Development of alternative pulse width modulation methods for conventional and multilevel voltage source inverters

Abstract

Multilevel inverters have attracted wide interest in both the academic community and the industry for the past decades. Therefore, the investigation and development of modulation strategies in multilevel inverters emerges as a necessity for the industry and researchers. In this doctoral thesis, alternative modulation methods suitable for three-level conventional single-phase inverters and especially for cascade H-bridge multilevel inverters are discussed and proposed. The theory of Equal Areas is reformed and presented and its modifications are proposed. These modifications are compared with other well-known modulation schemes, such as carrier-based modulation schemes and programmed pulse width modulation techniques. The advantage of the modified Equal Areas Pulse Width Modulation (EAPWM) is its algorithmic simplicity due to simple algebraic relationships, which results in less computational effort. A fully mathematical formulation for the Equal Areas modulation is proposed for both conventional and multilevel inverters. The EAPWM is shown to produce well-formed switched output voltages that have low total harmonic distortion at even low switching frequencies. The importance of this thesis is complimented by the results, produced after the implementation of EAPWM in multilevel inverters, which can be used as a more accurate reference when compared with other modulation strategies. Moreover, this direct modulation strategy has been extended to work on higher amplitude modulation ratios, in a linear manner, while entering the over modulation region. In this context, modified algorithms have been developed using different criteria for the calculation of the pulses’ width and their placement inside the time interval. The equal areas method, implemented in conventional single-phase inverters, uses odd pulse numbers per half cycle, holding integer frequency ratios in contrast to its implementation in multilevel inverters, where non-integer frequency ratios occur due to the level-by-level application. The application of the method is verified by simulations together with experimental work using a full-scale prototype inverter.

Οι πολυεπίπεδοι μετατροπείς έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον τόσο στην ακαδημαϊκή κοινότητα όσο και στη βιομηχανία τις τελευταίες δεκαετίες. Ως εκ τούτου, η διερεύνηση και η ανάπτυξη στρατηγικών διαμόρφωσης σε αντιστροφείς πολλαπλών επιπέδων αναδεικνύεται ως αναγκαιότητα για τη βιομηχανία και τους ερευνητές. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή συζητούνται και προτείνονται εναλλακτικές μέθοδοι διαμόρφωσης κατάλληλες για συμβατικούς μονοφασικούς αντιστροφείς τριών επιπέδων και ειδικότερα για πολυεπίπεδους αντιστροφείς καταιονισμού H-γέφυρας. Η θεωρία των ίσων περιοχών αναμορφώνεται και παρουσιάζεται και προτείνονται τροποποιήσεις της. Οι τροποποιήσεις αυτές συγκρίνονται με άλλα γνωστά σχήματα διαμόρφωσης, όπως τα σχήματα διαμόρφωσης με βάση τα φέροντα και οι τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμού με προγραμματισμό.Το πλεονέκτημα της τροποποιημένης διαμόρφωσης εύρους παλμών ίσων περιοχών (EAPWM) είναι η αλγοριθμική της απλότητα λόγω των απλών αλγεβρικών σχέσεων, η οποία οδηγεί σε μικρότερη υπολογιστική προσπάθεια. Προτείνεται μια πλήρως μαθηματική διατύπωση για τη διαμόρφωση Equal Areas τόσο για συμβατικούς όσο και για πολυεπίπεδους αντιστροφείς. Η EAPWM αποδεικνύεται ότι παράγει καλά διαμορφωμένες διακοπτόμενες τάσεις εξόδου που έχουν χαμηλή συνολική αρμονική παραμόρφωση ακόμη και σε χαμηλές συχνότητες μεταγωγής. Η σπουδαιότητα αυτής της διατριβής συμπληρώνεται από τα αποτελέσματα, που παράγονται μετά την εφαρμογή της EAPWM σε αντιστροφείς πολλαπλών επιπέδων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ακριβέστερη αναφορά σε σύγκριση με άλλες στρατηγικές διαμόρφωσης. Επιπλέον, αυτή η στρατηγική άμεσης διαμόρφωσης επεκτάθηκε ώστε να λειτουργεί σε υψηλότερους λόγους διαμόρφωσης πλάτους, με γραμμικό τρόπο, ενώ εισέρχεται στην περιοχή υπερδιαμόρφωσης. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύχθηκαν τροποποιημένοι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούν διαφορετικά κριτήρια για τον υπολογισμό του πλάτους των παλμών και της τοποθέτησής τους εντός του χρονικού διαστήματος. Η μέθοδος των ίσων περιοχών, που εφαρμόζεται στους συμβατικούς μονοφασικούς αντιστροφείς, χρησιμοποιεί περιττούς αριθμούς παλμών ανά ημιπερίοδο, διατηρώντας ακέραιες αναλογίες συχνοτήτων σε αντίθεση με την εφαρμογή της στους πολυεπίπεδους αντιστροφείς, όπου εμφανίζονται μη ακέραιες αναλογίες συχνοτήτων λόγω της εφαρμογής ανά επίπεδο.Η εφαρμογή της μεθόδου επαληθεύεται με προσομοιώσεις σε συνδυασμό με πειραματικές εργασίες με τη χρήση ενός πρωτότυπου αντιστροφέα πλήρους κλίμακας.