Microwave Slot Transmission Line Filled with Ferroelectric and Ferromagnetic Layers

Now when the technology is fast developing it is very important to investigate new hybrid structures. One way is to use ferrite ferroelectric layered structures. Theoretical and experimental investigation of such structures was made. These structures have advantages of both layers and it is possible to tune the behavior of this structure by external electric and magnetic field. But these structures have some disadvantages connected with presence of thick ferroelectric layer. One way to overcome this problem is to use slotline. So this is another new way to create hybrid ferrite ferroelectric structures, but it is needed to create new theory and find experimental proof that the behavior of these structures can be tuned with external magnetic and electric fields.

Cardiovascular effects of short term exposure to electric and magnetic fields of electricity power transmission

In the electrical industry the 50 Hz electric and magnetic fields are often higher than in the average working environment. The electric and magnetic fields can be studied by measuring or by calculatingthe fields in the environment. For example, the electric field under a 400 kV power line is 1 to 10 kV/m, and the magnetic flux density is 1 to 15 µT. Electricand magnetic fields of a power line induce a weak electric field and electric currents in the exposed body. The average current density in a human being standing under a 400 kV line is 1 to 2 mA/m2. The aim of this study is to find out thepossible effects of short term exposure to electric and magnetic fields of electricity power transmission on workers' health, in particular the cardiovascular effects. The study consists of two parts; Experiment I: influence on extrasystoles, and Experiment II: influence on heart rate. In Experiment I two groups, 26 voluntary men (Group 1) and 27 transmission-line workers (Group 2), were measured. Their electrocardiogram (ECG) was recorded with an ambulatory recorder both in and outside the field. In Group 1 the fields were 1.7 to 4.9 kV/m and 1.1 to 7.1 pT; in Group 2 they were 0.1 to 10.2 kV/m and 1.0 to 15.4 pT. In the ECG analysis the only significant observation was a decrease in the heart rate after field exposure (Group 1). The drop cannot be explained with the first measuring method. Therefore Experiment II was carried out. In Experiment II two groups were used; Group 1 (26 male volunteers) were measured in real field exposure, Group 2 (15 male volunteers) in "sham" fields. The subjects of Group 1 spent 1 h outside the field, then 1 h in the field under a 400 kV transmission line, and then again 1 h outside the field. Under the 400 kV linethe field strength varied from 3.5 to 4.3 kV/m, and from 1.4 to 6.6 pT. Group 2spent the entire test period (3 h) in a 33 kV outdoor testing station in a "sham" field. ECG, blood pressure, and electroencephalogram (EEG) were measured by ambulatory methods. Before and after the field exposure, the subjects performed some cardiovascular autonomic function tests. The analysis of the results (Experiments I and II) showed that extrasystoles or arrythmias were as frequent in the field (below 4 kV/m and 4 pT) as outside it. In Experiment II there was no decrease detected in the heart rate, and the systolic and diastolic blood pressure stayed nearly the same. No health effects were found in this study.

Kalibrointimenetelmä planaaristen siirtojohtojen mittaamiseen

Tässä diplomityössä tutkittiin TRL-kalibroinnin käyttämistä tasomaisten siirtojohtojen sähköisten parametrien määrittämisessä taajuusalueella 0,3 – 12 GHz. Työssä perehdyttiin TRL-kalibroinnin käyttämiseen piirianalysaattorilla toteutettujen mittauksien mittauskalibrointiin sekä kalibrointiin tarvittavien kalibrointistandardien mitoittamiseen. Kalibrointistandardit suunniteltiin ja toteutettiin sekä mikroliuska- että liuskajohdoille, joiden toiminnallisuutta tarkasteltiin sekä taajuustason että aikatason mittausten avulla. Työssä perehdyttiin myös kalibrointistandardien liityntärajapinnan suunniteluun ja toteuttamiseen. Saatujen tulosten perusteella voitiin osoittaa mikroliuskajohtokitin soveltuvan hyvin mittauskalibroinnin toteuttamiseen tarkoissa mittaussovelluksissa.

Sähkökäyttöjen kaapelivärähtelyt

Taajuudenmuuttajan kytkennän synnyttämä nopea jännitemuutos aiheuttaa pitkään moottorikaapeliin sähköisen värähtelyilmiön. Ilmiö on tullut erityisesti esille uusien nopeasti kytkevien puolijohdetehokytkimien ilmestyttyä markkinoille. Taajuudenmuuttajan lähtöön asennettu jännitteen nousunopeutta rajoittava suodin vähentää kaapelivärähtelyä, mutta riittävän pitkässä kaapelissa värähtely on voimakasta lähtösuotimesta huolimatta. Kaapelivärähtelyilmiön seurauksena moottorikaapelin taajuudenmuuttajan puoleiseen päähän syntyy voimakas virtavärähtely ja moottorin puoleiseen päähän voimakas jännitevärähtely. Sähkökäyttöjen vektorisäätöalgoritmit tekevät ohjauspäätöksiä moottorikaapelin taajuudenmuuttajan päästä tehtyjen virtamittausten perusteella. Säädön päätösväli on niin lyhyt, että kaapelin virtavärähtely ehtii häiritä säädön toimintaa. Tässä työssä on esitetty kaapelivärähtelyä kuvaava taajuudenmuuttajan lähtösuotimen huomioon ottava siirtofunktioperustainen matemaattinen malli. Mallin avulla kaapelivärähtelyilmiötä voi analysoida lineaarisen säätöteorian menetelmillä. Virtavärähtelyn moottorisäätöön tuomiin ongelmiin ratkaisuksi on esitetty virran mittasignaalin käsittelemistä analogisella ja digitaalisella suotimella. Simulointitulosten perusteella ratkaisua voidaan pitää toimivana. Lopuksi esitetään, kuinka avaruusvektoriteorian mukaista induktiomoottorimallia ja kaapelivärähtelymallia voidaan simuloida yhdessä.

Jännitteen reunan hallinta taajuusmuuttajissa

Diplomityössä perehdyttiin taajuusmuuttajien toimintaan ja ohjaukseen. Lisäksi työssä tarkasteltiin vaihtosuuntaajan nopeiden transienttitilojen aiheuttamaa moottorin ylijännitettä. Moottorikaapelin heijastuksia käsiteltiin vertaamalla moottorikaapelia siirtolinjaan ja todennettiin ylijännitteen syyt. Ylijännitteen vähentämiseksi on kehitetty useita suodatusmenetelmiä. Työssä vertailtiin näitä menetelmiä ja kartoitettiin kaupallisia vaihtoehtoja. Taajuusmuuttajan ohjaus on tähän päivään asti tehty yleensä käyttäen mikroprosessoria sekä logiikkapiiriä. Tulevaisuudessa ohjaukseen käytetään todennäköisesti uudelleenohjelmoitavia FPGA-piirejä (Field Programmable Gate Array). FPGA-piirin etuihin kuuluu uudelleenohjelmoitavuus sekä ohjauksen keskittäminen yhdelle piirille.

Dimensioning DC-voltage capacitor for a DC-distribution system and dynamic analysis

Technical analysis of Low Voltage Direct Current (LVDC) distribution systems shows that in LVDC transmission the customer voltage quality is higher. One of the problems in LVDC distribution networks that converters both ends of the DC line are required. Because of the converters produce not pure DC voltage, but some fluctuations as well, the huge electrolytic capacitors are required to reduce voltage distortions in the DC-side. This thesis master’s thesis is focused on calculating required DC-link capacitance for LVDC transmission and estimation of the influence of different parameters on the voltage quality. The goal is to investigate the methods of the DC-link capacitance estimation and location in the transmission line.

Jännitevälipiiritaajuusmuuttajan moottorikaapelin maksimipituuden määrittely

Työssä tutkitaan, kuinka pitkää moottorikaapelia on jännitevälipiiritaajuusmuuttajan kanssa mahdollista käyttää niin, että määritellyt reunaehdot vielä toteutuvat. Tavoitteena on tuottaa tietoa myynnille, markkinoinnille, tuotehallinnalle sekä tuoteylläpidolle siitä, miten taajuus-muuttaja toimii pidemmillä moottorikaapeleilla kuin valmistaja suosittelee. Tutkitut moottori-kaapelipituudet olivat 175…1025 metriä ja tutkitut laitteet nimellislähtövirroiltaan 2,4...25 A. Työssä aihetta käsitellään jänniteheijastusten näkökulmasta. Lisäksi tutkitaan moottorikaapelin pituuden vaikutusta taajuusmuuttajan eri komponenttien lämpenemiseen. Taajuusmuuttajan toiminnallisuutta arvioidaan moottorin suunnanvaihtojen avulla sekä turvallista toimintaa oikosulkutestein. Tutkittujen taajuusmuuttajien kohdalla on mahdollista käyttää taajuusmuuttajavalmistajan suositusta pidempiä moottorikaapeleita. Moottoriliittimien ylijännitteitä aiheuttavat jännite-heijastukset eivät aiheuttaneet raja-arvoja ylittäviä huippujännitteitä tutkituilla laitekokoon-panoilla. Myös lämpötilannousu oli maltillista tai jopa vähäistä taajuusmuuttajasta mitatuilla komponenteilla. Moottorisäätö havaittiin toimintakykyiseksi pidemmilläkin moottorikaape-leilla, tosin moottorin vääntömomentti heikkeni moottorikaapelien pituutta kasvatettaessa. Virranmittaus toimi hyvin myös pitkillä kaapeleilla, tuottaen vikalaukaisun kaikissa tehdyissä oikosulkutilanteissa. Moottorin ja taajuusmuuttajan melutaso nousivat moottorikaapelien pi-tuutta kasvatettaessa, vaikkakin moottorin käynti oli tasaista ja katkotonta Moottorikaapelin pituutta voidaan kasvattaa 325 metriin kaikissa tutkituissa laitteissa ilman, että mikään tutkittu ominaisuus vielä olennaisesti heikkenisi. Vielä 525 metrin moottorikaape-leita on mahdollista käyttää, mutta tällöin vääntömomentin tuotto on jo heikompaa.

Reducing contact resistance in graphene devices

In this thesis, the contact resistance of graphene devices was investigated because high contact resistance is detrimental to the performance of graphene field-effect transistors (GFET). Method for increasing so-called edge-contact area was applied in device fabrication process, as few nanometers thick Ni layer was used as a catalytic etchant during the annealing process. Finally, Ni was also used as a metal for contact. GFETs were fabricated using electron beam lithography using graphene fabricated by chemical vapor deposition (CVD). Critical part of the fabrication process was to preserve the high quality of the graphene channel while etching the graphene at contact areas with Ni during the annealing. This was achieved by optimizing the combination of temperature and gas flows. The structural properties of graphene were studied using scanning electron microscopy, scanning confocal μ-Raman spectroscopy and optical microscopy. Evaluation of electric transport properties including contact resistance was carried out by transmission line method and four-probe method. The lowest contact resistance found was about at 350 Ωμm. In addition, different methods to transfer CVD graphene synthesized on copper were studied. Typical method using PMMA as a supporting layer leaves some residues after its removal, thus effecting on the performance of a graphene devices. In a metal assisted transfer method, metal is used as an interfacial layer between PMMA and graphene. This allows more effective removal of PMMA. However, Raman spectra of graphene transferred by metal assisted method showed somewhat lower quality than the PMMA assisted method

Sähkönsiirtoprojektien kustannuslaskennan kehittäminen

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli lisätä tietoa asiakasyrityksen voimajohto- ja sähköasemaliiketoimintayksiköiden tarjouslaskennan nykytilasta, etsiä ongelmakohtia ja kehittää ratkaisuja ongelmiin. Työn tuloksena saatu tieto on kyseisille liiketoimintayksiköille tärkeää tulevaisuuden kannattavuuden ja jatkuvuuden kannalta. Työn alun teoriaosuudessa esitellään Suomen sähkönsiirtojärjestelmä, käydään läpi voimajohto- ja sähköasemarakentamisen perusteet sekä esitellään kirjallisuuskatsaus projektiliiketoiminnasta. Teoriaosuutta hyödynnetään myöhemmissä tarkasteluissa joissa pyrittiin löytämään kustannuslaskennan ongelmia. Tutkimuksen tärkein tavoite oli löytää tämän hetkisen kustannuslaskennan ongelmakohdat. Tutkimukseen sisältyy tarjouslaskentaohjelmiston koekäyttö sekä sen analysointi. Työn lopputuloksena todetaan, ettei tarkasteltu ohjelma ole sopiva voimajohto- tai sähköasematarjouslaskennan toteutukseen. Ohjelma on laskentatarkkuudeltaan hyvä, mutta ohjelman käyttö hidastaa ja vaikeuttaa sekä laskennan että projektin talouden seurannan suorittamista. Lopputuloksissa todetaan myös erinäisiä pienempiä kehityskohteita tarjouslaskennan sujuvoittamiseksi ja sen tarkkuuden parantamiseksi. 

Ruuviliitosten lujuustarkastelu voimansiirtolinjoissa

Voimansiirtolinjojen ristikkopylväiden rakentamisessa on tyypillisesti käytetty osittaiskierteisiä ruuveja, mutta työmaatyöskentelyä helpottaisi siirtyminen täyskierteisten ruuvien käyttöön. Tämä mm. vähentäisi käytettävien ruuvinimikkeiden määrää. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää laskemalla ja Ftower -laskentaohjelmaa käyttämällä, onko siirtyminen täyskierteisten ruuvien käyttöön mahdollista. Tarkastelua suoritetaan lisäksi myös FEM -analyysilla. Lisäksi tarkastellaan myös muita voimansiirtolinjojen ruuviliitoksiin liittyviä ongelmia, ja pyritään löytämään näihin ratkaisuehdotuksia.

Modelling of faults in low-voltage cables

Power line modelling has become an interesting research area in recent years as a result of advances in the power line distribution network system. Extensive knowledge about the power line cable characteristics can be implemented in a software algorithm in a modern broadband power-line communication modem. In this study, a novel approach for modelling power line cables (AMCMK) based on the broadband impedance spectroscopy (BIS) and transmission line matrix (TLM) techniques is recommended in characterizing a healthy cable and the various faults associated with low-voltage cables for both open and short circuit situation. Models for different cable conditions are developed and tuned, which include six models for both healthy and faulty cables situations. The models are on the basis of impedance response analysis of the cable. The resulting spectra from the simulations are also cross-correlated to determine the degree of similarities between the healthy cable spectra and their respective faulty spectra.

Power line communication in motor cables of variable-speed electric drives − analysis and

Data transmission between an electric motor and a frequency converter is required in variablespeed electric drives because of sensors installed at the motor. Sensor information can be used for various useful applications to improve the system reliability and its properties. Traditionally, the communication medium is implemented by an additional cabling. However, the costs of the traditional method may be an obstacle to the wider application of data transmission between a motor and a frequency converter. In any case, a power cable is always installed between a motor and a frequency converter for power supply, and hence it may be applied as a communication medium for sensor level data. This thesis considers power line communication (PLC) in inverter-fed motor power cables. The motor cable is studied as a communication channel in the frequency band of 100 kHz−30 MHz. The communication channel and noise characteristics are described. All the individual components included in a variable-speed electric drive are presented in detail. A channel model is developed, and it is verified by measurements. A theoretical channel information capacity analysis is carried out to estimate the opportunities of a communication medium. Suitable communication and forward error correction (FEC) methods are suggested. A general method to implement a broadband and Ethernet-based communication medium between a motor and a frequency converter is proposed. A coupling interface is also developed that allows to install the communication device safely to a three-phase inverter-fed motor power cable. Practical tests are carried out, and the results are analyzed. Possible applications for the proposed method are presented. A speed feedback motor control application is verified in detail by simulations and laboratory tests because of restrictions for the delay in the feedback loop caused by PLC. Other possible applications are discussed at a more general level.

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.

Power quality improving with virtual flux-based voltage source line converter

Line converters have become an attractive AC/DC power conversion solution in industrial applications. Line converters are based on controllable semiconductor switches, typically insulated gate bipolar transistors. Compared to the traditional diode bridge-based power converters line converters have many advantageous characteristics, including bidirectional power flow, controllable de-link voltage and power factor and sinusoidal line current. This thesis considers the control of the lineconverter and its application to power quality improving. The line converter control system studied is based on the virtual flux linkage orientation and the direct torque control (DTC) principle. A new DTC-based current control scheme is introduced and analyzed. The overmodulation characteristics of the DTC converter are considered and an analytical equation for the maximum modulation index is derived. The integration of the active filtering features to the line converter isconsidered. Three different active filtering methods are implemented. A frequency-domain method, which is based on selective harmonic sequence elimination, anda time-domain method, which is effective in a wider frequency band, are used inharmonic current compensation. Also, a voltage feedback active filtering method, which mitigates harmonic sequences of the grid voltage, is implemented. The frequency-domain and the voltage feedback active filtering control systems are analyzed and controllers are designed. The designs are verified with practical measurements. The performance and the characteristics of the implemented active filtering methods are compared and the effect of the L- and the LCL-type line filteris discussed. The importance of the correct grid impedance estimate in the voltage feedback active filter control system is discussed and a new measurement-based method to obtain it is proposed. Also, a power conditioning system (PCS) application of the line converter is considered. A new method for correcting the voltage unbalance of the PCS-fed island network is proposed and experimentally validated.

Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system

In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker. First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission. Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine. After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases. Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.