FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Sliding Mode Control for Switched Mode Power Supplies

Control applications of switched mode power supplies have been widely investigated. The main objective ofresearch and development (R&D) in this field is always to find the most suitable control method to be implemented in various DC/DC converter topologies. Inother words, the goal is to select a control method capable of improving the efficiency of the converter, reducing the effect of disturbances (line and load variation), lessening the effect of EMI (electro magnetic interference), and beingless effected by component variation. The main objective of this research work is to study different control methods implemented in switched mode power supplies namely (PID control, hysteresis control, adaptive control, current programmed control, variable structure control (VSC), and sliding mode control (SMC). The advantages and drawbacks of each control method are given. Two control methods, the PID and the SMC are selected and their effects on DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters are examined. Matlab/SimulinkTM is used to implement PID control method in DC/DC Buck converter and SMC in DC/DC (Buck, and Buck Boost) converters. For the prototype, operational amplifiers (op-amps) are used to implement PID control in DC/DC Buck converter. For SMC op-amps are implemented in DC/DC Buck converter and dSPACETM is used to control the DC/DC Buck-Boost converter. The SMC can be applied to the DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters. A comparison of the effects of the PID control and the SMC on the DC/DC Buck converter response in steady state, under line variations, load variations, and different component variations is performed. Also the Conducted RF-Emissions between the PID and SMC DC/DC Buck Converter are compared. The thesis shows that, in comparison with the PID control, the SMC provides better steady-state response, better dynamic response, less EMI, inherent order reduction, robustness against system uncertainty disturbances, and an implicit stability proof. Giving a better steady-state and dynamic response, the SMC is implemented in a DC/DC resonant converter. The half-wave zero current switching (HWZCS) DC/DC Buck converter is selected as a converter topology. A general guideline to select the tank component values, needed for the designing of a HWZCS DC/DC Buck, is obtained. The implementation of the SMC to a HWZCS DC/DC Buck converter is analysed. The converter response is investigated in the steady-state region and in the dynamic region.

Design and analysis of a transversal-flux switched-reluctance-linear-machine pole-pair

The Switched Reluctance technology is probably best suited for industrial low-speed or zerospeed applications where the power can be small but the torque or the force in linear movement cases might be relatively high. Because of its simple structure the SR-motor is an interesting alternative for low power applications where pneumatic or hydraulic linear drives are to be avoided. This study analyses the basic parts of an LSR-motor which are the two mover poles and one stator pole and which form the “basic pole pair” in linear-movement transversal-flux switchedreluctance motors. The static properties of the basic pole pair are modelled and the basic design rules are derived. The models developed are validated with experiments. A one-sided one-polepair transversal-flux switched-reluctance-linear-motor prototype is demonstrated and its static properties are measured. The modelling of the static properties is performed with FEM-calculations. Two-dimensional models are accurate enough to model the static key features for the basic dimensioning of LSRmotors. Three-dimensional models must be used in order to get the most accurate calculation results of the static traction force production. The developed dimensioning and modelling methods, which could be systematically validated by laboratory measurements, are the most significant contributions of this thesis.

Tehokerroinkorjatun hakkuriteholähteen toteutusvaihtoehdot

Hyötysuhteen merkitys tehoelektroniikan järjestelmissä kasvaa jatkuvasti kun käytössä olevien järjestelmien määrä lisääntyy ja toisaalta energian hinta kallistuu. Hyötysuhteen lisäksi verkkovirran käyrämuotovaatimukset asettavat omat haasteensa sähköverkkoon liitettävien tehoelektroniikkajärjestelmien suunnittelulle. Tässä työssä tutkitaan häviöiden syntyyn vaikuttavia tekijöitä hakkuriteholähteissä ja pyritään löytämään keinoja hyötysuhteen parantamiseksi. Työssä analysoidaan 300 W – 2 kW tehoalueelle soveltuvat, tehokerroinkorjattujen AC/DC-hakkuriteholähteiden topologiavaihtoehdot ja arvioidaan niiden soveltuvuutta tavanomaisen boost-topologian korvaajaksi. Tarkastelussa otetaan huomioon kustannukset, toimivuus sekä saavutettu hyötysuhteen parantuminen verrattuna perinteisellä topologialla toteutettuun teholähteeseen. Tarkasteltavat topologiat valitaan kirjallisuustutkimuksen perusteella. Valittujen topologioiden häviöt ja hyötysuhde selvitetään analyyttisin menetelmin sekä simuloimalla. Käytännön testausta varten suunnitellaan ja rakennetaan prototyyppi valitusta topologiasta.

Jätehuoltosuunnitelman laatiminen elektroniikka-alan yritykselle

Sähkö- ja elektroniikka-alan yritykset eivät yleensä kuormita merkittävästi ympäristöä, sillä teollisuudenalan suurimmat ympäristövaikutukset aiheutuvat alihankkijoiden ja komponenttivalmistajien toiminnasta. Yritysten oma toiminta perustuu pitkälti tuotekehitykseen ja tuotteiden loppukokoonpanoon valmiista komponenteista. Syntynyt jäte on tyypillisesti pääosin pakkausjätettä, metalleja, kaatopaikkajätettä ja vähäisessä määrin myös ongelmajätettä. Vähäisen ympäristökuormituksen johdosta yrityksiltä ei yleensä vaadita ympäristölupaa. Diplomityössä laadittiin jätehuoltosuunnitelma elektroniikka-alan yritykselle. Työ suoritettiin Kemppi Oy:n toimeksiannosta Lahdessa. Jätehuoltosuunnitelman noudattaminen parantaa yrityksen julkisuuskuvaa ja tuo kustannussäästöjä. Toimivan suunnitelman laatiminen vaatii kuitenkin aikaa ja muita resursseja. Jätehuollon toimivuus on tarkistettava säännöllisesti, etenkin silloin kun yrityksen toiminnan painopiste muuttuu. Käytännön osuudessa kartoitettiin edellisvuosien jätemäärät ja yrityksen jätehuollon tila. Jätehuoltosuunnitelman laatimiselle oli selkeä tarve, koska jätehuolto perustui osin kirjoittamattomiin sääntöihin ja vanhoihin tottumuksiin. Syntypaikkalajittelua tehostettiin lisäämällä jäteastioita ja -pisteitä jätteiden syntypaikoille. Lajittelua parannettiin myös laatimalla selkeät ohjeet ja kouluttamalla työntekijöitä.

Hitsauskoneen kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen

Teollisuuden kasvavien laatuvaatimusten johdosta valmistava teollisuus joutuu tiukentamaan laatuvaatimuksiaan täyttääkseen asiakasvaatimukset. Laatujärjestelmät asettavat valmistajille erilaisia vaatimuksia, kuten valmistuksessa käytettävien laitteistojen huoltodokumentaatioiden tuottaminen. Standardi SFS-EN ISO 3834-2 Metallien sulahitsauksen laatuvaatimukset: Kattavat laatuvaatimukset tuo edellä mainitut vaatimukset myös hitsaustuotantoon. Ennakoivaa kunnossapitoa käytetään monilla teollisuuden aloilla, koska tuotannon yllättävät keskeytymiset halutaan ennaltaehkäistä. Käsinhitsaukseen ei ole ollut toistaiseksi työkaluja, jotka mahdollistaisivat ennakoivan kunnossapidon hitsauskoneille. Kemppi Oy kehittää hitsauksen monitorointiratkaisua, jonka yhtenä päämääränä on kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen hitsauslaitteistolle. Järjestelmä ottaa huomioon myös laatujärjestelmien asettamat vaatimukset hitsauskoneiden huoltodokumentaation tuottamisesta. Diplomityön tavoitteena oli tehdä vaatimusmäärittely hitsauskoneiden kunnonvalvontajärjestelmälle. Tässä diplomityössä perehdyttiin kunnossapidon ja vikaantumisen lajeihin, laatujärjestelmiin sekä hitsauslaitteistoon. Tutkimuksessa syvennyttiin hitsauskoneiden kunnossapidon ja vikaantumistapauksien kautta suunnitteilla olevan järjestelmän tarpeisiin. Haastatteluiden avulla kartoitettiin hitsauslaitteiden kunnonvalvontajärjestelmältä vaadittavia piirteitä, järjestelmälle asetettavia vaatimuksia sekä järjestelmän monitorointikohteita. Tutkimuksen pohjalta laadittuun vaatimusmäärittelyyn saatiin muodostettua toiminnalliset vaatimukset, joista muodostetaan tuotekehityksen aikana tuotteen ominaisuudet. Lisäksi vaatimusmäärittelyyn luotiin käyttäjäryhmät, käyttötapaukset sekä alustavat monitorointikohteet. Vaatimusten täyttämiseksi kunnonvalvontajärjestelmään on suunnitteilla myös laitetietokanta, johon sisällytetään hitsauslaitteille suoritettujen huoltojen ja validointien tiedot. Varsinaisen tuotekehitystyön alkaessa nyt laadittua vaatimusmäärittelyä tullaan käyttämään suuntaviivojen näyttäjänä projektissa.

Rullaoikaisukoneen asetusarvojen laskeminen ja uuden oikaisukonekokonaisuuden määritys

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli nykyisin tuotantokäytössä olevan rullaoikaisukoneen automatisointi ja uuden oikaisukonekokonaisuuden mitoitus tulevaisuuden materiaaliominaisuuksien perusteella. Automatisoinnilla on tarkoitus nykyisessä käytössä helpottaa nauhahitsaajan työtä ja lähitulevaisuudessa optimoida romutustarvetta kelojen keula- ja häntäalueilla. Uuden oikaisukonekokonaisuuden osalta työssä on määritetty rullaoikaisukoneen rullakoot, rullien keskiöetäisyys, vaadittava moottoriteho ja rullien tuennan tarve sekä erillisen hilseenmurskaimen/rullavenytysoikaisukoneen tarve peittauslinjan toiminnassa. Rullaoikaisukoneen asetusarvojen laskeminen toteutettiin ympyräkaarimenetelmää ja seurantatutkimusta käyttäen. Ensimmäisen ylärullan asetteluarvot on laskettu suorilla kaavasovelluksilla. Toisen ylärullan kohdalla oli tarpeellista tehdä laajempaa seurantatutkimusta, jotta löydettiin sellainen tapa, jolla myös sen arvot saataisiin riippuvaiseksi ensimmäisen ylärullan asetteluarvoista ja ympyränkaarimenetelmästä. Uutta oikaisukonekokonaisuutta varten suoritettujen laskelmien perusteella rullaoikaisukoneen telakokoa ja keskiöetäisyyttä on pienennettävä, moottoritehoa on kasvatettava ja työrullien tuentaa on parannettava verrattuna nykyiseen tuotantokoneeseen. Esioikaisukonetyyppisen rullaoikaisukoneen rajoittuneesta oikaisutuloksesta ja tietyillä kelalaaduilla esiintyvä erittäin luja wüstiittihilse puoltaa vahvasti erillisen hilseenmurskaimen lisäämistä peittauslinjan konekantaan.

Jännitettä nostavan hakkurin käyttö akkukäyttöisessä audiolaitteessa

Audiovahvistimet pohjautuvat yhä useammin D-luokan vahvistimiin niiden korkean hyötysuhteen takia. Tämä mahdollistaa pidemmän käyttöajan tai vastaavasti tehon lisäämisen kannettavissa audiolaitteissa. Kuitenkin, jotta akkukäyttöisestä audiolaitteesta saataisiin suurempaa tehoa, se vaatii yleensä korkeamman jännitteen kuin yksittäisen akun lähtöjännite on. Korkeampi jännite voidaan saavuttaa lisäämällä akkuja tai käyttämällä jännitettä nostavaa hakkuria. Hakkureissa syntyy kuitenkin kytkennästä johtuvaa värettä, mille D-luokan vahvistimet ovat alttiita. Tässä työssä tutkitaan boost- ja Čuk-hakkurin soveltuvuutta jännitteen nostoon akkukäyttöisessä audiolaitteessa. Käytännön sovelluksena toimii Porsas, josta halutaan saada 500 W teho. Työssä tutkitaan audiolaitteen asettamia ehtoja jännitelähteelle sekä hakkurien mitoittamista ehtojen mukaisesti. Työn tutkimustapana on kirjallisuustutkimus ja simulointi. Audiolaitteen jännitelähteeltä vaatima teho vaihtelee suuresti. Tämä tulee ottaa huomioon hakkurin komponenttien mitoituksessa. Lisäksi hakkurin lähtöjännitteen väre pyritään minimoimaan, koska sillä on suuri vaikutus vahvistimen toimintaan. Tulovirran väreen minimoinnilla on pidentävä vaikutus akun purkusykliin. Hakkurien laskennalliset komponenttien arvot sekä simuloinnit osoittavat, että hakkurit olisivat myös mahdollista tehdä käytännössä. Simulointien perusteella boost-hakkurin komponenttien arvot ovat pienempiä kuin Čuk-hakkurin. Boost-hakkurille löytyy myös valmiita ohjainpiirejä enemmän. Toisaalta Čuk-hakkurilla on mahdollista tehdä myös energiansäästötila. Hakkurien ohjaus ja jäähdytys vaatisivat jatkotutkimusta.

Effect of Shielding Gases in Laser Welding of Aluminium Alloys

High reflectivity to laser light, alloying element evaporation during high power laser welding makes aluminium alloys highly susceptibility to weld defects such as porosity, cracking and undercutting. The dynamic behaviour of the keyhole, due to fluctuating plasma above the keyhole and the vaporization ofthe alloying elements with in the keyhole, is the key problem to be solved for the improvement of the weld quality and stabilization of the keyhole dynamics isperhaps the single most important development that can broaden the application of laser welding of aluminium alloys. In laser welding, the shielding gas is commonly used to stabilize the welding process, to improve the welded joint features and to protect the welded seam from oxidation. The chemicalcomposition of the shielding gas is a key factor in achieving the final qualityof the welded joints. Wide range of shielding gases varying from the pure gasesto complex mixtures based on helium, argon, nitrogen and carbon dioxide are commercially available. These gas mixtures should be considered in terms of their suitability during laser welding of aluminium alloys to produce quality welds. The main objective of the present work is to study the effect of the shielding gascomposition during laser welding of aluminium alloys. Aluminium alloy A15754 was welded using 3kW Nd-YAG laser (continuous wave mode). The alloy samples were butt welded with different shielding gases (pure and mixture of gases) so that high quality welds with high joint efficiencies could be produced. It was observed that the chemical composition of the gases influenced the final weld quality and properties. In general, the mixture gases, in correct proportions, enabled better utilisation of the properties of the mixing gases, stabilized the welding process and produced better weld quality compared to the pure shielding gases.

Visual measurement of laser-arc hybrid welding

Tässä työssä raportoidaan hybridihitsauksesta otettujen suurnopeuskuvasarjojen automaattisen analyysijärjestelmän kehittäminen.Järjestelmän tarkoitus oli tuottaa tietoa, joka avustaisi analysoijaa arvioimaan kuvatun hitsausprosessin laatua. Tutkimus keskittyi valokaaren taajuuden säännöllisyyden ja lisäainepisaroiden lentosuuntien mittaamiseen. Valokaaria havaittiin kuvasarjoista sumean c-means-klusterointimenetelmän avullaja perättäisten valokaarien välistä aikaväliä käytettiin valokaaren taajuuden säännöllisyyden mittarina. Pisaroita paikannettiin menetelmällä, jossa yhdistyi pääkomponenttianalyysi ja tukivektoriluokitin. Kalman-suodinta käytettiin tuottamaan arvioita pisaroiden lentosuunnista ja nopeuksista. Lentosuunnanmääritysmenetelmä luokitteli pisarat niiden arvioitujen lentosuuntien perusteella. Järjestelmän kehittämiseen käytettävissä olleet kuvasarjat poikkesivat merkittävästi toisistaan kuvanlaadun ja pisaroiden ulkomuodon osalta, johtuen eroista kuvaus- ja hitsausprosesseissa. Analyysijärjestelmä kehitettiin toimimaan pienellä osajoukolla kuvasarjoja, joissa oli tietynlainen kuvaus- ja hitsausprosessi ja joiden kuvanlaatu ja pisaroiden ulkomuoto olivat samankaltaisia, mutta järjestelmää testattiin myös osajoukon ulkopuolisilla kuvasarjoilla. Testitulokset osoittivat, että lentosuunnanmääritystarkkuus oli kohtuullisen suuri osajoukonsisällä ja pieni muissa kuvasarjoissa. Valokaaren taajuuden säännöllisyyden määritys oli tarkka useammassa kuvasarjassa.

Numerical and ExperimentalModelling of Gas Flow and Heat Transfer in the Air Gap of An Electric Machine

This work deals with the cooling of high-speed electric machines, such as motors and generators, through an air gap. It consists of numerical and experimental modelling of gas flow and heat transfer in an annular channel. Velocity and temperature profiles are modelled in the air gap of a high-speed testmachine. Local and mean heat transfer coefficients and total friction coefficients are attained for a smooth rotor-stator combination at a large velocity range. The aim is to solve the heat transfer numerically and experimentally. The FINFLO software, developed at Helsinki University of Technology, has been used in the flow solution, and the commercial IGG and Field view programs for the grid generation and post processing. The annular channel is discretized as a sector mesh. Calculation is performed with constant mass flow rate on six rotational speeds. The effect of turbulence is calculated using three turbulence models. The friction coefficient and velocity factor are attained via total friction power. The first part of experimental section consists of finding the proper sensors and calibrating them in a straight pipe. After preliminary tests, a RdF-sensor is glued on the walls of stator and rotor surfaces. Telemetry is needed to be able to measure the heat transfer coefficients at the rotor. The mean heat transfer coefficients are measured in a test machine on four cooling air mass flow rates at a wide Couette Reynolds number range. The calculated values concerning the friction and heat transfer coefficients are compared with measured and semi-empirical data. Heat is transferred from the hotter stator and rotor surfaces to the coolerair flow in the air gap, not from the rotor to the stator via the air gap, althought the stator temperature is lower than the rotor temperature. The calculatedfriction coefficients fits well with the semi-empirical equations and precedingmeasurements. On constant mass flow rate the rotor heat transfer coefficient attains a saturation point at a higher rotational speed, while the heat transfer coefficient of the stator grows uniformly. The magnitudes of the heat transfer coefficients are almost constant with different turbulence models. The calibrationof sensors in a straight pipe is only an advisory step in the selection process. Telemetry is tested in the pipe conditions and compared to the same measurements with a plain sensor. The magnitudes of the measured data and the data from the semi-empirical equation are higher for the heat transfer coefficients than thenumerical data considered on the velocity range. Friction and heat transfer coefficients are presented in a large velocity range in the report. The goals are reached acceptably using numerical and experimental research. The next challenge is to achieve results for grooved stator-rotor combinations. The work contains also results for an air gap with a grooved stator with 36 slots. The velocity field by the numerical method does not match in every respect the estimated flow mode. The absence of secondary Taylor vortices is evident when using time averagednumerical simulation.

The effects of some variables on CO2 laser-MAG hybrid welding

The CO2-laser-MAG hybrid welding process has been shown to be a productive choice for the welding industry, being used in e.g. the shipbuilding, pipe and beam manufacturing, and automotive industries. It provides an opportunity to increase the productivity of welding of joints containing air gaps compared with autogenous laser beam welding, with associated reductions in distortion and marked increases in welding speeds and penetration in comparison with both arc and autogenous laser welding. The literature study indicated that the phenomena of laser hybrid welding are mostly being studied using bead-on-plate welding or zero air gap configurations. This study shows it very clearly that the CO2 laser-MAG hybrid welding process is completely different, when there is a groove with an air gap. As in case of industrial use it is excepted that welding is performed for non-zero grooves, this study is of great importance for industrial applications. The results of this study indicate that by using a 6 kW CO2 laser-MAG hybrid welding process, the welding speed may also be increased if an air gap is present in the joint. Experimental trials indicated that the welding speed may be increased by 30-82% when compared with bead-on-plate welding, or welding of a joint with no air gap i.e. a joint prepared as optimum for autogenous laser welding. This study demonstrates very clearly, that the separation of the different processes, as well as the relative configurations of the processes (arc leading or trailing) affect welding performance significantly. These matters influence the droplet size and therefore the metal transfer mode, which in turn determined the resulting weld quality and the ability to bridge air gaps. Welding in bead-onplate mode, or of an I butt joint containing no air gap joint is facilitated by using a leading torch. This is due to the preheating effect of the arc, which increases the absorptivity of the work piece to the laser beam, enabling greater penetration and the use of higher welding speeds. With an air gap present, air gap bridging is more effectively achieved by using a trailing torch because of the lower arc power needed, the wider arc, and the movement of droplets predominantly towards the joint edges. The experiments showed, that the mode of metal transfer has a marked effect on gap bridgeability. Transfer of a single droplet per arc pulse may not be desirable if an air gap is present, because most of the droplets are directed towards the middle of the joint where no base material is present. In such cases, undercut is observed. Pulsed globular and rotational metal transfer modes enable molten metal to also be transferred to the joint edges, and are therefore superior metal transfer modes when bridging air gaps. It was also found very obvious, that process separation is an important factor in gap bridgeability. If process separation is too large, the resulting weld often exhibits sagging, or no weld may be formed at all as a result of the reduced interaction between the component processes. In contrast, if the processes are too close to one another, the processing region contains excess molten metal that may create difficulties for the keyhole to remain open. When the distance is optimised - i.e. a separation of 0-4 mm in this study, depending on the welding speed and beam-arc configuration - the processes act together, creating beneficial synergistic effects. The optimum process separation when using a trailing torch was found to be shorter (0-2 mm) than when a leading torch is used (2-4 mm); a result of the facilitation of weld pool motion when the latter configuration is adopted. This study demonstrates, that the MAG process used has a strong effect on the CO2-laser-MAG hybrid welding process. The laser beam welding component is relatively stable and easy to manage, with only two principal processing parameters (power and welding speed) needing to be adjusted. In contrast, the MAG process has a large number of processing parameters to optimise, all of which play an important role in the interaction between the laser beam and the arc. The parameters used for traditional MAG welding are often not optimal in achieving the most appropriate mode of metal transfer, and weld quality in laser hybrid welding, and must be optimised if the full range of benefits provided by hybrid welding are to be realised.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Novel Robot Solutions for Carrying out Field Joint Welding and Machining in the Assembly of the Vacuum Vessel of ITER

It is necessary to use highly specialized robots in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) both in the manufacturing and maintenance of the reactor due to a demanding environment. The sectors of the ITER vacuum vessel (VV) require more stringent tolerances than normally expected for the size of the structure involved. VV consists of nine sectors that are to be welded together. The vacuum vessel has a toroidal chamber structure. The task of the designed robot is to carry the welding apparatus along a path with a stringent tolerance during the assembly operation. In addition to the initial vacuum vessel assembly, after a limited running period, sectors need to be replaced for repair. Mechanisms with closed-loop kinematic chains are used in the design of robots in this work. One version is a purely parallel manipulator and another is a hybrid manipulator where the parallel and serial structures are combined. Traditional industrial robots that generally have the links actuated in series are inherently not very rigid and have poor dynamic performance in high speed and high dynamic loading conditions. Compared with open chain manipulators, parallel manipulators have high stiffness, high accuracy and a high force/torque capacity in a reduced workspace. Parallel manipulators have a mechanical architecture where all of the links are connected to the base and to the end-effector of the robot. The purpose of this thesis is to develop special parallel robots for the assembly, machining and repairing of the VV of the ITER. The process of the assembly and machining of the vacuum vessel needs a special robot. By studying the structure of the vacuum vessel, two novel parallel robots were designed and built; they have six and ten degrees of freedom driven by hydraulic cylinders and electrical servo motors. Kinematic models for the proposed robots were defined and two prototypes built. Experiments for machine cutting and laser welding with the 6-DOF robot were carried out. It was demonstrated that the parallel robots are capable of holding all necessary machining tools and welding end-effectors in all positions accurately and stably inside the vacuum vessel sector. The kinematic models appeared to be complex especially in the case of the 10-DOF robot because of its redundant structure. Multibody dynamics simulations were carried out, ensuring sufficient stiffness during the robot motion. The entire design and testing processes of the robots appeared to be complex tasks due to the high specialization of the manufacturing technology needed in the ITER reactor, while the results demonstrate the applicability of the proposed solutions quite well. The results offer not only devices but also a methodology for the assembly and repair of ITER by means of parallel robots.

Advanced orbital pipe welding

Since the introduction of automatic orbital welding in pipeline application in 1961, significant improvements have been obtained in orbital pipe welding systems. Requirement of more productive welding systems for pipeline application forces manufacturers to innovate new advanced systems and welding processes for orbital welding method. Various methods have been used to make welding process adaptive, such as visual sensing, passive visual sensing, real-time intelligent control, scan welding technique, multi laser vision sensor, thermal scanning, adaptive image processing, neural network model, machine vision, and optical sensing. Numerous studies are reviewed and discussed in this Master’s thesis and based on a wide range of experiments which already have been accomplished by different researches the vision sensor are reported to be the best choice for adaptive orbital pipe welding system. Also, in this study the most welding processes as well as the most pipe variations welded by orbital welding systems mainly for oil and gas pipeline applications are explained. The welding results show that Gas Metal Arc Welding (GMAW) and its variants like Surface Tension Transfer (STT) and modified short circuit are the most preferred processes in the welding of root pass and can be replaced to the Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) in many applications. Furthermore, dual-tandem gas metal arc welding technique is currently considered the most efficient method in the welding of fill pass. Orbital GTAW process mostly is applied for applications ranging from single run welding of thin walled stainless tubes to multi run welding of thick walled pipes. Flux cored arc welding process is faster process with higher deposition rate and recently this process is getting more popular in pipe welding applications. Also, combination of gas metal arc welding and Nd:YAG laser has shown acceptable results in girth welding of land pipelines for oil and gas industry. This Master’s thesis can be implemented as a guideline in welding of pipes and tubes to achieve higher quality and efficiency. Also, this research can be used as a base material for future investigations to supplement present finding.