SISTEMA DE CONTROL RESONANTE PARA CONVERSORES DESBALANCEADAS DE CUATRO PIERNAS ALIMENTANDO CARGAS

UNIVERSIDAD 

UNIVERSIDAD 

DE CHILE DE CHILE

S

ISTEMA DE

C

ONTROL

R

ESONANTE

P

ARA

C

ONVERSORES

S

ISTEMA DE

C

ONTROL

R

ESONANTE

P

ARA

C

ONVERSORES DE

C

UATRO

P

IERNAS

A

LIMENTANDO

C

ARGAS

D

ESBALANCEADAS

D

ESBALANCEADAS

Roberto Cárdenas D.         Carlos Juri M. Departamento de Ingeniería Eléctrica

V

ENTAJAS DE GENERADORES

D

IESEL

O

PERANDO A

V

ELOCIDAD

V

ARIABLE

V

ELOCIDAD

V

ARIABLE



Los generadores diesel habitualmente

operan a velocidad fija, para suministrar

p

j , p

señales de 50Hz. a la red o carga aislada.



Esto produce baja eficiencia en términos



Esto produce baja eficiencia en términos

de combustible por kWh.



También se producen algunos problemas

de mantenimiento, debido a lo cual se

,

recomienda operar el generador con una

carga mínima

V

ENTAJAS DE

O

PERAR UN GRUPO MOTO

‐

D

V

V

GENERADOR

D

IESEL A

V

ELOCIDAD

V

ARIABLE

1.6 r) speed=1p.u. 1.2 1.4 ti o n (lt/h r 1 consum p t speed=0.9p.u. d 0 8 0.6 0.8 Fuel c speed=0.8p.u. speed=0.7p.u. 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.4 Power (p.u.) speed=0.6p.u. Power (p.u.)

C

URVA

Ó

PTIMA DE

O

PERACIÓN   1 0.8 pu ) 0.6 S pee d ( p 0 4 S 0 0.2

_0.4

0.6 0.8 1 0.4

C

ARGA

D

ESBALANCEADA Grupo Moto-Generador Di l Diesel Señales de Frecuencia Variable



Conversor de P t i Potencia a b c O Señales de Carga Desbalanceada Con Neutro Ouput Filter Star connected 50Hz Star-connected load n

C

ONVERSOR DE

C

UATRO

P

IERNAS

PWM

 

F

UENTE DE

V

OLTAJE

V

OLTAJE Una de estas piernas actúa como neutro El puente rectificadorp a b c n

puede reemplazarse por otro conversor PWM

(configuración back to back)

C

ONVERSOR

M

ATRICIAL

(

OPERACIÓN SIMILAR A UN BACK TO BACK

)

(

OPERACIÓN SIMILAR A UN BACK TO BACK

)

• No posee DC link. Conversor Matricial p • Pequeño y portatil. A IN_A  ‐   OUT_a B  ‐ b B  ‐ c B  ‐ n • Flujo de potencia bidireccional. B • Razón de transformación

de tensión (hasta aprox.

C

a b c n Filtro de entrada

a

de tensión (hasta aprox. 

un 86%). Filtr o   de   salid a • Amplio rango de  operación en frecuencia.

A

PLICACIONES DE LOS

C

ONVERSORES DE CUATRO PIERNAS

PIERNAS



Generación

 

Diesel.



Sistemas

 

Eólico

‐

Diesel.



Reemplazar

 

transformador

 

en

 

delta

‐

estrella

 

tili d

l

t

l í

d

l t ó i

utilizados

 

en

 

algunas

 

topologías

 

de

 

electrónica

 

de

 

potencia.



Eliminar

 

la

 

circulación

 

de

 

secuencia

 

cero

 

por

 

d

t

f

d

E

JEMPLO DE

A

PLICACIÓN Generador de Imanes Conversor Matricial Carga Carga Máquina DIESEL de Imanes permanentes Matricial de cuatro piernas



MC Carga desbalanceada Carga DIESEL Control de MC MATRIX Velocidad   * + -FIL T RO MATRIX CONVERTER OR 4-Leg PWM VSI FIL T RO _r _{r +} Algoritmo de Modulación SVM

Tensión de entrada Corriente de salida

Cálculo de la Curva óptima Potencia-RPM P_e Control de tensión SVM

Tensión de entrada Corriente de salida

Potencia de salida de Carga

A

LGUNOS

S

ISTEMAS DE

C

ONTROL

P

OSIBLES

A

LGUNOS

S

ISTEMAS DE

C

ONTROL

P

OSIBLES

Controlador  Lazo Cerrado Lazo Cerrado D‐q Resonante D‐q  convencional D‐q± D‐q‐0 Sintonizado  en 50Hz Múltiples  sintonizaciones Discutidos en Discutidos en esta charla

C

ONTROLADOR

R

ESONANTE

(CR)

C

ONTROLADOR

R

ESONANTE

(CR)



Se ubica un polo en la frecuencia deseada (en este

caso 50Hz) sobre el círculo unitario.



Se obtiene ganancia infinita si se sintoniza el polo

g

p

adecuadamente, es decir se sintoniza la frecuencia

de operación en la frecuencia de resonancia.

p

2 2 2 ) ( K s ns n G 







s j 2 2 ) ( o n n c c s K s G





  s  j

I

MPLEMENTACIÓN DEL

C

ONTROL

R

ESONANTE EN

U

NA

F

ASE

F

ASE V* + Resonant SVM R V Plant V _an V  _{an +} Resonant Controller z‐1 ZOH L f f f L L R sL L C R s R   2 V_a V _an

‐

I

MPLEMENTACIÓN DEL

S

ISTEMA DE

C

ONTROL

R

ESONANTE

v v v

Plant A

A/D A/D _A/D

v_ag v_bg v_cg V * an + a f f f a a R sL L C R s R   2 Plant A V_an Grid Input Filt i RC Phase a a f f f a

‐

Filtering V * + Rb Plant B V_bn Phase a RC Prism Selection Tetrahedron Selection V  _{bn +} b f f f b b R sL L C R s R   2 bn

‐

Pl t C RC Phase b Selection Selection Duty Cycle Calculation V * cn c f f f c c R sL L C R s R   2 Plant C V_cn RC Phase c + s RcCf Lf sLf Rc

‐

Phase c SVM Algorithm + a)

S

ISTEMA

R

ESONANTE DE

M

ÚLTIPLES

F

RECUENCIAS Resonant Controller V * an + 2 2 2 2 1 2 o n n c s s s K       Fundamental + _z‐1 SVM ZOH L f f f L L R sL L C R s R   2 V_a Plant

‐

s o 2 2 ₂ nn nns s Kcn    n_th harmonic :   :   :   :   :   :   :   : 0 V an

‐

+ L f f f L + 2 2 2 on nn nn s s s Kcn    + m_th harmonic :   :   :   :   :   :   :   : + V an 2 2 2 2 ₂ om nm nm s s s Kcm       0

‐

+

R

ESPUESTA DE

F

RECUENCIA DEL

C

ONTROLADOR

R

ESONANTE 150 ) 50 100 a) _50Hz u de (dB ) 50 0 M agnit u -50₁₀1 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 ₁₀5 100 _150Hz 200Hz M 20 60 50Hz 100Hz 250Hz -20 20 Frequency (rad/sec) 102 103 104

P

OLOS Y

C

EROS EN

P

LANO

Z

P

OLOS Y

C

EROS EN

P

LANO

‐

Z

Output Filter Z Plane Unity X Output Filter pole Plane Unity circle X Resonant pole Zero

Pole of the plant for the no‐load case

X o Zero Modulation ω_oT_s x Delay

D

ISEÑO

U

TILIZANDO

L

UGAR DE LA

R

AÍZ

P

LATAFORMA EXPERIMENTAL

D

ISCONNECTION OF THE

L

OAD IN

T

WO

P

HASES 0 4 ia a) -4 0 0 4 ib b) ent (A) -4 0 Curr e 0 4 0 _{0.2 0.4 0.6 0.8 1} -4 c) Time (s) c)

D

ISCONNECTION OF THE

L

OAD IN

T

WO

P

HASES 2 4 6 e nt (A) a) 4 -2 0 2 u tral curr e 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -6 -4 Ne u V ) 150 Vo ltage (V 75 150 b) Load Vo -75 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) -150 Time (s)

E

SCALÓN

T

RIFÁSICO EN LA

C

ARGA

E

SCALÓN

T

RIFÁSICO EN LA

C

ARGA

) 4 8 Load ren t (A ) a) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 L Cur r 150 50 150 (V) b) -50 V olt a ge 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -150 Time (ms) V Time (ms)

C

AMBIO DE LA

F

RECUENCIA DE

O

PERACIÓN

(‘ ’)

(‘ON THE FLY’)

50Hz 30Hz 0 50 50Hz 30Hz -50 g e( V ) a) 1.9 1.92 1.94 1.96 1.98 2 2.02 2.04 2.06 2.08 50 ad V o lta g 2.09 -50 0 Lo a 1.98 2 2.01 2.02 2.03 b) 1.99

C

AMBIOS

C

ONTINUOS EN LA

F

RECUENCIA DE

O

PERACIÓN V ) 0 50 V oltage (V 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 -50 Load V ~50Hz ~0Hz 0 5 nt (A) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 -5 0 Curre V i ió ti d d d t l Time (s) ~50Hz ~0Hz

O

PERACIÓN A

V

ELOCIDAD

V

ARIABLE DSP‐based Control and Emulation system Modulation and Resonant Emulation system FPGA Based Speed and Resonant Control Switching A R Host PC p Control 3 3 A B C R R 4-leg Matrix Converter Input C a b c _Output Filter Encoder Filter Load n Cage Machine PM Generator n

R

AMPAS

A

SCENDENTES Y

D

ESCENDENTES CON

I

MPACTOS DE

C

ARGA

I

MPACTOS DE

C

ARGA a) 1800 m ) a) 1400 1800 p eed (rp m

Velocidad del generador

1000 b) 200 250 S p e (V) 100 150 Vo lt a g e Voltaje de entrada 5 7 rrent (A) c) Corriente de entrada 0 1 2 3 4 5 6 7 3 Cu r Time(s) c)

R

AMPAS

A

SCENDENTES Y

D

ESCENDENTES CON

I

MPACTOS DE

C

ARGA

I

MPACTOS DE

C

ARGA a) 60 80 (V) 40 60 V o

ltage Voltaje de Carga

20 b) 15 A ) 5 10 C urrent (A Corriente de Carga 5 c) 0.7 C o Razón de Voltajes 0.5 Qrati o Razón de Voltajes Entrada/Salida 0 1 2 3 4 5 6 7 0.3 Time(s)

V

OLTAJE DE

F

ASE

V

OLTAJE DE

F

ASE 100 60 100 Load Step ) 20 h ase a   (v ) -20 V olt a ge p h 100 -60 V 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 -100 Time (s)

C

ONTROL DE UNA CARGA ALTAMENTE

N

O LINEAL

C

ONTROL DE UNA CARGA ALTAMENTE

N

O LINEAL

A B C Filtro de  salida C a b c n Carga No Lineal n No Lineal

C

ORRIENTES Y TENSIONES A LAZO ABIERTO ALIMENTANDO UNA CARGA

N

O LINEAL CARGA

N

O LINEAL 8 ) ia ib 0 4 o rriente (A ) a b 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -8 -4 C o 50 100 V) va vb -50 0 V o ltaje ( 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -100 Ti ( ) Tiempo (s)

C

ORRIENTES Y TENSIONES UTILIZANDO EL CONTROLADOR

10

RESONANTE MULTI SINTONIZADO

0 5 riente (A) i_a ib 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 1 -10 -5 Cor r 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 150 V ) _v b v_a -50 50 V o ltaje ( V _{a b} 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -150 Tiempo (s) Tiempo (s)

C

ALIDAD DE ONDA BAJO CONDICIONES

N

O LINEALES 100 Lazo abierto, -100 0 , THD = 14.6% 100 R t -100 0 Resonante, THD = 9.7% 100 Resonante -100 0 eso a te múltiple, THD = 3%

F

IGURAS EN ESPECTRO DE FRECUENCIAS

F

IGURAS EN ESPECTRO DE FRECUENCIAS

20 Lazo abierto 5 10 15 Lazo abierto, THD = 14.6% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 15 20 R t 5 10 15 Resonante, THD = 9.7% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 15 20 Resonante 0 5 10 15 eso a te múltiple, THD = 3% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

V

IDEOS

V

IDEOS 

R

t

i t

i d

50H



Resonante

 

sintonizado

 

en

 

50Hz.



Resonante

 

sintonizado

 

en

 

0

‐

50

‐

100Hz.



Resonante

 

sintonizado

 

en

 

0

‐

50

‐

100

‐

150

‐

200

‐

250Hz.

A

NALISIS EN ESPECTRO DE

A

NALISIS EN ESPECTRO DE

Espectro de frecuencias expresadas en % de la fundamental 10 20 ) a e p esa as e % e a a e a Lazo abierto THD = 14.6% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 20 ) b Control D-q THD = 14 55% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 20 ) c THD 14.55% Control D-q+-THD 13 8% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 20 ) d THD = 13.8% Control D-q-0 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 d) ) q THD = 12.1% Control 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 e) A ó i Co t o Resonante THD = 9.7% Armónicas

C

ONTROLADOR

D-

Q

-0

Y

C

ONTROLADOR

R

R

ESONANTE SINTONIZADO EN

0-50-100-200-250

20 Espectro de frecuencias expresadas en % de la fundamental 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 a) Control D-q-0 THD = 11.2% 10 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ) b Control Resonante THD = 6% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 Armónicas THD 6%

C

ONTROLADOR

R

ESONANTE SINTONIZADO EN

0-50-100-150-200-250

Espectro de frecuencias expresadas en % de la fundamental expresadas en % de la fundamental 10 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10

THD = 3%