Συγκριτική διερεύνηση τεχνικών ελέγχου τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης δύο επιπέδων με κριτήρια ποιότητας ισχύος για εφαρμογές ηλεκτρικής κίνησης

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η συγκριτική διερεύνηση τεχνικών ελέγχου του τριφασικού αντιστροφέα δύο επιπέδων με κριτήρια ποιότητας ισχύος. Για το σκοπό αυτό εξετάστηκαν αναλυτικά τα επιμέρους υποσυστήματα που απαρτίζουν ένα σύστημα ηλεκτρικής κίνησης μεταβλητής ταχύτητας και αναπτύχθηκαν λεπτομερή μοντέλα προσομοίωσή τους χρησιμοποιώντας το εργαλείο προσομοίωσης Simulink της Matlab. Συγκεκριμένα, υλοποιήθηκε ένα πλήρες μοντέλο κινητήρα επαγωγής στο οποίο έγινε ενσωμάτωση των απωλειών πυρήνα και υστέρησης καθώς και του φαινομένου του κορεσμού και αναπτύχθηκε ένα μοντέλο τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης δύο επιπέδων θεωρώντας τους ημιαγώγιμους διακόπτες ιδανικούς. Ο έλεγχος του κινητήρα έγινε με υλοποίηση των αλγορίθμων άμεσου διανυσματικού ελέγχου (Direct Vector Control – DVC) και άμεσου ελέγχου ροπής και ροής (Direct Torque and Flux Control – DTFC). Μια σειρά από κλασικές και προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμών μοντελοποιήθηκαν για τον έλεγχο του τριφασικού αντιστροφέα στο μοντέλου του διανυσματικού ελέγχου. Οι τεχνικές αυτές είναι η ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM), η διαμόρφωση εύρους παλμών με χρήση των διανυσμάτων χώρου του αντιστροφέα (Space Vector Pulse Width Modulation - SVPWM), η διαμόρφωση εύρους παλμών με έλεγχο ρεύματος σε ζώνη υστέρησης (Hysteresis Band Current Control Pulse Width Modulation - HBPWM) και προηγμένες ασυνεχείς τεχνικές διαμόρφωσης (Discontinuous Pulse Width Modulation – DPWM). Όσον αφορά τον άμεσο έλεγχο ροπής και ροής, υλοποιήθηκε, εκτός από τον κλασικό αλγόριθμο, ένας προηγμένος αλγόριθμος ο οποίος υπόσχεται ελαχιστοποίηση του μέσης τετραγωνικής τιμής (Root Mean Square – RMS) της κυμάτωσης ροπής. Τέλος, έγινε σύγκριση μεταξύ των προαναφερθέντων διαμορφώσεων ενός συστήματος ηλεκτρικής κίνησης μεταβλητής ταχύτητας κάτω από ένα κοινό πλαίσιο αναφοράς. Τα κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν κριτήρια ποιότητας ισχύος, όπως ο ολικός συντελεστής αρμονικής παραμόρφωσης, το εύρος και η μέση τετραγωνική τιμή της κυμάτωσης.

This diploma thesis is a comparative study between three phase, two state voltage source inverter control algorithms based on power quality criteria. In order to make this study feasible, a thorough analysis of the subsystems that constitute a variable speed drive was performed and the respective models were implemented using Matlab/Simulink simulation tool. In particular, an extended induction machine model was developed including core losses and hysteresis losses effects as well as core saturation effect. Also, a three phase two state inverter model was implemented in which the semiconductor devices were considered as ideal switches. The control of the induction motor took place using direct vector control (DVC) and direct torque and flux control (DTFC). A series of pulse width modulation techniques were modeled in order to control the inverter of the vector controlled drive. The techniques were the classic ones such as sinusoidal pwm (SPWM), space vector pwm (SVPWM), hysteresis band current control pwm and advanced discontinuous pwm techniques such as advanced split bus clamping pwm (ASBCPWM) and advanced continuous bus clamping pwm (ACBCPWM). As far as the DTFC variable speed drive is concerned, apart from the classic algorithm, an advanced pwm like algorithm was implemented aiming in minimization of RMS (root mean square) torque ripple. Finally, a thorough and complete comparative study between the implemented models was undertaken using a common base of comparison. Power quality criteria were used, such as total harmonic distortion, peak to peak and RMS ripple of current and torque were used in the comparison.