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.

Theoretical and numerical study of thermomagnetic convection in magnetic fluids

In this thesis, the magnetic field control of convection instabilities and heat and mass transfer processesin magnetic fluids have been investigated by numerical simulations and theoretical considerations. Simulation models based on finite element and finite volume methods have been developed. In addition to standard conservation equations, themagnetic field inside the simulation domain is calculated from Maxwell equations and the necessary terms to take into account for the magnetic body force and magnetic dissipation have been added to the equations governing the fluid motion.Numerical simulations of magnetic fluid convection near the threshold supportedexperimental observations qualitatively. Near the onset of convection the competitive action of thermal and concentration density gradients leads to mostly spatiotemporally chaotic convection with oscillatory and travelling wave regimes, previously observed in binary mixtures and nematic liquid crystals. In many applications of magnetic fluids, the heat and mass transfer processes including the effects of external magnetic fields are of great importance. In addition to magnetic fluids, the concepts and the simulation models used in this study may be applied also to the studies of convective instabilities in ordinary fluids as well as in other binary mixtures and complex fluids.

Experimental insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows

This work concerns the experimental study of rapid granular shear flows in annular Couette geometry. The flow is induced by continuous driving of the horizontal plate at the top of the granular bed in an annulus. The compressive pressure, driving torque, instantaneous bed height and rotational speed of the shearing plate are measured. Moreover, local stress fluctuations are measured in a medium made of steel spheres 2 and 3 mm in diameter. Both monodisperse packing and bidisperse packing are investigated to reveal the influence of size diversity in intermittent features of granular materials. Experiments are conducted in an annulus that can contain up to 15 kg of spherical steel balls. The shearing granular medium takes place via the rotation of the upper plate which compresses the material loaded inside the annulus. Fluctuations of compressive force are locally measured at the bottom of the annulus using a piezoelectric sensor. Rapid shear flow experiments are pursued at different compressive forces and shear rates and the sensitivity of fluctuations are then investigated by different means through monodisperse and bidisperse packings. Another important feature of rapid granular shear flows is the formation of ordered structures upon shearing. It requires a certain range for the amount of granular material (uniform size distribution) loaded in the system in order to obtain stable flows. This is studied more deeply in this thesis. The results of the current work bring some new insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows. The experimental apparatus is modified in comparison to earlier investigations. The measurements produce data for various quantities continuously sampled from the start of shearing to the end. Static failure and dynamic shearing ofa granular medium is investigated. The results of this work revealed some important features of failure dynamics and structure formation in the system. Furthermore, some computer simulations are performed in a 2D annulus to examine the nature of kinetic energy dissipation. It is found that turbulent flow models can statistically represent rapid granular flows with high accuracy. In addition to academic outcomes and scientific publications our results have a number of technological applications associated with grinding, mining and massive grain storages.

Uusien energianormien vaikutus pientalojen rakenteisiin ympäristön kannalta

Tehokkaimpia keinoja vähentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta ja lämmityksen aiheuttavia hiilidioksidi- ja happamoitavia päästöjä on tiukentaa rakentamismääräysten lämmöneristysvaatimuksia. Hyvin lämmöneristetyissä, tiiveissä ja ilmanvaihdoltaan optimoiduissa taloissa on pienet lämpöhäviöt. Näin ympäristöä kuormittava vaikutus saadaan paljon vähemmäksi kuin nykynormien mukaisissa asuinrakennuksissa. Johtumislämpöhäviö pienenee suoraan eristekerroksia paksuntamalla ja siihen on helpointa vaikuttaa. Mitä suurempiin eristepaksuuksiin mennään sen suuremmaksi tulee konvektion osuus kokonaislämpöhäviöstä. Tulevaisuudessa parempia ratkaisuja haetaan erityisesti konvektiosta ja säteilystä aiheutuvien lämpöhäviöiden pienentämiseksi. Eristeen osastointi ilmanpitävillä, vesihöyryä diffuusisesti läpäisevillä pystysuuntaisilla konvektiokatkoilla vähentää tehokkaasti paksun seinäeristeen kuljettumis-ilmavirtauksia. Katkoina käytetään erilaisia kalvoja ja rakennuspapereita, joilla on pieni emissiviteetti. Katkojen merkitys kasvaa, kun mennään uusien normien mukaisiin eristepaksuuksiin. Lämmöneriste voidaan toteuttaa myös kokoamalla ohuita kalvoja paketiksi, jotka jakavat ilmatilan ja siis eristeelle varatun paksuuden suljettuihin ilmaväleihin. Kun kalvoiksi valitaan pieniemissiviteettisiä pintoja, saadaan säteilylämmönsiirto lähes eliminoiduksi. Tällaisen ilmatilan lämmönjohtumisluku lähestyy paikallaan pysyvän ilman lämmönjohtumislukua, l = 0,025 W/Km, eli tällä rakennesysteemillä on mahdollista toteuttaa ohuempia rakenteita kuin perinteisillä eristeillä. Hygroskooppisen massan käyttö sisäilman kosteutta tasaavana rakenteena voi olla tulevaisuutta. Kehitystyö tuottaa uusia, kosteusteknisesti toimivia sovelluksia. Toisaalta palomääräykset tulevat kehitystyötä vastaan. Hygroskooppinen pintamateriaali on kevyt (pieni tiheys) ja paloteknisesti arka. Suoraa sähkölämmitystä ei voida pitää ympäristöystävällisenä. Sen jalostusketju on pitkä ja monivaiheinen. Millä peruspolttoaineella sähköä tuotetaan, vaikuttaa asiaan luonnollisestikin. Suoraa sähkölämmitystä voidaan suositella vain yksinäisen ihmisen taloudessa lämmitysmuotona taloudellisista syistä. Halvan polttoaineen säästöllä ei voida maksaa suuria laiteinvestointeja. Aurinkoenergian hyvä hyödyntäminen edellyttää hyvää säätöä, joka kytkee lämmityksen pois päältä silloin, kun aurinko lämmittää. Auringon hetkelliset säteilytehot ovat suuria verrattuna rakenteen lämpöhäviöihin ja huonetilojen lämmöntarpeeseen. Ratkaisu aurinkoenergian hetkellisyyteen ja paikallisuuteen on energian siirtäminen lämmöntarpeen mukaan rakennuksen eri osiin ja sen varastoiminen päivätasolla. Kun varastoivasta massasta ei ole suoraa yhteyttä ulos, voidaan kerääjäeristeeltä saatu lämpö käyttää häviöttömästi huonetilojen lämmittämiseen. Vaikka lämmitysenergian käytössä päästään 30 % vähennyksiin uudisrakennusten osalta, ei kokonaisenergian käyttö merkittävästi pienene, jos taloussähkön kulutus pysyy vakiona. Sama pätee myös CO2 -päästöihin. Saavutettava etu lämmitys-energian kulutuksessa voidaan hukata yhä suurenevaksi taloussähkön käytöksi, mikä olisi erityisen huono asia ympäristön kannalta.

Railway Wagon Market Analysis and New Multi-Purpose Wagon Solution for Freight Transports - Finnish Manufacturing Perspective

Rautateillä käytettävät tavaravaunut ovat vanhenemassa hyvin nopeasti; tämä koskee niin Venäjää, Suomea, Ruotsia kuin laajemminkin Eurooppaa. Venäjällä ja Euroopassa on käytössä runsaasti vaunuja, jotka ovat jo ylittäneet niille suositeltavan käyttöiän. Silti niitä käytetään kuljetuksissa, kun näitä korvaavia uusia vaunuja ei ole tarpeeksi saatavilla. Uusimmat vaunut ovat yleensä vaunuja vuokraavien yritysten tai uusien rautatieoperaattorien hankkimia - tämä koskee erityisesti Venäjää, jossa vaunuvuokraus on noussut erittäin suosituksi vaihtoehdoksi. Ennusteissa kerrotaan vaunupulan kasvavan ainakin vuoteen 2010 saakka. Jos rautateiden suosio rahtikuljetusmuotona kasvaa, niin voimistuva vaunukysyntä jatkuu huomattavan paljon pidemmän aikaa. Euroopan ja Venäjän vaunukannan tilanne näkyy myös sitä palvelevan konepajateollisuuden ongelmina - yleisesti ottaen alan eurooppalaiset yritykset ovat heikosti kannattavia ja niiden liikevaihto ei juuri kasva, venäläiset ja ukrainalaiset yritykset ovat olleet samassa tilanteessa, joskin aivan viime vuosina tilanne on osassa kääntynyt paremmaksi. Kun näiden maanosien yritysten liikevaihtoa, voittoa ja omistaja-arvoa verrataan yhdysvaltalaisiin kilpailijoihin, huomataan että jälkimmäisten suoriutuminen on huomattavan paljon parempaa, ja näillä yrityksillä on myös kyky maksaa osinkoja omistajilleen. Tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää uuden tyyppinen kuljetusvaunu Suomen, Venäjän sekä mahdollisesti myös Kiinan väliseen liikenteeseen. Vaunutyypin tarkoituksena olisi kyetä toimimaan monikäyttöisenä, niin raaka-aineiden kuin konttienkin kuljetuksessa, tasapainottaen kuljetusmuotojen aiheuttamaa kuljetuspaino-ongelmaa. Kehitystyön pohjana käytimme yli 1000 venäläisen vaunutyypin tietokantaa, josta valitsimme Data Envelopment Analysis -menetelmällä soveliaimmat vaunut kontinkuljetukseen (lähemmin tarkastelimme n. 40 vaunutyyppiä), jättäen mahdollisimman vähän tyhjää tilaa junaan, mutta silti kyeten kantamaan valitun konttilastin. Kun kantokykyongelmia venäläisissä vaunuissa ei useinkaan ole, on vertailu tehtävissä tavarajunan pituuden ja kokonaispainon perusteella. Simuloituamme yhdistettyihin kuljetuksiin soveliasta vaunutyyppiä käytännössä löytyvässä kuljetusverkostossa (esim. raakapuuta Suomeen tai Kiinaan ja kontteja takaisin Venäjän suuntaan), huomasimme lyhemmän vaunupituuden sisältävän kustannusetua, erityisesti raakaainekuljetuksissa, mutta myös rajanylityspaikkojen mahdollisesti vähentyessä. Lyhempi vaunutyyppi on myös joustavampi erilaisten konttipituuksien suhteen (40 jalan kontin käyttö on yleistynyt viime vuosina). Työn lopuksi ehdotamme uuden vaunutyypin tuotantotavaksi verkostomaista lähestymistapaa, jossa osa vaunusta tehtäisiin Suomessa ja osa Venäjällä ja/tai Ukrainassa. Vaunutyypin tulisi olla rekisteröity Venäjälle, sillä silloin sitä voi käyttää Suomen ja Venäjän, kuten myös soveltuvin osin Venäjän ja Kiinan välisessä liikenteessä.

Suullisen perinteen tekstualisaatio ja moderni kontekstualisaatio Suomessa : projektikuvaus

Ajankohtaista

Impact of Investment Strategies on Performance in Pulp and Paper Industry

The main objective of this study was to examine, what kind of investment strategies the leading European and North American pulp and paper industry companies (PPI) used in 1991-2003, and how the selected strategies affected their performance. The investment strategies were categorised in three classes including mergers and acquisitions, investments in new capacity and investments in existing capacity. The results showed that mergers and acquisitions represented the largest share of total investments in 1991-2003 followed by investments in existing capacity. PPI companies changed investment strategies over time by increasing the share of mergers and acquisitions, which decreased investments in new capacity especially among North American companies. According to the results, good asset quality and investments in new and existing capacity provided better profitability than often expensive acquisitions. Also the capacity decreases had a positive impact on profitability. Average asset quality and profitability were higher among European companies. The study concluded that in the long term the available value creating investment opportunities should limit capital expenditure levels, not the relation of capital expenditure to depreciation.

Ectodysplasin/NF-κB Promotes Mammary Cell Fate via Wnt/β-catenin Pathway.

Mammary gland development commences during embryogenesis with the establishment of a species typical number of mammary primordia on each flank of the embryo. It is thought that mammary cell fate can only be induced along the mammary line, a narrow region of the ventro-lateral skin running from the axilla to the groin. Ectodysplasin (Eda) is a tumor necrosis factor family ligand that regulates morphogenesis of several ectodermal appendages. We have previously shown that transgenic overexpression of Eda (K14-Eda mice) induces formation of supernumerary mammary placodes along the mammary line. Here, we investigate in more detail the role of Eda and its downstream mediator transcription factor NF-κB in mammary cell fate specification. We report that K14-Eda mice harbor accessory mammary glands also in the neck region indicating wider epidermal cell plasticity that previously appreciated. We show that even though NF-κB is not required for formation of endogenous mammary placodes, it is indispensable for the ability of Eda to induce supernumerary placodes. A genome-wide profiling of Eda-induced genes in mammary buds identified several Wnt pathway components as potential transcriptional targets of Eda. Using an ex vivo culture system, we show that suppression of canonical Wnt signalling leads to a dose-dependent inhibition of supernumerary placodes in K14-Eda tissue explants.

Puunjalostuskonsernin voiteluhuollon analysoiminen ja kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena on analysoida ja kehittää erään puunjalostuskonsernin voiteluhuoltoa. Tutkimuksen kirjallisessa osassa on selvitetty voitelun perusteet, voiteluaineet sekä voiteluhuoltoon liittyviä yleisiä käsitteitä ja termejä. Työssä on selvitetty ohjeita voiteluaineiden valintaan ja voiteluöljyjen kunnonvalvontamenetelmiin sekä selvitetty voiteluaineiden puhtauden merkitystä. Lisäksi on esitetty katselmus eri voitelumekanismista. Näiden sovellusesimerkkinä on laskettu paperikoneen kuivaussylinterin laakerin voitelukalvon ominaispaksuus. Osan lopussa on tutkittu voiteluaineiden varastoinnin ja käytettyjen voiteluaineiden jatkokäsittelyn merkitystä ympäristöasiat huomioiden. Soveltavassa osassa on edellistä hyödyntäen analysoitu puunjalostuskonsernin yksitoista eri paikkakuntaa voiteluhuollon toimivuuden kannalta. Tämä tilastollinen tieto on kerätty sekä kyselykaavakkeen avulla että haastattelemalla jokaisen paikkakunnan voiteluhuollon asiantuntijoita. Lopputuloksena on saatu voiteluhuollon kehityskohteet ja SWOT-analyysit paikkakunnittain sekä yhteenveto voiteluhuollon eri toimintojen parhaimmista käytännöistä. Lisäksi analyysin perusteella laadittiin konsernin voiteluhuollon kehityssuunnitelma.

Jälkirealismin ehdoilla. Hannu Salaman Siinä näkijä missä tekijä ja Finlandia-sarja

Tutkimus selvittää, mitä on jälkirealismi yhteiskunnallisen realismin muunnoksena ja mitkä ovat sen ”mimeettisen sopimuksen” ehdot eli todellisuutta ja sen ”jäljittelyä” koskevat perusteet. Teoreettiseen tarkasteluun yhdistyy Salaman romaanien analyysi suomalaisen jälkirealismin keskeisinä esimerkkeinä. Analysoidut teokset ovat Siinä näkijä missä tekijä (1972) sekä viisiosainen Finlandia-sarja, joka koostuu romaaneista Kosti Herhiläisen perunkirjoitus (1976), Kolera on raju bändi (1977), Pasi Harvalan tarina I (1981) ja II (1983) sekä Kaivo kellarissa (1983). Jälkirealismi määrittyy sellaiseksi kotimaisen kirjallisuuden trendiksi, joka muotoutuu 1900-luvun lopulla – samoihin aikoihin, kun yhteiskunnallinen todellisuus itsessään alkoi jälki- eli ”postmodernisoitua” ja kirjallinen postmodernismi maailmalla kehkeytyi. Toisin kuin postmodernismi, jälkirealismi muotoutuu (nimensä mukaan) realismin tradition pohjalta eikä pyri hylkäämään mimesistä. Mutta se ei enää allekirjoita aikaisemman realismin mimeettistä sopimusta sellaisenaan, vaan muokkaa ja ajanmukaistaa sopimusehtoja siksi, että yhteiskunnallinen todellisuus itsessään on rajussa muutoksessa eivätkä vanhat keinot enää yksin riitä sen todenmukaiseen kuvaamiseen. Salaman romaaneihin sisältyy jälkirealismin sopimusehdotelma, uudistus, jota Pertti Karkama on jo suuntaa-antavasti esitellyt, mutta jonka pääehdot vasta tämä tutkimus tarkemmin määrittelee. Jälkirealistinen sopimusuudistus koskee ensinnäkin kertojan asemaa (luku 2) ja luotettavuuden ehtoa (luku 3). Salaman vaihtuvat minä- ja hän-kertojat kyseenalaistavat yksioikoisen objektiivisuuden vaatimuksen ja irtautuvat ehdosta, että realistisen teoksen tulisi hahmottaa "kokonaisuus”. Kerrontarakenteen hierarkkinen malli murtuu ja ”kaikkitietävän” kertojan idea parodioituu. Kertojien suhdetta kuvaamaansa todellisuuteen ja muihin kertojiin/henkilöihin alkaa yhä enemmän määrittää intersubjektiivisuus, relationalisuus ja prosessuaalisuus. Myös luotettavuus kyseenalaistuu sekä temaattisena että rakennetta koskevana kysymyksenä. Jälkirealismi sallii kertojilleen yhä enemmän epäluotettavuutta tiedollisessa mutta erityisesti eettisessä mielessä. Toiseksi, jälkirealistinen sopimusuudistus koskee mimeettistä järjestystä, tarinan ja juonen kysymyksiä (luku 4). Mimeettisen järjestyksen, jonka on ajateltu toteutuvan realismin (enemmän tai vähemmän aristoteelisessa) juonessa, alkaa jälkirealismissa muuttua avoimeksi juonellistamiseksi. Itse kertomistoiminnan "jäljittely" tulee osaksi tarinaa. Ajatus siitä, että todellisuus on aina ennen sen mimesistä, kumoutuu. Kyse on paljolti metafiktiivisten piirteiden tunkeutumisesta myös realismiin, mutta metafiktio ei saa radikaalin postmodernistisia muotoja. Kolmanneksi jälkirealistinen sopimusuudistus koskee henkilökuvausta (luku 5). Siinä kyseenalaistuu realismille vanhastaan asetettu tyypillisyyden vaatimus. Henkilöhahmot eivät ole enää tietyn yhteiskuntaluokan esimerkillisiä edustajia vaan heissä ilmenee yhteiskunnallisen postmodernisoitumisen prosessi. Henkilöhahmot rakentuvat silti sellaisten tekstuaalis-kulttuuristen koodien varaan, jotka merkitsevät niiden lukemista "ihmisinä". Perinteisiä mimeettisiä koodeja ei rikota, kuten yleensä postmodernismissa, vaan ne painottuvat uudella tavalla. Todellisuuden muutoksen myötä myös ihmisten ja ihmiskäsitysten huomataan muuttuvan. Neljänneksi sopimusuudistus koskee referentiaalisuutta (luku 6) eli kielen todellisuus-kytköstä. Teoksissa käytetty kieli paljastaa erheelliseksi sen oletuksen, että realismin kielen – tai kielen ylipäänsä – ensisijainen tehtävä olisi viitata suoraan todellisuuteen. Jälkirealismi ei ”häivytä kielellisyyttään” vaan pikemminkin osoittaa todeksi sen bahtinilaisen ajatuksen, että kieli muodostaa monisuuntaisen ja dialogisen kehikon. Referenssi toimii tuon kehikon sisällä yhtenä kielen orientaationa, ”tahtona referenssiin”. Silti avoin dialogismi itsessään voi jopa vahvistaa referenssi-orientaatiota. Tutkimus on ensimmäinen Hannu Salaman tuotantoa tarkasteleva kirjallisuudentutkimuksen väitöskirja. Samalla se osallistuu kirjallisuustieteelliseen keskusteluun siitä, miten realismi ja mimesis tulisi meidän aikanamme ymmärtää.