Current measurement in power electronic and motor drive applications - a comprehensive study

Current measurement has many applications in power electronics and motor drives. Current measurement is used for control, protection, monitoring, and power management purposes. Parameters such as low cost, accuracy, high current measurement, isolation needs, broad frequency bandwidth, linearity and stability with temperature variations, high immunity to dv/dt, low realization effort, fast response time, and compatibility with integration process are required to ensure high performance of current sensors. Various current sensing techniques based on different physical effects such as Faraday\u27s induction law, Ohm\u27s law, Lorentz force law, magneto-resistance effect, and magnetic saturation are studied in this thesis. Review and examination of these current measurement methods are presented. The most common current sensing method is to insert a sensing resistor in the path of an unknown current. This method incurs significant power loss in a sense resistor at high output currents. Alternatives for accurate and lossless current measurement are presented in this thesis. Various current sensing techniques with self-tuning and self-calibration for accurate and continuous current measurement are also discussed. Isolation and large bandwidth from dc to several kilo-hertz or mega-hertz are the most difficult, but also most crucial characteristics of current measurement. Electromagnetic-based current sensing techniques, which are used to achieve these characteristics, are analyzed. Many applications require average current information for control purposes. Different average current sensing methods of measuring average current are also reviewed. --Abstract, page iii

Vector-controlled induction motor drive with minimal number of sensors

У тези су предложена два унапређена алгоритма управљања асинхроним мотором у условима када је број сензора који се користи у погону минималан. Број сензора који се користи у повратној спрези управљачког алгоритма сведен је на само један струјни сензор који мери струју једносмерног међукола погонског инвертора. Предложене методе елиминишу карактеристично изобличење реконструисаних фазних струја и постижу бољи квалитет и перформансе управљања у односу на конвенционалну методу. Сва аналитичка разматрања у тези су праћена одговарајућим експерименталним резултатима, који потврђују ефикасност предложених метода управљања.U tezi su predložena dva unapređena algoritma upravljanja asinhronim motorom u uslovima kada je broj senzora koji se koristi u pogonu minimalan. Broj senzora koji se koristi u povratnoj sprezi upravljačkog algoritma sveden je na samo jedan strujni senzor koji meri struju jednosmernog međukola pogonskog invertora. Predložene metode eliminišu karakteristično izobličenje rekonstruisanih faznih struja i postižu bolji kvalitet i performanse upravljanja u odnosu na konvencionalnu metodu. Sva analitička razmatranja u tezi su praćena odgovarajućim eksperimentalnim rezultatima, koji potvrđuju efikasnost predloženih metoda upravljanja.This thesis proposes two improved and robust induction motor drive control methods, in the case when there is a minimal number of sensors for providing feedback signals. Number of used sensors is reduced to only one current sensor measuring the inverter dc-link current. Proposed methods cancels offset jitter-like waveform distortion present in the reconstructed motor phase currents, and achieves higher quality and drive performance regard to conventional current reconstruction mechanism. Effectivness of the proposed methods are verified on developed HIL (hardware-in-the-loop) platform and laboratory induction motor drive prototype

Aplicación de técnicas de identificación y control multivariable en convertidores en fuente de tensión conectados a la red eléctrica

La Tesis se centra en el diseño del control de convertidores en fuente de tensión (VSC) conectados a la red eléctrica mediante filtros LCL y L. Particularmente está centrada en la mejora, mediante el uso de técnicas multivariables, del diseño y funcionamiento del lazo interno de control del convertidor conectado a red: el control de corriente. Con este fin, la Tesis se centra en tres líneas de trabajo básicas. La primera línea de trabajo es la identificación del modelo del convertidor VSC y el filtro de red. La Tesis propone la aplicación de técnicas de identificación multivariables en el VSC conectado a red mediante filtro LCL. El objetivo es obtener un modelo discreto en ejes dq que permita sintetizar de forma directa un controlador multivariable de corriente. Se han aplicado tres métodos de identificación multivariable: MOESP, N4SID y PEM. La Tesis trata de determinar cual es el método adecuado y el tipo de entradas a aplicar para la correcta identificación del modelo discreto del convertidor con filtro LCL. Asimismo, se propone un método de identificación paramétrico basado en regresiones lineales y modelos SISO con objeto de estimar el valor de los parámetros del filtro LCL. La segunda línea principal de trabajo es la aplicación de técnicas de control multivariable al problema del control de corriente del VSC conectado a red mediante filtro LCL. Los controladores MIMO propuestos se basan en la combinación de la estructura servocontrol y la técnica de control óptimo Linear Quadratic (LQ). Los controladores diseñados pueden ser combinados con el uso de estimadores del vector de estado para reducir el número de sensores necesarios para llevar a cabo el control de corriente del convertidor con filtro LCL. La Tesis aplica la combinación del servocontrol LQ con el filtro de Kalman al problema del control de corriente en entornos ruidosos, resultando en la propuesta del servocontrol LQG. La Tesis estudia la aplicación de una implementación concreta del filtro de Kalman, el SSKF, que está pensado para reducir la complejidad computacional de algoritmo y facilitar su implementación en la plataforma de control. La Tesis contribuye aportando criterios de diseño para el servo control LQ así como un Algoritmo Genético para la automatización de la elección de los parámetros del control LQ, ayudando de esta manera al diseñador. Los algoritmos de control han probado su versatilidad, siendo adecuados para ser empleados en diferentes problemas de control de corriente. Adicionalmente, se ha propuesto una estructura de control basada en el servocontrol LQ y el uso de resonadores para mitigar los efectos en el control de corriente de los armónicos de la tensión de red. La formulación de la nueva estructura permite emplear las herramientas de diseño propuestas en el caso básico. La tercera línea de investigación está relacionada con el control adaptativo. La propuesta realizada en la Tesis trata de mejorar una propuesta previa de control de un VSC conectado a la red mediante filtro L. Esta propuesta era sencilla de implementar y no requería de la medida de la corriente de red. Sin embargo era especialmente sensible a las variaciones en la inductancia de línea. Las modificaciones propuestas en la Tesis superan esta desventaja empleando un control basado en Lógica Borrosa y la reconstrucción de las corrientes de red, con objeto de ajustar los parámetros de control y hacer más robusto el control básico frente a variaciones en los parámetros del filtro