seminarios de electrÓnica de potencia -...

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


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

-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



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



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



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

-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)


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)


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

-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

)


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

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

TIEMPO (s)

CO

RR

IEN

TE

(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

)


Tensión

Corriente


FUNCIONAMIENTO

EN MODO INVERSOR


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


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


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



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



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



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

seminarios de electrÓnica de potencia -...

Documents