Galvaanisen erotuksen toteuttaminen tasavirtasähkönjakelun asiakaspäätelaitteessa

Suomessa sähkönjakeluverkon pääasialliset jännitetasot ovat 20 kV ja 400 V. 20 kV jännitetasolla sähkö viedään lähelle kuluttajia ja muunnetaan pienemmäksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että 20 kV avojohtosähkönsiirtoverkko on hyvin vika-altis ja usein yhden haaran vikaantuessa monta muutakin jää ilman sähköä. Lisäksi hintavien ja suurien jakelumuuntajien määrä on suuri. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen pienjännite olisi 400 V:a suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä edellyttää vaihtosuuntauksen toteuttamista kuluttajan päässä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA:n tehoisella vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Suurtaajuusmuuntajan mitoitus mahdollisimman hyvälle hyötysuhteelle on haastava tehtävä, koska vaatimuksia sille asettavat sekä syöttävä resonanssikonvertteri että syötettävä syklokonvertteri. Mitoituksessa on pyrittävä löytämään mahdollisimman hyvä hyötysuhde kustannusten ja toteutettavuuden suhteen.

Automatisoidun kaupankäynnin vaikutukset markkinatehokkuuteen

Tutkielmassa selvitettiin algoritmisen kaupankäynnin vaikutuksia markkinatehokkuuteen. Se toteutettiin kirjallisuuskatsauksena tuoreimmista tutkimuksista. Aluksi esitellään algoritmisten kaupankäyntijärjestelmien rakenne ja tapa toimia, jonka jälkeen aiemmat tutkimukset käydään läpi. Tulokset osoittavat, että algoritminen kaupankäynti on parantanut markkinatehokkuutta hinnanmuodostuksen ja likviditeetin osalta. Merkittäviä negatiivisia vaikutuksia ei huomattu.

Intrapartum hypoxia and power spectral analysis of fetal heart rate variability

Reliable detection of intrapartum fetal acidosis is crucial for preventing morbidity. Hypoxia-related changes of fetal heart rate variability (FHRV) are controlled by the autonomic nervous system. Subtle changes in FHRV that cannot be identified by inspection can be detected and quantified by power spectral analysis. Sympathetic activity relates to low-frequency FHRV and parasympathetic activity to both low- and high-frequency FHRV. The aim was to study whether intra partum fetal acidosis can be detected by analyzing spectral powers of FHRV, and whether spectral powers associate with hypoxia-induced changes in the fetal electrocardiogram and with the pH of fetal blood samples taken intrapartum. The FHRV of 817 R-R interval recordings, collected as a part of European multicenter studies, were analyzed. Acidosis was defined as cord pH ≤ 7.05 or scalp pH ≤ 7.20, and metabolic acidosis as cord pH ≤ 7.05 and base deficit ≥ 12 mmol/l. Intrapartum hypoxia increased the spectral powers of FHRV. As fetal acidosis deepened, FHRV decreased: fetuses with significant birth acidosis had, after an initial increase, a drop in spectral powers near delivery, suggesting a breakdown of fetal compensation. Furthermore, a change in excess of 30% of the low-to-high frequency ratio of FHRV was associated with fetal metabolic acidosis. The results suggest that a decrease in the spectral powers of FHRV signals concern for fetal wellbeing. A single measure alone cannot be used to reveal fetal hypoxia since the spectral powers vary widely intra-individually. With technical developments, continuous assessment of intra-individual changes in spectral powers of FHRV might aid in the detection of fetal compromise due to hypoxia.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaajan pulssintiheysmoduloidun pääteasteen ja prototyypin toteutus

Työssä esiteltävä laite on osa DC-AC hakkuria, jolla muodostetaan 750 V tasajännitteestä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) galvaanisesti erotettua verkkojännitettä. Tasajännite muunnetaan resonanssikonvertterilla korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi, joka johdetaan erotusmuuntajaan. Galvaanisen erotuksen jälkeen korkeataajuisesta vaihtojännitteestä muodostetaan suoraan verkkotaajuista vaihtojännitettä työssä esiteltävällä syklokonvertterilla. Suunnittelussa on pyritty minimoimaan häviöt mahdollisimman tarkkaan, jotta laite olisi kilpailukykyinen ei-galvaanisesti erottavien konverttereiden kanssa. Tämä on toteutettu käyttämällä mahdollisimman vähän komponentteja virran kulkureitillä sekä soveltamalla pehmeää kytkentää kaikissa tilanteissa. Lopuksi esitellään prototyyppi, jonka tarkoitus oli selvittää laitteen toiminta ja ongelmakohdat käytännössä.

Kiteen mekaanisten värähtelyjen vaimentaminen takaisinkytkennällä

Pulseri on laite, joka tuottaa noin 10 MHz:n taajuudella olevan sähköisen pulssin, joka ohjataan kiteeseen. Kide lähettää korkeataajuuksisen ääniaallon ja toimii samalla vastaanottimena kaikuna heijastuneille ääniaalloille. Kide ja membraanikalvo ovat vedessä. Ääniaalto heijastuu takaisin suodatusmembraanikalvosta, jolla on tarkoitus erotella epäpuhtauksia. Membraanikalvo ja kide ovat millimetrin etäisyydellä toisistaan ja ääniaalloilla kestää noin 1,3 mikrosekuntia kulkea kiteestä membraanikalvon pinnalle ja siitä kaikuna takaisin kiteeseen. Saadaksemme luotettavia tuloksia ääniaallon kulkuajasta, kiteen tulee olla värähtelemättömässä tilassa silloin, kun kaikuna palaava pulssi saapuu takaisin. Työssä keskitytään kiteen vaimentamiseen mahdollisimman nopeasti lähetetyn pulssin jälkeen ja siihen liittyviin ongelmiin.

Power-line-communication-based data transmission concept for an LVDC electricity distribution network – Analysis and implementation

Communications play a key role in modern smart grids. New functionalities that make the grids ‘smart’ require the communication network to function properly. Data transmission between intelligent electric devices (IEDs) in the rectifier and the customer-end inverters (CEIs) used for power conversion is also required in the smart grid concept of the low-voltage direct current (LVDC) distribution network. Smart grid applications, such as smart metering, demand side management (DSM), and grid protection applied with communications are all installed in the LVDC system. Thus, besides remote connection to the databases of the grid operators, a local communication network in the LVDC network is needed. One solution applied to implement the communication medium in power distribution grids is power line communication (PLC). There are power cables in the distribution grids, and hence, they may be applied as a communication channel for the distribution-level data. This doctoral thesis proposes an IP-based high-frequency (HF) band PLC data transmission concept for the LVDC network. A general method to implement the Ethernet-based PLC concept between the public distribution rectifier and the customerend inverters in the LVDC grid is introduced. Low-voltage cables are studied as the communication channel in the frequency band of 100 kHz–30 MHz. The communication channel characteristics and the noise in the channel are described. All individual components in the channel are presented in detail, and a channel model, comprising models for each channel component is developed and verified by measurements. The channel noise is also studied by measurements. Theoretical signalto- noise ratio (SNR) and channel capacity analyses and practical data transmission tests are carried out to evaluate the applicability of the PLC concept against the requirements set by the smart grid applications in the LVDC system. The main results concerning the applicability of the PLC concept and its limitations are presented, and suggestion for future research proposed.

Aktiivisen verkkosillan tuottaman yhteismuotoisen jännitteen vaimentaminen kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä, taajuusmuuttajatopologiassa

Pulssinleveysmoduloidun vaihtosuuntaajan hyötysuhteen parantaminen ja kytkentätaajuuden suurentaminen ovat johtaneet lähtöjännitteen suuritaajuiseen taajuussisältöön kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajatopologiassa. Kasvava tarve siirtää tehoa myös verkkoon päin on lisännyt aktiivisen verkkosillan käyttöä. Kaksitasoisen aktiivisen verkkosillan vaikutuksesta DC-välipiirin keskipisteen ja kolmivaiheisen kuorman tähtipisteen välinen jännite on nollasta poikkeava aiheuttaen suurentuneen yhteismuotoisen jännitteen taajuusmuuttajan lähtöön ja verkon puolelle. Lisäksi yhteismuotoisten jännitteiden aiheuttamat kytkentätaajuiset häiriövirrat voivat aiheuttaa vikavirtasuojien tahatonta laukeamista, vaikeuttaa EMC-standardien vaatimusten täyttämistä, lisätä moottorin käämieristyksien rasitusta ja mahdollisuutta moottorin laakerivaurioille. Diplomityössä tutkitaan aktiivisen ja passiivisen verkkosillan tuottamaa yhteismuotoista jännitettä simuloinneilla. Esitellään aikaisempaa tutkimustietoa yhteismuotoisen jännitteen ja virran vaimennusratkaisuista aktiivista verkkosiltaa käytettäessä. Tutkimustiedon pohjalta suunnitellaan koelaitteistolle soveltuva suodin. Suotimen toiminta testataan simuloinnein sekä kokeellisin mittauksin. Tehdyt mittaukset osoittavat, että suunniteltu suodin vaimentaa yhteismuotoista jännitettä noin 20 dB verkkosillan kytkentätaajuudella ja tämän jälkeen yli 20 dB/dekadi taajuuteen 100 kHz asti. Lisäksi yhteismuotoisen virran suuruus syöttökaapelin kautta pieneni ehdotetun suotimen vaikutuksesta.

Pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä

Tässä diplomityössä määritettiin pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä. Työn tavoitteena oli vertailla eri jälkikäsittelyjen ja kahden eri materiaalin vaikutusta väsymislujuuteen. Materiaaleina kokeissa oli Ruukki double grade ja Optim 700 Plus MH. Eurokoodi 3 ja IIW määrittelee kiinnityshitseille väsymiskestävyysluokaksi 125-140, kun SN -käyrän kaltevuus, m = 3. Koetuloksia vertailtiin näihin valmiiksi määriteltyihin väsymiskestävyysluokkiin. Ruukki Metals Oy toimitti koemateriaalin kahdenlaisia väsytyskokeita varten, joiden avulla väsymislujuus voitiin määrittää. Ensimmäinen koe suoritettiin värähtelyllä hyödyntäen rakenneputken ominaistaajuutta, jolloin kuormituksen rajajännityssuhde on -1. Toinen väsytyskoe suoritettiin rakenneputkista leikatuille väsytyssauvoille, missä pituussuuntainen HF –hitsi on keskellä sauvaa. Tämä väsytyskoe suoritettiin vetotykytyksellä rajajännityssuhteella 0,1. Väsytyskokeissa havaittiin, että kiinnityshitsi täyttää sille asetetut vaatimukset, koska murtumat tapahtuivat perusaineesta. Tällöin koetuloksia vertaillaan Eurokoodi 3:n perusaineen väsymisluokkaan 160, SN -käyrän kaltevuudella m = 5. Kaikkien koetulosten väsymiskestävyysluokan keskiarvoksi saatiin 185 95 %:n todennäköisyydellä. Tutkimuksessa saatiin arvokasta tietoa kahden eri materiaalin väsymislujuudesta. Materiaalilla ei kuitenkaan havaittu vaikutusta lujuuteen. Eri jälkikäsittelyt eli juuren puolen metallipurseen höyläys tai pituussuuntaisen hitsisauman hehkutus eivät vaikuttaneet väsymislujuuteen. Kokeissa väsymismurtuma ydintyi rakenneputken pinnalta olevista alkuvioista, joten putkien käsittelyä valmistuksen jälkeen voitaisiin parantaa.

Changing teachers´ practices in regular schools enrolling children with visual impairment

The number of persons with visual impairment in Tanzania is estimated to over 1.6 million. About half a million of these persons are children aged 7-13. Only about 1% of these children are enrolled in schools. The special schools and units are too few and in most cases they are far away from the children’s homes. More and more regular schools are enrolling children with visual impairment, but the schools lack financial resources, tactile teaching materials and trained special education teachers. Children with visual impairment enrolled in regular schools seldom get enough support and often fail in examinations. The general aim of this study was to contribute to increased knowledge and understanding about how teachers can change their teaching practices and thus facilitate the learning of children with visual impairment included in regular classrooms as they participate in an action research project. The project was conducted in a primary school in a poor rural region with a high frequency of blindness and visual impairment. The school was poorly resourced and the average number of pupils per class was 90. The teachers who participated in the collaborative action research project were the 14 teachers who taught blind or visually impaired pupils in grades 4 and 6, in total 6 pupils. The action research project was conducted during a period of 6 months and was carried out in five cycles. The teachers were actively involved in all the project activities; identifying challenges, planning solutions, producing teaching materials, reflecting on outcomes, collaborating and evaluating. Empirical data was collected with questionnaires, interviews, observations and focus group discussions. The findings of the study show that the teachers managed to change their teaching practices through systematic reflection, analysis and collaboration. The teachers produced a variety of tactile teaching materials, which facilitated the learning of the pupils with visual impairment. The pupils learned better and felt more included in the regular classes. The teachers gained new knowledge and skills. They grew professionally and started to collaborate with each other. The study contributes to new knowledge of how collaborative action research can be conducted in the area of special education in a Tanzanian school context. The study has also relevance to the planning of school-based professional development programs and teacher education programs in Tanzania and in other low-income countries. The results also point at strategies which can promote inclusion of children with disabilities in regular schools.

Aircraft tracking and classification with vhf passive bistatic radar

Since the times preceding the Second World War the subject of aircraft tracking has been a core interest to both military and non-military aviation. During subsequent years both technology and configuration of the radars allowed the users to deploy it in numerous fields, such as over-the-horizon radar, ballistic missile early warning systems or forward scatter fences. The latter one was arranged in a bistatic configuration. The bistatic radar has continuously re-emerged over the last eighty years for its intriguing capabilities and challenging configuration and formulation. The bistatic radar arrangement is used as the basis of all the analyzes presented in this work. The aircraft tracking method of VHF Doppler-only information, developed in the first part of this study, is solely based on Doppler frequency readings in relation to time instances of their appearance. The corresponding inverse problem is solved by utilising a multistatic radar scenario with two receivers and one transmitter and using their frequency readings as a base for aircraft trajectory estimation. The quality of the resulting trajectory is then compared with ground-truth information based on ADS-B data. The second part of the study deals with the developement of a method for instantaneous Doppler curve extraction from within a VHF time-frequency representation of the transmitted signal, with a three receivers and one transmitter configuration, based on a priori knowledge of the probability density function of the first order derivative of the Doppler shift, and on a system of blocks for identifying, classifying and predicting the Doppler signal. The extraction capabilities of this set-up are tested with a recorded TV signal and simulated synthetic spectrograms. Further analyzes are devoted to more comprehensive testing of the capabilities of the extraction method. Besides testing the method, the classification of aircraft is performed on the extracted Bistatic Radar Cross Section profiles and the correlation between them for different types of aircraft. In order to properly estimate the profiles, the ADS-B aircraft location information is adjusted based on extracted Doppler frequency and then used for Bistatic Radar Cross Section estimation. The classification is based on seven types of aircraft grouped by their size into three classes.

Improving Cost-Efficiency and Reducing Environmental Impacts of Intermodal Transportation with Dry Port Concept – Major Rail Transport Corridor in Baltic Sea Region

Transportation plays a major role in the gross domestic product of various nations. There are, however, many obstacles hindering the transportation sector. Cost-efficiency along with proper delivery times, high frequency and reliability are not a straightforward task. Furthermore, environmental friendliness has increased the importance of the whole transportation sector. This development will change roles inside the transportation sector. Even now, but especially in the future, decisions regarding the transportation sector will be partly based on emission levels and other externalities originating from transportation in addition to pure transportation costs. There are different factors, which could have an impact on the transportation sector. IMO’s sulphur regulation is estimated to increase the costs of short sea shipping in the Baltic Sea. Price development of energy could change the roles of different transport modes. Higher awareness of the environmental impacts originating from transportation could also have an impact on the price level of more polluting transport modes. According to earlier research, increased inland transportation, modal shift and slowsteaming can be possible results of these changes in the transportation sector. Possible changes in the transportation sector and ways to settle potential obstacles are studied in this dissertation. Furthermore, means to improve cost-efficiency and to decrease environmental impacts originating from transportation are researched. Hypothetical Finnish dry port network and Rail Baltica transport corridor are studied in this dissertation. Benefits and disadvantages are studied with different methodologies. These include gravitational models, which were optimized with linear integer programming, discrete-event and system dynamics simulation, an interview study and a case study. Geographical focus is on the Baltic Sea Region, but the results can be adapted to other geographical locations with discretion. Results indicate that the dry port concept has benefits, but optimization regarding the location and the amount of dry ports plays an important role. In addition, the utilization of dry ports for freight transportation should be carefully operated, since only a certain amount of total freight volume can be cost-efficiently transported through dry ports. If dry ports are created and located without proper planning, they could actually increase transportation costs and delivery times of the whole transportation system. With an optimized dry port network, transportation costs can be lowered in Finland with three to five dry ports. Environmental impacts can be lowered with up to nine dry ports. If more dry ports are added to the system, the benefits become very minor, i.e. payback time of investments becomes extremely long. Furthermore, dry port network could support major transport corridors such as Rail Baltica. Based on an analysis of statistics and interview study, there could be enough freight volume available for Rail Baltica, especially, if North-West Russia is part of the Northern end of the corridor. Transit traffic to and from Russia (especially through the Baltic States) plays a large role. It could be possible to increase transit traffic through Finland by connecting the potential Finnish dry port network and the studied transport corridor. Additionally, sulphur emission regulation is assumed to increase the attractiveness of Rail Baltica in the year 2015. Part of the transit traffic could be rerouted along Rail Baltica instead of the Baltic Sea, since the price level of sea transport could increase due to the sulphur regulation. Both, the hypothetical Finnish dry port network and Rail Baltica transport corridor could benefit each other. The dry port network could gain more market share from Russia, but also from Central Europe, which is the other end of Rail Baltica. In addition, further Eastern countries could also be connected to achieve higher potential freight volume by rail.

Sotilassovelluksissa käytettävät vaimenemismallit VHF-taajuusalueella

Radioaalloilla on rajallinen kantama. Tämän kantaman rajallisuus johtuu radioaaltojen vaimenemisesta yhteysvälillä etäisyyden ja esteiden vaikutuksesta. VHF-taajuusalueella (30–300 MHz) radioaaltojen eteneminen tapahtuu pääosin näköyhteysreittiä, minkä vuoksi niiden vaimenemista pystytään ennustamaan tyydyttävällä tarkkuudella. Vaimenemisen ennustamiseen on käytössä kehittyneitä ohjelmistosovelluksia, kuten ranskalainen HTZ re -ohjelmisto, mutta yleisluontoinen työväline karkeaan mallintamiseen puuttuu. Tutkielmassa selvitetään kirjallisuuskatsauksen avulla mitkä ulkoiset tekijät vaikuttavat VHF-vastaanottimelle saapuvan signaalin voimakkuuteen, esitellään radioaaltojen etenemiseen liittyviä peruskäsitteitä sekä kuvataan esimerkki mahdollisuudesta yksinkertaisella tavalla mallintaa yhteysväli maastokartan perusteella. Tutkielmassa esitetään valikoitu määrä sotilassovelluksissa käytettyjä yleisimpiä vaimenemismalleja kuten vapaan tilan eteneminen, kahden säteen eteneminen sekä esteiden vaimennuksen ennustamiseen käytettävä veitsenterämalli. Lisäksi esitetään yleisimpiä yhteysvälin kokonaisvaimenemisen ennustamiseen käytettyjä laskentametodeja kuten Kansainvälisen televiestintäliiton (ITU) diffraktiomalli ja HTZ Warfare -ohjelmistoon varta vasten luotu ns. Fresnelin metodi. Tutkielmassa kuvataan matemaattisen mallinnuksen ja kolmen laskuesimerkin avulla, kuinka vertailuun valikoidut kokonaisvaimenemisen ennustamismetodit tuottavat toisistaan poikkeavia arvioita sekä selvitetään, mistä nämä erot johtuvat. Laskuesimerkkien tulosten perusteella havaittiin eri laskentametodien tuottavan suuresti toisistaan poikkeavia ennusteita. Tämä johtuu muun muassa mallien erilaisista painotuksista antennien korkeuden huomioimisessa sekä erilaisesta tavasta käsitellä yhteysvälin esteitä. Samassa yhteydessä havaittiin, että mikään vertailluissa malleista ei itsessään ota huomioon taajuuden nostamisen aiheuttamaa kasvuston vaimennuksen kasvamista. Kirjallisuuskatsauksen perusteella ITU:n suositusasiakirjoilla on vakiintunut asema vaimenemisen mallintamisessa ja niitä hyödyntäessään käyttäjällä on tukenaan laajan tiedeyhteisön vertaisarvioitu tutkimus. Myös HTZ Warfare -ohjelmiston Fresnelin metodin on yksittäisissä Suomessa suoritetuissa mittaustutkimuksissa havaittu tuottavan hyviä tuloksia. Kokonaisuudessaan tutkielmassa havaittiin, että yksi malli ei sovellu kaikkeen. Tämän vuoksi mallinnusta suorittavan on syytä tuntea erilaisten mallien toimintaperiaatteet ja niistä aiheutuvat mahdolliset rajoitteet. Ymmärryksen lisäämisen ohella yksinkertaisten mallien tunteminen mahdollistaa niiden soveltamisen toimintaolosuhteissa, joissa varsinaisia mallinnusohjelmistoja ei jostain syystä ole käytettävissä. Työn ohessa esitetty taulukkolaskentapohja ohjaa käyttäjäänsä ja mahdollistaa yksinkertaisten vaimenemismallien avulla laskemisen maastokartan tarjoamilla pohjatiedoilla. Taulukkolaskentasovellus sisältyy tutkielman CD-ROM-julkaisuun.