Power Converters. Applications and Analysis Using PSIM 

Index of Exercises PSIM 10.0.6 

  Prof. Herman E. Fernández H    

 

   

Chapter II: PSIM description Keywords: low‐pass filter analysis, transient, AC sweep and parametric tests PSIM exercises: 4   Transient analysis of a low pass filter Ejercicio2_1.psimsch Fig.2.25 Transient analysis with noise signal Ejercicio2_2.psimsch Fig.2.26 AC Sweep  Ejercicio2_3.psimsch Fig.2.27 Parametric analysis Ejercicio2_4.psimsch Fig.2.29, Fig.2.30  Example:  Transient analysis of a low‐pass filter with added noise signal  

 AC sweep of a low‐pass filter  

 

 

Chapter III: Diodes and Thyristors 

Keywords:  uncontrolled  rectifier,  DIAC‐TRIAC  arrays,  phase  control,  circuit  to  determine thyristor state, pulse transformer, AC/AC and AC/DC PWM converters with GTO, driver circuits and GTO discrete model.  PSIM exercises: 19  3.1 Single‐phase rectifier with RLE load. Discontinuous current mode (DCM). Ejercicio3_1.psimsch  Fig.3.3  3.2 Single‐phase rectifier with RLE load. Continuous current mode (CCM). Ejercicio3_2.psimsch Fig.3.4  3.3 Half‐wave controlled rectifier with resistive load. Using Alpha Controller. Ejercicio3_3.psimsch  Fig.3.7  3.4 Half‐wave controlled rectifier with RL load. Determination of current extinction angle (β). Ejercicio3_4.psimsch  Fig.3.8, Fig.3.9  3.5 DIAC voltage‐current characteristic. Ejercicio3_5.psimsch  Fig.3.15, Fig.3.16    3.6 DIAC‐TRIAC circuit based on an Alpha Controller. Ejercicio3_6.psimsch  Fig.3.17, Fig.3.18  3.7 DIAC‐TRIAC circuit based on a Gating Block. Ejercicio3_7.psimsch  Fig.3.19  3.8 DIAC‐TRIAC circuit. First option. Ejercicio3_8.psimsch  Fig.3.21, Fig.3.22  3.9 DIAC‐TRIAC circuit. Parametric analysis. Ejercicio3_9.psimsch  Fig.3.23  3.10 DIAC‐TRIAC circuit. Second option. Ejercicio3_10.psimsch  Fig.3.24  3.11 AC/AC and AC/DC PWM converters implemented with GTO. Ejercicio3_11.psimsch  Fig.3.28 

  

Optical electronic to determine the state of a thyristor (SCR):  3.12 Operating thyristor. Ejercicio3_12.psimsch  Fig.3.34  3.13 Short‐circuited thyristor (Failure state). Ejercicio3_13.psimsch  Fig.3.35  3.14 Open‐circuited thyristor (Failure state). Ejercicio3_14.psimsch  Fig.3.36  3.15 Voltage‐time characteristic determination of a pulse transformer. Ejercicio3_15.psimsch  Fig.3.38  3.16 Saturation effect of a pulse transformer. Ejercicio3_16.psimsch  Fig.3.39  3.17 Thyristor driver circuit design using RC network. Ejercicio3_17.psimsch  Fig.3.42  3.18 Thyristor driver circuit design based in pulse modulation. Ejercicio3_18.psimsch  Fig.3.43  3.19 GTO modelling. Ejercicio3_19.psimsch  Fig.3.44    

Example:  3.19 GTO modelling     

     

  

   

Chapter IV: Power Transistors  Keywords:  PBJT,  MOSFET,  IGBT  and  three‐phase  switch.  Driver  stage,  losses  evaluation  of power devices. Basic applications. PSIM exercises: 10    4.1 PBJT driver unit. Optical isolated, pulses amplifier and simple power stage. Ejercicio4_1.psimsch  Fig.4.8, Fig.4.9  4.2 Open‐loop servomotor. Ejercicio4_2.psimsch  Fig.4.10  4.3 Open‐loop servomotor. Constant torque load. Ejercicio4_3.psimsch  Fig.4.11  4.4 MOSFET gate driver with short‐circuit protection. Resistive load. Ejercicio4_4.psimsch  Fig.4.18  4.5 MOSFET gate driver with short‐circuit protection. RL load. Ejercicio4_5.psimsch  Fig.4.19  4.6 DC machine soft starter based on IGBT. Ejercicio4_6.psimsch  Fig.4.28  4.7 IGBT gate driver with short‐circuit protection. Ejercicio4_7.psimsch  Fig.4.29  4.8 DC/DC converter. Commutation and conduction losses evaluation. Thermal considerations. Ejercicio4_8.psimsch  Fig.4.30, Fig.4.31, Fig.4.32    4.9 DC/AC converter. Commutation and conduction losses evaluation. Thermal considerations. Ejercicio4_9.psimsch  Fig.4.33, Fig.4.34   4.10 AC starter of induction machine using three‐phase switch. Ejercicio4_10.psimsch  Fig.4.35, Fig.4.36     

Example:  4.5 MOSFET Gate Driver (MGD) with short‐circuit protection. RL load   

  

    

Chapter V: DC/DC converters Keywords: Step‐up, Step down, Buck‐Boost, Fly‐Back, Push‐pull and H‐bridge. PWM (unipolar and bipolar modes), Feedforward‐PWM, One‐Cycle controller, and  frequency variation. Open loop and feedback control: current controller and voltage regulation. UC3825, UC3844. Basic applications:  Switch  Mode  Power  Supply  (SMPS),  DC  drive,  and  UPS.  Discontinuous  mode current (DCM).   PSIM exercises: 17  5.1 Step‐down DC/DC (Buck converter). Open loop configuration. PWM control. Ejercicio5_1.psimsch  Fig.5.12  5.2 Step‐up DC/DC (Boost converter). PWM control and voltage regulation. Ejercicio5_2.psimsch  Fig.5.13  5.3 Buck converter based on a UC3825 Controller. Ejercicio5_3.psimsch  Fig.5.14, Fig.5.15  5.4 Buck converter based on a UC3825 Controller. Short‐circuit condition. Ejercicio5_4.psimsch  Fig.5.16, Fig.5.17  5.5 Buck converter based on a UC3825 Controller. Discontinuous current measure. Ejercicio5_5.psimsch  Fig.5.18  5.6 Simple DC drive based on a Step‐down converter. Open loop condition. Ejercicio5_6.psimsch  Fig.5.19  5.7 Step‐up converter. Ejercicio5_7.psimsch  Fig.5.22  5.8 Feed‐Forward PWM (FF‐PWM) controller. Ejercicio5_8.psimsch  Fig.5.23, Fig.5.24  5.9 Current controlled Step‐up converter (discrete array). Ejercicio5_9.psimsch  Fig.5.25  5.10 Current controlled Step‐up converter using UC3842. Ejercicio5_10.psimsch  Fig.5.26, Fig.5.27  5.11 Class C converter (one‐quadrant operation). Ejercicio5_11.psimsch  Fig.5.33, Fig.5.34  

5.12 Class C converter (two‐quadrants operation). Ejercicio5_12.psimsch  Fig.5.35  5.13 H‐Bridge configuration. Full‐quadrant operation. Bipolar PWM. DC motor drive. Ejercicio5_13.psimsch  Fig.5.38  5.14 H‐Bridge configuration. Full‐quadrant operation. Unipolar PWM. DC motor drive. Ejercicio5_14.psimsch  Fig.5.39  5.15 Buck‐Boost converter. Voltage regulation based on PI controller. Ejercicio5_15.psimsch  Fig.5.41  5.16 Closed‐loop Flyback converter.  Ejercicio5_16.psimsch  Fig.5.43, Fig.5.44  5.17 DC/DC Half‐bridge isolated configuration. Ejercicio5_17.psimsch  Fig.5.46     

Example:  5.4 Current control and voltage regulation using a UC3825   

 

 

Chapter VI: Pulses generator and synchronism circuits for AC/DC and AC/AC converters Keywords: zero crossing detector, phase control circuit, phase control single‐phase and three‐phase converters. VCO. SRF‐PLL and SRF‐PLL  for  three‐phase converters,  frequency  response for  SRF‐PLL,  PLL  three‐phase  synchronization,  cosine  controller,  integral  cycle  and  PWM controllers.      PSIM exercises: 20   6.1 Zero‐crossing detector. Two topologies. Ejercicio6_1.psimsch  Fig.6.3  6.2 Synchronization network using opto‐isolator circuit. Ejercicio6_2.psimsch  Fig.6.4  6.3 Phase‐control circuit. Ramp method. Ejercicio6_3.psimsch  Fig.6.5  6.4 Phase‐control circuit. Negative slope ramp. Ejercicio6_4.psimsch  Fig.6.6  6.5 Firing pulses using counter method to frequency variable.  Ejercicio6_5.psimsch  Fig.6.7, Fig.6.8  6.6 Firing pulses using counter method with digital reference. Ejercicio6_6.psimsch  Fig.6.9  6.7 Firing pulses generator for three‐phase half‐wave controlled rectifier. Ejercicio6_7.psimsch  Fig.6.12, Fig.6.13, Fig.6.14  6.8 Firing pulses generator for three‐phase full‐wave controlled rectifier. Ejercicio6_8.psimsch  Fig.6.16, fig.6.17  6.9 Pulses generator using a VCO. Ejercicio6_9.psimsch  Fig.6.19  6.10 Pulses generator using a monostable circuit. Ejercicio6_10.psimsch  Fig.6.20  6.11  Single‐phase  synchronization  circuit  using  a  SRF‐PLL  (Synchronous  Reference  Frame  ‐ Phase Locked Loop). Ejercicio6_11.psimsch  Fig.6.24, Fig.6.25  

6.12  Single‐phase  synchronization  circuit  using  a  SRF‐PLL  (Synchronous  Reference  Frame  ‐ Phase Locked Loop) based on Park Transformation. Ejercicio6_12.psimsch  Fig.6.26  6.13 Pulses generator for three‐phase converter under single‐phase SRF‐PLL. Ejercicio6_13.psimsch  Fig.6.27, Fig.6.28  6.14 Frequency response analysis for a SRF‐PLL. Ejercicio6_14.psimsch  Fig.6.29  6.15 Three‐phase synchronism using SRF‐PLL. Ejercicio6_15.psimsch  Fig.6.30  6.16 Cosine control scheme. Function f(ωt)=1+cos(ωt). Ejercicio6_16.psimsch  Fig.6.34  6.17 Cosine control scheme. Function f(ωt)=cos(ωt). Ejercicio6_17.psimsch  Fig.6.35  6.18 Integral cycle control. Ejercicio6_18.psimsch  Fig.6.37  6.19 SPWM pulses generator for AC/DC converter. Ejercicio6_19.psimsch  Fig.6.38  6.20 SPWM pulses generator for three‐phase converter.  Ejercicio6_20.psimsch  Fig.6.39    

 Example:  6.4 Phase‐control circuit. Negative slope ramp     

    

    

 

Chapter VII: Controlled Rectifiers Keywords: single‐phase configuration. Half‐wave and fully‐controlled three‐phase converters. Harmonics analysis. Cosine control  scheme. Basic applications: DC drive and battery charger. Serial  converter  connection.  Six‐phase  rectifier.  Line  inductor  effect.  Rectifier  evaluation connecting inductive, RLE and constant current loads.  Power Factor Controller (PFC). Applying the  SmartCtrl  tool  to  set  parameters  of  a  PFC.  Hysteresis‐current  controlled  PFC.  PWM rectifiers. Vienna configuration.   PSIM exercises: 24  7.1 Single‐phase rectifier connected to current‐constant load.  Ejercicio7_1.psimsch  Fig.7.3, Fig.7.4  7.2 Single‐phase half‐wave converter connected to RL load. Ejercicio7_2.psimsch  Fig.7.5, Fig.7.6  7.3 Single‐phase half‐wave converter connected to a current‐constant load. Ejercicio7_3.psimsch  Fig.7.8  7.4 Single‐phase half‐wave converter based on cosine control method.  Ejercicio7_4.psimsch  Fig.7.9, Fig.7.10  7.5 Asymmetrical single‐phase half‐wave rectifier. Ejercicio7_5.psimsch  Fig.7.11  7.6 DC drive implemented with an asymmetrical single‐phase half‐wave rectifier. Ejercicio7_6.psimsch  Fig.7.12  7.7 Single‐phase fully‐controlled rectifier.  Ejercicio7_7.psimsch  Fig.7.14  7.8 Single‐phase fully‐controlled rectifier under cosine control strategy. Ejercicio7_8.psimsch  Fig.7.15, Fig.7.16  7.9 DC drive implemented with a thyristors module. Cosine control. Ejercicio7_9.psimsch  Fig.7.17  7.10 Three‐phase half‐wave converter.  Ejercicio7_10.psimsch  Fig.7.19    

7.11 Three‐phase half‐wave converter with freewheeling diode. Ejercicio7_11.psimsch  Fig.7.22, fig.7.23  7.12 Three‐phase fully‐controlled rectifier. Cosine control scheme. Constant‐current load. Two‐quadrant operation. Ejercicio7_12.psimsch  Fig.7.28, Fig.7.29  7.13  Battery charger under three‐phase fully‐controlled rectifier.  Ejercicio7_13.psimsch  Fig.7.30  7.14 DC drive implemented with a three‐phase fully‐wave rectifier. Ejercicio7_14.psimsch  Fig.7.31  7.15 Serial connection of three‐phase rectifiers. Ejercicio7_15.psimsch  Fig.7.32, Fig.7.33  7.16 Six‐phase rectifier. Ejercicio7_16.psimsch  Fig.7.34, Fig.7.35  7.17 Line inductor effect. Single‐phase rectifier. Ejercicio7_17.psimsch  Fig.7.37  7.18 Line inductor effect. Three‐phase rectifier. Ejercicio7_18.psimsch  Fig.7.38  7.19 PFC based on a UC3854. Ejercicio7_19.psimsch  Fig.7.44, Fig.7.45  7.20 Applying the SmartCtrl tool to set parameters of a PFC. Ejercicio7_20.psimsch  Fig.7.46  7.21 Hysteresis‐current controlled PFC. Ejercicio7_21.psimsch  Fig.7.48, Fig.7.49  7.22 Simple configuration of a PWM Rectifier. Ejercicio7_22.psimsch  Fig.7.52, Fig.7.53, Fig.7.54  7.23 Vienna Rectifier. Ejercicio7_23.psimsch  Fig.7.55 

7.24 PWM rectifier with power factor control. Ejercicio7_24.psimsch  Fig.7.56, Fig.7.57  Example:   7.11 Three‐phase half‐wave converter with freewheeling diode  

 

    

Chapter VIII: AC/AC converters Keywords: single‐phase. Half‐wave and fully‐controlled three‐phase converters.  Star and Delta configurations. Static Var Compensator.    Special  topologies. Control methods: phase‐control, mark‐space, PWM, SPWM, one‐cycle control and integral cycle control. Frequency multiplier. Matrix converter. PSIM exercises: 24  8.1 Single‐phase half‐wave AC/AC converter. Ejercicio8_1.psimsch  Fig.8.2, Fig.8.3  8.2 Single‐phase fully‐controlled AC/AC converter. Resistive load. Harmonics analysis. Ejercicio8_2.psimsch  Fig.8.6, Fig.8.7  8.3 Single‐phase fully‐controlled AC/AC converter. Inductive load. Harmonics analysis. Ejercicio8_3.psimsch  Fig.8.9, Fig.8.10  8.4  Single‐phase  fully‐controlled  AC/AC  converter  using  integral  cycle  control.  Harmonics analysis. Ejercicio8_4.psimsch  Fig.8.12, Fig.8.13  8.5 Three‐phase fully‐controlled AC converter. Multimode operation. Resistive load.  Ejercicio8_5.psimsch  Fig.8.16, Fig.8.17  8.6 Three‐phase fully‐controlled AC converter. Multimode operation. Inductive load.  Ejercicio8_6.psimsch  Fig.8.18  8.7 Three‐phase half‐controlled AC converter. Multimode operation. Resistive load. Ejercicio8_7.psimsch  Fig.8.22  8.8 Three‐phase half‐controlled AC converter. Multimode operation. Inductive load. Ejercicio8_8.psimsch  Fig.8.23, Fig.8.24  8.9 Thyristors delta configuration. Resistive load. Ejercicio8_9.psimsch  Fig.8.27, Fig.8.28  8.10 Thyristors delta configuration. Inductive load. Ejercicio8_10.psimsch  Fig.8.29  8.11 Operation principle of a Static Var Compensator. Ejercicio8_11.psimsch  Fig.8.30, Fig.8.31  

8.12 Asymmetrical array. Three‐phase converter with two‐phase control.  Ejercicio8_12.psimsch  Fig.8.32  8.13 Asymmetrical array. Three‐phase converter with one‐phase control.  Ejercicio8_13.psimsch  Fig.8.33  8.14 Asymmetrical array. Each phase controlled with load in delta configuration.  Ejercicio8_14.psimsch  Fig.8.34  8.15  Asymmetrical  array.  Three‐phase  converter  with  thyristors  connected  in  delta configuration. Serial connection of the three‐phase load with AC grid. Ejercicio8_15.psimsch  Fig.8.35  8.16 Single‐phase AC converter using mark‐space control. Ejercicio8_16.psimsch  Fig.8.37, Fig.8.38  8.17 Single‐phase AC converter. Pulses generator under SPWM. Ejercicio8_17.psimsch  Fig.8.39  8.18 Single‐phase AC converter. One‐cycle controller. Ejercicio8_18.psimsch  Fig.8.40  8.19 Single‐phase AC converter. Dynamic evaluation with one‐cycle controller. Ejercicio8_19.psimsch  Fig.8.41  8.20 PWM‐cycle‐integral control. Ejercicio8_20.psimsch  Fig.8.42  8.21 Frequency multiplier.  Ejercicio8_21.psimsch  Fig.8.43  8.22 Three‐phase to single‐phase cycloconverter. Ejercicio8_22.psimsch  Fig.8.45, Fig.8.46  8.23 Matrix converter of simple configuration. Ejercicio8_23.psimsch  Fig.8.51  8.24 Reduced‐parts matrix converter. Ejercicio8_24.psimsch  Fig.8.52, Fig.8.53 

Example:  8.6 Three‐phase fully‐controlled AC converter. Multimode operation. Inductive load     

 

 

 

   

Chapter IX: DC/AC converters Keywords:  square wave  half‐bridge,  H  bridge  configuration,  conduction  control  equals  to π and 2π/3. Single‐pulse, uniform pulse width modulation, bipolar‐SPWM, and unipolar‐SPWM. SPWM three‐phase  inverter, HIPWM, Selective Harmonic Elimination (three‐cases), MSPWM, SVPWM.  Sinusoidal  inverter  (filter  LC).  Reflection  effect  in  AC  drives.  Hysteresis  controller. Three‐level  inverter,  FC‐MLI,  push‐pull  inverter  using  UC3825,  delta  controller,  inverter connected to grid, inverter connected to resonant load, and Current Source Inverter. PSIM exercises: 29  9.1 Half‐bridge single‐phase converter. Ejercicio9_1.psimsch  Fig.9.9  9.2 Full‐bridge single‐phase configuration. Ejercicio9_2.psimsch  Fig.9.12  9.3 Three‐phase inverter. Conduction equals π. Ejercicio9_3.psimsch  Fig.9.15, Fig.9.16  9.4 Three‐phase inverter. Conduction equals 2π/3. Ejercicio9_4.psimsch  Fig.9.18  9.5 Single‐pulse or Uniform PWM generator. Ejercicio9_5.psimsch  Fig.9.20, Fig.9.23  9.6 Full‐bridge under multiple‐pulses PWM generator.  Ejercicio9_6.psimsch  Fig.9.25, Fig.9.26  9.7  Full‐bridge  inverter  under  Bipolar  Synchronous  Sinusoidal  Pulse  Width  Modulator (SSPWM). Ejercicio9_7.psimsch  Fig.9.31, Fig.9.32  9.8 Full‐bridge inverter based on Unipolar SSPWM. Ejercicio9_8.psimsch  Fig.9.34  9.9 Three‐phase inverter based on SPWM. Ejercicio9_9.psimsch  Fig.9.36  9.10 Three‐phase inverter under Harmonic Injection Pulse Width Modulation (HIPWM). Ejercicio9_10.psimsch  Fig.9.38, Fig.9.39    

9.11 Three‐phase inverter under Selective Harmonic Elimination‐TLN1. Ejercicio9_11.psimsch  Fig.9.42, Fig.9.43  9.12 Single‐phase inverter under Selective Harmonic Elimination‐SLN1. Ejercicio9_12.psimsch  Fig.9.44, Fig.9.45  9.13 Single‐phase inverter under Selective Harmonic Elimination‐SLL. Ejercicio9_13.psimsch  Fig.9.46  9.14 Single‐phase inverter using Modified Sinusoidal PWM (MSPWM). Ejercicio9_14.psimsch  Fig.9.48  9.15 Three‐phase inverter under Space Vector PWM. Ejercicio9_15.psimsch  Fig.9.51, Fig.9.52  9.16 Filter design procedure applied to a single‐phase inverter under SPWM. Ejercicio9_16.psimsch  Fig.9.62, Fig.9.63, Fig.9.64, Fig.9.65  9.17 Reflection effect analysis in three‐phase converter under SPWM. Ejercicio9_17.psimsch  Fig.9.66  9.18 LC filter configuration to reduce reflection effect in a three‐phase converter under SPWM. Ejercicio9_18.psimsch  Fig.9.68  9.19  LCC  filter  configuration  to  reduce  reflection  effect  in  a  three‐phase  converter  under SPWM. Ejercicio9_19.psimsch  Fig.9.69  9.20 Hysteresis controller applied to a single‐phase inverter. Ejercicio9_20.psimsch  Fig.9.71  9.21 Sample‐Hold Hysteresis controller applied to a single‐phase inverter. Ejercicio9_21.psimsch  Fig.9.72  9.22 Diodes Clamping‐Multiple Level Inverter (DC‐MLI) under SPWM. Ejercicio9_22.psimsch  Fig.9.76, Fig.9.77  9.23 Flying Capacitor‐MLI inverter under SPWM. Ejercicio9_23.psimsch  Fig.9.78 

9.24 Push‐pull inverter. Ejercicio9_24.psimsch  Fig.9.80  9.25 Delta modulator applied to single‐phase inverter. Ejercicio9_25.psimsch  Fig.9.82  9.26 Single‐phase inverter connected to AC grid (Distributed Generation). Ejercicio9_26.psimsch  Fig.9.84, Fig.9.85  9.27 Single‐phase inverter connected to AC grid. Power factor control. Ejercicio9_27.psimsch  Fig.9.86  9.28 Series‐loaded (RLC) resonant converter. Ejercicio9_28.psimsch  Fig.9.87  9.29 Current Source Inverter under SPWM. Ejercicio9_29.psimsch  Fig.9.89, Fig.9.90     

Example: 9.11 Three‐phase inverter under Selective Harmonic Elimination‐TLN1  

   

 

    

Chapter X: Power Electronic Systems: analysis and simulations Keywords:  open‐loop  DC  drive,  DC  drive  using  UC3842,  close‐loop  DC  drives  (two‐cases), traction system. Fan applications (two‐cases). Vector Control. Drives: SRM, BDCM, and PMDC. Lead‐acid  model  (VRLA).  Current  control  and  voltage  regulation.  Li‐ion  battery  test,  super capacitor  simplified model, battery  charger  for VRLA, SMPS with UC3844, backup cycle UPS, AC/DC‐current controlled.   PSIM exercises: 23  

 10.1 Open‐loop DC drive. Ejercicio10_1.psimsch  Fig.10.4  10.2 Open‐loop DC drive under load demand. Ejercicio10_2.psimsch  Fig.10.5  10.3 Current‐controlled DC drive based on UC3842. Ejercicio10_3.psimsch  Fig.10.6  10.4 Closed‐loop DC drive. Option I. Ejercicio10_4.psimsch  Fig.10.7  10.5 Closed‐loop DC drive. Option II. Ejercicio10_5.psimsch  Fig.10.8  10.6 DC drive applied to a traction system. Ejercicio10_6.psimsch  Fig.10.10, Fig.10.11, Fig.10.12  10.7 Hard‐starter of an industrial fan. Ejercicio10_7.psimsch  Fig.10.16, Fig.10.17     10.8 Scalar‐Control AC drive. Induction machine mechanically coupled to industrial fan. Ejercicio10_8.psimsch  Fig.10.18, Fig.10.19  10.9 Vector‐Control AC drive.  Ejercicio10_9.psimsch  Fig.10.26  10.10 Synchronous Reluctance Machine (SRM) drive. Ejercicio10_10.psimsch  Fig.10.31  10.11 Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) drive. Ejercicio10_11.psimsch  Fig.10.32, Fig.10.33 

10.12 Brushless Direct Current Machine (BDCM or BLDC) drive. Ejercicio10_12.psimsch  Fig.10.34  10.13 Generic model of lead‐acid battery. Ejercicio10_13.psimsch  Fig.10.37, Fig.10.38  10.14 Battery charger: constant‐current mode and limited voltage control. Ejercicio10_14.psimsch  Fig.10.39  10.15 Constant‐current charge of the Lithium‐Ion battery.   Ejercicio10_15.psimsch  Fig.10.40  10.16 Constant‐current discharge of the Lithium‐Ion battery. Ejercicio10_16.psimsch  Fig.10.40   10.17 Simplified model of a ultracapacitor. Ejercicio10_17.psimsch  Fig.10.41  10.18 Simplified model of multiple‐cell ultracapacitor. Ejercicio10_18.psimsch  Fig.10.42  10.19  Battery  charger  based  on  an  averaged  DC/DC  converter. Constant‐current  mode  and floatation condition. Ejercicio10_19.psimsch  Fig.10.45, Fig.10.46, Fig.10.47  10.20 Switch Mode Power Supply (SMPS) based on a UC3844. Ejercicio10_20.psimsch  Fig.10.50  10.21 Uninterruptible Power Supply (UPS). Back‐up mode. Ejercicio10_21.psimsch  Fig.10.56  10.22 Uninterruptible Power Supply (UPS). Back‐up mode. Voltage regulation. Ejercicio10_22.psimsch  Fig.10.57  10.23 Welding machine based on a current‐controlled three‐phase rectifier.  Ejercicio10_23.psimsch  Fig.10.59     

Example:  10.5 Closed‐loop DC drive   

 

 

           

Chapter XI: Renewable energies: Photovoltaic and wind turbine systems. Fuel Cells Keywords: Wind turbines: BDCM, PMSG, and DFIG. Solar cell model and parametric analysis. MPPT:  simple  circuit,  P&O,  HC,  and  Inc‐Cond.  Solar  battery  charger  and  solar  water‐pump. PEMFC model, PEMFC‐step up DC/DC converter, PEMFC‐DC/DC‐DC/AC, distributed generation system using PEMFC, SOFC model (100kW), SOFC‐DC/DC‐DC/AC drive. PSIM exercises: 17  

 11.1 Wind turbine based on a BDCM (Brushless DC Machine) and storage bank. Ejercicio11.1.psimsch  Fig.11.19  11.2 Wind turbine based on a PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator). Ejercicio11.2.psimsch  Fig.11.20, Fig.11.21  11.3 Wind turbine based on a PMSG. Setting Ids=0. Ejercicio11.3.psimsch  Fig.11.22  11.4 Wind turbine based on a Double Fed Induction Machine (DFIG). Ejercicio11.4.psimsch  Fig.11.23, Fig.11.24  11.5 Functional model of a photovoltaic cell. BP 3175. Ejercicio11.5.psimsch  Fig.11.44, Fig.11.45  11.6  Physical  model  of  a  photovoltaic  cell.  Solarex  MSX60.  Parametric  analysis  under irradiation variable. Ejercicio11.6.psimsch  Fig.11.46, Fig.11.47  11.7 Simple configuration of a MPPT (Maximum Power Point Tracking) circuit. Ejercicio11.7.psimsch  Fig.11.48  11.8 Perturb and Observation MPPT method. Ejercicio11.8.psimsch  Fig.11.50, Fig.11.51  11.9 Incremental Conductance MPPT method. Ejercicio11.9.psimsch  Fig.11.52  11.10 Solar battery charger.  Ejercicio11.10.psimsch  Fig.11.53  11.11 Solar pumping system. Ejercicio11.11.psimsch  Fig.11.54, Fig.11.55 

11.12 Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Ejercicio11.12.psimsch  Fig.11.61, Fig.11.62  11.13 PEMFC connected to boost converter. Ejercicio11.13.psimsch  Fig.11.63, Fig.11.64  11.14 AC generation using a PEMFC. Ejercicio11.14.psimsch  Fig.11.65  11.15 Distributed generation under a PEMFC. Ejercicio11.15.psimsch  Fig.11.66  11.16 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Ejercicio11.16.psimsch  Fig.11.69, Fig.11.70, Fig.11.71  11.17 AC drive based on a SOFC. Ejercicio11.17.psimsch  Fig.11.72     

 Example: 11.11 Solar pumping system  

 

    

  Appendix Exercises: 11 (PSIM, PSCAD and PSpice)  A.1 SmartCtrl applied to design the regulation stage of a Buck Converter. EjercicioA_1.psimsch  A.2 HID (High‐Intensity Discharge Lamp) modelling. EjercicioA_2.psimsch  A.3 Synchronism circuit design based on PSCAD.  A.4 Phase‐control circuit based on PSCAD.  A.5 Three‐phase pulses generator using PSCAD.  A.6 DC drive designed using an IGBT step‐down converter. PSCAD tool.  A.7 Pulses generator applied to fully‐controlled three‐phase rectifier. PSCAD tool.  A.8 Generation mode of a DC machine.  A.9 Pulses amplifier. PSpice tool.  A.10 Ramp generator. PSpice tool.  A.11 AC Delta Controller. PSpice tool.     

Example: A.1 SmartCtrl applied to design the regulation stage of a Buck Converter.   

 

 

//SmartCtrl parameters //Outer Regulator parameters R2 = 2.77781k Ohm C2 = 2.65267u F Vref = 2.5 V Vp = 3 V R11 = 10k Ohm //Outer Sensor parameters Ra = 9.5k Ohm Rb = 500 Ohm //Power Stage parameters R = 10 Ohms RC = 50m Ohms C = 612u F 

IC_C = 50 V RL = 1n Ohms L = 5m H IC_L = 5 A Vin = 100 V //Modulator parameters Vpp = 2 V fsw = 2k Hz Dramp = 800m Vv = 1 V //Other parameters fdc = 15 Hz  <<<<<<<<<<<<<<<<  INPUT DATA >>>>>>>>>>>>>>>> INPUT DATA  Single loop     ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐     Frequency range (Hz) : (1, 999 k)     Cross frequency (Hz) = 15     Phase margin     (°) = 122     Plant     ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐         Buck (voltage mode controlled)         R (Ohms)  = 10         L    (H)  = 5 m         RL(Ohms)  = 1 n         C    (F)  = 612 u         RC(Ohms)  = 50 m         Vin  (V)  = 100         Vo   (V)  = 50         Fsw (Hz)  = 2 k         Steady‐state dc operating point         ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐         Mode      = Continuous         Duty cycle= 0.5         Vcomp(V)  = 2.25         IL   (A)  = 5         ILmax(A)  = 6.25         ILmin(A)  = 3.75         Io   (A)  = 5         Vo   (V)  = 50     Sensor     ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐         Voltage divider         Vref/Vo  = 0.05     Regulator     ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐         PI         Gmod      = 0.4         R11(ohms) = 10000         Vp(V)     = 3         Vv(V)     = 1 

        tr(sec)   = 0.0004         Vref(V)   = 2.5         Steady‐state dc operating point         ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐         IC_C2(V)  = 250m <<<<<<<<<<<<<<<<  RESULTS >>>>>>>>>>>>>>>>>>> RESULTS     Regulator (Analog):     ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐         Kp         = 277.781 m         Kint       = 7.36863 m         R2  (Ohms) = 2.77781 k         C2  (  F ) = 2.65267 u         fz  ( Hz ) = 21.599         fi  ( Hz ) = 5.99979         b2  ( s^2) = 0         b1  ( s  ) = 0.00736863         b0         = 1         a3  ( s^3) = 0         a2  ( s^2) = 0         a1  ( s  ) = 0.0265267         a0         = 0     Sensor:     ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐         Ra  (Ohms) = 9.5 k         Rb  (Ohms) = 500         Pa (Watts) = 237.5 m         Pb (Watts) = 12.5 m     Loop performance parameters:     ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐         PhF ( Hz ) = out of frequency range under study         GM  ( dB ) = ...         Atte( dB ) = ‐37.146