Dimensioning of DC Fuses in Common DC Busbar Systems of Voltage Source Inverters

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2022-01-24
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
70
Series
Abstract
This thesis evaluates short circuits in common DC bus systems, where the main source of energy is the DC capacitance of voltage source inverters. Based on short-circuit characteristics, the aim is to define fuse selection criteria by estimating fault currents and energies in a common DC bus system, as well as to give recommendations to maximize the availability of the system. The study is divided into three topics that together form a guideline for fuse selection in common DC bus systems. The first topic evaluates the short-circuit contribution of individual inverter modules by using series RLC inverter models. To estimate the reliability of the results, the short-circuit waveforms obtained by the simplified methods are compared to simulated results. The analysis allows to define the limits for DC capacitance and fuse ratings that ensures the fuse operation in common DC faults. The second topic examines the methods for extending the results of one inverter to contain multiple inverters connected to the same DC bus. To achieve this goal, the effect of main DC busbar impedance is determined between each inverter branch. The impedance has two consequences on the short-circuit current waveform: The resistance of conductors decreases the fault current, while inductance delays the current peak. Therefore, the increase in the number of inverter modules in the lineup can be estimated by introducing coefficients that produce the desired effect and take into consideration the interaction between inverter modules. The last topic focuses on voltage drop and selective coordination of a drive lineup. Increasing the number of modules improves the stability of the system. Consequently, the fault in one of the inverter branches does not affect the operation of other inverter branches in the common DC bus, when the number of inverter modules is sufficiently large. As an outcome, the results and observations of the thesis can be used for creating tools for ABB Drives that define with proper accuracy the DC side short-circuit currents and energies of a fuse protected common DC bus system.

Tässä työssä tarkastellaan oikosulun vaikutuksia DC-välipiirijärjestelmiin, joiden pääasiallisina energialähteinä toimivat välipiiriin kytkettyjen jännitelähdevaihtosuuntaajien DC-kondensaattorit. Työn tavoitteena on määritellä vikavirtojen ja -energioiden perusteella sulakevalintaperiaatteet DC-välipiirin suojaukselle. Lisäksi työ tarjoaa suosituksia järjestelmän saatavuuden maksimoimiseksi. Työ on jaettu kolmeen aihealueeseen, jotka yhdessä muodostavat ohjeistuksen DC-välipiirijärjestelmien suojaukseen. Ensimmäisenä arvioidaan yksittäisten vaihtosuuntaajamoduulien osuutta oikosulkuun käyttämällä vaihtosuuntaajan mallintamiseen sarjaan kytkettyä RLC-piiriä. Tulosten luotettavuutta arvioidaan vertaamalla yksinkertaistetun menetelmän avulla saatuja kuvaajia simulointituloksiin. Analyysin perusteella on mahdollista määrittää raja-arvot kapasitanssille ja sulakevirroille, joiden avulla sulakkeiden toiminta vikatilanteessa voidaan todentaa. Seuraavaksi tarkastellaan menetelmiä, joilla yhden vaihtosuuntaajamoduulin tuloksia voidaan laajentaa useammalle moduulille. Tätä varten määritellään vaihtosuuntaajahaarojen välisien DC-pääkiskojen impedanssien vaikutusta oikosulkuun. Kiskojen impedanssilla on kaksi vaikutusta oikosulkuvirran kuvaajaan: Johtimien resistanssi pienentää vikavirtaa, kun taas induktanssi viivästyttää huippuarvoa. Tästä johtuen moduulien lukumäärän lisäystä voidaan arvioida korjauskertoimilla, jotka tuottavat halutun lopputuloksen sekä huomioivat vaihtosuuntaajien väliset vuorovaikutukset. Viimeinen aihealue keskittyy jännitteenalenemaan sekä suojauksen selektiivisyyteen. Vaihtosuuntaajien lukumäärän kasvattaminen lisää järjestelmän vakautta, jolloin yhden suuntaajahaaran vikaantuminen ei aiheuta muiden järjestelmän osien poiskytkeytymistä, mikäli vaihtosuuntaajien lukumäärä on riittävän suuri. Työn tuloksia ja päätelmiä voidaan hyödyntää laskentatyökalujen kehittämiseen ABB Drives -yksikössä, joiden avulla yhdistetyn DC-välipiirin oikosulkuvirrat ja -energiat saadaan määriteltyä hyvällä tarkkuudella.
Description
Supervisor
Hinkkanen, Marko
Thesis advisor
Asikainen, Mika
Sievers, Manfred
Keywords
short circuit, fuse, drive, DC, inverter, RLC
Other note
Citation