Parallel-Operating Three-Phase Voltage Source Inverters – Circulating CurrentModeling, Analysis and Mitigation

The maximum realizable power throughput of power electronic converters may be limited or constrained by technical or economical considerations. One solution to this problemis to connect several power converter units in parallel. The parallel connection can be used to increase the current carrying capacity of the overall system beyond the ratings of individual power converter units. Thus, it is possible to use several lower-power converter units, produced in large quantities, as building blocks to construct high-power converters in a modular manner. High-power converters realized by using parallel connection are needed for example in multimegawatt wind power generation systems. Parallel connection of power converter units is also required in emerging applications such as photovoltaic and fuel cell power conversion. The parallel operation of power converter units is not, however, problem free. This is because parallel-operating units are subject to overcurrent stresses, which are caused by unequal load current sharing or currents that flow between the units. Commonly, the term ’circulatingcurrent’ is used to describe both the unequal load current sharing and the currents flowing between the units. Circulating currents, again, are caused by component tolerances and asynchronous operation of the parallel units. Parallel-operating units are also subject to stresses caused by unequal thermal stress distribution. Both of these problemscan, nevertheless, be handled with a proper circulating current control. To design an effective circulating current control system, we need information about circulating current dynamics. The dynamics of the circulating currents can be investigated by developing appropriate mathematical models. In this dissertation, circulating current models aredeveloped for two different types of parallel two-level three-phase inverter configurations. Themodels, which are developed for an arbitrary number of parallel units, provide a framework for analyzing circulating current generation mechanisms and developing circulating current control systems. In addition to developing circulating current models, modulation of parallel inverters is considered. It is illustrated that depending on the parallel inverter configuration and the modulation method applied, common-mode circulating currents may be excited as a consequence of the differential-mode circulating current control. To prevent the common-mode circulating currents that are caused by the modulation, a dual modulator method is introduced. The dual modulator basically consists of two independently operating modulators, the outputs of which eventually constitute the switching commands of the inverter. The two independently operating modulators are referred to as primary and secondary modulators. In its intended usage, the same voltage vector is fed to the primary modulators of each parallel unit, and the inputs of the secondary modulators are obtained from the circulating current controllers. To ensure that voltage commands obtained from the circulating current controllers are realizable, it must be guaranteed that the inverter is not driven into saturation by the primary modulator. The inverter saturation can be prevented by limiting the inputs of the primary and secondary modulators. Because of this, also a limitation algorithm is proposed. The operation of both the proposed dual modulator and the limitation algorithm is verified experimentally.

Suunnittelukapasiteettien seurantamallin kehittäminen

The first main objective of this study was to develop a planning capacity management model for a chocolate and confectionary company in Finland. The second objective was to analyze how capacity updates would affect cost accounting practices. In addition, a creation of an update and maintenance process of planning capacities was determined as a sub-objective of developing the capacity management model. The thesis was started with analyzing the needs, requirements and constraints of the capacity management model and model’s connection with cost accounting. This was done by interviewing key officials like production planners, managers and controllers. A thorough literature review was also done at an early phase. Furthermore, internal systems and software architecture got to be acquainted with. The model was constructed as an Excel-based platform which will get its input data from Enterprise Resource Planning system and Production Performance Measurement system. The main purpose of the planning capacity management model is to make sure that the production planners can utilize more precise parameters but it also offers tools for the production managers to assess production performance and effectiveness at the product level. In addition to production planning, planning capacities are also tightly involved with cost accounting as many direct and indirect costs are allocated to the products utilizing planning capacities. For this reason, the linkage between product costing and capacity is also diversely examined in the thesis. Development suggestions conclude the report by giving some guidelines for more precise and consistent production planning and cost accounting between the factories.

Distributed ControlArchitecture of Power Electronics Building-Block-Based Frequency Converters

The increasing power demand and emerging applications drive the design of electrical power converters into modularization. Despite the wide use of modularized power stage structures, the control schemes that are used are often traditional, in other words, centralized. The flexibility and re-usability of these controllers are typically poor. With a dedicated distributed control scheme, the flexibility and re-usability of the system parts, building blocks, can be increased. Only a few distributed control schemes have been introduced for this purpose, but their breakthrough has not yet taken place. A demand for the further development offlexible control schemes for building-block-based applications clearly exists. The control topology, communication, synchronization, and functionality allocationaspects of building-block-based converters are studied in this doctoral thesis. A distributed control scheme that can be easily adapted to building-block-based power converter designs is developed. The example applications are a parallel and series connection of building blocks. The building block that is used in the implementations of both the applications is a commercial off-the-shelf two-level three-phase frequency converter with a custom-designed controller card. The major challenge with the parallel connection of power stages is the synchronization of the building blocks. The effect of synchronization accuracy on the system performance is studied. The functionality allocation and control scheme design are challenging in the seriesconnected multilevel converters, mainly because of the large number of modules. Various multilevel modulation schemes are analyzed with respect to the implementation, and this information is used to develop a flexible control scheme for modular multilevel inverters.

Centralized Motion Control of a Linear Tooth Belt Drive: Analysis of the Performance and Limitations

A centralized robust position control for an electrical driven tooth belt drive is designed in this doctoral thesis. Both a cascaded control structure and a PID based position controller are discussed. The performance and the limitations of the system are analyzed and design principles for the mechanical structure and the control design are given. These design principles are also suitable for most of the motion control applications, where mechanical resonance frequencies and control loop delays are present. One of the major challenges in the design of a controller for machinery applications is that the values of the parameters in the system model (parameter uncertainty) or the system model it self (non-parametric uncertainty) are seldom known accurately in advance. In this thesis a systematic analysis of the parameter uncertainty of the linear tooth beltdrive model is presented and the effect of the variation of a single parameter on the performance of the total system is shown. The total variation of the model parameters is taken into account in the control design phase using a Quantitative Feedback Theory (QFT). The thesis also introduces a new method to analyze reference feedforward controllers applying the QFT. The performance of the designed controllers is verified by experimentalmeasurements. The measurements confirm the control design principles that are given in this thesis.

Analysis and Control of Excitation, Field Weakening and Stability in Direct Torque Controlled Electrically Excited Synchronous Motor Drives

Direct torque control (DTC) is a new control method for rotating field electrical machines. DTC controls directly the motor stator flux linkage with the stator voltage, and no stator current controllers are used. With the DTC method very good torque dynamics can be achieved. Until now, DTC has been applied to asynchronous motor drives. The purpose of this work is to analyse the applicability of DTC to electrically excited synchronous motor drives. Compared with asynchronous motor drives, electrically excited synchronous motor drives require an additional control for the rotor field current. The field current control is called excitation control in this study. The dependence of the static and dynamic performance of DTC synchronous motor drives on the excitation control has been analysed and a straightforward excitation control method has been developed and tested. In the field weakening range the stator flux linkage modulus must be reduced in order to keep the electro motive force of the synchronous motor smaller than the stator voltage and in order to maintain a sufficient voltage reserve. The dynamic performance of the DTC synchronous motor drive depends on the stator flux linkage modulus. Another important factor for the dynamic performance in the field weakening range is the excitation control. The field weakening analysis considers both dependencies. A modified excitation control method, which maximises the dynamic performance in the field weakening range, has been developed. In synchronous motor drives the load angle must be kept in a stabile working area in order to avoid loss of synchronism. The traditional vector control methods allow to adjust the load angle of the synchronous motor directly by the stator current control. In the DTC synchronous motor drive the load angle is not a directly controllable variable, but it is formed freely according to the motor’s electromagnetic state and load. The load angle can be limited indirectly by limiting the torque reference. This method is however parameter sensitive and requires a safety margin between the theoretical torque maximum and the actual torque limit. The DTC modulation principle allows however a direct load angle adjustment without any current control. In this work a direct load angle control method has been developed. The method keeps the drive stabile and allows the maximal utilisation of the drive without a safety margin in the torque limitation.

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.

Palkkakirjanpito osana yrityksen talousohjausta- case tutkimus

Tutkielman tarkoituksena oli tutkia palkkakirjanpitoon liittyviä näkökulmia ja niiden vaikutuksia talousohjaukseen sekä tuoda esille kehitysideoita palkkakirjanpitäjien ja controllerien välisen yhteistyön kehittämiseksi. Lähtökohtana tarkasteltiin talousohjauksen ja palkkakirjanpidon yhteistyön nykytilaa ja aiempia tutkimuksia. Tämä tutkimus on empiirinen tapaustutkimus jossa tutkimusmetodina on käytetty kvalitatiivista analyysiä. Tutkimus on toteutettu puolistrukturoituja haastatteluja ja havainnointia apuna käyttäen. Tutkimuksessa nousi esille globalisaation ja yhteiskunnan muutoksen tuo-mat haasteet. Muutosten myötä molempien osapuolten tehtävien muuttu-minen ja erilaisissa palvelukeskuksissa toimiminen on muuttanut toimintaa ja osapuolten rooleja. Tulokset osoittavat että palkkakirjanpitäjien tiedon tuottamista controllereille, voidaan kehittää parhaiten panostamalla tiedon välitykseen, yhteistyönrakentamiseen ja tuottamalla erilaisia raportteja ennusteiden tueksi. Lisäksi on ymmärrettävä taustatekijät ja kasvatettava molempien osapuolten talousohjauksen ja palkkakirjanpidon tuntemusta. Nämä muutokset havainnollistamalla päästään rakentamaan hyvää ja laadukasta tiedon tuottamista, jolloin palkkakirjanpitäjät voivat olla paremmin osana liike-elämän tukemista.

Voimalaitoksen käytönaikaisen optimoinnin määrittely

Tässä diplomityössä määritellään biopolttoainetta käyttävän voimalaitoksen käytönaikainen tuotannon optimointimenetelmä. Määrittelytyö liittyy MW Powerin MultiPower CHP –voimalaitoskonseptin jatkokehitysprojektiin. Erilaisten olemassa olevien optimointitapojen joukosta valitaan tarkoitukseen sopiva, laitosmalliin ja kustannusfunktioon perustuva menetelmä, jonka tulokset viedään automaatiojärjestelmään PID-säätimien asetusarvojen muodossa. Prosessin mittaustulosten avulla lasketaan laitoksen energia- ja massataseet, joiden tuloksia käytetään seuraavan optimointihetken lähtötietoina. Optimoinnin kohdefunktio on kustannusfunktio, jonka termit ovat voimalaitoksen käytöstä aiheutuvia tuottoja ja kustannuksia. Prosessia optimoidaan säätimille annetut raja-arvot huomioiden niin, että kokonaiskate maksimoituu. Kun laitokselle kertyy käyttöikää ja historiadataa, voidaan prosessin optimointia nopeuttaa hakemalla tilastollisesti historiadatasta nykytilanteen olosuhteita vastaava hetki. Kyseisen historian hetken katetta verrataan kustannusfunktion optimoinnista saatuun katteeseen. Paremman katteen antavan menetelmän laskemat asetusarvot otetaan käyttöön prosessin ohjausta varten. Mikäli kustannusfunktion laskenta eikä historiadatan perusteella tehty haku anna paranevaa katetta, niiden laskemia asetusarvoja ei oteta käyttöön. Sen sijaan optimia aletaan hakea deterministisellä optimointialgoritmilla, joka hakee nykyhetken ympäristöstä paremman katteen antavia säätimien asetusarvoja. Säätöjärjestelmä on mahdollista toteuttaa myös tulevaisuutta ennustavana. Työn käytännön osuudessa voimalaitosmalli luodaan kahden eri mallinnusohjelman avulla, joista toisella kuvataan kattilan ja toisella voimalaitosprosessin toimintaa. Mallinnuksen tuloksena saatuja prosessiarvoja hyödynnetään lähtötietoina käyttökatteen laskennassa. Kate lasketaan kustannusfunktion perusteella. Tuotoista suurimmat liittyvät sähkön ja lämmön myyntiin sekä tuotantotukeen, ja suurimmat kustannukset liittyvät investoinnin takaisinmaksuun ja polttoaineen ostoon. Kustannusfunktiolle tehdään herkkyystarkastelu, jossa seurataan katteen muutosta prosessin teknisiä arvoja muutettaessa. Tuloksia vertaillaan referenssivoimalaitoksella suoritettujen verifiointimittausten tuloksiin, ja havaitaan, että tulokset eivät ole täysin yhteneviä. Erot johtuvat sekä mallinnuksen puutteista että mittausten lyhyehköistä tarkasteluajoista. Automatisoidun optimointijärjestelmän käytännön toteutusta alustetaan määrittelemällä käyttöön otettava optimointitapa, siihen liittyvät säätöpiirit ja tarvittavat lähtötiedot. Projektia tullaan jatkamaan järjestelmän ohjelmoinnilla, testauksella ja virityksellä todellisessa voimalaitosympäristössä ja myöhemmin ennustavan säädön toteuttamisella.

Sähköavusteisen polkupyörän vääntömomenttisäädön toteuttaminen amplitudimodulaatiolla

Sähköavusteinen polkupyörä on hieman tavallista polkupyörää vahvarakenteisempi ja painavampi. Lisäpainoa tuovat muun muassa akut ja sähkömoottori, joka avustaa polke-mista. Moottori asennetaan yleensä eturenkaan keskiöön. Suurimmassa osassa, jollei kaikissa, kaupallisista sähköavusteisissa polkupyörissä moottori on hiiliharjaton tasavirta-moottori. Hiiliharjattoman tasavirtamoottorin pyörimisnopeutta ja vääntömomenttia voidaan säätää usealla eri tavalla. Markkinoilla olevat säätimet perustuvat poikkeuksetta pulssinleveys-modulaatioon. Tämän työn tarkoituksena on tutkia, onko säätöjärjestelmä mahdollista to-teuttaa muulla tavalla kuin pulssinleveysmodulaattorilla. Tutkimuksessa päädytään käyt-tämään amplitudimodulointia, jolloin taajuus voidaan pitää vakiona. Tämän tutkimuksen rinnalla samaan polkupyörään rakennetaan polkemisenergian avulla akkuja lataava la-tausjärjestelmä. Tämän kandityön puitteissa tutkimus jää kesken, mutta toiminta osoitetaan teoreettisesti ja simuloimalla. Suurin syy kokeellisen testauksen epäonnistumiseen on käytettyjen kom-ponenttien sopimattomuus sovellukseen.

One chip solution for low-cost active magnetic bearing system

In this work the implementation of the active magnetic bearing control system in a single FPGA is studied. Requirements for the full magnetic bearing control system are reviewed. Different control methods for active magnetic bearings are described shortly. Flux and the current base controllers are implemented in a FPGA. Suitability of the con-trollers for a low-cost magnetic bearing application is studied. Floating-point arithmetic’s are used in the controllers to ease designing burden and improve calculation precision. Per-formance of the flux controller is verified with simulations.

Globaalin toimintaympäristön vaikutukset johdon laskentatoimen asiantuntijan työnkuvassa

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, millaisia globalisaation aiheuttamia vaikutuksia näkyy suomalaisessa johdon laskentatoimessa ja johdon laskentatoimen asiantuntijoiden, eli controllereiden, työnkuvissa. Oli tärkeää selvittää, ovatko kansainväliset tekijät tuoneet jo liiallista haastavuutta controllerin työhön ja odotetaanko heiltä kenties jo liikaa. Teoriaosuudessa tutkittiin johdon laskentatoimea ja controller-toiminnon kehittymistä, sekä controllereilta vaadittavia ominaisuuksia ja piirteitä. Lisäksi globalisaatiota ja sen aiheuttamia vaikutuksia suomalaiseen johdon laskentatoimeen käytiin läpi. Tutkimus oli kvalitatiivinen ja toteutettiin haastattelemalla kahdeksaa suomalaista johdon laskentatoimen asiantuntijaa, jotka työskentelivät kansainvälisissä yhtiöissä useilla eri toimialoilla. Tutkimus osoitti kuinka kansainvälisestä ja laajasta alasta on kyse johdon laskentatoimesta puhuttaessa. Suuri joukko globaaleja tekijöitä vaikuttaa jatkuvasti controllereihin. Näiden luokittelu teemoittain osoittautui haastavaksi tehtäväksi ja on mahdotonta luoda kattava lista kaikista kansainvälisyyden tuomista vaikutuksista. Tärkeää oli havaita, ettei controller-toiminnon laajuutta koeta negatiivisena vaan ennemminkin sopivan haasteellisena asiana ja mielenkiinnon ylläpitäjänä.

Energy and Dynamics of the solar agricultural robot "SolarSprayer"

The main objective of the present study was to design an agricultural robot, which work is based on the generation of the electricity by the solar panel. To achieve the proper operation of the robot according to the assumed working cycle the detailed design of the main equipment was made. By analysing the possible areas of implementation together with developments, the economic forecast was held. As a result a decision about possibility of such device working in agricultural sector was made and the probable topics of the further study were found out.

Development of project cash flow forecasting process

Process management refers to improving the key functions of a company. The main functions of the case company - project management, procurement, finance, and human resource - use their own separate systems. The case company is in the process of changing its software. Different functions will use the same system in the future. This software change causes changes in some of the company’s processes. Project cash flow forecasting process is one of the changing processes. Cash flow forecasting ensures the sufficiency of money and prepares for possible changes in the future. This will help to ensure the company’s viability. The purpose of the research is to describe a new project cash flow forecasting process. In addition, the aim is to analyze the impacts of the process change, with regard to the project control department’s workload and resources through the process measurement, and how the impacts take the department’s future operations into account. The research is based on process management. Processes, their descriptions, and the way the process management uses the information, are discussed in the theory part of this research. The theory part is based on literature and articles. Project cash flow and forecasting-related benefits are also discussed. After this, the project cash flow forecasting as-is and to-be processes are described by utilizing information, obtained from the theoretical part, as well as the know-how of the project control department’s personnel. Written descriptions and cross-functional flowcharts are used for descriptions. Process measurement is based on interviews with the personnel – mainly cost controllers and department managers. The process change and the integration of two processes will allow work time for other things, for example, analysis of costs. In addition to the quality of the cash flow information will improve compared to the as-is process. Analyzing the department’s other main processes, department’s roles, and their responsibilities should be checked and redesigned. This way, there will be an opportunity to achieve the best possible efficiency and cost savings.

Suorituskyvyn mittaus ja controller toimintojen kehittäminen Venäjällä toimivassa yhteisyrityksessä

Tässä työssä tutkittiin kahden suomalaisen yrityksen omistamaa yhteisyritystä Venäjällä. Tavoitteena oli kehittää tasapainotettu mittaristo suorituskyvyn mittaukseen johtamisen tueksi. Lisäksi oli tarve parantaa materiaalinhallintaa kehittämällä controllerin työtä helpottava työkalu, sekä kehittää materiaalinhallinnan prosessia läpinäkyvämmäksi ja suoraviivaisemmaksi. Työ koostuu teoreettisesta ja empiirisestä osuudesta. Teoria koostuu raportoinnista, suorituskyvyn mittauksesta ja materiaalinhallinnan seurannasta. Työssä käytettiin laadullisia menetelmiä ja tutkimustyypiksi valikoitui toimintatutkimus. Teoreettinen aineisto on peräisin julkaisuista ja alan kirjallisuudesta. Empiirinen aineisto kerättiin pääosin haastatteluista, benchmarkkauksesta ja dokumenteista. Työn tuloksena saavutettiin päätavoite, eli kehitettiin Excel – pohjaiset työkalut suorituskyvyn mittaukseen ja materiaalinhallinnan seurantaan. Lisäksi kehitettiin kirjallinen ohjeistus näiden työkalujen käyttöön ja materiaalinhallintaprosessien suoraviivaistamiseksi. Diplomityö helpottaa yrityksen johtamista ja kontrollointia sekä sisäisesti että ulkoisesti omistajanäkökulmasta katsottuna. Venäjällä toimivan ulkomaalaisomisteisen yrityksen seuranta on haastavaa, jossa prosessien toimivuus ja läpinäkyvyys ovat olennaisessa roolissa.

Aktiivisten magneettilaakereiden ohjauslaitteiston vaatimusmäärittely ja toteutus

Aktiivinen magneettilaakeri on järjestelmä joka mahdollistaa pyörivän kappaleen, esimerkiksi sähkökoneen roottorin, leijuttamisen magneettikentässä ilman fyysistä kontaktia vastakappaleiden välillä. Tekniikalla on joitain merkittäviä etuja muihin laakerointijärjestelmiin verrattuna erityisesti suurnopeuksisissa tai puhdastiloissa käytettävissä sähkökäytöissä. Magneettilaakereiden yleistymistä nopeuttaisi ja niiden hintaa laskisi mikäli laakereiden säätöön ja tehonsyöttöön voitaisiin käyttää standardeja teollisuusautomaatiolaitteita erityisesti tätä käyttötarkoitusta varten kehitettyjen laitteiden sijaan. Tässä työssä luodaan menetelmä määrittää vähimmäisvaatimukset aktiivisen magneettilaakerin säätöalgoritmien suorittamiseen käytetylle säätöjärjestelmälle ja anturoinnille sekä laakerin toimintaan tarvittavalle tehoelektroniikalle. Näiden vaatimusten perusteella luodaan katsaus soveltuviin laitteisiin ja kootaan esimerkkikokoonpanot kahdelle erilaiselle magneettilaakeroitavalle kohteelle. Lisäksi työssä esitellään LUT:ssa vuosina 2014-2015 kehitetty magneettilaakerin teholähdeprototyyppi ja selvitetään edellytykset käyttää laitetta laakerijärjestelmän osana.