This thesis project focuses on the simulation, design, hardware realization, and performance evaluation of a Three-phase Three-level (3-L) Sparse Neutral Point Clamped Converter (SNPCC) for Industrial Variable Speed Drives (VSDs). The basic operating principle of the SNPCC is briefly described based on switching functions. Accordingly, the modulation strategies as a combination of switching sequences are introduced. Three representative strategies are selected to be verified in this project. Afterward, active and passive components are selected based on analytical analysis mainly focusing on semiconductors losses, AC-side differential mode and common mode stresses. Meantime, the analytical analysis enables a straightforward performance comparison among the selected modulation strategies. Additionally, the reverse recovery process in the anti-parallel diode is identified, of which the energy losses are calculated. A calorimetric method is adopted in this project, which allows accurate temperature rise monitoring and provides a reliable way to measure the power losses generated by semiconductors. Eventually, an 800V 7.5kW prototype is constructed and put under test. The performance of the designed SNPCC is therefore evaluated and compared from losses and AC-side flux-linkage ripples perspectives, with the promising features highlighted and limits indicated. / Projektet fokuserar på simulering, konstruktion, hårdvarutillverkning och utvärdering av en trefas tre-nivå (3-L) Sparse Neutral Point Clamped Converter (SNPCC) för industriella varvtalsstyrda motordrifter (VSD). SNPCC:s grundläggandefunktionsprincip beskrivs kortfattat utifrån så kallade switchningsfunktioner. Därefter introduceras moduleringsstrategierna som en kombination av switchningssekvenser. Tre representativa strategier har valts ut för att verifieras i detta projekt. Därefter väljs aktiva och passiva komponenter på grundval av en analys som främst fokuserar på halvledarförluster och ledningsbundna störningar på växelsströmssidan. Analysen gör det möjligt att göra en enkel jämförelse av prestanda mellan de valda moduleringsstrategierna. Dessutom identifieras body-diodens återhämtningsprocess och energiförlusterna beräknas. I detta projekt används en kalorimetrisk förlustberäkning, som möjliggör noggrann övervakning av temperaturökningen och ger ett tillförlitligt sätt att mäta energiförlusterna i effekthalvledarna. Slutligen konstrueras och testas en 800V 7.5kW-prototyp. Prestandan hos den konstruerade SNPCC:n utvärderas med hänseende till förluster och flödesrippel på växelströmssidan. Fördelarna för den föreslagna tekniken lyfts fram och begränsningarna anges.

Energy efficiency in electric machines is both environmentally and economically important. Water pumps with an integrated Variable Frequency Drive (VFD) and a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) have challenged the status quo of the Induction Machine (IM) for water pumps. The Synchronous Reluctance Machine (SynRM) is also a viable alternative that does not use permanent magnets. This degree project focuses on the control of SynRM, with particular attention on sensorless control methods. Simulation models for a SynRM and a Surface Permanent Magnet Synchronous Machine (SPMSM), together with their control systems, were developed in MATLAB Simulink. Two sensorless control methods were implemented and examined: the Luenberger state observer and the Model Reference Adaptive System (MRAS). The control system was adapted to use sensorless control methods. The investigated sensorless control methods allowed the application of the speed-torque test profile for two method and motor type combinations, without causing instability. The Luenberger observer was stable with the SPMSM and the MRAS with the SynRM. Parameter sensitivity with respect to the variation of inductance and stator resistance values used by the sensorless methods was also tested. The Luenberger observer kept the control system stable with up to a ±5 % variation of inductance. The MRAS kept the control system stable down to −12 %, but only up to +2 % for an overestimation of the inductance. The variation of stator resistance had a limited impact on the stability of both sensorless schemes. / Energieffektivisering av elektriska maskiner är betydelsefullt både ur ett miljömässigt och ekonomiskt perspektiv. Vattenpumpar med en synkron permanentmagnetsmaskin och en integrerad enhet för variabel hastighetsreglering (VFD) utmanar den mer konventionella lösningen baserad på en asynkronmaskin (IM). Den synkrona reluktansmaskinen (SynRM) är ett annat lämpligt alternativ som inte använder permanentmagneter. Det här examensarbetet behandlar huvudsakligen sensorlös reglering av SynRM. Simuleringsmodeller för reglering av en SynRM och en permanentmagnetiserad synkronmaskin med ytmonterade magneter (SPMSM) utvecklades i MATLAB Simulink. Två metoder för sensorlös reglering undersöktes, en på Luenbergers tillståndsobservatör och en baserad på adaptiv modellreferensreglering (MRAS). Systemet för reglering anpassades till metoderna för sensorlös reglering. De undersökta sensorlösa metoderna testades vid nominell hastighet med steg i vridmoment och hastighet. Luenberger observatören kunde köras med bibehållen stabilitet med en SPMSM och MRAS kördes med en SynRM, också den med bibehållen stabilitet. Även känsligheten för variationer i induktans och statorresistans för de sensorlösa reglermetoderna testades. Luenberger observatören kunde bibehålla stabiliteten med en variation i induktans på ±5 %. MRAS kunde bibehålla stabiliteten ner till en estimering av induktansen på −12 % av induktansen. På uppsidan nådde dock MRAS stabilitet endast upp till en överestimering av induktansen på 2 %. Felestimering av statorresistansen hade minimal påverkan på stabiliteten för båda sensorlösa reglermetoderna.

In high power induction motor drives, the switching frequency of the inverter is quite low due to the high losses in the power devices. Real-time PWM strategies, which result in reduced harmonic distortion under low switching frequencies and have maximum possible DC bus utilisation, are developed for such drives in the present work. The space vector approach is taken up for the generation of synchronised PWM waveforms with 3-Phase Symmetry, Half Wave Symmetry and Quarter Wave Symmetry, required for high-power drives. Rules for synchronisation and the waveform symmetries are brought out. These rules are applied to the conventional and modified forms of space vector modulation, leading to the synchronised conventional space vector strategy and the Basic Bus Clamping Strategy-I, respectively. Further, four new synchronised, bus-clamping PWM strategies, namely Asymmetric Zero-Changing Strategy, Boundary Sampling Strategy-I, Basic Bus Clamping Strategy-II and Boundary Sampling Strategy-II, are proposed. These strategies exploit the flexibilities offered by the space vector approach like double-switching of a phase within a subcycle, clamping of two phases within a subcycle etc. It is shown that the PWM waveforms generated by these strategies cannot be generated by comparing suitable 3-phase modulating waves with a triangular carrier wave. A modified two-zone approach to overmodulation is proposed. This is applied to the six synchronised PWM strategies, dealt with in the present work, to extend the operation of these strategies upto the six-step mode. Linearity is ensured between the magnitude of the reference and the fundamental voltage generated in the whole range of modulation upto the six-step mode. This is verified experimentally. A suitable combination of these strategies leads to a significant reduction in the harmonic distortion of the drive at medium and high speed ranges over the conventional space vector strategy. This reduction in harmonic distortion is demonstrated, theoretically as well as experimentally, on a constant V/F drive of base frequency 50Hz for three values of maximum switching frequency of the inverter, namely 450Hz, 350Hz and 250Hz. Based on the notion of stator flux ripple, analytical closed-form expressions are derived for the harmonic distortion due to the different PWM strategies. The values of harmonic distortion, computed based on these analytical expressions, compare well with those calculated based on Fourier analysis and those measured experimentally.

This thesis is an effort to investigate the operation and the performanceof modular multilevel converters (M2Cs). Proven to be the most promisingtopology in high-voltage high-power applications, it is necessary to put aneffort in understanding the physical laws that govern the internal dynamicsof such converters, in order to design appropriate control methods. AlthoughM2Cs belong to the well-studied family of voltage-source converters (VSCs),and claim a modular structure, their control is significantly more complicatedcompared to two- or three-level VSCs, due to the fact that a much highernumber of switches and capacitors are needed in such a topology. This thesishighlights the important parameters that should be considered when designingthe control for an M2C, through analyzing its internal dynamics, and alsosuggests ways to control such converters ensuring stable operation withoutcompromising the performance of the converter.Special focus is given on ac motor-drive applications as they are very demandingand challenging for the converter performance. Interactions betweenthe internal dynamics and the dynamics of the driven motor are experimentallyinvestigated. The problem of operating the converter when connectedto a motor standing still is visited, even under the condition that a greatamount of torque and current are requested, in order to provide an idea forthe converter requirements under such conditions. Finally, an optimization ofthe converter operation is suggested in order to avoid overrating the convertercomponents in certain operation areas that this is possible.All analytical investigations presented in this thesis are confirmed by experimentalresults on a laboratory prototype converter, which was developedfor the purposes of this project. Experimental verification proves the validityof the theoretical investigations, as well as the correct performance of thecontrol methods developed during this project on a real, physical converter,hoping that the results of this thesis will be useful for large-scale implementations,in the mega- or even giga-watt power range. / Denna avhandling är ett försök att undersöka drift och egenskaper avmodulära multinivåomvandlare (M2C:er). Eftersom denna topologi anses varaden mest lovande inom högspänings-högeffekt-tillämpningar är, och somett underlag för att kunna formulera lämpliga styrmetoder, är det nödvändigtatt lägga kraft i att försöka förståde fysikaliska lagar som styr den inredynamiken i sådana omvandlare. Även om M2C:erna tillhör den välstuderadefamiljen av spänningsstyva omvandlare (VSC:er), och har en modulärstruktur, är deras reglering avsevärt mer komplicerad jämfört med två- ellertre-nivåomvandlare, eftersom ett mycket större antal switchar och kondensatorerär nödvändiga i en sådan topologi. Denna avhandling sätter fingretpå de parametrar som måste beaktas när man konstruerar regleringen för enM2C, genom att analysera den interna dynamiken, samt att föreslå sätt attstyra sådana omvandlare såatt stabil drift kan säkerställas utan att negativtpåverka prestanda.Ett speciellt fokus läggs på växelströmsmotordrifter eftersom de är särskiltutmanande vad gäller prestanda. Växelverkan mellan den interna dynamikenoch motorns dynamik undersöks experimentellt. Problemet att driva motornvid stillestånd behandlas även i fallet med hög ström och högt moment för atterhålla kunskap om kraven påomvandlaren i sådana fall. Slutligen föreslås enoptimering av omvandlarens drifttillstånd för att undvika överdimensioneringav omvandlarens komponenter i de fall detta är möjligt.Alla analytiska undersökningar som läggs fram i denna avhandling är bekräftadegenom experimentella resultat från en laboratorieomvandlare, somutvecklats inom ramen för detta arbete. Den experimentella verifieringen bevisargiltigheten av alla teoretiska undersökningar. Den visar också på demycket goda prestanda som de utvecklade styrmetoderna har vid drift aven verklig fysisk omvandlare. Förhoppningen är att resultaten från detta arbetekan komma till använding i storskaliga implementerinar i mega- ellergiga-wattklassen. / <p>QC 20141201</p>