Salient Pole Synchronous Machine Modelling in an Industrial Direct Torque Controlled Drive Application

Synchronous motors are used mainly in large drives, for example in ship propulsion systems and in steel factories' rolling mills because of their high efficiency, high overload capacity and good performance in the field weakening range. This, however, requires an extremely good torque control system. A fast torque response and a torque accuracy are basic requirements for such a drive. For large power, high dynamic performance drives the commonly known principle of field oriented vector control has been used solely hitherto, but nowadays it is not the only way to implement such a drive. A new control method Direct Torque Control (DTC) has also emerged. The performance of such a high quality torque control as DTC in dynamically demanding industrial applications is mainly based on the accurate estimate of the various flux linkages' space vectors. Nowadays industrial motor control systems are real time applications with restricted calculation capacity. At the same time the control system requires a simple, fast calculable and reasonably accurate motor model. In this work a method to handle these problems in a Direct Torque Controlled (DTC) salient pole synchronous motor drive is proposed. A motor model which combines the induction law based "voltage model" and motor inductance parameters based "current model" is presented. The voltage model operates as a main model and is calculated at a very fast sampling rate (for example 40 kHz). The stator flux linkage calculated via integration from the stator voltages is corrected using the stator flux linkage computed from the current model. The current model acts as a supervisor that prevents only the motor stator flux linkage from drifting erroneous during longer time intervals. At very low speeds the role of the current model is emphasised but, nevertheless, the voltage model always stays the main model. At higher speeds the function of the current model correction is to act as a stabiliser of the control system. The current model contains a set of inductance parameters which must be known. The validation of the current model in steady state is not self evident. It depends on the accuracy of the saturated value of the inductances. Parameter measurement of the motor model where the supply inverter is used as a measurement signal generator is presented. This so called identification run can be performed prior to delivery or during drive commissioning. A derivation method for the inductance models used for the representation of the saturation effects is proposed. The performance of the electrically excited synchronous motor supplied with the DTC inverter is proven with experimental results. It is shown that it is possible to obtain a good static accuracy of the DTC's torque controller for an electrically excited synchronous motor. The dynamic response is fast and a new operation point is achieved without oscillation. The operation is stable throughout the speed range. The modelling of the magnetising inductance saturation is essential and cross saturation has to be considered as well. The effect of cross saturation is very significant. A DTC inverter can be used as a measuring equipment and the parameters needed for the motor model can be defined by the inverter itself. The main advantage is that the parameters defined are measured in similar magnetic operation conditions and no disagreement between the parameters will exist. The inductance models generated are adequate to meet the requirements of dynamically demanding drives.

Desenvolvimento de um sistema de análise por injeção em fluxo utilizando materiais alternativos de baixo custo para fins didáticos

This work describes a simple and inexpensive flow injection analysis system in which gravity force provides fluid propulsion while needles for insulin administration or metallic wires act as electrodes for amperometric detection. The proposed system was able to demonstrate the influence of several operational parameters on the transient signals. Moreover, this system was successfully used to evaluate both the stoichiometry of Cu2+-EDTA complex and the effect of pH on the kinetics of the reaction between ferricyanide and ascorbic acid. Therefore, the proposed system can be regarded as an efficient and accessible didactic tool for the teaching of FIA principles.

Design of marine generators for alternative diesel-electric power systems

This study compares different electric propulsion systems. Results of the analysis of all the advantages and disadvantages of the different propulsion systems are given. This thesis estimates possibilities to apply different diesel-electric propulsion concepts for different vessel types. Small and medium size vessel’s power ranges are studied. The optimal delivery system is chosen. This choice is made on the base of detailed study of the concepts, electrical equipment market and comparison of mass, volume and efficiency parameters. In this thesis three marine generators are designed. They are: salient pole synchronous generator and two permanent magnet synchronous generators. Their electrical, dimensional, cost and efficiency parameters are compared. To understand all the benefits diagrams with these parameters are prepared. Possible benefits and money savings are estimated. As the result the advantages, disadvantages and boundary conditions for the permanent magnet synchronous generator application in marine electric-power systems are found out.

Sähkö- ja hybridiautojen voimansiirtojärjestelmien jännitetasot

Kasvihuonekaasu- ja hiilidioksidipäästöt ovat kasvaneet viimeisten vuosikymmenten aikana merkittävästi. Merkittävimpiä päästöjen lähteitä ovat liikenteessä ja energiantuotannossa käytetyt fossiiliset polttoaineet. Kaikista maailman kasvihuonepäästöistä liikenne aiheuttaa noin 13 %, josta yli 80 % on tieliikenteen aiheuttamia päästöjä. Jotta tieliikenteen ai-heuttamia päästöjä saataisiin vähennettyä on tieliikenteeseen kehitettävä yhä vähäpäästöisempiä ja päästöttömiä kulkuvälineitä. Tämä on ollut yksi päätekijä sähkö- ja hybridiautojen kehitykseen. Tässä kandidaatintyössä selvitetään sähkö- ja hybridiautoissa käytettyjä jännitetasoja sekä voimansiirtojärjestelmissä käytettyjä komponentteja. Työ rajoittuu ainoastaan henkilöautoihin, joista tarkastelun kohteena ovat sähkö-, hybridi- ja muunnossähköautot. Työssä tarkastellaan myös sähkö- ja hybridiautojen tulevaisuuden näkymiä turvallisuuden ja standardoinnin kannalta. Työssä esitettyjen tietojen perusteella saadaan selkeä näkemys siitä, miten käytetyt jännitetasot ja komponentit vaihtelevat eri autovalmistajien kesken. Korkeammat jännitetasot ovat energiatehokkuuden kannalta parempia, mutta aiheuttavat vaatimuksia käyttöturvallisuuteen liittyvissä kysymyksissä.

Merivoimien apualuksen propulsiojärjestelmä ja sen kehitysmahdollisuudet

Suomen merivoimien aluskalustoon kuuluu taistelualuksia ja apualuksia. Apualukset ovat välttämättömiä huollon ja kuljetusten välineitä, minkä vuoksi niiltä edellytetään ympärivuotista, luotettavaa ja taloudellista suorituskykyä. Apualusten suorituskykyyn vaikuttaa olennaisesti niiden propulsiojärjestelmä. Apualuksen propulsiojärjestelmälle merivoimat eivät ole asettaneet erityisvaatimuksia. Järjestelmävalinnat ja tehojen kartoittaminen on tehty aluskohtaisesti uutta alusta suunniteltaessa. Nykyisten apualusten propulsiojärjestelmissä epäillään olevan puutteita tehon ja järjestelmävalintojen osalta. Tämä tutkielma selvittää apualuksen propulsiolle asetettavat vaatimukset ja esittelee järjestelmän mitoitukseen käytettävät laskukaavat. Tutkielma ottaa myös kantaa apualuksen propulsiojärjestelmän valintaan sekä järjestelmän ominaisuuksiin. Esimerkkeinä on käytetty Valas ja Pansio luokan aluksia, joiden järjestelmiin esitetään kehitysehdotuksia. Tutkielma rakentuu apualusten ja propulsion perusteille. Apualusten perusteissa etsitään propulsorin valintaan vaikuttavia seikkoja. Propulsiota tarkastellaan laitevalintojen ja mitoituksen kannalta. Nämä perusteet yhdistämällä saadaan vaatimukset apualuksen propulsorille, jonka osien valintaa ja mitoitusta tarkastellaan tutkimuksen loppupuolella. Tutkielman pääongelma on: Millainen on ihanteellinen propulsiojärjestelmä nykypäivän apualukselle? Tutkielma pyrkii hahmottamaan lukijalle, mitä asioita tulee ottaa huomioon suunniteltaessa apualuksen propulsiota. Tutkielman aineistona ovat olleet propulsiota ja hydrodynamiikkaa käsittelevät teokset, propulsiojärjestelmän osia koskevat teokset sekä merivoimien aiheeseen liittyvät oppaat ja ohjeet. Tutkielmassa on käytetty kolmea tutkimusmenetelmää: kirjallisuusselvitystä, matemaattista analyysia sekä vertailua. Tutkimusstrategiana on tapaustutkimus. Tutkielman teorian ja laskennan tukemana merivoimien apualukselle soveltuu parhaiten perinteinen potkuripropulsiojärjestelmä keskinopealla dieselmoottorilla sekä kiinteälapaisella potkurilla. Järjestelmä on edullinen, luotettava ja taloudellinen. Apulaitteeksi alukselle tulee asentaa keulapotkuri, jonka käyttöjärjestelmistä parhaaksi on todettu dieselsähköinen järjestelmä. Propulsiojärjestelmien tehot ovat nykyisissä aluksissa liian alhaisia. Heräte ja meluominaisuuksiltaan nykyiset apualukset ovat sopivia tehtäviinsä, mutta alusten äänieristystä voitaisiin kehittää entisestään.

A Test Bed Applied Mobile Robot Navigation

It is presented a test bed applied to studies on dynamics, control, and navigation of mobile robots. A cargo ship scale model was chosen, which can be radio-controlled or operated autonomously through an embedded control system. A control program, which manages on board mission execution, is implemented on a microcontroller. Navigation is based on an electronic compass, which includes automatic compensation for pitch and roll motions. Heading control loop is based on this sensor, and on a rudder positioning system. A propulsion control system is also implemented. Typical manoeuvres as the turning test and "zig-zag", were implemented and tested. They are included on a manoeuvre library, and can be accessed independently or in combined modes. The embedded system is also in charge of signal acquisition and storing during the missions. It is possible to analyse experiments on identification of ship dynamics, control, and navigation, through the data transferred to a PC by serial communication. Navigation is going to be improved by including inertial sensors on board, and a DGPS. Preliminary tests are aimed to ship identification, and manoeuvrability, using free model tests. Future steps include extending this system for developing other mobile robots as, ROVs, AUVs, and aerial vehicles.

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.

Kestomagneettitahtikoneen vääntömomentin tuottokyvyn optimointi hybridibussikäyttöön

Työssä tarkastellaan hybridi- ja sähköajoneuvojen voimankäyttöjärjestelmiä ja bussin ajomoottorina toimivan kestomagneettitahtikoneen toimintaa ja sen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön. Esitetään analyyttinen työkalu kestomagneettitahtikoneen induktanssisuunnittelun ja koneen vääntömomentin tuottokyvyn optimoinnin tueksi. Työkalua hyödynnetään esitettävässä ajomoottorin mitoituslaskelmassa. Työssä päätellään, että kestomagneettitahtimoottori soveltuu hyvin ajoneuvokäyttöön. Maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi sen roottorin rakenne ja induktanssit on optimoitava. Analysoimalla ajoneuvokäyttöön tarkoitettua kestomagneettitahtimoottoria työkalun avulla havaitaan, että yhtä suuremmalla induktanssisuhteella vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä kuin ajettaessa konetta taajuusmuuttajalla vakioteholla nimelliskuormalla. Vastaavasti yhtä pienemmillä induktanssisuhteilla vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä. Todetaan, että vääntömomentti kasvaa induktanssisuhteen poiketessa yhdestä. Suuri vääntömomentti saadaan pienillä induktanssisuhteilla. Induktanssisuhteen kasvattaminen yhdestä ei lisää moottorin tuottamaa vääntömomenttia yhtä paljon kuin induktanssisuhteen pienentäminen. Työn lopuksi verrataan työkalun laskemia tuloksia kirjallisuudesta löytyvillä yhtälöillä laskettuihin tuloksiin. Työkalun laskemat tulokset vaikuttavat ristiriidattomilta ja yhteneväisiltä teorian kanssa. Työkalun toteutuksessa tehdyt teoreettiset yksinkertaistukset aiheuttavat todennäköisesti epätarkkuutta tuloksissa erityisesti suurella kuormituksella.

Esikiristetyn pulttiliitoksen vaikutus hitsausmuodonmuutoksiin

Tässä työssä tutkitaan propulsioyksikön kiinnitysrenkaan pulttiliitosten vaikutusta asen-nushitsauksesta aiheutuviin hitsausmuodonmuutoksiin. Hitsausmuodonmuutoksissa tutki-taan tärkeimpinä kohtina asennuslohkossa laakerin rajapintaa sekä kääntömoottorin kiinni-tyspintaa. Tutkimuksessa asennuslohkon hitsaaminen ja muodonmuutosten arvioiminen toteutettiin käyttämällä epälineaarista elementtimenetelmää. Ensisijaisena tavoitteena työssä on tutkia esikiristettyjen pulttiliitoksien vaikutusta raken-teen muodonmuutoksiin ja pohtia aiheutuvien siirtymien perusteella pulttien tarpeellisuutta rakenteessa. Tämän lisäksi vertaillaan pultillisen ja pultittoman kiinnitystavan eroavaisuuk-sia tuloksia analysoimalla. Saatujen tuloksien perusteella radiaaliset ja aksiaaliset siirtymät eivät olleet riittävän suuria aiheuttamaan haittoja rakenteen toimivuudelle kummassakaan mallissa. Lisäanalyysejä tar-kemmalla lämmöntuonnilla voidaan pitää tarvittavana pulttiliitoksien tarpeellisuuden tar-kemman testaamisen vuoksi.

Logistiikkakeskuksen uuden sijainnin vaikutukset logistisiin prosesseihin

Diplomityössä tarkoituksena oli tutkia miten potkurilaitteita valmistavan yrityksen logistiikkakeskuksen siirtyminen kokoonpanotehtaan viereen vaikuttaisi yrityksen logistisiin prosesseihin. Tutkimuskohteena olevan yrityksen logistiikkakeskus muodostuu keskusvarastosta ja pakkaamosta. Nykytilanteen selvityksen pohjalta kartoitettiin logistiikkakeskuksen ja kokoonpanotehtaan väliset nykytilan logistiset prosessit, niissä esiintyvät ongelmat sekä vaiheiden vaatimat resurssit. Käsiteltävät prosessit koostuvat pääasiassa tulo- ja lähtölogistiikan toiminnoista sekä sisäisistä materiaalisiirroista. Tutkimuksen perusteella logistiikkakeskuksen uudella sijainnilla kohdeyrityksen on mahdollista tehostaa monia logistisia toimintojaan ja näin parantaa logistista kilpailukykyään. Lisäksi monia nykytoiminnoissa esiintyviä ongelmia ja niiden aiheuttamia lieveilmiötä on mahdollista poistaa sijainnin muutoksen myötä.

Direct-Driven Interior Magnet Permanent Magnet Synchronous Motors for a Full Electric Sports Car

The design process of direct-driven permanent magnet synchronous machines (PMSMs) for a full electric 4 ´ 4 sports car is presented. The rotor structure of the machine consists of two permanent magnet layers embedded inside the rotor laminations thus resulting in some inverse saliency, where the q-axis inductance is larger than the d-axis one. An integer slot stator winding was selected to fully take advantage of the additional reluctance torque. The performance characteristics of the designed PMSMs were calculated by applying a twodimensional finite element method. Cross-saturation between the d- and q-axes was taken into account in the calculation of the synchronous inductances. The calculation results are validated by measurements.

Merivoimien alusten toimintakyky talviolosuhteissa

Merivoimien on kyettävä suorittamaan asetetut tehtävät vuodenajasta ja sääolosuhteista riippumatta. Tässä tutkielmassa käsitellään merivoimien alusten kykyä toimia Itämeren talviolosuhteissa. Suomen aluevesillä jäätalvi on lyhyt keskimäärin 30 päivää ja vuotuiset vaihtelut talvien välillä ovat suuria. Jäätalvien ankaruutta on vaikea ennustaa etukäteen. Jäätalvi rajoittaa merivoimien alusten toimintaa merkittävästi ja vaikeuttaa aluksille asetettujen tehtävien suorittamista. Meriliikenne ei kuitenkaan merkittävästi pienene jäätalven aikana. Alukset suunnitellaan teknisiltä ominaisuuksiltaan pieniherätteisiksi rungon, propulsion sekä koneiston suhteen. Tämä heikentää alusten kykyä toimia jääolosuhteissa. Teknisten ratkaisuiden vaikutuksia voidaan jääolosuhteissa vähentää henkilöstön hyvällä ammattitaidolla. Tutkielmaa varten kerättiin käyttäjäkohtaisia kokemuksia alusten toimintakyvystä talviolosuhteissa. Lisäksi lähteinä on käytetty muun muassa aluksille tehtyjen jääkokeiden raportteja. Tällä tavoin on mahdollista muodostaa suuntaa-antava kuva alusten toimintakyvystä talviolosuhteissa. Tutkimus osoitti, että toimintakyvystä on olemassa paljon kokemusperäistä tietoa. Tätä tietoa olisi syytä kerätä järjestelmällisesti, jotta sitä kyetään hyödyntämään tulevien alusten suunnittelussa, määriteltäessä jo olemassa oleville aluksille uusia tehtäviä sekä koulutettaessa alusten henkilöstöä toimimaan talviolosuhteissa.

Le processus d'adhésion à l'Union Européenne est-il en mesure de contribuer davantage que la Convention européenne à la protection des droits de l'homme en Turquie?

La Turquie va-t-elle adhérer à l'Union européenne? Sa candidature a toujours été sujette à critiques: droits de l'homme non respectés, restrictions des droits et libertés, notamment de la liberté d'expression, de religion et des droits politiques. Les dossiers sensibles comme le problème kurde et la question chypriote sont à l'origine des multiples plaintes contre l'État turc devant la Cour européenne des droits de l'homme. Dotée des caractéristiques essentielles d'un État moderne et laïque, le pays dispose de structures formellement démocratiques, mais sa démocratie se révèle fragile: ses politiques tant internes qu'externes sont décidées par un Conseil national de sécurité composé pour l'essentiel de militaires. En outre, l'armée qui a pris le pouvoir à maintes reprises a donné au régime une dimension autoritaire. Cela non seulement en vertu des principes fondateurs de la République (tradition centralisatrice de l'État turc), mais aussi de la priorité que l'institution militaire accorde à la sécurité, à l'unité et à l'identité nationales. En effet, les mesures d'exception (état d'urgence, cours de sûreté de l'État, loi anti-terroriste) ont contribué aux violations des droits de l'homme, d'où l'opposition entre le droit conventionnel et le droit national. De plus, le système judiciaire et administratif instauré par les militaires en 1982 n'est pas conçu dans l'intérêt des justiciables. Certes, l'accès à la modernité n'a pu se faire que sous la contrainte et le contrôle de l'armée, mais le régime en Turquie peut-il continuer à s'appuyer sur les«piliers de l'ordre» que sont l'armée, la police et la justice ? L’État semble cependant se réorganiser progressivement pour permettre au pouvoir politique d'assurer un contrôleur les forces de sécurité et pour donner une meilleure indépendance à la justice. Le processus mis en route et les critères imposés pour l'adhésion à l'UE devraient contribuer à mettre en œuvre les réformes institutionnelles capables d'harmoniser la démocratie à l'État de droit, à l'image des pays européens. En effet, les changements récents sont liés à l'agenda européen. Le gouvernement turc semble être déterminé et ambitieux dans sa vocation européenne. Les progrès réalisés pour intégrer l'UE lui sont un moteur de propulsion devant servir au pays et à sa population.

Réponses cardiorespiratoires lors d’épreuves d’effort pour les personnes utilisant un fauteuil roulant manuel : étude exploratoire chez les sujets sains

Travail d'intégration réalisé dans le cadre du cours PHT-6113.

Lymphatic vessel function in atherosclerosis

L'athérosclérose est une maladie inflammatoire chronique caractérisée par l'accumulation de cholestérol dans la paroi artérielle et associée à une réponse immunitaire anormale dans laquelle les macrophages jouent un rôle important. Récemment, il a été démontré que les vaisseaux lymphatiques jouent un rôle primordial dans le transport inverse du cholestérol (Martel et al. JCI 2013). L’objectif global de mon stage de maîtrise a été de mieux caractériser la dysfonction lymphatique associée à l’athérosclérose, en étudiant de plus près l’origine physiologique et temporelle de ce mauvais fonctionnement. Notre approche a été d’étudier, depuis l’initiation de l’athérosclérose jusqu’à la progression d’une lésion athérosclérotique tardive, la physiologie des deux constituants principaux qui forment les vaisseaux lymphatiques : les capillaires et collecteurs lymphatiques. En utilisant comme modèle principal des souris Ldlr-/-; hApoB100+/+, nous avons pu démontrer que la dysfonction lymphatique est présente avant même l’apparition de l’athérosclérose, et que cette dysfonction est principalement associée avec un défaut au niveau des vaisseaux collecteurs, limitant ainsi le transport de la lymphe des tissus périphériques vers le sang. De plus, nous avons démontré pour la première fois l’expression du récepteur au LDL par les cellules endothéliales lymphatiques. Nos travaux subséquents démontrent que ce défaut de propulsion de la lymphe pourrait être attribuable à l’absence du récepteur au LDL, et que la dysfonction lymphatique observée précocement dans l’athérosclérose peut être limitée par des injections systémiques de VEGF (vascular endothelial growth factor) –C. Ces résultats suggèrent que la caractérisation fonctionnelle de la capacité de pompage des vaisseaux collecteurs serait une condition préalable à la compréhension de l'interaction entre la fonction du système lymphatique et la progression de l'athérosclérose. Ultimement, nos travaux nous ont amené à considérer de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles dans la prévention et le traitement de l’athérosclérose.