Direct torque control of permanent magnet synchronous machines using Matrix Converters

Abstract

La demanda d’aplicacions industrials avançades, fa que el control de màquines elèctriques de corrent altern (AC) sigui una disciplina contínuament creixent per satisfer l’alt nivell d’exigència. Tradicionalment, la màquina d’inducció (IM) ha estat la més utilitzada en aplicacions industrials de velocitat variable, incloent-ne bombes i ventiladors, màquines tèxtils i de paper, vehicles elèctrics, generació eòlica, etc. A més dels requeriments funcionals, l’estalvi energètic és, actualment, un aspecte a tenir en compte en aplicacions de velocitat variable.

Una alternativa molt atractiva a la IM és la màquina síncrona d’imants permanents (PMSM). Entre d’altres avantatges, aquest tipus de màquines ofereixen una eficiència més elevada, alta densitat de potència i una resposta dinàmica molt ràpida. La demanda industrial de PMSM es situa en el rang de petita potència, encara que el interès en aquest tipus de màquines està creixent, en particular fins al rang dels 100 kW.

Històricament, les màquines utilitzades en aplicacions de velocitat variable han estat alimentades per inversors de potència. En els últims anys, el convertidor matricial ha esdevingut un clar competidor del inversor convencional. Un convertidor matricial és un circuit de topologia avançada capaç de convertir directament AC en AC generant una tensió de càrrega amb amplitud i freqüència variable, amb flux de potència bidireccional, formes d’ona sinusoïdal tant a l’entrada com a la sortida i operant amb factor de potència unitari a l’entrada. A més, degut a que requereix no elements inductius ni capacitius per emmagatzemar energia, el disseny del convertidor matricial és molt compacte.

Existeixen molts tipus de control per màquines de AC, essent els basats en control vectorial els més adequats per aplicacions de d’alt rendiment. Entre d’altres, el control de camp orientat i el control directe de parell son els més utilitzats. Tot i essent una de les tècniques emergents en aplicacions industrials, el control directe de parell té implícites una sèrie de limitacions que, encara avui, s’estan investigant. El treball presentat en aquesta tesi, s’endinsa en la investigació del control directe de parell per PMSM alimentats amb convertidors matricials.

Aquest, treball considera el reemplaçament del inversor convencional per un convertidor matricial, explotant les característiques d’aquest per tal de reduir el arrissat del parell i del flux en la PMSM, inherent al control directe de parell. Durant el transcurs d’aquest treball s’ha desenvolupat un nou control directe de parell utilitzant vectors curts i llargs del convertidor matricial.

Els efectes indesitjats de la tensió en mode comú, relacionada amb la utilització de convertidors de potència, és altre dels aspectes que s’aborden en aquest treball. Un algoritme molt simple que redueix la tensió en mode comú ocasionat pel control directe de parell amb convertidors matricials ha estat desenvolupat i investigat en aquesta tesi.

La principal limitació de les tècniques “sensorless” basades en models o observadors és que fallen a baixes velocitats. La necessitat d’operar a baixa velocitat o velocitat zero, ha desencadenat la investigació d’altres tècniques on s’exploren les asimetries de la màquina a partir de la injecció d’un senyal d’alta freqüència per obtenir-ne la posició del rotor. Durant aquesta tesi s’ha desenvolupat un nou algoritme de injecció d’un vector rotatori en el pla  quan s’utilitza el control directe de parell.

The control of AC machine drives is a continuously advancing subject satisfying increasing high performance applications demands. Induction Motor (IM) drives with cage-type machines has been the workhorses of industrial variable speed drives applications, including pumps and fans, paper and textile mills, electric vehicles, locomotive propulsion, wind generation systems, etc. In addition to performance requirements, energy saving aspects of variable speed drives is gaining attention nowadays.

Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) are becoming a very attractive alternative to IM. Among other advantages, these type of machines offer higher efficiency, high power density and very fast dynamic performance. PMSM, in particular in the low power range, are already widely used in industry and recently, the interest in their application is growing, particularly up to 100 kW.

Variable speed drives fed by voltage source inverters has been traditionally employed in industrial applications. In the past few years, matrix converters have emerged to become a close competitor to the conventional inverter. A matrix converter is an advanced circuit topology capable of converting AC-AC, providing generation of load voltage with arbitrary amplitude and frequency, bi-directional power flow, sinusoidal input/output waveforms, and operation under unity input power factor. Furthermore, since no inductive or capacitive elements are required, MC allows a very compact design.

There are several methods to control AC machines, vector control methods being the most suitable for high performance demands. Among others, field oriented control and direct torque control are the most widely used. Although being one of the emerging control techniques for industrial applications, the direct torque control has some inherent drawbacks that are still being investigated by researchers. The work reported in this thesis is devoted to the investigation of direct torque control of PMSM drives fed by matrix converters.

This work considers the replacement of the conventional voltage source inverter by a matrix converter. The features of matrix converters are exploited to reduce the inherent electromagnetic torque and stator flux ripples arising from the direct torque control driving a PMSM. A new direct torque control using small and large voltage vectors of matrix converters has been developed during the course of this work.

The undesirable effects of the common mode voltage related with the utilization of the conventional voltage source inverter, like electromagnetic interferences and the machine early failures, are other issues with which this work is also concerned. A very simple algorithm to reduce the common mode voltage in direct torque control drives using matrix converters is developed and investigated in this work.

The main limitation of all sensorless vector control schemes, based on the conventional fundamental frequency models or observers, is that they fail at very low speeds. The desirability to operate continuously at low or zero speed has led to another sensorless approaches where the saliency of the machine is tracked through some form of signal injection to obtain flux or position information. A new algorithm to inject a rotating vector in the a-b frame when employing a direct torque control has been developed in this thesis.