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A Motor friendly Quasi-resonant DC-link Inverter

Kedarisetti, Jayalakshmi :
A Motor friendly Quasi-resonant DC-link Inverter.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: A Motor friendly Quasi-resonant DC-link Inverter
Language: English
Abstract:

Feeding electrical motors by long cables using PWM inverters has become lately problematic due to developments in semiconductor technology. Most used in converters, insulated gate bipolar transistors IGBTs switch voltages with high gradients, about 10kV/μs. On one hand, faster switching transients lead to the reduction of switching losses and therefore, permissible higher switching frequencies, reduction of harmonics and audible noise at motors. On the other hand, bigger voltage gradients combined with long feeders lead to high frequency parasitic effects, like overvoltage at motor terminals leading to insulation stress, high common mode (CM) ground current, bearing currents, etc. Up-to-date several approaches have been made to overcome these problems. The most common solution is the use of filter between inverter and motor. But it increases the size, weight and cost of the inverter. This thesis investigates an alternative solution to high frequency parasitic effects in electrical drives with long cables. Quasi-resonant DC-link (QRDCL) converter topologies can be used in electric drives with long cables to reduce the parasitic effects. In a QRDCL converter, the slope of the output voltage can be reduced by means of resonant operation. A resonant cycle can be initiated at any time using auxiliary switches (therefore, the name quasi-resonant) making it suitable for PWM operation. A resonant cycle produces a zero voltage interval, and it can be used as a zero vector state in a PWM modulation. Further, by separating the DC-link during resonant operation (used as a zero voltage vector) the common mode voltage is reduced from its peak values (±Vdc/2) to zero, determining the important reduction of bearing currents. The thesis concentrates on motor-friendly and high efficient design of a QRDCL converter and its control implementation on FPGA. A 30m long cable connected between inverter and motor produces the voltage reflections and causes high frequency noises in motor. For allowed 20% of overvoltage at motor terminals, a maximum slope gradient of 600V/µs at inverter output is needed. The slope of the quasi-resonant inverter output voltage depends upon its three passive elements and load current. The design complexity increases with more design constraints like reduced voltage stress on switching devices. In this thesis, the selection of passive elements is discussed in detail. The trip currents selection in a resonant cycle ensures the completion of a resonant cycle. But very high trip currents produce losses and reduce the overall efficiency of an inverter. The complexity is increased with three passive elements and higher number of modes in a given resonant cycle. For given resonant elements, the optimal calculation trip currents based on the load currents is discussed in this thesis. For control of a resonant circuit, a fast controller like FPGA is needed. For the induction motor control, same FPGA can be used. It reduces the total hardware count and provides a low-cost solution. The parallel processing FPGA is advantageous because of its high speed but imposes an additional challenge in programming. Moreover, it is a fixed-point FPGA. The implementation of field oriented control and control of a quasi-resonant inverter are discussed in this thesis. A motor friendly quasi-resonant dc link inverter is being designed and experimentally tested. The soft switching inverter is then compared with the conventional hard switched voltage source inverter together with filter under identical load conditions. At low modulation index, the resonant cycles are longer due to long zero voltage vector. During a zero voltage vector, resonant inductor current free wheels through an auxiliary diode and inverter switches. Higher the freewheeling time, more losses will be produced. This effect is observed in efficiency measurements. So a lossless variable zero voltage duration is necessary for high efficiency of the QRDCL inverter. At the end, a motor friendly quasi-resonant DC-link inverter with loss less variable zero voltage is proposed. The performance of this QRDCL inverter is verified through the simulations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Versorgung elektrischer Motoren über lange Kabel und die Verwendung von Wechselrichtern ist heutzutage eine Problematik aufgrund der Entwicklung in der Halbleitertechnologie. Die meisten, der in heutigen Umrichtern verwendeten Insulated Gate Biolar Transistoren (IGBT), schalten Spannungen mit hohen Spannungssteilheiten um ca. 10kV/μs. Auf der einen Seite führen schnellere Schalt-Transienten zur Verringerung von Schaltverlusten und daher zu höher zulässigen Schaltfrequenzen, zur Reduzierung von Oberschwingungen und zu hörbaren Geräuschen in den Motoren. Auf der anderen Seite führen größere Spannungsgradienten in Kombination mit langen Kabeln zu hochfrequenten parasitären Effekten wie Überspannung an den Motorklemmen und somit zu Isolationsproblemen, zu hohen Gleichtaktströmen, zu Lagerströmen usw. Es wurden verschiedene Ansätze unternommen um diese Probleme zu überwinden. Die häufigste Lösung ist der Einsatz eines Filters zwischen Wechselrichter und Motor. Aber es erhöht die Größe, das Gewicht und die Kosten des Wechselrichters. Diese Arbeit untersucht eine alternative Lösung um die hochfrequenten parasitären Effekte in elektrischen Antrieben mit langen Kabeln zu mindern. Quasi-resonanter DC-link (QRDCL) Umrichter können bei elektrischen Antrieben mit langen Kabeln verwendet werden, um die parasitären Effekte zu reduzieren. In einem QRDCL-Umrichter die Steigung der Ausgangsspannung kann durch resonanten Betrieb reduziert werden. Ein Resonanzzyklus kann jederzeit unter Verwendung eines Hilfsschalters eingeleitet werden (daher der Name quasi-resonant) und eignet sich deshalb für den PWM-Betrieb. Ein Resonanzzyklus erzeugt ein Nullspannungsintervall und kann somit als Nullvektor in einer PWM-Modulation verwendet werden. Durch die Trennung des DC-Links im resonanten Betrieb (verwendet als Null-Vektor) wird die Gleichtaktspannung von ihren Höchstwerten (±Vdc/2) auf Null reduziert und führt somit zur wichtigen Verringerung der Lagerströmen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem motorfreundlichen und hocheffizienten Design eines QRDCL-Wechselrichters und seiner Kontrollimplementierung auf Field Programable Gate Arrays (FPGA`s). Ein 30m langes Kabel zwischen dem Umrichter und dem Motor generiert Spannungsreflexionen und verursacht somit hohe Frequenzen im Motor. Für eine maximal zulässige 20% Überspannung an den Motorklemmen wird eine maximale Spannungssteilheit von 600V/μs am Wechselrichterausgang benötigt. Die Spannungssteilheit der quasi-resonanten Wechselrichterausgangsspannung hängt von den drei passiven Bauelementen und dem Laststrom ab. Die Komplexität des Designs steigt mit der Designforderung nach reduzierter Spannungsbelastung der Schaltgeräten. In dieser Arbeit wird die Auswahl der passiven Elementen im Detail besprochen. Die Auslösestromauswahl garantiert die Fertigstellung eines Resonanzzyklusses. Aber sehr hohe Auslösestrome erzeugen Verluste und verringern den Gesamtwirkungsgrad eines Wechselrichters. Die Komplexität erhöht sich um drei passive Elemente und wegen der höheren Anzahl von Arten in einem gegebenen Resonzzyklus. Für vorgegebene Resonanzelemente wird in dieser Arbeit die optimale Berechnung der Auslöseströmen auf der Basis der Lastströme diskutiert. Für die Steuerung eines Resonanzschalters wird eine schnelle Steuerung durch z.B. FPGA benötigt. Für die Steuerung von Asynchronmotoren kann die gleiche FPGA verwendet werden. Damit es reduziert sich die Hardware und eine kostengünstige Lösung ist möglich. Die parallelverarbeitende FPGA ist wegen ihrer hohen Geschwindigkeit von Vorteil, ist aber eine zusätzliche Herausforderung bei der Programmierung. Darüber hinaus besitzt die FPGA eine Festkommaarithmetik. Die Umsetzung der feldorientierten Regelung und Steuerung eines quasi-resonanten Wechselrichters werden in dieser Arbeit diskutiert. Ein motorfreundlicher QRDCL-Wechselrichter wurde entworfen und experimentell getestet. Der QRDCL-Wechselrichter wurde mit konventionellen hartgeschalteten Wechselrichtern und den Ausgangsfiltern unter identischen Lastbedingungen verglichen. Bei niedrigem Modulationsindex werden die Resonanzzyklen wegen des langen Nullspannungszeigers länger. Während der Zeit eines Nullspannungszeigers fließt der Resonanzstrom durch die Resonanzdiode und die Wechselrichterschaltungen. Je höher die Freilaufzeit desto höher werden die Verluste. Dieser Effekt ist in Effizienzmessungen beobachtet worden. Eine verlustfreie variable Nullspannungszeitdauer ist für einen hohen Wirkungsgrad des QRDCL-Wechselrichters erforderlich. Am Ende wird ein motorfreundlicher QRDCL-Wechselrichter mit verlustfreier variabler Nullspannung vorgeschlagen. Die Funktionalität dieses QRDCL-Wechselrichters wurde durch Simulationen belegt.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 06 Jul 2012 14:55
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30281
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Mutschler, Prof. Dr.- Peter and Mertens, Prof. Dr.- Axel
Refereed: 21 March 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3028
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