Improving UPS’ static switch performance by the means of control logic and component technology
Pirinen, Kalle (2017)
Diplomityö
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201704136121
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201704136121
Tiivistelmä
A static switch is an electronic switch used to provide an alternate power path to the load to either provide fast and controllable backup power routing in case of inverter failure, overload condition, or to clear a fuse in case of load equipment failure. Traditionally static switch consists of two antiparallel thyristors per phase.
The goal of this thesis is to inspect alternative for thyristors as the switching components of the static switch to improve its performance without affecting the production costs too much On-state losses, power rating, and turn-off time, are used as the meters of perfor-mance. Additionally, control methods are developed to improve static switch performance in some common situations. These include power supply under- and overvoltage, and us-ing 3-phase isolation transformer on the UPS output.
As conclusions, it was discovered that SiC-MOSFETs could be used for similar on-state losses and faster turn-off time, compared to thyristors, but due to high cost of components, it’s not a financially viable option to change the component type used in the static switch assembly.
Based on simulations, two control methods using UPSs inverter, were proposed to mitigate thyristor commutation time. In case of grid undervoltage, the turn-off time of the static switch was reduced from worst case scenario of 10 ms to 1 ms. In case of grid overvolt-age, the turn-off time of the static switch was reduced from worst case scenario of 10 ms to 5.1 ms.
Additionally, based on simulations, a control method was proposed, which eliminates inrush currents on a delta-primary winding 3-phase transformer. The effectiveness of the control method was verified on a test setup. Staattinen ohituskytkin on sähköinen kytkin, jolla voidaan ohittaa UPS:n tehoelektroniikka, ja jonka kautta kuormalle voidaan syöttää suoraan verkkovirtaa esimerkiksi huoltotöiden ajan. Staattinen kytkin koostuu perinteisesti kahdesta vastarinnan kytketystä tyristorista jokaista vaihetta kohden.
Työn tarkoituksena on selvittää, onko staattisen kytkimen kytkinkomponentit mahdollista korvata eri komponenttityypillä suorityskyvyn parantamiseksi tuotantokustannuksia paljoa lisäämättä. Suorituskyvyn mittareina käytetään johtotilan häviöitä, komponentin tehonkestoa sekä poiskytkentäaikaa. Lisäksi työssä tarkastellaan simulaatioiden pohjalta ohjausmenetelmiä, joilla nykyisen staattisen kytkimen suorituskykyä voidaan parantaa havaittaessa verkon ali- tai ylijännite, sekä käytettäessä kolmivaiheista erotusmuuntajaa laitteen lähdössä.
Työn tuloksena saatiin selville, että piikarbidi-MOSFET:llä staattisen ohituskytkimen poiskytkentäaikaa saataisiin nopeutettua ja johtotilan häviöitä saataisiin samalle tasolle verrattuna tyristoriin, mutta komponenttityypin vaihtaminen ei ole taloudellisesti kannattavaa.
Simulaatioiden pohjalta esitettiin ohjausalgoritmit staattisen ohituskytkimen kommutoinniksi UPS:n vaihtosuuntaajan avustuksella. Alijännitteen tapauksessa poiskytkentäaika saatiin vähennettyä pahimman tapauksen 10 ms:sta 1 ms:iin, ylijännitteen tapauksessa 10 ms:sta 5,1 ms:iin.
Lisäksi simulaatioden pohjalta esitettiin ohajusmenetelmä, jolla kolmioensiöisen kolmivaihemuuntajan käynnistysvirtapiikki saadaan eliminoitua. Ohjausmenetelmän toiminta varmistettiin testaamalla sitä testilaitteistolla.
The goal of this thesis is to inspect alternative for thyristors as the switching components of the static switch to improve its performance without affecting the production costs too much On-state losses, power rating, and turn-off time, are used as the meters of perfor-mance. Additionally, control methods are developed to improve static switch performance in some common situations. These include power supply under- and overvoltage, and us-ing 3-phase isolation transformer on the UPS output.
As conclusions, it was discovered that SiC-MOSFETs could be used for similar on-state losses and faster turn-off time, compared to thyristors, but due to high cost of components, it’s not a financially viable option to change the component type used in the static switch assembly.
Based on simulations, two control methods using UPSs inverter, were proposed to mitigate thyristor commutation time. In case of grid undervoltage, the turn-off time of the static switch was reduced from worst case scenario of 10 ms to 1 ms. In case of grid overvolt-age, the turn-off time of the static switch was reduced from worst case scenario of 10 ms to 5.1 ms.
Additionally, based on simulations, a control method was proposed, which eliminates inrush currents on a delta-primary winding 3-phase transformer. The effectiveness of the control method was verified on a test setup.
Työn tarkoituksena on selvittää, onko staattisen kytkimen kytkinkomponentit mahdollista korvata eri komponenttityypillä suorityskyvyn parantamiseksi tuotantokustannuksia paljoa lisäämättä. Suorituskyvyn mittareina käytetään johtotilan häviöitä, komponentin tehonkestoa sekä poiskytkentäaikaa. Lisäksi työssä tarkastellaan simulaatioiden pohjalta ohjausmenetelmiä, joilla nykyisen staattisen kytkimen suorituskykyä voidaan parantaa havaittaessa verkon ali- tai ylijännite, sekä käytettäessä kolmivaiheista erotusmuuntajaa laitteen lähdössä.
Työn tuloksena saatiin selville, että piikarbidi-MOSFET:llä staattisen ohituskytkimen poiskytkentäaikaa saataisiin nopeutettua ja johtotilan häviöitä saataisiin samalle tasolle verrattuna tyristoriin, mutta komponenttityypin vaihtaminen ei ole taloudellisesti kannattavaa.
Simulaatioiden pohjalta esitettiin ohjausalgoritmit staattisen ohituskytkimen kommutoinniksi UPS:n vaihtosuuntaajan avustuksella. Alijännitteen tapauksessa poiskytkentäaika saatiin vähennettyä pahimman tapauksen 10 ms:sta 1 ms:iin, ylijännitteen tapauksessa 10 ms:sta 5,1 ms:iin.
Lisäksi simulaatioden pohjalta esitettiin ohajusmenetelmä, jolla kolmioensiöisen kolmivaihemuuntajan käynnistysvirtapiikki saadaan eliminoitua. Ohjausmenetelmän toiminta varmistettiin testaamalla sitä testilaitteistolla.