Upload
others
View
9
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Joel Prieto
Programa de Vinculación de Científicos y Tecnólogos PVT 014/2015
Técnicas de modulación para accionamientos multifásicos
2016
Indice de la presentación
• Introducción
• Objetivos
• Técnicas de modulación para accionamientos multifásicos
– Continuos and Discontinuos
– Análisis de rizado de corriente
– Técnicas SVPWM para zona de sobremodulación
– Mitigación de tensión de modo común
• Conclusiones
2
Introducción
3
Introducción
4
6 6f
Inverter6f E.M.
Si
wr
is
DC_Link
Vdc
a
b
vfva vb vcvd ve
vN
vN´
DC_Link
Vdc
a d b e c f
a
b c
d
e
f
ar
br
cr
xr
yr
zr
30º
6f E.M.
6f Inverter
a
b
c
d
e
f
CONTROL SIGNAL
(switching state)
Introducción
5
Introducción
• Accionamientos multifásicos, principales áreas de interés:
– Propulsión marítima
– Vehículos eléctricos e híbridos
– Tracción en trenes
– Aplicaciones aviónicas
– Otras aplicaciones de altas potencias
6
Introducción
• Accionamientos multifásicos, principales áreas de interés:
– Propulsión marítima
7
20MW @ 180rpm, 15 fases Medidas: 3.3m x 3m x 3.6m
Introducción
• Accionamientos multifásicos, principales áreas de interés:
– Aplicaciones aviónicas
8
Motor de imanes permanentes para bomba
de combustible: 16kW - 4 fases,
6 polos, tolerante a fallos
Indice de la presentación
• Introducción
• Objetivos
• Técnicas de modulación para accionamientos multifásicos
– Continuos and Discontinuos
– Análisis de rizado de corriente
– Técnicas SVPWM para zona de sobremodulación
– Mitigación de tensión de modo común
• Conclusiones
9
Objetivos
10
• Estudiar y caracterizar las estrategias de modulación para convertidores multifásicos de 5 y 6 fases en la región lineal y de sobremodulación
• Proponer nuevas técnicas de modulación para convertidores multifásicos
Indice de la presentación
• Introducción
• Objetivos
• Técnicas de modulación para accionamientos multifásicos
– Continuos and Discontinuos
– Análisis de rizado de corriente
– Técnicas SVPWM para zona de sobremodulación
– Mitigación de tensión de modo común
• Conclusiones
11
Técnicas de modulación
12
VSI in
multiphase systems
Carrier-based
SVPWM
Indicadores de rendimiento
Switching characteristics
Current ripple
Flux Harmonic Distortion factor
Complex approach
Técnicas PWM para convertidores multifasicos
Polygonal approach
Región Lineal Región Sobremodulación
SVPWM
CMV mitigation
Resumen
13
VSI in
multiphase systems
Carrier-based
SVPWM
Switching characteristics
Current ripple
Flux Harmonic Distortion factor
Complex approach
Polygonal approach
SVPWM
CMV mitigation
Indicadores de rendimiento
Técnicas PWM para convertidores multifasicos
Región Lineal Región Sobremodulación
*
*
*
*
*
cos( )
cos( 2 )5
cos( 4 )5
cos( 4 )5
cos( 2 )5
a
b
c
d
e
v M
v M
v M
v M
v M
A B C D E0
2
dcV
2
dcV
N
nl
va
vb
vc
vd
ve
+
+
++
+
-
-
-
-
-
PmA
mA
mB
mB
mC
mC
mD
mD
mE
mE
* ( ) ( ) ( )k zs kv t v t v t
VSI multifásico: Carrier-based PWM
0 36 72 108 144 180 216 252 288 324 360
-1
0
1
(deg)
Modula
ting s
ignals
(p.u
.)
va
vb
vc
vd
ve
Sector
1
Sector
2
Sector
3
Sector
4
Sector
5Sector
6
Sector
7
Sector
8
Sector
9
Sector
10
ZSI utilizado para:
• Mejorar la calidad de la corriente
• Maximizar el índice de modulación
Técnicas de modulación
14
PWM Continuo y Discontinuo
Carrier-based PWM
Tensión de fase Tensión de rama Señal de Secuencia cero
2 – max *zs dc iv V v -0.5 max * min *zs i iv v v
15
A B C D E0
2
dcV
2
dcV
N
nl
va
vb
vc
vd
ve
+
+
++
+
-
-
-
-
-
PmA
mA
mB
mB
mC
mC
mD
mD
mE
mE
Resumen
16
VSI in
multiphase systems
Carrier-based
SVPWM
Switching characteristics
Current ripple
Flux Harmonic Distortion factor
Complex approach
Polygonal approach
SVPWM
CMV mitigation
Indicadores de rendimiento
Técnicas PWM para convertidores multifasicos
Región Lineal Región Sobremodulación
Técnicas de modulación
17
• 25 = 32 estados de conmutación y vectores disponibles • Cada estado de conmutación puede ser representados en dos
planos independientes • La referencia es obtenida con la utilización selectiva de algunos
estados de conmutación aplicados en cierta secuencia
A B C D E0
2
dcV
2
dcV
N
nl
va
vb
vc
vd
ve
+
+
++
+
-
-
-
-
-
PmA
mA
mB
mB
mC
mC
mD
mD
mE
mE
VSI multifásico: SVPWM
2L + 2M 4L VSI multifásico: SVPWM
Table I. Duty cycles of active vectors applied in SVPWM techniques.
(2L+2M) SVPWM (4L) SVPWM
1012cos1
51sin
51sin
5sin
5sin
2
2
1
2
1
sMK
sMK
sMK
sMK
sMK
z
bl
bm
al
am
1012cos1
51sin
51sin12
5sin
5sin12
51sin
5sin
2
1
11
11
1
sMK
sMK
sJsMK
sJsMK
sMK
z
dl
bl
al
cl
Table II. Zero state duty cycle δz partitioning for all considered modulation techniques.
Sector
1
Sector
2
Sector
3
Sector
4
Sector
5
Sector
6
Sector
7
Sector
8
Sector
9
Sector
10
SVPWM δ0 = δ31 = δz/2
DPWMMAX δ0 = 0 DPWMMIN δ31 = 0
DPWM0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 DPWM1 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 DPWM2 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 DPWM3 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0 δ31 = 0 δ0 = 0
Técnicas de modulación
18
PWM Continuo y Discontinuo
SVPWM
19
A B C D E0
2
dcV
2
dcV
N
nl
va
vb
vc
vd
ve
+
+
++
+
-
-
--
-
PmA
mA
mB
mB
mC
mC
mD
mD
mE
mE
SVPWM
DPWMMAX
PWM Continuo y Discontinuo Tienen diferentes patrones de conmutación que generan diferentes
resultados en la corriente
DPWM0
DPWMMIN
2L + 2M SVPWM 4L SVPWM
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
Ia, I
x
I b, I y
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
Ia, I
x
I b, I y
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
Ia, I
x
I b, I y
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
Ia, I
x [A]
I b, I y [
A]
20
Resumen
21
VSI in
multiphase systems
Carrier-based
SVPWM
Switching characteristics
Current ripple
Flux Harmonic Distortion factor
Complex approach
Polygonal approach
SVPWM
CMV mitigation
Indicadores de rendimiento
Técnicas PWM para convertidores multifasicos
Región Lineal Región Sobremodulación
22
Análisis de rizado de corriente
Consideraciones: Alta frecuencia de conmutación Fuerza contraelectromotriz constante durante un periodo de conmutación, e igual a la referencia de tensión Resistencia equivalente de los devanados despreciables y cambio lineal de la corriente
23
Análisis de rizado de corriente
Harmonic Flux trajectories (por periodo de conmutación)
Harmonics Flux RMS (por periodo de conmutación)
Flux HDF (por periodo de la fundamental)
2
0
22 2,
sT
s
RMS dtT
M
2*
0
( )
sT
v v dt
2
22 ,2
1)( dMM srmssrms
Pasos de análisis:
24
Rizado de Corriente: Paso 1
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
a
b
0 0.2 0.4-0.1
0
0.1
0.2
0.3
a
b
-0.4 -0.2 0
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
a
b
0 0.2 0.4 0.6
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
x
y
0°
12°
24° 36°
0°
12°
24°
36°
0°
12°
24°
36°0°
12°
24°
36°
(a) (b) (c) (d)
-0.2 0 0.2-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
a
b
-0.4 -0.2 0 0.2-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
x
y
0 0.1 0.2 0.3 0.4
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
a
b
-0.4 -0.2 0 0.2
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
a
b
0°
12°
24°
36°0°12°
24°
36°
0°
12°
24°
36°
0°
12°24°
36°
(a) (b) (c) (d)
M = 0.8
DPWMMAX DPWMMIN
αβ plane αβ plane αβ plane xy plane SVPWM
2L
+ 2
M S
VP
WM
4
L SV
PW
M
Harmonic Flux trajectories
25
αβ plane xy plane
2L
+2M
SV
PW
M
Rizado de Corriente: Paso 2
Harmonic Flux RMS
4L
SV
PW
M
26
αβ plane
2L+2M DPWMMAX
αβ plane
2L+2M DPWMMIN
2L+2M DPWM0 2L+2M DPWM1 2L+2M DPWM2 2L+2M DPWM3
Rizado de Corriente: Paso 3
Harmonic Flux RMS
27
αβ plane
4L discontinuous SVPWM
(4L) SVPWM à I-J-K-L(4L) DPWMMAX à A-F-G-D(4L) DPWMMIN à E-B-C-H(4L) DPWM0 à E-B-G-D(4L) DPWM1 à A-B-C-D(4L) DPWM2 à A-F-C-H(4L) DPWM3 à E-F-G-H
0 18 36 54 720
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
(angle)
2 a
bcde-R
MS
1
M = 0.9
A B C D
E F G H
I J K L
M N O P
Q R S T
U V W X
θ (angle)
Δλ
2ab
cde-
RM
Sα
-β
(2L+2M) SVPWM à U-V-W-X(2L+2M) DPWMMAX à Q-N-O-T(2L+2M) DPWMMIN à M-R-S-P(2L+2M) DPWM0 à M-R-O-T(2L+2M) DPWM1 à Q-R-S-T(2L+2M) DPWM2 à Q-N-S-P(2L+2M) DPWM3 à M-N-O-P
Rizado de Corriente: Paso 2
Harmonic Flux RMS
28
Rizado de Corriente: Paso 3
29
Rizado de Corriente: Paso 3
No podemos medir el HDF, pero podemos medir el THD de la corriente
1
22
8THD
I
LHDFLHDFTV yxyxsdci
baba
Rizado de Corriente
30
31
Análisis de rizado de corriente
0
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
0,21
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9 1
0
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
0,21
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9 1
0
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
0,21
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9 1
0
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
0,21
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9 1
SVPWM DPWMMAX DPWMMIN
DPWM0 DPWM1 DPWM2 DPWM3
(a) (b)
(c) (d)
4L (same ASF)2L+2M (same ASF)
Cu
rren
t T
HD
M M
Cu
rren
t T
HD
Cu
rren
t T
HD
Cu
rren
t T
HD
M M
4L (same BSF)2L+2M (same BSF)
Misma
frecuencia
base de
conmutación
Misma
frecuencia
promedio de
conmutación
Resultados experimentales
Análisis de rizado de corriente
HDF es independiente de la carga, pero el THD de corriente no. De hecho:
1
22
8THD
I
LHDFLHDFTV yxyxsdci
baba
Las máquinas multifásicas tienen diferentes valores de inductancias para diferentes planos
32
33
Análisis de rizado de corriente
34
Análisis de rizado de corriente
35
Análisis de rizado de corriente
• 26 = 64 estados de conmutación (peros solo 49 vectores diferentes de tensión).
• Cada vector puede ser representado en dos planos diferentes • La referencia es obtenida con la utilización selectiva de
algunos estados de conmutación aplicados en cierta secuencia
A B C D E0
2
dcV
2
dcV
N
F
+
-
+
-
+
-va
vb
vc
+
-
+
-
+-
vd
ve
vf
nl
nl'
mA
mA
PmF
mF
mB
mB
mC
mC
mD
mD
mE
mE
Caso Seis fases: Double Zero-Sequence Injection PWM
0 50 100 150 200 250 300 350-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
ma mb mc md me mf
Análisis de rizado de corriente
Dos conjuntos de tensiones de referencia con la misma amplitud desfasadas 30º
Diagrama de bloques Señales moduladoras y secuencia cero
36
Six phase case: Double Zero-Sequence Injection PWM
37
0 50 100 150 200 250 300 350-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
ma mb mc md me mf
0 50 100 150 200 250 300 350-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Ts/2
0 abc - def
000 - 000
Switching states
000 - 100
100 - 100
100 - 101
110 - 101
111 - 101
111 - 111
(0-0)
(0-4)
(4-4)
(4-5)
(6-5)
(7-5)
(7-7)
Sector 1 Carrier-based signals Space Vector equivalence
Análisis de rizado de corriente
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.01
0.02
0.03
M (modulation index)
HD
Fx-y
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.05
0.1
0.15
M (modulation index)
HD
Fa
- b
Análisis de rizado de corriente
Total Flux Harmonic Distortion Factor (same average switching frequency)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.05
0.1
0.15
0.2
M (modulation index)
HD
F
38
Irm
s2
M
Análisis de rizado de corriente
2 kHz average switching frequency
Vdc: 300V
39
VSI in
multiphase systems
Carrier-based
SVPWM
Switching characteristics
Current ripple
Flux Harmonic Distortion factor
Complex approach
Polygonal approach
SVPWM
CMV mitigation
Resumen
40
Indicadores de rendimiento
Técnicas PWM para convertidores multifasicos
Región Lineal Región Sobremodulación
SVPWM Overmodulation Region
41
va1 va2 va(n-1)/2
vb(n-1)/2
vb2
vb1
π/n
φ
val
vbl
vrefv0
v(2n
-1)
M1max M2
max
=
=
SVPWM Overmodulation Region
42
0
0
0
0
·
·
·
01/KK000
001000
0001/KK0
00001/KK
111111
1
2/)2(12/)1(
23
12
2/)1()12/)1(()22/)1((321
2/)1(
)12/)1(
4
3
2
1
R
||v|v||v||vvvv
al
alal
nn
nananaaaa
na
na
a
a
a
a
SVPWM Overmodulation Region
43
SVPWM Overmodulation Region
44
SVPWM Overmodulation Region General case for odd number of phases
45
7-phase 9-phase
VSI in
multiphase systems
Carrier-based
SVPWM
Switching characteristics
Current ripple
Flux Harmonic Distortion factor
Complex approach
Polygonal approach
SVPWM
CMV mitigation
Resumen
46
Indicadores de rendimiento
Técnicas PWM para convertidores multifasicos
Región Lineal Región Sobremodulación
47
Common Mode Voltage Mitigation
abcdeisaisbiscisdise
VDC
2
Leakage current
0
72º
N
nVCM
VnN +
––
+
VDC
2
48
Common-Mode Voltage Mitigation
references in this plane are kept null from now on, vx*=0 and vy
*=0.
TABLE I MAGNITUDE OF CMV ACCORDING TO THE SWITCHING STATES
Switching states a-b
Size
x-y Size
VCM
Large CMV (0-5)
{00000} {11111} Z Z 0.5VDC
Medium CMV (1-4)
{00001} {00010} {00100} {01000} {10000}
M M
0.3VDC {11110} {11101} {11011}
{10111} {01111} M M
Small CMV (2-3)
{00011}{11001}{10001} {00110} {01100}{10100}
{11000}{00111}{01110}{10011} L S
0.1VDC {00101} {11100} {11010} {10110} {10101} {01101}
{01011}{01001}{01010}{10010}
S L
Small CMV
Medium CMV
b
Voltage vectors
Small
Large
Medium
Zeroa
Sector I
*
abV
Small
CMV
Large
CMV
(2-3)
(1-4)
(2-3)
(0-5)
Medium
CMV
24
25169
21
27
17
19
1
18
3
23
11
7
2
5
22156
14
4
10
13
30
12 28
8
2026
29
22166
19
30
18
26
2
2414
27
10
11
8
3
25159
12
1
13
7
29
5 21
4
17
28
23
20
031
031
y
X
Small CMV
Medium CMV
b
Voltage vectors
Small
Large
Medium
Zeroa
Sector I
*
abV
Small
CMV
Large
CMV
(2-3)
(1-4)
(2-3)
(0-5)
Medium
CMV
24
25169
21
27
17
19
1
18
3
23
11
7
2
5
22156
14
4
10
13
30
12 28
8
2026
29
22166
19
30
18
26
2
2414
27
10
11
8
3
25159
12
1
13
7
29
5 21
4
17
28
23
20
031
031
y
X
49
Common-Mode Voltage Mitigation
(a) (b)
(c) (d)
4
0t
2
1t
2
2t
2
3t
2
4t
4
0t
4
0t
2
1t
2
2t
2
3t
2
4t
4
0t
0v 0v16v24v 25v 29v 31v 31v 29v 25v
24v 16v
aNV
bNV
cNV
dNV
eNV
CMV
DCV
DCV
DCV
DCV
DCV
DCV5.0
DCV5.0
ST
4
0t
2
1t
2
2t
2
3t
2
4t
4
0t
4
0t
2
1t
2
2t
2
3t
2
4t
4
0t
18v 18v16v24v 25v 29v 13v 13v 29v 25v
24v 16v
aNV
bNV
cNV
dNV
eNV
CMV
DCV
DCV
DCV
DCV
DCV
ST
0.3VDC
-0.3VDC
4
0t
2
1t
2
2t
2
3t
2
4t
4
0t
4
0t
2
1t
2
2t
2
3t
2
4t
4
0t
0v 0v17v 25v24v 28v 31v 31v 28v
24v 25v17v
aNV
bNV
cNV
dNV
eNV
CMV
DCV
DCV
DCV
DCV
DCV
DCV5.0
DCV5.0
ST
4
0t
2
1t
2
2t
2
3t
2
4t
4
0t
4
0t
2
1t
2
2t
2
3t
2
4t
4
0t
12v 12v28v24v 25v 17v 19v 19v 17v 25v
24v 28v
aNV
bNV
cNV
dNV
eNV
CMV
DCV
DCV
DCV
DCV
DCV
ST
0.1VDC
-0.1VDC
2L
+ 2
M
4L
50
Common-Mode Voltage Mitigation
M = 0.4
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
iα , ix [A]
i β ,
i y [A
]
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
iα , ix [A]
i β ,
i y [A
]
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
iα , ix [A]
i β ,
i y [A
]
M = 1.05
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
iα , ix [A]
i β ,
i y [A
]
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
iα , ix [A]i β
, i y
[A
]
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
iα , ix [A]
i β ,
i y [A
]
2L
+ 2
M
4L
2L
+ 2
M
CM
V
VSI in
multiphase systems
Carrier-based
SVPWM
Switching characteristics
Current ripple
Flux Harmonic Distortion factor
Complex approach
Polygonal approach
SVPWM
CMV mitigation
Dissertation Outline
51
Indicadores de rendimiento
Técnicas PWM para convertidores multifasicos
Región Lineal Región Sobremodulación
52
abv294 v
242 v
253 v161 v124.0 v
221.0 v
329.0 v
406.0 v
abv
281 v
242 v
253 v
174 v
332.0 v
238.0 v
424.0 v
106.0 v
abv
242 v
253 v161 v109.0 v
227.0 v364.0 v
abv
242 v
253 v
174 v
354.0 v
237.0 v
409.0 v
abv
242 v
253 v
228.0 v272.0 v
2L + 2M 4L
CMV in overmodulation zone
CMV in overmodulation zone
-2 -1 0 1 2-2
-1
0
1
2
-2 -1 0 1 2-2
-1
0
1
2
-2 -1 0 1 2-2
-1
0
1
2
-2 -1 0 1 2-2
-1
0
1
2
-2 -1 0 1 2-2
-1
0
1
2
-2 -1 0 1 2-2
-1
0
1
2
-2 -1 0 1 2-2
-1
0
1
2
-2 -1 0 1 2-2
-1
0
1
2M = 1.10 M = 1.20 M = 1.29
iα ix [A]
i β i
y [A
]
iα ix [A]
i β i
y [A
]
iα ix [A]
i β i
y [A
]
iα ix [A]
i β i
y [A
]
iα ix [A]
i β i
y [A
]
iα ix [A]
i β i
y [A
]
iα ix [A]
i β i
y [A
]
iα ix [A]
i β i
y [A
]
2L
2L
+ 2
M
4L
53
Indice de la presentación
• Introducción
• Objetivos
• Técnicas de modulación para accionamientos multifásicos
– Continuos and Discontinuos
– Análisis de rizado de corriente
– Técnicas SVPWM para zona de sobremodulación
– Mitigación de tensión de modo común
• Conclusiones
54
Conclusiones
• Las técnicas de modulación basados en portadora y Space Vector para convertidores trifásicos fueron extendidos para su utilización en convertidores multifásicos
• Técnicas de modulación continuas y discontinuas fueron comparadas mediante indicadores de rendimiento
• Las técnicas de modulación analizadas incluyen la región de sobremodulación, además del análisis de la tensión del modo común.
55
Técnicas de modulación para accionamientos multifásicos
2016
¿ PREGUNTAS ? Gracias por su atención