<p>The purpose of this degree project was to build laboratory equipment for a new course in power electronics that starts this autumn 2010 at Uppsala University. The equipment is intended for student labs and it covers the most important areas of the course including rectifying, buck-/boost-converters and PWM-modulation. It is built as one sealed unit where all the electronics are built-in but visible and it has a connection board where students safely can connect the different circuits. The project has advanced from theoretical studies of circuit design, choosing of components and simulations to drawing the printed circuit board (PCB), soldering, case building, final testing and troubleshooting - basically most steps from an early idea to a final product. Measurements on the final product gave about the same results as the earlier simulations of the circuits and the result is overall satisfying.</p> / <p>Syftet med det här examensarbetet var att bygga laborationsutrustning till en ny kurs i kraftelektronik som börjar hösten 2010 på Uppsala Universitet. Utrustningen är avsedd för studentlaborationer och den täcker de viktigaste delarna av kursen inklusive likriktning, buck-/boost-omvandlare och pulsbreddsmodulering (PWM). Laborationsutrustningen är byggd som en sluten enhet där all elektronik är inbyggd men synlig och den har en kopplingsplatta där studenterna säkert kan koppla ihop olika kretsar. Projektet har sträckt sig från teoretiska studier inklusive kretsdesign, komponentval och simuleringar till ritande av kretskortet (PCB-kortet), lödning, byggande av höljet, sluttestning och felsökning - i huvudsak de flesta stegen från en tidig idé till en färdig produkt. Mätningar på den färdiga produkten är ganska lika de tidigare simuleringarna av kretsarna och resultatet är totalt sett tillfredställande.</p>

The purpose of this degree project was to build laboratory equipment for a new course in power electronics that starts this autumn 2010 at Uppsala University. The equipment is intended for student labs and it covers the most important areas of the course including rectifying, buck-/boost-converters and PWM-modulation. It is built as one sealed unit where all the electronics are built-in but visible and it has a connection board where students safely can connect the different circuits. The project has advanced from theoretical studies of circuit design, choosing of components and simulations to drawing the printed circuit board (PCB), soldering, case building, final testing and troubleshooting - basically most steps from an early idea to a final product. Measurements on the final product gave about the same results as the earlier simulations of the circuits and the result is overall satisfying. / Syftet med det här examensarbetet var att bygga laborationsutrustning till en ny kurs i kraftelektronik som börjar hösten 2010 på Uppsala Universitet. Utrustningen är avsedd för studentlaborationer och den täcker de viktigaste delarna av kursen inklusive likriktning, buck-/boost-omvandlare och pulsbreddsmodulering (PWM). Laborationsutrustningen är byggd som en sluten enhet där all elektronik är inbyggd men synlig och den har en kopplingsplatta där studenterna säkert kan koppla ihop olika kretsar. Projektet har sträckt sig från teoretiska studier inklusive kretsdesign, komponentval och simuleringar till ritande av kretskortet (PCB-kortet), lödning, byggande av höljet, sluttestning och felsökning - i huvudsak de flesta stegen från en tidig idé till en färdig produkt. Mätningar på den färdiga produkten är ganska lika de tidigare simuleringarna av kretsarna och resultatet är totalt sett tillfredställande.

In order to meet the increasing demand for sustainable transportation, trains need to run with tighter schedules, more departures and more trains in depot. Multiple trains in depot has been linked to low frequency instability at many locations around the world. The instability originates in the interaction between the infrastructure and trains, specifically the line converter module (LCM). The phenomenon has been studied during the last two decades. Today there are a number of methods used to analyse low frequency stability, although these methods are usually slow and cumbersome. In this project a modelling approach is proposed for a linear small-signal DQ-frame admittance model of the LCM. The model describes the relationship of the low frequency oscillations between the line voltage and line current. Similar linear models have been derived previously, although the design of the specific train modelled is in part significantly different from the design of the trains modelled previously. The main difference is in the DQ-transformation for the phase locked loop (PLL), which in this thesis is implemented with a DFT-based method, and the implementation of the current controller (CC) which in this thesis is implemented in the stationary reference frame. The LCM and infrastructure (modelled as an impedance) is then analysed as a feedback loop using dominant poles analysis, regularly used in control theory. The result from the proposed model was evaluated using methods that are common in the industry. Furthermore, as the LCM is a complex system and the impact of different components and control parameters is not fully understood, the proposed model is used to examine how changing different parameters affect the overall stability of the system. The correlation between the results from the proposed model and the methods used for evaluation implies that the modelling approach is accurate. The two main benefits of the proposed model is that the method is much faster than most other methods for low frequency analysis, the proposed model is useful for testing different parameter configurations and changes in the design of the LCM. / För att möta den ökande efterfrågan på hållbar transport, behöver tåg idag köras med stramare tidtabeller, fler avgångar och fler tåg i depå. Flera tåg i depå har kopplats till lågfrekvent instabilitet på många platser runt om i världen. Instabiliteten har sitt ursprung i interaktionen mellan infrastrukturen och tågen, särskilt nätströmriktaren (LCM). Fenomenet har studerats under de senaste två decennierna. Idag finns det ett antal metoder som används för att analysera lågfrekvent stabilitet, dock är dessa metoder vanligtvis är långsamma och besvärliga. Detta projekt beskriver en modelleringsmetod lågfrekvenssvängningar mellan linjespänningen och linjeströmmen. Liknande linjära modeller har härletts tidigare, skiljer sig utformningen av det specifika tåget modellerad i denna avhandling från de tåg som modellerats tidigare i vissa design val. Den största skillnaden ligger i DQ-transformationen för den synkroniseringsregulatorn (PLL), som i denna avhandling är implementerad med en DFT-baserad metod, och implementeringen av strömregulatorn (CC) som i denna uppsats implementeras i den stationära referensramen. LCM tillsammans med infrastruktur (modellerad som en impedans) analyseras sedan som en stängd återkoppling där det stängda systemets poler härleds. Resultatet från den föreslagna modellen utvärderades med metoder som är vanliga i branschen. Dessutom, eftersom LCM är ett komplext system och effekten av olika komponenter och styrparametrar inte är helt förstod, används modellen för att undersöka hur förändringar i olika parametrar påverkar hela systemets stabilitet. Korrelationen mellan resultaten från det föreslagna modell och de metoder som används för utvärdering av lågfrekvent stabilitet idag innebär att modelleringsmetoden är lovande. De metoden är mycket snabbare än de flesta andra metoder för lågfrekvent analys och att den föreslagna modellen är användbar för att testa olika parameterkonfigurationer och förändringar i utformningen av LCM.

Roslagsbanans signalanläggningar har flera olika lösningar för dess strömförsörjning i form av standarder för batterier och likriktare. Denna lösningsvariation har försvårat för underhållspersonalen att åtgärda de fel som uppstått och därmed fördröjt trafiken, dvs trafikstörningar. Roslagsbanan försörjs delvis av lokala elnät där avbrott emellanåt förekommer. Dessa avbrott inträffar ofta när elnätsleverantörerna underhåller sitt ortnät vilket kan ske även under rusningstrafik. Avbrotten kan även orsakas inom signalanläggningarna när stora spänningsvariationer förekommer, t.ex. när stora induktiva- eller kapacitiva laster slås av. Dessa problem analyseras och åtgärdsförslag tas fram i denna rapport. De befintliga likriktarna och batterierna samt förslag till ersättningsprodukter som behövs för detta säkerhetssystem har sammanställts i denna rapport. För att skapa en hållbar, robust och miljövänlig strömförsörjning till Roslagsbanans signalanläggningar undersöktes i detta arbete strömspikar, avbrottsfri kraftförsörjning samt dessutom möjligheten att ansluta solceller som kompletterande åtgärd. I signalutrustningen vid Roslags Näsby stationsområde detekterades och undersöktes förekomsten av strömspikar. Två åtgärdsförslag för att komma till rätta med dessa strömspikar togs fram. Förslagen var ett lågpassfilter och en metalloxidvaristor som båda var för sig reducerar strömspikarna. Lågpassfiltret dämpar insignalernas spänning och strömförsörjning vid kraftiga förändringar i frekvensen och metalloxidvaristorn reducerar strömflödet vid överspänningar. Ytterligare undersökningar av transienterna i Roslags Näsbys och de övriga signalanläggningarna på Roslagsbanan bör utföras. Resultaten av de genomförda undersökningarna om avbrottsfri kraftförsörjning och solceller visade däremot att utrustningarna inte bör installeras i de nuvarande signalanläggningarna. Solceller var inte implementerbara eftersom effektbehovet av signalanläggningarna var större än den takyta som fanns tillgänglig för solcellerna. Arbete och investeringar för ett avbrottsfritt kraftförsörjningsunderhåll och installation av denna utrustning var mer krävande i jämförelse med dess nytta för signalanläggningarnas tillförlitlighet, dvs ingen åtgärd i nuläget. Förslag på ersättningsprodukter i form av likriktare och batterier lades fram till arbetsgivarna för att skapa en standard för Roslagbanans kraftförsörjning framåt. / Roslagsbanan's signal systems have several different solutions for its power supply in the form of several standards for batteries and rectifiers. This solution variation has made it difficult for maintenance staff to correct the errors that occurred and thus delayed traffic, i.e. traffic disturbances. Roslagsbanan is partly supplied by local power grids where interruptions occur occasionally. These interruptions often occur when the network service providers maintain their home network, which may also occur during rush hour traffic. The interruptions can also be caused by the signal systems them self when large voltage variations occur, e.g. when large inductive or capacitive loads are switched off. These problems are analysed, and action proposals are presented in this report. The existing rectifiers and batteries as well as proposals for replacement products that are needed for this safety system have been compiled in this report. To create a sustainable, robust and environmentally friendly power supply to Roslagsbanan’s signal systems, this work investigated transients, uninterruptible power supply, as well as the possibility of connecting solar cells as a complementary arrangement. An investigation of the signal equipment at Roslags Näsby station area showed presence of transients. Two proposals to reduce these transients were presented. The proposals were a low pass filter and a metal oxide varistor, both individually reduces transients. The low pass filter attenuates the voltage and current of the signal when the strong frequency changes occurs and the metal oxide varistor reduces the current flow at overvoltages. Further investigations of the transients in Roslags Näsbys and the other signal facilities on the Roslagsbanan should be performed. On the other hand, the results of the investigations on uninterruptible power and solar cells showed that the equipment should not be installed in the current signal systems. Solar cells were not implementable because the power requirement of the signal systems was greater than the current ceiling area for the solar cells. The work and investment for uninterruptible power supply maintenance and installation were more demanding in comparison to its usefulness for the reliability of the signal systems. Proposals for replacement products were submitted to employers to create a standard for Roslagbanan's power supply onwards. / Сигнални систем на железници која се зове Рослагсбана садржи више различитих решења за своје напајање у облику неколико стандарда за батерије и исправљаче. Варијација различитих решења проузроковала je потешкоће у отклањању новонасталих грешака служби које се баве одржавањем и изазвала је застој у железничком саобраћају. Рослагсбана се напаја електричном енергијом из локалних мрежа на којима може доћи до прекида. Прекид напајања електричном енергијом може бити изазван наглим променама напона у сигналним системима и уколико локални дистрибутер изводи радове на одржавању електричне мреже. Проблеми који могу настати променама напона се анализирају и испитују у овом извештају. Попис исправљача и батерија као и њихова стандардна решења су обрађени и представљени у циљу стварања одрживог и дугорочног решења за системску сигнализацију. Анализирани су високонапонски шпицеви, системи за непрекидно напајање електричном енергијом (УПС) и могућност прикључивања соларних панела. У сигналном систему на станици Рослас Насби измерени су високонапонски шпицеви. Како би се дошло до најбољег и најповољнијег решења анализирана су два предлога за њихово уклањање. Један предлог за уклањање био је ниско пропусни филтер док је за редукцију предложен метал- оксидни одводник пре напона (МОВ). Ниско пропусни филтер смањује јачину струје и напона уколико фреквенција пређе одређену претходно утврђену границу, док МОВ редукује ток струје уколико дође до скока напона. Пре имплементације било ког од наведених решења треба извршити накнадна испитивања у вези са напонским шпицевима. Резултати указују да имплементација УПС-а и соларних панела није могућа. Могућност соларних панела да произведу довољну количину енергије која је потребна за одређени систем није сразмерна површини система која би могла да се прекрије соларним панелима. Трошкови одржавања и прикључивања УПС система су већи у поређењу са значајем које би систем имао од самог УПС система. Предлог стандардних батерија и исправљача који је представљен послодавцу коригован је како би се дошло до стандардног решења за све предстојеће пројекте.

This thesis primarily deals with the concept of designing an antenna based device to harvest energy from Radio Frequency (RF) and using the harvested energy to sense the available Long Term Evolution (LTE) network in order for the Internet of Things (IoT) devices to connect to the network for the purpose of transmitting and receiving data. Secondarily the importance of this project is targeting how to conserve battery power in an IoT device and extend it’s lifetime. Research in the field of energy harvesting has been going on for a long time. Most of the researches concentrate on harvesting significant amount of energy to power up an entire device and so no one has ever thought of using the harvested RF energy to sense the availability of LTE network. This method of using antenna to sense network requires only a small amount of harvested energy. Due to this reason the proposed design works for a very low input received signal strength indicator (RSSI) as well, unlike higer RSSI required for other applications. The proposed design has three major sub-parts such as the (i) Antenna for the purpose of receiving the available ambient radio frequency. (ii) Matching circuit for the purpose of maximum power transfer between the antenna and the rectifier circuit. Finally (iii) rectifier which is used to convert the AC voltage into DC voltage. The device then measures the obtained voltage through the Analog to Digital Converter (ADC) pin in the Micro-Controlling Unit (MCU) available with the attached IoT device. The MCU then maps the harvested voltage into the corresponding analog voltage.Depending on the set threshold voltage the MCU can then advice whether or not to connect to the LTE network. The design implements matching circuit for the two LTE bands that are primarily in use in the European region i.e., band 3, 8 that work in 915, 1800 MHz frequency region respectively. In this way we can identify in which band the device is harvesting energy. The matching circuit also acts as a bandpass filter. For the design and production of the entire harvester device one needs adequate knowledge in the field of RF and Antennas and a high level knowledge in the field of electronics in order to run Simulations and to design Printed Circuit Boards (PCBs). Advanced Design Software (ADS) has been used to run all the simulations and Altium software for the design of PCBs. The final prototype is presented along with the casing and tested on the field in practical scenario. Antenna test chambers were used to test the performance of the antennas being used for the design. The prototype harvests RF energy and indicates whether or not to connect to the LTE network with the help of light emitting diode (LED). The uniqueness of the device is that it can detect signals as low as -110 dBm, this has been set as the threshold for the purpose of sensing LTE networks. / Denna avhandling behandlar primärt konceptet att använda antenner för att hämta energi från RF och att använda den insamlade energin för att känna av det tillgängliga LTE-nätverket för att IoT-enheterna ska kunna ansluta till nätverket för syftet med att överföra och ta emot data. Sekundärt Målet med av detta projekt är att spara batteri i en IoT-enhet och förlänga dess livslängd. Forskning inom området energiskörd har pågått under lång tid nu. De flesta av undersökningarna koncentrerar sig på att skörda betydande mängder energi för att driva en hel enhet och så ingen har någonsin tänkt på att använda den avkända RF-energin för att känna av tillgängligheten för LTE-nätverket. Denna metod för att använda antenn för att känna av nätverk kräver endast en liten mängd skördad energi. På grund av denna anledning fungerar den föreslagna designen även för en mycket låg ingång RSSI, till skillnad från högre RSSI som krävs för andra applikationer. Den föreslagna designen har tre huvuddelar, såsom (i) antennen för att ta emot den tillgängliga omgivande radiofrekvensen. (ii) Matchningskrets för maximal effektöverföring mellan antennen och likriktarkretsen. Slutligen (iii) likriktaren som används för att omvandla AC-spänningen till DC-spänning. Enheten mäter sedan den erhållna spänningen genom ADC-stiftet i MCU som finns tillgänglig med den anslutna IoT-enheten. MCU mappar sedan den genererade spänningen till motsvarande analoga spänning. Beroende på den inställda tröskelspänningen kan MCU sedan ge råd om att ansluta till LTE-nätverket eller inte. Konstruktionen implementerar matchningskrets för de två LTE-banden som primärt används i den europeiska regionen vilka är band 3, 7 som arbetar i 915 respektive 1800 MHz frekvensområdet. På så sätt kan vi identifiera i vilket band enheten hämtar energi i. Matchningskretsen fungerar också som ett bandpassfilter. För design och produktion av hela insamlingsenheten behöver man adekvat kunskap inom området RF och antenner och en hög nivå kunskap inom elektronikområdet för att kunna köra simuleringar och designa PCBs.ADS har använts för att köra alla simuleringar och Altium-mjukvara för design av PCBs. Den slutliga prototypen presenteras tillsammans med höljet och testas på fältet i praktiskt scenario. Antenntestkammare användes för att testa prestandan hos antennerna som användes för konstruktionen. Prototypen skördar RF-energi och indikerar om man ska ansluta till LTE-nätverket eller inte med hjälp av blinkande LED.Det unika med enheten är att den kan upptäcka signaler så låga som - 110 dBm, detta har satts som tröskel för avkänning LTE nätverk.