Open-end winding synchronous reluctance drive based on indirect matrix converter with common-mode voltage reduction

Alexandre Emanuel da Silva Bento

Informações chave

Autores:

Alexandre Emanuel da Silva Bento (Alexandre Emanuel da Silva Bento)

Orientadores:

José Fernando Alves da Silva (José Fernando Alves da Silva); Ricardo Jorge Ferreira Luís (Ricardo Jorge Ferreira Luís)

Publicado em

23/10/2023

Resumo

Esta dissertação foca-se no estudo de acionamentos eletromecânicos de velocidade variável com elevada fiabilidade e densidade de potência. Assim, o trabalho concentra-se em duas componentes fundamentais deste tipo de acionamentos: 1) a topologia e modulação do conversor eletrónico de potência, 2) o controlo por orientação de campo de máquinas síncronas de relutância. No que diz respeito ao conversor eletrónico de potência, a topologia em estudo combina o conceito de conversores matriciais indiretos com esquemas de ligação de cargas elétricas em open-end winding. Esta topologia permite obter densidades de potência mais elevadas que as configurações tradicionais devido à eliminação dos condensadores eletrolíticos tipicamente utilizados no barramento de corrente contínua para armazenamento de energia de curta duração, sendo estes um dos componentes mais volumosos e com menor vida útil dos conversores eletrónicos de potência. Simultaneamente, ao utilizar a máquina elétrica num esquema openend winding, o ganho de tensão do conversor matricial é aumentado para 1,5 face ao típico 0,866. Nesta dissertação, propõe-se um método de modulação por vetores espaciais para o conversor matricial indireto para cargas open-end winding. Este método consegue reduzir a tensão de modo comum injetada na máquina elétrica enquanto melhora a qualidade das formas de onda de entrada e saída do conversor. Na situação em que se pretende fator de potência de entrada unitário, o método de modulação elimina ainda a necessidade de métodos complexos de comutação em múltiplas etapas para a comutação dos interruptores bidirecionais do estágio de entrada. Relativamente ao controlo da máquina síncrona de relutância, os controladores por orientação de campo são frequentemente caracterizados por terem um muito bom desempenho em regime permanente comparativamente a outras estratégias de controlo por apresentarem menor ondulação de binário e permitirem funcionamento a frequência de comutação fixa facilitando o projeto do filtro de entrada. Por outro lado, os controladores por orientação de campo são comummente criticados devido a proporcionarem respostas lentas aquando variações abruptas de carga ou de referências de velocidade devido aos atrasos introduzidos pelos controladores proporcionais integrais utilizados nas suas cadeias de controlo. A abordagem proposta neste trabalho consiste na substituição dos controladores proporcionais integrais por controladores adaptativos não lineares com backstepping, cuja estabilidade é garantida pelo segundo método de estabilidade de Lyapunov. Quando comparado com os controladores por orientação de campo tradicionais, o controlador proposto consegue manter o excelente desempenho em regime permanente, enquanto permite obter uma melhoria significativa na performance dinâmica do acionamento de velocidade variável, apresentando melhores resultados em cenários de seguimento de referências de velocidade e em variações abruptas da carga mecânica aplicada ao eixo da máquina. This thesis focus in two key parts of a variable speed drive: 1) the power electronics converter topology and modulation methods, and 2) on the electrical machine itself by developing a novel Adaptive Field-Oriented Controller for Synchronous Reluctance Machines. The power electronics converter topology under study combines an Indirect Matrix Converter with the Open-End Winding configuration of electrical machines. Such topology allows higher power density drives due to elimination of the intermediate dc-link energy storage electrolytic capacitors, which are one of the bulkier and lower lifetime components of traditional variable speed drive converters. Simultaneously by connecting the electrical machine in an Open-End Winding configuration, the Matrix converter voltage gain is increased to 1.5 eliminating one of the most prominent drawbacks, the low voltage gain, when using traditional Matrix converters to supply electrical machines. This thesis proposes a space vector modulation method for the Indirect Matrix Converter with a Dual Voltage Source Inverter output capable of reducing the Common Mode Voltage supplied to the electrical machine while improving input and output waveforms quality. In the situation where the modulated input power factor is unity, the proposed modulation method even eliminates the need for complex multistep commutation methods for switching the input stage bidirectional switches. Regarding the control of the electrical machine, field-oriented controllers are often characterized as performing extremely well in steady state, showing lower torque ripple than other control strategies while allowing fixed switching frequency facilitating filter design. However, field-oriented controllers show poor dynamic response when exposed to drive disturbances or rapidly varying setpoints due to delays introduced by the Proportional Integral (PI) controllers used in their internal control loops. The approach proposed in this thesis eliminates the PI controllers, replacing them by adaptive non-linear backstepping controllers, whose stability is guaranteed by the Lyapunov 2nd method of stability. When compared to the traditional field-oriented controller, the proposed modified controller shows similar steady state performance and better dynamic behaviour by improving the varying speed tracking capability while achieving faster and more accurate response to the mechanical load step changes. This allows the conservation of the best steady state performance typical of traditional field-oriented controllers while achieving improved dynamic characteristic.