Design, simulation and commissioning of a 5-level CHB Inverter

In this work a 5-level CHB inverter (5LCHBI) has been studied, simulated, and finally a prototype has been designed, realized, and tested. The device is composed by two H-bridge inverters connected in series; with this configuration is possible to obtain five different voltage levels as output using two different DC sources as input. The aim of this thesis was to create a small-scaled model of an inverter that will be part of a drive system for 9-phase permanent magnet synchronous motor (PMSM). To achieve this, the inverter topology and its architecture have been investigated, along with possible voltage and current control strategies. Subsequently open-loop techniques and novel closed-loop control strategies have been developed and simulated, aiming at the device’s output current and voltage control. Eventually, a H-bridge module prototype has been designed, realized, assembled, and tested. This master thesis is a first step towards the development of the inverter stage for the 9-phase PMSM drive system. Notwithstanding, the results obtained, and the knowledge provided, will help achieving future advancements in this project.

Questo elaborato presenta uno studio su un inverter Cascaded H-bridge (CHB) a cinque livelli. L’inverter è composto da due moduli H-bridge in cascata; con questa configurazione è possibile ottenere cinque livelli di tensione in uscita utilizzando due sorgenti distinte incorrente continua come ingresso. La prima parte di questo lavoro, esposta nel primo e nel secondo capitolo, tratta principalmente di basi teoriche riguardanti invertitori, strategie di controllo, sistemi di filtraggio e power quality. Successivamente, sono stati sviluppati e simulati dei metodi di controllo di tensione e corrente, specifici per questa tipologia di inverter, come presentato nel terzo capitolo. Nel quarto capitolo viene esposta la scelta dei componenti ed il dimensionamento che hanno portato alla realizzazione fisica di un modulo H-bridge, cella elementare che costituisce l’inverter CHB. Nel quinto ed ultimo capitolo dell’elaborato sono illustrati i risultati ottenuti dai test in laboratorio, necessari per valutare il corretto funzionamento del prototipo. Lo scopo di questo lavoro era quello di creare un modello in scala ridotta di un inverter che in futuro sarà parte di un sistema elettrico atto ad azionare una singola fase di un motore a nove fasi a magneti permanenti (PMSM). L’obiettivo finale è di poter azionare il motore con nove inverter CHB separati, garantendo un’indipedenza totale dell’alimentazione di ciascuna delle fasi. Per ambire a questo, è stato necessario dapprima investigare le varie tipologie ed architetture degli invertitori, partendo dalle più elementari fino ad arrivare alle tipologie multilivello, per poi concentrarsi sui Cascaded H-bridge. Successivamente sono state implementate delle strategie di controllo incatena aperta ed in catena chiusa, con l’obiettivo di controllare la tensione e la corrente d’uscita del dispositivo. Infine, un prototipo di un modulo H-Bridge è stato dimensionato, assemblato e testato, i risultati ottenuti sono stati discussi assieme ad alcuni possibili miglioramenti ed evoluzioni da attuare in futuro. Questa tesi rappresenta un primo passo verso lo sviluppo di un inverter parte di un azionamento di un motore a nove fasi a magneti permanenti; i risultati ottenuti assieme alle conoscenze fornite, potranno essere d’aiuto per i futuri sviluppi ed avanzamenti nell'ambito di questo progetto.