Analysis of the voltage source inverter with small DC-link capacitor

IIn electric drives, frequency converters are used to generatefor the electric motor the AC voltage with variable frequency and amplitude. When considering the annual sale of drives in values of money and units sold, the use of low-performance drives appears to be in predominant. These drives have tobe very cost effective to manufacture and use, while they are also expected to fulfill the harmonic distortion standards. One of the objectives has also been to extend the lifetime of the frequency converter. In a traditional frequency converter, a relatively large electrolytic DC-link capacitor is used. Electrolytic capacitors are large, heavy and rather expensive components. In many cases, the lifetime of the electrolytic capacitor is the main factor limiting the lifetime of the frequency converter. To overcome the problem, the electrolytic capacitor is replaced with a metallized polypropylene film capacitor (MPPF). The MPPF has improved properties when compared to the electrolytic capacitor. By replacing the electrolytic capacitor with a film capacitor the energy storage of the DC-linkwill be decreased. Thus, the instantaneous power supplied to the motor correlates with the instantaneous power taken from the network. This yields a continuousDC-link current fed by the diode rectifier bridge. As a consequence, the line current harmonics clearly decrease. Because of the decreased energy storage, the DC-link voltage fluctuates. This sets additional conditions to the controllers of the frequency converter to compensate the fluctuation from the supplied motor phase voltages. In this work three-phase and single-phase frequency converters with small DC-link capacitor are analyzed. The evaluation is obtained with simulations and laboratory measurements.

Biologisen jätevedenpuhdistuksen ilmastuksen tehostaminen

Työssä tutkittiin, mikä on kustannustehokkain tapa lisätä ilmastuskapasiteettia ja selvitettiin, saostaako vesilaitokselta flotaatioaltaasta poistettava ferrisulfaattisakka jäteveden fosforia esiselkeyttimessä. Työssä määritettiin teoreettinen hapentarve ilmastusaltaassa maksimikuormituksen aikana ja hapensiirtonopeus jäteveteen olemassa olevalla laitteistolla. Hapensiirtonopeuden funktion korjauskertoimet  ja  sekä kokonaishapensiirtokerroin määritettiin laboratorio-olosuhteissa. Lisäksi laskettiin kuinka paljon nykyisten ilmastimien kautta saadaan happea jäteveteen liukenemaan ja verrattiin tätä lukua teoreettiseen hapentarpeeseen. Jälkimmäistä menettelytapaa käyttäen arvioitiin lisähapen tarve. Tulokseksi saatiin, että maksimi BOD-kuormituksen aikana happea tarvitsee saada jäteveteen liuotettua 5200 m³/d lisää. Ilmastuskapasiteetin lisäyksen kustannuslaskelmassa verrattiin neljää vaihtoehtoa: puhdasta happea liuotettuna happimattojen kautta tai OKI-ilmastimen kautta, onsite-happilaitoksen puhdasta happea liuotettuna OKI-ilmastimen kautta tai ilman happea liuotettuna jäteveteen EDI-ilmastimien kautta. Laskelmat osoittivat uusien EDI-ilmastimien hankinnan olevan edullisin vaihtoehto pitkällä aikavälillä. Vaikka EDI-ilmastimien investointikustannukset ovat korkeat, tulevat ne käyttökustannuksiltaan kaikkein edullisimmaksi. Vesilaitokselta tulevan rautasuolasakan fosforia saostavaa vaikutusta tutkittiin laboratoriossa astiakokein. Näytteet otettiin vesilaitokselta jätevesilaitokselle menevästä rautasuolasakasta sekä esiselkeyttimen kirkasteesta. Näitä eri suhteissa keskenään sekoittamalla saatiin selville, että rautasuolasakka ja sakan mukana tuleva reagoimaton rautasuola saostavat liukoista ja kokonaisfosforia esiselkeytyksessä.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Akkujen ja superkondensaattorien yhteiskäyttö energiavarastoina ja niiden verkkoon liittäminen ajoneuvoissa

Ajoneuvojen tiukentuneet päästörajoitukset, sekä ajoneuvojen kokonaishyötysuhteen parantamisen tarve ohjaavat ajoneuvovalmistajia kehittämään uusia ratkaisuja. Energiavarastojen käyttö ajoneuvoissa on yleistynyt ja niiden käytöllä voidaan saada huomattava energiasäästö. Tässä kandidaatintyössä on esitelty erilaisia energiavarastoja ja niiden verkkoon liittämistä. Pääpaino työssä on akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkennässä. Energiavarastot pyritään kytkemään mahdollisimman vähällä tehoelektroniikalla verkkoon. Esimerkkitapaukseksi on otettu litium-ioni akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkentä vaihtojännitteeseen pelkällä invertterillä.

Energiavarastojen mitoitus laivasähköjärjestelmään

Jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset ajavat eri alojen energiatuottajia kehittämään uusia ratkaisuja päästöjen pienentämiseksi. Viime aikoina myös laivojen päästörajoituksia on tiukennettu ja tulevaisuudessa niitä tullaan tiukentamaan lisää. Nämä tiukentuvat päästörajoitukset asettavat myös laivan dieselmoottoreiden valmistajat uusien haasteiden eteen. Yhtenä vaihtoehtona on lisätä dieselmoottorin rinnalle energiavarasto, joka vähentää dieselmoottorin päästöjä varsinkin nopeissa kuormituksen muutoksissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan sähköisten energiavarastojen mitoitusta laivan sähköjärjestelmään. Energiavarastot mitoitetaan useaan eri toimintatilanteeseen. Mitoituksen lisäksi pohditaan energiavarastoilla saatavaa mahdollista rahallista hyötyä sekä päästöjen vähenemistä.

Defects in Persistent Luminescence Materials

Persistent luminescence materials can store energy from solar radiation or artificial lighting and release it over a period of several hours without a continuous excitation source. These materials are widely used to improve human safety in emergency and traffic signalization. They can also be utilized in novel applications including solar cells, medical diagnostics, radiation detectors and structural damage sensors. The development of these materials is currently based on methods based on trial and error. The tailoring of new materials is also hindered by the lack of knowledge on the role of their intrinsic and extrinsic lattice defects in the appropriate mechanisms. The goal of this work was to clarify the persistent luminescence mechanisms by combining ab initio density functional theory (DFT) calculations with selected experimental methods. The DFT approach enables a full control of both the nature of the defects and their locations in the host lattice. The materials studied in the present work, the distrontium magnesium disilicate (Sr₂MgSi₂O₇) and strontium aluminate (SrAl₂O₄) are among the most efficient persistent luminescence hosts when doped with divalent europium Eu²⁺ and co-doped with trivalent rare earth ions R³⁺ (R: Y, La-Nd, Sm, Gd-Lu). The polycrystalline materials were prepared with the solid state method and their structural and phase purity was confirmed by X-ray powder diffraction. Their local crystal structure was studied by high-resolution transmission electron microscopy. The crystal and electronic structure of the nondoped as well as Eu²⁺, R^2+/3+ and other defect containing materials were studied using DFT calculations. The experimental trap depths were obtained using thermoluminescence (TL) spectroscopy. The emission and excitation of Sr₂MgSi₂O₇:Eu²+,Dy³⁺ were also studied. Significant modifications in the local crystal structure due to the Eu²⁺ ion and lattice defects were found by the experimental and DFT methods. The charge compensation effects induced by the R³⁺ co-doping further increased the number of defects and distortions in the host lattice. As for the electronic structure of Sr₂MgSi₂O₇ and SrAl₂O₄, the experimental band gap energy of the host materials was well reproduced by the calculations. The DFT calculated Eu²⁺ and R^2+/3+ 4fn as well as 4f^n-15d¹ ground states in the Sr₂MgSi₂O₇ band structure provide an independent verification for an empirical model which is constructed using rather sparse experimental data for the R³⁺ and especially the R²⁺ ions. The intrinsic and defect induced electron traps were found to act together as energy storage sites contributing to the materials’ efficient persistent luminescence. The calculated trap energy range agreed with the trap structure of Sr₂MgSi₂O₇ obtained using TL measurements. More experimental studies should be carried out for SrAl₂O₄ to compare with the DFT calculations. The calculated and experimental results show that the electron traps created by both the rare earth ions and vacancies are modified due to the defect aggregation and charge compensation effects. The relationships between this modification and the energy storage properties of the solid state materials are discussed.

Sähköauto osana älykästä sähköverkkoa – Ohjaus ja toiminnallisuudet

Tulevaisuudessa sähköverkko kohtaa monia haasteita, kun sähköautot yleistyvät, vaatien suuren tehotarpeen. Uusiutuvan energiantuotannon epävarma huipputehon tuotanto ei välttämättä pysty kattamaan sähköautoista johtuvaa suurta tehopiikkiä, jos suuret määrät ajoneuvoista kytketään yhtä aikaa lataukseen. Jos sähköajoneuvot voidaan ladata ohjatusti, ei välttämättä tarvita lisäenergian tuotantoa kattamaan kasvanutta huipputehon tarvetta. Lisäksi sähköajoneuvojen akut toimivat koko sähköverkolle energiavarastoina, jollaista ei ole ennen ollut. Älykkäällä sähköverkolla voidaan ohjata sähköajoneuvon latausta, mikäli ajoneuvossa on ohjausjärjestelmä ja akkujen varaustilan mittaus. Tässä kandidaatin työssä ohjelmoidaan mittaus- ja ohjauskortti plug-in hybridiautoa varten, jossa on V2G-ominaisuus. Ohjainkortista toteutetaan toimintakuvaus, jonka mukaan se myös ohjelmoidaan. Ohjainkortti mittaa akkujen jännitettä ja virtaa, joista voidaan määrittää akkujen varaustilat. Ohjainkortti lähettää tiedot eteenpäin PC:lle, jolta ohjainkortti saa käskyn toimintatilasta. Mittaustietojen perusteella voidaan seurata mahdollisia vikatilanteita. Kandidaatintyön aikana ohjainkorttia ei ehditty asentamaan ajoneuvoon, mutta laboratoriotestien mukaan voidaan todeta, että ohjainkortti on ohjelmallisesti toimiva. Mittauksissa selvisi, että ohjainkortin mittaustulot eivät olleet tarpeeksi tarkkoja käyttökohteeseen. Todettiin, että ohjainkortti vaatii rakenteellisia muutoksia mittaustuloksien parantamista varten, ennen ohjainkortin käyttöönottoa, mutta kandidaatintyön tavoitteet saavutettiin.

Dieselsähköisen laivan pyörimisnopeussäädettyjen voimansiirtokonseptien mallinnus ja vertailu

Tässä työssä tutkitaan eri voimansiirtokonseptien vaikutusta referenssitapauksen polttomoottorivoimalaitoksen energiatehokkuuteen ja polttoaineenkulutukseen staattisessa tilan-teessa. Referenssitapaukseksi on valittu ulkomerellä toimiva huoltoalus. Työssä esitellään dieselsähköisen laivan voimansiirtokonseptien toteutusvaihtoehtoja ja luodaan katsaus valittuihin generaattoreihin sekä taajuusmuuttajiin. Voimansiirtokonseptien hankintahintaa arvioidaan saatujen hintatietojen ja aikaisempien tutkimusten avulla. Lisäksi konseptien energian- ja polttoaineenkulutusta arvioidaan vuositasolla staattisessa tilanteessa. Perinteiselle kiinteän pyörimisnopeuden toteutukselle löydettiin haastajia sekä konseptien kuluttaman energian, että polttoaineen kannalta tarkasteltuna. Lisäksi työssä muodostetaan referenssialusta vastaava yksinkertainen simulointimalli, jolla voidaan arvioida voimalaitoksen tehohäviöitä sekä polttoaineenkulutusta eri ajotavoilla. Simulointimallilla tutkitaan myös energiavaraston tuomia etuja lisäämällä energiavarasto malliin. Mallia simuloitiin paikoitusajossa ilman energiavarastoa, sekä sen kanssa. Energiavaraston avulla saavutettiin merkittävät polttoainesäästöt.

Battery Cell Modeling for Battery Management System

Usage of batteries as energy storage is emerging in automotive and mobile working machine applications in future. When battery systems become larger, battery management becomes an essential part of the application concerning fault situations of the battery and safety of the user. A properly designed battery management system extends one charge cycle of battery pack and the whole life time of the battery pack. In this thesis main objectives and principles of BMS are studied and first order Thevenin’s model of the lithium-titanate battery cell is built based on laboratory measurements. The battery cell model is then verified by comparing the battery cell model and the actual battery cell and its suitability for use in BMS is studied.

Characterisation of Functional Brown Adipose Tissue In Adult Humans

The white adipose tissue mainly serves the purpose of energy storage, while brown adipose tissue (BAT) has the capacity to generate heat under cold conditions in mammals and in human infants. BAT is controlled by the central nervous system, and BAT function is accompanied by increased energy expenditure. However, it was not previously certain whether adult humans also have functional BAT. The aim of this doctoral work was to identify functional BAT in adult humans and to characterise its glucose uptake and blood flow under cold and insulin stimulation conditions in lean and in obese humans, by using positron emission tomography. Further, the impact of weight loss on BAT glucose uptake was assessed. Cerebral glucose uptake was also studied in relation to BAT function and cold exposure. The results showed that healthy adult humans have functional BAT, as assessed by the intense cold-induced glucose uptake and by biopsies. BAT was also found to be a highly insulinsensitive tissue in lean humans, but the effects of insulin and cold exposure were attenuated in obese humans, although the glucose uptake capacity of cold-activated BAT might be increased by weight loss. Blood flow in the BAT of lean humans was associated with whole-body energy expenditure. The presence of cold-activated BAT was related to lower body mass index and higher insulin sensitivity. Finally, BAT activation was linked to the activity of the cerebellum, the thalamus and certain neocortical regions. The cold-induced cerebral glucose uptake was also lower in obese than in lean adult humans.

Study of Control Methods of a High-Frequency Cycloconverter for Domestic Induction Heating Appliances

A high-frequency cyclonverter acts as a direct ac-to-ac power converter circuit that does not require a diode bidge rectifier. Bridgeless topology makes it possible to remove forward voltage drop losses that are present in a diode bridge. In addition, the on-state losses can be reduced to 1.5 times the on-state resistance of switches in half-bridge operation of the cycloconverter. A high-frequency cycloconverter is reviewed and the charging effect of the dc-capacitors in ``back-to-back'' or synchronous mode operation operation is analyzed. In addition, a control method is introduced for regulating dc-voltage of the ac-side capacitors in synchronous operation mode. The controller regulates the dc-capacitors and prevents switches from reaching overvoltage level. This can be accomplished by variating phase-shift between the upper and the lower gate signals. By adding phase-shift between the gate signal pairs, the charge stored in the energy storage capacitors can be discharged through the resonant load and substantially, the output resonant current amplitude can be improved. The above goals are analyzed and illustrated with simulation. Theory is supported with practical measurements where the proposed control method is implemented in an FPGA device and tested with a high-frequency cycloconverter using super-junction power MOSFETs as switching devices.

Comparison of Different Concentrated Solar Power Collector Designs and Development of a Linear Fresnel Solar Collector Model

Concentrated solar power (CSP) is a renewable energy technology, which could contribute to overcoming global problems related to pollution emissions and increasing energy demand. CSP utilizes solar irradiation, which is a variable source of energy. In order to utilize CSP technology in energy production and reliably operate a solar field including thermal energy storage system, dynamic simulation tools are needed in order to study the dynamics of the solar field, to optimize production and develop control systems. The object of this Master’s Thesis is to compare different concentrated solar power technologies and configure a dynamic solar field model of one selected CSP field design in the dynamic simulation program Apros, owned by VTT and Fortum. The configured model is based on German Novatec Solar’s linear Fresnel reflector design. Solar collector components including dimensions and performance calculation were developed, as well as a simple solar field control system. The preliminary simulation results of two simulation cases under clear sky conditions were good; the desired and stable superheated steam conditions were maintained in both cases, while, as expected, the amount of steam produced was reduced in the case having lower irradiation conditions. As a result of the model development process, it can be concluded, that the configured model is working successfully and that Apros is a very capable and flexible tool for configuring new solar field models and control systems and simulating solar field dynamic behaviour.

Superkondensaattorien suoritusarvot

Superkondensaattorit paikkaavat perinteisten kondensaattorien ja akkujen väliin jäävää teho- sekä energiasuorituskyvyn kuilua sähköenergian varastoinnissa. Tässä kandidaatin-työssä selvitetään superkondensaattorien toimintaperiaate, sähköiset ominaisuudet sekä saatavilla olevien kaupallisten tuotteiden suorituskyky.

Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems

An electric system based on renewable energy faces challenges concerning the storage and utilization of energy due to the intermittent and seasonal nature of renewable energy sources. Wind and solar photovoltaic power productions are variable and difficult to predict, and thus electricity storage will be needed in the case of basic power production. Hydrogen’s energetic potential lies in its ability and versatility to store chemical energy, to serve as an energy carrier and as feedstock for various industries. Hydrogen is also used e.g. in the production of biofuels. The amount of energy produced during hydrogen combustion is higher than any other fuel’s on a mass basis with a higher-heating-value of 39.4 kWh/kg. However, even though hydrogen is the most abundant element in the universe, on Earth most hydrogen exists in molecular forms such as water. Therefore, hydrogen must be produced and there are various methods to do so. Today, the majority hydrogen comes from fossil fuels, mainly from steam methane reforming, and only about 4 % of global hydrogen comes from water electrolysis. Combination of electrolytic production of hydrogen from water and supply of renewable energy is attracting more interest due to the sustainability and the increased flexibility of the resulting energy system. The preferred option for intermittent hydrogen storage is pressurization in tanks since at ambient conditions the volumetric energy density of hydrogen is low, and pressurized tanks are efficient and affordable when the cycling rate is high. Pressurized hydrogen enables energy storage in larger capacities compared to battery technologies and additionally the energy can be stored for longer periods of time, on a time scale of months. In this thesis, the thermodynamics and electrochemistry associated with water electrolysis are described. The main water electrolysis technologies are presented with state-of-the-art specifications. Finally, a Power-to-Hydrogen infrastructure design for Lappeenranta University of Technology is presented. Laboratory setup for water electrolysis is specified and factors affecting its commissioning in Finland are presented.

Ydinvoiman säädettävyys laajamittaisesti sähköä varastoivassa energiajärjestelmässä

Tulevaisuudessa tuuli- ja aurinkovoiman osuus sähköntuotannosta tulee kasvamaan. Näiden uusiutuvien energiamuotojen tuotanto kuitenkin vaihtelee sääolosuhteiden mukaan. Tästä johtuen tarvitaan lisää säätövoimaa, jotta voidaan vastata sähkönkulutukseen tuuli- ja aurinkosähkön tuotannon laskiessa. Tässä työssä tarkastellaan mahdollisuutta toteuttaa sähkönkulutuksen ja tuotannon tasapainottaminen Suomessa sähkön varastoinnin avulla sekä ydinvoiman soveltuvuutta säätövoimaksi ja ydinsähkön varastoinnin kannattavuutta. Työssä vertaillaan mahdollisuuksia sähkön varastointiteknologioiksi, joista valitaan potentiaalisimmat vaihtoehdot kustannus- ja soveltuvuustarkasteluun. Varastointikapasiteetin tarvetta tarkastellaan Suomen nykyisen sähkönkulutuksen ja -tuotannon mukaan sekä tilanteessa, jossa tuuli- ja aurinkovoiman osuus on molemmilla 15 % kokonaistuotantokapasiteetista. Vanhempien sekä nykyaikaisten ydinvoimaloiden soveltuvuutta säätövoimaksi tarkastellaan laitosten säädettävyyden perusteella. Ydinvoimalaa on kuitenkin kannattavinta käyttää mahdollisimman suurella käyttökertoimella, joten tarkastelussa on myös mahdollisuus varastoida sähköä tilanteissa, joissa tuotantoa jouduttaisiin rajoittamaan. Varastointiteknologioiden ja eri skenaarioissa vaadittujen varastointikapasiteettien perusteella voidaan todeta, ettei sähkönkulutuksen ja -tuotannon tasapainottaminen sähkön varastoinnilla ole kannattavaa nykyisillä varastointikustannuksilla ja sähkön hinnoilla. Ydinvoiman voidaan todeta soveltuvan hyvin säätövoimaksi ominaisuuksien puolesta, mutta taloudellisesti se ei ole paras vaihtoehto. Ydinvoimalla tuotetun sähkön varastointi ei ole tällä hetkellä Suomessa kannattavaa matalien sähkön hintojen ja korkeiden varastointikustannusten vuoksi. Sähkön varastoinnista on mahdollista tulla kannattavaa 2020-luvulla. Tämä edellyttää Yhdysvaltojen energiaministeriön asettaman strategian toteutumista, jonka tavoitteena on varastoimalla tuotetun sähkön kustannusten saaminen alle 75 €/MWh.