Vaihtosuuntaajan reaaliaikainen lämpömalli

Vaihtosuuntaajan IGBT-moduulin liitosten lämpötiloja ei voida suoraan mitata, joten niiden arviointiin tarvitaan reaaliaikainen lämpömalli. Tässä työssä on tavoitteena kehittää tähän tarkoitukseen C-kielellä implementoitu ratkaisu, joka on riittävän tarkka ja samalla mahdollisimman laskennallisesti tehokas. Ohjelmallisen toteutuksen täytyy myös sopia erilaisille moduulityypeille ja sen on tarvittaessa otettava huomioon saman moduulin muiden sirujen lämmittävä vaikutus toisiinsa. Kirjallisuuskatsauksen perusteella valitaan olemassa olevista lämpömalleista käytännön toteutuksen pohjaksi lämpöimpedanssimatriisiin perustuva malli. Lämpöimpedanssimatriisista tehdään Simulink-ohjelmalla s-tason simulointimalli, jota käytetään referenssinä muun muassa implementoinnin tarkkuuden verifiointiin. Lämpömalli tarvitsee tiedon vaihtosuuntaajan häviöistä, joten työssä on selvitetty eri vaihtoehtoja häviölaskentaan. Lämpömallin kehittäminen s-tason mallista valmiiksi C-kieliseksi koodiksi on kuvattu tarkasti. Ensin s-tason malli diskretoidaan z-tasoon. Z-tason siirtofunktiot muutetaan puolestaan ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöiksi. Työssä kehitetty monen aikatason lämpömalli saadaan jakamalla ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöt eri aikatasoille suoritettavaksi sen mukaan, mikä niiden kuvaileman termin vaatima päivitysnopeus on. Tällainen toteutus voi parhaimmillaan kuluttaa alle viidesosan kellojaksoja verrattuna suoraviivaiseen yhden aikatason toteutukseen. Implementoinnin tarkkuus on hyvä. Implementoinnin vaatimia suoritusaikoja testattiin Texas Instrumentsin TMS320C6727- prosessorilla (300 MHz). Esimerkkimallin laskemisen määritettiin kuluttavan vaihtosuuntaajan toimiessa 5 kHz kytkentätaajuudella vain 0,4 % prosessorin kellojaksoista. Toteutuksen tarkkuus ja laskentakapasiteetin vähäinen vaatimus mahdollistavat lämpömallin käyttämisen lämpösuojaukseen ja lisäämisen osaksi muuta jo prosessorilla olemassa olevaa systeemiä.

Vuotasapainon hallinta kokosiltasyötetyssä muuntajassa

Keskitaajuudella toimivia muuntajia käytetään laajalti tehoelektroniikkasovelluksissa kuten DC/DC-konverttereissa ja muissa hakkuriteholähteissä. Muuntaja on induktiivinen komponentti, jonka magneettisen tasapainon säilyttäminen hakkuriteholähteissä on laitteen virheettömän toiminnan kannalta tärkeää. Muuntajaa syöttävän virtapiirin on muodostettava symmetrinen syöttöjännite, jotta muuntajan vuo ei ajaudu positiiviseen tai negatiiviseen kyllästykseen. Tässä diplomityössä esitetään muuntajan sähkömagneettinen toimintaperiaate, kyllästymisen syyt hakkuriteholähteissä sekä kehitetään aktiivinen ohjaus vuotasapainon säilyttämiseksi. Hakkuriteholähteissä käytettävissä muuntajissa on monesti useampi kuin kaksi käämiä. Tässä työssä tutkittavassa muuntajassa on useita ensiöitä ja useita toisioita ja muuntajaa syötetään keskitaajuudella. Tämä tuo uusia ongelmia verrattuna perinteiseen yksivaiheiseen DC/DC-konvertteriin. Näihin ongelmiin esitetään ratkaisut diplomityön tutkimuksessa.

Esiopetuskirjojen harjoitukset kielellisen tietoisuuden kehittäjinä

Tutkimus oli kasvatustieteellinen varhaiskasvatuksen alan tutkimus, jossa hyödynnettiin kielitieteellistä käsitteistöä. Tutkimuksen kohteena olivat esiopetuskirjojen kielellisen tietoisuuden harjoitukset. Aineistona oli 12 esiopetuksen harjoituskirjaa ja opettajan opasta. Kirjoissa oli yhteensä yli 2000 sivua ja yli 1300 harjoitusta. Tarkemmassa analyysissä olleiden harjoitusten määrä oli noin 460. Analyysimenetelmänä käytettiin sisällönanalyysiä, jonka avulla tutkittiin, millaisia kielellisen tietoisuuden harjoituksia esiopetuskirjoissa oli ja miten harjoitukset etenivät. Kielellisen tietoisuuden harjoitukset luokiteltiin fonologisen, morfologisen ja syntaktisen tietoisuuden harjoituksiin. Fonologinen tietoisuus käsitettiin lapsen kyvyksi havaita ja käsitellä kielen äännerakennetta. Morfologisella tietoisuudella tarkoitettiin kykyä havaita ja käsitellä kielen morfeemeja eli pienimpiä merkityksellisiä osia. Syntaktisella tietoisuudella tarkoitettiin lapsen tietoisuutta siitä, miten lauseet rakentuvat. Olennaisiksi piirteiksi fonologisen tietoisuuden harjoituksissa identifioituivat harjoitusten edellyttämä tai harjoittama tietoisuuden taso, harjoitusten kohteena olevien lingvististen yksiköiden taso ja harjoitustyyppi sekä morfologisen ja syntaktisen tietoisuuden harjoituksissa tietoisuuden taso ja harjoitustyyppi. Tutkimuksessa luotiin aikaisempien tutkimusten pohjalta mallit siitä, miten eri harjoitukset etenisivät optimaalisesti lapsen kielellisen tietoisuuden kehittymisen kannalta. Eri harjoituskirjojen harjoitusten etenemistä verrattiin näihin malleihin. Fonologisen tietoisuuden harjoituksista voitiin tunnistaa viisi päätyyppiä, joista useat jakautuivat vielä alatyypeiksi. Harjoitusten alatyypit ilmaisivat yleensä harjoituksissa käytettävän kognitiivisen operaation – käytettiinkö harjoituksessa tunnistamista, yhdistämistä vai osiin jakamista. Tämä samoin kuin harjoituksessa käytetty lingvistinen yksikkö (sana, loppusointu, tavu tai äänne) ja tietoisuuden taso olivat yhteydessä harjoituksen vaikeuteen. Tutkimuksissa ja interventioissa esiopetusikäisilläkin käytettyjä muunteluharjoituksia, joissa sanasta tai tavusta poistetaan osa, siihen lisätään osa tai osaa siirretään, harjoituskirjoissa ei ollut. Morfologisen tietoisuuden harjoitukset kohdistuivat yhdyssanoihin, taivutuspäätteisiin tai johdoksiin. Syntaktisen tietoisuuden harjoituksista identifioitui yhdentoista harjoituslajin alatyypin kautta kuusi päätyyppiä. Tutkimusta voidaan hyödyntää esiopetuskirjojen arvioinnissa ja laatimisessa sekä varhaiskasvatus- ja esiopetuspedagogiikassa.

Algorithmic Solutions for Combinatorial Problems in Resource Management of Manufacturing Environments

This thesis studies the use of heuristic algorithms in a number of combinatorial problems that occur in various resource constrained environments. Such problems occur, for example, in manufacturing, where a restricted number of resources (tools, machines, feeder slots) are needed to perform some operations. Many of these problems turn out to be computationally intractable, and heuristic algorithms are used to provide efficient, yet sub-optimal solutions. The main goal of the present study is to build upon existing methods to create new heuristics that provide improved solutions for some of these problems. All of these problems occur in practice, and one of the motivations of our study was the request for improvements from industrial sources. We approach three different resource constrained problems. The first is the tool switching and loading problem, and occurs especially in the assembly of printed circuit boards. This problem has to be solved when an efficient, yet small primary storage is used to access resources (tools) from a less efficient (but unlimited) secondary storage area. We study various forms of the problem and provide improved heuristics for its solution. Second, the nozzle assignment problem is concerned with selecting a suitable set of vacuum nozzles for the arms of a robotic assembly machine. It turns out that this is a specialized formulation of the MINMAX resource allocation formulation of the apportionment problem and it can be solved efficiently and optimally. We construct an exact algorithm specialized for the nozzle selection and provide a proof of its optimality. Third, the problem of feeder assignment and component tape construction occurs when electronic components are inserted and certain component types cause tape movement delays that can significantly impact the efficiency of printed circuit board assembly. Here, careful selection of component slots in the feeder improves the tape movement speed. We provide a formal proof that this problem is of the same complexity as the turnpike problem (a well studied geometric optimization problem), and provide a heuristic algorithm for this problem.

Modeling and Analysis of Noise and Interconnects for On-Chip Communication Link Design

This thesis considers modeling and analysis of noise and interconnects in onchip communication. Besides transistor count and speed, the capabilities of a modern design are often limited by on-chip communication links. These links typically consist of multiple interconnects that run parallel to each other for long distances between functional or memory blocks. Due to the scaling of technology, the interconnects have considerable electrical parasitics that affect their performance, power dissipation and signal integrity. Furthermore, because of electromagnetic coupling, the interconnects in the link need to be considered as an interacting group instead of as isolated signal paths. There is a need for accurate and computationally effective models in the early stages of the chip design process to assess or optimize issues affecting these interconnects. For this purpose, a set of analytical models is developed for on-chip data links in this thesis. First, a model is proposed for modeling crosstalk and intersymbol interference. The model takes into account the effects of inductance, initial states and bit sequences. Intersymbol interference is shown to affect crosstalk voltage and propagation delay depending on bus throughput and the amount of inductance. Next, a model is proposed for the switching current of a coupled bus. The model is combined with an existing model to evaluate power supply noise. The model is then applied to reduce both functional crosstalk and power supply noise caused by a bus as a trade-off with time. The proposed reduction method is shown to be effective in reducing long-range crosstalk noise. The effects of process variation on encoded signaling are then modeled. In encoded signaling, the input signals to a bus are encoded using additional signaling circuitry. The proposed model includes variation in both the signaling circuitry and in the wires to calculate the total delay variation of a bus. The model is applied to study level-encoded dual-rail and 1-of-4 signaling. In addition to regular voltage-mode and encoded voltage-mode signaling, current-mode signaling is a promising technique for global communication. A model for energy dissipation in RLC current-mode signaling is proposed in the thesis. The energy is derived separately for the driver, wire and receiver termination.

Novel force control methods in a teleoperation system of a hydraulic slider

The objective of the this research project is to develop a novel force control scheme for the teleoperation of a hydraulically driven manipulator, and to implement an ideal transparent mapping between human and machine interaction, and machine and task environment interaction. This master‘s thesis provides a preparatory study for the present research project. The research is limited into a single degree of freedom hydraulic slider with 6-DOF Phantom haptic device. The key contribution of the thesis is to set up the experimental rig including electromechanical haptic device, hydraulic servo and 6-DOF force sensor. The slider is firstly tested as a position servo by using previously developed intelligent switching control algorithm. Subsequently the teleoperated system is set up and the preliminary experiments are carried out. In addition to development of the single DOF experimental set up, methods such as passivity control in teleoperation are reviewed. The thesis also contains review of modeling of the servo slider in particular reference to the servo valve. Markov Chain Monte Carlo method is utilized in developing the robustness of the model in presence of noise.

Teholähteet led-valaistuksessa ja sopivan valinta kotitalouskäyttöön

Led-valaisun kehitys on mahdollistanut sen käytön kodin yleisvalaistuksessa. Työssä tutkitaan eri led-valaisuun soveltuvia teholähteitä, joista valitaan teknisiltä ominaisuuksiltaan sopivin kodin yleiskäyttöön. Tutkittavia teholähteitä ovat lineaariset ja hakkuriteholähteet. Teholähteiden ominaisuuksista tarkastellaan hyötysuhteita ja tehokertoimia, joista molempien perusteella sopivin teholähdetyyppi valitaan.

Loss Modelling of Three-Level Inverters controlled with Space Vector Modulation Technique

The objective of this master’s thesis is to investigate the loss behavior of three-level ANPC inverter and compare it with conventional NPC inverter. The both inverters are controlled with mature space vector modulation strategy. In order to provide the comparison both accurate and detailed enough NPC and ANPC simulation models should be obtained. The similar control model of SVM is utilized for both NPC and ANPC inverter models. The principles of control algorithms, the structure and description of models are clarified. The power loss calculation model is based on practical calculation approaches with certain assumptions. The comparison between NPC and ANPC topologies is presented based on results obtained for each semiconductor device, their switching and conduction losses and efficiency of the inverters. Alternative switching states of ANPC topology allow distributing losses among the switches more evenly, than in NPC inverter. Obviously, the losses of a switching device depend on its position in the topology. Losses distribution among the components in ANPC topology allows reducing the stress on certain switches, thus losses are equally distributed among the semiconductors, however the efficiency of the inverters is the same. As a new contribution to earlier studies, the obtained models of SVM control, NPC and ANPC inverters have been built. Thus, this thesis can be used in further more complicated modelling of full-power converters for modern multi-megawatt wind energy conversion systems.

Stochastic variability of output levels in a pulp mill

Quite often, in the construction of a pulp mill involves establishing the size of tanks which will accommodate the material from the various processes in which case estimating the right tank size a priori would be vital. Hence, simulation of the whole production process would be worthwhile. Therefore, there is need to develop mathematical models that would mimic the behavior of the output from the various production units of the pulp mill to work as simulators. Markov chain models, Autoregressive moving average (ARMA) model, Mean reversion models with ensemble interaction together with Markov regime switching models are proposed for that purpose.

Externally excited synchronous machine: Testing the automation concept

This bachelor’s thesis is a part of the research project realized in the summer 2011 in Lappeenranta University of Technology. The goal of the project was to develop an automation concept for controlling the externally excited synchronous motor. Thesis concentrates on the testing planning and testing the system. Testing plan was made for three sectors: For the PLC program testing, for the communication testing and for the whole system testing. PLC program was tested with white box and destructive methods. Communication testing was done by switching maximum com-munication speed and checked if communication was reliable. Whole system testing included among other things speed and torque controlling. The system was tested with exploratory testing also. This enabled more reliable and broader testing than with systematical testing only.

Tasasähköverkon modulaarisen vaihtosuuntaajan rakenne- ja kustannusanalyysi

Diplomityössä tarkastellaan tapausta, jossa tasasähköverkon vaihtosuuntaaja toteutetaan kolmella yksivaiheisella suuntaajalla yhden kolmivaiheisen sijaan. Modulaarinen rakenne mahdollistaa sen, että osa vaiheista voitaisiin sammuttaa kun kuormitus on erittäin pientä eikä kuorma ole kolmivaiheista. Galvaaninen erotus oletetaan tehtävän erottavalla DC-DC -konvertterilla, joka mahdollistaa samalla vaihtosuuntaajan DC-syöttöjännitteen muuttamisen. Työssä tutkitaan, mitkä tekijät vaikuttavat DC-syöttöjännitteen valintaan sekä tehdään valinta kyseisen jännitteen arvolle. Valittua jännitetasoa käytetään vaihtosuuntaajan suunnittelemiseen. Vaihtosuuntaajan rakennetta tarkastellaan vaihtosuuntaussillan kytkinkomponenttien sekä lähtöjännitteen suotimen osalta. Yksivaiheiselle moduulille määritetään optimaalinen teholuokka investointi- ja käyttökustannusten kannalta. Tarkastelu pitää sisällään erilaisten transistoritekniikkojen, kytkentätaajuuksien sekä kahden suodintyypin vaikutuksen kustannustehokkuuteen.

Active inverter output filtering methods

Frequency converters are widely used in the industry to enable better controllability and efficiency of variable speed AC motor drives. Despite these advantages, certain challenges concerning the inverter and motor interfacing have been present for decades. As insulated gate bipolar transistors entered the market, the inverter output voltage transition rate significantly increased compared with their predecessors. Inverters operate based on pulse width modulation of the output voltage, and the steep voltage edge fed by the inverter produces a motor terminal overvoltage. The overvoltage causes extra stress to the motor insulation, which may lead to a prematuremotor failure. The overvoltage is not generated by the inverter alone, but also by the sum effect of the motor cable length and the impedance mismatch between the cable and the motor. Many solutions have been shown to limit the overvoltage, and the mainstream products focus on passive filters. This doctoral thesis studies an alternative methodology for motor overvoltage reduction. The focus is on minimization of the passive filter dimensions, physical and electrical, or better yet, on operation without any filter. This is achieved by additional inverter control and modulation. The studied methods are implemented on different inverter topologies, varying in nominal voltage and current.For two-level inverters, the studied method is termed active du/dt. It consists of a small output LC filter, which is controlled by an independent modulator. The overvoltage is limited by a reduced voltage transition rate. For multilevel inverters, an overvoltage mitigation method operating without a passive filter, called edge modulation, is implemented. The method uses the capability of the inverter to produce two switching operations in the same direction to cancel the oscillating voltages of opposite phases. For parallel inverters, two methods are studied. They are both intended for two-level inverters, but the first uses individual motor cables from each inverter while the other topology applies output inductors. The overvoltage is reduced by interleaving the switching operations to produce a similar oscillation accumulation as with the edge modulation. The implementation of these methods is discussed in detail, and the necessary modifications to the control system of the inverter are presented. Each method is experimentally verified by operating industrial frequency converters with the modified control. All the methods are found feasible, and they provide sufficient overvoltage protection. The limitations and challenges brought about by the methods are discussed.

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.

Performance and scalability of isolated DC-DC converter topologies in low voltage, high current applications

Fuel cells are a promising alternative for clean and efficient energy production. A fuel cell is probably the most demanding of all distributed generation power sources. It resembles a solar cell in many ways, but sets strict limits to current ripple, common mode voltages and load variations. The typically low output voltage from the fuel cell stack needs to be boosted to a higher voltage level for grid interfacing. Due to the high electrical efficiency of the fuel cell, there is a need for high efficiency power converters, and in the case of low voltage, high current and galvanic isolation, the implementation of such converters is not a trivial task. This thesis presents galvanically isolated DC-DC converter topologies that have favorable characteristics for fuel cell usage and reviews the topologies from the viewpoint of electrical efficiency and cost efficiency. The focus is on evaluating the design issues when considering a single converter module having large current stresses. The dominating loss mechanism in low voltage, high current applications is conduction losses. In the case of MOSFETs, the conduction losses can be efficiently reduced by paralleling, but in the case of diodes, the effectiveness of paralleling depends strongly on the semiconductor material, diode parameters and output configuration. The transformer winding losses can be a major source of losses if the windings are not optimized according to the topology and the operating conditions. Transformer prototyping can be expensive and time consuming, and thus it is preferable to utilize various calculation methods during the design process in order to evaluate the performance of the transformer. This thesis reviews calculation methods for solid wire, litz wire and copper foil winding losses, and in order to evaluate the applicability of the methods, the calculations are compared against measurements and FEM simulations. By selecting a proper calculation method for each winding type, the winding losses can be predicted quite accurately before actually constructing the transformer. The transformer leakage inductance, the amount of which can also be calculated with reasonable accuracy, has a significant impact on the semiconductor switching losses. Therefore, the leakage inductance effects should also be taken into account when considering the overall efficiency of the converter. It is demonstrated in this thesis that although there are some distinctive differences in the loss distributions between the converter topologies, the differences in the overall efficiency can remain within a range of a few percentage points. However, the optimization effort required in order to achieve the high efficiencies is quite different in each topology. In the presence of practical constraints such as manufacturing complexity or cost, the question of topology selection can become crucial.

Training executive functions in the laboratory and in real life : cognitive consequences of computer-based exercises and bilingualism

The question of the trainability of executive functions and the impact of such training on related cognitive skills has stirred considerable research interest. Despite a number of studies investigating this, the question has not yet been solved. The general aim of this thesis was to investigate two very different types of training of executive functions: laboratory-based computerized training (Studies I-III) and realworld training through bilingualism (Studies IV-V). Bilingualism as a kind of training of executive functions is based on the idea that managing two languages requires executive resources, and previous studies have suggested a bilingual advantage in executive functions. Three executive functions were studied in the present thesis: updating of working memory (WM) contents, inhibition of irrelevant information, and shifting between tasks and mental sets. Studies I-III investigated the effects of computer-based training of WM updating (Study I), inhibition (Study II), and set shifting (Study III) in healthy young adults. All studies showed increased performance on the trained task. More importantly, improvement on an untrained task tapping the trained executive function (near transfer) was seen in Study I and II. None of the three studies showed improvement on untrained tasks tapping some other cognitive function (far transfer) as a result of training. Study I also used PET to investigate the effects of WM updating training on a neurotransmitter closely linked to WM, namely dopamine. The PET results revealed increased striatal dopamine release during WM updating performance as a result of training. Study IV investigated the ability to inhibit task-irrelevant stimuli in bilinguals and monolinguals by using a dichotic listening task. The results showed that the bilinguals exceeded the monolinguals in inhibiting task-irrelevant information. Study V introduced a new, complementary research approach to study the bilingual executive advantage and its underlying mechanisms. To circumvent the methodological problems related to natural groups design, this approach focuses only on bilinguals and examines whether individual differences in bilingual behavior correlate with executive task performances. Using measures that tap the three above-entioned executive functions, the results suggested that more frequent language switching was associated with better set shifting skills, and earlier acquisition of the second language was related to better inhibition skills. In conclusion, the present behavioral results showed that computer-based training of executive functions can improve performance on the trained task and on closely related tasks, but does not yield a more general improvement of cognitive skills. Moreover, the functional neuroimaging results reveal that WM training modulates striatal dopaminergic function, speaking for training-induced neural plasticity in this important neurotransmitter system. With regard to bilingualism, the results provide further support to the idea that bilingualism can enhance executive functions. In addition, the new complementary research approach proposed here provides some clues as to which aspects of everyday bilingual behavior may be related to the advantage in executive functions in bilingual individuals.