Thermische Modellierung einer Mehrlagenplatine

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

Tasajännitetason nosto polttokennosovelluksessa

Polttokennojen, erityisesti SOFC-kennojen, tutkimuksessa on viime vuosina saavutettu merkittäviä edistysaskelia ja mahdollisuudet kennojen laajamittaiseen hyödyntämiseen paranevat koko ajan. Polttokennojen yleistyessä tarvitaan tehoelektroniikkaa muokkaamaan kennojen tasajännite verkkoon sopivaksi vaihtojännitteeksi. Verkkovaihtosuuntaaja vaatii korkeamman jännitetason, kuin polttokennosta on saatavissa, joten tasajännitetasoa on ensin nostettava. Tässä diplomityössä esitellään kolme eri hakkuritopologiaa ja perehdytään kokosiltahakkurin optimointiin. Hakkurin pääasialliset häviölähteet olivat toision diodisilta ja transistorit. Diodien vaihtaminen piidiodeista piikarbididiodeihin ei parantanut hyötysuhdetta, koska toision jännite tarkastellussa sovelluksessa oli matala. Muuntajan käämiminen litz-johtimella paransi hyötysuhdetta merkittävästi.

Phase voltage control and filtering in a converter-fed single-phase customer-end system of the LVDC distribution network

In recent years, the network vulnerability to natural hazards has been noticed. Moreover, operating on the limits of the network transmission capabilities have resulted in major outages during the past decade. One of the reasons for operating on these limits is that the network has become outdated. Therefore, new technical solutions are studied that could provide more reliable and more energy efficient power distributionand also a better profitability for the network owner. It is the development and price of power electronics that have made the DC distribution an attractive alternative again. In this doctoral thesis, one type of a low-voltage DC distribution system is investigated. Morespecifically, it is studied which current technological solutions, used at the customer-end, could provide better power quality for the customer when compared with the current system. To study the effect of a DC network on the customer-end power quality, a bipolar DC network model is derived. The model can also be used to identify the supply parameters when the V/kW ratio is approximately known. Although the model provides knowledge of the average behavior, it is shown that the instantaneous DC voltage ripple should be limited. The guidelines to choose an appropriate capacitance value for the capacitor located at the input DC terminals of the customer-end are given. Also the structure of the customer-end is considered. A comparison between the most common solutions is made based on their cost, energy efficiency, and reliability. In the comparison, special attention is paid to the passive filtering solutions since the filter is considered a crucial element when the lifetime expenses are determined. It is found out that the filter topology most commonly used today, namely the LC filter, does not provide economical advantage over the hybrid filter structure. Finally, some of the typical control system solutions are introduced and their shortcomings are presented. As a solution to the customer-end voltage regulation problem, an observer-based control scheme is proposed. It is shown how different control system structures affect the performance. The performance meeting the requirements is achieved by using only one output measurement, when operating in a rigid network. Similar performance can be achieved in a weak grid by DC voltage measurement. An additional improvement can be achieved when an adaptive gain scheduling-based control is introduced. As a conclusion, the final power quality is determined by a sum of various factors, and the thesis provides the guidelines for designing the system that improves the power quality experienced by the customer.

Akkujen ja superkondensaattorien yhteiskäyttö energiavarastoina ja niiden verkkoon liittäminen ajoneuvoissa

Ajoneuvojen tiukentuneet päästörajoitukset, sekä ajoneuvojen kokonaishyötysuhteen parantamisen tarve ohjaavat ajoneuvovalmistajia kehittämään uusia ratkaisuja. Energiavarastojen käyttö ajoneuvoissa on yleistynyt ja niiden käytöllä voidaan saada huomattava energiasäästö. Tässä kandidaatintyössä on esitelty erilaisia energiavarastoja ja niiden verkkoon liittämistä. Pääpaino työssä on akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkennässä. Energiavarastot pyritään kytkemään mahdollisimman vähällä tehoelektroniikalla verkkoon. Esimerkkitapaukseksi on otettu litium-ioni akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkentä vaihtojännitteeseen pelkällä invertterillä.

Diskreettiaikainen liukuvan moodin säätö kiinteäoksidipolttokennon DC-tasonnostossa

Huoli ympäristön tilasta ja fossiilisten polttoaineiden hinnan nousu ovat vauhdittaneet tutkimusta uusien energialähteiden löytämiseksi. Polttokennot ovat yksi lupaavimmista tekniikoista etenkin hajautetun energiantuotannon, varavoimalaitosten sekä liikennevälineiden alueella. Polttokenno on tehonlähteenä kuitenkin hyvin epäideaalinen, ja se asettaa tehoelektroniikalle lukuisia erityisvaatimuksia. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon on tavallisesti toteutettu käyttämällä galvaanisesti erottavaa DC/DC hakkuria sekä vaihtosuuntaajaa sarjassa. Polttokennon kulumisen estämiseksi tehoelektroniikalta vaaditaan tarkkaa polttokennon lähtövirran hallintaa. Perinteisesti virran hallinta on toteutettu säätämällä hakkurin tulovirtaa PI (Proportional and Integral) tai PID (Proportional, Integral and Derivative) -säätimellä. Hakkurin epälineaarisuudesta johtuen tällainen ratkaisu ei välttämättä toimi kaukana linearisointipisteestä. Lisäksi perinteiset säätimet ovat herkkiä mallinnusvirheille. Tässä diplomityössä on esitetty polttokennon jännitettä nostavan hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli, sekä malliin perustuva diskreettiaikainen integroiva liukuvan moodin säätö. Esitetty säätö on luonteeltaan epälineaarinen ja se soveltuu epälineaaristen ja heikosti tunnettujen järjestelmien säätämiseen.

Energiansäästölamppujen vaikutukset pienjännitteisen sähkönjakeluverkon kuormitukseen ja häviöihin

Euroopan Unioni kieltää matalan hyötysuhteen lamppujen käyttämisen sekä sisä- että ulkovalaisimissa. Näin ollen matalan hyötysuhteen lamput, kuten perinteiset hehkulamput tulee vaihtaa paremman hyötysuhteen lamppuihin, kuten energiansäästölamppuihin. Energiansäästölampuissa 230 V, 50 Hz verkkosähkö muunnetaan valonlähteelle sopivaksi tehoelektroniikan avulla. 50 Hz perustaajuisen virran lisäksi energiansäästölamput ottavat verkosta harmonisia yliaaltoja. Harmoniset yliaallot aiheuttavat lisähäviöitä verkostokomponenteissa, kuten muuntajissa ja johdoissa. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan millaisia vaikutuksia hehkulamppujen vaihtaminen energiansäästölamppuihin aiheuttaa pienjännitteisessä jakeluverkossa. Työssä tarkastellaan lyhyesti myös energiansäästölamppujen energiatehokkuutta, sekä sitä, millaisia rajoitteita standardit asettavat harmonisille yliaalloille.

AMB system for high-speed motors using automatic commissioning

The general trend towards increasing e ciency and energy density drives the industry to high-speed technologies. Active Magnetic Bearings (AMBs) are one of the technologies that allow contactless support of a rotating body. Theoretically, there are no limitations on the rotational speed. The absence of friction, low maintenance cost, micrometer precision, and programmable sti ness have made AMBs a viable choice for highdemanding applications. Along with the advances in power electronics, such as signi cantly improved reliability and cost, AMB systems have gained a wide adoption in the industry. The AMB system is a complex, open-loop unstable system with multiple inputs and outputs. For normal operation, such a system requires a feedback control. To meet the high demands for performance and robustness, model-based control techniques should be applied. These techniques require an accurate plant model description and uncertainty estimations. The advanced control methods require more e ort at the commissioning stage. In this work, a methodology is developed for an automatic commissioning of a subcritical, rigid gas blower machine. The commissioning process includes open-loop tuning of separate parts such as sensors and actuators. The next step is to apply a system identi cation procedure to obtain a model for the controller synthesis. Finally, a robust model-based controller is synthesized and experimentally evaluated in the full operating range of the system. The commissioning procedure is developed by applying only the system components available and a priori knowledge without any additional hardware. Thus, the work provides an intelligent system with a self-diagnostics feature and an automatic commissioning.

Kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin virtasäätö polttokennosovelluksessa

Ilmastonmuutos ja fossiilisten polttoaineiden ehtyminen ovat edesauttaneet uusiutuvien energialähteiden tutkimusta huomattavasti. Lisäksi alati kasvava sähköenergian tarve lisää hajautetun sähköntuotannon ja vaihtoehtoisten energialähteiden kiinnostavuutta. Yleisimpiä hajautetun sähköntuotannon energialähteitä ovat tuulivoima, aurinkovoima ja uutena tulokkaana polttokennot. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon vaatii tehoelektroniikkaa, ja yleensä yksinkertaisessa polttokennosovelluksessa polttokenno kytketään galvaanisesti erottavan yksisuuntaisen DC/DC-hakkurin ja vaihtosuuntaajan kanssa sarjaan. Polttokennon rinnalla voidaan käyttää akkua tasaamaan polttokennon syöttämää jännitettä, jolloin akun ja polttokennon väliin tarvitaan kaksisuuntainen DC/DC-hakkuri, joka pystyy siirtämään energiaa molempiin suuntiin. Tässä diplomityössä on esitetty kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli sekä mallin perusteella toteutettu virtasäätö. Tutkittava hakkuritopologia on kokosilta-tyyppinen boost-hakkuri, ja säätömenetelmä keskiarvovirtasäätö. Työn tuloksena syntyi tilayhtälömalli kaksisuuntaiselle FB boost -hakkurille sekä sen tulokelan virran säätämiseen soveltuva säädin. Säädin toimii normaalitilanteissa hyvin, mutta erikoistilanteissa, kuten hakkurin tulojännitteen äkillisessä muutostilanteessa, vaadittaisiin tehokkaampi säädin, jolla saavutettaisiin nopeampi nousuaika ilman ylitystä ja oskillointia.

Energy and Dynamics of the solar agricultural robot "SolarSprayer"

The main objective of the present study was to design an agricultural robot, which work is based on the generation of the electricity by the solar panel. To achieve the proper operation of the robot according to the assumed working cycle the detailed design of the main equipment was made. By analysing the possible areas of implementation together with developments, the economic forecast was held. As a result a decision about possibility of such device working in agricultural sector was made and the probable topics of the further study were found out.

Kaksifaasijäähdytysjärjestelmään liittyvien pumppujen vertailu ja kehittäminen sarjatuotannon tarpeisiin

Tehoelektroniikalta vaaditaan nykyään parempaa suorituskykyä entistä pienemmässä tilassa. Tämä luo haasteen riittävälle jäähdytykselle. Eräs ratkaisu on käyttää kaksifaasijäähdytystä, jolla aikaansaadaan tehokas lämmönsiirto komponenttien pinnalta. Lämmönsiirtonesteinä voidaan käyttää kylmäaineita tai muita alhaisessa lämpötilassa kiehuvia nesteitä. Tällaisille nesteille on tyypillistä alhainen höyrynpaine sekä matala viskositeetti. Nämä ominaisuudet tuovat haasteita nesteen pumppaukseen. Tässä työssä tarkastellaan R-134A:ta sekä Novec 7000:ta, perehdytään niiden fysikaalisiin ominaisuuksiin sekä materiaaliyhteensopivuuksiin ja näiden tietojen pohjalta etsitään sopivaa pumpputyyppiä kaksifaasijäähdytysjärjestelmään. Tehoelektroniikan jäähdytysjärjestelmän pumpun on oltava edullinen muuhun järjestelmään nähden. Tyypillinen kiertopumppu nestejäähdytysjärjestelmässä on pieni keskipakopumppu. Alhaisen kiehumispisteen vuoksi kavitointiriski kasvaa ja tämä voi vahingoittaa pumppua. Myös matala viskositeetti tuo haasteita vuotoherkkyyden kasvamisen myötä, joten mekaanisilla aksiaalitiivisteillä varustetut pumput eivät ole pitkäikäisiä. Kylmäainejärjestelmiin tarkoitetut pumput ovat arvokkaita, eikä näin ollen sovellu edullisiin jäähdytysjärjestelmiin. Tässä työssä käydään läpi erilaisia pumpputyyppejä, jotka voisivat soveltua pitkäikäiseen pumppaukseen ilman huoltotöitä. Näiden tietojen perusteella kehitetään edullista ja pitkäikäistä pumppua pieniin kaksifaasijäähdytysjärjestelmiin nesteiden fysikaaliset ominaisuudet huomioon ottaen. Kehitetyn pumpun ominaisuuksia ja kustannuksia vertaillaan kaupallisiin ratkaisuihin ottaen huomioon sarjavalmistus. Itse valmistettuna pienelle sisäryntöiselle hammaspyöräpumpulle jää hintaa alle kymmenesosa markkinoilta löytyviin kylmäaineille soveltuviin pumppuun.

Aktiivisten magneettilaakereiden ohjauslaitteiston vaatimusmäärittely ja toteutus

Aktiivinen magneettilaakeri on järjestelmä joka mahdollistaa pyörivän kappaleen, esimerkiksi sähkökoneen roottorin, leijuttamisen magneettikentässä ilman fyysistä kontaktia vastakappaleiden välillä. Tekniikalla on joitain merkittäviä etuja muihin laakerointijärjestelmiin verrattuna erityisesti suurnopeuksisissa tai puhdastiloissa käytettävissä sähkökäytöissä. Magneettilaakereiden yleistymistä nopeuttaisi ja niiden hintaa laskisi mikäli laakereiden säätöön ja tehonsyöttöön voitaisiin käyttää standardeja teollisuusautomaatiolaitteita erityisesti tätä käyttötarkoitusta varten kehitettyjen laitteiden sijaan. Tässä työssä luodaan menetelmä määrittää vähimmäisvaatimukset aktiivisen magneettilaakerin säätöalgoritmien suorittamiseen käytetylle säätöjärjestelmälle ja anturoinnille sekä laakerin toimintaan tarvittavalle tehoelektroniikalle. Näiden vaatimusten perusteella luodaan katsaus soveltuviin laitteisiin ja kootaan esimerkkikokoonpanot kahdelle erilaiselle magneettilaakeroitavalle kohteelle. Lisäksi työssä esitellään LUT:ssa vuosina 2014-2015 kehitetty magneettilaakerin teholähdeprototyyppi ja selvitetään edellytykset käyttää laitetta laakerijärjestelmän osana.

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.

Electrical Safety of Island Operated Low Voltage DC Network

Today, renewable energy technologies and modern power electronics have made it feasible to implement low voltage direct current (LVDC) microgrids (MGs) ca-pable to island operation. Such LVDC networks are particularly useful in remote areas. However, there are still pending issues in island operated LVDC MGs like electrical safety and controlled operation, which should be addressed before wide-scale implementation. This thesis is focused on the overall protection of an island operated LVDC network concept, including protection against electrical shocks, mains equipment protection and protection of photovoltaic (PV) power sources and battery energy storage systems (BESSs). The topic is approached through ex-amination of the safety hazards and the appropriate methods to protect against them, comprising considerations for earthing system selection and realisation of the protection system.

Standardized electrical tests for electrical equipment in road vehicles Case: Visedo Oy PowerMASTER M-frame

Electrical road vehicles were common at the begin of the 20th century but internal combustion engines took a victory from electrical motors in road vehicles. The acknowledgement of the environment, and the price and the availability of the crude oil are reasons for the comeback of the electrical vehicles. Advancement in industrial technology and political atmosphere in EU as the directive 20--20--20, which consists of reducing fossil emission, increasing renewable energy and increasing the energy efficiency, have made the electrification popular again. In this thesis tests based on standard ISO 16750--2 electrical loads for electrical equipment in road vehicles are made for Visedo Oy's PowerMASTER M-frame power electronics device. This device is designed for mainly drive trains in mobile work machines and marine vessels but can be used in other application in its power range which also includes road vehicles. The functionality of the device is tested with preliminary tests which act as a framework for the tests based on standards.