Power cycling lifetime estimation of IGBT power modules based on chip temperature modeling

In this doctoral thesis, methods to estimate the expected power cycling life of power semiconductor modules based on chip temperature modeling are developed. Frequency converters operate under dynamic loads in most electric drives. The varying loads cause thermal expansion and contraction, which stresses the internal boundaries between the material layers in the power module. Eventually, the stress wears out the semiconductor modules. The wear-out cannot be detected by traditional temperature or current measurements inside the frequency converter. Therefore, it is important to develop a method to predict the end of the converter lifetime. The thesis concentrates on power-cycling-related failures of insulated gate bipolar transistors. Two types of power modules are discussed: a direct bonded copper (DBC) sandwich structure with and without a baseplate. Most common failure mechanisms are reviewed, and methods to improve the power cycling lifetime of the power modules are presented. Power cycling curves are determined for a module with a lead-free solder by accelerated power cycling tests. A lifetime model is selected and the parameters are updated based on the power cycling test results. According to the measurements, the factor of improvement in the power cycling lifetime of modern IGBT power modules is greater than 10 during the last decade. Also, it is noticed that a 10 C increase in the chip temperature cycle amplitude decreases the lifetime by 40%. A thermal model for the chip temperature estimation is developed. The model is based on power loss estimation of the chip from the output current of the frequency converter. The model is verified with a purpose-built test equipment, which allows simultaneous measurement and simulation of the chip temperature with an arbitrary load waveform. The measurement system is shown to be convenient for studying the thermal behavior of the chip. It is found that the thermal model has a 5 C accuracy in the temperature estimation. The temperature cycles that the power semiconductor chip has experienced are counted by the rainflow algorithm. The counted cycles are compared with the experimentally verified power cycling curves to estimate the life consumption based on the mission profile of the drive. The methods are validated by the lifetime estimation of a power module in a direct-driven wind turbine. The estimated lifetime of the IGBT power module in a direct-driven wind turbine is 15 000 years, if the turbine is located in south-eastern Finland.

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.

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.

Combination of catalyst development and chemical reaction engineering : a key aspect to improve the hydrogen peroxide direct synthesis

-

Improving the inventory management and valuation process, Case: The Switch Drive Systems

The goal of this study is to create a new inventory valuation process for The Switch Drive Systems and to improve its inventory management practices. In the matter of inventories the main problems in the case company are that it doesn’t have consistent valuation methods throughout the company and that information received in ERP system isn’t trustful. The research is qualitative case study. The empirical data is gathered through observing and unstructured interviews. The research shows that material flow process and the inventory valuation must be divided and handled separately but they should interact with each other. The result is a new inventory valuation process which takes many factors of material process under the consideration in order to receive reliable value for inventories.

Ohutseinämäisten putkien hitsauksen robotisointi

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut selvittää, kuinka robotisoitua hitsausta on mahdollista hyödyntää teollisuuskaiteiden valmistuksessa. Tutkimusmenetelminä käytettiin kirjallisuusselvitystä, hitsauskokeita ja makrohietutkimuksia. Työssä keskityttiin robottihitsauksen menetelmiin ja työstä on rajattu pois kaikki kustannuslaskelmat sekä alumiinin hitsaus. Hitsattavat materiaalit olivat rakenneteräs ja ruostumaton teräs. Rakenneteräsputken koko oli 42,4 x 2,6 mm ja ruostumattoman putken koko 42,4 x 2,0 mm. Käytetyt liitosmuodot olivat T-liitoksia, joista suorassa T-liitoksessa putkien välinen kulma oli 90 astetta ja vinossa T-liitoksessa noin 45 astetta. Tehdyn selvitystyön ja hitsauskokeiden perusteella voidaan sanoa, että kaiteissa käytettävien materiaalipaksuuksien ja liitosmuotojen hitsaaminen robotilla on mahdollista. Hitsauksen lopputulos riippuu hitsausasennosta ja paras tulos saavutetaan, kun kappaletta pyöritetään hitsauksen aikana siten, että hitsaus tapahtuu koko ajan jalkoasennossa.

Eri MAG-hitsausprosessien ja -parametrien vaikutus suurlujuusteräksestä valmistetun otsapienahitsin äärikestävyyteen, muodonmuutoskykyyn ja vauriomuotoon

Työssä tutkittiin Ruukki Oyj:n suorasammutetusta S960QC-teräksestä valmistetun kuormaakantavan levyjen ristiliitoksen pienahitsien lujuutta, muodonmuutoskykyä ja vaurioitumismekanismia laajaan kokeelliseen aineistoon perustuen. Tärkeimpänä muuttujana koematriisissa olivat eri MAG-hitsausprosessit. Perinteisen kuumakaarihitsauksen vertailukohteena oli Kemppi Oy:n uusi adaptiivinen valokaaren pituutta säätävä WiseFusion-hitsaustoiminto kuuma- ja pulssikaarihitsauksessa. Näiden kolmen hitsausprosessin rinnalla varioitiin erisuuruisia a-mittoja, eri hitsauslisäaineita ja hitsin erikylkisyyttä. Lisäksi juuritunkeuman estämisen vaikutusta hitsien käyttäytymiseen tutkittiin täydentävällä koesarjalla, jossa tunkeuman muodostuminen estettiin levyjen väliin asetetulla volframilevyllä. Työn perimmäisenä tavoitteena oli selvittää syy aiemmassa tutkimuksessa havaitulle pienahitsien vaurioitumiselle leikkautumalla sularajaa pitkin. Sularajan suhteellista pituutta saadaan kasvatettua estämällä hitsin juuritunkeuma ja absoluuttista pituutta saadaan lisää kateettipoikkeaman avulla. Lisäksi tutkimuksessa oli tarkoitus tuoda esille suurlujuusteräksisen liitoksen eri mitoituslähtökohdat (mm. lämmöntuonnin kontrollointi). Tämän vuoksi hitsausparametrit mitattiin jännitteen ja virran hetkellisiin arvoihin perustuen, jolloin kuuma- ja pulssikaarihitsauksen laskennalliset hitsaustehot ovat vertailukelpoisia. Koehitseistä valmistettiin hieet hitsien tarkan geometrian määrittämiseksi ja liitoksen mekaaniset ominaisuudet tutkittiin vetokokeella. Tulosten perusteella sularajavaurio aktivoituu pulssikaarella hitsatuissa koekappaleissa. Tämä aiheutunee pulssi- ja kuumakaarihitsauksen sularajan mikrorakenteiden eroavaisuudesta. Sularajavaurio näyttää huonontavan hitsien muodonmuutoskykyä, mutta jatkokokeita tuloksen verifioimiseksi on tehtävä. S960QC-teräkselle ominaisen pehmenneen vyöhykkeen vaurio ei aktivoitunut, vaikka Ruukin antamat jäähtymisaikasuositukset ylitettiin reilusti.

Laser-TIG hybrid welding process

Joining processes and techniques need to meet the trend of new applications and the development of new materials. The application in connection with thick and thin plates in industrial fields is wide and the joining technology is in very urgent need. The laser-TIG hybrid welding technology can play the respective advantages of both of them. One major advantage of the hybrid laser-TIG welding technology is its efficient use of laser energy. Additionally, it can develop into a high and new advanced welding technology and become a hot spot in both the application and research area. This thesis investigated laser –TIG hybrid welding with the aim of enlightening the reader on its advantages, disadvantages and future areas of improvement. The main objective is to investigate laser-TIG hybrid on the welding of various metals (steels, magnesium, aluminium etc.). In addition, it elaborates on various possible combinations on hybrid laser-TIG welding technology and their benefits. The possibility of using laser-TIG hybrid in welding of thick materials was investigated. The method applied in carrying out this research is by using literature review. The results showed that hybrid laser-TIG is applicable to almost all weldable metals. Also it proves to be effective in welding refractive metals. The possibility of welding with or without filler materials is of economic advantage especially in welding of materials with no filler material. Thick plate’s hybrid laser-TIG welding is showing great prospects although it normally finds its used in welding thin materials in the range of 0.4 to 0.8 mm. The findings show that laser-TIG hybrid welding can be a versatile welding process and therefore will be increasingly used industrially due to its numerous advantages and the development of new TIG arc that enhances its capabilities.

Lean, Six Sigma ja Total Welding Management hitsaavassa verkostossa

Diplomityössä tarkastellaan hitsaavan verkoston laadunhallintaa ja siinä ilmeneviä erilaisia ongelmakohtia. Tämän lisäksi työssä tarkastellaan kolmen eri laatutyökalun Lean, Six Sigma ja Total Welding Management soveltamista hitsaavan verkoston laadunhallinnassa. Teoriaosassa käsitellään sekä yleisesti että hitsauksen osalta laatua ja laadunhallintaa, sekä edellä mainittuja laatutyökaluja. Tutkimusosaan tietoja hitsaavista verkostoista kerättiin kaikkiaan kolmesta eri verkostosta. Näiden kerättyjen tietojen pohjalta tarkasteltiin valittujen laatutyökalujen soveltuvuutta verkostomaiseen käyttöön. Verkostoitunut toiminta aiheuttaa monia uusia haasteita yritysten laadunhallinnalle verrattuna yksittäisiin hitsaaviin yrityksiin. Suurimpia tutkimuksessa havaittuja ongelmakohtia ovat suunnittelun ja valmistuksen yhteistyön erilaiset puutteet, laatutasoon ja sen varmistukseen liittyvät asiat, sekä verkoston sisälle syntyvä niin sanottu hiljainen tieto ja sen häviäminen. Tutkimuksen tarkastelujen perusteella havaittiin, että kaikkien tutkimukseen valitun kolmen laatutyökalun soveltaminen myös verkostomaisessa toiminnassa on mahdollista, mutta se vaatii huomattavasti suurempaa työpanosta kuin soveltaminen yksittäisessä yrityksessä. Myös näiden kaikkien kolmen työkalun yhtä aikainen käyttö on mahdollista. Juuri oikean työkalun valitseminen kullekin hitsaavalle verkostolle vaatii tarkkaa perehtymistä verkostoon ja sen tilanteeseen.

Modeling of residual stresses and distortion due to welding in fillet welds

Welding has a growing role in modern world manufacturing. Welding joints are extensively used from pipes to aerospace industries. Prediction of welding residual stresses and distortions is necessary for accurate evaluation of fillet welds in relation to design and safety conditions. Residual stresses may be beneficial or detrimental, depending whether they are tensile or compressive and the loading. They directly affect the fatigue life of the weld by impacting crack growth rate. Beside theoretical background of residual stresses this study calculates residual stresses and deformations due to localized heating by welding process and subsequent rapid cooling in fillet welds. Validated methods are required for this purpose due to complexity of process, localized heating, temperature dependence of material properties and heat source. In this research both empirical and simulation methods were used for the analysis of welded joints. Finite element simulation has become a popular tool of prediction of welding residual stresses and distortion. Three different cases with and without preload have been modeled during this study. Thermal heat load set is used by calculating heat flux from the given heat input energy. First the linear and then nonlinear material behavior model is modeled for calculation of residual stresses. Experimental work is done to calculate the stresses empirically. The results from both the methods are compared to check their reliability. Residual stresses can have a significant effect on fatigue performance of the welded joints made of high strength steel. Both initial residual stress state and subsequent residual stress relaxation need to be considered for accurate description of fatigue behavior. Tensile residual stresses are detrimental and will reduce the fatigue life and compressive residual stresses will increase it. The residual stresses follow the yield strength of base or filler material and the components made of high strength steel are typically thin, where the role of distortion is emphasizing.

Safety study of hydrogen peroxide direct synthesis

Kandidaatintyön johdantokappaleessa esitellään vetyperoksidi ja mihin sitä käytetään teollisuudessa. Työssä vertaillaan antrakinoniprosessia ja suoraa prosessia sekä selvitetään nykyisin enemmän vetyperoksidituotantoon käytetyn antrakinoniprosessin ongelmakohdat ja osoitetaan, miksi suora synteesi vetyperoksidin tuotannossa olisi parempi vaihtoehto. Kandidaatintyön käsittelee suurilta osin turvallisuusongelmia, joita esiintyy suoran synteesin yhteydessä. Kirjallisuudesta on etsitty ratkaisuja näihin ongelmiin, kuten membraaniprosessin käyttöä räjähdysvaaran välttämiseksi. Pienemmän reaktorin eli ns. mikroreaktorin käyttö tuo mukanaan monia etuja vetyperoksidin tuotantoon. Tällöin prosessi on turvallisempi ja sitä on helpompi hallita. Mikroreaktorissa voidaan käyttää korkeampia lämpötiloja ja paineita kuin makroreaktorilla ilman, että räjähdysvaara prosessissa kasvaisi. Mikroreaktorin sisällä olevat mikrokanavat luovat turvallisen ympäristön synteesille. Aspen plus – simulointiohjelmalla mallinnettiin ja simulointiin suoran prosessin kriittisiä virtoja mikroreaktorissa. Tarkoituksena oli löytää virrat, joissa kulkee mahdollisesti räjähtävä kaasuseos. Kaasumaiset prosessivirrat ovat kriittisimmät vetyperoksidin suorassa synteesissä, koska ne aiheuttavat todennäköisemmin räjähdyksen kuin nestemäiset prosessivirrat. Kaikkein eniten prosessiturvallisuutta uhkaavat ainevirrat ennen ja jälkeen mikroreaktoria.

Model for subchannel friction factors and flow redistribution in wire-wrapped rod bundles

The fuel element of LMFBR consists of a bundle of rods wrapped with an helical wire as spacer, surrounded by an hexagonal duct. In the present work, a semi-empirical model is developed to calculate bundle average and subchannel based friction factors and flow redistribution. The obtained results were compared to experimental data and they were considered satisfactory for wide range of geometrical parameters.

Dynamics of coherent vortices in mixing layers using direct numerical and large-eddy simulations

Coherent vortices in turbulent mixing layers are investigated by means of Direct Numerical Simulation (DNS) and Large-Eddy Simulation (LES). Subgrid-scale models defined in spectral and physical spaces are reviewed. The new "spectral-dynamic viscosity model", that allows to account for non-developed turbulence in the subgrid-scales, is discussed. Pseudo-spectral methods, combined with sixth-order compact finite differences schemes (when periodic boundary conditions cannot be established), are used to solve the Navier- Stokes equations. Simulations in temporal and spatial mixing layers show two types of pairing of primary Kelvin-Helmholtz (KH) vortices depending on initial conditions (or upstream conditions): quasi-2D and helical pairings. In both cases, secondary streamwise vortices are stretched in between the KH vortices at an angle of 45° with the horizontal plane. These streamwise vortices are not only identified in the early transitional stage of the mixing layer but also in self-similar turbulence conditions. The Re dependence of the "diameter" of these vortices is analyzed. Results obtained in spatial growing mixing layers show some evidences of pairing of secondary vortices; after a pairing of the primary Kelvin-Helmholtz (KH) vortices, the streamwise vortices are less numerous and their diameter has increased than before the pairing of KH vortices.

Contact with friction using the augmented Lagrangian Method: a conditional constrained minimization problem

This work presents a formulation of the contact with friction between elastic bodies. This is a non linear problem due to unilateral constraints (inter-penetration of bodies) and friction. The solution of this problem can be found using optimization concepts, modelling the problem as a constrained minimization problem. The Finite Element Method is used to construct approximation spaces. The minimization problem has the total potential energy of the elastic bodies as the objective function, the non-inter-penetration conditions are represented by inequality constraints, and equality constraints are used to deal with the friction. Due to the presence of two friction conditions (stick and slip), specific equality constraints are present or not according to the current condition. Since the Coulomb friction condition depends on the normal and tangential contact stresses related to the constraints of the problem, it is devised a conditional dependent constrained minimization problem. An Augmented Lagrangian Method for constrained minimization is employed to solve this problem. This method, when applied to a contact problem, presents Lagrange Multipliers which have the physical meaning of contact forces. This fact allows to check the friction condition at each iteration. These concepts make possible to devise a computational scheme which lead to good numerical results.