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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


– Propulsión marítima

7

20MW @ 180rpm, 15 fases Medidas: 3.3m x 3m x 3.6m

Introducción


– Aplicaciones aviónicas

8

Motor de imanes permanentes para bomba

de combustible: 16kW - 4 fases,

6 polos, tolerante a fallos


• Introducción

• Objetivos






• 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


• Introducción

• Objetivos






• 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


Current ripple


Complex approach

Polygonal approach

SVPWM

CMV mitigation




*

*

*

*

*

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


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


Current ripple


Complex approach

Polygonal approach

SVPWM

CMV mitigation





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


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


Current ripple


Complex approach

Polygonal approach

SVPWM

CMV mitigation




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


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


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


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


Harmonic Flux RMS

28


29


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


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


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


34


35


• 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


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


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


HD

Fa

- b


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


HD

F

38

Irm

s2

M


2 kHz average switching frequency

Vdc: 300V

39

VSI in

multiphase systems

Carrier-based

SVPWM


Current ripple


Complex approach

Polygonal approach

SVPWM

CMV mitigation

Resumen

40




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

=

=


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


43


44

SVPWM Overmodulation Region General case for odd number of phases

45

7-phase 9-phase

VSI in

multiphase systems

Carrier-based

SVPWM


Current ripple


Complex approach

Polygonal approach

SVPWM

CMV mitigation

Resumen

46




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


(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


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


Current ripple


Complex approach

Polygonal approach

SVPWM

CMV mitigation

Dissertation Outline

51




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


• Introducción

• Objetivos






• 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

técnicas de modulación para accionamientos multifásicos€¦ · técnicas de modulación 12 vsi...

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