Modeling and Parameter Estimation of Double-Star Permanent Magnet Synchronous Machines

The power rating of wind turbines is constantly increasing; however, keeping the voltage rating at the low-voltage level results in high kilo-ampere currents. An alternative for increasing the power levels without raising the voltage level is provided by multiphase machines. Multiphase machines are used for instance in ship propulsion systems, aerospace applications, electric vehicles, and in other high-power applications including wind energy conversion systems. A machine model in an appropriate reference frame is required in order to design an efficient control for the electric drive. Modeling of multiphase machines poses a challenge because of the mutual couplings between the phases. Mutual couplings degrade the drive performance unless they are properly considered. In certain multiphase machines there is also a problem of high current harmonics, which are easily generated because of the small current path impedance of the harmonic components. However, multiphase machines provide special characteristics compared with the three-phase counterparts: Multiphase machines have a better fault tolerance, and are thus more robust. In addition, the controlled power can be divided among more inverter legs by increasing the number of phases. Moreover, the torque pulsation can be decreased and the harmonic frequency of the torque ripple increased by an appropriate multiphase configuration. By increasing the number of phases it is also possible to obtain more torque per RMS ampere for the same volume, and thus, increase the power density. In this doctoral thesis, a decoupled d–q model of double-star permanent-magnet (PM) synchronous machines is derived based on the inductance matrix diagonalization. The double-star machine is a special type of multiphase machines. Its armature consists of two three-phase winding sets, which are commonly displaced by 30 electrical degrees. In this study, the displacement angle between the sets is considered a parameter. The diagonalization of the inductance matrix results in a simplified model structure, in which the mutual couplings between the reference frames are eliminated. Moreover, the current harmonics are mapped into a reference frame, in which they can be easily controlled. The work also presents methods to determine the machine inductances by a finite-element analysis and by voltage-source inverters on-site. The derived model is validated by experimental results obtained with an example double-star interior PM (IPM) synchronous machine having the sets displaced by 30 electrical degrees. The derived transformation, and consequently, the decoupled d–q machine model, are shown to model the behavior of an actual machine with an acceptable accuracy. Thus, the proposed model is suitable to be used for the model-based control design of electric drives consisting of double-star IPM synchronous machines.

Asiakassuuntautunut toimintamalli konsultointialan yrityksessä

Yritys,joka pyrkii toimimaan asiakkaidensa tarpeiden ohjaamana, voi saavuttaa kilpailuetua suhteessa yrityksiin, jotka eivät tätä toimintatapaa ole sisäistäneet. Asiakassuuntautuneesti palveluita tuottava yritys voi tiedostettujen asiakastarpei-den ohjaamana kehittää omia sisäisiä toimintaprosessejaan. Tässä diplomityössä tarkastellaan asiakassuuntautuneisuuden merkitystä eräänä palveluyrityksen tulok-selliseen toimintaan vaikuttavana elementtinä. Kirjallisuustutkimuksen pohjalta hahmotetaan konsulttialan palveluorganisaation asiakassuuntautuneen toiminnan edellytyksiä ja merkitystä. Työssä tarkastellaan palveluyrityksen palveluita tuottavan organisaation sisäisen toimintadynamiikan osatekijöitä ja niiden vaikutuksia asiakassuuntautuneeseen palvelutuotantoon. Tutkimuksen perusteella määritellään konsulttialan yrityksen palveluorganisaati-olle asiakassuuntautuneisuuteen ohjaava viitekehys. Kehyksen avulla yrityksen organisaatiota voidaan ohjata tiedostamaan asiakassuuntautuneisuuden merkitys yrityksen kilpailutekijänä. Asiakassuuntautuneen palveluyrityksen organisaation tulee tiedostaa toimintansa vaikutukset asiakastyytyväisyyteen ja sitä kautta yri-tyksen kilpailukykyyn. Toteutunut asiakassuuntautuneisuus antaa mahdollisuuksia yrityksen toiminnan tehostamiselle, jatkuvuudelle sekä kannattavalle kasvulle.

Adoption av träkomposit teknologi på svenska trähusmarknaden

Syftet med uppsatsen är att kategorisera träkomposit teknologi adoption på svenska trähusmarknaden genom fallstudie av trähustillverkare och fasadbehandlare. Som undersöknings metod har intervjueroch facklitteratur använts. Med hjälp av litteraturmaterialet sammanställdes enteoretisk referensram, vad efter sedan fallföretagen intervjuades. Genom insamlade sekundärdata betraktades företaget i den teoretiska referensramen. Undersökningens teorin baserar sig på adoption av innovation. Inledningsvis redogörs traditionell segmentering av industriella marknader och sedan segmentering efter kundlivscykel. Tyngdpunkten är ändå på teknologi adoption livscykel. Empirin är fallstudie av modul, storblock trähustillverkare och fasadbehandlare. Företagets situation studeras inom teoretiska referensramen för att kunna göra en analys avadoptionen och göra slutsatser om produktlanseringen. Rekommendation är några aspekter som innobuild bör beakta vid försäljning av Fasec-fasadsystem. Undersökningen torde kunna användas som stöd vid adoption av en innovation.

Tavaratalokaupan strategiset menestystekijät

Tutkimuksen tavoitteena oli analysoida tavaratalokaupan strategisia menestystekijöitä, erityisesti tavarataloliiketoiminnan johtamisen merkitystä strategisena menestystekijänä. Empiirinen sovellus suunnattiin Sokos-tavarataloketjuun. Tutkimuksen osatavoitteena oli kuvata ja analysoida Sokos-tavarataloketjun liiketoiminnan kehittymistä 1970 - 1990 välisellä ajanjaksolla sekä pohtia syitä, miksi Sokos-liiketoiminta ajautui kriisiin 1990-luvun aikana. Vertailuksi otettiin Stockmann-tavarataloketjun menestyminen vastaavalla ajanjaksolla Tarkastelun kohteena oli johtamisen muuttuminen, liikeideamuutokset, ketjutoiminnan sekä hankinnan roolin muutokset Sokos-ketjussa. Lopuksi tavoitteena oli arvioida strategisen johtamisen onnistumista Sokos-ketjussa peilaten strategisten menesty stekij öiden viitekehykseen. Tutkimus on luonteeltaan toiminta-analyyttinenja sen aineistonkeruumenetelmänä käytettiin puolistrukturoitua haastattelua. Haastatteluja suoritettiin yhteensä kahdeksan.Empiirinen osa koostuu S-ryhmääja erityisesti Sokos-tavaratalokauppaa käsittelevästä materiaalista, kilpailustrategioiden kuvauksista, vuosikertomuksista ja kokousmuistioista sekä kahdeksan Sokos-ketjussa 90-luvulla johtavassa asemassa toimineen henkilön haastatteluista. Empiiristä aineistoa on kerätty myös yleisistä vähittäiskauppaa koskevista alan lehdistä ja artikkeleista sekä Stockmann- tavarataloketjun vuosikertomuksista. Tutkimuksessa todettiin kohdeyrityksen vaikeuksiin ajautumisen taustalta löytyvän voimakkaan talouslaman lisäksi kilpailutilanteen voimakas muuttuminen, johon ei kyetty riittävästi vastaamaan. Suunnanmuutoksia kilpailustrategiaan tehtiin useaan otteeseen, mutta kaikissa vaiheissa käytännön toteutus jäi puolinaiseksi. Ylivoimaisten kilpailuetujen rakentaminen onnistui heikosti.

Virtaviivainen hankintatoimi osana tuotantoprosessia

Tutkimuksessa on pyritty löytämään tuotantoprosessin läpimenoa haittaavia ohjaus- ja toimintatapoja sekä tiedonkulusta aiheutuvia ongelmia. Tutkimuksen tavoitteena on saada toimittajien, hankintatoimen ja tuotannon logistinen arvoverkko toimimaan virtaviivaisesti. Työssä on käytetty teoriaosassa kirjallisuustutkimusta ja empiirisessä osassa toimintatutkimusta. Nykytilan selvityksessä tutkittiin prosessin tieto- ja materiaalivirrat sekä mitkä ovat tärkeimmät toiminnot toimitusketjussa. Tutkimuksen ja prosessianalyysin pohjalta määriteltiin kehitysehdotukset prosessin toimintojen tehostamiseksi. Nykytilan kartoituksessa ilmeni suurimmiksi ongelmiksi logistiikka prosessissa voimakkaan kysynnän kasvusta aiheutuvat komponenttien ja raaka-aineiden saatavuusongelmat sekä pudonneen kysynnän seurauksena varastoihin sitoutunut ylimääräinen vaihto-omaisuus. Tutkimuksen tuloksena syntyi kehitysehdotuksia, joiden pohjalta uudistettavaan toiminnanohjausjärjestelmään voitaneen toteuttaa johtopäätöksissä ilmenevät asiat, joista merkityksellisin on myynnin ennustamisvastuun siirtäminen myynnistä tulosvastuussa oleville henkilöille.

Christlich-religiöse Textwelt als translatorisch-hermeneutischer Gegenstand Gegenstandsbeschreibung und Herangehensweisen

Tämä teorialähtöinen, hermeneuttinen tutkimus sijoittuu käännöstieteen sekä uskonnon- ja kielifilosofian rajapintaan. Tutkimuksessa kuvataan kristinuskon tekstimaailmaa relevantin tulkintakehyksen kautta sekä esitetään tekstimaailman tulkintaan soveltuva lähestymistapa ammattikääntäjän eli välittävän vastaanottajan näkökulmasta. Tutkimus pureutuu käännösprosessin hermeneutiikkaan eli lähdetekstin ja sen maailman tulkintaan, ymmärtämiseen ja selittämiseen liittyviin aspekteihin. Tutkimuksessa ei esitetä käännösratkaisuja. Tutkimus nostaa esiin filosofisen ja teologisen hermeneutiikan peruskysymyksiä. Niitä ovat Raamatun tekstien vaikutushistoria, erilaiset todellisuus- ja kielikäsitykset, kirkon oppi, teologian pääsuuntaukset, uskonnolliset yhteisöt ja niiden perinteet, inhimillinen kulttuuri ja aika. Ne ovat ulottuvuuksia, jotka vaikuttavat kääntäjän tekstin- ja maailmantulkintaan ja vaativat laajojen kontekstien huomioonottamista sekä lähestymistä monista eri näkökulmista. Ludwig Wittgensteinin myöhäisfilosofiaan liittyvän kielipelin idea tarjoaa ajatusmallin, jonka avulla uskonnon käsite-, merkki- ja tekstimaailmalle voidaan luoda moninäkökulmainen tulkintakehys. Kielipelin käsitettä käytetään tässä tutkimuksessa tekstien samankaltaisuutta ja erilaisuutta kokoavana järjestelmänä, joka toimii intratekstuaalisesti eli sillä on omat pelisääntönsä, tulkinnan lähteensä sekä tunnistettava identiteetti. Järjestelmän keskiössä ovat uskonnon konstituioivat käsitteet ja kertomukset, jotka ovat muiden tulkintojen eli metatekstien lähde. Kääntäjän varsinaisina tulkintakohteina ovat metatekstit, eivät raamatunkääntämiseen liittyvät kysymykset suoranaisesti. Tutkimuksessa luodaan kuitenkin tulkintamalli, jonka mukaan metatekstejä ja raamatun tekstejä luetaan rinnakkain. Ymmärtäminen ja ongelmanratkaisu rakentuvat tekstuaalisen kommunikaation pohjalta. Tekstejä luetaan sekä sääntöteorian että narratiivisen teorian valossa. Kertomus puhuttelee vastaanottajaa eri tavalla kuin sääntö. Tulkintamallissa yhdistyvät sekä analyyttinen että luovan mielikuvituksen sallima lukutapa. Molemmat toimivat yhdessä kääntäjän tekstin- merkin- ja maailmantulkinnan apuna. Tutkimuksessa pohditaan myös tekstiteorettisia kysymyksiä, tekstin ja merkin käsitteitä sekä niiden toimintadynamiikkaa. Tulkinnan mekanismi esitetään semioosin käsitteen avulla. Teksti määritellään heuristiseksi ja eksemplaariseksi kuvaukseksi maailmasta, ja se edustaa vain osaa tulkintakokonaisuudesta. Kääntäjän hermeneuttinen kenttä ulotetaan tekstinulkoiseen maailmaan, käytäntöön ja elämänmuotoon.

Sosioteknisen kuilun kaventaminen toiminnanohjausjärjestelmän ja käyttäjien välillä

Pro Gradu- tutkimuksen keskeisin tavoite on ollut selvittää, kuinka sosioteknistä kuilua kohdeyrityksen toiminnanohjausjärjestelmän ja käyttäjien välillä voitaisiin pienentää. Teo-reettisena viitekehyksenä on käytetty sosioteknistä systeemiteoriaa sekä teorioita liittyen tietoteknisen järjestelmän hyväksyntään. Toiminnanohjausjärjestelmät ovat tunnetusti välttämätön osa nykypäivää lähes kaikille yrityksille. Niiden käyttöönoton onnistumista ja käytön tehokkuutta voidaan parantaa huomioimalla sekä sosiaalinen että tekninen systeemi organisaatiossa. Sosiotekninen kuilu rakentuu kahden välttämättömän ja toisistaan riippuvaisen systeemin välille: sekä sosiaalinen systeemi eli henkilöstö ja heidän työtapansa että tekninen systeemi eli tekno-logia ja tieto on huomioitava ja aidosti sosioteknisessä muutoksessa molempia systeeme-jä muokattava. Organisaatio voi parantaa omilla toimillaan käyttäjien asennetta ja haluk-kuutta ja siten kaventaa kuilua sosiaalisen systeemin puolelta. Lisäksi teknistä systeemiä tulisi muokata paremmin vastaamaan käyttäjien toiveita, jotta kuilu kapenisi myös tekni-sen systeemin suunnasta. Tutkimus toteutettiin laadullisena ja aineistonkeräystapana käytettiin puolistrukturoituja haastatteluja kohdeyrityksessä.

Fractional slot permanent magnet synchronous motors for low speed applications

This study compares different rotor structures of permanent magnet motors with fractional slot windings. The surface mounted magnet and the embedded magnet rotor structures are studied. This thesis analyses the characteristics of a concentrated two-layer winding, each coil of which is wound around one tooth and which has a number of slots per pole and per phase less than one (q < 1). Compared to the integer slot winding, the fractional winding (q < 1) has shorter end windings and this, thereby, makes space as well as manufacturing cost saving possible. Several possible ways of winding a fractional slot machine with slots per pole and per phase lessthan one are examined. The winding factor and the winding harmonic components are calculated. The benefits attainable from a machine with concentrated windingsare considered. Rotor structures with surface magnets, radially embedded magnets and embedded magnets in V-position are discussed. The finite element method isused to solve the main values of the motors. The waveform of the induced electro motive force, the no-load and rated load torque ripple as well as the dynamic behavior of the current driven and voltage driven motor are solved. The results obtained from different finite element analyses are given. A simple analytic method to calculate fractional slot machines is introduced and the values are compared to the values obtained with the finite element analysis. Several different fractional slot machines are first designed by using the simple analytical methodand then computed by using the finite element method. All the motors are of thesame 225-frame size, and have an approximately same amount of magnet material, a same rated torque demand and a 400 - 420 rpm speed. An analysis of the computation results gives new information on the character of fractional slot machines.A fractional slot prototype machine with number 0.4 for the slots per pole and per phase, 45 kW output power and 420 rpm speed is constructed to verify the calculations. The measurement and the finite element method results are found to beequal.

On the Analysis and Control of a Linear Synchronous Servomotor with a Flexible Load

Industry's growing need for higher productivity is placing new demands on mechanisms connected with electrical motors, because these can easily lead to vibration problems due to fast dynamics. Furthermore, the nonlinear effects caused by a motor frequently reduce servo stability, which diminishes the controller's ability to predict and maintain speed. Hence, the flexibility of a mechanism and its control has become an important area of research. The basic approach in control system engineering is to assume that the mechanism connected to a motor is rigid, so that vibrations in the tool mechanism, reel, gripper or any apparatus connected to the motor are not taken into account. This might reduce the ability of the machine system to carry out its assignment and shorten the lifetime of the equipment. Nonetheless, it is usually more important to know how the mechanism, or in other words the load on the motor, behaves. A nonlinear load control method for a permanent magnet linear synchronous motor is developed and implemented in the thesis. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired velocity reference as fast as possible and without awkward oscillations. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm with its stability ensured by the Lyapunov stability theorem. As a reference controller for the backstepping method, a hybrid neural controller is introduced in which the linear motor itself is controlled by a conventional PI velocity controller and the vibration of the associated flexible mechanism is suppressed from an outer control loop using a compensation signal from a multilayer perceptron network. To avoid the local minimum problem entailed in neural networks, the initial weights are searched for offline by means of a differential evolution algorithm. The states of a mechanical system for controllers are estimated using the Kalman filter. The theoretical results obtained from the control design are validated with the lumped mass model for a mechanism. Generalization of the mechanism allows the methods derived here to be widely implemented in machine automation. The control algorithms are first designed in a specially introduced nonlinear simulation model and then implemented in the physical linear motor using a DSP (Digital Signal Processor) application. The measurements prove that both controllers are capable of suppressing vibration, but that the backstepping method is superior to others due to its accuracy of response and stability properties.

Assembly Methods of Permanent Magnets for Synchronous Generators

This thesis examines and explains the procedure used to redesign the attachment of permanent magnets to the surface of the rotor of a synchronous generator. The methodology followed to go from the actual assembly to converge to the final purposed innovation was based on the systematic approach design. This meant that first a series of steps had to be predefined as a frame of reference later to be used to compare and select proposals, and finally to obtain the innovation that was sought. Firstly, a series of patents was used as the background for the upcoming ideas. To this end, several different patented assemblies had been found and categorized according the main element onto which this thesis if focused, meaning the attachment element or method. After establishing the technological frame of reference, a brainstorm was performed to obtain as many ideas as possible. Then these ideas were classified, regardless of their degree of complexity or usability, since at this time the quantity of the ideas was the important issue. Subsequently, they were compared and evaluated from different points of view. The comparison and evaluation in this case was based on the use of a requirement list, which established the main needs that the design had to fulfill. Then the selection could be done by grading each idea in accordance with these requirements. In this way, one was able to obtain the idea or ideas that best fulfilled these requirements. Once all of the ideas were compared and evaluated, the best or most suitable idea or ideas were separated. Finally, the selected idea or ideas was/were analyzed in extension and a number of improvements were made. Consequently, a final idea was refined and made more suitable at its performance, manufacture, and life cycle assessment. Therefore, in the end, the design process gave a solution to the problem pointed out at the beginning.

CFD Simulation of Two-phase and Three-phase Flows in Internal-loop Airlift

Airlift reactors are pneumatically agitated reactors that have been widely used in chemical, petrochemical, and bioprocess industries, such as fermentation and wastewater treatment. Computational Fluid Dynamics (CFD) has become more popular approach for design, scale-up and performance evaluation of such reactors. In the present work numerical simulations for internal-loop airlift reactors were performed using the transient Eulerian model with CFD package, ANSYS Fluent 12.1. The turbulence in the liquid phase is described using κ- ε the model. Global hydrodynamic parameters like gas holdup, gas velocity and liquid velocity have been investigated for a range of superficial gas velocities, both with 2D and 3D simulations. Moreover, the study of geometry and scale influence on the reactor have been considered. The results suggest that both, geometry and scale have significant effects on the hydrodynamic parameters, which may have substantial effects on the reactor performance. Grid refinement and time-step size effect have been discussed. Numerical calculations with gas-liquid-solid three-phase flow system have been carried out to investigate the effect of solid loading, solid particle size and solid density on the hydrodynamic characteristics of internal loop airlift reactor with different superficial gas velocities. It was observed that averaged gas holdup is significantly decreased with increasing slurry concentration. Simulations show that the riser gas holdup decreases with increase in solid particle diameter. In addition, it was found that the averaged solid holdup increases in the riser section with the increase of solid density. These produced results reveal that CFD have excellent potential to simulate two-phase and three-phase flow system.

Sähkökoneessa esiintyvien voimien yksityiskohtainen mittausjärjestelmä

Hissiteollisuudessa nostokoneistoina käytettyjen sähkömoottoreiden laatuvaatimukset ovat tiuken-tuneet viime vuosina. Erityisesti koneistojen tuottama ääni ja mekaaninen värähtely ovat olleet jat-kuvasti tiukentuneen tarkastelun alaisena. Hissikoriin ja hissiä ympäröiviin rakenteisiin välittyvästä värähtelystä johtuva ääni on yksi hissin laatuvaikutelmaan merkittävimmin vaikuttavia tekijöitä. Nostokoneisto on yksi tärkeimmistä äänen ja värähtelyn lähteistä hissijärjestelmässä. Koneiston suunnittelulla edellä mainittuja tekijöitä voidaan minimoida. Sähkökoneiden suunnittelussa finiit-tielementtimenetelmien (FEM) käyttö on vakiintunut haastavimmissa sovelluksissa. Kone Oyj:llä nostokoneistoina käytetään aksiaalivuokestomagneettitahtikoneita (AFPMSM), joiden FEM simu-lointiin käytetään yleisesti kolmea eri tapaa. Kukin näistä vaihtoehdoista pitää sisällään omat hyö-tynsä, että haittansa. Suunnittelun kannalta tärkeää on oikean menetelmän valinta ai-ka/informatiivisuus suhteen maksimoimiseksi. Erittäin tärkeää on myös saatujen tulosten oikeelli-suus. Tämän diplomityön tavoite on kehittää järjestelmä, jonka avulla AFPMS-koneen voimia voidaan mitata yksityiskohtaisella tasolla. Järjestelmän avulla voidaan tarkastella käytössä olevien FE-menetelmien tulosten oikeellisuutta sekä äänen että värähtelyn syntymekanismeja. Järjestelmän tarkoitus on myös syventää Kone Oyj tietotaitoa AFPMS-koneiden toiminnasta. Tässä työssä esitellään AFPMS-koneen epäideaalisuuksia, jotka voivat vaikuttaa mittajärjestelmän suunnitteluun. Myös koneen epäideaalisuuksiin lukeutuvaa ääntä on tarkasteltu tässä työssä. Jotta työn tavoitteiden mukaista FE-menetelmien vertailua ja tulosten oikeellisuuden tarkastelua voitai-siin tehdä, myös yleisimpiä AFPMS-koneen FE-menetelmiä tarkastellaan. Työn tuloksena on mittajärjestelmän suunnitelma, jonka avulla voidaan toteuttaa kuuden vapausas-teen voimamittaus jokaiselle koneistomagneetille alle 1N resoluutiolla. Suunnitellun järjestelmän toimivuutta on tarkasteltu FE-menetelmiä käyttäen ja järjestelmässä käytettävän voima-anturin ky-vykkyyttä on todennettu referenssimittauksin. Suunniteltu mittajärjestelmä mahdollistaa sähkömoottorin useiden eri epäideaalisuuksien tarkaste-lun yksityiskohtaisella tasolla. Mittausajatuksen soveltaminen myös muiden koneiden tutkimiseen tarjoaa mahdollisuuksia jatkotutkimuksille.

Analytic evaluation of three-phase short circuit demagnetization and hysteresis loss risk in rotor-surface-magnet Permanent-Magnet Synchronous Machines

Permanent magnet synchronous machines (PMSM) have become widely used in applications because of high efficiency compared to synchronous machines with exciting winding or to induction motors. This feature of PMSM is achieved through the using the permanent magnets (PM) as the main excitation source. The magnetic properties of the PM have significant influence on all the PMSM characteristics. Recent observations of the PM material properties when used in rotating machines revealed that in all PMSMs the magnets do not necessarily operate in the second quadrant of the demagnetization curve which makes the magnets prone to hysteresis losses. Moreover, still no good analytical approach has not been derived for the magnetic flux density distribution along the PM during the different short circuits faults. The main task of this thesis is to derive simple analytical tool which can predict magnetic flux density distribution along the rotor-surface mounted PM in two cases: during normal operating mode and in the worst moment of time from the PM’s point of view of the three phase symmetrical short circuit. The surface mounted PMSMs were selected because of their prevalence and relatively simple construction. The proposed model is based on the combination of two theories: the theory of the magnetic circuit and space vector theory. The comparison of the results in case of the normal operating mode obtained from finite element software with the results calculated with the proposed model shows good accuracy of model in the parts of the PM which are most of all prone to hysteresis losses. The comparison of the results for three phase symmetrical short circuit revealed significant inaccuracy of the proposed model compared with results from finite element software. The analysis of the inaccuracy reasons was provided. The impact on the model of the Carter factor theory and assumption that air have permeability of the PM were analyzed. The propositions for the further model development are presented.

Converter-flux-based current control of voltage source PWM rectifiers - analysis and implementation

Pulsewidth-modulated (PWM) rectifier technology is increasingly used in industrial applications like variable-speed motor drives, since it offers several desired features such as sinusoidal input currents, controllable power factor, bidirectional power flow and high quality DC output voltage. To achieve these features,however, an effective control system with fast and accurate current and DC voltage responses is required. From various control strategies proposed to meet these control objectives, in most cases the commonly known principle of the synchronous-frame current vector control along with some space-vector PWM scheme have been applied. Recently, however, new control approaches analogous to the well-established direct torque control (DTC) method for electrical machines have also emerged to implement a high-performance PWM rectifier. In this thesis the concepts of classical synchronous-frame current control and DTC-based PWM rectifier control are combined and a new converter-flux-based current control (CFCC) scheme is introduced. To achieve sufficient dynamic performance and to ensure a stable operation, the proposed control system is thoroughly analysed and simple rules for the controller design are suggested. Special attention is paid to the estimationof the converter flux, which is the key element of converter-flux-based control. Discrete-time implementation is also discussed. Line-voltage-sensorless reactive reactive power control methods for the L- and LCL-type line filters are presented. For the L-filter an open-loop control law for the d-axis current referenceis proposed. In the case of the LCL-filter the combined open-loop control and feedback control is proposed. The influence of the erroneous filter parameter estimates on the accuracy of the developed control schemes is also discussed. A newzero vector selection rule for suppressing the zero-sequence current in parallel-connected PWM rectifiers is proposed. With this method a truly standalone and independent control of the converter units is allowed and traditional transformer isolation and synchronised-control-based solutions are avoided. The implementation requires only one additional current sensor. The proposed schemes are evaluated by the simulations and laboratory experiments. A satisfactory performance and good agreement between the theory and practice are demonstrated.

Torque vibration model of axial-flux surface-mounted permanent magnet synchronous machine

In order that the radius and thus ununiform structure of the teeth and otherelectrical and magnetic parts of the machine may be taken into consideration the calculation of an axial flux permanent magnet machine is, conventionally, doneby means of 3D FEM-methods. This calculation procedure, however, requires a lotof time and computer recourses. This study proves that also analytical methods can be applied to perform the calculation successfully. The procedure of the analytical calculation can be summarized into following steps: first the magnet is divided into slices, which makes the calculation for each section individually, and then the parts are submitted to calculation of the final results. It is obvious that using this method can save a lot of designing and calculating time. Thecalculation program is designed to model the magnetic and electrical circuits of surface mounted axial flux permanent magnet synchronous machines in such a way, that it takes into account possible magnetic saturation of the iron parts. Theresult of the calculation is the torque of the motor including the vibrations. The motor geometry and the materials and either the torque or pole angle are defined and the motor can be fed with an arbitrary shape and amplitude of three-phase currents. There are no limits for the size and number of the pole pairs nor for many other factors. The calculation steps and the number of different sections of the magnet are selectable, but the calculation time is strongly depending on this. The results are compared to the measurements of real prototypes. The permanent magnet creates part of the flux in the magnetic circuit. The form and amplitude of the flux density in the air-gap depends on the geometry and material of the magnetic circuit, on the length of the air-gap and remanence flux density of the magnet. Slotting is taken into account by using the Carter factor in the slot opening area. The calculation is simple and fast if the shape of the magnetis a square and has no skew in relation to the stator slots. With a more complicated magnet shape the calculation has to be done in several sections. It is clear that according to the increasing number of sections also the result will become more accurate. In a radial flux motor all sections of the magnets create force with a same radius. In the case of an axial flux motor, each radial section creates force with a different radius and the torque is the sum of these. The magnetic circuit of the motor, consisting of the stator iron, rotor iron, air-gap, magnet and the slot, is modelled with a reluctance net, which considers the saturation of the iron. This means, that several iterations, in which the permeability is updated, has to be done in order to get final results. The motor torque is calculated using the instantaneous linkage flux and stator currents. Flux linkage is called the part of the flux that is created by the permanent magnets and the stator currents passing through the coils in stator teeth. The angle between this flux and the phase currents define the torque created by the magnetic circuit. Due to the winding structure of the stator and in order to limit the leakage flux the slot openings of the stator are normally not made of ferromagnetic material even though, in some cases, semimagnetic slot wedges are used. In the slot opening faces the flux enters the iron almost normally (tangentially with respect to the rotor flux) creating tangential forces in the rotor. This phenomenon iscalled cogging. The flux in the slot opening area on the different sides of theopening and in the different slot openings is not equal and so these forces do not compensate each other. In the calculation it is assumed that the flux entering the left side of the opening is the component left from the geometrical centre of the slot. This torque component together with the torque component calculated using the Lorenz force make the total torque of the motor. It is easy to assume that when all the magnet edges, where the derivative component of the magnet flux density is at its highest, enter the slot openings at the same time, this will have as a result a considerable cogging torque. To reduce the cogging torquethe magnet edges can be shaped so that they are not parallel to the stator slots, which is the common way to solve the problem. In doing so, the edge may be spread along the whole slot pitch and thus also the high derivative component willbe spread to occur equally along the rotation. Besides forming the magnets theymay also be placed somewhat asymmetric on the rotor surface. The asymmetric distribution can be made in many different ways. All the magnets may have a different deflection of the symmetrical centre point or they can be for example shiftedin pairs. There are some factors that limit the deflection. The first is that the magnets cannot overlap. The magnet shape and the relative width compared to the pole define the deflection in this case. The other factor is that a shifting of the poles limits the maximum torque of the motor. If the edges of adjacent magnets are very close to each other the leakage flux from one pole to the other increases reducing thus the air-gap magnetization. The asymmetric model needs some assumptions and simplifications in order to limit the size of the model and calculation time. The reluctance net is made for symmetric distribution. If the magnets are distributed asymmetrically the flux in the different pole pairs will not be exactly the same. Therefore, the assumption that the flux flows from the edges of the model to the next pole pairs, in the calculation model from one edgeto the other, is not correct. If it were wished for that this fact should be considered in multi-pole pair machines, this would mean that all the poles, in other words the whole machine, should be modelled in reluctance net. The error resulting from this wrong assumption is, nevertheless, irrelevant.