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,
PWM)
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
AKAGI
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
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.5
GRADOS
VA
RIA
CIÓ
N D
E P
OT
EN
CIA
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
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V0,V7
CONSTRUCCIÓN DE LA TABLA DE CONMUTACIÓN
-30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
GRADOS
VA
RIA
CIÓ
N D
E P
OT
EN
CIA
CAMBIO NORMALIZADO DE LA POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA
SECTOR 5 SECTOR 6 SECTOR 7 SECTOR 8 SECTOR 9 SECTOR 10 SECTOR 11 SECTOR 12
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V0,V7
SECTOR 1 SECTOR 2 SECTOR 3 SECTOR 4
CONSTRUCCIÓN DE LA TABLA DE CONMUTACIÓN
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
CONSTRUCCIÓN DE LA TABLA DE CONMUTACIÓN
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
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
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
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
TIEMPO (s)
TE
NS
IÓN
(V
)
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
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
4000
4100
4200
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA (
W)
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
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
4000
4100
4200
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA (
W)
POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA ESTIMADA
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diseño incorrecto de la tabla de conmutación
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
0
200
400
600
800
1000
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA (
VA
r)
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
0
200
400
600
800
1000
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA (
VA
r)
POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA ESTIMADA
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diseño incorrecto de la tabla de conmutación
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
608.05
608.1
608.15
608.2
608.25
608.3
TIEMPO (s)
TE
NS
IÓN
(V
)
TENSIÓN EN EL BUS DE CONTINUA
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diseño incorrecto de la tabla de conmutación
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
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diseño incorrecto de la tabla de conmutación
-30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.5
GRADOS
VA
RIA
CIÓ
N D
E P
OT
EN
CIA
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
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V0,V7
0.008 0.0085 0.009 0.0095 0.01 0.0105 0.011 0.0115 0.0123500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA A
CT
IVA
IN
ST
AN
TÁ
NE
A (
W)
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
4000
4500
5000
5500
6000
6500
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA A
CT
IVA
IN
ST
AN
TÁ
NE
A (
W)
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
4000
4500
5000
5500
6000
6500
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA A
CT
IVA
IN
ST
AN
TÁ
NE
A (
W)
VARIACIÓN DE LA POTENCIA ACTIVA INSTANTÁNEA ANTE ESCALÓN EN LA REFERENCIA
OPTIMIZACIÓN DEL MODELO
COMPROMISO
DINÁMICA-ESFUERZOS
RESULTADOS EXPERIMENTALES
0.04 0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
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
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
CORRIENTE Y TENSIÓN (escalada) EN LA FASE a
Tensión
Corriente
OPTIMIZACIÓN DEL MODELO
FUNCIONAMIENTO
EN SECUENCIA INVERSA
RESULTADOS EXPERIMENTALES
0.04 0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
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
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
CORRIENTE Y TENSIÓN (escalada) EN LA FASE a
Tensión
Corriente
OPTIMIZACIÓN DEL MODELO
FUNCIONAMIENTO
EN MODO INVERSOR
RESULTADOS EXPERIMENTALES
0.048 0.0485 0.049 0.0495 0.05 0.0505 0.051 0.0515 0.0521000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA A
CT
IVA
IN
ST
AN
TÁ
NE
A (
W)
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
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
EN
LA
FA
SE
a
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
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
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
5
10
15
20
25
30
PORCENTAJE DE DISTORSIÓN
T.H
.D. D
E L
A C
OR
RIE
NT
E
VARIACIÓN DE LA T.H.D. DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DEL COEFICIENTE DE DISTORSIÓN EN LOS MÉTODOS DPC y VF-DPC
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
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
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
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30EFECTO DE UN DESEQUILIBRIO DEL 25% EN LA CORRIENTE DE LA FASE b
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
Tensión
Corriente
DPC VF-DPC
FASE b
kdes=25%
ALIMENTACIÓN DESEQUILIBRADA
0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
30
35
40
45
COEFICIENTE DE DESEQUILIBRIO
T.H
.D.
VARIACIÓN DE LA T.H.D. DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DEL COEFICIENTE DE DESEQUILIBRIO EN LOS MÉTODOS DPC Y VF-DPC
DPC
VF-DCP
ALIMENTACIÓN DESEQUILIBRADA
MEJOR
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
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
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
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
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
4
6
8
10
12
14
16
18
VARIACIÓN DE LA INDUCTANCIA (%)
T.H
.D. D
E L
A C
OR
RIE
NT
E D
E L
A F
AS
E a
T.H.D. DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DEL ERROR DE ESTIMACIÓN DE LA INDUCTANCIA DE LÍNEA
DPC
VF-DPC
SENSIBILIDAD A IMPRECISIONES EN EL VALOR DE LA BOBINA
MEJOR
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
-100
0
100
200
300
400
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA R
EA
CT
IVA
IN
ST
AN
TÁ
NE
A (
VA
r)
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
-400
-300
-200
-100
0
100
200
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA R
EA
CT
IVA
(V
Ar)
COMPARACIÓN ENTRE POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA REAL Y ESTIMADA
q real
q estimada
L’=L+20%L
SENSIBILIDAD A IMPRECISIONES EN EL VALOR DE LA BOBINA
LAS IMPRECISIONES EN L
SE REFLEJAN EN q
0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.093500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA (
W)
ESCALONES DE DEMANDA DE POTENCIA ACTIVA EN LA CARGA
0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.093500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
TIEMPO (s)P
OT
EN
CIA
(W
)
ESCALONES DE DEMANDA DE POTENCIA ACTIVA EN LA CARGA
DPC VF-DPC
p
COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Escalones de demanda de p
DPC VF-DPC
q
0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-200
-100
0
100
200
300
400
500
TIEMPO (s)
PO
TE
NC
IA (
VA
r)
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
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
TIEMPO (s)P
OT
EN
CIA
(V
Ar)
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA POTENCIA REACTIVA INSTANTÁNEA
COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Escalones de demanda de p
DPC VF-DPC
v-i
0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09-30
-20
-10
0
10
20
30
TIEMPO (s)
CO
RR
IEN
TE
(A
)
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
-20
-10
0
10
20
30
TIEMPO (s)C
OR
RIE
NT
E (
A)
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA CORRIENTE Y TENSIÓN DE LA FASE a
Tensión
Corriente
COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Escalones de demanda de p
0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16600
605
610
615
620
625
630
635
TIEMPO (s)
TE
NS
IÓN
(V
)
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA TENSIÓN DEL BUS DE CONTINUA
DPC VF-DPC
vdc
0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16600
605
610
615
620
625
630
635
TIEMPO (s)T
EN
SIÓ
N (
V)
EFECTO DE ESCALONES DE DEMANDA EN LA TENSIÓN DEL BUS DE CONTINUA
COMPORTAMIENTO DINÁMICO
Escalones de demanda de p
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
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
TIEMPO (s)
TE
NS
IÓN
/CO
RR
IEN
TE
CORRIENTE Y TENSIÓN (ESCALADA) EN LA FASE a
Tensión
Corriente
OBJETIVO: MÉTODO
ANALÍTICO DE
SINTONIZACIÓN
Plataforma RT-LAB: Primeros pasos
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