Taajuusmuuttajan jännitevälipiirin stabiilius

Diplomityössä tutkittiin jännitevälipiirin epästabiiliutta suuren hitausmomentin käytöissä, kun taajuusmuuttajan verkon puolelle oli sijoitettu passiivinen verkkosuodin. Välipiirin tehtävänä on vähentää tasajännitteen aaltoisuutta. Jos välipiirin jännite ei ole stabiili, aiheuttaa se värettä moottorivirtaan. Työn aiheen antaja on suomalainen taajuusmuuttajavalmistaja Vacon Oyj. Työn lähtökohtana oli asiakastapaus, jossa taajuusmuuttajan välipiirin jännitteessä oli esiintynyt epästabiiliutta tutkitun kaltaisessa systeemissä. Välipiirin jännitteen epästabiiliutta esiintyi vain tietyillä ajotaajuuksilla, kun systeemiä kuormitettiin noin 50 %:lla nimellisestä kuormasta. Työssä etsittiin syitä epästabiiliudelle ja mahdollisia ratkaisuja ilmiöiden lieventämiseen. Ongelmatapausta mallinnettiin laboratoriomittauksin alkuperäistä systeemiä vastaavalla mittausjärjestelyllä. Tutkimuksessa todettiin epästabiiliuden aiheutuvan monen eri tekijän yhteisvaikutuksesta. Passiivinen verkkosuodin, taajuusmuuttajan välipiiri, moottorisäätö ja suuri hitausmassa yhdessä muodostavat ketjun, jonka vaikutuksesta epästabiiliutta esiintyy välipiirin jännitteessä. Ongelman lieventämiseksi etsittiin ratkaisu moottorisäädön ohjausalgoritmeista ja niiden parametrisäädöistä.

Kevytvesireaktorin luonnonkierto ja stabiilius

Tässä työssä perehdytään luonnonkiertoon ja sen hyödyntämiseen ydinvoimalaitoksissa. Toisena aihekokonaisuutena työssä ovat ydinvoimalaitosten epästabiilit tilat, jotka ovat tyypillisiä etenkin luonnonkierron ja kaksifaasivirtauksen yhteydessä. Lopussa esitetään ydinvoimalaitoksen termohydrauliikan ja kaksifaasivirtauksen mallinnusta systeemikoo-deilla. Esimerkkinä on tehty laskenta luonnonkiertoreaktorin, ESBWR-reaktorin massavirran jakaumasta TRACE-systeemikoodilla.

Ultralujasta teräksestä valmistetun henkilönostimen teleskooppipuomin kehittäminen

Tässä työssä kehitettiin palo- ja pelastuskäyttöön tarkoitettuun henkilönostimeen teleskooppipuomin profiilit. Profiilien valmistusmateriaalina oli kuumavalssattu, ultraluja säänkestävä rakenneteräs. Työssä kehitettiin standardien ja ohjeiden pohjalta laskentapohja, jolla voidaan tutkia teleskooppipuomin jaksojen tukireaktioita, taivutus- ja vääntömomentteja ja leikkaus ja normaalivoimia. Laskentapohjassa voidaan varioida eri kuormitusten suuntia, teleskooppipuomin sivusuuntaista ulottumaa ja nostokulmaa. Profiilien alustavassa mitoituksessa hyödynnettiin paikallisen lommahduksen huomioon ottavia standardeja ja suunnitteluohjeita. Eri poikkileikkausten ominaisuuksia verrattiin keskenään ja profiili valittiin yhdessä kohdeyrityksen kanssa. Alustavan mitoituksen yhteydessä muodostettiin apuohjelma valitulle poikkileikkaukselle, jolla voitiin tutkia profiilin eri muuttujien vaikutusta mm. paikalliseen lommahdukseen ja jäykkyyteen. Laskentapohjaan sisällytettiin myös optimointirutiini, jolla voitiin minimoida poikkileikkauksen pinta-ala ja tätä kautta profiilin massa. Lopullinen mitoitus suoritettiin elementtimenetelmällä. Mitoituksessa tutkittiin alustavasti mitoitettujen profiilien paikallista lommahdusta lineaarisen stabiilius- ja epälineaarisen analyysin pohjalta. Profiilien jännityksiä tutkittiin tarkemmin mm. varioimalla kuormituksia ja osittelemalla elementtien normaalijännityksiä. Diplomityössä kehitetyllä ja analysoidulla teleskooppipuomilla voitiin keventää jaksojen painoja 15-30 %. Sivusuuntainen ulottuma parani samalla lähes 20 % ja nimelliskuorma kasvoi 25 %.

Viologeenit sensorimateriaaleissa

Pro gradu -työn taustalla oli selvittää sähkökemiallisella polymeroinnilla tuotetun viologeenikalvon anioniselektiivisyyttä. Polymerointi toteutettiin sekä staattisella kennosysteemillä että suihkuvirtauskennolla (engl. wall-jet) käyttäen 1,3,5-tris-(N-metyyli-4-syanopyridinium)-2,4,6-trimetyylitribromidi-, trans-1,2-bis-(karbamoyyli-para-metyylisyano-pyridinium)-sykloheksaanidibromidi- ja 1,3-bis-[4-(para-metyylisyanopyridinium)-fenyyli-tioureido]-ksyleenidibromidilähtöaineita. Platina- ja kultasubstraateille muodostettuja viologeenikalvoja tutkittiin voltammetrisesti (CV), kronoamperometrisesti (CA), konduktometrisesta (GA) sekä kvartsikidemikrovaakaa (QCMB) apuna käyttäen. Tulosten perusteella polymeerirakenteet omasivat anionikaviteetteja mutta affiniteetit eri anionien väillä eivät korreloineet täydellisesti sähkökemiallisessa generoinnissa käytettyjen muotti-ionien kanssa. Selektiivisyyteen todennäköisesti vaikuttivat myös liuosfaasissa olleiden ionisten molekyylien ja solvatoituneiden anionien poolisuus ja hydraattiverhon koko. Lisäksi polymeroitujen viologeenien anionivakansseista suurin osa todettiin inaktiivisiksi. Kirjallisuuskatsauksen perusteella substituoidut γ,γ’-bipyridyylit ovat materiaaleina lupaavia ja yleisen sensoriteknologian mielenkiinnon kohteena mm. aurinkokennoissa, biosensoreissa ja elektronin delokalisaatioon perustuvissa värinäytöissä (ECD). Ongelmina löydetyissä sovellutuksissa ovat olleet bipyridyylien vuotaminen liuokseen, katalyyttisesti verraten hitaat elektroninsiirtoreaktiot ja yhdisteiden myrkyllisyys. Vastaavasti etuja ovat olleet polymeerien intensiiviset värit, väriskaalan muokattavuus, sähkökemiallisesti tuotetun radikaalikationin stabiilius vesiliuoksessa, katalyyttinen aktiivisuus ja helppo synteesireitti syanopyridiinilähtöaineista.

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Reaaliaikaisen PMU-mittaustiedon hyödyntäminen voimajärjestelmän valvonnassa

Tämä työ on tehty Fingrid Oyj:lle. Työn tavoitteena oli tutkia, miten reaaliaikaista PMU-mittaustietoa voidaan hyödyntää voimajärjestelmän valvonnassa. Voimajärjestelmän dynaamisia ilmiöitä ovat jännite- ja kulmastabiilius. Työssä tutkittiin voimajärjestelmän kulmastabiiliutta PSS/E-ohjelmalla simuloitujen mittaustulosten perusteella. Fouriermuunnoksen tulokset osoittavat, että huonoiten vaimeneva taajuuskomponentti on 0,3 Hz taajuus. Lisäksi tiedetään, että huonosti vaimeneva taajuuskomponentti rajoittaa siirtokapasiteettia. Voimajärjestelmän stabiiliutta voidaan esittää Wide Area Monitoring -järjestelmien (WAMS) avulla. WAMS perustuu Phasor Measurement -laitteen (PMU) reaaliaikaiseen mittaustekniikkaan. Jännitteen vaihekulman mittaaminen mahdollistaa voimajärjestelmän tilan määrittämisen reaaliajassa. Työssä on esitelty Fingridin käytössä oleva WAMS ja lisäksi esitelty kolmen eri laitetoimittajan WAMS:n rakennetta ja operaattorin käyttöön tarkoitettuja käyttöliittymiä. WAMS:n rakenteet ovat pääpiirteittäin samanlaisia, mutta stabiiliuden visuaalisessa esittämisessä on eroja. PMU -mittaustietoja on mahdollista tuoda käytönvalvontajärjestelmään erillisellä tiedonsiirtoprotokollalla. PMU-mittaustiedon hyödyntäminen käytönvalvontajärjestelmän toimintaaluenäytöllä mahdollistaa verkon tilan esittämisen reaaliajassa. Roottorin kulmastabiilius esitetään Fingridin käytönvalvontajärjestelmässä vaihekulmaerojen avulla ja työssä on esitetty, kuinka vaihekulmaeron arvolla on vaikutus tehonsiirtoon. Vaihekulmaeron arvo kuvaa vian jälkeisen tehoheilahtelun voimakkuutta. PMU-mittaustiedon esittäminen antaa operaattorille selkeämmän kuvan ylläpitää tehonsiirto turvallisella tasolla ja epästabiilin heilahtelun havainnoiminen vähentää suurhäiriön riskiä. Tulevaisuudessa siirtoverkon kehittyessä tarvitaan operaattorin käyttöön myös nopeita stabiilisuutta esittäviä työkaluja.

Physico-chemical characterization of nanoparticle coated paper

Förståelse av olika ytors vätningsegenskaper är viktig i många pappers-relaterade industriella processer eftersom vätningen påverkar materialbeteendet, t.ex. vid bestrykning, tryckning och laminering. Förmågan att kontrollera vätningen är av intresse, därför att den ger nya möjligheter till modifikation av ytor. Vätningen styrs av ytans struktur och kemi. Kunskap om dessa egenskaper krävs både i fundamentala studier och för industriella applikationer. Nanopartiklar används ofta för att skapa funktionella ytor med mångsidiga egenskaper. Detta arbete strävar till att förstå de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos papper och kartong som är bestrukna med nanopartiklar, för att sedan kunna förklara de observerade förändringarna i ytornas vätningsförmåga. Funktionella ytor med justerbar vätningsförmåga tillverkades genom att deponera nanopartiklar i en rulle-till-rulle vätskeflammasprutningprocess (LFS). TiO2 -nanopartikelbeläggningen skapar en superhydrofob yta som har över 160° kontaktvinkelmed vatten, medan SiO2-nanopartikelbeläggningar skapar mycket hydrofila ytor med kontaktvinklar så låga som 21° med vatten. Superhydrofobiciteten eller hydrofiliteten är ett resultat av den kombinerade effekten hos ytstrukturen och ytkemin, såsom nanopartiklarnas oxidationsnivå eller karbonatiseringsnivå. Kartongytor som är bestrukna med TiO2-nanopartiklar kan vara såväl superhydrofoba som hydrofila. Hydrofilitet kan induceras genom UVA-strålning, medan behandling i hög temperatur i ugn resulterar i en superhydrofob yta. Ett mål med arbetet var att förstå mekanismerna hos de kemiska för ändringar som sker under UVA-bestrålning och värmebehandling av ytor, bestrukna med TiO2-nanopartiklar. Ytornas abrasions- och kompressionsmotstånd samt relaterade förändringar i funktionella egenskaper undersöktes. Resultaten skapar en bättre förståelse för potentiell användning av LFS-nanopartikelbeläggningar i pappersrelaterade applikationer. En förståelse för stabiliteten hos nanopartikelbeläggningarna när de exponeras för externa krafter är viktig för att försäkra deras funktionalitet i industriella applikationer och för att garantera beläggningarnas miljö-, hälso- och säkerhetsaspekter. ------------------------------------------ Pinnan kastumisominaisuuksien hallinta on tärkeää monissa paperiteollisuuden prosesseissa, sillä pinnan kastuminen vaikuttaa esimerkiksi päällystämiseen, painamiseen ja laminointiin. Pinnan kastuvuuden säätäminen avaa mielenkiintoisia uusia mahdollisuuksia pintojen ominaisuuksien hallintaan. Pinnan kastuvuus määräytyy pinnan rakenteesta ja kemiasta, ja näiden ominaisuuksien ymmärtäminen on tärkeää sekä perustutkimuksessa että teollisissa sovelluksissa. Nanopartikkeleita käytetään usein toiminnallisten ja hallitusti kastuvien pintojen aikaansaamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu nanopartikkelipinnoitetun paperin ja kartongin fysikaalis-kemiallisia pintaominaisuuksia, jotka selittävät havaittuja muutoksia pinnan kastuvuudessa. Toiminnalliset pinnat säädettävillä kastuvuusominaisuuksilla valmistettiin nesteliekkiruiskutus (LFS) nanopartikkelipinnoituksella rullalta rullalle-menetelmällä. TiO2-nanopartikkelipäällystys saa aikaan superhydrofobisen pinnan, jonka veden kontaktikulma on suurempi kuin 160°. Toisaalta SiO2-nanopartikkelipäällystys muuttaa pinnan hyvin hydrofiiliseksi, veden kontaktikulman ollessa vain 21°. Pinnan superhydrofobisuus tai hydrofiilisyys riippuu nanopartikkelipinnan rakenteesta ja pintakemiasta kuten pinnan hapettumisasteesta ja hiilipitoisuudesta. TiO2-nanopartikkelipinnoitetun kartonkipinnan kastumista voidaan säätää superhydrofobisen ja hydrofiilisen välillä. Pinnan hydrofiilisyys saadaan aikaan UVA-valolla, kun taas superhydrofobinen pinta voidaan palauttaa korkeassa lämpötilassa uunissa. Tämän työn tavoitteena oli selvittää, millaisia muutoksia TiO2-nanopartikkelipäällystetyn pinnan kemiassa tapahtuu UVA-valon ja lämpökäsittelyn vaikutuksesta. Työssä tarkasteltiin myös pinnan mekaanisen hankauksen ja kokoonpuristuksen vaikutusta toiminnallisiin ominaisuuksiin. Työssä saavutetut tulokset auttavat ymmärtämään LFS-nanopartikkelipäällystettyjen pintojen soveltuvuutta paperiin liittyvissä sovelluksissa. Nanopartikkelipäällystettyjen pintojen stabiilius ulkoisten voimien alaisena on tärkeää toiminnallisten päällystysten ympäristö-, terveys- ja turvallisuusnäkökulmia tarkasteltaessa.