In this paper, an analysis of power losses for the three-level T-type and neutral-point clamped (NPC) PWM inverters is presented, in which the conduction and switching losses of semiconductor devices of the inverters are taken into account. In the inverter operation, the conduction loss depends on the modulation index (MI) and power factor (PF), whereas the switching loss depends on the switching frequency. Power losses for the T-type and NPC inverters are analyzed and calculated at the different operating points of MI, PF and the switching frequency, in which the four different models of semiconductor devices are adopted. In the case of lower MI, the NPC-type is more efficient than the T-type, and vice versa. The validity of the power loss analysis has been verified by the simulation results.
본 논문에서는 전철 구동용 견인 전동기의 구동을 위한 과변조 영역에서의 NPC형 3-레벨 인버터의 출력전압 선형화 기법을 제안한다. 과변조 영역은 Modulation Index: MI에 따라서 2가지 모드로 나누었으며 과변조영역 I에서는 퓨리에 시리즈를 통한 기본파성분의 크기로 유도된 reference angle을 사용하였다. 과변조영역 II에서는 과변조영역 I과 같은 방법으로 holding angle을 구하여 사용하였다. 이 두 가지 과변조기법을 통하여 PWM 인버터 출력전압을 1펄스 모드까지 선형적으로 획득할 수 있다.
Multilevel Inverters (MLIs) are widely used in medium voltage applications due to their various advantages. In addition, there are numerous types of MLIs for such applications. However, the diode-less 3-level (3L) T-type Neutral Point Clamped (NPC) MLI is the most advantageous due to its low conduction losses and high potential efficiency. The power circuit of a 3L T-type NPC is derived by the conventional two level inverter by a slight modification. In order to explore the MLI performance for various Pulse Width Modulation (PWM) schemes, this paper examines the operation of a 3L (five level line to line) T-type NPC MLI for various types of Multi-Carriers Pulse Width Modulation (MCPWM) schemes. These PWM schemes are compared in terms of their voltage profile, total harmonic distortion (THD) and conduction losses. In addition, a 3L T-type NPC MLI is also compared with the conventional NPC in terms of number of switches, clamping diodes, main diodes and capacitors. Moreover, the capacitor-balancing problem is also investigated using the Neutral Point Fluctuation (NPF) method with all of the MCPWM schemes. A 1kW 3L T-type NPC MLI is simulated in MATLAB/Simulink and implemented experimentally and its performance is tested with a 1HP induction motor. The results indicate that the 3L T-type NPC MLI has better performance than conventional NPC MLIs.
본 논문은 3상 NPC형 3레벨 인버터의 과변조 SVPWM 기법과 변조비에 대한 출력전압의 고조파를 분석하였다. 3상 NPC형 3레벨 인버터는 SVPWM을 적용하여 선형영역을 0.907까지 확장하였고 과변조 영역에서는 푸리에 급수에 의한 추종전압의 보상기법을 적용하여 6 스텝영역까지 운전할 수 있도록 하였다. PWM 형태인 출력전압의 고조파 특성분석에는 PD방식의 멀티 캐리어 기법에 대하여 이중 푸리에 급수를 적용하여 해석하였다. 시뮬레이션은 PSIM을 사용하여 구현하였고 3레벨 인버터의 영역도의 각 영역에 대해서 고조파의 특성을 확인하였다. NPC형 3레벨 인버터의 고조파 분포는 선형영역에서는 캐리어 주파수의 측대 고조파가 분포되고, 과변조 영역으로 넘어가면서 기본파에 의한 고조파 성분이 점차 증가하고 캐리어 주파주의 사이드 밴드의 고조파 성분은 감소함을 확인하였다. 본 논문에서의 고조파 해석을 검증하기 위하여 동일한 조건에서 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 NPC(Neutral Point Clamped) 및 T-type IGBT 모듈을 이용하여 3상 3-레벨 인버터를 구성하고, 인버터에서 발생되어지는 도통손실과 스위칭 손실을 PSIM의 Thermal Module을 사용하여 확인한다. 또한 토폴로지 상의 차이에 의해 발생되어지는 스위치 손실을 비교 하며, 시뮬레이션에 적용한 파라미터 값들을 수식에 직접 적용하여 손실에 영향을 미치는 파라미터를 확인하고, 각 파라미터의 값의 변화가 주어진 조건에서 전체 손실에 미치는 영향을 확인한다.
This paper describes a SVPWM overmodulation scheme of NPC type three-level inverter for traction drives which extends the modulation index from MI=0.907 to unity. SVPWM strategy is organized by two operation modes of under-modulation and over-modulation. The switching states under the under-modulation modes are determined by dividing them with two linear regions and one hybrid region the same as the conventional three-level inverter. On the other hand, under the over-modulation mode, they are generated by doing it with two over-modulation regions the same as the conventional over-modulation strategy of a two level inverter. Following the description of over-modulation scheme of a three-level inverter, the system description of a vector controlled induction motor for traction drives has been discussed. Finally, the validity of the proposed modulation algorithm has been verified through simulation and experimental results.
This paper proposes a linearization technique for the 3 level NPC type inverter, which increases the linear control range of inverter up to the 6-step inverter. The overmodulation range is divided into two modes depending on the modulation index(MI), In mode I, the reference angles are derived from the Fourier series expansion of the reference voltage corresponds to the MI. In mode II, the holding angles are also derived in the same way. Therefore, it is possible to obtain the linear control and the maximized utilization of PWM inverter output voltage.
본 논문에서는 3-레벨의 NPC(Neutral Point Clamped) VSC와 T-type VSC를 시뮬레이션용 열 모델링 기법을 이용하여 스위칭과 도통 손실을 비교 분석하였다. 두 가지 토폴로지의 인버터동작과 회생동작에서의 주파수에 따른 효율을 시뮬레이션을 통하여 고찰 하였다.
This paper presents the over-modulation strategy and indirect vector control drive of NPC type PWM inverter. NPC inverter has three level phase voltage output.It can perform in high voltage through assembling switching components. It has less harmonics and surge voltage stress at motor terminals than the 2 level inverter in same switching frequency through 3 level voltage. The conventional railway vehicle has used the vector control to MI=0.907 and the slip-frequency control from MI=0.907 to six-step mode. The slip-frequency control has bad motive power and slow torque control response. But vector control has good motive power and can instant torque control. In this paper, output voltage is controlled linearly from linear region to six-step mode by using over-modulation strategy. And NPC inverter is used.
This paper proposes transformerless power conversion system consisting of a single-phase diode rectifier and a shunt hybrid filter for the electric-railway system. The hybrid filter consists of a single tuned LC filter per a phase and a low-rated NPC type multi-level inverter. Compared with conventional active filters. transformers are not used. Also, LC filter works as not only a harmonic filter tuned at the 3rd harmonic frequency but also a switching-ripple filter. The rating of the active filter can be decreased by using a NPC type multi-level inverter. The simulation results confirm the validity of the system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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