M. Imecs - VLab

Provocări ale Reţelelor Electrice 

Inteligente 

24 noi. 2010 Bucureşti, Sala Palatului 

Institutul Naţional Român pentru 

Studiul Amenajării şi Folosirii 

Surselor de Energie - IRE 

Renewable Energy 

Exhibition and 

Conference Organiser 

MODELAREA ŞI SIMULAREA 

CONVERTOARELOR ELECTRONICE DE PUTERE 

ÎN CONTROLUL ENERGIEI 

UNEI LINII DE DISTRIBUŢIE DE CC ALIMENTATĂ DE 

LA UN 

GENERATOR SINCRON AUTONOM 

ŞI CUPLATĂ LA REŢEAUA TRIFAZATĂ 

1 

Prof. Dr-ing 

ing. Maria IMECSI 

Catedra de Acţionări Electrice şi 

Roboţi 

Facultatea de Inginerie Electrică

Conţinut 

1. Introducere 

2. Control prin modulaţia în lăţime a pulsului (MLP) şi 

filtrare activă (FA) 

3. Controlul vectorial al generatoarelor sincrone 

4. Principii de modelare şi structuri de simulare 

5. Condiţii de simulare şi rezultate experimentale 

6. Concluzii 

2 

Reţeţe Electrice Inteligente

1. Introducere 

Actualitatea liniilor locale de distribuţie de c.c. 

• Tot mai multe surse de energie regenerabile (SER) produc energie 

de curentc 

continuu (CC) 

• Procentul global al consumatorilor de energie de CC este în creştere. 

• Mulţi consumatori pot fi direct alimentaţi în CC fără a fi necesară 

transformarea acestei energii în CA de frecvenţă şi tensiune constant 

stantă. 

• Motoarele de c.a. . de acţionare – în loc să fie alimentate fiecare separat 

de la un convertor de frecvenţă cu circuit intermediar (CI) de CC C – este 

mult mai eficient să s fie toate conectate printr-un invertor propriu la o 

singură linie comună de CC 

• Progresul tehnologic în domeniul dispozitivelor semiconductoare la 

fabricarea componentelor electronicii de putere şi soluţiile recente 

în domeniul convertoarelor statice, , au creat noi posibilităţi în 

transmisia şi distribuirea energiei de CC 

• Liniile de transport de energie de CC prezintă anumite avantaje 

comparativ cu cele de CA 

• Pe piaţa energiei electrice se provocate cercetările în domeniul liniilor 

de transport şi de distribuţie a energiei de CC. 

3 


Linie de distribuţie de energie electrică de c.c. 

Linie locală de distribuţie 

de energie electrică 

(500 V cc ) cu caracter de 

sursă de tensiune (VS), 

alimentată de un 

generator sincron autonom 

şi de alte 

surse de energie 

regenerabile de CC, 

conectată la 

Reţeaua publică 

(naţională) de CA 

alimentând 

prin intermediul unor 

invertoare PWM-VSI 

diferite tipuri de motoare de 

acţionări de CA 

Other DC 

energy sources 

PWM-VSI 

PM 

Synchronous 

Motor 

3-phase national AC grid 

RIC-VSF 

Bidirectional 

PWM 

Converter 

Local DC Distribution Line 

PWM-VSI 

PM 

Synchronous 

Motor 

Excited 

Synchronous 

Generator 

DC-DC 

Chopper 

PWM-VSI 

Cage 

Induction 

Motor 

Rectifier 

PWM-VSF 

PWM-VSI 

Cage 

Induction 

Motor 

Other AC 

Loads 

Other 

DC loads 

4 

Reţeţe Electrice Inteligente 

[ Fig. 1. SPEEDAM 2008 Ischia]

2. Controlul prin MLP şi filtrare activă 

• Convertoarele electronice de putere (CEP) ecologice 

trebuie să s funcţioneze cu unde de curent sinusoidal, , atât 

spre linia de CA, cât şi spre motorul de CA de acţionare. 

• Convertorul cu caracter sursă de tensiune cu MLP 

realizat cu IGBT-uri 

(PWM-VSI) 

cuplat la CI de CC cu caracter sursă de tensiune ( (VS-DC 

link ) 

sunt utilizate în diferite regimuri de funcţionare, ca: 

– PWM-VSI 

– invertor cu transfer de energie din CC în CA cu MLP, 

ca element de execuţie pentru acţionări de c.a. 

– PWM-VSR 

– redresor cu transfer de energie din CA în CC cu MLP, 

realizând factor de putere unitar, 

ambele cu transfer bi-direcţional 

de energie la puteri mici şi medii. 

– PWM-VSF 

– filtru activ de CA cu MLP 

pentru filtrarea activă a curentului la aplicaţii de puteri mari 

5 


Convertoare statice şi proceduri de modulaţie a pulsului 

• CEP-uri 

de CA-CC CC şi CC-CA CA cu undă plină: redresoare cu diode şi tiristoroare 

respectiv invertoare cu tiristoare GTO (PAM-CSI) 

- funcţionează cu PAM – modulaţie în amplitudine a pulsului (MAP( 

MAP) 

- cu unde de curent cvasi-dreptunghiulare de 120° 

- cuplate la CI de CC cu caracter sursă de curent (CS( 

CS-DC 

link) 

- au nevoie de filtrare pasivă sau/şi activă (ACF( 

ACF) ) a curentului 

realizată cu filtre active cu caracter sursă de tensiune (PWM( 

PWM-VSF) 

• Filtrele active de tip VSF constructiv sunt identice cu invertoare (VSI( 

VSI) ) şi 

redresoare (VSR( 

VSR), toate trei fiind comandate prin MLP (PWM)) şi cuplate la linii 

sau CI de CC cu caracter sursă de tensiune (VS( 

VS-DC 

link/line) 

• CEP-uri 

de tip PAM-CSI 

pentru transfer de energie echipat cu PWM-VSF 

pentru filtrarea activă a curentului (ACF)) pot fi considerate 

convertoare hibride tip “tandem” cu două CI de CC cuplate 

prin intermediul unui variator de tensiune continuă (VTC/Chopper) 

• Procedurile MLP ale filtrelor active de tip PWM-VSF 

în principiu sunt identice 

cu cele ale invertoarelor PWM-VSI 

pentru alimentarea şi reglarea motoarelor 

de CA şi redresoarelor PWM-VSR 

conectate la reţeaua de CA sau la 

generatoare cu care se cuplează la linia de CC. 

• Numai structura buclelor de reglare este diferită în concordanţă cu principiul 

de reglare corespunzătoare celor trei funcţii ale punţii IGBT. 

6 


RIC – 

convertor cu 

undă de 120°în 

regim de 

redresor şi 

invertor 

VS/CS- 

DC link – 

circuit intermediar 

de CC 

cu caracter 

sursă de 

tensiune/curent 

SG – 

generator 

sincron 

IM – 

motor de 

inducţie 

PM-SM – 

motor 

sincron cu 

magnet 

permanent 

7 

2 3 

π 

Î RST 

SINE 

WAVE 

GENERATOR 

Ref 

i RST 

PWM 

logic 

u fc 

VSF 

u ABC 

RIC-VSF 

C f 

i fC 

Synchronisation 

L a 

VSF 

i ABC 

SM 

ω r1 

i RST 

PMSM 

1 

[ Fig. 1. ICCC 2008 Sinaia] 

RIC 

AC power grid 

u RST 


Commutation 

logic 

RIC 

i ABC 

RIC 

ud 

PMSM 

VECTOR 

CONTROL 

LOAD 

SM 

i 

s 1 

LINE 

INVERTER 

DRIVER 

SM 

us 

1 

RIC 

L d 

RIC 

i d 

PWM 

logic 

C d 

i dC 

TURBINE 

jεs 

Field Control 

i 

s 

= I ˆ 

se 

SG 

ω r 

u sabc 

i s 

i sabc 

SG 

VECTOR u s 

CSI 

CONTROL 

i abc 

PWM 

VSI 

i abc 

logic 

P 

SG-VSF 

DC 

i d 

VSF 

u 

i 

• O 

VS-DC line d 

C dC 

Generator sincron controlat vectorial alimentând o line de distribuţie de c.c., 

care este conectată la reţeaua de c.a. prin intermediul unui ansamblu de convertoare RIC, 

cu filtrarea activ a curentului reţelei şi ageneratorului , pentru alimentarea 

acţionărilor de CA cu motoare de inducţie şi sincrone cu MP controlate vectorial 


N 

Speed Control 

SM 

idI1 

ACM 

i dI 

VS 

i dl 

IM 

idI1 

Î s 

VA 

π 

2 3 

Ref 

I d 

DC to DC 

CONVERTER 

CONTROL 

DC to DC 

CONVERTER 

PWM 

logic 

CSR 

i d 

DC 

u d 

u 

LdI 

= u 

CSR 

u d 

CSR 

d 

IM 

VECTOR 

CONTROL 

IM 

u 

s 1 

IM 

i 

s1 

LOAD 

CS-DC link 

−u 

DC 

d 

CSR 

L d 

IM 

1 

IM 

ω r1

3. Controlul vectorial al generatorului sincron 

SG – 

generator 

sincron 

RAV – 

regulator 

automat de 

viteză 

PWM-VSF – 

filtru cu 

caracter sursă 

de tensiune 

UPF – 

factor de 

putere unitar 

ACF – 

filtru activ 

de curent 

[ Fig. 2. ICCC 2008 Sinaia] 

Ref 

u s 

Ref 

f s 

f s 

Voltage 

Controller 

Ref 

ψ s 

Frequency 

Controller 

θ 

electrical angle 

= 0 

Ref 

i 

ms i 

Ref 

λ = ieqλ 

Flux 

Controller 

i 

Ref 

sq 

Z p 

i sdλ 

PWM -VSF 

Ref 

edλ 

ψ s 

θ r 

SG 

Vector 

Control 

θ 

DC Distribution Line 

i e 

u s 

SG 

i s 

DC-to-DC 

Chopper 

RAV 

Turbine 

Energy 

Source 

Controlul vectorial SG autonom cu filtrarea activă a curentului funcţionând cu factor de putere 

unitar (maxim) şi alimentând o linie de distribuţie de CC conectată la reţeaua publică de CA. 

8 


Lansarea ideii reglării rii vectoriale a 

generatorului sincron 

Ideea a reglării rii vectoriale a generatoarelor sincrone 

de putere mare bazată pe principiului orientării 

rii 

după câmp a fost lansată în 1989 printr-un 

Brevet de invenţie [Kelemen 

& Imecs], 

apoi a fost prezentată în străinătate în 1990 

la conferinţa internaţională de maşini 

electrice ICEM organizat la MIT din Boston 

şi publicată într-o o cartea în limba engleză 

“Vector Control of Synchronous Machine 

Drives” ” (Editura Ecriture, Budapest) ) în 1993 de 

aceiaşi autori. 

9 


Principiul reglării rii vectoriale a generatorului sincron 

• După acest concept curentul de excitaţie este 

descompus in două componente orientate după câmp, 

la fel ca şi curentul din indus (statoric( 

statoric). 

• În structura de reglare vectorială se generează 

variabilele de control ale generatorului sincron în 

coordonate orientate te după fluxul statoric (dλ-qλ) pentru 

curentul statoric- (i sdλ and i sqλ ) şi de asemenea pentru 

curentul de excitaţie (i( 

edλ and i eqλ ). 

• Din punc de vedere magnetic numai componentele dλ au 

caracter reactiv. 

• La anularea reacţiei longitudinale a indusului orientat 

după câmp (i sdλ = 0), generatorul sincron funcţionează cu 

factor de putere unitar (in regim stabilizat) sau 

aproape de această valoare (in regim tranzitoriu). 

10 


11 

Generator sincron funcţionând la factor putere unitar (FPU) 

• Orientare după fluxul statoric 

Ψ sdλ = Ψ s = |Ψ| 

s | = Ψ s 

Ψ sqλ = 0 (1) 

• Fluxul statoric resultant 

Ψ s = Ψ me + Ψ ss (2.1) 

• Fuxul de excitaţie (efectul de 

magnetizare a rotorului) 

Ψ me = L md i e (2.2) 

• Reacţia indusului 

Ψ ss 

ss = Ψ mss + Ψ σs 

= (L( 

m + L σs ) i s = L s i s (3) 

• Curentul de magnetizare al fluxului 

statoric 

i ms = Ψ s /L m = i e + (1 + σ s ) i s (4) 

• Componente de curent OF 

i ms = i edλ + (1+σ s ) i sdλ (5.1) 

0 = i eqλ + (1+σ s ) i sqλ (5.2) 

• La factor de putere unitar: 

i sdλ = 0 

• Cuplul electromagnetic 

m e = K M Ψ s i sqλ = K M L m i ms i sqλ (6) 

m e = – K Ms 

L m i edλ i eqλ (7) 

σs = 

wunde K Ms = K M /(1+σ s ) 

qλ s 

dθ 

Rotor 

oriented 

longitudinal 

axis 

dψ 

dt 


s 

Stator-field 

oriented 

quadrature-axis 

R i s s 

ψ 

me 

= 0 

j2πf ψ 

s 

s 

u 

s 

ψ 

ψ 

mss 

ss 

δ 

i 

i 

e 

Stator-field 

oriented 

direct axis 

Armature reaction 

ψ 

m 

s 

i eqλ 

i 

ψ 

σs 

m 

Armature 

terminal voltage 

dλ s 

cosϕ=1 

ψ 

i sdλ 

s 

=L 

= 0 

m 

i 

i ms 

= i edλ 

ms 

( 1 + σ ) i s sqλ 

Diagrama fazorilor spaţiali de curenţi şi 

fluxuri pentru cos φ =1 


Generator sincron cu orientare după fluxul statoric 

U ˆ = 

Ref 

sN 

u s 

Voltage 

Controller 

Ref 

ψ s 

Flux Exciting Current 

Controller Computation 

Ref 

Ref 

i ms ied, 

qλ 

i e C 

M ODULE 

Ref 

i e 

Exciting Current 

Controller 

Ref 

u e 

DC Distribution Line 

PWM 

logic 

DC-to-DC 

Chopper 

i e 

u cr 

Ref 

f 

sN 

= f s 

Frequency 

Controller 

f 

s 

= f m 

Ref 

m e 

Ref 

isd 

λ 

1/2π 

ψ 

s 

u s 

= 0 

isdλ 

ω r 

Rotor Speed 

CooT 

direct 

[D(λ s )] 

λ s 

VA 

i sq λ 

M ODULE 

) 

Ref 

i sq λ = IsN 

i 

sd, 

q 

ψ 

sd , q 

Ψ s C 

θ 

PhT-CooT 

reverse 

[DA(λ s ) ] -1 

λ 

u , 

s 

sd q 

Electrical Angle 

Structură de reglare Vectorială la factor putere 

unitar 

Z p 

Ref 

i 

sa, 

b, 

c 

PhT 

direct 

[A] 

PhT 

direct 

[A] 

θ r 

i 

sa, 

b, 

c 

u 

sa , b , c 

Mechanical Angle 

PWM 

logic 

Position Sensor 

RECTIFIER 

with 

PWM-VSF 

SG 

u e 

RAV 

Turbine 

Energy 

Source 

12 



4. Principii de modelare şi structuri de 

simulare 

• Modelarea convertoarelor electronice de putere (CEP) este 

realizată cu o metodă asemănătoare teoriei cvadripolilor 

• Fiecare CEP (CA-CC CC sau/şi CC-CA CA cu MLP sau cu undă plină, 

variator de tensiune continuă VTC) are 

- două intrări 

ri şi două ieşiri, , pentru curenţi (I) şi tensiuni (V) 

- o intrare suplimentară de comandă “control signal” 

conform logicii MLP (PWM( 

PWM-logic 

o) sau stării de comutaţie 

în concordanţă cu configuraţia topologică 

datorită dispozitivelor semiconductoare de comutaţie 

- două sub-blocuri 

blocuri componente: 

unul de curent - I şi 

altul de tensiune - V, , care 

sunt cuplate de către c 

intrarea de comandă “control signals” 

13 


Tipul blocurilor de simulare 

Două tipuri de modele de simulare: 

Structura directă: model-V de tensiune din CC în CA ~ cu 1-31 

3 faze 

model-I de curent din CA ~ cu 1-31 

3 faze în CC. 

(CEP-uri 

cu MLP (PWM): invertoare VSI, redresoare VSR, filtre active VSF 

şi VTC-uri 

cu caracter sursă de tensiune) 

Structura inversată: model-V de tensiune din CA ~1-3 3 faze în CC. 

model-I de curent din CC în CA ~ 1-31 

3 faze 

(CEP-uri 

cu undă plină: : RIC, redresoare cu diode, invertoare CSI şi 

redresoare CSR cu caracter c 

sursă de curent) 

De exemplu: 

Convertoare cu MLP are model direct sau “pozitiv”: 

modelul de curent CA-CC şi modelul de tensiune CC-CA sunt cuplate prin 

intermediul logicii de comandă PWM la PWM-VSR pe partea dinspre reţea, şi 

la PWM-VSI pentru alimentarea motoarelor de CA 

RIC (convertor de redresare-inversare) are model inversat sau“negativ” : 

modelul de curent CA-CC şi modelul de tensiune CC-CA, cuplate împreună 

prin intermediul logicii de comandă, sincronizat cu tensiunea de linie. 

14 


AC power grid 

Structura de 

simulare 



u RST 

Linia de distribuţie 

de c.c. 

cuplată la 

reţeaua de CA 

printr-un ansamblu de 

convertor bi-direcţional 

RIC (redresor-invertor) 

cu filtrarea activă a 

curentului, 

alimentând o acţionare 

cu motor de inducţie IM 

şi una cu motor sincron 

cu magnet permanent 

PM-SM ambele cuplate 

cu câte un PWM-VSI 

LINE-SIDE 

FILTER 

CONTROL 

i RST 

Ref 

Î RST 

VSF 

PWM logic 

i fC 

L a 

Current 

Model 

2 3 

π 

i = i 

VSR 

ABC 

L a 

ABC 

PWM-VSF 

C f 

VSR 

u ABC 

Voltage 

Model 

u fC 

LINE R-I 

Commutation 

logic 

R−I 

i ABC 

Current 

Model 

i dR 

i dI 

R-I CONVERTER 

i dC 

L dR 

C d 

DC-link 

u Ld 

Voltage 

Model 

R I 

u − 

d 

u dC 

to SM 

SM 

i dI 

from SM 

from IM 

IM 

i dI 

to IM 

15 


[ Fig. 2. EPE 2007 Aalborg]

Structura de simulare 

SM 

idI 

IM 

i dI 

i 

dI 

i dR 

idC 

udC 

16 

Acţionare 

cu motor de inducţie IM 

cu orientare după câmp 

alimentat de la un invertor 

PWM-VSI 

comandat cu MLP 

cu reacţie de curent 

şi 

acţionare 

cu motor sincron 

cu magnet permanent PM-SM 

controlat vectorial, 

ambele conectate 

la aceeaşi 

linie de distribuţie de CC. 

Ref 

i abc 

Ref 

i abc 

Reverse 

PhT 

Reverse 

Park Tr. 

Ref 

i sdq 

IM - VSI 

PWM logic 

Current 

Controllers 

Ref 

i sdq 

SM - VSI 

PWM logic 

Current 

Controllers 

Ref 

ω r 


Ref 

ψ 

IM 

Field-oriented 

Vector Control 

SM 

Speed Reference 

Ref 

ω r 

PM 

Synchronous 

Motor 

Vector Control 

IM 

ω r 

Current 

Model 

IM 

i abc 

Reverse 

PhT 

IM 

m e 

Current 

Model 

Reverse 

Park Tr. 

i sdqθ 

SM 

ω r 

SM 

m e 

i sdq 

SM 

iabc 

IM 

PWM-VSI 

SM 

PWM-VSI 

SM 

Rotor 

Position 

Induction 

Motor 

d-q Model 

θ r 

IM 

u abc 

u sdq 

PM 

Synchronous 

Motor 

dθ-qθ Model 

Voltage 

Model 

Direct 

PhT 

IM 

m L 

Voltage 

Model 

SM 

u abc 

Direct 

Park Tr. 

u sdqθ 

SM 

m L 

[ Fig. 3. EPE 2007 Aalborg] 

Load 

Load

Schema bloc de sinteză 

pentru simulare 

Linie de distribuţie de CC 

alimentată de la 

un generator sincron VC-SG 

controlat vectorial, 

conectat la reţeaua de CA 

cu un ansamblu de 

convertor bi-direcţional RIC 

(redresor-invertor) 

cu filtru activ de curent 

PWM-VSF, alimentând 

acţionări cu motor de inducţie 

IM 

şi motor sincron cu magnet 

permanent PM-SM şi cuplate 

cu un invertor PWM-VSI 

PWM 

logic 

PWM 

logic 

Ref 

Iˆs 

IM 

i sabc 

LINE-SIDE 

RIC 

DRIVER 

IM 

IM 

PWM-VSI 

IM 

i dI 

SM 

i sabc 

SM 

i dI 

SM 

PWM-VSI 

PMSM 

Commutation 

logic 

ε 

s 

VECTOR 

ANALYSER 

u RST 

Commutation 

logic 

IM 

u sabc 

DRIVING 

TURBINE 

ACM 

i dI 

SM 

u sabc 

DC-to-DC 

CONVERTER 

DRIVERS 

CSR 

i d 

SG 

i sabc 

RIC 

u d 

CSR 

u d 

Commutation 

logic 

CSR-COMM. 

LOGIC 

COMPUTATION 

CSR 

u abc 

SG 

u sabc 

m T 

AC power grid 

RIC 

i ABC 

RECTIFYING 

INVERTING 

CONVERTER 

L d 

RIC 

- C d 

VS-DC-LINK 

FILTER 

u dC 

RIC 

SG-SIDE 

CSR 

i 

RST 

RIC 

i d 

VS 

i d 

DC 

i 

d 

DC-to-DC 

CONVERTER 

(+U d /I d >0) 

DC 

u d 

SG 

CSR 

i d 

L d 

CSR 

CS DC LINK 

FILTER 

CSR 

i abc 

SG 

i sabc 

u e 

i e 

CSR 

i d 

ACTIVE 

FILTER 

CONTROL 

DC 

i e 

VSF 

i d 

VSF 

i abc 

VSF 

d 

u = u 

SG 

VECTOR 

CONTROL 

VSF 

u abc 

f s 

dC 

u s 

PWM 

logic 

I s 

Ref 

u e 

SG-EX 

DC 

CHOPPER 

VSF 

u ABC 

RIC 

u Cf 

PWM 

logic 

RIC 

u La 

L a 

RIC 

LINE-SIDE 

AC FILTER 

LINE-SIDE 

RIC 

PWM-VSF 

C f RIC LINE- 

CURRENT 

FILTER 

VSF 

i 

ABC 

RIC 

i Cf 

SG-SIDE 

PWM-VSF 

DC 

e 

u = u 

DC 

i e 

Cd 

17 


Ref 

m T 


Structuri de simulare ale maşinii sincrone 

Una dintre legile conversiei de energie electromecanică se referă la reversibilitatea maşinii 

electrice, conform căreia maşina poate funcţiona în două regimuri, de motor şi de 

generator, corespunzătoare celor două sensuri de transfer al energiei prin maşină. 

Modelul matematic poate imita ambele regimuri de funcţionare, indiferent dacă acest model a 

fost creat să descrie sau să simuleze regimul de motor sau generator. 

18 

„ Model de generator” 

[Fig. 3. INES 2008 Cruising on Carabian Sea] 


„Model de motor” 

[Fig. 4. INES 2008 Cruising on Carabian Sea]

Datele nominale ale maşinilor electrice simulate 

• Generator sincron cu înfăşurare de excitaţie (SG): 

Tip GtM~3 UMEB, România: 

0.8 kW, , 50 Hz, , 1500 rpm, 

cosφ = 0.80 

(capacitiv), 

mărimi de fază: : 220 V ef. , 1.53 A ef 

• Motor de inducţie (IM): 

Tyip 1LA7-4AA10 

Siemens, Germania: 

2.2 kW, , 50 Hz, , 1420 rpm, 

cosφ = 0.82, 0 

mărimi de fază: : 230 V ef. , 4.7 A ef 

• Motor sincron cu rotor cu magnet permanent (PM-SM): 

Tip ES42 Stöber Antriebstechnik GmbH, Germania: 

0.5 kW, , 150 Hz, , 3000 rpm, 

mărimi de fază: : 220 V ef. , 1.6 A ef. 

ef. 

ef. 

19 


5. Condiţii de simulare 

• Simulările au fost efectuate mediul de software 

“MATLAB-Simulink” ® . 

• Toate maşinile electrice (motoare şi generatorul) au fost simulate 

bazate pe “model 

matematic de motor” 

(cu intrare în tensiuni, cu ieşire în curenţi şi variabile de stare fluxuri). 

• Generatorul sincron cu control vectorial orientat după fluxul 

statoric este reglat în frecvenţă şi tensiune, , alimentând linia de CC 

a fost simulat cu model de “motor” funcţionând cu conversia 

inversată a energiei. 

• Linia de c.c. alimentează mai multe sisteme de acţionare cu 

motoare de c.a. . reglat vectorial (IM şi PM-SM) alimentate de la 

invertoare PWM-VSI 

în regim de funcţionare de consumiator de 

energie şi de frânare cu recuperare de energie în regim 

tranzitoriu şi stabilizat punând în evidenţă interacţiunea lor. 

20 


Rezultatele simulării 

(1) 

• Prima dată a fost lansat generatorul sincron SG cu date 

nominale impuse. 

• În momentul t = 1 s au fost pornite simultan trei acţionări 

cu motoare de inducţie IM. 

• În momentul t = 2.5 s au fost comandate la reversare de 

viteză toate cele trei motoare de inducţie. 

• Energia de frânare ale motoarelor de inducţie IM 

recuperată şi energia produsă de generatorul sincron SG 

sunt transferate spre reţeaua de CA la factor de putere 

unitar. 

21 


Simulation results (1) 

Vector Controlled Synchronous Generator (SG) 

The SG speed (w) , electromagnetic torque (m e ) 

and the turbine driving torque (m( 

T ). 

22 


[ Fig. 3. ICCC 2008 Sinaia]


Vector Controlled Induction Motor (IM) 

The IM speed (w), electromagnetic (m e ) and the reactive load (m( 

L ) torque. 

23 



Currents of 


of the Synchronous Generator (SG) 

Currents in “a” phase of the SG (i( 

sa ), CSR rectifier (i( 

CSR 

a 

and SG-VSF filter (i( 

VSF a ) at starting. 

CSR ) 

24 




AC Grid-side 

Currents 

The AC grid current in phase “R” (i( 

R ), AC grid-side current of RIC rectifier- 

inverter (i( 

RIC A ) and PWM-VSF filter (i( 

VSF A ) in phase “A”. 

25 




DC Line-side 

Currents 

The DC-line side RIC rectifier-inverter inverter current (i( 

RIC d ) and voltage (u( 

RIC d ). 

26 



Rezultatele simulării 

(2) 

• Prima dată a fost lansat generatorul sincron SG cu date 

nominale impuse. Energia a produsă este transferată spre 

reţeaua de CA 

• În momentul t = 1 s au fost pornite concomitent două 

acţionări cu motoare de inducţie IM şi două cu motoare 

sincrone cu magnet permanent PM-SM. 

• În momentul t = 2.5 s au fost comandate la reversare de 

viteză ambele motoare de inducţie. 

27 

• Energia de frânare ale a 

celor două motoare de inducţie IM 

recuperată este transferată spre reţeaua de CA la factor 

de putere unitar. 


[SPEEDAM 2008 Ischia]


Vector controlled synchronous generator (SG) 

400 

w[rad/s] 

300 

200 

100 

0 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

0 

t (s) 

m 

e 

, m 

T 

(Nm) 

-2 

-4 

m e 

m T 

-6 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

t (s) 

SG speed (w), electromagnetic torque (m e ) and turbine driving torque (m( 

T ) 

28 




Vector controlled induction motor (IM) 

200 

w [rad/s] 

0 

-200 

m 

e 

, m 

L 

(Nm) 

40 

20 

0 

-20 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

m L 

t (s) 

m e 

t (s) 

-40 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

t (s) 

IM speed (w), electromagnetic (m e ) and reactive load (m( 

L ) torque. 

29 




Vector controlled PM-synchronous motor 

200 

w[rad/s] 

0 

-200 

m 

e 

, m 

L 

(Nm) 

40 

20 

0 

-20 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

m L 

t (s) 

m e 

t (s) 

-40 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

t (s) 

PM-SM speed (n), electromagnetic torque (m e ) and its reactive load torque (m( 

L ) 

30 



psi 

e 

, psi 

s 

(Wb) 

i 

sdls 

, i 

sqls 

(A) 

u 

e 

(V), i 

e 

(A) 

2 

1 


SG fluxes and exciting quantities 

0 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

5 

0 

i 

-5 

sqls 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

5 

psi s 

i sdls 

t(s) 

t(s) 

0 

2.5 2.501 2.502 2.503 2.504 2.505 2.506 2.507 2.508 2.509 2.51 

t(s) 

psi e 

u e 

i e 

[ Fig. 9. SPEEDAM 2008 Ischia] 

31 

Synchronous generator stator- and exciting-flux (psi( 

s and psi e ), 

stator-field 

field-oriented armature current components (i( 

sdls and i sdls 

and the excitation voltage (u( 

e ) and current (i( 

e ) 


sdls ) 



Currents and voltage of the SG at staring 

500 

VSF CSR 

i (A) i (A) i (A) u (V) 

a a sa sa 

0 

-500 

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 

5 

0 

-5 

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 

5 

0 

-5 

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 

2 

0 

-2 

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 

t (s) 

Voltage (u( 

sa ), and currents in phase “a” of the SG (i( 

sa ), 

CSR (i( 

CSR a ) and SG-VSF (i( 

VSF a ) at starting. 

32 




AC grid-side 

voltage and currents 

during the whole simulation period 

20 

i 

a 

RIC 

(A) 

i 

R 

(A) 

i 

a 

VSF 

(A) 

33 

0 

-20 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

20 

0 

-20 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

10 

0 

t (s) 

t (s) 

-10 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

t (s) 

AC grid voltage (u( 

R ) and current (i( 

R ) in phase “R”, AC grid-side current 

of the RIC (i( 

RIC A ) and PWM-VSF current (i( 

VSF A ) in phase “A 




AC grid-side 


at starting of the AC drives 

VSF RIC 

i (A) 

u (V) 

i (A) i (A) 

R 

A A R 

500 

0 

-500 

0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 

20 

0 

-20 

0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 

20 

0 

-20 

0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 

10 

0 

-10 

0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 

t (s) 







34 




AC grid-side 


at speed reversal of the IMs 

VSF RIC u (V) 

i (A) i (A) i (A) R A A R 

500 

0 

-500 

2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 

20 

0 

-20 

2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 

20 

0 

-20 

2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 

10 

0 

-10 

2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 

t (s) 







35 



DC line 


line-side 

RIC current and voltage 

800 

u 

d 

RIC (V) 

600 

400 

200 

0 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

20 

t (s) 

i 

d 

RIC (A) 

10 

0 

-10 

-20 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

t (s) 

The DC-line side RIC rectifier-inverter inverter current (i( 

RIC d ) and voltage (u( 

RIC d ). 

36 



DC line 


line-side 

capacitor voltage and current 

800 

u 

dC 

(V) 

600 

400 

200 

0 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

50 

i 

dC 

(A) 

0 

t (s) 

37 

-50 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 

t (s) 

DC-line capacitor voltage (u( 

dC ) and current (i( 

dC ). 



Rezultate de simulare şi experimentale 

• Reglarea vectorială a sistemelor de acţionare 

cu diferite tipuri de motoare: 

- Motor sincron cu rotor cu MP cu orientare după rotor/câmp de 

excitaţie alimentat de la invertor PWM-VSI 

(simulat 

şi experimentat); 

- Motor de inducţie cu orientare după câmpul rotoric alimentat de 

la invertor PWM-VSI (simulat( 

şi implementat ); 

• Generator sincron cu control vectorial 

cu orientare după câmpul statoric 

în regim de generator şi de motor de acţionare (simulat) 

în regim de motor cu flux de excitaţie constant (implementat( 

implementat); 

• Filtrarea activă a curentului redresorului cu diode cu PWM-VSF 

la bornele generatorului sincron conectat c 

la 

linia de CC printr-un variator de tensiune continuă (simulat); 

• Filtrarea activă a curentului absorbit din reţeaua de c.a. . prin 

convertorul RIC cu PWM-VSF şi 

controlul factorului de putere unitar (simulat); 

38 


Concluzii (1/3) 

Referitor la simulare 

• Circuitele electronice de putere ale convertoarelor nu se modeleaz 

ază 

după conceptul de simulare a circuitelor, , ci după o metodă similară 

teoriei cvadripolilor. . Aceasta înseamnă că fiecare bloc de simulare 

are 2 intri 

ntrări ri şi 2 ieşiri, câte una pentru curenţi, respectiv pentru tensiuni 

ni 

pe ambele părţi p 

ale cvadripolului. 

• Sunt 2 tipuri de blocuri de simulare, bazate pe modelul direct sau 

modelul invers, , în concordanţă cu sensul de calcul al curenţilor şi 

tensiunilor faţă de sensul de transfer al energiei, , considerând partea 

de CA, respectiv de CC. 

39 


Concluzii (2/3 - a) 

Referitor la legătura între modelare, 

simulare şi implementare 

• Software-ul 

MATLAB/Simulink integrează calculul matematic, 

vizualizarea grafică şi un limbaj de programare puternic pentru a 

furniza utilizatorului un mediu flexibil pentru aplicaţii în domeniul 

tehnic; este o unealtă interactivă pentru modelare, simulare, 

prototyping şi analiză dinamică de sistem. 

• MATLAB/Simulink-ul 

permite o implementare uşoară şi rapidă a 

structurii de control datorită corelării rii dintre mediul de simulare şi 

placa controler a dSPACE-ului 

ului. 

• Placa de controler DS1104 din dSPACE este un echipament ideal 

pentru implementarea structurilor de comandă şi reglare ale 

convertoarelor electronice de putere, motoarelor de acţionare şi 

generatoarelor pentru producerea energiei electrice. Ea integrează în 

calitate de procesor slave TMS320F240 al firmei TI, , folosit pentru 

generarea semnalului PWM pentru invertor, redresor sau filtru activ. 

40 


Concluzii (2/3 - b) 

Referitor la legătura între modelare, 

simulare şi implementare 

• dSPACE utilizează MATLAB-ul 

pentru identificare de sistem şi 

modelare, Simulink-ul 

pentru simulare “offline“ 

offline”, iar “Real“ 

Real-Time 

Workshop (RTW)” pentru generare automată de cod C. Codul 

generat poate rula pe PC, DSP, microcontroler, , FPGA, medii on- 

board, etc. 

• În dSPACE, Real-Time 

Interface (RTI) vine să s completeze 

Real-Time 

Workshop pentru realizarea unei implementări 

automate a modelelor Simulink pe platforma hardware al 

dSPACE 

• Folosind software-ul 

de implementare Real Time Interface (RTI) 

schemele de reglare realizate în mediul MATLAB/Simulink sunt în 

mod automat transformate prin rulate pe placa de controler în cod 

de timp real. 

41 


42 

Concluzii (3/3) 

Referitor la cercetările rile viitoare 

• În filtrul curentului reţelei poate fi implementată 

identificarea şi controlul numeric al factorului de putere 

unitar. 

• Identificarea “on“ 

on-line” ” al factorului de putere poate fi 

efectuat cu procedură vectorială pe baza Teoriei Fazorilor 

Spaţiali, , folosind două Analizoare de Vector convenţionale 

pentru curenţii şi tensiunile din reţeaua de c.a., ., respectiv un 

bloc de –Transformare de Coordonate. 

• Structurile de control vectorial ale acţionărilor de c.a. . cu 

identificarea fluxului statoric au fost deja implementate. 

Cercetarea este acum dirijată pentru implementarea 

controlului vectorial al generatorului sincron şi a filtrelor 

active. 


Bibliografie (1/6) 

• Imecs Maria, Szabó Cs., Incze I. I.: Modelling and simulation of controlled 

bi-directional power electronic converters in a DC energy distribution ion line 

with AC grid- and motor-side active filtering, , Proc. of EPE 2007, Aalborg 

(Denmark), CD-ROM, ISBN: 9789075815108/ IEEE Catalog No. 07EX1656C. 

• Imecs, , M., Incze, , I. I., Szabó, , Cs., “Control of the energy flow in a dc 

distribution line, autonomous synchronous generator and ac grid by means 

of power electronic converters: modeling and simulation”, ICCC 2008, 9th 

International Carpathian Control Conference ICCC 2008, Sinaia, , Romania, 

May 26-28, 28, 2008, Volume ISBN 978-973 

973-746-897-0, 

pp. 255-258. 

258. 

• Imecs, , M., Szabó, , Cs., Incze, , I. I., „Modelling and Simulation of a Vector 

Controlled Synchronous Generator Supplying a DC Energy Distribution ion Line 

Coupled to the AC Grid”, 19th International Symposium on Power 

Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, SPEEDAM 20082 

008, 

Ischia, Italy, , June 11-13, 13, 2008, CD-ROM, pp. 538-543, 543, IEEE Catalog Number 

CFP 0848 A-CDR, A 

ISBN: 978-1-4244 

4244-1664-6, 6, Library of Congress: 

2007936381. 

• Imecs M., Incze, , I. I., Szabó, , Cs.: Stator-field oriented control of the 

synchronous generator: numerical simulation, Proc. of the 12th IEEE INES 

2008, Miami, Florida (USA), CD-ROM, ISBN: 978-1-4244 

4244-2083-4, IEEE 

Catalog Number: CFP08IES-CDR, CDR, Library of Congress: 2008900450. 

43 



• Imecs M., Incze, , I. I., Szabo, , Cs.. Ecological power system with local 

distribution DC-line for AC-drive consumers. IFAC Workshop ICPS‘07, , Cluj- 

Napoca, 2007, ISBN: 978-973 

973-713-180-5, pp. 71-76. 

76. 

• Imecs, , M., Szabó, , Cs., Incze, , I. I., “Stator“ 

Stator-field-oriented control of the 

variable-excited excited synchronous motor: numerical simulation”, The 7th 

International Symposium of Hungarian Researchers on Computational 

Intelligence HUCI ‘06, Budapest, Hungary, , 2006, ISBN 963 7154 54 X, pp. 

95-106. 

• Imecs M., Szabó Cs., Incze I. I.: Active power filtering of line and motor 

currents for AC drives, modelling and simulation, , Workshop TEQREP, Ed. R. 

Măgureanu, , University “Politehnica“ 

Politehnica” ” Bucharest, Printech Press (Romania), 

2004, pp. 41- 48. 

• Imecs M., Incze, , I. I.,Szabó, , Cs.: New topology for sine-wave current 

filtering of induction motor drives fed by tandem frequency converter 

erter, Acta 

Electrotehnica, , Vol. 44, No 3, 2004, Cluj (Romania), ISSN 1224-297, 297, pp. 

145-150. 

150. 

44 



• Imecs M., Trzynadlowski A. M., Incze I. I., Szabó Cs.: Vector control 

structures of the tandem converter fed induction motor, , IEEE 

Transactions on Power Electronics, March 2005, Vol. 20, Nr. 2, 

ITPEE8, pp. 493-501. 

• Imecs M., Trzynadlowski A. M., Patriciu N., Radian-Kreiszer 

M.: 

About performances of current controlled SVM-VSI VSI and tandem 

inverter used in induction motor drives, , Proc. of SPEEDAM 2000, 

Ischia (Italy), 2000, pp. C-4-7-…CC 

…C-4-12. 

• Imecs M., Incze I. I., Szabó Cs.: Control strategies of induction 

motor fed by a tandem DC link frequency converter, , Proc. of the 9th 

EPE, Graz (Austria), 2001, pp. L1b-7 7 & CD-ROM. 

45 



• Kelemen Á., Imecs M.: Vector Control of AC Drives, Vol. 2: Vector Control of 

Synchronous Machine Drives, Ecriture Publisher, Budapest (Hungary), 1993, 

ISBN 963 593 140 9. 

• Kelemen Á., Imecs M.: Procedure and Driving Device for Unitary Automatic 

Vector Control of the Active and Reactive Power of Synchronous Generators G 

by Means of Frequency and Voltage Regulation, Patent of Invention (in 

Romanian) Nr. 104278/30.10.1989. 

• Kelemen Á., Imecs M.: Vector control system for frequency and voltage of 

synchronous generators, , Proc. of ICEM ‘90, Cambridge, Massachusetts 

(USA), 1990. 

• Kelemen Á., Imecs M.: Analogy between DC- and synchronous machine for 

field-oriented control, , Proc. of BICEM ’87, Beijing (China) 1987. 

• Kelemen, , Á., Imecs, , M., Sisteme de reglare cu orientare după câmp ale 

maşinilor de curent alternativ (in Romanian), IPCN Press, Cluj-Napoca, 1987 

and Romanian Academy Press, Bucharest, Romania, 1989. 

46 



• Trzynadlowski A. M., Imecs M., Patriciu N.: Modeling and simulation of 

inverter topologies used in AC drives: comparison and validation of models, 

Proceedings of ELECTRIMACS, Lisboa (Portugal), 1999, Volume I/3, pp. 47- 

52. 

• Trzynadlowski, , A. M., Patriciu, , N., Baabjerg, , F., Pedersen, J. K.: A hybrid, 

current-source/voltage 

source/voltage-source power inverter circuit, , IEEE Trans. on Power 

Electronics, Vol. 16, No. 6, Nov, 2001, pp. 866-871. 

871. 

• Trzynadlowski A. M., Blaabjerg F., Pedersen J. K., Patriciu A., Patriciu N.: A 

tandem inverter for high performance AC drives, , Conf. Rec. IEEE-IAS IAS Annual 

Meeting, St. Louis, Missouri (USA), 1998, pp. 500-505. 

505. 

• Szabó Cs., Imecs M., Incze I. I.: Synchronous motor drive with controlled 

stator-field 

field-oriented longitudinal armature reaction, , The 33rd IECON 2007, 

Taipei (Taiwan), CD-ROM, IEEE Cat. No. 07CH37855D, ISBN: 1-42441 

4244-0783-4, 

ISSN: 1553-572X 572X and Conference Digest p. 105. 

• Szabó Cs., Imecs M., Incze I. I.: Synchronous motor drive with controlled 

stator-field 

field-oriented longitudinal armature reaction, , The 33rd IECON 2007, 

Taipei (Taiwan), CD-ROM, IEEE Cat. No. 07CH37855D, ISBN: 1-42441 

4244-0783-4, 

ISSN: 1553-572X 572X and Conference Digest p. 105. 

47 



• Măgureanu, , R., Ambrosii, , S., Creangă, , D., Stanciu, , C., Răduţi 

V.: 

Unity power factor rectifiers and active power filters for industrial 

applications. . Proc. of the 11th CNAE, Galaţi (Romania), 2002, pp. 36- 

42. 

• Akagi, , H.: New trends in active filters for power conditioning, , IEEE 

Trans. on Industrial Applications, Vol. 32, No. 6, 1996, pp. 1312- 

1322. 

• Soares V., Verdelho P., Marques G. D.: An instantaneous active and 

reactive current component method for active filters, IEEE 

Transactions on Power Electronics, Vol. 15, No. 4, July 2000, pp. 

660-669. 

669. 

• Krishnan R.: Electric Motor Drives – Modeling, Analysis, and Control, 

Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey 07458 (USA), 2001. 

• Kopylov I. P.: Mathematical Models of Electrical Machines, , Mir 

Publishers, Moscow, , 1984. 

48 


Recunoştinţă 

Această lucrare a fost finanţată parţial de 

Consiliul Naţional 

de Cercetare Ştiinţifică 

pentru Învăţământul Superior 

din România 

49 


* 

Mulţumesc 

pentru atenţie! 

* 

50

M. Imecs - VLab

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?