Measurement of the tree root growth using electrical impedance spectroscopy

Abstract

Symmetristen komponenttien mallinnus

Tässä insinöörityössä suunniteltiin Helsingin ammattikorkeakoululle jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen symmetristen komponenttien laskutavan havainnollistamiseen sopiva sijaiskytkentä. Sijaiskytkennässä tärkeitä huomioitavia asioita olivat mm. jännitetaso, havainnollistavien muuntajien oikosulkukestoisuus, jatkokäyttö laboratoriotyönä ja yleinen havainnollistavuus. Työssä on aluksi perehdytty symmetristen komponenttien ja jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen teoriaan. Tämän jälkeen mitoitettiin tarvittavan kytkennän komponenttien jännite- ja virtakestoisuudet mahdolliset lisäkäytöt huomioiden. Näiden rajoitusten mukaan perusteella työtä ruvettiin toteuttamaan. Työssä tilattiin sähkön 40 V:n pääjännitetasolle alentava muuntaja syöttämään oikosulun kestävää muuntajaa, jolla simuloitiin jakeluverkon yleisimpiä vikatyyppejä. Jälkimmäiselle muuntajalle mitoitettiin ja hankittiin sisäistä impedanssia vastaava induktanssi. Tämän avulla rakennettiin kokonaisuus, jonka avulla voidaan simuloida kaikkia tapahtuvia oikosulkuja vastaavat sijaiskytkennät. Työhön jätettiin kehittämisvaraa ja muita laboratoriotyön rakentamismahdollisuuksia tulevien insinööritöiden tekijöille.

Responses of silver birch saplings to low soil temperature

Abstract

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.

Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.

DSA-elektrodien testaaminen kulumisen arvioimiseksi

Työn tavoitteena oli tutkia eri mittausmenetelmillä metallipinnoitettujen elektrodien kulumista kulumiskokeiden aikana. Mittausmenetelminä olivat käytössä syklinen voltammetria, polarisaatiokäyrän määritys ja sähkökemiallinen impedanssispektrometria, jotka olivat offline-mittausmenetelmiä. Näiden menetelmien avulla pystyttiin seuraamaan yksittäisten elektrodien kulumista ajon aikana. Elektrodin pinnoitteen alkuaineiden pitoisuuksia tutkittiin myös elektronimikroskoopin röntgenspektrometrin avulla. Työn aikana tehdyissä kulumiskokeista havaittiin elektrodin kuluvan sitä nopeammin mitä suurempi on virrantiheys. Työssä tehtyjen elektronimikroskooppikokeiden avulla havaittiin, että harvinaisten metallien seostaminen pinnoitteeseen pidentää metallipinnoitetun elektrodin käyttöikää. Syklisen voltammetrian avulla pystyttiin seuraamaan elektrodin pinta-alan muuttumista ajon aikana. Työssä käytettyjen kulumiskokeiden avulla ei suoranaisesti pystytty määrittämään elektrodin jäljellä olevaa elinikää.

Piirilevyn emissiivisyyden vakiointi lämpökamerasovelluksiin

Lämpökameroiden kehitys on mahdollistanut lämpökameroiden käytön myös erittäin pienien kohteiden tarkastelussa. Luotettava absoluuttisten lämpötilojen selvittäminen lämpökameralla vaatii, että tarkasteltavan kohteen emissiivisyys on kauttaaltaan vakio ja tunnettu. Käytännössä erilaisten materiaalipintojen emissiivisyyksissä on merkittäviä eroja, mikä aiheuttaa virheitä mittaustuloksiin. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää halpa ja käytännöllinen keino piirilevyn emissiivisyyden vakiointiin. Työssä kartoitettiin erilaisia pinnoitteita, joille tehtiin resistanssi-, impedanssi- sekä lämpökameramittaukset. Mittauksilla selvitettiin pinnoitteen soveltuvuus emissiivisyyden vakiointiin. Lisäksi tutustuttiin pintapuolisesti pinnoiteaineiden kemialliseen rakenteeseen, jotta saatiin peruskäsitys siitä, onko aineiden kemiallisella rakenteella merkitystä pinnoiteaineen emissiivisyyden vakiointikykyyn. Tutkimustulosten perusteella tutkituista pinnoitteista parhaaksi todettiin talkkijauhe. Talkkipinnoitteella saatiin luotettavia mittaustuloksia. Tällä hetkellä pinnoitemenetelmää voidaan käyttää yksittäisten piirilevyjen testauksessa laboratorio-olosuhteissa. Tulevaisuudessa menetelmää voitaisiin soveltaa myös piirilevyjen tuotantolinjalle.

Electrical characteristics of eddy current position sensor

In the thesis the principle of work of eddy current position sensors and the main cautions that must be taken into account while sensor design process are explained. A way of automated eddy current position sensor electrical characteristics measurement is suggested. A prototype of the eddy current position sensor and its electrical characteristics are investigated. The results obtained by means of the automated measuring system are explained.

Taajuusmuttajan vanheneminen syklisissä käytöissä

Tässä työssä tarkastellaan taajuusmuuttajan vanhenemista syklisissä käytöissä puolijohdetehokomponenttien osalta. Laitteiden vikaantumisprosessien analysoimiseksi työssä suunnitellaan syklinen kestotestausjärjestelmä, joka mahdollistaa useamman taajuusmuuttajan yhtäaikaisen vanhentamisen. Jaksottaisesti toistuvat kuormitussyklit rasittavat termomekaanisesti taajuusmuuttajan tehomoduulin sisäisiä rakenteita suurten lämpötilavaihtelujen johdosta. Teoriaosuuden pääpaino kohdistuu puolijohdetehokomponenttien rakenteeseen, vikaantumisprosesseihin ja eliniän kartoittamiseen. Työssä käydään läpi yleisimpien pienijännitteisten moottorinohjausinverttereiden tehomoduulien mekaaniset rakenteet, tyypillisemmät syklisestä kuormituksesta johtuvat vikaantumisprosessit sekä puolijohdetehokomponenttivalmistajien käyttämät syklisen eliniän testausmenetelmät. Loppuosassa työtä suunnitellaan taajuusmuuttajan syklinen kestotestausjärjestelmä laitteiden keinotekoista vanhentamista varten. Testausjärjestelmällä voidaan kuormittaa useampaa taajuusmuuttajaa vuorottain mielivaltaisella kuormitusvirtaprofiililla. Laitteita vanhennettiin kaksi testierää kuormittamalla niitä jaksottaisesti hissikäytön tyypillisellä kuormitusprofiililla. Puolijohdetehokomponentin vanhenemisen edistystä seurattiin termisen impedanssiketjun mittausmenetelmällä, joka perustuu IGBT:n kollektoriemitterijännitteen lämpötilariippuvuuteen. Testilaitteiden puolijohdetehokomponentit hajosivat syklisen eliniän päättymiseen teoriassa esitettyjen vikaantumisprosessien seurauksesta. Tehomoduulien vika-analyysi osoittaa syklisen kestotestausjärjestelmän soveltuvaksi menetelmäksi tutkia erilaisten kuormitusprofiilien vaikutusta taajuusmuuttajan vanhenemiseen.

Overvoltage Mitigation Techniques in Wind Power Generators

Advancements in power electronic semiconductor switching devices have lead to significantly faster switching times. In motor and generator applications, the fast switching times of pulse width modulated (PWM) inverters lead to overvoltages caused by voltage reflections with shorter and shorter cables. These excessive overvoltages may lead to a failure of the electrical machine in a matter of months. In this thesis, the causes behind the overvoltage phenomenon as well as its different mitigation techniques are studied. The most suitable techniques for mitigating the overvoltage phenomenon in wind power generator applications are chosen based on both simulations and actual measurements performed on a prototype. An RC filter at the terminals of the electrical machine and an inverter output filter designed to reduce the rise and fall times of voltage pulses are presented as a solution to the overvoltage problem. The performance and losses of both filter types are analysed.

Active du/dt Filtering for Variable-Speed AC Drives

An oscillating overvoltage has become a common phenomenon at the motor terminal in inverter-fed variable-speed drives. The problem has emerged since modern insulated gate bipolar transistors have become the standard choice as the power switch component in lowvoltage frequency converter drives. Theovervoltage phenomenon is a consequence of the pulse shape of inverter output voltage and impedance mismatches between the inverter, motor cable, and motor. The overvoltages are harmful to the electric motor, and may cause, for instance, insulation failure in the motor. Several methods have been developed to mitigate the problem. However, most of them are based on filtering with lossy passive components, the drawbacks of which are typically their cost and size. In this doctoral dissertation, application of a new active du/dt filtering method based on a low-loss LC circuit and active control to eliminate the motor overvoltages is discussed. The main benefits of the method are the controllability of the output voltage du/dt within certain limits, considerably smaller inductances in the filter circuit resulting in a smaller physical component size, and excellent filtering performance when compared with typical traditional du/dt filtering solutions. Moreover, no additional components are required, since the active control of the filter circuit takes place in the process of the upper-level PWM modulation using the same power switches as the inverter output stage. Further, the active du/dt method will benefit from the development of semiconductor power switch modules, as new technologies and materials emerge, because the method requires additional switching in the output stage of the inverter and generation of narrow voltage pulses. Since additional switching is required in the output stage, additional losses are generated in the inverter as a result of the application of the method. Considerations on the application of the active du/dt filtering method in electric drives are presented together with experimental data in order to verify the potential of the method.

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.

Electrical Equivalent Circuit for Dry Bacteriorhodopsin Sensor

Bacteriorhodopsin (BR) is a photosensitive protein which functions as a light-driven proton pump. Due to its photoactivity, BR could be used in photosensing and information processing which has inspired researchers to study the photoelectric response and the appropriate measurement instrumentation for BR. In this thesis, the measurement instrumentation connected to a dry BR sensor was confirmed to affect the photovoltage response measured by using voltage amplifiers. Changing of the input impedance of the measurement instrumentation was shown to alter a part of the measured photovoltage response. The photocurrent measurements using transimpedance amplifier and the presented electrical equivalent circuit were used to show that the photocurrent measurements have no significant effect on the photoelectric response. The photocurrent was shown to be a derivate of the photovoltage response measured from the dry BR sensor when it was compared to the response measured with a voltage amplifier. This confirmed that another part of the photovoltage response was not affected by the measurement instrumentation. The time-variant behavior of the dry BR sensor was confirmed in both the photocurrent and the photovoltage measurements. This was caused by the fact that the capacitance of the dry BR sensor changes with the excitation light intensity.

High-speed solid-rotor induction machine – calculation program

The aim of this thesis is to utilize the technology developed at LUT and to provide an easy tool for high-speed solid-rotor induction machine preliminary design. Computer aided design tool MathCAD has been chosen as the environment for realizing the calculation program. Four versions of the design program have been made depending on the motor rotor type. The first rotor type is an axially slitted solid-rotor with steel end rings. The next one is an axially slitted solid-rotor with copper end rings. The third machine type is a solid rotor with deep, rectangular copper bars and end rings (squirrel cage). And the last one is a solid-rotor with round copper bars and end rings (squirrel cage). Each type of rotor has its own specialties but a general thread of design is common. This paper follows the structure of the calculating program and explains some features and formulas. The attention is concentrated on the difference between laminated and solid-rotor machine design principles. There is no deep analysis of the calculation ways are presented. References for all solution methods appearing during the design procedure are given for more detailed studying. This thesis pays respect to the latest innovations in solid-rotor machines theory. Rotor ends’ analytical calculation follows the latest knowledge in this field. Correction factor for adjusting the rotor impedance is implemented. The purpose of the created design program is to calculate the preliminary dimensions of the machine according to initial data. Obtained results are not recommended for exact machine development. Further more detailed design should be done in a finite element method application. Hence, this thesis is a practical tool for the prior evaluating of the high-speed machine with different solid-rotor types parameters.

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.