Report on theorerical results of power generation and conversion

Experimental results of a new controller able to support bidirectional power flow in a full-bridge rectifier with boost-like topology are obtained. The controller is computed using port Hamiltonian passivity techniques for a suitable generalized state space averaging truncation system, which transforms the control objectives, namely constant output voltage dc-bus and unity input power factor, into a regulation problem. Simulation results for the full system show the essential correctness of the simplifications introduced to obtain the controller, although some small experimental discrepancies point to several aspects that need further improvement.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Invertteripääteasteen suunnittelu

Invertteritekniikalla voidaan toteuttaa nykyaikainen, monipuolinen ja tehokas pääteaste moneen eri käyttötarkoitukseen. Tässä työssä suunnitellaan invertteripääteaste mittalaite- ja virtalähdesovelluksiin. Suunnittelussa otetaan huomioon muunneltavuus, valmistuskustannukset ja mitat. Näiden kriteerien lisäksi pääteaste suunnitellaan niin, että se täyttää mittalaite- ja virtalähdesovelluksien vaatimat standardit. Pääteasteen teho rajoittuu 500 VA:iin, mutta vaatimukset lähtöjännitteen erimuotoisuudelle aiheuttavat suunnittelulle omat vaikeutensa. Työssä täytyy tutkia, minkälainen tuloaste, invertteri, suodin ja lähtöaste sopivat parhaiten pääteasteen toteutukseen. Sopivien topologioiden löydyttyä pääteaste simuloidaan tietokoneella, jonka jälkeen voidaan suunnitella prototyyppi käytännön testauksia varten. Suunnittelussa päädyttiin seuraaviin topologioihin: Tuloasteeksi valittiin PFC-piiri, joka on nykyaikana pakollinen invertterikäytössä, koska verkkoon palaavat harmoniset yliaaltokomponentit täytyy suodattaa. Invertteritopologiaksi valittiin kokosiltainvertteri, jolla saadaan parhaiten muutettua lähtöjännitteen taajuutta ja amplitudia. Suodintopologiaksi valittiin LC-suodin, jolla saadaan tehokkaasti suodatettua invertterin aiheuttamat harmoniset yliaallot. Lähtöön sijoitetaan muuntaja, jonka muuntosuhdetta muuntamalla saadaan lähtöjännite halutuksi eri käyttötarkoituksia varten.

Tasajännitetason nosto polttokennosovelluksessa

Polttokennojen, erityisesti SOFC-kennojen, tutkimuksessa on viime vuosina saavutettu merkittäviä edistysaskelia ja mahdollisuudet kennojen laajamittaiseen hyödyntämiseen paranevat koko ajan. Polttokennojen yleistyessä tarvitaan tehoelektroniikkaa muokkaamaan kennojen tasajännite verkkoon sopivaksi vaihtojännitteeksi. Verkkovaihtosuuntaaja vaatii korkeamman jännitetason, kuin polttokennosta on saatavissa, joten tasajännitetasoa on ensin nostettava. Tässä diplomityössä esitellään kolme eri hakkuritopologiaa ja perehdytään kokosiltahakkurin optimointiin. Hakkurin pääasialliset häviölähteet olivat toision diodisilta ja transistorit. Diodien vaihtaminen piidiodeista piikarbididiodeihin ei parantanut hyötysuhdetta, koska toision jännite tarkastellussa sovelluksessa oli matala. Muuntajan käämiminen litz-johtimella paransi hyötysuhdetta merkittävästi.

Loss Modelling of Three-Level Inverters controlled with Space Vector Modulation Technique

The objective of this master’s thesis is to investigate the loss behavior of three-level ANPC inverter and compare it with conventional NPC inverter. The both inverters are controlled with mature space vector modulation strategy. In order to provide the comparison both accurate and detailed enough NPC and ANPC simulation models should be obtained. The similar control model of SVM is utilized for both NPC and ANPC inverter models. The principles of control algorithms, the structure and description of models are clarified. The power loss calculation model is based on practical calculation approaches with certain assumptions. The comparison between NPC and ANPC topologies is presented based on results obtained for each semiconductor device, their switching and conduction losses and efficiency of the inverters. Alternative switching states of ANPC topology allow distributing losses among the switches more evenly, than in NPC inverter. Obviously, the losses of a switching device depend on its position in the topology. Losses distribution among the components in ANPC topology allows reducing the stress on certain switches, thus losses are equally distributed among the semiconductors, however the efficiency of the inverters is the same. As a new contribution to earlier studies, the obtained models of SVM control, NPC and ANPC inverters have been built. Thus, this thesis can be used in further more complicated modelling of full-power converters for modern multi-megawatt wind energy conversion systems.

Design, implementation and characterisation of a contactless power transfer system for rotating applications

This paper describes the design, implementation and characterisation of a contactless power transfer system for rotating applications. The power transfer system is based upon a zero-voltage-switched, full-bridge, DC-DC converter, but utilises a non-standard transformer. This transformer allows power transfer between its primary and secondary windings while also allowing free rotation between these windings. The aim of this research is to develop a solution that could replace mechanical slip-rings in certain applications where a non-contacting system would be advantageous. Based upon the design method presented in this paper, a 2 kW prototype system is constructed. Results obtained from testing the 2 kW prototype are presented and discussed. This discussion considers how the performance of the transformer varies with rotation and also the overall efficiency of the system

High power factor dimmable electronic ballast for multiple tubular fluorescent lamps

This paper presents a dimmable electronic ballast designed for multiple fluorescent lamps applications. A ZCS-PWM Boost rectifier and a classical resonant Full-Bridge inverter compose this new electronic ballast, providing conditions for the obtaining of high input power-factor, and soft-switching processes for all semiconductor devices employed in the structure. The instantaneous average input current control technique is employed in the Boost rectifier. Concerning the Full-Bridge inverter, it is controlled by the imposition of phase-shift in the current processed through the sets of resonant filters + lamps, according to an adaptation in a specially designed control IC, called IR2159. Experimental results are presented in order to validate the analyses developed in this paper.

Mnltiloop Controller and Reference Generator for a Dynamic Voltage Restorer Implementation

This paper deals with the design and analysis of a Dynamic Voltage Restorer output voltage control. Such control is based on a multiloop strategy, with an inner current PID regulator and an outer P+Resonant voltage controller. The inner regulator is applied on the output inductor current. It will be also demonstrated how the load current behavior may influence in the DVR output voltage, which. justifies the need for the resonant controller. Additionally, it will be discussed the application of a modified algorithm for the identification of the DVR voltage references, which is based on a previously presented positive sequence detector. Since the studied three-phase DVR is assumed to be based on three identical H-bridge converters, all the analysis and design procedures were realized by means of single-phase equivalent circuits. The discussions and conclusions are supported by theoretical calculations, nonlinear simulations and some experimental results.

The ZVS-PWM commutation cell applied to the DC-AC converter

This paper presents the analysis of a dc-ac converter using a zero-voltage-switching (ZVS) commutation cell. First, we show the cell applied to the buck converter. The stages of operation are presented along with the main current and voltage equations. Next, we adapt the converter to the regenerative-operation mode. Hence, the full-bridge converter at low-frequency operation is connected in the dc-dc output stage (at high frequency). The main switches commute at zero voltage. The converter operated at constant frequency with pulse-width modulation (PWM), and neither overvoltage nor additional current stress was observed by digital simulation. A design example and experimental results obtained by prototype, rated at 275 V and 1 kW, are also presented. © 1997 IEEE.

Multiloop controller and reference generator for a dynamic voltage restorer implementation

This paper deals with the design and analysis of a Dynamic Voltage Restorer output voltage control. Such control is based on a multiloop strategy, with an inner current PID regulator and an outer P+Resonant voltage controller. The inner regulator is applied on the output inductor current. It will be also demonstrated how the load current behavior may influence in the DVR output voltage, which justifies the need for the resonant controller. Additionally, it will be discussed the application of a modified algorithm for the identification of the DVR voltage references, which is based on a previously presented positive sequence detector. Since the studied three-phase DVR is assumed to be based on three identical H-bridge converters, all the analysis and design procedures were realized by means of single-phase equivalent circuits. The discussions and conclusions are supported by theoretical calculations, nonlinear simulations and some experimental results. ©2008 IEEE.

Mini-inversores para aproveitamento de energia fotovoltaica, com técnicas de MPPT, sincronismo e conexão com a rede de CA em BT, proteção de ilhamento, gerenciamento da energia e da operação

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Um sistema eletrônico de 2kW para emulação/simulação experimental da característica estática de saída, tensão (versus) corrente, de sistemas de geração com células combustível tipo PEM

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Reatores eletrônicos para sistemas de iluminação com múltiplas lâmpadas tubulares fluorescentes com controle de luminosidade, elevada eficiência e elevado fator de potência

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Sistema de Aquisição de Baixo Custo para um Dinamômetro Biomédico

Objective: to create a purchasing system for optimizing a low cost device fabrication itself. Method: For this purpose was designed a system which is powered by a 12V battery center. The full bridge of "Wheatstone" is powered by the central battery set to 9V. Results: The sign of the strain has a range of 0 to 30 mV which is amplified filtered by a signal conditioner own manufacturing using an LM 324. The electrical signal then passes to vary from 0 to5V which will be processed in an analog input of PIC microcontroller. Tests for the registration and interpretation of data are through software MyOpenLab. Conclusion: The work is in progress and initial results suggest that the system will be able to measure muscular strength accurately and cost-effective.

Dispositivo de microdescargas em gases na pressão atmosférica

This work describes the development of an electro-mechanical micro-discharges device operating at ambient condition of pressure and temperature, capable to produce plasma jets for surface finishing. The discharges are produced through a needle shape electrode hollow cathode type by which flows the helium gas. The voltage applied on the electrode is provided for an AC/AC switching voltage converter of full-bridge topology. The converter is energized by a power line of 110/220 VAC, 60 Hz and gives a 1000 V peak-to-peak from 5 kHz to 40 kHz square waveform output. The output frequency is defined by a control signal provided by an external signal generator. The equipment setup includes output acquisition of voltage and current and a photo-detector for photo-electrical measurements, which allows an optical characterization of the plasma jet