Active voltage balancing in the intermediate DC-link of a frequency converter

Abstract

This thesis studied how much power dissipation can be reduced using different active balancing circuits in the DC-link of a frequency converter. When a frequency converter DC-link is designed a required voltage rating can be achieved by connecting capacitors in series. Because of their nonidealities such as variation of capacitances and leakage currents the voltage of the DC-link may be divided unequally between the capacitors causing the weakest capacitor to have a higher voltage, age prematurely and have a risk of failing in an overvoltage situation.

Connecting resistors having the same resistance in parallel with capacitors is a widely used balancing method. Even though there were no need to balance the voltages current would flow through the balancing resistors causing power dissipation. The purpose of an active balancing circuit is to operate only when needed which will reduce power dissipation.

The operation of different active balancing circuits was simulated using LTspice software. An existing DC-link in which the balancing is done by resistors was used as a reference. The first step was to measure the total power dissipation of the reference DC-link. Simulations were done for series connections of two and three capacitors.

Based on the simulation results using active balancing can reduce power dissipation which in turn can improve the total energy efficiency of a frequency converter. Depending on the chosen balancing method the drawbacks can be increased space requirement of the components, increased electromagnetic interference, need for a separate discharging circuit and increased costs. It is possible to use the auxiliary power supply of a frequency converter to balance the capacitor voltages. It may be possible to achieve this with minor changes in the existing design.

Työssä tutkittiin, kuinka paljon taajuusmuuttajan välipiirin tehohäviöitä saadaan pienennettyä tasaamalla välipiirin kondensaattorien jännitteet aktiivisten piirien avulla. Suunniteltaessa taajuusmuuttajan välipiiriä vaadittu jännitekestoisuus voidaan saavuttaa kytkemällä kondensaattoreita sarjaan, mutta niiden epäideaalisuuksien, kuten erisuuruisten kapasitanssien ja vuotovirtojen, takia välipiirin jännite voi jakautua epätasaisesti kondensaattorien välillä. Kondensaattori, jonka yli vaikuttaa ylisuuri jännite, voi ikääntyä ennenaikaisesti tai hajota ylijännitetilanteissa.

Laajassa käytössä oleva jännitteiden tasaustapa on kytkeä kondensaattorien rinnalle vastuksia, joilla on yhtä suuri resistanssi. Vaikka jännitteitä ei tarvitsi tasata, vastuksissa kulkee joka tapauksessa virta, joka aiheuttaa tehohäviöitä. Aktiivisen tasauspiirin tarkoitus on toimia vain tarvittaessa, jolloin tehohäviöitä voidaan pienentää.

Aktiivisten tasauspiirien toimintaa simuloitiin käyttämällä LTspice-ohjelmaa. Vertailukohteena käytettiin olemassa olevan välipiirin, jonka kondensaattorien jännitteet tasataan vastuksilla, tehohäviöitä, jotka mitattiin LTspice-ohjelmalla. Simuloinnit tehtiin kahden ja kolmen kondensaattorin sarjaankytkennöille.

Simulointien perusteella aktiivisilla tasauspiireillä voidaan pienentää tehohäviöitä, millä voi olla vaikutusta taajuusmuuttajan kokonaisenergiatehokkuuteen. Riippuen valitusta aktiivisesta tasauspiiristä haittana voi olla komponenttien aiempaa suurempi tilantarve, lisääntyneet elektromagneettiset häiriöt, tarve erilliselle välipiirin purkauspiirille tai lisääntyneet kustannukset. Jännitteiden tasaus on myös mahdollista tehdä taajuusmuuttajan apujännitelähteellä, jolloin toteutus voi vaatia vain vähäisiä muutoksia.