Novel Asymmetrical Pulse Width Modulation Method

The paper proposes new asymmetrical PWM that can be used for operation of multilevel inverters. The working and construction principle of this PWM is demonstrated on 13-level PWM signal that is applied to nine-level inverter and operates it as 13-level inverter. The proposed PWM signal consists of 5-level hybrid PWM which is constructed from two PWM signals- combined parts of the standard 5-level Phase Disposition (PD) PWM and pulsed PWM. The sum of these two PWM signals produces the desired 13-level PWM signal that is applied to the 9-level cascaded inverter. The proposed PWM method allows reduction of 13-level inverter components compared to the standard topologies such as neutral point clamped or flying capacitor inverters. This results in smaller size, weight and cists of the inverter.. Extensive simulation results validate the practicability of the proposed PWM method. The proposed method can be extended to any desired number of levels

PD Modulation Scheme for Three-Phase Parallel Multilevel Inverters

International audienc

Voltage-source-inverters with legs connected in parallel

The number of applications that require the use of power converters has been continually increasing in the last years on account of environmental and economical concerns. The power to be processed by these converters has been growing too. These applications include uninterruptible power supplies, motor drives, and distributed generation, such as solar photo-voltaic panels and wind turbines. The rated power of such converters can be raised by increasing the output currents. This can be chieved by connecting converter, converter legs or power devices in parallel. The connection of legs in parallel in a voltage ource inverter is made by means of inductors, hich can be either magnetically coupled or uncoupled. One of the issues that needs to be addressed is achieving an even contribution to the output current from all the legs. Current imbalances are due to circulating currents among the legs which must be avoided or controlled since they produce additional losses and stress to the power devices of the converter. An efficient technique to attain such a balance is presented in this thesis. The balancing technique achieves the objective regardless of the type of inductors used. In spite of the afore mentioned issues, the potential benefits of paralleling converter legs make their use a worthwhile option. Some of the additional benefits of paralleling are the improvement in the total harmonic distortion of the output current and voltage and the reduction of the output filters. Besides, inverters with legs connected in parallel are modular and because of that, their production and maintenance become less expensive. Moreover, they qualify for the implementation of fault-tolerant techniques thus offering the possibility to achieve systems with improved overall reliability. Interleaving of the carriers can be used to modulate the reference signals for each leg, which leads to a reduction in the output current ripple without resorting to increasing the switching frequency. A whole set of shifted carriers is required if interleaved pulse-width modulators are used. Implementing this by means of a digital signal processor (DSP) means that the higher the number of carriers, the higher the number of DSP timing resources required. Provided that the latter are usually limited, this could be a drawback when increasing the number of interleaved carriers. In this thesis the implementation of a pulse-width modulation (PWM) scheme where all modulators use the same carrier offering the same results as if a set of n interleaved carriers were used is presented. Since the proposed algorithm takes maximum benefit from the PWM units available in a DSP, a higher number of legs connected in parallel can be controlled without adding any external processing hardware. In multiphase voltage source inverters with n interleaved parallel-connected legs, the best single-phase output voltage is achieved when the carriers are evenly phase shifted. However, switching among nonadjacent levels can be observed at regular intervals in the line-to-line voltages, causing bad harmonic performance. This thesis includes a novel implementation of PWM that improves the quality of the line-to-line output voltages in interleaved multiphase voltage-source inverters. With the proposed method, switching in the line-to-line voltages happens exclusively between adjacent levels. The modulator utilizes two sets of n evenly phase-shifted carriers that are dynamically allocated. Because of its generality, the proposed implementation is valid for any number of phases and any number of legs in parallel. All the modulation and control algorithms proposed in this thesis have been firstly simulated on Matlab/Simulink models, and then experimentally corroborated on a low power laboratory prototype.El número de aplicaciones que requiere del uso de convertidores de potencia ha crecido de forma regular en los últimos años debido a cuestiones económicas y ambientales. Entre ellas se incluyen fuentes de alimentación ininterrumpibles, accionamientos de motores y sistemas de generación distribuida, como paneles fotovoltaicos o turbinas eólicas. La potencia nominal de dichos convertidores puede aumentarse incrementando las corrientes de salida. Esto puede lograrse mediante la conexión en paralelo de: semiconductores, ramas de convertidor o convertidores. La conexión en paralelo de las ramas de un inversor con fuente de tensión se efectúa mediante inductancias, que pueden estar magnéticamente acopladas o no. Una de las cuestiones que hay que lograr es una contribución equitativa a la corriente de salida por parte de todas las ramas. Los desequilibrios se deben a las corrientes que circulan entre las ramas y que deben evitarse, o controlarse, pues causan solicitaciones y pérdidas adicionales en los dispositivos de potencia del convertidor. En esta tesis se presenta una técnica eficiente para conseguir dicho equilibrio. Dicha técnica es efectiva independientemente del tipo de bobinas utilizado. A pesar de las cuestiones mencionadas, los beneficios de la conexión de ramas en paralelo las convierte en una opción a considerar. Entre sus beneficios adicionales se encuentran la mejora en la distorsión armónica total de las tensiones y corrientes de salida y la reducción de los filtros de salida. Además, los convertidores con ramas en paralelo son modulares y, de este modo, su producción y mantenimiento resulta más económico. Es más, son ideales para la implantación de técnicas tolerantes a fallos, lo que permite obtener sistemas con una mejor fiabilidad global. Para la modulación de las señales de cada rama pueden utilizarse técnicas de entrelazado de las portadoras, lo que conduce a un menor rizado en la corriente de salida sin tener que recurrir a mayores frecuencias de conmutación. Si se usan moduladores de anchura de pulso entrelazados, se necesita un conjunto de señales portadoras desplazadas. La implantación de esto mediante un procesador digital de señal (DSP) implica que a mayor número de portadoras, mayor será el número de recursos de temporización del DSP que se necesiten. Dado que estos últimos son normalmente limitados, esto podría ser un inconveniente cuando se quiera incrementar el número de portadoras entrelazadas. En esta tesis se presenta la implementación de un esquema de modulación de anchura de pulso (PWM) en el que todos los moduladores usan una misma portadora y que ofrece el mismo resultado que si se utilizara todo un conjunto de portadoras entrelazadas. Como el algoritmo propuesto saca el mejor provecho de las unidades de PWM disponibles en el DSP, se podría controlar un mayor número de ramas en paralelo sin necesidad de ninguna circuitería externa adicional. En inversores con fuente de corriente polifásicos con n ramas conectadas en paralelo, la mejor tensión de fase de salida se obtiene cuando las portadoras están desfasadas por igual. Sin embargo, se observan transiciones entre niveles de salida no adyacentes en las tensiones de línea a intervalos regulares, lo que ocasiona malas prestaciones armónicas. Esta tesis incluye una novedosa implementación de PWM que mejora la calidad de la tensión de línea en inversores con fuente de tensión. Con el método propuesto, las transiciones en las tensiones de línea se producen únicamente entre niveles de tensión adyacentes. El modulador utiliza dos conjuntos de n Portadoras regularmente desfasadas cuyo uso se va asignando de forma dinámica. Dada su formulación genérica, la implementación propuesta es válida para cualquier número de fases y cualquier número de rama

Etude des onduleurs multiplexés pour les variateurs de vitesse moyenne tension

Les systèmes entraînés par des moteurs électriques représentent la plus grande consommation totale d'électricité dans le monde, les moteurs à moyenne tension consommant environ dix pour cent de l'énergie mondiale. D'autre part, le coût de l'énergie augmente, et la consommation d'énergie devient de plus en plus importante pour des raisons économiques et environnementales. Par conséquent, les moteurs moyenne tension (MT) sont une cible évidente pour les mesures d'amélioration énergétique, non seulement pour limiter les factures d'énergie, mais aussi pour se conformer à des réglementations plus strictes. Néanmoins, seule une petite partie des moteurs MT actuellement installés sont contrôlés par des variateurs de vitesse, ce qui ouvre la porte à l'introduction de variateurs de vitesse efficaces dans un large éventail d'applications industrielles. Cette technologie aidera l'industrie du monde entier à économiser de l'énergie sans compromettre les performances ou l'efficacité de la production. Par conséquent, le marché des variateurs MT devrait connaître une croissance solide au cours de la prochaine décennie. Ce travail de thèse étudie et propose une topologie de convertisseur multiniveau triphasé basée sur le concept multiplexé qui est spécialement destinée aux applications variateurs de vitesse moyenne tension. Les principales applications potentielles sont les variateurs de vitesse quatre quadrants de 4,16 kV et 6,6 kV. Le chapitre I présente le contexte et l'état de l'art des variateurs de vitesse MT. Le contexte couvre leurs applications, leur potentiel pour réduire la consommation d'énergie dans l'industrie, les attentes du marché, et les objectifs de cette étude. L'état de l'art présente les topologies multi-niveaux classiques et avancées qui ont été implémentées en tant que produits standards pour les variateurs industriels MT, ainsi que les limites de performance et de coût des semi-conducteurs MT utilisés dans ces topologies. Le chapitre II présente la famille des convertisseurs multiplexés et propose différentes structures adaptées aux objectifs de coût et de performance de cette étude en minimisant le nombre de semi-conducteurs MT. De plus, les structures proposées sont comparées en termes de coût des semi-conducteurs avec deux solutions bien établies sur le marché. Le chapitre III présente le principe de fonctionnement de la topologie et deux schémas de modulation différents qui ont été développés pour les structures proposées précédemment. Une modulation basée sur le transport et une modulation vectorielle ont été développées pour, en association avec le principe de fonctionnement, réduire les efforts de commutation des semi-conducteurs MT. De plus, les deux schémas de modulation ont été comparés en termes de qualité de forme d'onde. Enfin, le chapitre IV présente les résultats expérimentaux qui ont validé certains aspects techniques particuliers de la structure multiplexée et certaines hypothèses formulées au cours de ce travail. Trois bancs d'essai différents (l'un étant un onduleur complet) ont été utilisés pour valider la connexion en série des IGBT de 1,7 kV et 4,5 kV, pour mesurer les énergies de commutation des semiconducteurs HT sous tension réduite et pour mesurer les inductances parasites de la structure de l'onduleur. Ces résultats ont été utilisés pour estimer l'efficacité de la structure proposée, étudier la distribution des pertes des semi-conducteurs, et comparer les performances des deux schémas de modulation développés

Operation of Parallel Connected Converters as a Multilevel Converter

The still increasing demand of electrical energy and the rising popularity of renewable energy sources in today's world are two important developments that necessitate the need for innovative solutions in the field of power electronics. Parallel operation of converters is one possible method in trying to bridge an increased current demand. The classical two-level converters, which are the standard in low voltage applications, are rarely adopted in medium and high voltage applications due to the voltage limits on power semiconductor devices. That is one reason for the growing popularity of multilevel converter topologies in medium and high-voltage applications. Although an increase in the number of voltage levels of a multilevel converter has its advantages, there are also challenges posed due to the increased number of switching devices. This has resulted in three-level converters being the most popular compared to converters of higher voltage levels. In this dissertation, the unified operation of parallel connected three-level converter units as a multilevel converter of higher voltage levels is proposed. The mathematical basis for operating parallel connected converter units as a single multilevel converter and the governing equations for such systems are derived. The analysis and the understanding of these equations are important for assessing practicality of the system and devising appropriate control structures. Parallel operation of converter units operating as multilevel converter have their own set of challenges, the two foremost being that of load-sharing and the possibility of circulating and cross currents. Developing solutions to address these challenges require a thorough understanding of how these manifest in the proposed system. Algorithms are then developed for tackling these issues. The control structures are designed and the developed algorithms are implemented. The operation of the system is verified experimentally.Die weiterhin steigende Nachfrage nach elektrischer Energie und die zunehmende Verwendung erneuerbarer Energiequellen in der heutigen Welt sind zwei wichtige Entwicklungen, die die Notwendigkeit innovativer Lösungen im Bereich der Leistungselektronik erfordern. Der Parallelbetrieb von Stromrichtern ist eine mögliche Methode, um einen erhöhten Strombedarf zu decken. Der klassische Zweipunkt-Spanungszwischenkreisstromrichter, der bei Niederspannungsanwendungen weit verbreitet ist, wird aufgrund der Spannungsgrenzen für Leistungshalbleiterbauelemente zunehmend weniger in Mittel- und Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Die begrenzte Spannungsbelastbarkeit der Leistungshalbleiterbauelemente ist ein Grund für die wachsende Beliebtheit von Mehrpunkt-Stromrichtertopologien in Mittelund Hochspannungsanwendungen. Obwohl eine Erhöhung der Anzahl der Spannungsstufen eines Mehrpunkt-Stromrichters Vorteile hat, gibt es auch Herausforderungen und Nachteile aufgrund der erhöhten Anzahl von Leistungshalbleitern. Dies hat dazu geführt, dass der Dreipunkt-Stromrichter die verbreiteste Topologie im Vergleich zu anderen Stromrichtern mit einer höheren Anzahl von Spannungsstufen ist. In dieser Dissertation wird der Betrieb von parallel geschalteten Dreipunkt-Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter mit erhöhter Anzahl an Spannungsstufen vorgeschlagen. Die mathematische Basis für den Betrieb von parallel geschalteten Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter und die beschreibenden Gleichungen eines solchen Systems werden abgeleitet. Die Analyse und das Verständnis dieser Gleichungen sind wichtig für die Beurteilung der Praktikabilität des Systems und die Erarbeitung geeigneter Regelstrukturen. Der parallele Betrieb von Stromrichtereinheiten hat seine eigenen Herausforderungen, wobei die beiden wichtigsten die Lastverteilung und die Möglichkeit von Kreis- und Querströmen sind. Die Entwicklung von Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert ein gründliches Verständnis dafür, wie sich diese Phänomene in dem vorgeschlagenen System manifestieren. Algorithmen zur Lösung dieser Probleme werden anschlieend entwickelt. Die Regelstrukturen werden entworfen und die entworfenen Algorithmen implementiert. Die Funktionsweise des Systems wird experimentell überprüft

Methods and tools for the optimization of modular electrical power distribution cabinets in aeronautical applications

In recent years, aircraft manufacturers have been making progress in the design of more efficient aircrafts to reduce the environmental footprint. To attain this target, aircrafts manufactures work on the replacement of the hydraulic and bleed systems for electrical systems leading to a “More Electrical Aircraft”. However, the expected mass gain is a challenge, as previous technologies have been developed and optimized for decades. The new electrical solutions need to be look into detail to be competitive with previous technologies. All degrees of freedom must be considered, that is, new technologies and architectures. In particular, an HVDC network that reduces the number of rectifier stages seems a promising solution. From the HVDC network, the different three phase AC loads will be supplied by a series of power generic inverters. As the power consumption of the different loads change during the flight mission, the same inverter is used to supply different loads. The connection between the inverters and the loads is managed by a matrix of contactors. The proposed solution also considers redundant configurations, thus increasing system robustness. The design of the innovative system is presented in this document. That is, determining the optimal trade-off between the number of power inverters and the nominal power of each generic inverter that will also impact the size of the matrix of contactors. However, to assess the combinatory problem, the mass of the different components as a function of the nominal power needs to be calculated. A design environment is therefore created to perform automatic and optimized design of power converters. The different components are described using a “direct modelling” approach and coded using “object-oriented” programming. The components are validated experimentally or by numerical simulations. The different models are coupled to an optimization environment and to a frequency solver allowing a fast calculation of the steady-state waveforms. The optimization environment performs the precise design of the different parts of the power inverter: heatsink, power module, DC filter and coupling inductor. The power inverter is designed for different values of nominal power and switching frequency. The optimization assesses as well the usage of different technologies. Finally, the results are used to determine the optimal trade-off between the number of inverters and the nominal power of each inverter using a heuristic algorithm

Contribution au développement d'outils de conception de machines synchrones à aimants permanents en vue de l'intégration convertisseur-machine : étude des machines électriques double étoile à coupleur magnétique intégré pour une application aéronautique

A l’heure où la distribution de l’énergie électrique reste encore en discussion pour les nouvelles générations d’avions de transports civils ou militaires, une remise en cause du niveau des tensions continues disponibles pourrait porter les bus de tension de 270Vdc à 540Vdc. De fait, les équipementiers devront proposer des produits facilement adaptables à ces deux niveaux de tension. Par ailleurs, la course au rendement nécessite de revoir les systèmes actuels en proposant des versions plus compactes, fonctionnant à des meilleurs niveaux de rendement. L’atteinte de ces objectifs peut passer par une rupture technologique qui devrait s’opérer dans le domaine de la conversion d’énergie avec l’avènement, d’une part, des composants « grand gap », d’autre part, l’exploitation de structures innovantes de convertisseurs de puissance autore configurables. Les systèmes associant plusieurs convertisseurs et plusieurs machines, appelés communément Systèmes Multi-Convertisseurs Multi-Machines (SMCMM), jouent également un rôle prépondérant grâce aux avantages qu’ils présentent tels que, la modularité, la sûreté et l’accroissement de puissance. Néanmoins, si a priori, l’innovation technologique porte sur le convertisseur statique, le rendement d’un système électromécanique alliant convertisseur et machine ne correspond pas en général au produit des rendements de chacun des composants qui le constituent. En effet, le fonctionnement global fait apparaître de nouvelles problématiques. Dans ce contexte, la ligne directrice de ces travaux de recherche porte sur une méthodologie générale et le développement d’outils qui permettent d’étudier ces systèmes dans leur globalité. L’enjeu scientifique de cette étude consiste à adapter au mieux la machine à son convertisseur, optimiser la qualité du couple (amplitude et ondulations), donc à dimensionner et optimiser une machine qui réponde non seulement à la fonction principale visée par l’application, produire un couple mécanique à une vitesse donnée, mais qui satisfasse aussi une, voire plusieurs fonctionnalités requises pour l’utilisation d’onduleurs reconfigurables en tension. Afin de constituer une palette d’outils qui permettra de développer une méthodologie générale d’analyse des SMCMM, un outil de génération et de caractérisation systématique des bobinages et des aimants permanents est développé. Ce premier outil couplé à un modèle de type champ, basé sur la résolution analytique des équations du champ magnétique, est capable de fournir les performances électromagnétiques de la machine en fonction des critères du concepteur. Ensuite, un second outil qui permet d’appliquer la théorie d’une vision de conception par l’adéquation des sources du champ dans une machine, est développé. Nous pouvons alors rechercher la possibilité de maximiser le couple en adaptant, soit les bobinages, soit les aimants permanents. Pour étendre les précédents résultats à un cas général, un problème d’optimisation est formulé. Pour cela, un problème inverse à variables mixtes, relations complexes et non linéaires, est résolu avec un algorithme de type « boîte noire ». Les travaux se focalisent ensuite sur l’intégration de la fonction coupleur magnétique, puis sur la mise en évidence des conditions de fonctionnement optimal d’une machine synchrone à aimants permanents montés en surface et à double étoile (MSAPDE), alimentée par deux convertisseurs en parallèle reconfigurables en tension à commande entrelacée. Cette démarche est une première approche concrète de l’intégration machine convertisseur. Les courants induits dans les parties conductrices de la machine en mouvement sont modélisés afin de vérifier en fonction de la fréquence, leurs effets sur la fonction de coupleur magnétique. Finalement, après des simulations numériques qui permettent d’analyser et de classifier les avantages et les inconvénients de plusieurs solutions de machines, la réalisation de deux démonstrateurs de MSAPDE à coupleur intégré est initié