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.

LVDC power distribution system: computational modelling

In the doctoral dissertation, low-voltage direct current (LVDC) distribution system stability, supply security and power quality are evaluated by computational modelling and measurements on an LVDC research platform. Computational models for the LVDC network analysis are developed. Time-domain simulation models are implemented in the time-domain simulation environment PSCAD/EMTDC. The PSCAD/EMTDC models of the LVDC network are applied to the transient behaviour and power quality studies. The LVDC network power loss model is developed in a MATLAB environment and is capable of fast estimation of the network and component power losses. The model integrates analytical equations that describe the power loss mechanism of the network components with power flow calculations. For an LVDC network research platform, a monitoring and control software solution is developed. The solution is used to deliver measurement data for verification of the developed models and analysis of the modelling results. In the work, the power loss mechanism of the LVDC network components and its main dependencies are described. Energy loss distribution of the LVDC network components is presented. Power quality measurements and current spectra are provided and harmonic pollution on the DC network is analysed. The transient behaviour of the network is verified through time-domain simulations. DC capacitor guidelines for an LVDC power distribution network are introduced. The power loss analysis results show that one of the main optimisation targets for an LVDC power distribution network should be reduction of the no-load losses and efficiency improvement of converters at partial loads. Low-frequency spectra of the network voltages and currents are shown, and harmonic propagation is analysed. Power quality in the LVDC network point of common coupling (PCC) is discussed. Power quality standard requirements are shown to be met by the LVDC network. The network behaviour during transients is analysed by time-domain simulations. The network is shown to be transient stable during large-scale disturbances. Measurement results on the LVDC research platform proving this are presented in the work.

Yliopiston sähköverkon mallintaminen

Lappeenrannan teknillinen yliopisto tutkii älykkäiden sähköverkkojen kehittämistä. Yliopisto on hankkinut sähköverkkoonsa tuuliturbiinin ja aurinkopaneeleita, joilla pystytään tuottamaan sähköenergiaa sähköverkkoon. Näitä tuotantoja voidaan käyttää myös tutkimuksessa. Tässä työssä luodaan simulaatiomalli yliopiston sähköverkosta Matlab® Simulink® -ohjelmalla. Simulaatiomalliin mallinnetaan yliopiston sisäinen keskijänniteverkko ja osa pienjänniteverkosta. Simulaatiomalli toteutetaan ohjelman valmiilla komponenteilla, joihin lasketaan tarvittavat parametrit. Tuuliturbiinin ja aurinkopaneelien sähköntuotantotehot määritetään säätiladatojen avulla. Verkon komponenteille lasketaan arvot komponenttien tyyppitietojen perusteella ja asetetaan simulaatiomallin parametreiksi. Simulaatiomalli luodaan yliopiston sisäisen verkon tehonjaon tarkastelemiseksi. Työssä selvitetään myös mahdollisuuksia luodun simulaatiomallin käyttämiseen vikatilanteiden tarkastelussa.

Radio-frequency-based measurement methods for bearing current analysis in induction motors

The most common reason for a low-voltage induction motor breakdown is a bearing failure. Along with the increasing popularity of modern frequency converters, bearing failures have become the most important motor fault type. Conditions in which bearing currents are likely to occur are generated as a side effect of fast du/dt switching transients. Once present, different types of bearing currents can accelerate the mechanical wear of bearings by causing deformation of metal parts in the bearing and degradation of the lubricating oil properties.The bearing current phenomena are well known, and several bearing current measurement and mitigation methods have been proposed. Nevertheless, in order to develop more feasible methods to measure and mitigate bearing currents, better knowledge of the phenomena is required. When mechanical wear is caused by bearing currents, the resulting aging impact has to be monitored and dealt with. Moreover, because of the stepwise aging mechanism, periodically executed condition monitoring measurements have been found ineffective. Thus, there is a need for feasible bearing current measurement methods that can be applied in parallel with the normal operation of series production drive systems. In order to reach the objectives of feasibility and applicability, nonintrusive measurement methods are preferred. In this doctoral dissertation, the characteristics and conditions of bearings that are related to the occurrence of different kinds of bearing currents are studied. Further, the study introduces some nonintrusive radio-frequency-signal-based approaches to detect and measure parameters that are associated with the accelerated bearing wear caused by bearing currents.

CaV 3.1 and CaV 3.3 account for T-type Ca2+ current in GH3 cells

T-type Ca2+ channels are important for cell signaling by a variety of cells. We report here the electrophysiological and molecular characteristics of the whole-cell Ca2+ current in GH3 clonal pituitary cells. The current inactivation at 0 mV was described by a single exponential function with a time constant of 18.32 ± 1.87 ms (N = 16). The I-V relationship measured with Ca2+ as a charge carrier was shifted to the left when we applied a conditioning pre-pulse of up to -120 mV, indicating that a low voltage-activated current may be present in GH3 cells. Transient currents were first activated at -50 mV and peaked around -20 mV. The half-maximal voltage activation and the slope factors for the two conditions are -35.02 ± 2.4 and 6.7 ± 0.3 mV (pre-pulse of -120 mV, N = 15), and -27.0 ± 0.97 and 7.5 ± 0.7 mV (pre-pulse of -40 mV, N = 9). The 8-mV shift in the activation mid-point was statistically significant (P < 0.05). The tail currents decayed bi-exponentially suggesting two different T-type Ca2+ channel populations. RT-PCR revealed the presence of a1G (CaV3.1) and a1I (CaV3.3) T-type Ca2+ channel mRNA transcripts.

Invoice process analysis and development. Case: Power and automation technology company

This master’s thesis studies the case company’s current purchase invoice process and the challenges that are related to it. Like most of other master’s thesis this study consists of both theoretical- and empirical parts. The purpose of this work is to combine theoretical and empirical parts together so that the theoretical part brings value to the empirical case study. The case company’s main business is frequency converters for both low voltage AC & DC drives and medium voltage AC Drives which are used across all industries and applications. The main focus of this study is on the current invoice process modelling. When modelling the existing process with discipline and care, current challenges can be understood better. Empirical study relays heavily on interviews and existing, yet fragmented, data. This, along with own calculations and analysis, creates the foundation for the empirical part of this master’s thesis.

Pienjännitteisen tasasähkönjakelun hyödyntäminen ja siihen liittyvä tutkimus maailmalla

Tässä kandidaatintyössä selvitetään kirjallisuustutkimuksena, minkälaista tutkimusta maailmalla on tehty liittyen pienjännitteiseen tasasähkönjakeluun, sekä missä sovelluskohteissa sitä hyödynnetään. Työssä esitetään yleisimmät järjestelmärakenteet ja sovelluskohteet sekä organisaatiot, joiden on havaittu tutkivan tasasähkönjakelua kiinteistöissä, microgrideissä tai julkisessa sähkönjakelussa. Katsauksen perusteella havaittiin, että maailmalla on tehty erityisesti laskennallisia tutkimuksia ja simulointeja liittyen pienjännitteiseen tasasähkönjakeluun. Näkökulma on pääasiassa ollut kiinteistöissä ja microgrideissä, vähäisemmässä määrin myös julkisissa sähkönjakeluverkoissa. Pienjännitteistä tasasähkönjakelua hyödynnetään, tai ainakin voitaisiin hyödyntää näissä kohteissa. Pääasiassa konseptilla on pyritty hakemaan kustannussäästöjä ja toisaalta parantamaan hyötysuhdetta. Ympäri maailmaa on käynnissä pilottihankkeita sekä kiinteistöihin, että julkiseen sähkönjakeluun liittyen. Bipolaarinen ratkaisu näytti olevan yleisempi. Käytetyt ja tutkitut jännitetasot vaihtelivat riippuen sovelluskohteesta – kiinteistön sisällä oli käytössä tasot pienoisjännitteestä aina 350–400 VDC jännitetasoon asti, ja sama 350–400 VDC oli selvästi suosittu jännitealue myös jakeluverkossa, mutta myös korkeampia jännitteitä, kuten 700–750 VDC, oli käytössä.

Energy Management System for LVDC Island Networks

Recent developments in power electronics technology have made it possible to develop competitive and reliable low-voltage DC (LVDC) distribution networks. Further, islanded microgrids—isolated small-scale localized distribution networks— have been proposed to reliably supply power using distributed generations. However, islanded operations face many issues such as power quality, voltage regulation, network stability, and protection. In this thesis, an energy management system (EMS) that ensures efficient energy and power balancing and voltage regulation has been proposed for an LVDC island network utilizing solar panels for electricity production and lead-acid batteries for energy storage. The EMS uses the master/slave method with robust communication infrastructure to control the production, storage, and loads. The logical basis for the EMS operations has been established by proposing functionalities of the network components as well as by defining appropriate operation modes that encompass all situations. During loss-of-powersupply periods, load prioritizations and disconnections are employed to maintain the power supply to at least some loads. The proposed EMS ensures optimal energy balance in the network. A sizing method based on discrete-event simulations has also been proposed to obtain reliable capacities of the photovoltaic array and battery. In addition, an algorithm to determine the number of hours of electric power supply that can be guaranteed to the customers at any given location has been developed. The successful performances of all the proposed algorithms have been demonstrated by simulations.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

Piirilevyn suunnittelu suurelle virralle DC/DC-muuntimeen

Ajoneuvoissa, kuten busseissa, käytetään yleensä 24 VDC järjestelmiä ja tämä ei muutu myöskään sähköajoneuvojen kohdalla. Sähköajoneuvoissakin tarvitaan siis 24 VDC matalajänniteakustoja valoille, pyyhkijöille ja muille matalan jännitteen järjestelmille. Lisäksi sähköajoneuvoissa on esimerkiksi ilmastointi ja paineilmankompressori, jotka tarvitsevat taajuusmuuttajan pyörittämään niitä. Tässä työssä suunnitellaan suuren virran piilevy DC/DC-muuntimeen, joka on osa ajoneuvokäyttöön suunnitellun invertterin ja DC/DC-muuntimen yhdistelmälaitetta. Työn pääpaino on piirilevyn suunnittelussa, mutta työssä kerrotaan lyhyesti koko laitteen kytkentä ja käyttötarkoitus. Työssä kerrotaan myös tehopiirilevylle tulevien komponenttien valinta, mitoitus ja jäähdytys. Käydään läpi suuren virran piirilevysuunnittelun mitoitusperiaatteet ja mitä seikkoja siinä erityisesti tulee ottaa huomioon. Lisäksi käsitellään piirilevyn liityntöjä ja virtakiskojen lämpenemää virranahtautumisen takia. Suunniteltua piirilevyä mitataan ja sen toimintaa kokeillaan prototyyppilaitteessa. Protoyyppilaitteella havaitaan virtakiskojen lämpenevän liikaa ja huomataan ongelma kytkenssä. Kytkentää korjattiin ja toimintaa analysoitiin uudestaan, jonka jälkeen havaittiin piirilevyn lämpenemän tippuneen 20 °C. Lopputuloksena piirilevyn lämpenemä, korjatulla kytkennällä, on suunnitellun mukainen. Lopussa esitetään piirilevyn korvaamista moduuliratkaisulla laitteen parantamiseksi sarjatuotantoon.

Relay protection in active distribution networks

Increasingly growing share of distributed generation in the whole electrical power system’s generating system is currently a worldwide tendency, driven by several factors, encircling mainly difficulties in refinement of megalopolises’ distribution networks and its maintenance; widening environmental concerns adding to both energy efficiency approaches and installation of renewable sources based generation, inherently distributed; increased power quality and reliability needs; progress in IT field, making implementable harmonization of needs and interests of different-energy-type generators and consumers. At this stage, the volume, formed by system-interconnected distributed generation facilities, have reached the level of causing broad impact toward system operation under emergency and post-emergency conditions in several EU countries, thus previously implementable approach of their preliminary tripping in case of a fault, preventing generating equipment damage and disoperation of relay protection and automation, is not applicable any more. Adding to the preceding, withstand capability and transient electromechanical stability of generating technologies, interconnecting in proximity of load nodes, enhanced significantly since the moment Low Voltage Ride-Through regulations, followed by techniques, were introduced in Grid Codes. Both aspects leads to relay protection and auto-reclosing operation in presence of distributed generation generally connected after grid planning and construction phases. This paper proposes solutions to the emerging need to ensure correct operation of the equipment in question with least possible grid refinements, distinctively for every type of distributed generation technology achieved its technical maturity to date and network’s protection. New generating technologies are equivalented from the perspective of representation in calculation of initial steady-state short-circuit current used to dimension current-sensing relay protection, and widely adopted short-circuit calculation practices, as IEC 60909 and VDE 0102. The phenomenon of unintentional islanding, influencing auto-reclosing, is addressed, and protection schemes used to eliminate an sustained island are listed and characterized by reliability and implementation related factors, whereas also forming a crucial aspect of realization of the proposed protection operation relieving measures.

Loistehon kompensoinnin ja yliaaltosuodattimien nykytila sekä kehityskohteet Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtaalla

Tutkimuksessa käsitelty kemikaalitehdas on 110 kV:n kantaverkkoon liittyvä tehointensiivinen teollisuuslaitos. Prosessien käyttöön mukautetut sähkönjakeluverkon yliaaltosuodattimet ja niiden käyttökytkennät ovat tärkeässä asemassa loistehon tuoton hallitsemiseksi liittymän loistehoikkunaan ja riittävän yliaaltosuodatuksen järjestämiseksi häviöt minimoiden. Kohteena olleen kemikaalitehtaan sähkönjakeluverkon kompensointia ja yliaaltosuodatusta on viimeksi tutkittu vuonna 2003. Tämän jälkeen verkostokomponentit ovat ikääntyneet, prosessien käyttö sekä pienjänniteverkko ovat muuttuneet ja tehdasta käyttävät osittain eri henkilöt. Nykytilaselvitykselle ja verkon kehityskohteiden analysoinnille on tullut tarve edellisen selvityksen jatkoksi. Tutkimus painottuu vahvasti kenttämittauksiin, joiden perusteella sekä kirjallisuutta ja tehtaan järjestelmiä hyödyntäen määritetään loistehotasot verkon keskeisimmissä kohteissa pien-, keski- ja suurjännitetasoilla. Tutkimuksessa esitetään lipeätehtaan suotimien uudelleenjärjestely 4. yliaallon vähentämiseksi ja yksikkökoon pienentämiseksi. Kantaverkon liittymäpisteen tilanne oli hyväksyttävä. Tutkimus esittää pienjännitekompensointia KF-4-100 keskukseen varayhteyden kapasiteettia lisäten. Tutkimus tuotti yleistietoutta verkon käytöstä ja selvitti parhaat käyttökytkennät loistehoikkunan hallitsemiseksi ilman loistehokustannuksia.

Investigation of the applicability of LVDC microgrids in utility distribution in Russia

The research towards efficient, reliable and environmental-friendly power supply solutions is producing growing interest to the “Smart Grid” approach for the development of the electricity networks and managing the increasing energy consumption. One of the novel approaches is an LVDC microgrid. The purpose of the research is to analyze the possibilities for the implementation of LVDC microgrids in public distribution networks in Russia. The research contains the analysis of the modern Russian electric power industry, electricity market, electricity distribution business, regulatory framework and standardization, related to the implementation of LVDC microgrid concept. For the purpose of the economic feasibility estimation, a theoretical case study for comparing low voltage AC and medium voltage AC with LVDC microgrid solutions for a small settlement in Russia is presented. The results of the market and regulatory framework analysis along with the economic comparison of AC and DC solutions show that implementation of the LVDC microgrid concept in Russia is possible and can be economically feasible. From the electric power industry and regulatory framework point of view, there are no serious obstacles for the LVDC microgrids in Russian distribution networks. However, the most suitable use cases at the moment are expected to be found in the electrification of remote settlements, which are isolated from the Unified Energy System of Russia.

Modulation de la neurogénèse par la glycine

Les vertébrés, du poisson à l'homme, possèdent un potentiel membranaire médié en partie par les ions chlorure (Cl-). L’une des premières formes d’activité neuronale lors du développement est la dépolarisation médiée par les ions chlorures extrudés par les canaux glycinergiques (GlyR) et GABAergiques. Cette dépolarisation est rendu possible grâce à l’expression retardée du co-transporteur d’ions chlorure et de potassium KCC2 lors du développement qui génère un gradient hyperpolarisant postnatalement chez les mammifères. Le rôle de cette dépolarisation précoce paradoxale durant le développement est inconnu. En injectant l’ARNm de KCC2 dans des embryons de poissons zébrés nouvellement fertilisé, nous avons devancé l’expression de ce co-transporteur rendant ainsi la glycine hyperpolarisante dans tous les neurones dès les premières phases du développement. Nous avons aussi ciblé le récepteur glycinergique directement en bloquant son activité et son expression à l’aide d’une drogue spécifique, la strychnine et d’un morpholino antisens (Knockdown). Dans les trois cas (KCC2, strychnine et GlyR KD), les perturbations de l’activité neuronale ont provoqués des erreurs dans la neurogenèse, en particulier une diminution du nombre d’interneurones sans avoir d’effets sur les motoneurones et les neurones sensoriels. De plus, en bloquant les canaux calciques activés à bas voltage dans le développement avec la drogue nifedipine, il y a des erreurs dans la neurogénèse semblables à celles remarquées dans les trois conditions précédentes. Nous concluons que la dépolarisation précoce par la glycine permet l’entrée du calcium et l’activation de la neurogénèse chez les interneurones.

Couplage entre les régions IIS4S5 et IIIS6 lors de l’activation du canal calcique CaV3.2

Le canal calcique dépendant du voltage de type-T CaV3.2 joue un rôle important dans l’excitabilité neuronale et dans la perception de la douleur. Le canal CaV3.2 partage une grande homologie structurale et fonctionnelle avec les canaux NaV. Ces deux types de canaux sont activés par de faibles dépolarisations membranaires et possèdent des cinétiques de temps d’activation et d’inactivation plus rapides que les canaux CaV de type-L. Les structures cristallines à haute résolution des canaux bactériens NaVAb (Payandeh et al. 2011; Payandeh et al. 2012) et NaVRh (Zhang et al. 2012) suggèrent que l’hélice amphiphile S4S5 du domaine II peut être couplée avec les résidus de l’hélice S6 dans le domaine II ainsi qu’avec des résidus de l’hélice homologue dans le domaine adjacent, soit le domaine III, et ce, durant l’activation du canal. Pour déterminer les résidus fonctionnellement couplés, durant l’activation du canal CaV3.2, une analyse cyclique de doubles mutants a été effectuée par substitution en glycine et alanine des résidus clés entre l’hélice S4S5 du domaine II et le segment S6 des domaines II et III. Les propriétés biophysiques ont été mesurées à l’aide de la technique de « cut-open » sur les ovocytes. Les énergies d’activation ont été mesurées pour 47 mutations ponctuelles et pour 14 paires de mutants. De grandes énergies de couplage (ΔΔGinteract > 2 kcal mol-1) ont été observées pour 3 paires de mutants introduites dans les IIS4S5/IIS6 et IIS4S5/IIIS6. Aucun couplage significatif n’a été observé entre le IIS4S5 et le IVS6. Nos résultats semblent démontrer que les hélices S4S5 et S6 provenant de deux domaines voisins sont couplées durant l’activation du canal calcique de type-T CaV3.2.