Functional Simulations of Power Electronics Components in Hybrid Machinery

Tämä työ käsittelee hybridityökoneen tehonsiirtoa sarjahybridijärjestelmässä. Kirjallisuustutkimuksena käydään lävitse erilaisia hybridijärjestelmiä, polttokennojärjestelmää ja täyssähköistä järjestelmää ajoneuvokäytöissä. Kirjallisuustutkimuksessa pohditaan eri ajoneuvokäyttöjen tehonsiirrontoimintaa ja eri järjestelmien etuja sekä heikkouksia. Työssä esitellään hybridijärjestelmän tehonsiirrossa ja energian varastoinnissa käytettävät komponentit, komponenttien tarkoitus ja toiminta. Työssä kehitetään hybridityökoneen sarjahybriditehonsiirtojärjestelmälle yleistä simulointimallia, joka mahdollistaa sarjahybridijärjestelmän ohjauksen kehittämisen ja eri valmistajien toimittamien osakomponenttien toimivuuden testauksen. Simulointimalli toteutetaan Matlab Simulink -ohjelmistolla ja siinä tavoitellaan 20 Hz:n aikatason tarkkuutta.This thesis is about series-hybrid power transmission in heavy machinery. Different topologies in vehicle drives are introduced in the literature research. The topologies introduced are series, parallel and series-parallel -hybrid systems, fuel cell system and full electric system. The literature research considers operation of different topologies, their benefits and weaknesses. Primary and secondary power generation components, and also power transfer components of hybrid system are introduced, and their operations are reviewed. This thesis presents functional simulation model for series-hybrid power transfer system. The simulation model should provide possibility for development of power control in series-hybrid system, and also testing of suitable components from different manufacturers. Simulation model is created with Matlab Simulink software, and it aims at 20 Hz time domains accuracy

Monivaiheisen mallinnustavan hyödyntäminen sähköisen sarjahybridivoimansiirron suunnittelussa

This research concentrates on the modeling, design, and control of series-hybrid powertrains in Non-Road Mobile Machineries (NRMMs). Hybridization of mobile machinery powertrains is a topical subject due to needs to decrease CO2 emissions and energy consumption, and the possibility of using alternative power sources. This research proposes a combination of backward, functional, static, quasi-static, and dynamic modeling methods as an approach for the systematic series-hybrid powertrain design. As a result, this research introduces an efficient and systematic modeling approach for the design of series-hybrid powertrains in NRMMs, and investigates the accuracies of the approach. In addition, the research proposes an energy management algorithm for an ultra-capacitor buffered diesel series-hybrid powertrain. The results significantly benefit NRMM powertrain designers and scholars by providing an efficient approach with computationally light and easy to adapt modeling tools for similar studies. The study was conducted due to a need for system-design guidelines for different powertrain options, which are somewhat lacking in the literature. Thus, research into hybridizing or introducing fuel cell powertrain to NRMMs still needs persistent attention by many researchers and engineers for several years until the feasibilities and design principles of different powertrain options will be thoroughly explored and concluded.Tutkimus keskittyy liikkuvien työkoneiden sarjahybridivoimansiirron mallintamiseen, suunnitteluun ja ohjaukseen. Liikkuvien työkoneiden hybridisointi on ajankohtaista, koska se mahdollistaa CO2-päästöjen ja energiankulutuksen pienentämisen sekä erilaiset tehontuottomuodot. Tutkimus esittää sarjahybridivoimansiirron systemaattiseen mallintamiseen lähestymistapaa, jonka laskentasuunta on kuormasta takaperin lähteisiin. Lisäksi mallinnustapaa voidaan kuvata toiminnallisen, staattisen, näennäisstaattisen, ja dynaamisen mallinnustavan yhdistelmäksi. Lopputulemana työ esittelee tehokkaan ja systemaattisen mallinnuslähestymistavan liikkuvien työkoneiden voimansiirrolle, sekä tarkastelee menetelmän mallinnustarkkuutta. Lisäksi tutkimus käsittelee aktiivisella superkondensaattorilla puskuroidun diesel-sähköisen voimansiirron tehonohjausalgoritmeja. Tutkimus hyödyttää liikkuvien työkoneiden voimansiirron suunnittelijoita sekä tutkijoita ja opiskelijoita vastaavan aiheen parissa. Työ lisää sovellusalueeseensa järjestelmätason suunnittelumenetelmiä, jotka ovat tähän saakka puuttuneet tai olleet vaillinaisia. Liikkuvien työkoneiden hybridisointi tai polttokennotehontuoton hyödyntäminen vaatii vielä monien tutkijoiden sekä insinöörien pitkäjänteistä työtä useiden vuosien ajan, kunnes eri voimansiirtotopologioiden hyödyllisyys ja suunnitteluperiaatteet on selvitetty

Functional simulations of power electronics components in series-hybrid machinery for the needs of OEM

This paper proposes method for rapid control prototyping of the series-hybrid transmission system. The rapid control prototyping needs simulation submodels from all system components in order to develop supervisory control software. The same simulation models can also be used to optimize the drive train. The target framework for the rapid control prototyping method is the original equipment manufacturer (OEM), where the objective is to build devices from subcontractor's components. The machinery industry, as a target group, uses high power ratings for the creation of motion, which leads to high voltage and current values used in the system. Therefore, prototyping is started with careful simulations. This paper also seeks to create a general idea about the structure of the series-hybrid power transmission and assists the start of the process for designing the supervisory control.reviewe

Robottiavusteinen työympäristöjen ilman laadun mittausjärjestelmä (RASEM)

Robottiavusteinen työympäristöjen ilmanlaadun mittausjärjestelmä (RASEM) -tutkimus oli Saf€ra-yhteistyöprojekti, johon osallistui Työterveyslaitoksen lisäksi tutkijoita Saksasta ja Ruotsista. Tutkimuksessa kehitettiin kohtuuhintainen sensoriverkko ilman epäpuhtauspitoisuuksien, lämpötilan ja kosteuden ajallisen ja paikallisen vaihtelun seurantaan. Sensoriverkkoa testattiin kolmessa eri työympäristössä. Sensoriverkolla saatuja tuloksia täydennettiin liikkuvilla mittausjärjestelmillä: robottiautolla ja droonilla. Tutkimustulokset osoittivat, että edullisia sensoreita voidaan hyödyntää sensoriverkkojen kokoonpanoissa ja niiden antamaa tietoa käyttää edelleen työpaikkakohtaisten pitoisuuskarttojen laadinnassa. Tarvitaan kuitenkin lisätutkimusta, jotta saadaan kehitettyä työpaikoille käyttökelpoinen menetelmä epäpuhtauspitoisuuksien ja työntekijöiden altistumisen pitkäaikaiseen seurantaan

AVAUS : Avaruuden uuden toimintaympäristön turvallisuusulottuvuudet ja liiketoiminta

Avaruustoiminnalla on jo kauan ollut suuri strateginen merkitys yhteiskunnan toimivuudelle, kansalliselle turvallisuudelle ja eri hallinnonalojen päätöksenteolle. Yhteiskunnan toiminnot hyödyntävät satelliittien tuottamaa ja välittämää dataa, jonka määrä ja maantieteellinen kattavuus ovat laajentuneet radikaalisti viime vuosina. Aiemmin laajamittainen avaruustoiminta oli mahdollista vain suurilla taloudellisilla panostuksilla ja sitä harjoittivat vain muutamat maailman suurvallat. Nyt teknologinen kehitys ja avaruusteknologian halventuminen on mahdollistanut myös pienimuotoisemman avaruustoiminnan, jolla voidaan vastata tehokkaasti yhteiskunnan ja elinkeinoelämän tarpeisiin ja toiveisiin. Tämä mahdollistaa täysin uusia sovelluksia ja palveluita, jotka perustuvat avaruudesta ja Maan pinnalta tehtyjen havaintojen tehokkaaseen yhdistämiseen. Tämä on New Space -ilmiö, johon liittyvää liiketoimintaa kutsutaan nimellä New Space Economy – uusi avaruusliiketoiminta. Uuden avaruusteknologian ja sen tuomien sovellusmahdollisuuksien esiinmarssi ei ole korvaamassa perinteisellä avaruusteknologialla toteutettuja järjestelmiä. Tämä on oleellista. Uudet teknologiat sekä tuovat mukanaan uusia avaruuden hyödyntämismahdollisuuksia että täydentävät perinteisiä avaruusjärjestelmiä. Tämä tutkimus tarkastelee uutta avaruustoimintaympäristöä kansallisen hyödyntämisen kannalta: miten sen tarjoama yhteiskunnan turvallisuuteen vaikuttava teknologia sekä liiketoimintapotentiaali voitaisiin valjastaa parhaiten palvelemaan suomalaista yhteiskuntaa. Jos saamme luotua uutta teknistieteellistä kyvykkyyttä kansallisella perusrahoituksella, sillä on tärkeä vipuvaikutus sekä liiketoimintaan että suomalaisten turvallisuuteen. Osaaminen ja innovaatiot houkuttelevat kasvurahoitusta, mikä mahdollistaa liiketoiminnan nopean kasvun. Avaruuden turvallisuuskäyttö edellyttää korkealaatuista osaamista ja hyötyy menestyvästä liiketoiminnasta. Aktiivisilla toimilla Suomi pystyy hyödyntämään avaruusteknisen murroksen tarjoamat laajat liiketoiminnalliset mahdollisuudet sekä toisaalta varautumaan turvallisuuteen liittyviin uusiin haasteisiin. Toimenpidesuosituksemme ovat tämän mukaisia.Tämä julkaisu on toteutettu osana valtioneuvoston selvitys- ja tutkimussuunnitelman toimeenpanoa. (tietokayttoon.fi) Julkaisun sisällöstä vastaavat tiedon tuottajat, eikä tekstisisältö välttämättä edusta valtioneuvoston näkemystä

Trends in Revision Knee Arthroplasty for Prosthetic Joint Infection : A Single-Center Study of 384 Knees at a High-Volume Center between 2008 and 2021

BACKGROUND: Prosthetic joint infection (PJI) is one of the most devastating complications after total knee arthroplasty (TKA), and comorbidities increase the risk. We examined whether a temporal change has occurred in the demographics, especially regarding comorbidities, of patients who have PJI and were treated at our institution over a 13-year study period. In addition, we assessed the surgical methods used and the microbiology of the PJIs. METHODS: Revisions (n=384, 377 patients) due to PJI of the knee performed at our institution between 2008 and September 2021 were identified. All included PJIs fulfilled the 2013 International Consensus Meeting diagnostic criteria. The surgeries were categorized into one of the following categories: debridement, antibiotics, and retention (DAIR), one-stage revision, and two-stage revision. Infections were classified as early, acute hematogenous, and chronic. RESULTS: No changes in the median age of the patients nor comorbidity burden were observed during the study period. However, the proportion of two-stage revisions decreased remarkably from 57.6% in 2008 to 2009 to 6.3% in 2020 to 2021. A DAIR was the most used treatment strategy, but the proportion of one-stage revisions increased the most. In 2008 to 2009, 12.1% of the revisions were one-stage, but in 2020 to 2021, the proportion was 43.8%. The most common pathogen was Staphylococcus aureus (27.8%). CONCLUSIONS: The comorbidity burden remained at the same level with no trends. A DAIR was the most used strategy, but the proportion of one-stage revisions rose to almost the same level. The incidence of PJI varied between the years, but remained relatively low.Peer reviewe

Clinical Outcomes After Revision Hip Arthroplasty due to Prosthetic Joint Infection - A Single-Center Study of 369 Hips at a High-Volume Center with a Minimum of One Year Follow-up

BACKGROUND: Prosthetic joint infection (PJI) treatment decisions are traditionally based on treatment algorithms. There is, however, a lack of evidence to support the choice of these treatment algorithms. Therefore, we aimed to assess the one-year survival after PJI revision and compared different surgical strategies in a single-center setting. METHODS: Revisions of the hip due to PJI performed at our institution between January 2008 and September 2021 with at least one-year of follow-up were identified. In total, 134 debridement, antibiotics, and implant retentions (DAIRs), 114 one-stage revisions, and 121 two-stage revisions were performed. Infections were classified as early, acute hematogenous, and chronic. Survival was calculated using the Kaplan-Meier method and cumulative incidence function. Predictors of outcomes were examined with Fine-Gray regressions and Cox proportional hazards regressions. Subdistribution hazard ratios and hazard ratios (HR) with 95% confidence intervals (CIs) were calculated. RESULTS: At one-year follow-up, 26.6% (CI 22.2-31.2%) of the patients had undergone reoperation and 7.9% (CI 5.4-10.9%) had died. The risk for reoperation was highest after DAIR (36.6%, CI 28.5-44.7%) and lowest after one-stage revision (20.2%, CI 13.4-28%). Within the early infections, the one-stage revision almost halved the risk of reoperation (HR 0.51, CI 0.31-0.84) with no added mortality risk (HR 1.05, CI 0.5-2.2), when compared to DAIR. CONCLUSION: By utilizing 1-stage revision over DAIR in early infections, it might be possible to improve the prognosis by decreasing the risk of reoperation without increasing mortality. However, as the patient selection is undeniably difficult, more research is warranted.Peer reviewe

Common Variant Burden Contributes to the Familial Aggregation of Migraine in 1,589 Families

Complex traits, including migraine, often aggregate in families, but the underlying genetic architecture behind this is not well understood. The aggregation could be explained by rare, penetrant variants that segregate according to Mendelian inheritance or by the sufficient polygenic accumulation of common variants, each with an individually small effect, or a combination of the two hypotheses. In 8,319 individuals across 1,589 migraine families, we calculated migraine polygenic risk scores (PRS) and found a significantly higher common variant burden in familial cases (n = 5,317, OR = 1.76, 95% CI = 1.71-1.81, p = 1.7 × 10-109) compared to population cases from the FINRISK cohort (n = 1,101, OR = 1.32, 95% CI = 1.25-1.38, p = 7.2 × 10-17). The PRS explained 1.6% of the phenotypic variance in the population cases and 3.5% in the familial cases (including 2.9% for migraine without aura, 5.5% for migraine with typical aura, and 8.2% for hemiplegic migraine). The results demonstrate a significant contribution of common polygenic variation to the familial aggregation of migraine

Sarjahybridivoimansiirron kehittämismenetelmiä liikkuviin työkoneisiin

This dissertation is about the assessment and development methodologies of series-hybrid powertrains to non-road mobile machineries. The development and optimization of alternative powertrains require computational methodologies for different fidelity levels in order to maintain manageability and effectiveness of analyses. This dissertation uses a multi-stage modeling approach for a large-signal analysis of system-level designs. A small-signal approach is proposed for the stability assessments of DC-buses in power-electronics systems. The multi-stage modeling approach is used systematically for assessments of the diesel- electric powertrain with the power buffering by the active ultracapacitor. These assessments include design and validation of energy management algorithms for the powertrain. This energy management is described as the indirect power buffering, due to low-level controls of converters. The partial differential equations and the Monte Carlo method are used for error and sensitivity analyses of these assessments. Knowledge of achievable accuracies and restrictions of the multi-stage approach have been attained with experiments and assessments. The multi-stage modeling approach is used for evaluations of feasibilities and features of powertrain options in a non-road mobile machinery case. Mutual relations of the features of powertrain options, such as size, weight, cost, and efficiency, are concluded. This knowledge is a base for the choice between powertrain options, and enables optimization of the powertrain with respect to a single feature. The significance of this approach is on the management of the complex entity, i.e., the design of complete series-hybrid powertrains. A systematic approach for the dynamic modeling of DC-buses in power-electronics systems is introduced. This approach facilitates designs of load and source converter controllers in such a system. It can be used to derive the maximum lengths of the DC-bus cabling, as well as the minimum values and distribution of the DC-bus capacitances.Tämä väitöskirja käsittelee liikkuvien työkoneiden sarjahybridivoimansiirron analysointi- ja kehittämismenetelmiä. Eritasoisia laskentamenetelmiä tarvitaan vaihtoehtoisten voimansiirtojen kehittämiseen ja optimointiin, jotta laskennan hallittavuus ja tehokkuus säilyisivät. Tämä väitöskirja esittelee moniasteisen mallinnusmenetelmän sarjahybridivoimansiirron järjestelmätason vaihtoehtojen analysointia ja kehittämistä varten, sekä hyödyntää menetelmää systemaattisesti. Lisäksi tässä väitöskirjassa ehdotetaan systemaattista lähestymistapaa tehoelektroniikkajärjestelmissä käytettyjen tasajänniteväylien stabiiliustarkasteluun. Moniasteista mallinnusmenetelmää käytetään systemaattisesti aktiivisella ultrakondensaattorilla puskuroidun dieselsähköisen voimansiirron tarkasteluihin. Nämä tarkastelut koostuvat energianhallinta-algoritmien suunnittelusta ja toiminnan oikeellisuuden varmentamisesta mittauksilla. Laitetason säädinten valinnasta johtuen kyseistä energianhallintaa kuvataan tehon epäsuoraksi puskuroinniksi. Näiden tarkastelujen virhe- ja herkkyysarviointeihin käytetään osittaisdifferentiaaliyhtälöitä ja Monte Carlo -menetelmää, joilla analysoidaan teoreettisesti mallinnusmenetelmän tarkkuutta. Lisäksi vertailumittaukset lisäävät ymmärrystä mallinnusmenetelmän tarkkuudesta ja rajoitteista. Väitöskirjassa käytetään moniasteista mallinnusmenetelmää myös liikkuvan työkoneen vaihtoehtoisten sarjahybridivoimansiirtojen ominaisuuksien määrittämiseksi. Keskinäiset suhteet eri voimansiirtoratkaisujen koolle, painolle, hinnalle ja hyötysuhteelle esitetään erään liikkuvan työkoneen tapauksessa. Tarkastelulla saavutettu tieto mahdollistaa valinnan eri voimansiirtoratkaisujen välillä ja siten myös voimansiirron yksittäisen ominaisuuden optimoinnin. Esitelty mallinnusmenetelmä auttaa monimutkaisen järjestelmän suunnittelussa. Dynaaminen mallintaminen on oleellinen osa järjestelmien suunnittelussa. Sen vuoksi tässä väitöskirjassa ehdotetaan systemaattista lähestymistapaa tehoelektroniikkajärjestelmissä käytettyjen tasajänniteväylien stabiiliustarkasteluun. Kyseinen lähestymistapa helpottaa järjestelmän suuntaajien säädinten suunnittelua. Lähestymistapaa voidaan käyttää tasajänniteväylän kaapeleiden maksimipituuksien ja kapasitanssin suuruuden sekä jakautumisen määrittämiseksi