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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

Conversión trifásica AC/DC

Rectificadores trifásicos no controlados

No regeneración, bajo factor de potencia y

armónicos (pérdidas, EMI, resonancias,

calentamientos…)

Rectificadores (convertidores) activos trifásicos (controlados,

Rectificadores activos trifásicos controlados en

corriente (CSR’s)

Rectificadores activos trifásicos controlados en

tensión (VSR’s)

Voltage-oriented control (VOC)

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

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

-30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330-1

GRADOS

CAMBIO NORMALIZADO DE LA POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA

SECTOR 1 SECTOR 2 SECTOR 3 SECTOR 4 SECTOR 5 SECTOR 6 SECTOR 7 SECTOR 8 SECTOR 9 SECTOR 10 SECTOR 11 SECTOR 12

CONSTRUCCIÓN DE LA TABLA DE CONMUTACIÓN

-30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

GRADOS

CAMBIO NORMALIZADO DE LA POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA

SECTOR 5 SECTOR 6 SECTOR 7 SECTOR 8 SECTOR 9 SECTOR 10 SECTOR 11 SECTOR 12

SECTOR 1 SECTOR 2 SECTOR 3 SECTOR 4

Sp Sq Θ1 Θ2 Θ3 Θ4 Θ5 Θ6 Θ7 Θ8 Θ9 Θ10 Θ11 Θ12

10 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

00 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

0.04 0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06-20

TIEMPO (s)

TENSIÓN REAL Y CORRIENTE EN LA FASE a

Tensión

Corriente

0.04 0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06-200

TIEMPO (s)

TENSIONES REAL Y ESTIMADA EN LA FASE a

Tensión estimada

Tensión real

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Diseño incorrecto de la tabla de conmutación

Tensiones y corrientes

0.08 0.082 0.084 0.086 0.088 0.09 0.092 0.094 0.096 0.098 0.13200

TIEMPO (s)

POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA REAL

0.08 0.082 0.084 0.086 0.088 0.09 0.092 0.094 0.096 0.098 0.13200

TIEMPO (s)

POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA ESTIMADA

Potencia activa instantánea

0.08 0.082 0.084 0.086 0.088 0.09 0.092 0.094 0.096 0.098 0.1-200

TIEMPO (s)

POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA REAL

0.08 0.082 0.084 0.086 0.088 0.09 0.092 0.094 0.096 0.098 0.1-200

TIEMPO (s)

POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA ESTIMADA

Potencia reactiva instantánea

0.08 0.082 0.084 0.086 0.088 0.09 0.092 0.094 0.096 0.098 0.1607.9

607.95

608.05

608.15

608.25

TIEMPO (s)

TENSIÓN EN EL BUS DE CONTINUA

Tensión en el bus

Sp Sq Θ1 Θ2 Θ3 Θ4 Θ5 Θ6 Θ7 Θ8 Θ9 Θ10 Θ11 Θ12

10 6 7 1 0 2 7 3 0 4 7 5 0

1 7 7 0 0 7 7 0 0 7 7 0 0

00 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

-30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330-1

GRADOS

CAMBIO NORMALIZADO DE LA POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA

SECTOR 1 SECTOR 2 SECTOR 3 SECTOR 4 SECTOR 5 SECTOR 6 SECTOR 7 SECTOR 8 SECTOR 9 SECTOR 10 SECTOR 11 SECTOR 12

0.008 0.0085 0.009 0.0095 0.01 0.0105 0.011 0.0115 0.0123500

TIEMPO (s)

VARIACIÓN DE LA POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA ANTE ESCALÓN EN LA REFERENCIA

0.008 0.0085 0.009 0.0095 0.01 0.0105 0.011 0.0115 0.0123500

TIEMPO (s)

0.008 0.0085 0.009 0.0095 0.01 0.0105 0.011 0.0115 0.0123500

TIEMPO (s)

OPTIMIZACIÓN DEL MODELO

COMPROMISO

DINÁMICA-ESFUERZOS

0.04 0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06-20

TIEMPO (s)

CORRIENTE Y TENSIÓN (escalada) EN LA FASE a

Tensión

Corriente

0.04 0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06-20

TIEMPO (s)

Tensión

Corriente

FUNCIONAMIENTO

EN SECUENCIA INVERSA

0.04 0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06-20

TIEMPO (s)

Tensión

Corriente

0.04 0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06-20

TIEMPO (s)

Tensión

Corriente

FUNCIONAMIENTO

EN MODO INVERSOR

0.048 0.0485 0.049 0.0495 0.05 0.0505 0.051 0.0515 0.0521000

TIEMPO (s)

POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA

INFLUENCIA DE LA TENSIÓN DEL BUS

EN LA CONTROLABILIDAD

RESULTADOS

EXPERIMENTALES

Fundamento

Diagrama de bloques básico

Los integradores representan un filtro pasa-

bajos natural y las derivadas de las

corrientes no están presentes

MODELO

IMPLEMENTADO

La relación de perpendicularidad entre los vectores

espaciales de flujo y tensión permite utilizar las

mismas tablas que en DPC

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06-25

TIEMPO (s)

CORRIENTE EN LA FASE a ANTE UNA DISTORSIÓN DEL 25% EN 5º ARMÓNICO DE LA ALIMENTACIÓN

Tensión

Corriente

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06-25

TIEMPO (s)

CORRIENTE EN UNA DE LAS FASES ANTE DISTORSIÓN DEL 25% EN 5º ARMÓNICO

Tensión

Corriente

DPC VF-DPC

kdis=25%

FASE a

ALIMENTACIÓN DISTORSIONADA

0 5 10 15 20 250

PORCENTAJE DE DISTORSIÓN

VARIACIÓN DE LA T.H.D. DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DEL COEFICIENTE DE DISTORSIÓN EN LOS MÉTODOS DPC y VF-DPC

VF-DPC

ALIMENTACIÓN DISTORSIONADA

MAYOR ROBUSTEZ

DEL VF-DPC

FRENTE AL DPC

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06-25

TIEMPO (s)

EFECTO DE UN DESEQUILIBRIO DEL 25% EN LA CORRIENTE DE LA FASE a

Tensión

Corriente

0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06-15

30EFECTO DE UN DESEQUILIBRIO DEL 25% EN LA CORRIENTE DE LA FASE b

TIEMPO (s)

Tensión

Corriente

DPC VF-DPC

FASE b

kdes=25%

ALIMENTACIÓN DESEQUILIBRADA

0 5 10 15 20 250

COEFICIENTE DE DESEQUILIBRIO

VARIACIÓN DE LA T.H.D. DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DEL COEFICIENTE DE DESEQUILIBRIO EN LOS MÉTODOS DPC Y VF-DPC

VF-DCP

ALIMENTACIÓN DESEQUILIBRADA

COMPORTAMIENTO DEL DPC

0.06 0.062 0.064 0.066 0.068 0.07 0.072 0.074 0.076 0.078 0.08-20

TIEMPO (s)

CORRIENTE Y TENSIÓN EN LA FASE a

Tensión

Corriente

L’=L+20%L

0.06 0.062 0.064 0.066 0.068 0.07 0.072 0.074 0.076 0.078 0.08-20

TIEMPO (s)

TENSIÓN Y CORRIENTE EN LA FASE a

Tensión

Corriente

DPC VF-DPC

SENSIBILIDAD A IMPRECISIONES EN EL VALOR DE LA BOBINA

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 202

VARIACIÓN DE LA INDUCTANCIA (%)

T.H.D. DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DEL ERROR DE ESTIMACIÓN DE LA INDUCTANCIA DE LÍNEA

VF-DPC

COMPORTAMIENTO DEL VF-DPC

0.038 0.0382 0.0384 0.0386 0.0388 0.039 0.0392 0.0394 0.0396 0.0398 0.04-200

TIEMPO (s)

COMPARACIÓN ENTRE POTENCIA REACTIVA REAL Y ESTIMADA

q real

q estimada

L’=L-20%L

0.038 0.0382 0.0384 0.0386 0.0388 0.039 0.0392 0.0394 0.0396 0.0398 0.04-500

TIEMPO (s)

COMPARACIÓN ENTRE POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA REAL Y ESTIMADA

q real

q estimada

L’=L+20%L

LAS IMPRECISIONES EN L

SE REFLEJAN EN q

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.093500

TIEMPO (s)

ESCALONES DE DEMANDA DE POTENCIA ACTIVA EN LA CARGA

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.093500

TIEMPO (s)P

ESCALONES DE DEMANDA DE POTENCIA ACTIVA EN LA CARGA

DPC VF-DPC

COMPORTAMIENTO DINÁMICO

Escalones de demanda de p

DPC VF-DPC

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-200

TIEMPO (s)

EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-150

TIEMPO (s)P

EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA

DPC VF-DPC

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-30

TIEMPO (s)

EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA CORRIENTE Y TENSIÓN DE LA FASE a

Tensión

Corriente

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-30

TIEMPO (s)C

EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA CORRIENTE Y TENSIÓN DE LA FASE a

Tensión

Corriente

0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16600

TIEMPO (s)

EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA TENSIÓN DEL BUS DE CONTINUA

DPC VF-DPC

0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16600

TIEMPO (s)T

EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA TENSIÓN DEL BUS DE CONTINUA

EL COMPORTAMIENTO

DINÁMICO ES SIMILAR

• 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

Ventajas de VF-DPC frente a DPC

• Frecuencia de conmutación variable

• Frecuencia de muestreo elevada

• Se requieren dispositivos de gran rapidez

Desventajas de VF-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

Ventajas de VF-DPC y DPC frente a VOC

Estudio de teorías de potencia y su aplicación

• 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 DPC

• Aplicación de las mejoras del DPC

• Algoritmos de integración de tensiones

Optimización del modelo VF-DPC

• VOC, VFOC, CSF-DPC, P-DPC, VF-P-DPC…

Estudio detallado de otros métodos de control

• 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

Construcción de un rectificador activo trifásico con apoyo en la plataforma RT-LAB

• “Optimization of Direct Power Control of Three-Phase Active Rectifiers by using Multiple Switching Tables”, ICREPQ, Marzo 2010

Elaboración y publicación de artículos científicos

Método de sintonización automática de la bobina

MODELO

IMPLEMENTADO

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-25

TIEMPO (s)

CORRIENTE Y TENSIÓN (ESCALADA) EN LA FASE a

Tensión

Corriente

OBJETIVO: MÉTODO

ANALÍTICO DE

SINTONIZACIÓN

Plataforma RT-LAB: Primeros pasos

PROTOTIPADO

RÁPIDO DE CONTROL

CONTROL

RECTIFICADOR PLANTA

ADAPTACIÓN DEL MODELO

AL ENTORNO RT-LAB

SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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