M.Ing. (Electrical and Electronic Engineering) / In order to increase the overall performance and reduce the cost of power electronic converters, a new technology for the manufacturing of such converters is needed. The aim of this work is to investigate the possibility of the application of planar integrated manufacturing technology, to power electronic converters. A proposal of the definitions, terminology and graphical representation of the integrated structure is discussed together with some examples. A zero-voltage-switching PWM DC-DC converter is used as a case study. A conventionally constructed converter, using conventional component technology is designed and constructed, after a complete mathematical analysis of the converter topology. A similar converter is designed and constructed using the planar integrated manufacturing technology. Full design details and procedures are given for both converters. The two manufacturing technologies are then compared from the point of view of electrical performance, as well as some other aspects.

No description available.

This thesis provides insight into quantitative accuracy assessment of the modeling and simulation of power electronic converters. Verification, Validation, and Uncertainty quantification (VVandUQ) provides a means to quantify the disagreement between computational simulation results and experimental results in order to have quantitative comparisons instead of qualitative comparisons. Due to the broad applications of modeling and simulation in power electronics, VVandUQ is used to evaluate the credibility of modeling and simulation results. The topic of VVandUQ needs to be studied exclusively for power electronic converters. To carry out this work, the formal procedure for VVandUQ of power electronic converters is presented. The definition of the fundamental words in the proposed framework is also provided. The accuracy of the switching model of a three-phase Voltage Source Inverter (VSI) is quantitatively assessed following the proposed procedure. Accordingly, this thesis describes the hardware design and development of the switching model of the three-phase VSI. / Master of Science

<p>This thesis tries to explain the changes in the control of power electronic converters that are possible by the use of communication. Many of the renewable energy sources such as photovoltaic panels are geographically dispersed. The power rating per generator is therefore typically low. If this kind of energy source should dominate an electrical grid, the number of generators must be high. There should also be means of controlling this large number of generators simultaneously and safely. The cost of safe communication may be too high compared to the power contribution of a single generator. The Internet offers a low-cost solution, but it cannot guarantee real-time properties. Similarly to the Internet itself, it is shown how communication errors can be detected and handled in a safe manner by the end-system, in this case the generator. The generator can detect a communication timeout, and change control algorithms in order to guard itself and the connected electricity grid. When necessary, it can also disconnect and work as a local standalone power supply. In order to be able to supply all kinds of loads, the generator (in this case an inverter) is primarily voltage controlled. This results in challenges concerning current distortion. The use of feed-forward for cancellation of common grid voltage harmonics is discussed, simulated and measured. An anti-islanding algorithm for voltage controlled inverters is also developed, simulated and measured in this thesis. A DC/DC-converter for optimized connection of a photovoltaic panel is built, exploiting the photovoltaic panel properties to reduce the size and the losses significantly. Although most contributions are connected to details and parts of the system, the interactions between communication and control are emphasized.</p>

This thesis tries to explain the changes in the control of power electronic converters that are possible by the use of communication. Many of the renewable energy sources such as photovoltaic panels are geographically dispersed. The power rating per generator is therefore typically low. If this kind of energy source should dominate an electrical grid, the number of generators must be high. There should also be means of controlling this large number of generators simultaneously and safely. The cost of safe communication may be too high compared to the power contribution of a single generator. The Internet offers a low-cost solution, but it cannot guarantee real-time properties. Similarly to the Internet itself, it is shown how communication errors can be detected and handled in a safe manner by the end-system, in this case the generator. The generator can detect a communication timeout, and change control algorithms in order to guard itself and the connected electricity grid. When necessary, it can also disconnect and work as a local standalone power supply. In order to be able to supply all kinds of loads, the generator (in this case an inverter) is primarily voltage controlled. This results in challenges concerning current distortion. The use of feed-forward for cancellation of common grid voltage harmonics is discussed, simulated and measured. An anti-islanding algorithm for voltage controlled inverters is also developed, simulated and measured in this thesis. A DC/DC-converter for optimized connection of a photovoltaic panel is built, exploiting the photovoltaic panel properties to reduce the size and the losses significantly. Although most contributions are connected to details and parts of the system, the interactions between communication and control are emphasized.

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The use of power electronic converters provides a more efficient, accurate and dynamic solution to reactive compensation. In this thesis the application of power electronic converters to shunt reactive compensation will be discussed. In particular voltage dips and voltage unbalance are considered as both can be mitigated by means of shunt reactive compensation. A pre-existing uninterruptible power supply is adapted to operate as a shunt reactive compensator. The uninterruptible power supply consists of a 250 kVA three phase voltage source inverter. The modifications are limited to software and control algorithms that do not alter the normal operation of the uninterruptible power supply. Control algorithms are designed and discussed in detail. A typical double loop control strategy is implemented on the power electronic converter. The inner loop consists of a dead-beat current controller. The outer loop consists of three proportional and integral controllers controlling the DC-bus voltage, AC voltage and voltage unbalance respectively. Voltage dips and unbalance are compensated for using only reactive power. Focus is placed on producing a result can be used easily in practice. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Drywings elektroniese omsetters wat gebruik word vir newe reaktiewe kompensasie lewer meer effektiewe, akkurate en dinamiese resultate. In hierdie tesis word die toepassing van drywings elektroniese omsetters vir newe reaktiewe kompensasie bespreek. Daar word meer spesifiek na spannings duike en spannings wanbalans gekyk aangesien albei met newe reaktiewe kompensasie verminder kan word. ’n Bestaande nood kragbron is aangepas om as n newe reaktiewe kompenseerder te funksioneer. Die nood kragbron bestaan hoofsaaklik uit ’n 250 kVA drie fase omsetter spanningsbron. Die aanpassings is beperk tot sagteware en beheer algoritmes wat nie die oorspronklike funksionaliteit van die nood krag bron beinvloed nie. Beheer algoritmes word ontwerp en deeglik bespreek. ’n Tipiese dubbel lus beheer strategie word op die drywings elektroniese omsetter toegepas. Die binnelus bestaan uit ’n voorspellende stroom beheerder. Die buite-lus bestaan uit drie proportioneel en integraal beheerders wat onderskeidelik die GS-bus spanning, WS spanning en spanning wanbalans reguleer. Spannings duike en wanbalans is verminder deur slegs reaktiewe drywing te gebruik. Die doel was ook om ’n prakties bruikbare resultaat te lewer.

Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη μείωση της αέργου ισχύος και των απωλειών σε συστήματα μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία περιέχουν ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Ως γνωστόν, συνήθως, όταν χρησιμοποιούνται ελεγχόμενοι μετατροπείς ισχύος για τον έλεγχο ηλεκτρικών και ηλεκτρομηχανικών μεγεθών, επέρχεται μείωση του συντελεστή ισχύος και του βαθμού απόδοσης. Για να επιτευχθεί υψηλός συντελεστής ισχύος, συνήθως, χρησιμοποιούνται τεχνικές παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του εκάστοτε μετατροπέα, οι οποίες λειτουργούν με υψηλή διακοπτική συχνότητα. Μ’ αυτό τον τρόπο μειώνεται η άεργος ισχύς, με αποτέλεσμα να μειώνεται και το συνολικό ρεύμα που ρέει από το δίκτυο παροχής της ηλεκτρικής ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι απώλειες του δικτύου, αλλά αυξάνονται οι απώλειες του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Στην εργασία αυτή μελετάται εκτενώς η επίδραση της διακοπτικής συχνότητας επί του συνολικού συντελεστή ισχύος και επί του βαθμού απόδοσης. Προσδιορίζεται η διακοπτική συχνότητα, για την οποία επιτυγχάνεται ο υψηλότερος δυνατός συντελεστής ισχύος και βαθμός απόδοσης. Αυτή η συχνότητα εξαρτάται άμεσα από το παθητικό φίλτρο ανώτερων αρμονικών, που συνήθως είναι τοποθετημένο στην είσοδο του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Η διερεύνηση για την εύρεση της διακοπτικής συχνότητας για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τη μέγιστη δυνατή τιμή, πραγματοποιείται για ένα μονοφασικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή με διπλή κατεύθυνση ρεύματος. Στις περισσότερες εφαρμογές, στις οποίες υπάρχει ένα δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης, λόγω της φύσεως των φορτίων δημιουργείται καθυστέρηση του ρεύματος ως προς την τάση του δικτύου αυτού. Ένα από τα σημαντικά θέματα που πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η αναίρεση αυτής της καθυστέρησης μέσω κατάλληλης έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Η καταλληλότητα αυτής της τεχνικής παλμοδότησης εξετάζεται τόσο για την περίπτωση ενός μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης (Ε.Τ.) σε συνεχή τάση (Σ.Τ.), όσο και για έναν ελεγχόμενο μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη σταθερής συχνότητας λειτουργίας. Κατά τον έλεγχο της λειτουργίας ορισμένων φορτίων μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος εμφανίζονται ανώτερες αρμονικές στο ρεύμα του δικτύου με χαμηλές συχνότητες (π.χ. 150 Hz). Στη διατριβή αυτή μελετάται η μείωση αυτών μέσω της έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο σήμα που αποτελεί τη βάση της δημιουργίας των παλμών έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Συγκεκριμένα, το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την εισαγωγή και τους στόχους της διατριβής. Το δεύτερο κεφάλαιο περιλαμβάνει τους απαραίτητους ορισμούς βασικών ενεργειακών μεγεθών καθώς και τον προσδιορισμό των προβλημάτων, η λύση των οποίων αποτελεί το σκοπό της παρούσας διατριβής. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με τη σύγκριση των τυπικότερων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τύπου μονοφασικής γέφυρας με κριτήρια το συντελεστή ισχύος και το βαθμό απόδοσης. Επίσης, προτείνεται η χρήση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος Ε.Τ. σε Σ.Τ. διπλής κατεύθυνσης ρεύματος, ο οποίος πλεονεκτεί έναντι των συνήθως χρησιμοποιούμενων και μπορεί να θεωρηθεί κατάλληλος για εφαρμογές στα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς για την αντιστροφή ισχύος π.χ. κατά την πέδηση αυτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνάται η τεχνική παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων ενός μετατροπέα και προτείνεται εκείνη για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τις υψηλότερες δυνατές τιμές. Στο πέμπτο κεφάλαιο προτείνεται μία μεθοδολογία, μέσω της οποίας καθορίζεται η τιμή των στοιχείων του παθητικού φίλτρου και της διακοπτικής συχνότητας, για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν ταυτόχρονα τις μέγιστες δυνατές τιμές. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική διερεύνηση επιβεβαιώνοντας έτσι τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος, τα τροφοδοτικά καθώς και οι επαγωγές των φίλτρων σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας στο πλαίσιο της εκπόνησης της παρούσας διατριβής. Στο έβδομο κεφάλαιο προτείνεται η χρήση μιας τεχνικής παλμοδότησης, με την οποία αναιρείται η καθυστέρηση της βασικής αρμονικής ως προς την τάση του δικτύου. Η τεχνική αυτή στην παρούσα διατριβή ονομάζεται α-sPWM. Με τη χρήση της μεθόδου αυτής βελτιώνεται ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης. Η μελέτη της εφαρμογής της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM πραγματοποιείται μέσω προσομοίωσης και μέσω πειραματικών μετρήσεων. Στο όγδοο κεφάλαιο μελετάται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής παλμοδότησης σε ένα σύστημα, το οποίο αποτελείται από ένα διακοπτικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση σταθερής συχνότητας λειτουργίας αλλά μεταβαλλόμενης ενεργού τιμής. Στο ένατο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης για το προηγούμενο σύστημα, του οποίου ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τον υποψήφιο στο Εργαστήριο. Στο δέκατο κεφάλαιο προτείνεται μία μέθοδος έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο ρεύμα της πηγής μέσω των παλμών έναυσης της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM για την αναίρεση των σημαντικότερων ανώτερων αρμονικών του ρεύματος αυτής. Αυτές οι αρμονικές είναι μικρά πολλαπλάσια της συχνότητας της πηγής και δεν είναι εύκολο να απορροφηθούν από το παθητικό φίλτρο στην πλευρά του δικτύου εναλλασσόμενης τάσης λόγω του μεγάλου μεγέθους των στοιχείων αυτού. Στη συνέχεια προτείνεται ένας τρόπος προσδιορισμού του πλάτους της εκάστοτε προς αναίρεση ανώτερης αρμονικής του ρεύματος, της οποίας η συχνότητα είναι γνωστή. Στο ενδέκατο κεφάλαιο διατυπώνονται τα συμπεράσματα και η συμβολή της διατριβής, στο δωδέκατο μία σύντομη περίληψη και στο δέκατο τρίτο παρατίθεται η βιβλιογραφία. Στο τέλος της διατριβής περικλείεται μία σύντομη περίληψη στα Αγγλικά. / This Ph.d. dissertation deals with the reactive power and power losses reduction. It is well known that the use of a power electronic converter to control the output electrical and electromechanical variables is the best choice. In this case the power electronic converter causes influences on the power efficiency and on the power factor. If the converter’s switching frequency is low (e.g. 50 Hz), the power efficiency is high but the power factor is significant low. On the contrary, by increasing the switching frequency of the semiconductor converter elements the power factor increases while the converter’s efficiency decreases. In this work a study of the switching frequency influence on the power factor and on the power efficiency is curried out. From the results we can determine a frequency by which both the efficiency and the power factor get optimal. This frequency depends on the converter’s input passive filter. For the investigation a controlled bidirectional AC-DC converter is used. Which enables the achieve of high power factor. Τhis work also deals with a switching technique to eliminate the phase angle between the grid’s voltage and the current basic harmonic. The idea is to remove this phase angle through the converter switching pulses. The effect of the proposed switching technique on the power factor and the power efficiency has been investigated for an AC-DC converter as well as for an AC-AC converter. Usually, to control a load through a power electronic converter some high order harmonics with low frequency are generated (e.g 150 Hz). It is well known that it is not easy to eliminate these high order harmonics. In the present work this is curried out through a current injection technique. The idea is to inject the required current harmonic through the converter switching pulses. In this thesis the studied issues were mainly realized through simulation (using the program Matlab/Simulink) as well as experimentally. For the experimental work the prototype converters and the electrical devises were designed and constructed in the laboratory.

No description available.

M. Tech. (Engineering: Electrical, Department Electronic Engineering, Faculty of Engineering and Technology), Vaal University of Technology / The global trends towards energy efficiency have facilitated the need for technological advancements in the design and control of power electronic converters for energy processing. The proposed design is intended to make the practical implementation of converters easier. The development of a universal bidirectional galvanic isolated switch module will be used to drive any MOSFET or IGBT in any position in any topology whether the load is AC or DC. Semiconductor switches are required and are also integrated for fast switching times in power converter applications The structure of the power switch module consists of an opto-coupler which will provide an isolation barrier for maximum galvanic isolation between the control circuitry and power stage. It also consists of a high performance gate drive circuit for high speed switching applications with a floating supply. / Telkom South Africa Ltd, TFMC Pty Ltd, M-TEC, THRIP

De nombreux systèmes utilisent des convertisseurs électroniques de puissance fonctionnant en modulation de largeur d'impulsions (MLI) comme organe de réglage ou de commande. On peut en particulier citer les entraînements à vitesse variable, les alimentations à découpage ou les filtres actifs. L'objectif du travail est de contribuer à l'étude en temps discret du fonctionnement de ces systèmes lorsqu'ils sont munis d'une commande numérique dont la période d'échantillonnage est synchronisée sur la période de modulation de largeur d'impulsions. Pour cela nous avons développé une méthode originale qui consiste à écrire les équations différentielles qui décrivent la dynamique du système en remplaçant sur chaque période de modulation les fonctions binaires qui représentent les états successifs (ON ou OFF) des semi-conducteurs de puissance par un développement limité en série de Fourier. En introduisant de manière judicieuse dans les équations différentielles du système, des termes harmoniques des fonctions binaires qui décrivent les états des interrupteurs, cette manière de procéder nous a permis de décomposer l'étude en deux étapes : · dans une première étape en limitant le développement en série de Fourier des fonctions binaires décrivant les états des interrupteurs à leur premier terme (c'est-à-dire à leurs valeurs moyennes) nous avons construit un modèle discret d'ordre zéro qui rend compte de l'effet moyen de la découpe MLI, · dans une deuxième étape nous avons construit un modèle dynamique approché de l'écart existant entre le modèle d'ordre zéro et le modèle détaillé du système. Ce modèle fournit une bonne estimation des ondulations induites par la découpe MLI dans les grandeurs du système. Pour le cas des entraînements par moteurs synchrones à aimants permanents alimentés par onduleurs de tension nous avons ainsi pu mettre en évidence que l'étude de la stabilité des boucles des courants du moteur à partir du modèle d'ordre zéro reste valable en présence des ondulations dues à la MLI pour autant qu'on utilise une MLI symétrique avec rafraîchissement des références une fois par période. / Nowadays, a large number of systems are using Pulse Width Modulation (PWM) Power Electronic Converters as control part. These systems can, for example, be variable-speed drives, switching power supplies or active filters. The goal of this work is to contribute to the study of operation of this type of system when they are equipped with a digital control part of which the sampling period is synchronized on the modulation one. After having shown how the equations of these systems can be written down and indicated how their evolution in closed loop operation can be described by using iterative maps, we have tried to develop an approach which allows simplifying this study. The iterative map method has been used in order to take into account the “sequential “character of these systems, i.e. the fact that the control signals are sequences of events which correspond to the changes of the state of the converter semiconductor switches. Therefore we have developed an original method which consists in replacing on each modulation period, in the differential equations describing the system dynamics, the binary functions representing the successive ON or OFF states of the power semiconductors, by a limited Fourier series development of these functions. This method has allowed splitting the study of these systems into two steps: • in the first step a “zero order” model was built. This first model, which provides the average effect of the PWM pulse pattern, has been obtained by limiting the Fourier series development of the binary functions describing the states of the converter switches, to their first term, the one corresponding to their average values on the PWM period, • in the second step we have introduced an approached dynamic model characterising the error between the zero order model and the exact model of the system. This model was built by considering a well chosen number of harmonic terms of the binary functions describing the ON-OFF states of the switches in the differential equations of the system. By combining the error model and the zero order model we have been able to estimate in which measure the ripples induced by the PWM modulation affect the results of the system stability study made by using the zero order model. For the case of Permanent Magnets Synchronous Motors fed by Voltage Source Inverters we have shown that the study of the stability of the motor currents loops made with the zero order model remains valid in the presence of ripples induced by the PWM, as long as a symmetrical modulation is used, with references which are refreshed one time on each switching period.