Exploration and Design of Power-Efficient Networked Many-Core Systems

Multiprocessing is a promising solution to meet the requirements of near future applications. To get full benefit from parallel processing, a manycore system needs efficient, on-chip communication architecture. Networkon- Chip (NoC) is a general purpose communication concept that offers highthroughput, reduced power consumption, and keeps complexity in check by a regular composition of basic building blocks. This thesis presents power efficient communication approaches for networked many-core systems. We address a range of issues being important for designing power-efficient manycore systems at two different levels: the network-level and the router-level. From the network-level point of view, exploiting state-of-the-art concepts such as Globally Asynchronous Locally Synchronous (GALS), Voltage/ Frequency Island (VFI), and 3D Networks-on-Chip approaches may be a solution to the excessive power consumption demanded by today’s and future many-core systems. To this end, a low-cost 3D NoC architecture, based on high-speed GALS-based vertical channels, is proposed to mitigate high peak temperatures, power densities, and area footprints of vertical interconnects in 3D ICs. To further exploit the beneficial feature of a negligible inter-layer distance of 3D ICs, we propose a novel hybridization scheme for inter-layer communication. In addition, an efficient adaptive routing algorithm is presented which enables congestion-aware and reliable communication for the hybridized NoC architecture. An integrated monitoring and management platform on top of this architecture is also developed in order to implement more scalable power optimization techniques. From the router-level perspective, four design styles for implementing power-efficient reconfigurable interfaces in VFI-based NoC systems are proposed. To enhance the utilization of virtual channel buffers and to manage their power consumption, a partial virtual channel sharing method for NoC routers is devised and implemented. Extensive experiments with synthetic and real benchmarks show significant power savings and mitigated hotspots with similar performance compared to latest NoC architectures. The thesis concludes that careful codesigned elements from different network levels enable considerable power savings for many-core systems.

Surface transformation hardening of carbon steel with high power fiber laser

This study investigated the surface hardening of steels via experimental tests using a multi-kilowatt fiber laser as the laser source. The influence of laser power and laser power density on the hardening effect was investigated. The microhardness analysis of various laser hardened steels was done. A thermodynamic model was developed to evaluate the thermal process of the surface treatment of a wide thin steel plate with a Gaussian laser beam. The effect of laser linear oscillation hardening (LLOS) of steel was examined. An as-rolled ferritic-pearlitic steel and a tempered martensitic steel with 0.37 wt% C content were hardened under various laser power levels and laser power densities. The optimum power density that produced the maximum hardness was found to be dependent on the laser power. The effect of laser power density on the produced hardness was revealed. The surface hardness, hardened depth and required laser power density were compared between the samples. Fiber laser was briefly compared with high power diode laser in hardening medium-carbon steel. Microhardness (HV0.01) test was done on seven different laser hardened steels, including rolled steel, quenched and tempered steel, soft annealed alloyed steel and conventionally through-hardened steel consisting of different carbon and alloy contents. The surface hardness and hardened depth were compared among the samples. The effect of grain size on surface hardness of ferritic-pearlitic steel and pearlitic-cementite steel was evaluated. In-grain indentation was done to measure the hardness of pearlitic and cementite structures. The macrohardness of the base material was found to be related to the microhardness of the softer phase structure. The measured microhardness values were compared with the conventional macrohardness (HV5) results. A thermodynamic model was developed to calculate the temperature cycle, Ac1 and Ac3 boundaries, homogenization time and cooling rate. The equations were numerically solved with an error of less than 10-8. The temperature distributions for various thicknesses were compared under different laser traverse speed. The lag of the was verified by experiments done on six different steels. The calculated thermal cycle and hardened depth were compared with measured data. Correction coefficients were applied to the model for AISI 4340 steel. AISI 4340 steel was hardened by laser linear oscillation hardening (LLOS). Equations were derived to calculate the overlapped width of adjacent tracks and the number of overlapped scans in the center of the scanned track. The effect of oscillation frequency on the hardened depth was investigated by microscopic evaluation and hardness measurement. The homogeneity of hardness and hardened depth with different processing parameters were investigated. The hardness profiles were compared with the results obtained with conventional single-track hardening. LLOS was proved to be well suitable for surface hardening in a relatively large rectangular area with considerable depth of hardening. Compared with conventional single-track scanning, LLOS produced notably smaller hardened depths while at 40 and 100 Hz LLOS resulted in higher hardness within a depth of about 0.6 mm.

Wastewater Treatment of Diesel Power Plant

Diplomityön tavoitteena on selvittää Wärtsilän dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn vallitseva tila. Tutkimuksessa keskitytään raskaspolttoöljykäyttöisiin voimalaitoksiin. Työssä selvitetään yleisimmät dieselvoimalaitosten jätevesille asetetut vaatimukset. Selvitys tehdään keräämälläja tutkimalla dieselvoimalaitosten jätevesille sovellettuja standardeja. Työssä selvitetään myös dieselvoimalaitokselta ulostulevan jäteveden laatu sekä nykyisen jätevedenkäsittelyjärjestelmän toiminta. Selvitys tehdään keräämällä ja tutkimalla yrityksen sisäisiä tietoja, sekä ottamalla ja analysoimalla jätevesinäytteitä. Näytteiden otto ja analysointi toteutetaan vierailemallakahdessa voimalaitoksessa sekä yhdessä muussa kohteessa. Jäteveden laatu ennen ja jälkeen käsittelyn määritetään. Myös öljynjalostusteollisuuden jätevedenkäsittelyä tarkastellaan kirjallisuuteen pohjautuen. Tarkastelun tavoitteena on hankkia tietoa jätevedenkäsittelystä kohteissa, joissa jäteveden laatu vastaa dieselvoimalaitoksella syntyvää jätevettä. Vertailun vuoksi myös öljynjalostusteollisuudelle asetetuttuja jätevesistandardeja tutkitaan. Lisäksi työssä tutkitaan myös joitakin muita jätevedenkäsittelymenetelmiä. Diplomityön tuloksena määritetään dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn tulevaisuuden haasteet ja mahdollisuudet.

Thermische Modellierung einer Mehrlagenplatine

In der Leistungselektronik spielt die Kenntnis des Wärmevrhaltens einer Platine eine sehr große Rolle. Die immer größeren Leistungsdichten unterstreichen die Wichtigkeit des Kenntnisses des Wärmeverhaltens. In der Platine funktionieren die Leistungskomponenten und Kupferlagen die große Ströme tragen als Leistungsquellen. Das Isolationsmaterial zwischen den Kupferlagen limitiert die maximale Temperatur der Platine. Dieses bringt eine Grentzung für den maximalen Strom der durch die Platine geführt werden kann. In dieser Arbeit wurden die maximalen Stromdichten im Worst-Case-Szenario einer Platine untersucht. Dafür wurde eine Testplatine entworfen und für die Testplatine ein thermisches Modell konstruiert. Die Effekte von Kühlung wurden auch untersucht. Die Bestimmtheit des Modells wurde mit Messungen überprüft.

Impacts of increased levels of wind penetration on the Electric Power System of the Åland Islands

The application of VSC-HVDC technology throughout the world has turned out to be an efficient solution regarding a large share of wind power in different power systems. This technology enhances the overall reliability of the grid by utilization of the active and reactive power control schemes which allows to maintain frequency and voltage on busbars of the end-consumers at the required level stated by the network operator. This master’s thesis is focused on the existing and planned wind farms as well as electric power system of the Åland Islands. The goal is to analyze the wind conditions of the islands and appropriately predict a possible production of the existing and planned wind farms with a help of WAsP software program. Further, to investigate the influence of increased wind power it is necessary to develop a simulation model of the electric grid and VSC-HVDC system in PSCAD and examine grid response to different wind power production cases with respect to the grid code requirements and ensure the stability of the power system.

Pulssitettu laserablaatio mikrofluidisten kanavistojen sarjatuotantomenetelmänä

Puolijohteiden yleistyttyä vuodesta 1948 alkaen, ovat elektroniset laitteet pienentyneet jatkuvasti tehojen kuitenkin kasvaessa. Kasvaneet tehotiheydet kuitenkin vaikeuttavat laitesuunnittelua, sillä puoljohdekomponenttien suorituskyvylle ja eliniälle on oleellista lämpötilojen ja lämpötilavaihteluiden minimointi. Perinteisen ilmajäähdytyksen lähestyessä rajojaan niin kokonaistehon kuin järkevän energiatehokkuudenkin suhteen, on parhaaksi seuraavaksi teknologiaksi ennustettu kaksifaasijäähdytystä, jonka suorituskyky ja energiatehokkuus ovat vaaditulla tasolla. Kaksifaasijäähdytyksen optimaaliselle toiminnalle tärkeää on hyvin suunniteltu ja tarkasti valmistettu lämmönsiirtopinta, jota kutsutaan mikrokanavistoksi. Pulssitettu laserkaiverrus on edistynyt valmistustekniikka, jonka tarkkuus ja luotettavuus sopisivat mikrokanavistojen valmistamiseen. Laserkaiverruksella saavutettavat lopputulokset vaihtelevat kuitenkin materiaalista riippuen ja kupari – jota käytetään yleisesti lämmönjohteena – on eräs huonoimmin lasertyöstöön reagoivista materiaaleista ja siksi on oleellista selvittää laser-kaiverruksen toimivuutta kuparisten mikrokanavistojen valmistuksessa. Pulssitetun laser-kaiverruksen eri variaatioista nanosekunti-luokan pulssinpituuksilla toimivat laitteet ovat jatkuvan tuotannon kannalta paras vaihtoehto niiden hyvän tuottavuuden, saatavuuden sekä kohtuullisen alkuinvestoinnin vuoksi. Käytännön kaiverruskokeiden perusteella selvisi, että menetelmä on laatunsa ja tarkkuutensa puolesta sopiva varsinaiseen tuotantoon. Kaiverruksen tehokkuus kuparia työstettäessä on kuitenkin ennakoituakin heikompi ja niin valmistus- kuin suunnitelu-prosessikin vaativat vielä jatkotutkimusta ja -kehitystä.

The Effect of Load Follow Operation on Fuel Behaviour in Loviisa NPP

Työn tarkoituksena oli analysoida polttoainesauvojen käyttäytymistä Loviisan ydinvoimalaitoksen tehonsäätöajossa. Sähkömarkkinoiden vapautuminen Pohjoismaissa sekä tämän seurauksena vaihteleva sähkön markkinahinta ovat ajaneet sähkötuottajat tilanteeseen, jossa tuotanto aiempaa enemmän mukautuu markkinatilanteeseen. Näin ollen myös Loviisan ydinvoimalaitoksen osallistuminen sähkön tuotannon säätelyyn saattaa tulevaisuudessa olla ajankohtaista. Ennen kuin reaktorin tehonsäätöajoa voidaan alkaa toteuttaa, tulee varmistua siitä, että polttoainesauvassa tehonsäätöjen seurauksena tapahtuvat muutokset eivät aiheuta epäsuotuisia käyttäytymisilmiöitä. Työssä tarkastellaan kahden Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoainetoimittajan, British Nuclear Fuels plc:n ja venäläisen TVEL:n ensinippujen polttoainesauvan käyttäytymistä tehonsäätötapauksissa. Työssä tarkastellut tehonsäätötapaukset on pyritty valitsemaan niin, että ne kuvaisivat tulevaisuudessa mahdollisesti toteutettavia tehonsäätöjä. Laskentatapauksien sauvatehohistoriat on generoitu HEXBU-3D sydänsimulaattoriohjelmalla lasketun nelivuotisen perustehohistorian pohjalta lisäämällä säätösauvan aiheuttama reaktoritehon muutos, säätösauvan viereisen polttoainenipun aksiaalitehon muutos sekä säätösauvan rakenteen aiheuttama paikallinen tehopiikki säätösauvan vieressä. Työssä tarkastellaan tehonsäätöjen toteuttamista eri tehotasoille ja vaihtelevilla määrillä tehonsäätösyklejä. Työssä käsitellyt laskentatapaukset on jaoteltu reaktorin ajotavan mukaan seuraavasti: peruskuorma-ajo, viikonloppusäätö ja päiväsäätö. Laskenta suoritettiin ydinpolttoaineen käyttäytymistä kuvaavaa ENIGMA-B 7.3.0 ohjelmaa apuna käyttäen. Laskelmien tulokset osoittavat, että molempien polttoainetoimittajien ensinippujen sauvat kestävät reaktorin tehonsäätöajoa rajoituksetta tarkastelluissa laskentatapauksissa. ENIGMA-ohjelman sisältämät mallit, jotka ennustavat polttoainesauvan suojakuoren vaurioitumistodennäköisyyden jännityskorroosion tai väsymismurtuman kautta, eivät näytä mitään merkkejä vaurioitumisesta. BNFL:n polttoainesauva saavuttaa kuitenkin suurempia väsymismurtumatodennäköisyyden arvoja. Tämä johtuu siitä, että polttoainepelletin ja suojakuoren välinen mekaaninen vuorovaikutus syntyy BNFL:n sauvassa aikaisemmin, joka taas johtaa suurempaan määrään sauvaa rasittavia muodonmuutoksia tehonnostotilanteissa. TVEL:n Zr1%Nb -materiaalista valmistetun suojakuoren käyttäytymistä ei voida kuitenkaan suoraan näiden laskujen perusteella arvioida, sillä ENIGMA-ohjelman mallit perustuvat Zircaloy-suojakuorimateriaaleilla suoritettuihin kokeisiin.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannon mahdollisuudet vaneritehtaan yhteydessä

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tehdä sähkön ja lämmöntuotannon kannattavuustarkastelu erään esimerkkitehtaan näkökulmasta. Tarkoitus oli selvittää onko vaneritehtaalla edellytyksiä investoida sähköä ja lämpöä tuottavaan yhteistuotantolaitokseen, vai onko edullisempaa tuottaa itse ainoastaan valmistusprosessin kannalta välttämätön lämpöenergia ja ostaa tarvittava sähköenergia ulkoiselta toimijalta. Johdantona on tarkasteltu ensin vanerin valmistusprosessia ja prosessissa syntyviä sivutuotteita. Toisena osiona on pyritty hahmottamaan vanerinvalmistuksessa syntyvien sivutuotteiden määriä ja ominaisuuksia niiden polttoainekäyttöä silmällä pitäen. Lopuksi johdannossa on perehdytty mahdollisiin tekniikoihin, joilla sähkön ja lämmön yhteistuotanto vaneritehtaan yhteydessä olisi mahdollista. Johdannossa käsiteltävät asiat perustuvat teorialähteisiin. Aineisto ja menetelmät osiossa on tarkasteltu esimerkkitehdasta voimalaitoksen sijoituskohteena. Osiossa on perehdytty prosessin sivutuotteiden määrään ja energian kulutukseen. Näiden seikkojen perusteella on tehtaan yhteyteen mitoitettu sähköä ja lämpöä tuottavia yhteistuotantolaitosesimerkkejä. Lopuksi tuloksissa on tarkasteltu yhteistuotantolaitoksien kannattavuutta vaneritehtaan yhteydessä ja tutkittu kannattavuuteen vaikuttavia tekijöitä.

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.

Tooth-Coil Permanent Magnet Synchronous Machine Design for Special Applications

This doctoral thesis presents a study on the design of tooth-coil permanent magnet synchronous machines. The electromagnetic properties of concentrated non-overlapping winding permanent magnet synchronous machines, or simply tooth-coil permanent magnet synchronous machines (TC-PMSMs), are studied in details. It is shown that current linkage harmonics play the deterministic role in the behavior of this type of machines. Important contributions are presented as regards of calculation of parameters of TC-PMSMs,particularly the estimation of inductances. The current linkage harmonics essentially define the air-gap harmonic leakage inductance, rotor losses and localized temporal inductance variation. It is proven by FEM analysis that inductance variation caused by the local temporal harmonic saturation results in considerable torque ripple, and can influence on sensorless control capabilities. Example case studies an integrated application of TC-IPMSMs in hybrid off-highway working vehicles. A methodology for increasing the efficiency of working vehicles is introduced. It comprises several approaches – hybridization, working operations optimization, component optimization and integration. As a result of component optimization and integration, a novel integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) for off-highway working vehicles is designed. The IEHEC can considerably increase the operational efficiency of a hybrid working vehicle. The energy converter consists of an axial-piston hydraulic machine and an integrated TCIPMSM being built on the same shaft. The compact assembly of the electrical and hydraulic machines enhances the ability to find applications for such a device in the mobile environment of working vehicles.Usage of hydraulic fluid, typically used in working actuators, enables direct-immersion oil cooling of designed electrical machine, and further increases the torque- and power- densities of the whole device.

Comparison of Different Concentrated Solar Power Collector Designs and Development of a Linear Fresnel Solar Collector Model

Concentrated solar power (CSP) is a renewable energy technology, which could contribute to overcoming global problems related to pollution emissions and increasing energy demand. CSP utilizes solar irradiation, which is a variable source of energy. In order to utilize CSP technology in energy production and reliably operate a solar field including thermal energy storage system, dynamic simulation tools are needed in order to study the dynamics of the solar field, to optimize production and develop control systems. The object of this Master’s Thesis is to compare different concentrated solar power technologies and configure a dynamic solar field model of one selected CSP field design in the dynamic simulation program Apros, owned by VTT and Fortum. The configured model is based on German Novatec Solar’s linear Fresnel reflector design. Solar collector components including dimensions and performance calculation were developed, as well as a simple solar field control system. The preliminary simulation results of two simulation cases under clear sky conditions were good; the desired and stable superheated steam conditions were maintained in both cases, while, as expected, the amount of steam produced was reduced in the case having lower irradiation conditions. As a result of the model development process, it can be concluded, that the configured model is working successfully and that Apros is a very capable and flexible tool for configuring new solar field models and control systems and simulating solar field dynamic behaviour.

Power efficiency estimation and simulation of different control methods for the rotary screw compressor

Nowadays the energy efficiency has become one of the most concerned topics. Compressors are the equipment, which is very common in industry. Moreover, they tend to operate during long cycles and therefore even small decrease in power consumption can significantly reduce electricity costs during the year. And therefore it is important to investigate ways of increasing the energy efficiency of the compressors. In the thesis rotary screw compressor alongside with different control approaches is described. Simulation models for various control types of rotary screw compressor are developed. Analysis of laboratory equipment is conducted and results are compared with simulation. Suggestions of the real laboratory equipment improvement are given.

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.

Scenarios for electricity power sector development in the North-West of Russia

Focus of this thesisis made on development of electricity sector of Russian North-West. The objective was to determine the most likely scenarios for development of the most critical (western) part of Interregional Power System of North-West, from where the most part of Russian electricity exports to the countries of European Union take place. For this purpose all the involved sides were analyzed: generation, transmission system and electricity consumption in different regions of Russian North-West. The analysis was performed through investigation of existing generation andtransmission capacities and plans for their development to be performed by the generation and transmission companies operating in the region. Principles of Russian electricity sector restructuring and electricity market design are also discussed as well as factors that may influence on future electricity price in the region.