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

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

Permanent magnet synchronous motor for industrial inverter applications - analysis and design

During the latest few years the need for new motor types has grown, since both high efficiency and an accurate dynamic performance are demanded in industrial applications. For this reason, new effective control systems such as direct torque control (DTC) have been developed. Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are well suitable for new adjustable speed AC inverter drives, because their efficiency and power factor are not depending on the pole pair number and speed to the same extent as it is the case in induction motors. Therefore, an induction motor (IM) with a mechanical gearbox can often be replaced with a direct PM motor drive. Space as well as costs will be saved, because the efficiency increases and the cost of maintenance decreases as well. This thesis deals with design criterion, analytical calculation and analysis of the permanent magnet synchronous motor for both sinusoidal air-gap flux density and rectangular air-gapflux density. It is examined how the air-gap flux, flux densities, inductances and torque can be estimated analytically for salient pole and non-salient pole motors. It has been sought by means of analytical calculations for the ultimate construction for machines rotating at relative low 300 rpm to 600 rpm speeds, which are suitable speeds e.g. in Pulp&Paper industry. The calculations are verified by using Finite Element calculations and by measuring of prototype motor. The prototype motor is a 45 kW, 600 rpm PMSM with buried V-magnets, which is a very appropriate construction for high torque motors with a high performance. With the purposebuilt prototype machine it is possible not only to verify the analytical calculations but also to show whether the 600 rpm PMSM can replace the 1500 rpm IM with a gear. It can also be tested if the outer dimensions of the PMSM may be the same as for the IM and if the PMSM in this case can produce a 2.5 fold torque, in consequence of which it may be possible to achieve the same power. The thesis also considers the question how to design a permanent magnet synchronous motor for relatively low speed applications that require a high motor torqueand efficiency as well as bearable costs of permanent magnet materials. It is shown how a selection of different parameters affects the motor properties. Key words: Permanent magnet synchronous motor, PMSM, surface magnets, buried magnets

Analysis of the voltage source inverter with small DC-link capacitor

IIn electric drives, frequency converters are used to generatefor the electric motor the AC voltage with variable frequency and amplitude. When considering the annual sale of drives in values of money and units sold, the use of low-performance drives appears to be in predominant. These drives have tobe very cost effective to manufacture and use, while they are also expected to fulfill the harmonic distortion standards. One of the objectives has also been to extend the lifetime of the frequency converter. In a traditional frequency converter, a relatively large electrolytic DC-link capacitor is used. Electrolytic capacitors are large, heavy and rather expensive components. In many cases, the lifetime of the electrolytic capacitor is the main factor limiting the lifetime of the frequency converter. To overcome the problem, the electrolytic capacitor is replaced with a metallized polypropylene film capacitor (MPPF). The MPPF has improved properties when compared to the electrolytic capacitor. By replacing the electrolytic capacitor with a film capacitor the energy storage of the DC-linkwill be decreased. Thus, the instantaneous power supplied to the motor correlates with the instantaneous power taken from the network. This yields a continuousDC-link current fed by the diode rectifier bridge. As a consequence, the line current harmonics clearly decrease. Because of the decreased energy storage, the DC-link voltage fluctuates. This sets additional conditions to the controllers of the frequency converter to compensate the fluctuation from the supplied motor phase voltages. In this work three-phase and single-phase frequency converters with small DC-link capacitor are analyzed. The evaluation is obtained with simulations and laboratory measurements.

Induction motor versus permanent magnet synchronous motor in motion control applications: a comparative study

High dynamic performance of an electric motor is a fundamental prerequisite in motion control applications, also known as servo drives. Recent developments in the field of microprocessors and power electronics have enabled faster and faster movements with an electric motor. In such a dynamically demanding application, the dimensioning of the motor differs substantially from the industrial motor design, where feasible characteristics of the motor are for example high efficiency, a high power factor, and a low price. In motion control instead, such characteristics as high overloading capability, high-speed operation, high torque density and low inertia are required. The thesis investigates how the dimensioning of a high-performance servomotor differs from the dimensioning of industrial motors. The two most common servomotor types are examined; an induction motor and apermanent magnet synchronous motor. The suitability of these two motor types indynamically demanding servo applications is assessed, and the design aspects that optimize the servo characteristics of the motors are analyzed. Operating characteristics of a high performance motor are studied, and some methods for improvements are suggested. The main focus is on the induction machine, which is frequently compared to the permanent magnet synchronous motor. A 4 kW prototype induction motor was designed and manufactured for the verification of the simulation results in the laboratory conditions. Also a dynamic simulation model for estimating the thermal behaviour of the induction motor in servo applications was constructed. The accuracy of the model was improved by coupling it with the electromagnetic motor model in order to take into account the variations in the motor electromagnetic characteristics due to the temperature rise.

Explaining rapid transitions in the practice of flood risk management

This article draws on empirical material to reflect on what drives rapid change in flood risk management practice, reflecting wider interest in the way that scientific practices make risk landscapes and a specific focus on extreme events as drivers of rapid change. Such events are commonly referred to as a form of creative destruction, ones that reveal both the composition of socioenvironmental assemblages and provide a creative opportunity to remake those assemblages in alternate ways, therefore rapidly changing policy and practice. Drawing on wider thinking in complexity theory, we argue that what happens between events might be as, if not more, important than the events themselves. We use two empirical examples concerned with flood risk management practice: a rapid shift in the dominant technologies used to map flood risk in the United Kingdom and an experimental approach to public participation tested in two different locations, with dramatically different consequences. Both show that the state of the socioenvironmental assemblage in which the events take place matters as much as the magnitude of the events themselves. The periods between rapid changes are not simply periods of discursive consolidation but involve the ongoing mutation of such assemblages, which could either sensitize or desensitize them to rapid change. Understanding these intervening periods matters as much as the events themselves. If events matter, it is because of the ways in which they might bring into sharp focus the coding or framing of a socioenvironmental assemblage in policy or scientific practice irrespective of whether or not those events evolve the assemblage in subtle or more radical ways.

Testing the influence of topography and material properties on catchment-scale soil moisture patterns using remotely sensed vegetation patterns in a humid temperate catchment, northern Britain

In order to evaluate the relationship between the apparent complexity of hillslope soil moisture and the emergent patterns of catchment hydrological behaviour and water quality, we need fine-resolution catchment-wide data on soil moisture characteristics. This study proposes a methodology whereby vegetation patterns obtained from high-resolution orthorectified aerial photographs are used as an indicator of soil moisture characteristics. This enables us to examine a set of hypotheses regarding what drives the spatial patterns of soil moisture at the catchment scale (material properties or topography). We find that the pattern of Juncus effusus vegetation is controlled largely by topography and mediated by the catchment's material properties. Characterizing topography using the topographic index adds value to the soil moisture predictions relative to slope or upslope contributing area (UCA). However, these predictions depart from the observed soil moisture patterns at very steep slopes or low UCAs. Copyright (c) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Le renforcement de la loi fédérale sur la protection des données : le cas de la protection de la vie privée dès la conception (privacy by design)

La protection des données est un élément essentiel d'un Etat de droit et une société démocratique, car elle accorde à chaque individu le droit de disposer de ce qui fait partie de sa sphère privée. Actuellement en Suisse, la loi fédérale sur la protection des données (LPD) est en vigueur depuis 1993. En 2010, l'Office fédéral de la justice a supervisé une évaluation de son efficacité : il en résulte que cette dernière a été prouvée, mais tendra à diminuer fortement dans les années à suivre. Pour causes principales : l'évolution des technologies, caractérisée notamment par le développement des moyens de traitement de données toujours plus variés et conséquents, et un manque d'informations des individus par rapport à la protection des données en générale et à leurs droits. Suite à l'évaluation, cinq objectifs de révision ont été formulés par le Conseil fédéral, dont celui d'intégrer la privacy by design ou « protection de la vie privée dès la conception » dans la loi. Ce concept, qui est également repris dans les travaux européens en cours, est développé à l'origine par l'Information and Privacy Commissionner de l'Ontario (Canada), Ann Cavoukian. Le principe général de la privacy by design est que la protection de la vie privée doit être incluse dans les systèmes traitant les données lors de leur conception. Souvent évoquée comme une solution idéale, répondant au problème de l'inadéquation de la loi par la logique de prévention qu'elle promeut, la privacy by design demeure toutefois un souhait dont l'application n'est que peu analysée. Ce travail cherche justement à répondre à la question de la manière de la mettre en oeuvre dans la législation suisse. Se basant sur les textes et la doctrine juridiques et une littérature dans les domaines de l'économie, l'informatique, la politique et la sociologie des données personnelles, il propose tout d'abord une revue générale des principes et définitions des concepts-clés de la protection des données en Suisse et dans le cadre international. Puis, il propose deux possibilités d'intégration de la privacy by design : la première est une solution privée non contraignante qui consiste à promouvoir le concept et faire en sorte que les responsables de traitement décident par eux-mêmes d'intégrer la privacy by design dans leurs projets ; ce procédé est possible grâce au renforcement du processus de certification déjà en cours. La deuxième option est une solution contraignante visant à intégrer le principe directement dans la loi et de prendre les mesures pour le rendre effectif ; ce travail montre que le développement de la figure du conseiller à la protection des données permet d'atteindre cet objectif. Enfin, des considérations générales sur l'application du principe sont abordées, telles que l'influence des développements en cours dans l'Union européenne sur la Suisse par rapport à la protection des données et la limite posée par le principe de territorialité.

Kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen simulointi

Diplomityössä tutkittiin kaupallisen monikappaledynamiikkaohjelmiston soveltuvuutta kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen tutkimiseen. Erityisen kiinnostuneita oltiin nipin kuvauksesta sekä nipissä tapahtuvista värähtelyistä. Tässä diplomityössä mallinnettiin kiinnirullaimen ensiö- ja toisiokäytöt sekä tampuuritela. Malli yhdistettiin myöhemmin Metso Paper Järvenpäässä rinnakkaisena diplomityönä tehtyyn malliin, joista muodostui kahteen ratkaisijaan perustuva simulointimalli. Simulointimalli rakennettiin käyttämään kahta erillistä ratkaisijaa, joista toinen on mekaniikkamallin rakentamisessa käytetty ADAMS-ohjelmisto ja toinen säätöjärjestelmää ja hydraulipiirejä kuvaava Simulink-malli. Nipin mallintamiseksi tampuuritela ja rullaussylinteri mallinnettiin joustaviksi käyttäen keskitettyjen massojen menetelmää. Siirtolaitteissa sekä runkorakenteissa tapahtuvat joustot kuvattiin yhden vapausasteen jousi-vaimennin voimilla kuvattuina järjestelminä. Tässä diplomityössä on myös keskitytty esittelemään ADAMS-ohjelmiston toimintaa ohjeistavasti sekä käsittelemään parametrisen mallintamisen etuja. Työssä havaittiin monikappaledynamiikan soveltuvuus kiinnirullaimen dynamiikan sekä dynaamisten voimien aiheuttamien värähtelyjen tutkimiseen. Suoritetuista värähtelymittauksista voitiin tehdä vain arvioita. Mallin havaittiin vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä

Reaaliaikainen virtuaalihydrauliikka osana todellista konejärjestelmää

Diplomityössä tutkittiin hydrauliikan reaaliaikasimulointia ja sen mahdollisuuksia tuotekehityksen apuvälineenä. Työssä käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia laitteita ja ohjelmia. Työssä luotiin Matlab/Simulink –ympäristöön tyypillisimmistä hydrauliikkakomponenttien puoliempiirisistä malleista koostuva komponenttikirjasto, joista kootut hydrauliikkapiirien mallit voitiin kääntää reaaliaikaympäristöön. Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jonka avulla voidaan nopeuttaa ja helpottaa hydraulismekaanisten konejärjestelmien suunnittelua ja tuotekehitystä. Kehitetyt menetelmät perustuvat todellisen konejärjestelmän osaksi kytketyn reaaliaikaisen virtuaalihydrauliikan avulla laskettuun uuteen ohjaussignaaliin, jonka avulla voidaan todellisella hydrauliikalla kuvata virtuaalisen hydrauliikan vaikutukset todelliseen järjestelmään. Näin ollen muutokset voidaan siis tehdä virtuaaliseen hydrauliikkaan ja niiden vaikutukset nähdä todellisen järjestelmän käyttäytymisessä.

Sulautetun moniprosessorijärjestelmän suunnittelu sähkömoottorien ohjaus- ja valvontatarpeisiin

Universal Converter (UNICON) –projektin osana suunniteltiin sähkömoottorikäyttöjen ohjaukseen ja mittaukseen soveltuva digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) pohjautuva sulautettu järjestelmä. Riittävän laskentatehon varmistamiseksi päädyttiin käyttämään moniprosessorijärjestelmää. Prosessorijärjestelmässä käytettävää DSP-piiriä valittaessa valintaperusteina olivat piirien tarjoama prosessointiteho ja moniprosessorituki. Analog Devices:n SHARC-sarjan DSP-piirit täyttivät parhaiten asetetut vaatimukset: Ne tarjoavat tehokkaan käskykannan lisäksi suuren sisäisen muistin ja sisäänrakennetun moniprosessorituen. Järjestelmän mittalaiteluonteisuudesta johtuen keskeinen suunnitteluparametri oli luoda nopeat tiedonsiirtoyhteydet mittausantureilta DSP-järjestelmään. Tämä toteutettiin käyttäen ohjelmointavia FPGA-logiikkapiirejä digitaalimuotoisen mittausdatan vastaanotossa ja esikäsittelyssä. Tiedonsiirtoyhteys PC-tietokoneelle toteutettiin käyttäen erityistä liityntäkorttia DSP-järjestelmän ja PC-tietokoneen välillä. Liityntäkortin päätehtävänä on puskuroida siirrettävä data. Järjestelyllä estetään PC-tietokoneen vaikutus DSP-järjestelmän toimintaan, jotta kyetään takaamaan järjestelmän reaaliaikainen toiminta kaikissa olosuhteissa.

Lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnon-valvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin

Lyhyen kantaman radiolähettimien käyttö on kasvanut muutaman viime vuoden aikana huomattavasti. Osaltaan tähän on vaikuttanut uusien taajuusalueiden allokointi lupavapaiden radiolähettimien käyttöön, standardoitujen tekniikoiden yleistyminen ja laitteiden parempi saatavuus. Tässä työssä tarkastellaan lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuutta sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin. Työssä luodaan katsaus teollisuusympäristön vaikutuksiin langattomassa tiedonsiirrossa ja tarkastellaan sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan vaatimuksia tiedonsiirrolle ja tiedonsiirtojärjestelmälle. Työssä käydään läpi lyhyen kantaman radiolähettimiin liittyvät säädökset ja luodaan katsaus standardoituihin sekä valmistajakohtaisiin lyhyen kantaman radiotekniikoihin. Tiedonsiirtojärjestelmän suunnittelun kannalta tarkastellaan tiedonsiirtojärjestelmän topologiaa, protokollaa ja saatavilla olevia tekniikoita ja niiden implementoimista järjestelmään. Valmistajakohtaisia lyhyen kantaman radiomoduulien toimintaa ja Bluetoothin sisältävää älypuhelinta tutkitaan laboratoriomittauksin. Lopuksi kootaan yhteen langattoman tiedonsiirron ja eri tekniikoiden soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan sovelluksiin.

Levyteollisuuden energia-, kustannus- ja ympäristövaikutukset

Kuluvien vuosien aikana ei ole tehty kattavia tutkimuksia levyteollisuuden sähkönkulutuksista, joten on aika selvittää suurimpien sähkökäyttöjen kulutukset sekä muodostaa tutkittaville tehtaille energiataseet. Tutkittavia tehtaita ovat OSB- ja lastulevytehtaat. Yksittäisten sähkömoottoreiden kulutukset saadaan selville käyttämällä hyväksi teoreettisia lähteitä, kenttä-ja laboratoriotutkimusta. Ympäristölainsäädäntö ja siihen kiinteästi liittyvä lupakäytäntö muodostavat levyteollisuudelle yhden viimeaikojen suurimmista haasteista. Tulevaisuudessa lainsäädäntö tulee vielä entisestäänkin kiristymään. Euroopan ympäristölainsäädäntö perustuu pitkälti yhtenäislupadirektiiviin eli IPPC-direktiiviin. Direktiivin keskeinen osa on ympäristöluvan hankkiminen, koska teollista toimintaa ei voi harjoittaa ilman hyväksyttyä viranomaisen lupaa. Lupa myös velvoittaa toiminnanharjoittajan käyttämään parasta käyttökelpoista tekniikkaa päästöjen kontrolloinnissa. Yhdysvalloissa parhaan käyttökelpoisen tekniikan (BAT) vaatimus on sisälletty ympäristövirasto EPA:n MACT-standardeihin. Levyteollisuuden tehtaista syntyvät päästöt ovat hyvin samankaltaisia. Tehtaista on helposti erotettavissa kaksi suurta päästölähdettä, joita ovat kuivaus ja kuumapuristus. Merkittävimpiä päästöjä ovat haihtuvat orgaaniset yhdisteet, hiukkaset, typen oksidit, hiilimonoksidi ja rikkidioksidit. Työn loppuosa on varattu tuotantojen kustannusvaikutusten ja tunnuslukujen tarkasteluille. Saatavilla tiedoilla on keskeinen rooli tehtaiden jokapäiväisessä toiminnassa. Analysoinnin tarpeeseen vaikuttaa osaltaan nykyisen toimintaympäristön muutosherkkyys ja levymarkkinoiden kireä kilpailutilanne.

Does ear C sink strength contributes to the overcoming of photosynthetic acclimation of wheat plants exposed to elevated CO2?

Wheat plants (Triticum durum Desf., cv. Regallo) were grown in the field to study the effects of contrasting [CO2] conditions (700 versus 370 μmol mol−1) on growth, photosynthetic performance, and C management during the post-anthesis period. The aim was to test whether a restricted capacity of sink organs to utilize photosynthates drives a loss of photosynthetic capacity in elevated CO2. The ambient 13C/12C isotopic composition (δ13C) of air CO2 was changed from-10.2 in ambient [CO2] to-23.6 under elevated [CO2] between the 7th and the 14th days after anthesis in order to study C assimilation and partitioning between leaves and ears. Elevated [CO2] had no significant effect on biomass production and grain filling, and caused an accumulation of C compounds in leaves. This was accompanied by up-regulation of phosphoglycerate mutase and ATP synthase protein content, together with down-regulation of adenosine diphosphate glucose pyrophosphatase protein. Growth in elevated [CO2] negatively affected Rubisco and Rubisco activase protein content and induced photosynthetic down-regulation. CO2 enrichment caused a specific decrease in Rubisco content, together with decreases in the amino acid and total N content of leaves. The C labelling revealed that in flag leaves, part of the C fixed during grain filling was stored as starch and structural C compounds whereas the rest of the labelled C (mainly in the form of soluble sugars) was completely respired 48 h after the end of labelling. Although labelled C was not detected in the δ13C of ear total organic matter and respired CO2, soluble sugar δ13C revealed that a small amount of labelled C reached the ear. The 12CO2 labelling suggests that during the beginning of post-anthesis the ear did not contribute towards overcoming flag leaf carbohydrate accumulation, and this had a consequent effect on protein expression and photosynthetic acclimation.

Kestomagneettitahtikonekäytön soveltaminen paperiteollisuuden linjakäytöissä

Tässä työssä tutkitaan kestomagneettitahtimoottorin soveltuvuutta paperiteollisuuden linjakäyttöihin. Aluksi perehdytään taajuusohjatun kestomagneettitahtimoottorin häviöiden syntymiseen ja niiden jakautumiseen. Työssä esitellään kestomagneettitahtimoottorin koon valintaan vaikuttavia tekijöitä ja vertaillaan oikosulkumoottorin ja kestomagneettitahtimoottorin mitoituksen eroja. Lisäksi tarkasteltiin linjakäytön vaihtosuuntaajan ja syöttöryhmän mitoitusta, kun kestomagneettitahtimoottoria käytetään paperiteollisuuden linjakäytössä. Kestomagneettitahtimoottorin virran riippuvuutta kuormituksesta laskettiin ja mitattiin yhden kestomagneettitahtimoottorin virta eri kuormituksilla. Näin voitiin suorittaa vertailu laskennan ja todellisuuden välillä. Mittaus osoitti laskentatavan tarkkuuden. Selvityksessä löydettiin riittävän tarkka laskentatapa, jonka avulla voidaan määrittää linjakäytön invertterin koko.

Moottoripolttoaineiden ominaisuuksien mallintaminen

Työn tavoitteena on selvittää voidaanko neuroverkkoa käyttää mallintamaan ja ennustamaan polttoaineen vaikutusta nykyaikaisen auton päästöihin. Näin pystyttäisiin vähentämään aikaa vievien ja kalliiden koeajojen tarvetta. Työ tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Fortum Oy:n yhteistyöprojektissa. Työssä tehtiin kolme erilaista mallia. Ensimmäisenä tehtiin autokohtainen malli, jolla pyrittiin ennustamaan autokohtaista käyttäytymistä. Toiseksi kokeiltiin mallia, jossa automalli oli yhtenä syötteenä. Kolmantena yritettiin kiertää eräitä aineiston ongelmia käyttämällä "sumeutettuja" polttoaineiden koostumuksia. Työssä käytettiin MLP-neuroverkkoa, joka opetettiin backpropagation algoritmilla. Työssä havaittiin ettei käytettävissä olleella aineistolla ja käytetyillä malleilla pystytä riittävällä tarkkuudella mallintamaan polttoaineen vaikutusta päästöihin. Aineiston ongelmia olivat mm. suuret mittausvarianssit, aineiston pieni määrä sekä aineiston soveltumattomuus neuroverkolla mallintamiseen.