Multilevel converter modulation: implementation and analysis

Multilevel converters provide an attractive solution to bring the benefits of speed-controlled rotational movement to high-power applications. Therefore, multilevel inverters have attracted wide interest in both the academic community and in the industry for the past two decades. In this doctoral thesis, modulation methods suitable especially for series connected H-bridge multilevel inverters are discussed. A concept of duty cycle modulation is presented and its modification is proposed. These methods are compared with other well-known modulation schemes, such as space-vector pulse width modulation and carrier-based modulation schemes. The advantage of the modified duty-cycle modulation is its algorithmic simplicity. A similar mathematical formulation for the original duty cycle modulation is proposed. The modified duty cycle modulation is shown to produce well-formed phase-to-neutral voltages that have lower total harmonic distortion than the space-vector pulse width modulation and the duty cycle modulation. The space-vector-based solution and the duty cycle modulation, on the other hand, result in a better-quality line-to-line voltage and current waveform. The voltage of the DC links in the modules of the series-connected H-bridge inverter are shown to fluctuate while they are under load. The fluctuation causes inaccuracies in the voltage production, which may result in a failure of the flux estimator in the controller. An extension for upper-level modulation schemes, which changes the switching instants of the inverter so that the output voltage meets the reference voltage accurately regardless of the DC link voltages, is proposed. The method is shown to reduce the error to a very low level when a sufficient switching frequency is used. An appropriate way to organize the switching instants of the multilevel inverter is to make only one-level steps at a time. This causes restrictions on the dynamical features of the modulation schemes. The produced voltage vector cannot be rotated several tens of degrees in a single switching period without violating the above-mentioned one-level-step rule. The dynamical capabilities of multilevel inverters are analyzed in this doctoral thesis, and it is shown that the multilevel inverters are capable of operating even in dynamically demanding metal industry applications. In addition to the discussion on modulation schemes, an overvoltage in multilevel converter drives caused by cable reflection is addressed. The voltage reflection phenomenon in drives with long feeder cables causes premature insulation deterioration and also affects the commonmode voltage, which is one of the main reasons for bearing currents. Bearing currents, on the other hand, cause fluting in the bearings, which results in premature bearing failure. The reflection phenomenon is traditionally prevented by filtering, but in this thesis, a modulationbased filterless method to mitigate the overvoltage in multilevel drives is proposed. Moreover, the mitigation method can be implemented as an extension for upper-level modulation schemes. The method exploits the oscillations caused by two consecutive voltage edges so that the sum of the oscillations results in a mitigated peak of the overvoltage. The applicability of the method is verified by simulations together with experiments with a full-scale prototype.

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.

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.

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.

Hybrid du/dt-filter in frequency converter applications

The aim of the thesis is to investigate the hybrid LC filter behavior in modern power drives; to analyze the influence of such a du/dt filter on the control system stability. With the implementation of the inverter output RLC filter the motor control becomes more complicated. And during the design process the influence of the filter on the motor should be considered and the filter RLC parameters should be constrained.

D-luokan audiovahvistimen modulointimenetelmien vertailu ja valinta

Tässä työssä esitellään kaksi D-luokan audiovahvistimissa käytettyä modulointimenetelmää ja vertaillaan niiden välisiä ominaisuuksia. Esitellyt menetelmät ovat pulssinleveysmodulaatio sekä sigma-deltamodulaatio. Lisäksi työssä esitellään signaalin käsittelyssä muodostuvan kohinan ja särön syntyä ja menetelmiä niiden välttämiseksi. Menetelmien ominaisuuksien vertailuun muodostetaan simulointimallit Simulink-ohjelmalla. Simulointitulosten perusteella valitaan käytettävä modulointimenetelmä audiovahvistinsovellukseen huomioon ottaen asetetut vaatimukset ja tavoitteet. Lopuksi valitun modulointimenetelmän suunnittelun pääkohtiin kiinnitetään huomiota.

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.

Sähköavusteisen polkupyörän vääntömomenttisäädön toteuttaminen amplitudimodulaatiolla

Sähköavusteinen polkupyörä on hieman tavallista polkupyörää vahvarakenteisempi ja painavampi. Lisäpainoa tuovat muun muassa akut ja sähkömoottori, joka avustaa polke-mista. Moottori asennetaan yleensä eturenkaan keskiöön. Suurimmassa osassa, jollei kaikissa, kaupallisista sähköavusteisissa polkupyörissä moottori on hiiliharjaton tasavirta-moottori. Hiiliharjattoman tasavirtamoottorin pyörimisnopeutta ja vääntömomenttia voidaan säätää usealla eri tavalla. Markkinoilla olevat säätimet perustuvat poikkeuksetta pulssinleveys-modulaatioon. Tämän työn tarkoituksena on tutkia, onko säätöjärjestelmä mahdollista to-teuttaa muulla tavalla kuin pulssinleveysmodulaattorilla. Tutkimuksessa päädytään käyt-tämään amplitudimodulointia, jolloin taajuus voidaan pitää vakiona. Tämän tutkimuksen rinnalla samaan polkupyörään rakennetaan polkemisenergian avulla akkuja lataava la-tausjärjestelmä. Tämän kandityön puitteissa tutkimus jää kesken, mutta toiminta osoitetaan teoreettisesti ja simuloimalla. Suurin syy kokeellisen testauksen epäonnistumiseen on käytettyjen kom-ponenttien sopimattomuus sovellukseen.

Prediction in transformed images

The study is related to lossless compression of greyscale images. The goal of the study was to combine two techniques of lossless image compression, i.e. Integer Wavelet Transform and Differential Pulse Code Modulation to attain better compression ratio. This is an experimental study, where we implemented Integer Wavelet Transform, Differential Pulse Code Modulation and an optimized predictor model using Genetic Algorithm. This study gives encouraging results for greyscale images. We achieved a better compression ration in term of entropy for experiments involving quadrant of transformed image and using optimized predictor coefficients from Genetic Algorithm. In an other set of experiments involving whole image, results are encouraging and opens up many areas for further research work like implementing Integer Wavelet Transform on multiple levels and finding optimized predictor at local levels.

Effects of modern variable frequency drive on the reliability of an old crane induction motor

The work aims to analyze the possibilities of utilizing old crane driving AC induction motors in modern pulse-width-modulated variable frequency drives. Bearing currents and voltage stresses are the two main problems associated with modern IGBT inverters, and they may cause premature failure of an old induction motor. The origins of these two problems are studied. An analysis of the mechanism of bearing failure is proposed. Certain types of bearing currents are considered in detail. The most effective and economical means are chosen for bearing currents mitigation. Transient phenomena of cables and mechanism of over voltages occurring at motor terminals are studied in the work. The weakest places of the stator winding insulation system are shown and recommendations are given considering the mitigation of voltage stresses. Only the most appropriate and cost effective preventative methods are chosen for old motor drives. Rewinding of old motors is also considered.

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.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaaja galvaanisella erotuksella

Suomessa sähkönjakeluverkko koostuu pääasiassa 20 kV ja 400 V jännitetasoista. Tällöin sähkö viedään lähelle kuluttajia suuremmalla jännitetasolla ja muunnetaan alhaisemmaksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että haja-asutusalueilla jakelumuuntajien määrä kasvaa suureksi, koska ne täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen jännite olisi suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä taasen edellyttää asiakaskohtaisien vaihtosuuntaajien käyttöä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvän hyötysuhteen puitteissa. Vaihtosuuntaaja on toteutettu käyttämällä resonanssikonvertteria, joka vaihtosuuntaa jakelujännitteen korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi. Tämän jälkeen toteutetaan galvaaninen erotus käyttäen suurtaajuusmuuntajaa. Tätä seuraa syklokonvertteri, joka pulssintiheysmodulaatiota soveltaen muodostaa lähtöjännitteen. Tämä suodatetaan lopuksi LC- alipäästösuotimella säröltään standardin mukaiseksi. Laite on jaettu työssä kolmeen osaan, joista jokaisen toiminta on selitetty ja simuloitu itsenäisesti. Lopussa koko järjestelmä on simuloitu yhtenä kokonaisuutena. Hyötysuhteeksi arvioitiin karkeasti 94 % ja lopullisista tuloksista voidaan päätellä, että laitteen toteuttaminen prototyypiksi voisi olla kannattavaa.

Galvaanisen erotuksen toteuttaminen tasavirtasähkönjakelun asiakaspäätelaitteessa

Suomessa sähkönjakeluverkon pääasialliset jännitetasot ovat 20 kV ja 400 V. 20 kV jännitetasolla sähkö viedään lähelle kuluttajia ja muunnetaan pienemmäksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että 20 kV avojohtosähkönsiirtoverkko on hyvin vika-altis ja usein yhden haaran vikaantuessa monta muutakin jää ilman sähköä. Lisäksi hintavien ja suurien jakelumuuntajien määrä on suuri. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen pienjännite olisi 400 V:a suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä edellyttää vaihtosuuntauksen toteuttamista kuluttajan päässä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA:n tehoisella vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Suurtaajuusmuuntajan mitoitus mahdollisimman hyvälle hyötysuhteelle on haastava tehtävä, koska vaatimuksia sille asettavat sekä syöttävä resonanssikonvertteri että syötettävä syklokonvertteri. Mitoituksessa on pyrittävä löytämään mahdollisimman hyvä hyötysuhde kustannusten ja toteutettavuuden suhteen.

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.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaajan pulssintiheysmoduloidun pääteasteen ja prototyypin toteutus

Työssä esiteltävä laite on osa DC-AC hakkuria, jolla muodostetaan 750 V tasajännitteestä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) galvaanisesti erotettua verkkojännitettä. Tasajännite muunnetaan resonanssikonvertterilla korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi, joka johdetaan erotusmuuntajaan. Galvaanisen erotuksen jälkeen korkeataajuisesta vaihtojännitteestä muodostetaan suoraan verkkotaajuista vaihtojännitettä työssä esiteltävällä syklokonvertterilla. Suunnittelussa on pyritty minimoimaan häviöt mahdollisimman tarkkaan, jotta laite olisi kilpailukykyinen ei-galvaanisesti erottavien konverttereiden kanssa. Tämä on toteutettu käyttämällä mahdollisimman vähän komponentteja virran kulkureitillä sekä soveltamalla pehmeää kytkentää kaikissa tilanteissa. Lopuksi esitellään prototyyppi, jonka tarkoitus oli selvittää laitteen toiminta ja ongelmakohdat käytännössä.