SEMINARIOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA - DIEECS D. Joaquín González Norniella

SEMINARIOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA - DIEECS
D. Joaquín González Norniella
Trabajo de investigación: “Estrategias de
control de rectificadores activos trifásicos”
Autor: D. Joaquín González Norniella
Director: D. José Manuel Cano Rodríguez
Fecha de lectura: 11-Septiembre-2009
Introducción
Rectificadores activos trifásicos
controlados en tensión (VSR’s)
Teoría p-q
Control Directo de Potencia (DPC)
DPC basado en Flujo Virtual (VF-DPC)
DPC vs. VF-DPC
Hitos y líneas de investigación
Rectificadores trifásicos
no controlados
Conversión trifásica
AC/DC
Rectificadores
(convertidores) activos
trifásicos (controlados,
PWM)
No regeneración, bajo
factor de potencia y
armónicos (pérdidas, EMI,
resonancias,
calentamientos…)
Rectificadores activos
trifásicos controlados en
corriente (CSR’s)
Voltage-oriented control
(VOC)
Rectificadores activos
trifásicos controlados en
tensión (VSR’s)
Control directo de
potencia (DPC)
Control directo de
potencia basado en flujo
virtual (VF-DPC)

Topología y funcionamiento

Vectores de estado de conmutación
Vector
Estado de conmutación
V0
(000)
V1
(100)
V2
(110)
V3
(010)
V4
(011)
V5
(001)
V6
(101)
V7
(111)
TRANSFORMACIÓN
DE CLARKE
AKAGI
va, vb, vc en
ejes a, b, c
v, vector
espacial
giratorio
vα, vβ en ejes
α, β
Potencias
instantáneas

Diagrama de bloques básico y funcionamiento
La estimación de tensiones y potencias
instantáneas es función de las derivadas de
las corrientes y de los estados de
conmutación
Los estados de conmutación son función de la
posición del vector espacial de tensiones y de las
salidas de los comparadores de histéresis
CONSTRUCCIÓN DE LA TABLA DE CONMUTACIÓN
CAMBIO NORMALIZADO DE LA POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA
1.5
1.4
V4
1.2
V3
1
VARIACIÓN DE POTENCIA
0.8
0.6
V5
V0,V7
0.4
0.2
V2
0
-0.2
-0.4
-0.6
V6
V1
-0.8
SECTOR 1
-1
-30
SECTOR 2
0
SECTOR 3
30
SECTOR 4
60
SECTOR 5
90
SECTOR 6
120
SECTOR 7
150
GRADOS
SECTOR 8
180
SECTOR 9
210
SECTOR 10
240
SECTOR 11
270
SECTOR 12
300
330
CONSTRUCCIÓN DE LA TABLA DE CONMUTACIÓN
CAMBIO NORMALIZADO DE LA POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA
1
V2
VARIACIÓN DE POTENCIA
0.8
0.6
V3
0.4
V1
0.2
V0,V7
0
-0.2
-0.4
V4
-0.6
V6
-0.8
V5
-1
-30
SECTOR 1
SECTOR 2
0
SECTOR 3
30
SECTOR 5
SECTOR 4
60
90
SECTOR 6
120
SECTOR 7
150
GRADOS
SECTOR 9
SECTOR 8
180
210
SECTOR 10
240
270
SECTOR 11
SECTOR 12
300
330
CONSTRUCCIÓN DE LA TABLA DE CONMUTACIÓN
Sp
1
0
Sq
Θ1
Θ2
Θ3
Θ4
Θ5
Θ6
Θ7
Θ8
Θ9 Θ10 Θ11 Θ12
0
5
5
6
6
1
1
2
2
3
3
4
4
1
3
4
4
5
5
6
6
1
1
2
2
3
0
6
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
1
MODELO
IMPLEMENTADO
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diseño incorrecto de la tabla de conmutación
TENSIONES REAL Y ESTIMADA EN LA FASE a
TENSIÓN REAL Y CORRIENTE EN LA FASE a
200
20
150
15
100
10
50
5
CORRIENTE (A)
TENSIÓN (V)
Tensión estimada
Tensión real
0
0
-50
-5
-100
-10
-150
-15
-200
0.04
-20
0.04
Tensión
Corriente
0.042
0.044
0.046
0.048
0.05
TIEMPO (s)
0.052
0.054
0.056
0.058
0.06
0.042
0.044
Tensiones y corrientes
0.046
0.048
0.05
TIEMPO (s)
0.052
0.054
0.056
0.058
0.06
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diseño incorrecto de la tabla de conmutación
POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA ESTIMADA
4200
4100
4100
4000
4000
3900
3900
3800
3800
POTENCIA (W)
POTENCIA (W)
POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA REAL
4200
3700
3600
3700
3600
3500
3500
3400
3400
3300
3300
3200
0.08
0.082
0.084
0.086
0.088
0.09
TIEMPO (s)
0.092
0.094
0.096
0.098
0.1
3200
0.08
0.082
0.084
0.086
Potencia activa instantánea
0.088
0.09
TIEMPO (s)
0.092
0.094
0.096
0.098
0.1
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diseño incorrecto de la tabla de conmutación
POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA ESTIMADA
1000
800
800
600
600
POTENCIA (VAr)
POTENCIA (VAr)
POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA REAL
1000
400
400
200
200
0
0
-200
0.08
0.082
0.084
0.086
0.088
0.09
TIEMPO (s)
0.092
0.094
0.096
0.098
0.1
-200
0.08
0.082
0.084
0.086
Potencia reactiva instantánea
0.088
0.09
TIEMPO (s)
0.092
0.094
0.096
0.098
0.1
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diseño incorrecto de la tabla de conmutación
TENSIÓN EN EL BUS DE CONTINUA
608.3
608.25
608.2
TENSIÓN (V)
608.15
608.1
608.05
608
607.95
607.9
0.08
0.082
0.084
0.086
0.088
0.09
TIEMPO (s)
0.092
0.094
Tensión en el bus
0.096
0.098
0.1
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diseño incorrecto de la tabla de conmutación
Sp
Sq
Θ1
Θ2
Θ3
Θ4
1
1.5
Θ5
Θ6
Θ7
Θ8
Θ9 Θ10 Θ11 Θ12
CAMBIO NORMALIZADO DE LA POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA
0
6
7
0
V4
2
7
3
0
4
7
5
0
7
7
0
0
7
7
0
0
2
3
3
4
4
5
5
6
3
4
4
5
5
6
6
1
1.2
V3
1
0
1
7
6
1
7
1
2
0
1
2
0
1
0.8
VARIACIÓN DE POTENCIA
1
0
1.4
0.6
2
V5
V0,V7
0.4
0.2
V2
3
0
-0.2
-0.4
-0.6
V6
V1
-0.8
SECTOR 1
-1
-30
SECTOR 2
0
SECTOR 3
30
SECTOR 4
60
SECTOR 5
90
SECTOR 6
120
SECTOR 7
150
GRADOS
SECTOR 8
180
SECTOR 9
210
SECTOR 10
240
SECTOR 11
270
SECTOR 12
300
330
RESULTADOS EXPERIMENTALES
VARIACIÓN DE LA POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA ANTE ESCALÓN EN LA REFERENCIA
6500
OPTIMIZACIÓN DEL MODELO
5500
VARIACIÓN DE LA POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA ANTE ESCALÓN EN LA REFERENCIA
5000
6500
4500
6000
4000
3500
0.008
0.0085
0.009
0.0095
0.01
TIEMPO (s)
0.0105
0.011
0.0115
0.012
VARIACIÓN DE LA POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA ANTE ESCALÓN EN LA REFERENCIA
POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA (W)
6500
POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA (W)
POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA (W)
6000
5500
5000
4500
6000
4000
5500
3500
0.008
0.0085
0.009
0.0095
0.01
TIEMPO (s)
0.0105
0.011
0.0115
5000
4500
COMPROMISO
DINÁMICA-ESFUERZOS
4000
3500
0.008
0.0085
0.009
0.0095
0.01
TIEMPO (s)
0.0105
0.011
0.0115
0.012
0.012
RESULTADOS EXPERIMENTALES
OPTIMIZACIÓN DEL MODELO
CORRIENTE Y TENSIÓN (escalada) EN LA FASE a
20
15
15
10
10
5
5
CORRIENTE (A)
CORRIENTE (A)
CORRIENTE Y TENSIÓN (escalada) EN LA FASE a
20
0
0
-5
-5
-10
-10
-15
-15
Tensión
Corriente
-20
0.04
0.042
0.044
0.046
0.048
0.05
TIEMPO (s)
0.052
0.054
0.056
0.058
0.06
Tensión
Corriente
-20
0.04
0.042
0.044
0.046
0.048
0.05
TIEMPO (s)
0.052
0.054
0.056
0.058
FUNCIONAMIENTO
EN SECUENCIA INVERSA
0.06
RESULTADOS EXPERIMENTALES
OPTIMIZACIÓN DEL MODELO
CORRIENTE Y TENSIÓN (escalada) EN LA FASE a
20
15
15
10
10
5
5
Tensión
Corriente
0
CORRIENTE (A)
CORRIENTE (A)
CORRIENTE Y TENSIÓN (escalada) EN LA FASE a
20
-5
-5
-10
-10
-15
-15
-20
0.04
0.042
0.044
0.046
0.048
0.05
TIEMPO (s)
0.052
0.054
0.056
0.058
0.06
Tensión
Corriente
0
-20
0.04
0.042
0.044
0.046
0.048
0.05
TIEMPO (s)
0.052
0.054
0.056
FUNCIONAMIENTO
EN MODO INVERSOR
0.058
0.06
RESULTADOS
EXPERIMENTALES
INFLUENCIA DE LA TENSIÓN DEL BUS
EN LA CONTROLABILIDAD
POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA
1300
POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA (W)
1250
1200
1150
1100
1050
1000
0.048
0.0485
0.049
0.0495
0.05
TIEMPO (s)
0.0505
0.051
0.0515
0.052

Fundamento

Diagrama de bloques básico
Los integradores representan un filtro pasabajos natural y las derivadas de las
corrientes no están presentes
La relación de perpendicularidad entre los vectores
espaciales de flujo y tensión permite utilizar las
mismas tablas que en DPC
MODELO
IMPLEMENTADO
ALIMENTACIÓN DISTORSIONADA
kdis=25%
CORRIENTE EN UNA DE LAS FASES ANTE DISTORSIÓN DEL 25% EN 5º ARMÓNICO
25
20
20
15
15
10
10
5
5
CORRIENTE (A)
CORRIENTE EN LA FASE a
CORRIENTE EN LA FASE a ANTE UNA DISTORSIÓN DEL 25% EN 5º ARMÓNICO DE LA ALIMENTACIÓN
25
0
-5
0
-5
-10
-10
-15
-15
-20
-20
Tensión
Corriente
-25
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
TIEMPO (s)
0.045
0.05
0.055
DPC
0.06
Tensión
Corriente
-25
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
TIEMPO (s)
0.045
0.05
0.055
0.06
VF-DPC
FASE a
ALIMENTACIÓN DISTORSIONADA
VARIACIÓN DE LA T.H.D. DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DEL COEFICIENTE DE DISTORSIÓN EN LOS MÉTODOS DPC y VF-DPC
30
T.H.D. DE LA CORRIENTE
25
20
15
10
5
DPC
VF-DPC
0
0
5
10
15
PORCENTAJE DE DISTORSIÓN
20
25
MAYOR ROBUSTEZ
DEL VF-DPC
FRENTE AL DPC
ALIMENTACIÓN DESEQUILIBRADA
kdes=25%
EFECTO DE UN DESEQUILIBRIO DEL 25% EN LA CORRIENTE DE LA FASE a
EFECTO DE UN DESEQUILIBRIO DEL 25% EN LA CORRIENTE DE LA FASE b
25
30
Tensión
Corriente
20
25
15
20
10
CORRIENTE (A)
CORRIENTE (A)
15
5
0
-5
10
5
0
-10
-5
-15
-10
-20
Tensión
Corriente
-25
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
TIEMPO (s)
0.045
0.05
0.055
DPC
0.06
-15
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
TIEMPO (s)
0.045
0.05
0.055
0.06
VF-DPC
FASE b
ALIMENTACIÓN DESEQUILIBRADA
VARIACIÓN DE LA T.H.D. DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DEL COEFICIENTE DE DESEQUILIBRIO EN LOS MÉTODOS DPC Y VF-DPC
45
40
35
30
T.H.D.
25
20
15
10
5
DPC
VF-DCP
0
0
5
10
15
COEFICIENTE DE DESEQUILIBRIO
20
25
MEJOR
COMPORTAMIENTO DEL DPC
SENSIBILIDAD A IMPRECISIONES EN EL VALOR DE LA BOBINA
L’=L+20%L
TENSIÓN Y CORRIENTE EN LA FASE a
20
15
15
10
10
5
5
CORRIENTE (A)
CORRIENTE (A)
CORRIENTE Y TENSIÓN EN LA FASE a
20
0
0
-5
-5
-10
-10
-15
-15
Tensión
Corriente
-20
0.06
0.062
0.064
0.066
0.068
0.07
TIEMPO (s)
0.072
0.074
0.076
0.078
DPC
0.08
Tensión
Corriente
-20
0.06
0.062
0.064
VF-DPC
0.066
0.068
0.07
TIEMPO (s)
0.072
0.074
0.076
0.078
0.08
SENSIBILIDAD A IMPRECISIONES EN EL VALOR DE LA BOBINA
T.H.D. DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DEL ERROR DE ESTIMACIÓN DE LA INDUCTANCIA DE LÍNEA
18
DPC
VF-DPC
T.H.D. DE LA CORRIENTE DE LA FASE a
16
14
12
10
8
6
4
2
-20
-15
-10
-5
0
5
VARIACIÓN DE LA INDUCTANCIA (%)
10
15
20
MEJOR
COMPORTAMIENTO DEL VF-DPC
SENSIBILIDAD A IMPRECISIONES EN EL VALOR DE LA BOBINA
L’=L-20%L
L’=L+20%L
COMPARACIÓN ENTRE POTENCIA REACTIVA REAL Y ESTIMADA
COMPARACIÓN ENTRE POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA REAL Y ESTIMADA
400
200
100
0
POTENCIA REACTIVA (VAr)
POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA (VAr)
300
200
100
0
-100
-200
-300
-100
-400
q real
q estimada
-200
0.038
0.0382
0.0384
0.0386
0.0388
0.039
TIEMPO (s)
0.0392
0.0394
0.0396
0.0398
0.04
q real
q estimada
-500
0.038
0.0382
0.0384
0.0386
0.0388
0.039
TIEMPO (s)
0.0392
0.0394
0.0396
0.0398
LAS IMPRECISIONES EN L
SE REFLEJAN EN q
0.04
COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Escalones de demanda de p
ESCALONES DE DEMANDA DE POTENCIA ACTIVA EN LA CARGA
6500
6000
6000
5500
5500
POTENCIA (W)
POTENCIA (W)
ESCALONES DE DEMANDA DE POTENCIA ACTIVA EN LA CARGA
6500
5000
5000
4500
4500
4000
4000
3500
0.03
0.04
0.05
0.06
TIEMPO (s)
0.07
0.08
DPC
0.09
3500
0.03
0.04
0.05
0.06
TIEMPO (s)
0.07
0.08
0.09
VF-DPC
p
COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Escalones de demanda de p
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA
500
350
300
400
250
200
POTENCIA (VAr)
POTENCIA (VAr)
300
200
100
150
100
50
0
0
-50
-100
-100
-200
0.03
0.04
0.05
0.06
TIEMPO (s)
0.07
0.08
DPC
0.09
-150
0.03
0.04
0.05
0.06
TIEMPO (s)
0.07
0.08
0.09
VF-DPC
q
COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Escalones de demanda de p
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA CORRIENTE Y TENSIÓN DE LA FASE a
30
20
20
10
10
CORRIENTE (A)
CORRIENTE (A)
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA CORRIENTE Y TENSIÓN DE LA FASE a
30
0
0
-10
-10
-20
-20
Tensión
Corriente
-30
0.03
0.04
0.05
0.06
TIEMPO (s)
0.07
0.08
DPC
0.09
Tensión
Corriente
-30
0.03
0.04
0.05
0.06
TIEMPO (s)
0.07
0.08
0.09
VF-DPC
v-i
COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Escalones de demanda de p
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA TENSIÓN DEL BUS DE CONTINUA
635
630
630
625
625
TENSIÓN (V)
TENSIÓN (V)
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA TENSIÓN DEL BUS DE CONTINUA
635
620
615
620
615
610
610
605
605
600
0.04
0.06
0.08
0.1
TIEMPO (s)
0.12
0.14
DPC
0.16
600
0.04
0.06
0.08
0.1
TIEMPO (s)
0.12
0.14
0.16
VF-DPC
vdc
EL COMPORTAMIENTO
DINÁMICO ES SIMILAR
Ventajas de VF-DPC frente a DPC
•
•
•
•
•
•
Frecuencia de muestreo necesaria menor
Algoritmos más sencillos
Buen comportamiento ante sistemas distorsionados
Menor sensibilidad a errores en parámetros
Estimación de potencias menos sensible al ruido
No es necesaria la derivación de las corrientes
Desventajas de VF-DPC frente a VOC
• Frecuencia de conmutación variable
• Frecuencia de muestreo elevada
• Se requieren dispositivos de gran rapidez
Ventajas de VF-DPC y DPC frente a VOC
• Algoritmos más sencillos
• Ausencia de bucles de corriente
• No se requieren transformaciones a coordenadas
rotatorias ni bloques PI
• No se necesitan bloques separados de
modulación de tensiones PWM
• Mejor comportamiento dinámico
• No se necesita la descomposición del control en
elementos activos y reactivos
Estudio de teorías de potencia y su aplicación
Optimización del modelo DPC
• Modelo con buena dinámica y baja frecuencia de conmutación
• Modelo adecuado para las dos secuencias de fases
• Modelo con funcionamiento correcto en los dos modos de
trabajo
• Influencia de la tensión del bus de continua
• Método de sintonización automática de la bobina
(algoritmo iterativo y método analítico)
• Otros: comparadores de histéresis de tres niveles, PLL,
frecuencia de conmutación constante…
Optimización del modelo VF-DPC
• Aplicación de las mejoras del DPC
• Algoritmos de integración de tensiones
Estudio detallado de otros métodos de control
• VOC, VFOC, CSF-DPC, P-DPC, VF-P-DPC…
Construcción de un rectificador activo trifásico con apoyo en la
plataforma RT-LAB
• Primeros pasos con RT-LAB
• Colaboración con el Grupo de Accionamientos Eléctricos y Electrónica de Potencia
• Colaboración con el Grupo de Sistemas Eléctricos de Potencia de la Universidad de
Sevilla
Elaboración y publicación de artículos científicos
• “Optimization of Direct Power Control of Three-Phase Active Rectifiers by using
Multiple Switching Tables”, ICREPQ, Marzo 2010
Método de sintonización automática de la bobina
MODELO
IMPLEMENTADO
CORRIENTE Y TENSIÓN (ESCALADA) EN LA FASE a
25
Tensión
Corriente
20
15
10
TENSIÓN/CORRIENTE
OBJETIVO: MÉTODO
ANALÍTICO DE
SINTONIZACIÓN
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
TIEMPO (s)
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Plataforma RT-LAB: Primeros pasos
Plataforma RT-LAB: Primeros pasos
ADAPTACIÓN DEL MODELO
AL ENTORNO RT-LAB
CONTROL
PROTOTIPADO
RÁPIDO DE CONTROL
RECTIFICADOR
PLANTA
SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL
GRACIAS POR SU ATENCIÓN