Multilevel voltage source inverters in medium voltage drives

Abstract

This bachelor’s thesis makes literature review in to medium-voltage drive markets and the objective of this study is to find out what kind of multilevel inverter topologies are used in medium voltage drives today. This study also investigates the traditional medium voltage inverter topologies and how those different topologies work and what are the pros and cons in them. Main sources of information used in this study are scientific articles and literature. This study also uses material provided by manufactures. The main benefit of using multilevel inverters in medium voltage drive systems is that multilevel inverter improves the quality of output voltage waveform which is fed into the motor. This increases the lifespan of motors and increases productivity of the process. Multilevel inverters also increase the total efficiency of the drive system. The most used inverter topologies in the medium voltage drive markets are NPC and ANPC and the most used switching device is IGBT. Market review suggests that FC topology is not used in the medium voltage drives alone anymore. It has found its place as a part of hybrid topologies which have developed enough to reach into the markets. The development of hybrid topologies has led to that M2C topology is found in the medium voltage dive markets today and ANPC has become more and more used in medium voltage converters.

Tässä kandidaatin työssä on tavoitteena selvittää, millaisia monitasoisia vaihtosuuntaajia käytetään keskijännitteisissä sähkökäytöissä. Työssä tutustutaan perinteisten monitasoisten vaihtosuuntaajien rakenteisiin, niiden toimintaperiaatteeseen sekä hyviin ja huonoihin puoliin. Työssä tutkitaan myös millaisia monitasoisia vaihtosuuntaajarakenteita eri valmistajat käyttävät keskijännitealueelle tarkoitetuissa taajuusmuuttajissaan. Tutkimus on suoritettu käyttäen tutkimusmenetelmänä kirjallisuustutkimusta, tieteellisiä artikkeleja, kirjoja sekä valmistajien tuottamaa materiaalia. Monitasoisten vaihtosuuntaajien etuna on parempilaatuisen syöttöjännitteen luominen säädettävälle moottorille, mikä pidentää moottorin elinikää ja parantaa tehokuutta sekä koko käytön hyötysuhdetta. Markkinoilla käytetyin vaihtosuuntaaja on NPC ja ANPC. Suosituin kytkinkomponentti on IGBT. Markkinatutkimuksen perusteella on nähtävissä, että FC topologian vaihtosuuntaajia käytetään oikeastaan enää vain hybridivaihtosuuntaajien yhtenä osana. Hybridivaihtosuuntaajien kehityksen myötä M2C on kehittynyt markkinoille asti yltäneeksi tuotteeksi ja ANPC vaihtosuuntaajan viisitasoinen hybridiversio on yleistynyt taajuusmuuttajissa.