteisesti virran hallinta on toteutettu säätämällä hakkurin tulovirtaa PI (Proportional and Integral) tai PID (Proportional, Integral and Derivative) -säätimellä. Hakkurin epälineaarisuudesta johtuen tällainen ratkaisu ei välttämättä toimi kaukana linearisointipisteestä. Lisäksi perinteiset säätimet ovat herkkiä mallinnusvirheille. Tässä diplomityössä on esitetty polttokennon jännitettä nostavan hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli, sekä malliin perustuva diskreettiaikainen integroiva liukuvan moodin säätö. Esitetty säätö on luonteeltaan epälineaarinen ja se soveltuu epälineaaristen ja heikosti tunnettujen järjestelmien säätämiseen.

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.