Converter-flux-based current control of voltage source PWM rectifiers - analysis and implementation

Pulsewidth-modulated (PWM) rectifier technology is increasingly used in industrial applications like variable-speed motor drives, since it offers several desired features such as sinusoidal input currents, controllable power factor, bidirectional power flow and high quality DC output voltage. To achieve these features,however, an effective control system with fast and accurate current and DC voltage responses is required. From various control strategies proposed to meet these control objectives, in most cases the commonly known principle of the synchronous-frame current vector control along with some space-vector PWM scheme have been applied. Recently, however, new control approaches analogous to the well-established direct torque control (DTC) method for electrical machines have also emerged to implement a high-performance PWM rectifier. In this thesis the concepts of classical synchronous-frame current control and DTC-based PWM rectifier control are combined and a new converter-flux-based current control (CFCC) scheme is introduced. To achieve sufficient dynamic performance and to ensure a stable operation, the proposed control system is thoroughly analysed and simple rules for the controller design are suggested. Special attention is paid to the estimationof the converter flux, which is the key element of converter-flux-based control. Discrete-time implementation is also discussed. Line-voltage-sensorless reactive reactive power control methods for the L- and LCL-type line filters are presented. For the L-filter an open-loop control law for the d-axis current referenceis proposed. In the case of the LCL-filter the combined open-loop control and feedback control is proposed. The influence of the erroneous filter parameter estimates on the accuracy of the developed control schemes is also discussed. A newzero vector selection rule for suppressing the zero-sequence current in parallel-connected PWM rectifiers is proposed. With this method a truly standalone and independent control of the converter units is allowed and traditional transformer isolation and synchronised-control-based solutions are avoided. The implementation requires only one additional current sensor. The proposed schemes are evaluated by the simulations and laboratory experiments. A satisfactory performance and good agreement between the theory and practice are demonstrated.

Power quality improving with virtual flux-based voltage source line converter

Line converters have become an attractive AC/DC power conversion solution in industrial applications. Line converters are based on controllable semiconductor switches, typically insulated gate bipolar transistors. Compared to the traditional diode bridge-based power converters line converters have many advantageous characteristics, including bidirectional power flow, controllable de-link voltage and power factor and sinusoidal line current. This thesis considers the control of the lineconverter and its application to power quality improving. The line converter control system studied is based on the virtual flux linkage orientation and the direct torque control (DTC) principle. A new DTC-based current control scheme is introduced and analyzed. The overmodulation characteristics of the DTC converter are considered and an analytical equation for the maximum modulation index is derived. The integration of the active filtering features to the line converter isconsidered. Three different active filtering methods are implemented. A frequency-domain method, which is based on selective harmonic sequence elimination, anda time-domain method, which is effective in a wider frequency band, are used inharmonic current compensation. Also, a voltage feedback active filtering method, which mitigates harmonic sequences of the grid voltage, is implemented. The frequency-domain and the voltage feedback active filtering control systems are analyzed and controllers are designed. The designs are verified with practical measurements. The performance and the characteristics of the implemented active filtering methods are compared and the effect of the L- and the LCL-type line filteris discussed. The importance of the correct grid impedance estimate in the voltage feedback active filter control system is discussed and a new measurement-based method to obtain it is proposed. Also, a power conditioning system (PCS) application of the line converter is considered. A new method for correcting the voltage unbalance of the PCS-fed island network is proposed and experimentally validated.

Nosturin tehonsyöttö rinnankytketyillä verkkovaihtosuuntaajilla

Taajuusmuuttajaohjatuissa nosturikäytöissä taakkaa laskettaessa syntyvä energia on muutettava lämmöksi jarruvastuksissa tai syötettävä takaisin sähköverkkoon esimerkiksi verkkovaihtosuuntaajalla. Verkkovaihtosuuntaajaa on tyypillisesti käytetty suurissa satamanostureissa, joiden tehontarve on yli 1000 kW. Työssä tutkitaan useista yhteiseen välipiiriin rinnankytketyistä nimellisteholtaan 250 kW:n verkkovaihtosuuntaajista koostuvan verkkoonjarrutuslaitteiston soveltuvuutta nosturikäyttöön. Lisäksi johdetaan yhtälöt verkkoonjarrutuslaitteiston virran laskemiseksi, kun nosturin mekaaniset arvot tunnetaan. Viidestä erityyppisestä nosturista esitellään esimerkkitoteutus rinnankytketyillä verkkovaihtosuuntaajilla. Aiemmin vastusjarruttavina toteutettujen nostureiden kustannuksia verrataan verkkovaihtosuuntaajilla toteutettuihin ratkaisuihin. Esimerkkinostureista esitetään nosturin työsykliin perustuva arvio verkkoonjarrutuksen tuomasta energian säästöstä. Tehtyjen mittausten perusteella käytetty menetelmä verkkovaihtosuuntaajien rinnan kytkemiseksi osoittautui nosturikäytössä toimivaksi. Kustannuslaskelmien perusteella verkkovaihtosuuntaajalla toteutetusta nosturista tulee materiaalikustannuksiltaan vastusjarruttavaa kalliimpi, vaikka paljon tilaa vievät vastuskaapit voidaankin jättää pois.

Moottorimalliton skalaarisäätö

Työssä tutkitaan nopeusanturittoman vaihtovirtakäytön skalaarisia ohjaus- ja säätömenetelmiä. Työn alussa esitetään perusteoriat taajuusmuuttajista ja oikosulkumoottoreista. Tämän jälkeen esitellään yleisimmin kirjallisuudessa esiintyneet skalaariohjaukset ja –säädöt. Vektorisäätöä ja erityisesti moottoriparametrien vaikutusta säädön toimivuuteen esitellään lyhyesti. Työn tavoitteena on ACS800 taajuusmuuttajan skalaarisäädön tutkiminen. ACS800:n nykyinen skalaarisäätö on liian sidoksissa vektorisäätöön, joten simulointien ja kirjallisuustutkimuksen tarkoituksena on täysin vektorisäädöstä eriytetyn skalaarisäädön kehitysmahdollisuuksien tutkiminen. Kirjallisuudessa esiintyneiden säätöjen avulla muodostetaan diskreettiaikainen toteutus skalaarisäädölle vaihtovirtakäytössä, jossa on käytössä virran ja välipiirijännitteen takaisinkytkentä. Säädettävää moottoria mallinnetaan jatkuvaaikaisella L-sijaiskytkennällä. Välipiirin mallinnus toimii myös jatkuva-aikaisena lukuun ottamatta välipiirin tasavirtakomponenttia, joka muodostetaan virran takaisinkytkennän ja PWM-modulaattorin kytkinasentojen avulla. Simuloinnin tarkoituksena on mallintaa skalaarisäädön suurimpia ongelmia, kuten virta- ja välijännitesäätöä. Tuloksista voidaan päätellä, että perussäädöt toimivat moitteettomasti, mutta erityisesti virtasäätöä tulisi kehittää.

IGBT:n kytkentäviiveiden mittaaminen

Taajuusmuuttajassa tehokytkinten, tässä tapauksessa IGBT, kytkentäviiveet vääristävät lähtöjännitettä varsinkin pienillä lähtöjännitteen arvoilla. Kun viiveiden pituudet tunnetaan voidaan niiden vaikutus kompensoida taajuusmuuttajan ohjauksella. Perinteisissä toteutuksissa viiveiden pituudet on arvioitu ennalta määritetyn taulukon mukaisesti, jossa parametrina on ollut muun muassa moottorivirta. Viiveet kuitenkin vaihtelevat yksilökohtaisesti, eikä kaikkia viiveisiin vaikuttavia tekijöitä voida ottaa huomioon, joten taulukko antaa vain suuntaa. Ratkaisuna tähän on viiveiden mittaus. Työssä tutustutaan jännitevälipiirillisen PWM-taajuusmuuttajan toimintaan yleisellä tasolla. IGBT:n toimintaan syvennytään tarkemmin sekä teoreettisella tasolla että käytännön mittauksilla. Työssä tarkastellaan kytkimien kytkentäviiveiden syntytapaa ja niiden vaikutuksia lähtöjännitteeseen. Viiveiden aiheuttamiin lähtöjännitteen virheiden korjaukseen esitetään erilaisia menetelmiä. Työssä rakennetaan mittalaite jolla tarkkaillaan taajuusmuuttajan lähtöjännitettä ja mitataan sen avulla kytkentäviiveiden suuruutta. Kytkennässä huomioidaan erityisesti häiriöisen ympäristön EMI-vaikutusten minimointi laitteen toiminnassa. Käytännön mittauksilla ja testauksilla kytkentä todetaan toimivaksi ja soveltuvaksi kytkentäviiveiden vaihevirheettömään mittaukseen.

Moottoreiden ylijännitesuojaus taajuusmuuttajakäytössä

Tämä insinöörityö tehtiin Konecranes Heavy Lifting Oy:n sähkölaitetehtaalle. Työn tavoitteena oli löytää valmiita suodatinratkaisuja nostureissa käytettävien oikosulkumoottoreiden ylijännitesuojaukseen PWM-taajuusmuuttajakäytöissä, sekä tutkia ratkaisuja kokeellisesti mittauksilla. Työssä tutkittiin PWM-taajuusmuuttajakäytöissä ilmeneviä oikosulkumoottoreiden ylijänniteongelmia sekä olemassa olevia suodatinratkaisuja ylijänniterasituksien välttämiseksi. Ongelmaa ja suodattimia tutkittiin teoreettisesti sekä kokeellisesti nosturikäyttöjen kannalta. Kokeelliset mittaukset suoritettiin mittauslaboratoriossa kuormittamalla oikosulkumoottoria kuormapenkissä erimittaisilla moottorikaapeleilla, simuloiden nosturikäytöille ominaisia tilanteita. Työssä esitellään moottoreiden ylijänniterasituksiin johtavia ongelmatekijöitä nosturikäytöissä ja sovelletaan siirtojohtoteoriaa taajuusmuuttajakäyttöön. Työssä esitetty teoria, käytäntö sekä mittaustulokset pätevät myös muihin taajuusmuuttajakäyttöihin. Työn alussa on esitelty tyypillisen siltanosturin rakenne ja taajuusmuuttajan toimintaperiaate. Tämän jälkeen ylijännitteen muodostuminen moottorilla on selitetty siirtojohtoteorian avulla. Lopuksi on tutkittu mittausten avulla nosturin sähkökäyttöihin soveltuvia du/dt-suodattimia ja moottorinsuojaukseen suunniteltua kuristinta. Mittaustuloksia on verrattu standardien antamiin ohjearvoihin ja arvioitu tutkittujen suodattimien toimintakykyä. Työn tuloksena saatiin uutta tietoa oikosulkumoottoreiden ylijännitesuojauksesta nosturikäytöissä sekä nostureissa mahdollisesti käytettävistä suodatinratkaisuista. Tuloksena saadun tiedon pohjalta voidaan arvioida mahdollisten suodattimien käyttötarvetta nostureissa. Työstä tehtyä testausraporttia voidaan käyttää tukena tulevissa jatkotutkimuksissa ja se mahdollistaa jatkotutkimuksen keskittämisen tehokkaasti.

ELISPOT-menetelmän testaaminen primaaristen immuunivajavuustilojen diagnosointiin

Primaarisilla immuunivajavuustiloilla tarkoitetaan ryhmää sairauksia, jotka johtuvat immuunijärjestelmän solujen sisäisestä häiriöstä. Primaarisessa immuunivajavuustilassa kyseessä on synnynnäinen puutos immuunijärjestelmässä geneettisen häiriön pohjalta. ELISPOT (Enzyme linked immunospot) -menetelmässä T-lymfosyyttejä stimuloidaan spesifisillä antigeeneilla. Stimuloidut solut alkavat tuottaa sytokiinia ja yksittäisten sytokiinia tuottavien solujen määrä voidaan mitata. Tutkimukseni tarkoituksena oli primaaristen immuunivajavuustilojen diagnostiikkaan soveltuvan ELISPOT-menetelmän alustava pystyttäminen ja testaaminen. Tavoitteena oli tutkia, vaikuttaako solujen pakastaminen ELISPOTin antamiin tuloksiin ja voisiko ELISPOT-menetelmässä käyttää pakastettuja soluja alustavien viitearvojen määrittämiseen. Tutkittiin myös yhden ja kolmen vuorokauden inkubaatioajan vaikutusta solujen sytokiinintuotantoon sekä optimaalisia mitogeenikonsentraatioita. Tuoreiden ja pakastettujen näytteiden vertailu tehtiin kolmella henkilökunnan näytteellä. Henkilöistä kerättyjen ja eristettyjen tuoreiden mononukleaarisolujen antamia tuloksia verrattiin samoista henkilöistä aikaisemmin kerättyjen ja pakastettujen solujen antamiin tuloksiin. Viitearvojen alustava määrittäminen tehtiin pakastetuista potilasnäytteistä. Mitogeenikonsentraatioiden titraaminen ja inkubaatioaikojen vertailu tehtiin henkilökunnan tuoreista näytteistä. Tulokset osoittivat, että tuoreiden ja pakastettujen solujen sytokiinintuotanto eroaa toisistaan ja pakastettuja soluja ei voi käyttää viitearvojen määrittämiseen tässä menetelmässä. Inkubaatioaikavertailu osoitti, että yhden vuorokauden inkubaatioaika antoi riittävästi spotteja, mutta kolmen vuorokauden inkubaatioaika lisäsi solujen sytokiinintuotantoa niin paljon, että tuloksia oli vaikea tulkita. Mitogeenikonsentraatioita titraamalla saatiin selville Con A-mitogeenin optimaalinen ja suboptimaalinen pitoisuus ELISPOT-menetelmää varten. PWM:lla ja PHA:lla titrauksia tulee vielä jatkaa optimaalisen konsentraation selvittämiseksi. Näille mitogeeneille käytetty solumäärä 200 000 solua/kuoppa oli liian suuri ja spotteja tuli liikaa, jotta niitä olisi voitu lukea. Mitogeenien konsentraatioiden titraamista kannattaa tutkia lisää. Lisäksi tulevaisuudessa kannattaa alustavien viitearvojen määrittäminen tehdä tuoreista soluista. Solumääriä kannattaa tulevaisuudessa myös titrata, jotta ELISPOT-menetelmälle parhaiten soveltuva solumäärä löytyisi.

Overvoltage Mitigation Techniques in Wind Power Generators

Advancements in power electronic semiconductor switching devices have lead to significantly faster switching times. In motor and generator applications, the fast switching times of pulse width modulated (PWM) inverters lead to overvoltages caused by voltage reflections with shorter and shorter cables. These excessive overvoltages may lead to a failure of the electrical machine in a matter of months. In this thesis, the causes behind the overvoltage phenomenon as well as its different mitigation techniques are studied. The most suitable techniques for mitigating the overvoltage phenomenon in wind power generator applications are chosen based on both simulations and actual measurements performed on a prototype. An RC filter at the terminals of the electrical machine and an inverter output filter designed to reduce the rise and fall times of voltage pulses are presented as a solution to the overvoltage problem. The performance and losses of both filter types are analysed.

Hybrid LC Filter for Power Electronic Drives: Theory and Implementation

Power electronic converter drives use, for the sake of high efficiency, pulse-width modulation that results in sequences of high-voltage high-frequency steep-edged pulses. Such a signal contains a set of high harmonics not required for control purposes. Harmonics cause reflections in the cable between the motor and the inverter leading to faster winding insulation ageing. Bearing failures and problems with electromagnetic compatibility may also result. Electrical du/dt filters provide an effective solution to problems caused by pulse-width modulation, thereby increasing the performance and service life of the electrical machines. It is shown that RLC filters effectively decrease the reflection phenomena in the cable. Improved (simple, but effective) solutions are found for both differential- and common-mode signals; these solutions use a galvanic connection between the RLC filter star point and the converter DC link. Foil chokes and film capacitors are among the most widely used components in high-power applications. In actual applications they can be placed in different parts of the cabinet. This fact complicates the arrangement of the cabinet and decreases the reliability of the system. In addition, the inductances of connection wires may prevent filtration at high frequencies. This thesis introduces a new hybrid LC filter that uses a natural capacitance between the turns of the foil choke based on integration of an auxiliary layer into it. The main idea of the hybrid LC filter results from the fact that both the foil choke and the film capacitors have the same roll structure. Moreover, the capacitance between the turns (“intra capacitance”) of the foil inductors is the reason for the deterioration of their properties at high frequencies. It is shown that the proposed filter has a natural cancellation of the intra capacitance. A hybrid LC filter may contain two or more foil layers isolated from each other and coiled on a core. The core material can be iron or even air as in the filter considered in this work. One of the foils, called the main foil, can be placed between the inverter and the motor cable. Other ones, called auxiliary foils, may be connected in star to create differential-mode noise paths, and then coupled to the DC link midpoint to guarantee a traveling path, especially for the common-mode currents. This way, there is a remarkable capacitance between the main foil and the auxiliary foil. Investigations showed that such a system can be described by a simple equivalent LC filter in a wide range of frequencies. Because of its simple hybrid construction, the proposed LC filter can be a cost-effective and competitive solution for modern power drives. In the thesis, the application field of the proposed filter is considered and determined. The basics of hybrid LC filter design are developed further. High-frequency behaviour of the proposed filter is analysed by simulations. Finally, the thesis presents experimental data proving that the hybrid LC filter can be used for du/dt of PWM pulses and reduction of common-mode currents.

Active du/dt Filtering for Variable-Speed AC Drives

An oscillating overvoltage has become a common phenomenon at the motor terminal in inverter-fed variable-speed drives. The problem has emerged since modern insulated gate bipolar transistors have become the standard choice as the power switch component in lowvoltage frequency converter drives. Theovervoltage phenomenon is a consequence of the pulse shape of inverter output voltage and impedance mismatches between the inverter, motor cable, and motor. The overvoltages are harmful to the electric motor, and may cause, for instance, insulation failure in the motor. Several methods have been developed to mitigate the problem. However, most of them are based on filtering with lossy passive components, the drawbacks of which are typically their cost and size. In this doctoral dissertation, application of a new active du/dt filtering method based on a low-loss LC circuit and active control to eliminate the motor overvoltages is discussed. The main benefits of the method are the controllability of the output voltage du/dt within certain limits, considerably smaller inductances in the filter circuit resulting in a smaller physical component size, and excellent filtering performance when compared with typical traditional du/dt filtering solutions. Moreover, no additional components are required, since the active control of the filter circuit takes place in the process of the upper-level PWM modulation using the same power switches as the inverter output stage. Further, the active du/dt method will benefit from the development of semiconductor power switch modules, as new technologies and materials emerge, because the method requires additional switching in the output stage of the inverter and generation of narrow voltage pulses. Since additional switching is required in the output stage, additional losses are generated in the inverter as a result of the application of the method. Considerations on the application of the active du/dt filtering method in electric drives are presented together with experimental data in order to verify the potential of the method.

Impedanssisovituksen tarkkailu jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajakäytössä

Invertterikäyttöjen pitkissä kuormakaapeleissa jännitteen aaltomuodossa on havaittavissa ylijännitteitä. Ylijännitteet johtuvat invertterikäytön käyttämien kytkinten ohjaamisesta pulssinleveysmodulaatiolla, niiden nopeista kytkeytymisistä ja itse järjestelmästä. Ylijännitteet ovat haitallisia järjestelmässä, joten niitä pyritään estämään esim. suodattamalla. Yksi käytännön sovellus sähkökoneen suotimena on RC-suodin. RC-suotimen toimintakyvyn aleneminen on kuitenkin oletettavaa, joten sähkökone altistuu tällöin ylijännitteille. Mittaamalla RC-suotimen kuntoa voidaan valvoa generaattorin kokemia ylijännitteitä. Työssä tarkastellaan järjestelmän häiriöitä ja ylijännitteitä, RC-suodinta sekä suotimen vajaatoimintatiloja, ja kehitetään mittaus tarkkailemaan vajaatoimintaa.

Tasasähkönjakeluverkon asiakaspäätelaitteen galvaanisen erotuksen toteuttaminen

Tässä työssä tutkitaan LLC resonanssipiirin soveltuvuutta galvaanisen erotuksen toteuttamiseen tasasähkönjakeluverkon asiakaspäätelaitteessa. Tarkastellaan resonanssipiirin ominaisuuksia ja aikaisempia käyttökohteita. Tutkitaan piirin soveltuvuutta vaihtosähkö sovellukseen ja esitellään piirin toimintaa, häviöitä ja ohjausta. Esitellään pulssin leveys moduloitu (PWM) ja pulssin tiheys moduloitu (PDM) invertteri sovellukset ja näiden toimintaa. Esitetään vielä parannusehdotuksia ja kytkentäkuvio kytkennän ominaisuuksien ja hyö-tysuhteen parantamiseksi. Tutkimuksessa selvisi, että suora PDM topologia ei sovellu tähän käyttötarkoitukseen suuren suodin induktanssin vuoksi. PWM invertteri topologia jännitteen tasasuuntauksella taas sopii sovellukseen ja tällä rakenteella on mahdollista tehdä galvaaninen erotus hyvinkin hyvällä hyötysuhteella. Pehmeän kytkennän aiheuttamien häviöiden tarkka määrittely simulointimallista on parhaimmillaankin vain suuntaa-antava, mutta tulokset olivat mielestäni oikein positiivisia. LLC resonanssipiirin toimintaa tutkittiin vain resonanssitaajuudella kytkettäessä, jolloin sen jännitevahvistusominaisuuksien hyödyntäminen jää tarkastelun ulko-puolelle.

Aktiivisen verkkosillan tuottaman yhteismuotoisen jännitteen vaimentaminen kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä, taajuusmuuttajatopologiassa

Pulssinleveysmoduloidun vaihtosuuntaajan hyötysuhteen parantaminen ja kytkentätaajuuden suurentaminen ovat johtaneet lähtöjännitteen suuritaajuiseen taajuussisältöön kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajatopologiassa. Kasvava tarve siirtää tehoa myös verkkoon päin on lisännyt aktiivisen verkkosillan käyttöä. Kaksitasoisen aktiivisen verkkosillan vaikutuksesta DC-välipiirin keskipisteen ja kolmivaiheisen kuorman tähtipisteen välinen jännite on nollasta poikkeava aiheuttaen suurentuneen yhteismuotoisen jännitteen taajuusmuuttajan lähtöön ja verkon puolelle. Lisäksi yhteismuotoisten jännitteiden aiheuttamat kytkentätaajuiset häiriövirrat voivat aiheuttaa vikavirtasuojien tahatonta laukeamista, vaikeuttaa EMC-standardien vaatimusten täyttämistä, lisätä moottorin käämieristyksien rasitusta ja mahdollisuutta moottorin laakerivaurioille. Diplomityössä tutkitaan aktiivisen ja passiivisen verkkosillan tuottamaa yhteismuotoista jännitettä simuloinneilla. Esitellään aikaisempaa tutkimustietoa yhteismuotoisen jännitteen ja virran vaimennusratkaisuista aktiivista verkkosiltaa käytettäessä. Tutkimustiedon pohjalta suunnitellaan koelaitteistolle soveltuva suodin. Suotimen toiminta testataan simuloinnein sekä kokeellisin mittauksin. Tehdyt mittaukset osoittavat, että suunniteltu suodin vaimentaa yhteismuotoista jännitettä noin 20 dB verkkosillan kytkentätaajuudella ja tämän jälkeen yli 20 dB/dekadi taajuuteen 100 kHz asti. Lisäksi yhteismuotoisen virran suuruus syöttökaapelin kautta pieneni ehdotetun suotimen vaikutuksesta.