Power semiconductor nonlinearities in active du/dt output filtering

This doctoral thesis introduces an improved control principle for active du/dt output filtering in variable-speed AC drives, together with performance comparisons with previous filtering methods. The effects of power semiconductor nonlinearities on the output filtering performance are investigated. The nonlinearities include the timing deviation and the voltage pulse waveform distortion in the variable-speed AC drive output bridge. Active du/dt output filtering (ADUDT) is a method to mitigate motor overvoltages in variable-speed AC drives with long motor cables. It is a quite recent addition to the du/dt reduction methods available. This thesis improves on the existing control method for the filter, and concentrates on the lowvoltage (below 1 kV AC) two-level voltage-source inverter implementation of the method. The ADUDT uses narrow voltage pulses having a duration in the order of a microsecond from an IGBT (insulated gate bipolar transistor) inverter to control the output voltage of a tuned LC filter circuit. The filter output voltage has thus increased slope transition times at the rising and falling edges, with an opportunity of no overshoot. The effect of the longer slope transition times is a reduction in the du/dt of the voltage fed to the motor cable. Lower du/dt values result in a reduction in the overvoltage effects on the motor terminals. Compared with traditional output filtering methods to accomplish this task, the active du/dt filtering provides lower inductance values and a smaller physical size of the filter itself. The filter circuit weight can also be reduced. However, the power semiconductor nonlinearities skew the filter control pulse pattern, resulting in control deviation. This deviation introduces unwanted overshoot and resonance in the filter. The controlmethod proposed in this thesis is able to directly compensate for the dead time-induced zero-current clamping (ZCC) effect in the pulse pattern. It gives more flexibility to the pattern structure, which could help in the timing deviation compensation design. Previous studies have shown that when a motor load current flows in the filter circuit and the inverter, the phase leg blanking times distort the voltage pulse sequence fed to the filter input. These blanking times are caused by excessively large dead time values between the IGBT control pulses. Moreover, the various switching timing distortions, present in realworld electronics when operating with a microsecond timescale, bring additional skew to the control. Left uncompensated, this results in distortion of the filter input voltage and a filter self-induced overvoltage in the form of an overshoot. This overshoot adds to the voltage appearing at the motor terminals, thus increasing the transient voltage amplitude at the motor. This doctoral thesis investigates the magnitude of such timing deviation effects. If the motor load current is left uncompensated in the control, the filter output voltage can overshoot up to double the input voltage amplitude. IGBT nonlinearities were observed to cause a smaller overshoot, in the order of 30%. This thesis introduces an improved ADUDT control method that is able to compensate for phase leg blanking times, giving flexibility to the pulse pattern structure and dead times. The control method is still sensitive to timing deviations, and their effect is investigated. A simple approach of using a fixed delay compensation value was tried in the test setup measurements. The ADUDT method with the new control algorithm was found to work in an actual motor drive application. Judging by the simulation results, with the delay compensation, the method should ultimately enable an output voltage performance and a du/dt reduction that are free from residual overshoot effects. The proposed control algorithm is not strictly required for successful ADUDT operation: It is possible to precalculate the pulse patterns by iteration and then for instance store them into a look-up table inside the control electronics. Rather, the newly developed control method is a mathematical tool for solving the ADUDT control pulses. It does not contain the timing deviation compensation (from the logic-level command to the phase leg output voltage), and as such is not able to remove the timing deviation effects that cause error and overshoot in the filter. When the timing deviation compensation has to be tuned-in in the control pattern, the precalculated iteration method could prove simpler and equally good (or even better) compared with the mathematical solution with a separate timing compensation module. One of the key findings in this thesis is the conclusion that the correctness of the pulse pattern structure, in the sense of ZCC and predicted pulse timings, cannot be separated from the timing deviations. The usefulness of the correctly calculated pattern is reduced by the voltage edge timing errors. The doctoral thesis provides an introductory background chapter on variable-speed AC drives and the problem of motor overvoltages and takes a look at traditional solutions for overvoltage mitigation. Previous results related to the active du/dt filtering are discussed. The basic operation principle and design of the filter have been studied previously. The effect of load current in the filter and the basic idea of compensation have been presented in the past. However, there was no direct way of including the dead time in the control (except for solving the pulse pattern manually by iteration), and the magnitude of nonlinearity effects had not been investigated. The enhanced control principle with the dead time handling capability and a case study of the test setup timing deviations are the main contributions of this doctoral thesis. The simulation and experimental setup results show that the proposed control method can be used in an actual drive. Loss measurements and a comparison of active du/dt output filtering with traditional output filtering methods are also presented in the work. Two different ADUDT filter designs are included, with ferrite core and air core inductors. Other filters included in the tests were a passive du/dtfilter and a passive sine filter. The loss measurements incorporated a silicon carbide diode-equipped IGBT module, and the results show lower losses with these new device technologies. The new control principle was measured in a 43 A load current motor drive system and was able to bring the filter output peak voltage from 980 V (the previous control principle) down to 680 V in a 540 V average DC link voltage variable-speed drive. A 200 m motor cable was used, and the filter losses for the active du/dt methods were 111W–126 W versus 184 W for the passive du/dt. In terms of inverter and filter losses, the active du/dt filtering method had a 1.82-fold increase in losses compared with an all-passive traditional du/dt output filter. The filter mass with the active du/dt method was 17% (2.4 kg, air-core inductors) compared with 14 kg of the passive du/dt method filter. Silicon carbide freewheeling diodes were found to reduce the inverter losses in the active du/dt filtering by 18% compared with the same IGBT module with silicon diodes. For a 200 m cable length, the average peak voltage at the motor terminals was 1050 V with no filter, 960 V for the all-passive du/dt filter, and 700 V for the active du/dt filtering applying the new control principle.

Suunnittelulla ja ruo´on hyötykäytöllä tehokkuutta rantojen hoitoon : Tuloksia ja kokemuksia VELHO-hankkeesta

Varsinais-Suomen ELY-keskuksen toteuttamassa VELHO-hankkeessa kehitettiin kustannustehokkaita ratkaisuja ranta-alueiden umpeenkasvun aiheuttamiin ongelmiin luomalla uusi konsepti ranta-alueiden monikäyttösuunnitteluun, edistämällä järviruo’on hyötykäyttöä ja valmistelemalla esityksiä uuteen maaseudun kehittämisohjelmaan. Tässä julkaisussa esitellään työn tulokset ja johtopäätökset. Hankkeessa laadittiin kolme ranta-alueiden monikäyttösuunnitelmaa: Mynälahden Sarsalanaukko ja Musta-aukko, Oukkulanlahti – Naantalinaukko ja Eurajoen - Luvian rannikko. Suunnitelmissa sovitettiin yhteen ranta-alueiden eri käyttömuotoja ja pyrittiin löytämään optimaalinen verkosto hyötykäyttöön leikattavien ruovikoiden, avoimena pidettävien merenrantaniittyjen ja säilytettävien ruovikoiden välille. Kustannustehokkuuteen pyrittiin kohdentamalla hoitotoimet laajoihin kokonaisuuksiin sekä järviruo’on hyötykäytöllä. Suunnitelmat laadittiin laajassa osallistavassa prosessissa. Hankkeessa laadituissa ranta-alueiden monikäyttösuunnitelmissa esitettiin erilaisia maankäyttötavoitteita ja hoitosuosituksia yli 2000 hehtaarille. Ruovikoiden ja rantaniittyjen lisäksi suunnittelun kohteena olivat myös rantojen läheiset peltoalueet, reunavyöhykkeet ja muut perinnebiotoopit. Hoitotoimilla tavoitellaan alueiden luonnon monimuotoisuuden ja vesien tilan paranemista, maiseman avartumista ja virkistyskäytön helpottumista. Ruovikoiden erilaisia leikkuumenetelmiä (talvileikkuut, vesileikkuut, maaleikkuut) testattiin 90 hehtaarin alalla. Rantaniittyjen kunnostuksessa testattiin maaleikkuun lisäksi ruovikon niittomurskausta. Ruokomassan hyötykäyttökokeissa testattiin kahden eri ruokolaadun eli tuoreen kesäruo’on ja kuivan talviruo’on esikäsittelyä ja hyötykäyttöä energiantuotannossa (poltto, biokaasutus) ja maataloudessa (maanparannusaine, viherlannoite, kuivike, katemateriaali). Maaseudun kehittämisohjelmaan tehtiin esityksiä tukimuotojen kehittämiseksi: rantaniittyjen kunnostuksen lisääminen ja hoidon laadun parantaminen, ruovikoiden vesileikkuut ravinteiden poistajina sekä ruokomassojen käyttö maan orgaanisen aineen lisääjänä. Hankkeen kokemusten mukaan yksi kustannustehokkaimmista hoito- ja käyttöketjuista on ruovikon leikkuu loppukesällä ja siitä kertyvän massan käyttö ranta-alueiden läheisillä pelloilla viherlannoitteena ja maanparannusaineena. Yhden hehtaarin ruovikon kesäleikkuulla poistetaan keskimäärin 80 kg typpeä ja 7 kg fosforia. Vesiensuojelullisten hyötyjen lisäksi leikkuulla parannetaan umpeenkasvusta kärsivien lajien elinoloja, lisätään rantojen vetovoimaisuutta ja edistetään luonnonhoitoyrittäjyyden edellytyksiä. Peltokäytössä käsittelyketju on lyhyt eikä se vaadi pitkiä kuljetusmatkoja. Ruokomassa kierrättää ravinteita takaisin pelloille ja parantaa maan rakennetta. Järviruo’on hyötykäytöllä ei pystytä kattamaan koko leikkuu- ja käyttöketjun kustannuksia. Leikkuusta ja hyötykäytöstä saatavien monien eri aineellisten ja aineettomien ekosysteemipalveluhyötyjen vuoksi toimintaan on tarpeen suunnata yhteiskunnan tukea ja luoda käytännön toteutusta edistäviä tukimuotoja. Kustannustehokkuutta voidaan edelleen parantaa laitteita ja menetelmiä kehittämällä.

Choosing the target loci : heat shock factors HSF1 and HSF2 as regulators of cell stress and development

Heat shock factors (HSFs) are an evolutionarily well conserved family of transcription factors that coordinate stress-induced gene expression and direct versatile physiological processes in eukaryote organisms. The essentiality of HSFs for cellular homeostasis has been well demonstrated, mainly through HSF1-induced transcription of heat shock protein (HSP) genes. HSFs are important regulators of many fundamental processes such as gametogenesis, metabolic control and aging, and are involved in pathological conditions including cancer progression and neurodegenerative diseases. In each of the HSF-mediated processes, however, the detailed mechanisms of HSF family members and their complete set of target genes have remained unknown. Recently, rapid advances in chromatin studies have enabled genome-wide characterization of protein binding sites in a high resolution and in an unbiased manner. In this PhD thesis, these novel methods that base on chromatin immunoprecipitation (ChIP) are utilized and the genome-wide target loci for HSF1 and HSF2 are identified in cellular stress responses and in developmental processes. The thesis and its original publications characterize the individual and shared target genes of HSF1 and HSF2, describe HSF1 as a potent transactivator, and discover HSF2 as an epigenetic regulator that coordinates gene expression throughout the cell cycle progression. In male gametogenesis, novel physiological functions for HSF1 and HSF2 are revealed and HSFs are demonstrated to control the expression of X- and Y-chromosomal multicopy genes in a silenced chromatin environment. In stressed human cells, HSF1 and HSF2 are shown to coordinate the expression of a wide variety of genes including genes for chaperone machinery, ubiquitin, regulators of cell cycle progression and signaling. These results highlight the importance of cell type and cell cycle phase in transcriptional responses, reveal the myriad of processes that are adjusted in a stressed cell and describe novel mechanisms that maintain transcriptional memory in mitotic cell division.

Mechanical design and analysis of modular active magnetic bearing test rig

Tässä työssä on tutkittu modulaarisen aktiivimagneettilaakeroidun koelaitteen mekaanista suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty. Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB) koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu. Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on dokumentoitu.

Molecular Mechanisms and Interactions in Regulation of Photosynthetic Reactions

In photosynthesis, light energy is converted to chemical energy, which is consumed for carbon assimilation in the Calvin-Benson-Bassham (CBB) cycle. Intensive research has significantly advanced the understanding of how photosynthesis can survive in the ever-changing light conditions. However, precise details concerning the dynamic regulation of photosynthetic processes have remained elusive. The aim of my thesis was to specify some molecular mechanisms and interactions behind the regulation of photosynthetic reactions under environmental fluctuations. A genetic approach was employed, whereby Arabidopsis thaliana mutants deficient in specific photosynthetic protein components were subjected to adverse light conditions and assessed for functional deficiencies in the photosynthetic machinery. I examined three interconnected mechanisms: (i) auxiliary functions of PsbO1 and PsbO2 isoforms in the oxygen evolving complex of photosystem II (PSII), (ii) the regulatory function of PGR5 in photosynthetic electron transfer and (iii) the involvement of the Calcium Sensing Receptor CaS in photosynthetic performance. Analysis of photosynthetic properties in psbo1 and psbo2 mutants demonstrated that PSII is sensitive to light induced damage when PsbO2, rather than PsbO1, is present in the oxygen evolving complex. PsbO1 stabilizes PSII more efficiently compared to PsbO2 under light stress. However, PsbO2 shows a higher GTPase activity compared to PsbO1, and plants may partially compensate the lack of PsbO1 by increasing the rate of the PSII repair cycle. PGR5 proved vital in the protection of photosystem I (PSI) under fluctuating light conditions. Biophysical characterization of photosynthetic electron transfer reactions revealed that PGR5 regulates linear electron transfer by controlling proton motive force, which is crucial for the induction of the photoprotective non-photochemical quenching and the control of electron flow from PSII to PSI. I conclude that PGR5 controls linear electron transfer to protect PSI against light induced oxidative damage. I also found that PGR5 physically interacts with CaS, which is not needed for photoprotection of PSII or PSI in higher plants. Rather, transcript profiling and quantitative proteomic analysis suggested that CaS is functionally connected with the CBB cycle. This conclusion was supported by lowered amounts of specific calciumregulated CBB enzymes in cas mutant chloroplasts and by slow electron flow to PSI electron acceptors when leaves were reilluminated after an extended dark period. I propose that CaS is required for calcium regulation of the CBB cycle during periods of darkness. Moreover, CaS may also have a regulatory role in the activation of chloroplast ATPase. Through their diverse interactions, components of the photosynthetic machinery ensure optimization of light-driven electron transport and efficient basic production, while minimizing the harm caused by light induced photodamage.

Dynamic Analysis Model of Spherical Roller Bearings with Defects

Rolling element bearings are essential components of rotating machinery. The spherical roller bearing (SRB) is one variant seeing increasing use, because it is self-aligning and can support high loads. It is becoming increasingly important to understand how the SRB responds dynamically under a variety of conditions. This doctoral dissertation introduces a computationally efficient, three-degree-of-freedom, SRB model that was developed to predict the transient dynamic behaviors of a rotor-SRB system. In the model, bearing forces and deflections were calculated as a function of contact deformation and bearing geometry parameters according to nonlinear Hertzian contact theory. The results reveal how some of the more important parameters; such as diametral clearance, the number of rollers, and osculation number; influence ultimate bearing performance. Distributed defects, such as the waviness of the inner and outer ring, and localized defects, such as inner and outer ring defects, are taken into consideration in the proposed model. Simulation results were verified with results obtained by applying the formula for the spherical roller bearing radial deflection and the commercial bearing analysis software. Following model verification, a numerical simulation was carried out successfully for a full rotor-bearing system to demonstrate the application of this newly developed SRB model in a typical real world analysis. Accuracy of the model was verified by comparing measured to predicted behaviors for equivalent systems.

Tuotantokoneiden pitoajat meijerialan yrityksessä

Diplomityön tavoitteena on tutkia, millaisia ovat Valion tuoretuotemeijerien tuotantokoneiden toteutuneet pitoajat suhteessa kirjanpidon pitoaikaan ja mikä pitoaikoihin eniten vaikuttaa. Tuotantokoneiksi luetaan tässä tutkimuksessa valmistus- ja pakkauskoneet sekä pakkauskoneiden jälkikäsittelylaitteet. Tavoitteena on selvittää myös eroja eri laiteryhmien ja meijerien välillä, ja mitkä syyt aiheuttavat nämä erilaiset pitoajat. Tutkimus toteutettiin sekä haastattelututkimuksena että taseeseen ja erillisiin konetietoihin tutustumalla. Tärkeimpinä käytettävinä teorioina on hyödynnetty erilaisten pitoaikojen määritelmiä sekä koneiden korvausmalleja sekä muita tutkimuksia pitoajoista. Vanhimmat valmistuskoneet olivat Tampereella ja uusimmat Jyväskylässä. Pakkauskoneista vanhimmat ovat Riihimäellä ja uusimmat vastaavasti Jyväskylässä sekä Tampereella. Jälkikäsittelylaitteista vanhimmat laitteet olivat Tampereella ja uusimmat Riihimäellä. Kokonaisuudessaan laitoksista nuorin on Jyväskylän meijeri, mihin merkittävin syy on koko prosessin uusiminen vuonna 2003. Tutkimuksessa kokonaispitoaika tuotantokoneille oli 10,8 vuotta. Yleisimpiä syitä jonkin laitteen vaihtamiseen meijereillä olivat pelko hygienian riittämättömyydestä, laitteen huonontunut kunto ja varaosien huono saatavuus. Tutkittujen Valion laitoksien tuotantokoneet ovat hyvin samanikäisiä verrattuna muiden tutkimuksien tuloksiin. Jatkossa Valion kannattaisi kehittää pitoaikojen seurantaa ja vuosittaisia tarkastuksia meijereillä.

Asiakkuudenhallinnan kehittäminen

Opinnäytetyön toimeksiantaja on suomalainen maatalouskonekaupan moniosaaja, jonka pääasiallisiin liiketoimiin kuuluu maatalouskoneiden maahantuonti, niiden myynti edelleen Suomessa sekä kannattavan rehuntekoketjun tarjoaminen asiakkailleen periaatteella ”nurmesta maitolasiin”. Työn tavoitteena oli avustaa perheyritystä sen asiakashallintaohjelmiston käyttöön ottamisessa. Työn ensimmäinen tavoite oli määrittää yrityksen asiakkuudenhallintaohjelmiston vaatimukset. Toinen tavoite oli selvittää yrityksen asiakashallinnan tämänhetkinen tila. Kolmas tavoite oli selvittää jo nykyisin käytössä olevan ohjelmiston taipuisuutta ja sen soveltuvuutta asiakkuudenhallintaohjelmistona. Työ on toteutettu kvalitatiivista tutkimusta apuna käyttäen, ja analyysiaineisto on kerätty sekundaarisista lähteistä, lähinnä kirjallisista teoksista sekä internetistä. Yrityksen henkilöstö on ollut sisäisen tiedon lähteenä. Opinnäytetyö auttaa toimeksiantajayritystä CRM – projektin tavoitteiden, mahdollisuuksien sekä mahdollisten hidasteiden selvittämisessä. Työn tuloksien avulla projektijohto voi määrittää ohjelmiston CRM – osuuden käyttöönottoon sekä aikatauluun vaadittavat resurssit.

Asiantuntijuuden hyödyntäminen pk-yritysten hallitustyössä

TIIVISTELMÄ Tekijä: Kirsi Mikkilä Tutkielman nimi: Asiantuntijuuden hyödyntäminen pk-yritysten hallitustyössä Tiedekunta: Kauppatieteellinen tiedekunta Pääaine: Yrittäjyys ja pk-yrityksen johtaminen Vuosi: 2014 Pro gradu -tutkielma: Lappeenrannan teknillinen yliopisto 103 sivua, 9 kuvioa ja 2 liitettä. Tarkastajat: KTT, prof. Timo Pihkala ja KTT, prof. Markku Ikävalko Hakusanat: hallitus, pk-yritys, asiantuntijuus Pk-yrityksen hallitustyö on yksi keskeisimmistä johtamisen välineistä, jonka avulla yritys voi mahdollistaa kasvunsa ja tuottaa omistajien sijoittamalle pääomalle parempaa tuottoa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella asiantuntijuuden käyttöä pk-yritysten hallitustyöskentelyssä. Tutkimuksella etsittiin vastauksia kysymyksiin, missä yrityksen kehitysvaiheissa asiantuntijuutta lisätään hallituksessa, mitä sillä halutaan saavuttaa ja miten prosessiin valmistaudutaan. Tavoitteena oli täydentää tietämystä pk-yrityksen hallitustyön muuttumisen ja hallituksen laajenemisen mahdollisuuksista ja syistä. Tutkimus toteutettiin haastattelututkimuksena. Tutkimuksen kohdeorganisaatioiksi valittiin viisi teollisuudenalan koneiden, laitteiden ja tuotteiden toimittajayritystä Päijät-Hämeen alueelta. Tutkimusaineisto kerättiin keväällä 2014 teemahaastatteluina. Tutkimus vahvisti resurssiperustaisen näkökulman nousevan vahvasti esiin pk-yrityksien muutosvaiheista. Hallitustyö ja hallituksen jäsenten osaaminen korostui kasvuhakuisuuden lisääntyessä. Agenttiteoria sai vahvistusta omistajajäsenten valvonnan tarpeen painottuessa ja stewardship -teorian mukaisesti hallitusammattilaiset katsoivat osaamisensa hyödyntämisen olevan palkitsemista tärkeämpää.

Konepajan hitsaustuotannon kehittäminen kattavien laatuvaatimusten mukaiseksi

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Konetekniikan koulutusohjelma Voitto Kettunen Konepajan hitsaustuotannon kehittäminen kattavien laatuvaatimusten mukaiseksi Diplomityö 2015 167 sivua, 39 kuvaa, 26 taulukkoa ja 3 liitettä Tarkastajat: Professori Jukka Martikainen DI Pertti Kaarre Hakusanat: hitsaus, hitsauksen laatu, konepajan laadunhallinta, kattavat laatuvaatimukset, ISO 9001, ISO 3834, EN 1090 Keywords: welding, quality of welding, engineering workshop quality management, comprehensive quality requirements, ISO 9001, ISO 3834, EN 1090 Hitsaamalla liitetyt teräksiset rakenteet muodostavat ylivoimaisesti suurimman osan konepajatuotannosta. Niihin kuuluu esimerkiksi ajoneuvoja, koneita, laitteita, säiliöitä, siiloja, siltoja, mastoja, piippuja, tukirakenteita ja rakennusten runkoja. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää konepajan laadunhallinta sellaiseksi, että se mahdollistaa kattavien laatuvaatimusten täyttämisen hitsaustuotannossa. Laatuvaatimusten täyttämiseen pyritään käyttämällä hitsaustoimintojen standardia EN ISO 3834-2 sekä kantavien teräsrakenteiden standardeja EN 1090-1 ja EN 1090-2. Teräsrakenteiden suunnittelua ohjaa EN 1993 ja niiden toiminnallisia ominaisuuksia tuotestandardit, kuten terässavupiippu- ja säiliöstandardit. Kantavien teräsrakenteiden suunnittelua ja tuotantoa ohjaa myös seuraamusluokan CC, käyttöluokan SC ja tuotantoluokan PC kautta määräytyvä toteutusluokka EXC. Aikaisempaa enemmän tullaan panostamaan esimerkiksi asiakirjojen sähköiseen hallintaan, raaka-aineiden jäljitettävyyteen tuotteeseen, särmien ja kulmien muotoiluun, pintojen käsittelyyn, hitsien tarkastukseen, hitsaushenkilöstön pätevyyteen ja hitsaustuotannon tehokkuuteen. Saarijärven Säiliövalmiste Oy:n hitsauksen laadunhallinta sertifioitiin standardin ISO 3834-2 mukaan ja kantavien teräsrakenteiden FPC-järjestelmä standardisarjaa EN 1090 noudattaen. Samalla tehtiin päivitys laadunhallintajärjestelmään ISO 9001. Toteutus, joka tehtiin sovitussa aikataulussa, haastaa jokaisen toimijan konepajassa toiminnan, tuotannon ja tuotteiden laadun kehittämiseen uusia käytänteitä ja menetelmiä soveltaen. Kehitystoimien tuloksena toiminta on selkeämpää, ennakoitavampaa ja hallitumpaa, mikä lisää yrityksen toiminnan tuottavuutta ja kannattavuutta. Sertifioidut laatujärjestelmät ovat myötävaikuttaneet tilausten lisääntymiseen yrityksen kaikkien tuotteiden osalta.

Oxygen Photoreduction in Cyanobacteria

Cyanobacteria are well-known for their role in the global production of O2 via photosynthetic water oxidation. However, with the use of light energy, cyanobacteria can also reduce O2. In my thesis work, I have investigated the impact of O2 photoreduction on protection of the photosynthetic apparatus as well as the N2-fixing machinery. Photosynthetic light reactions produce intermediate radicals and reduced electron carriers, which can easily react with O2 to generate various reactive oxygen species. To avoid prolonged reduction of photosynthetic components, cyanobacteria use “electron valves” that dissipate excess electrons from the photosynthetic electron transfer chain in a harmless way. In Synechocystis sp. PCC 6803, flavodiiron proteins Flv1 and Flv3 comprise a powerful electron sink redirecting electrons from the acceptor side of Photosystem I to O2 and reducing it directly to water. In this work, I demonstrate that upon Ci-depletion Flv1/3 can dissipate up to 60% of the electrons delivered from Photosystem II. O2 photoreduction by Flv1/3 was shown to be vital for cyanobacteria in natural aquatic environments and deletion of Flv1/3 was lethal for both Synechocystis sp. PCC 6803 and Anabaena sp. PCC 7120 under fluctuating light conditions. The lethal phenotype observed in the absence of Flv1/3 results from oxidative damage to Photosystem I, which appeared to be a primary target of reactive oxygen species produced upon sudden increases in light intensity. Importantly, cyanobacteria also possess other O2 photoreduction pathways which can protect the photosynthetic apparatus. This study demonstrates that respiratory terminal oxidases are also capable of initiating O2 photoreduction in mutant cells lacking the Flv1/3 proteins and grown under fluctuating light. Photoreduction of O2 by Rubisco was also shown in Ci-depleted cells of the mutants lacking Flv1/3, and thus provided the first evidence for active photorespiratory gas-exchange in cyanobacteria. Nevertheless, and despite the existence of other O2 photoreduction pathways, the Flv1/3 route appears to be the most robust and rapid system of photoprotection. Several groups of cyanobacteria are capable of N2 fixation. Filamentous heterocystous N2- fixing species, such as Anabaena sp. PCC 7120, are able to differentiate specialised cells called heterocysts for this purpose. In contrast to vegetative cells which perform oxygenic photosynthesis, heterocysts maintain a microoxic environment for the proper function of the nitrogenase enzyme, which is extremely sensitive to O2. The genome of Anabaena sp. PCC 7120 harbors two copies of genes encoding Flv1 and Flv3 proteins, designated as “A” and “B” forms. In this thesis work, I demonstrate that Flv1A and Flv3A are expressed only in the vegetative cells of filaments, whilst Flv1B and Flv3B are localized exclusively in heterocysts. I further revealed that the Flv3B protein is most responsible for the photoreduction of O2 in heterocysts, and that this reaction plays an important role in protection of the N2-fixing machinery and thus, the provision of filaments with fixed nitrogen. The function of the Flv1B protein remains to be elucidated; however the involvement of this protein in electron transfer reactions is feasible. Evidence provided in this thesis indicates the presence of a great diversity of O2 photoreduction reactions in cyanobacterial cells. These reactions appear to be crucial for the photoprotection of both photosynthesis and N2 fixation processes in an oxygenic environment.

Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Konedirektiivin 2006/42/EY ja SFS-EN 1090- standardin vaatimukset ja soveltaminen teollisuuden kunnossapitotoiminnassa

Tässä diplomityössä tarkastellaan konedirektiivin 2006/42/EY ja SFS-EN 1090- teräsrakennestandardin vaatimuksia teollisuuden kunnossapitotoiminnalle, ja kuinka niitä täytyy soveltaa. Työssä käsitellään koneturvallisuuden perusasioita ja CE-merkintää niin koneissa kuin 1.7.2014 voimaantulleissa SFS-EN 1090 mukaisissa teräsrakenteissa ja rakennustuotteissa. Teoriaosuudessa selvitettiin ja koottiin yhteen muun muassa SFS-EN 1090 standardiin liittyviä vaatimuksia tilaajille, toimittajille ja niihin liittyviä vastuukysymyksiä. Samoin koneturvallisuuden kannalta selvitettiin muun muassa koneiden muuttamista ja valmistamista määrittäviä standardeja ja asetuksia. Työ sisälsi teräsrakenteita valmistaville toimijoille suunnatun haastattelun, jossa kysyttiin SFS-EN 1090 standardin tuomia vaatimuksia, standardin voimaan tuloon valmistautumista, standardin aiheuttamia kustannuksia tuotteiden hintoihin sekä yleisesti standardiin liittyvää tiedotuksen tasoa ja tietolähteitä. Haastattelut toteutettiin Kaakkois-Suomen alueella toimiville yhdeksälle yritykselle, jotka valittiin niiden toimimisestaan erään tilaajaorganisaation toimittajina. Saaduista vastauksista tutkittiin muun muassa yritysten valmistautumista SFS-EN 1090 standardin käyttöönottoon ja sertifiointiin. Valmistautuminen onnistui useiden yritysten kohdalta hyvin, vaikka se jäi monien osalta viimeisiin kuukausiin.

Naudanlanta biokaasulaitosraaka-aineena, käsittely ja logistiikka

Maatalouden lietelannasta saatavien ravinteiden talteenotto ja kierrätys ovat viime aikoina nousseet yhä tärkeämmäksi tavoitteeksi. Ravinteiden tehokas kierrätystapa saadaan ai-kaiseksi käsittelemällä lietelantaa. Lannan käsittelyketjuja on monenlaisia; tässä työssä naudan lannan käsittelyketju muodostuu separoinnista ja mädätyksestä. Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää naudan lannan mekaanisen separoinnin ja logistiikan kannattavuus märkämädätys- ja kuivamädätyskäsittelyketjussa. Käsittelyketju-jen kannattavuus tai kannattamattomuus on esitetty eri skenaarioissa muodostettujen kus-tannuslaskentojen perusteella. Skenaarioiden kustannuslaskelmat ovat toisiinsa verratta-vissa, jolloin ne voidaan asettaa niin ikään paremmuusjärjestykseen. Viides skenaario ei ole suoraan verrattavissa muihin skenaarioihin, koska siinä lannankäsittelyketjua on tar-kasteltu eri näkökulmasta, keskittämällä suurimmalle maatilalle. Mekaanisista separaattoreista tarkasteltiin työssä ruuvipuristinta, dekantterilinkoa ja ul-koistettua separointipalvelua. Lannan logistiikkakustannuksissa huomioitiin lannan kulje-tusta traktori- ja säiliöautolla tai traktorilla. Separoinnin kustannus liitettiin osaksi logis-tiikkakustannusta. Työn tuloksien perusteella voidaan todeta dekantterilingon separointi-kustannuksen olevan taloudellisesti kannattamattomin johtuen pienestä lantakapasiteetista ja separaattorin korkeasta investointihinnasta. Ravinteiden osalta linko osoittautui tehok-kaimmaksi menetelmäksi erottamaan ravinteet eri jakeisiin. Lannan käsittely separointipalvelulla oli edullisin skenaario, jonka vuosittaiseksi kustan-nukseksi saatiin säiliö- ja kuorma-autolla lantaa kuljetettaessa 58 700 € ja traktorilla kul-jetettaessa 60 400 €. Kallein lannan käsittely oli dekantterilingolla, jonka vuosittaiseksi kustannukseksi saatiin lantaa säiliö- ja kuorma-autolla kuljetettaessa 121 000 € ja trakto-rilla kuljetettaessa 123 300 €. Lannan separointi maatilalla osoittautui kannattavammaksi kuin käsittelemättömän lietteen kuljetus biokaasulaitokselle.

Advanced biofuel production: Engineering metabolic pathways for butanol and propane biosynthesis.

Greenhouse gases emitted from energy production and transportation are dramatically changing the climate of Planet Earth. As a consequence, global warming is affecting the living conditions of numerous plant and animal species, including ours. Thus the development of sustainable and renewable liquid fuels is an essential global challenge in order to combat the climate change. In the past decades many technologies have been developed as alternatives to currently used petroleum fuels, such as bioethanol and biodiesel. However, even with gradually increasing production, the market penetration of these first generation biofuels is still relatively small compared to fossil fuels. Researchers have long ago realized that there is a need for advanced biofuels with improved physical and chemical properties compared to bioethanol and with biomass raw materials not competing with food production. Several target molecules have been identified as potential fuel candidates, such as alkanes, fatty acids, long carbon‐chain alcohols and isoprenoids. The current study focuses on the biosynthesis of butanol and propane as possible biofuels. The scope of this research was to investigate novel heterologous metabolic pathways and to identify bottlenecks for alcohol and alkane generation using Escherichia coli as a model host microorganism. The first theme of the work studied the pathways generating butyraldehyde, the common denominator for butanol and propane biosynthesis. Two ways of generating butyraldehyde were described, one via the bacterial fatty acid elongation machinery and the other via partial overexpression of the acetone‐butanol‐ethanol fermentation pathway found in Clostridium acetobutylicum. The second theme of the experimental work studied the reduction of butyraldehyde to butanol catalysed by various bacterial aldehyde‐reductase enzymes, whereas the final part of the work investigated the in vivo kinetics of the cyanobacterial aldehyde deformylating oxygenase (ADO) for the generation of hydrocarbons. The results showed that the novel butanol pathway, based on fatty acid biosynthesis consisting of an acyl‐ACP thioesterase and a carboxylic acid reductase, is tolerant to oxygen, thus being an efficient alternative to the previous Clostridial pathways. It was also shown that butanol can be produced from acetyl‐CoA using acetoacetyl CoA synthase (NphT7) or acetyl‐CoA acetyltransferase (AtoB) enzymes. The study also demonstrated, for the first time, that bacterial biosynthesis of propane is possible. The efficiency of the system is clearly limited by the poor kinetic properties of the ADO enzyme, and for proper function in vivo, the catalytic machinery requires a coupled electron relay system.