Improving the fault clearing capability of a UPS device

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kohtamäki, Tuomo
dc.contributor.author Mikkola, Oskari
dc.date.accessioned 2018-06-01T11:34:40Z
dc.date.available 2018-06-01T11:34:40Z
dc.date.issued 2018-05-14
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/31549
dc.description.abstract UPS devices are utilized to ensure a constant and undisturbed power supply for critical loads. If a fault occurs in the AC grid that normally supplies the load, the UPS device will instantly begin to supply power from its batteries via the inverter to the load. However, if a fault, such as a short circuit, occurs in the load side of the UPS when the UPS is supplying power from its batteries, the UPS must be able to supply enough fault current to clear the circuit breaker closest to the fault location and isolate the fault before the UPS itself trips to overcurrent. The maximum output current of the UPS is intentionally limited in time and magnitude to prevent power semiconductor components of the UPS inverter from suffering overcurrent damages. The problem is that UPS devices must be often oversized in terms of rated power so that a sufficient fault clearing capability of the UPS to clear respective circuit breakers in the load side is achieved. Thus, the spare power which results from oversizing the UPS is dispensable during normal operation of the UPS. This thesis aims to find economical ways to improve the fault clearing capability of a UPS device. Hence, a simulation model is developed which can be used to estimate how much the fault clearing capability of a UPS device may be improved by installing IGBTs and diodes in parallel to the main circuit of the UPS inverter. Current limit values of the UPS inverter and number of parallel connected IGBTs and diodes in the main circuit of the inverter are adjustable in the simulation model. Power losses and junction temperatures of IGBTs and diodes are calculated based on input data which may be obtained from datasheets of IGBTs and diodes. The solution to improve the fault clearing capability of a UPS device by adding IGBTs and diodes in parallel to the main circuit of the inverter is compared from economical and technical point of view to the use of an external fault clearing circuitry which is another worthy solution to improve the fault clearing capability of a UPS device. Cost comparison conducted between the two solutions revealed that improving the fault clearing capability of a 20 kW UPS device by adding IGBTs and diodes in parallel to the main circuit of the inverter may result in 20–30% higher costs than using the fault clearing circuitry. Furthermore, the fault clearing circuitry may be technically a more feasible solution to be applied for existing UPS devices than the change in IGBT and diode configuration. en
dc.description.abstract UPS-laitteita käytetään varmistamaan jatkuva ja häiriötön sähkönsyöttö kriittisille kuormille. UPS-laite alkaa välittömästi syöttää sähköä akustostaan vaihtosuuntaajan kautta kuormalle, jos kuormaa normaalisti syöttävässä vaihtosähköverkossa syntyy vika. Jos UPS laitteen kuormapuolella syntyy kuitenkin vika, kuten oikosulku, kun UPS laite syöttää sähköä kuormalle akustostaan, UPS-laitteen täytyy pystyä syöttämään tarpeeksi vikavirtaa, jotta lähinnä vikapaikkaa oleva katkaisija avautuu ja erottaa vian ennen kuin UPS-laite katkaisee sähkönsyötön ylivirran vuoksi. UPS-laitteen maksimilähtövirta on tarkoituksellisesti rajoitettu ajalliselta kestoltaan ja suuruudeltaan, mikä ehkäisee UPS-laitteen vaihtosuuntaajassa olevien tehopuolijohdekomponenttien vaurioitumista ylivirran vuoksi. Ongelmana on, että UPS-laitteita joudutaan ylimitoittamaan nimellisteholtaan, jotta niille saadaan riittävän korkea vian erotuskyky laukaisemaan kuormapuolen katkaisijat vikatilanteessa. Tällöin UPS-laitteen ylimitoittamisesta syntyvä lisäteho on kuitenkin tarpeetonta UPS-laitteen normaalin toiminnan aikana. Tämän työn tarkoituksena on löytää taloudellisia keinoja parantaa UPS-laitteen vian erotuskykyä. Työssä kehitettiin simulointimalli, jolla voidaan arvioida, kuinka paljon UPS-laitteen vian erotuskykyä voidaan parantaa kytkemällä IGBT- ja diodikomponentteja rinnan UPS-laitteen vaihtosuuntaajan pääpiiriin. Vaihtosuuntaajan virtarajoja ja rinnankytkettävien IGBT- ja diodikomponenttien määrää voidaan säädellä simulaatiomallissa. IGBT- ja diodikomponenttien tehohäviöiden ja liitoslämpötilojen laskenta perustuu niiden datalehdistä saataviin tietoihin, jotka syötetään simulaatiomallille. Ratkaisua, jossa UPS-laitteen vian erotuskykyä parannetaan kytkemällä IGBT- ja diodikomponentteja rinnan vaihtosuuntaajan pääpiiriin, verrataan taloudellisesta ja teknisestä näkökulmasta ulkoiseen vian erotuspiiriin, joka on toinen varteenotettava ratkaisu, jolla UPS-laitteen vian erotuskykyä voidaan parantaa. Ratkaisuille tehtiin kustannusvertailu, josta selvisi, että parantamalla nimellisteholtaan 20 kW:n UPS-laitteen vian erotuskykyä lisäämällä IGBT- ja diodikomponentteja rinnan vaihtosuuntaajan pääpiiriin lisää se kustannuksia 20–30% verrattuna ulkoisen vian erotuspiirin käyttöön. Vian erotuspiirin kytkeminen on lisäksi teknisesti helpompi toteuttaa jo olemassa oleviin UPS-laitteisiin verrattuna siihen, että niihin tehtäisiin vaadittavat IGBT- ja diodikomponenttien laitekokoonpanomuutokset. fi
dc.format.extent 83+10
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Improving the fault clearing capability of a UPS device en
dc.title UPS-laitteen vian erotuskyvyn parantaminen fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.subject.keyword UPS en
dc.subject.keyword fault clearing en
dc.subject.keyword inverter en
dc.subject.keyword IGBT en
dc.subject.keyword diode en
dc.subject.keyword circuit breaker en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201806012976
dc.programme.major Electrical Power and Energy Engineering fi
dc.programme.mcode ELEC3024 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Kyyrä, Jorma
dc.programme AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013) fi
dc.location P1 fi
local.aalto.electroniconly yes
local.aalto.openaccess yes


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account