Switching Patterns and Steady-State Analysis of Grid-Connected and Stand-Alone Single-Stage Boost-Inverters for PV Applications

Renewable or sustainable energy (SE) sources have attracted the attention of many countries because the power generated is environmentally friendly, and the sources are not subject to the instability of price and availability. This dissertation presents new trends in the DC-AC converters (inverters) used in renewable energy sources, particularly for photovoltaic (PV) energy systems. A review of the existing technologies is performed for both single-phase and three-phase systems, and the pros and cons of the best candidates are investigated. In many modern energy conversion systems, a DC voltage, which is provided from a SE source or energy storage device, must be boosted and converted to an AC voltage with a fixed amplitude and frequency. A novel switching pattern based on the concept of the conventional space-vector pulse-width-modulated (SVPWM) technique is developed for single-stage, boost-inverters using the topology of current source inverters (CSI). The six main switching states, and two zeros, with three switches conducting at any given instant in conventional SVPWM techniques are modified herein into three charging states and six discharging states with only two switches conducting at any given instant. The charging states are necessary in order to boost the DC input voltage. It is demonstrated that the CSI topology in conjunction with the developed switching pattern is capable of providing the required residential AC voltage from a low DC voltage of one PV panel at its rated power for both linear and nonlinear loads. In a micro-grid, the active and reactive power control and consequently voltage regulation is one of the main requirements. Therefore, the capability of the single-stage boost-inverter in controlling the active power and providing the reactive power is investigated. It is demonstrated that the injected active and reactive power can be independently controlled through two modulation indices introduced in the proposed switching algorithm. The system is capable of injecting a desirable level of reactive power, while the maximum power point tracking (MPPT) dictates the desirable active power. The developed switching pattern is experimentally verified through a laboratory scaled three-phase 200W boost-inverter for both grid-connected and stand-alone cases and the results are presented.

A high voltage pulse power supply for metal plasma immersion ion implantation and deposition

We describe the design and implementation of a high voltage pulse power supply (pulser) that supports the operation of a repetitively pulsed filtered vacuum arc plasma deposition facility in plasma immersion ion implantation and deposition (Mepiiid) mode. Negative pulses (micropulses) of up to 20 kV in magnitude and 20 A peak current are provided in gated pulse packets (macropulses) over a broad range of possible pulse width and duty cycle. Application of the system consisting of filtered vacuum arc and high voltage pulser is demonstrated by forming diamond-like carbon (DLC) thin films with and without substrate bias provided by the pulser. Significantly enhanced film/substrate adhesion is observed when the pulser is used to induce interface mixing between the DLC film and the underlying Si substrate. (C) 2010 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3518969]

Comparison Between Voltage Control Structures of Synchronous Machines

This paper compares the behaviour of two different control structures of automatic voltage regulators of synchronous machines equipped with static excitation systems. These systems have a fully controlled thyristor bridge that supplies DC current to the rotor winding. The rectifier bridge is fed by the stator terminals through a step-down transformer. The first control structure, named ""Direct Control"", has a single proportional-integral (PI) regulator that compares stator voltage setpoint with measured voltage and acts directly on the thyristor bridge`s firing angle. This control structure is usually employed in commercial excitation systems for hydrogenerators. The second structure, named ""Cascade Control"", was inspired on control loops of commercial DC motor drives. Such drives employ two PIs in a cascade arrangement, the external PI deals with the motor speed while the internal one regulates the armature current. In the adaptation proposed, the external PI compares setpoint with the actual stator voltage and produces the setpoint to the internal PI-loop which controls the field current.

Solid State Marx Modulator with Blumlein Stack for Bipolar Pulse Generation

Sub-nanosecond bipolar high voltage pulses are a very important tool for food processing, medical treatment, waste water and exhaust gas processing. A Hybrid Modulator for sub-microsecond bipolar pulse generation, comprising an unipolar solid-state Marx generator connected to a load through a stack Blumlein system that produces bipolar pulses and further multiplies the pulse voltage amplitude, is presented. Experimental results from an assembled prototype show the generation of 1000 V amplitude bipolar pulses with 100 ns of pulse width and 1 kHz repetition rate.

BOLD responses to trigeminal nerve stimulation.

The current study investigates a new model of barrel cortex activation using stimulation of the infraorbital branch of the trigeminal nerve. A robust and reproducible activation of the rat barrel cortex was obtained following trigeminal nerve stimulation. Blood oxygen level-dependent (BOLD) effects were obtained in the primary somatosensory barrel cortex (S1BF), the secondary somatosensory cortex (S2) and the motor cortex. These cortical areas were reached from afferent pathways from the trigeminal ganglion, the trigeminal nuclei and thalamic nuclei from which neurons project their axons upon whisker stimulation. The maximum BOLD responses were obtained for a stimulus frequency of 1 Hz, a stimulus pulse width of 100 μs and for current intensities between 1.5 and 3 mA. The BOLD response was nonlinear as a function of frequency and current intensity. Additionally, modeling BOLD responses in the rat barrel cortex from separate cerebral blood flow (CBF) and cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO(2)) measurements showed good agreement with the shape and amplitude of measured BOLD responses as a function of stimulus frequency and will potentially allow to identify the sources of BOLD nonlinearities. Activation of the rat barrel cortex using trigeminal nerve stimulation will contribute to the interpretation of the BOLD signals from functional magnetic resonance imaging studies.

Chronic low-frequency rTMS of primary motor cortex diminishes exercise training-induced gains in maximal voluntary force in humans.

Although there is consensus that the central nervous system mediates the increases in maximal voluntary force (maximal voluntary contraction, MVC) produced by resistance exercise, the involvement of the primary motor cortex (M1) in these processes remains controversial. We hypothesized that 1-Hz repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) of M1 during resistance training would diminish strength gains. Forty subjects were divided equally into five groups. Subjects voluntarily (Vol) abducted the first dorsal interosseus (FDI) (5 bouts x 10 repetitions, 10 sessions, 4 wk) at 70-80% MVC. Another group also exercised but in the 1-min-long interbout rest intervals they received rTMS [Vol+rTMS, 1 Hz, FDI motor area, 300 pulses/session, 120% of the resting motor threshold (rMT)]. The third group also exercised and received sham rTMS (Vol+Sham). The fourth group received only rTMS (rTMS_only). The 37.5% and 33.3% gains in MVC in Vol and Vol+Sham groups, respectively, were greater (P = 0.001) than the 18.9% gain in Vol+rTMS, 1.9% in rTMS_only, and 2.6% in unexercised control subjects who received no stimulation. Acutely, within sessions 5 and 10, single-pulse TMS revealed that motor-evoked potential size and recruitment curve slopes were reduced in Vol+rTMS and rTMS_only groups and accumulated to chronic reductions by session 10. There were no changes in rMT, maximum compound action potential amplitude (M(max)), and peripherally evoked twitch forces in the trained FDI and the untrained abductor digiti minimi. Although contributions from spinal sources cannot be excluded, the data suggest that M1 may play a role in mediating neural adaptations to strength training.

DTC-induktiomoottorikäytön soveltaminen keskitaajuusalueelle

Työssä tarkastellaan olemassa olevan suoraa vääntömomentin säätöä käyttävän taajuudenmuuttajan soveltamista keskitaajuusalueella toimiviin induktiomoottorikäyttöihin. Keskinopeusalueen sovellusten pyörimisnopeudet ovat tyypillisesti 6000…30000rpm. Tällöin invertterin lähtötaajuuden on nelinapaista moottoria ohjattaessa ulotuttava 1000Hz:iin. ABB:n ACS600 taajuudenmuuttajan nykyinen syöttötaajuus ulottuu noin 400Hz:iin ja sen keskimääräinen kytkentätaajuus on luokkaa 3kHz. Taajuudenmuuttajan keskimääräistä kytkentätaajuutta ei haluta tästä merkittävästi nostaa, koska tällöin pääteasteen mitoitusta ja rakennetta on muutettava. Tarkastelussa keskitytään täten jännitemodulointiin, joka määrittelee invertterin lähtöjännitteen käyrämuodon ja pääteasteen tehokytkimien kytkentätaajuuden. Työssä esitetään suoran käämivuon säädön periaatetta soveltava 30-kulmainen modulointimenetelmä (30-modulointi), jolla moottorin syöttövirrasta voidaan eliminoida 5. ja 7. yliharmoninen komponentti. Yliharmonisten komponenttien eliminointi mahdollistaa passiivisilla komponenteilla toteutetun alipäästösuodattimen asentamisen invertterin lähtöön, jolloin moottorissa tapahtuvat tehohäviöt saadaan pieniksi. 30-moduloinnin ohjaukseen ja säätöön esitetään menetelmät, jotka mahdollistavat sen toteuttamisen nykyiseen taajuudenmuuttajaan ohjelmallisesti ilman suuria laitteistomuutoksia. 30-moduloinnin ominaisuuksia tarkastellaan analyyttisin menetelmin ja sen toimintaa testataan esitettyjen teorioiden perusteella simuloimalla. 30-moduloinnin ohjelmallinen implementointi nykyiseen ACS600:een mahdollistaa periaatteessa noin 600Hz:n syöttötaajuuden saavuttamisen. Tällöin invertterin keskimääräinen kytkentätaajuus voidaan säätää koko pyörimisnopeusalueella alle 4kHz:n tasolle.

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.

Switching components for medium voltage drives

Nowadays power drives are the essential part almost of all technological processes. Improvement of efficiency and reduction of losses require development of semiconductor switches. It has a particular meaning for the constantly growing market of renewable sources, especially for wind turbines, which demand more powerful semiconductor devices for control with growth of power. Also at present semiconductor switches are the key component in energy transmission, optimization of generation and network connection. The aim of this thesis is to make a survey of contemporary semiconductor components, showing difference in structures, advantages, disadvantages and most suitable applications. There is topical information about voltage, frequency and current limits of different switches. Study tries to compare dimensions and price of different components. Main manufacturers of semiconductor components are presented with the review of devices produced by them, and a conclusion about their availability was made. IGBT is selected as a main component in this study, because nowadays it is the most attractive component for usage in power drives, especially at the low levels of medium voltage. History of development of IGBT structure, static and dynamic characteristics are considered. Thesis tells about assemblies and connection of components and problems which can appear. One of key questions about semiconductor materials and their future development was considered. For the purpose of comparison strong and weak sides of different switches, calculation of losses of IGBT and its basic competitor – IGCT is presented. This master’s thesis makes an effort to answer the question if there are at present possibilities of accurate selection of switches for electrical drives of different rates of power and looks at future possible ways of development of semiconductor market.

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.

Jännitevälipiiritaajuusmuuttajan moottorikaapelin maksimipituuden määrittely

Työssä tutkitaan, kuinka pitkää moottorikaapelia on jännitevälipiiritaajuusmuuttajan kanssa mahdollista käyttää niin, että määritellyt reunaehdot vielä toteutuvat. Tavoitteena on tuottaa tietoa myynnille, markkinoinnille, tuotehallinnalle sekä tuoteylläpidolle siitä, miten taajuus-muuttaja toimii pidemmillä moottorikaapeleilla kuin valmistaja suosittelee. Tutkitut moottori-kaapelipituudet olivat 175…1025 metriä ja tutkitut laitteet nimellislähtövirroiltaan 2,4...25 A. Työssä aihetta käsitellään jänniteheijastusten näkökulmasta. Lisäksi tutkitaan moottorikaapelin pituuden vaikutusta taajuusmuuttajan eri komponenttien lämpenemiseen. Taajuusmuuttajan toiminnallisuutta arvioidaan moottorin suunnanvaihtojen avulla sekä turvallista toimintaa oikosulkutestein. Tutkittujen taajuusmuuttajien kohdalla on mahdollista käyttää taajuusmuuttajavalmistajan suositusta pidempiä moottorikaapeleita. Moottoriliittimien ylijännitteitä aiheuttavat jännite-heijastukset eivät aiheuttaneet raja-arvoja ylittäviä huippujännitteitä tutkituilla laitekokoon-panoilla. Myös lämpötilannousu oli maltillista tai jopa vähäistä taajuusmuuttajasta mitatuilla komponenteilla. Moottorisäätö havaittiin toimintakykyiseksi pidemmilläkin moottorikaape-leilla, tosin moottorin vääntömomentti heikkeni moottorikaapelien pituutta kasvatettaessa. Virranmittaus toimi hyvin myös pitkillä kaapeleilla, tuottaen vikalaukaisun kaikissa tehdyissä oikosulkutilanteissa. Moottorin ja taajuusmuuttajan melutaso nousivat moottorikaapelien pi-tuutta kasvatettaessa, vaikkakin moottorin käynti oli tasaista ja katkotonta Moottorikaapelin pituutta voidaan kasvattaa 325 metriin kaikissa tutkituissa laitteissa ilman, että mikään tutkittu ominaisuus vielä olennaisesti heikkenisi. Vielä 525 metrin moottorikaape-leita on mahdollista käyttää, mutta tällöin vääntömomentin tuotto on jo heikompaa.

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.

Converter-Fed Induction Motor Losses: Determination With IEC Methods

Energy efficiency is an important topic when considering electric motor drives market. Although more efficient electric motor types are available, the induction motor remains as the most common industrial motor type. IEC methods for determining losses and efficiency of converter-fed induction motors were introduced recently with the release of technical specification IEC/TS 60034-2-3. Determining the induction motor losses with IEC/TS 60034-2-3 method 2-3-A and assessing the practical applicability of the method are the main interests of this study. The method 2-3-A introduces a specific test converter waveform to be used in the measurements. Differences between the induction motor losses with a test converter supply, and with a DTC converter supply are investigated. In the IEC methods, the tests are run at motor rated fundamental voltage, which, in practice, requires the frequency converter to be fed with a risen input voltage. In this study, the tests are run on both frequency converters with artificially risen converter input voltage, resulting in rated motor fundamental input voltage as required by IEC. For comparison, the tests are run with both converters on normal grid input voltage supply, which results in lower motor fundamental voltage and reduced flux level, but should be more relevant from practical point of view. According to IEC method 2-3-A, tests are run at rated motor load, and to ensure comparability of the results, the rated load is used in the grid-fed converter measurements, although motor is overloaded while producing the rated torque at reduced flux level. The IEC 2-3-A method requires also sinusoidal supply test results with IEC method 2-1-1B. Therefore, the induction motor losses with the recently updated IEC 60034-2-1 method 2-1-1B are determined at the motor rated voltage, but also at two lower motor voltages, which are according to the output fundamental voltages of the two network-supplied converters. The method 2-3-A was found to be complex to apply but the results were stable. According to the results, the method 2-3-A and the test converter supply are usable for comparing losses and efficiency of different induction motors at the operating point of rated voltage, rated frequency and rated load, but the measurements do not give any prediction of the motor losses at final application. One might therefore strongly criticize the method’s main principles. It seems, that the release of IEC 60034-2-3 as a technical specification instead of a final standard for now was justified, since the practical relevance of the main method is questionable.

Damage threshold determination of bulk polymer samples using pulsed photothermal deflection technique

Photothermal deflection technique was used for determining the laser damage threshold of polymer samples of teflon (PTFE) and nylon. The experiment was conducted using a Q-switched Nd-YAG laser operating at its fundamental wavelength (1-06μm, pulse width 10 nS FWHM) as irradiation source and a He-Ne laser as the probe beam, along with a position sensitive detector. The damage threshold values determined by photothermal deflection method were in good agreement with those determined by other methods.