Dimensioning DC-voltage capacitor for a DC-distribution system and dynamic analysis

Technical analysis of Low Voltage Direct Current (LVDC) distribution systems shows that in LVDC transmission the customer voltage quality is higher. One of the problems in LVDC distribution networks that converters both ends of the DC line are required. Because of the converters produce not pure DC voltage, but some fluctuations as well, the huge electrolytic capacitors are required to reduce voltage distortions in the DC-side. This thesis master’s thesis is focused on calculating required DC-link capacitance for LVDC transmission and estimation of the influence of different parameters on the voltage quality. The goal is to investigate the methods of the DC-link capacitance estimation and location in the transmission line.

Analysis of the voltage source inverter with small DC-link capacitor

IIn electric drives, frequency converters are used to generatefor the electric motor the AC voltage with variable frequency and amplitude. When considering the annual sale of drives in values of money and units sold, the use of low-performance drives appears to be in predominant. These drives have tobe very cost effective to manufacture and use, while they are also expected to fulfill the harmonic distortion standards. One of the objectives has also been to extend the lifetime of the frequency converter. In a traditional frequency converter, a relatively large electrolytic DC-link capacitor is used. Electrolytic capacitors are large, heavy and rather expensive components. In many cases, the lifetime of the electrolytic capacitor is the main factor limiting the lifetime of the frequency converter. To overcome the problem, the electrolytic capacitor is replaced with a metallized polypropylene film capacitor (MPPF). The MPPF has improved properties when compared to the electrolytic capacitor. By replacing the electrolytic capacitor with a film capacitor the energy storage of the DC-linkwill be decreased. Thus, the instantaneous power supplied to the motor correlates with the instantaneous power taken from the network. This yields a continuousDC-link current fed by the diode rectifier bridge. As a consequence, the line current harmonics clearly decrease. Because of the decreased energy storage, the DC-link voltage fluctuates. This sets additional conditions to the controllers of the frequency converter to compensate the fluctuation from the supplied motor phase voltages. In this work three-phase and single-phase frequency converters with small DC-link capacitor are analyzed. The evaluation is obtained with simulations and laboratory measurements.

Applying Active Front End To Multilevel Inverter

The aim of this work was to make an active front end from IGBTs for a multilevel inverter. The work was done for Mosart II, a long term still ongoing Vacon Oyj project. The purpose of the AFE is to balance the DC-voltage and to put the returning power back to the grid instead of the breaking chopper and the capacitor. With a diode rectifier the bridge only allows power to pass in one direction and the switching times are not controllable. That means the rectifier always takes the highest phase and the phases are always conducting the same 120◦. With an AFE it is possible to actively change the rectifiers switching pattern. A diode bridge also generates much greater losses than an IGBT bridge. With these arguments it is rational to start researching the possibility of an AFE in a multilevel inverter.

Moniensiöinen muuntaja taajuudenmuuttajakäytössä

Suuritehoisissa pumppu- ja puhallinkäytöissä käytetään usein suurnopeusmoottoria,jota syötetään välijännitteellä. Suurjännitetaajuudenmuuttajat ovat kalliita, eikä niitä ole aina edes mahdollista valmistaa. Tutkimuksen kohteena on rinnakkaisilla pienjännitetaajuudenmuuttajilla toteutettu sähkökäyttö, jossa pienjännite nostetaan moniensiöisellä muuntajalla suurjännitteeksi (6,6 kV) ja syötetään edelleen kuormana olevalle suurnopeusmoottorille. Opinnäytetyössä tutkitaan moniensiöisen muuntajan syöttöä rinnakkaisilla taajuudenmuuttajilla sekä niiden aiheuttamia häiriöitä toisilleen. Työssä tutkitaan myös harmonisten yliaaltojen vaikutuksia muuntajan häviöihin ja magnetointiominaisuuksiin. Taajuudenmuuttajan lähtöjännite ja -virta suodatetaan sinisuotimella, jonka parametreja simuloidaan Simulink- ohjelmistolla. Tavoite on löytää optimaaliset parametrit taajuudenmuuttajanlähtösuotimelle käyrämuotojen ja suotimeen jäävän tehon suhteen. Työssä tarkasteltiin sinisuodinta, johon jää 3 prosenttia syöttöjännitteestä. LC-suodin kompensoi sähkökäytön loistehon lähes kokonaan, joten taajuudenmuuttajien antotehon kannalta suotimet ovat perusteltuja. Taajuudenmuuttajan näennäisteho putoaa 22 prosenttia, joten taajuudenmuuttajat voidaan vastaavasti mitoittaa pienemmiksi.

Permanent magnet synchronous motor for industrial inverter applications - analysis and design

During the latest few years the need for new motor types has grown, since both high efficiency and an accurate dynamic performance are demanded in industrial applications. For this reason, new effective control systems such as direct torque control (DTC) have been developed. Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are well suitable for new adjustable speed AC inverter drives, because their efficiency and power factor are not depending on the pole pair number and speed to the same extent as it is the case in induction motors. Therefore, an induction motor (IM) with a mechanical gearbox can often be replaced with a direct PM motor drive. Space as well as costs will be saved, because the efficiency increases and the cost of maintenance decreases as well. This thesis deals with design criterion, analytical calculation and analysis of the permanent magnet synchronous motor for both sinusoidal air-gap flux density and rectangular air-gapflux density. It is examined how the air-gap flux, flux densities, inductances and torque can be estimated analytically for salient pole and non-salient pole motors. It has been sought by means of analytical calculations for the ultimate construction for machines rotating at relative low 300 rpm to 600 rpm speeds, which are suitable speeds e.g. in Pulp&Paper industry. The calculations are verified by using Finite Element calculations and by measuring of prototype motor. The prototype motor is a 45 kW, 600 rpm PMSM with buried V-magnets, which is a very appropriate construction for high torque motors with a high performance. With the purposebuilt prototype machine it is possible not only to verify the analytical calculations but also to show whether the 600 rpm PMSM can replace the 1500 rpm IM with a gear. It can also be tested if the outer dimensions of the PMSM may be the same as for the IM and if the PMSM in this case can produce a 2.5 fold torque, in consequence of which it may be possible to achieve the same power. The thesis also considers the question how to design a permanent magnet synchronous motor for relatively low speed applications that require a high motor torqueand efficiency as well as bearable costs of permanent magnet materials. It is shown how a selection of different parameters affects the motor properties. Key words: Permanent magnet synchronous motor, PMSM, surface magnets, buried magnets

Thermal modelling of semiconductor switches in three-level Neutral Point Clamped Medium Voltage DTC-inverter

The aim of this thesis is to investigate the thermal loading of medium voltage three-level NPC inverter’s semiconductor IGCT switches in different operation points. The objective is to reach both a fairly accurate off-line simulation program and also so simple a simulation model that its implementation into an embedded system could be reasonable in practice and a real time use should become feasible. Active loading limitation of the inverter can be realized with a thermal model which is practical in a real time use. Determining of the component heating has been divided into two parts; defining of component losses and establishing the structure of a thermal network. Basics of both parts are clarified. The simulation environment is Matlab-Simulink. Two different models are constructed – a more accurate one and a simplified one. Potential simplifications are clarified with the help of the first one. Simplifications are included in the latter model and the functionalities of both models are compared. When increasing the calculation time step a decreased number of considered components and time constants of the thermal network can be used in the simplified model. Heating of a switching component is dependent on its topological position and inverter’s operation point. The output frequency of the converter defines mainly which one of the switching components is – because of its losses and heating – the performance limiting component of the converter. Comparison of results given by different thermal models demonstrates that with larger time steps, describing of fast occurring switching losses becomes difficult. Generally articles and papers dealing with this subject are written for two-level inverters. Also inverters which apply direct torque control (DTC) are investigated rarely from the heating point of view. Hence, this thesis completes the former material.

Active inverter output filtering methods

Frequency converters are widely used in the industry to enable better controllability and efficiency of variable speed AC motor drives. Despite these advantages, certain challenges concerning the inverter and motor interfacing have been present for decades. As insulated gate bipolar transistors entered the market, the inverter output voltage transition rate significantly increased compared with their predecessors. Inverters operate based on pulse width modulation of the output voltage, and the steep voltage edge fed by the inverter produces a motor terminal overvoltage. The overvoltage causes extra stress to the motor insulation, which may lead to a prematuremotor failure. The overvoltage is not generated by the inverter alone, but also by the sum effect of the motor cable length and the impedance mismatch between the cable and the motor. Many solutions have been shown to limit the overvoltage, and the mainstream products focus on passive filters. This doctoral thesis studies an alternative methodology for motor overvoltage reduction. The focus is on minimization of the passive filter dimensions, physical and electrical, or better yet, on operation without any filter. This is achieved by additional inverter control and modulation. The studied methods are implemented on different inverter topologies, varying in nominal voltage and current.For two-level inverters, the studied method is termed active du/dt. It consists of a small output LC filter, which is controlled by an independent modulator. The overvoltage is limited by a reduced voltage transition rate. For multilevel inverters, an overvoltage mitigation method operating without a passive filter, called edge modulation, is implemented. The method uses the capability of the inverter to produce two switching operations in the same direction to cancel the oscillating voltages of opposite phases. For parallel inverters, two methods are studied. They are both intended for two-level inverters, but the first uses individual motor cables from each inverter while the other topology applies output inductors. The overvoltage is reduced by interleaving the switching operations to produce a similar oscillation accumulation as with the edge modulation. The implementation of these methods is discussed in detail, and the necessary modifications to the control system of the inverter are presented. Each method is experimentally verified by operating industrial frequency converters with the modified control. All the methods are found feasible, and they provide sufficient overvoltage protection. The limitations and challenges brought about by the methods are discussed.

REO Flying Cloud 1928 Wolverine

kuv., 10 x 24 cm

On site measurements of DC link electrolytic capacitor bank of frequency converter using constant DC magnetization of the motor

Preventive maintenance of frequency converters has been based on pre-planned replace-ment of wearing or ageing components. Exchange intervals follow component life-time expectations which are based on empirical knowledge or schedules defined by manufac-turer. However, the lifetime of a component can vary significantly, because drives are used in very different operating environments and applications. The main objective of the research was to provide information on methods, i.e. how in-verter's operating condition can be measured reliably under field conditions. At first, the research focused on critical components such as current transducers, IGBTs and DC link capacitor bank, because these aging have already been identified. Of these, the DC link capacitor measurement method was selected for closer examination. With this method, the total capacitance and its total series resistance can be measured. The suitability of the measuring procedure was estimated on the basis of practical measurements. The research was made by using so called triangulation method, including a literature review, simulations and practical measurements. Based on the results, the new measu-rement method seems suitable with some reservations to practical measurements. How-ever, the measuring method should be further developed in order to improve its reliability.

Laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen ruoripotkurikäytön vuorovaikutusten mallintaminen

Diplomityössä on tutkittu sähköisellä potkurijärjestelmällä varustetun laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen propulsiokäytön vuorovaikutusta laivan hätäpysäytyksen aikana. Työssä on kehitetty simulointimalleja jännitevälipiirillisten sähkökäyttöjen simuloimiseksi Saber -simulontiohjelmistolla.Työn alkuosassa esitetään lyhyt yhteenveto laivan sähköisestä potkurijärjestelmästä komponentteineen, käsitellään laivan hätäpysäytyksen teoriaa sekä simuloinneissa huomioonotettavia laivan ja potkurin hydrodynaamisia ominaisuuksia. Työssä käytettävän simulointiohjelmiston toimintaa selvitetään lyhyesti. Jännitevälipiirillisellä propulsiokäytöllä varustetun laivan hätäpysäytyksen simulointimalli esitellään kokonaisuudessaan ja käsitellään simulointimallin sisältämien osakokonaisuuksien teoriaa ja toimintaa. Kehitetyn simulointimallin toimintaa on tarkasteltu vertaamalla tuloksia vastaavansyklokonvertterikäytöllä varustetun laivan simulointituloksiin sekä vertaamallasimulointituloksia laivan merikoeajon yhteydessä tehtyihin mittauksiin. Simulointitulokset vastasivat teoriaa sekä mittaustuloksia varsin hyvin. Voimalaitoksenosalta ei mittaustuloksia ollut käytettävissä, mutta simulointitulokset ovat teorian mukaisia.

Sähköverkkotiedonsiirtomenetelmän kehittäminen taajuusmuuttajaohjattuihin sähkökäyttöihin

Sähkömoottorin jatkuva-aikainen kunnonvalvonta vaatii tiedonsiirtoa moottorilta ylemmälle tietojärjestelmätasolle, kuten taajuusmuuttajalle. Uusien kaapeleiden asennus on työlästä ja kallista. Moottorin ja taajuusmuuttajan välillä on kuitenkin aina kaapeli, jota käytetään moottorin tehonsyöttöön. Tätä kaapelia on mahdollista käyttää myös tiedonsiirtokanavana. Tässä diplomityössä käsitellään ja tutkitaan sähköverkkotiedonsiirtomenetelmää, jonka avulla voidaan muodostaa Ethernet-yhteys moottorilta taajuusmuuttajalle tai toisinpäin. Työssä kehitetään simulointimalli tiedonsiirtokanavan taajuusriippuvan vaimennuksen simuloimiseen. Lisäksi kehitetään kytkentärajapinta, joka mahdollistaa tiedonsiirron kolmivaiheisessa taajuusmuuttajan syöttämässä moottorikaapelissa. Työssä suunnitellaan ja toteutetaan tiedonsiirtoa varten pilot-laitteisto, jolla tehdään laboratoriotestit. Laboratoriotesteillä varmistetaan menetelmän soveltuvuus. Laboratoriotestien avulla etsitään myös reunaehdot tiedonsiirron toiminnalle ja tiedonsiirtonopeuteen vaikuttavia tekijöitä taajuusmuuttajakäytössä. Lisäksi tarkastellaan menetelmän aiheuttamaa viivettä, joka on tärkeäsäätösovellusten kannalta. Lopuksi arvioidaan menetelmän soveltuvuus käytännön sovelluksiin.

Induktiomoottorin hyötysuhdemittaukset verkko- ja taajuusmuuttajasyötössä

Hyötysuhde on tärkeätekijä moottorimarkkinoilla, sillä moottorin ostajan kannalta moottorin hyvä hyötysuhde merkitsee taloudellisuutta pitkällä aikavälillä. Tästä johtuen hyötysuhde on merkittävä kriteeri moottorisuunnittelussa. Moottorin hyötysuhteen määrittämisen mittausmenetelmät on määritelty IEC- ja IEEE-standardeissa. Diplomityössäkäydään läpi eri standardimenetelmillä tehtäviä mittauksia ja vertaillaan niitäkeskenään, koska hyötysuhteen määrityksen tarkkuus riippuu käytettävästä mittausmenetelmästä. Työssä keskitytään sinimuotoisella jännitteellä syötetyn induktiomoottoriin hyötysuhteen määritysmenetelmiin perehtyen erityisesti IEEE 112-standardin B-menetelmään, ja mitataan erään induktiomoottorin hyötysuhde B-menetelmällä. Työssä tehdään selkoa sinisyötölle tarkoitettujen hyötysuhdemittausmenetelmien soveltamisesta epäsinimuotoiseen taajuusmuuttajasyöttöön sekä tutkitaan taajuusmuuttajalla syötetyn moottorin sähköisten suureiden mittaamiseen liittyvää mittausepävarmuutta. Lisäksi selvitetään kokeellisesti taajuusmuuttajasyötöllä tehdyistä mittauksista saatujen tulosten riippuvuutta käytetystä virranmittaustavasta.

Sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan ohjauksen toteutus FPGA-piireillä

Tässä diplomityössä tutustutaan sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan rakenteeseen ja ohjaukseen. Työssä tarkastellaan myös hajautetun järjestelmän testaamista ja ohjelmointia. Työssä toteutettiin sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan modulaattori hajautetusti FPGA-piireille. Lisäksi diplomityössä kehitettiin ja toteutettiin optinen JTAG-rajapinta hajautetun järjestelmän testaukseen ja ohjelmointiin. Laboratoriokoelaitteisto koostui yhdeksästä taajuusmuuttajan ohjauskortista, LUT Master -ohjausyksiköstä ja dSPACE-ohjausjärjestelmästä. Laboratoriomittaukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Säätötekniikan laboratoriossa.

Verkkovaihtosuuntaajan vektorisäädön toteutus FPGA-piirillä

Verkkovaihtosuuntaajalla pystytään muuntamaan tasajännite vaihtojännitteeksi ja päinvastoin. Verkkovaihtosuuntaajan toiminta perustuu tehokytkinten ohjaukseen ja sopivan modulointimenetelmän käyttöön. Vektorisäädössä vaihtosuuntaajanvirrat ja jännitteet esitetään kompleksitasossa, jolloin virta- ja jännitekomponentit voidaan esittää vektoreina. Vektorisäädössä verkkovaihtosuuntaajan ohjaustoteutetaan laskemalla kompleksitasossa vektoreille arvot, jotka tuottavat vaihtosuuntaajan lähtöön halutun vektorin. Koska FPGA-piirit mahdollistavat nopean rinnakkaisen laskennan, soveltuvat ne hyvin vektorisäädön toteuttamiseen. FPGA-piirien rakenteesta johtuen on säätöjärjestelmän suunnittelussa huomioitava kiinteän pilkun lukujen riittävä bittileveys ja järjestelmän diskretointiaika. Työssä suunnitellaan verkkovaihtosuuntaajan vektorisäätö ja tutkitaan bittileveyden vaikutusta säädön toteuttamiseen FPGA-piirillä. Bittileveyden tarkasteluun esitetään käytettäväksi tilastollisia menetelmiä. Työssä tarkastellaan kiinteän pilkun järjestelmän ja liukulukujärjestelmän erosuureen tilastollisia tunnusmerkkejä sekä histogrammia. Tarkasteluissa huomattiin, että maksimivirhe itsessään ei tarjoa riittävästi tietoa erosuureen jakautumisesta. Näin ollen maksimivirhe ei ole kaikissa tilanteissa sovelias menetelmä riittävän bittitarkkuuden määrittämiseen. Työssä esitetään riittävän bittitarkkuuden määrittelemiseen käytettäväksi otossuureista otosvarianssia, keskipoikkeamaa ja vaihteluväliä.

Microgrids and their operations

Interconnection of loads and small size generation forms a new type of distribution systems, the Microgrid. The microgrids can be operated together with the utility grid or be operated autonomously in an island. Thesesmall grids present a new paradigm of the construction of the low voltage distribution systems. The microgrids in the distribution systems can become small, controllable units, which immediately react to the system's changes. Along with that the microgrids can realize the special properties, such as increasing the reliability, reducing losses, voltage sag correction, uninterruptible supplying. The goals of the thesis are to explain the principles of the microgrid's functioning, to clarify the main ideas and positive features of the microgrids, to find out and prove their advantages and explain why they are so popular nowadays all over the world. The practical aims of the thesis are to construct and build a test setup of a microgrid based on two inverters from SMA Technologie AG in the laboratory and to test all the main modes and parameters of the microgrid's operating. Also the purpose of the thesis is to test the main component of the microgrid - the battery inverter which controls allthe processes and energy flows inside a microgrid and communicates with the main grid. Based on received data the main contribution of the thesis consists of the estimation of the established microgrid from the reliability, economy and simplicity of operating points of view and evaluation ofthe advisability of its use in different conditions. Moreover, the thesis assumes to give the recommendations and advice for the future investigations of the built system.