Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Power Electronic Stages for a TFPMSM in Wave Power Applications
KTH, School of Electrical Engineering (EES).
2016 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Direct drive wave energy conversion systems have been identified as a potentially major contributor to the world’s energy demands, forecasting shares of up to 25 % of the energy mix. Anders Hagnestål conducts research at the Royal Institute of Technology where a novel linear transverse flux permanent magnet generator is developed. This concept machine is particularly well-suited for the pertaining operating conditions in marine environments, producing large forces at low speeds with outstandingly low resistive losses. However, it exhibits severe magnetic saturation and draws unsymmetrical phase currents at nominal operation. In addition, it possesses a low power factor. All in all, this places stern requirements on the power electronic system and control algorithms. The aim of this thesis has been to design a functioning power conditioning system that connects the machine to the electric grid. For this purpose, a three-phase two-level voltage source converter is proposed to be back-to-back connected with two-level single-phase voltage source converters (active rectifiers) interfacing each and every machine phase. It is shown that the intermediate DC link can be maintained at a constant voltage with restricted ripple while feeding power at unity power factor to the grid by appropriately sizing the DC capacitor and adopting a feedback linearization control scheme. The phase currents can be controlled effectively by means of a cascaded gain-scheduled PID controller. By including a low-pass filter the iron losses in the machine may be suppressed even at lower switching frequencies. A constrained cost optimization indicates that the converter consequently can reach 99.1 % efficiency. Finally, with this thesis as a background, it is suggested that the thermal stresses on the selected semiconductor modules and the iron losses of the machine are evaluated to further improve the design. If higher efficiency of the active rectifiers is strived for, more complex converter topologies could be considered.

Abstract [sv]

Direktdrivna vågenergiomvandlingssystem har utpekats som en potentiellt starkt bidragande resurs för att tillgodose världens efterfrågan på energi med andelar på uppemot 25 % av energimixen förutspådda. Anders Hagnestål bedriver forskning och utveckling av en ny typ av linjär permanentmagnetiserad transversalflödesmaskin vid Kungliga Tekniska Högskolan. Konceptmaskinen är särskilt väl lämpad för de rådande marina förhållandena genom att kunna producera stora krafter vid låga hastigheter med utomordentligt låga resistiva förluster. Maskinen går emellertid i kraftig magnetisk mättnad och drar asymmetriska strömmar vid nominell drift. Dessutom är effektfaktorn låg i jämförelse med standardmaskiner. Alltsomallt inför detta hårda krav på det effektelektroniska systemet och kontrollalgoritmerna. Målet med detta examensarbete har varit att designa ett funktionellt effektkonditioneringssystem som sammanfogar maskinen med det angränsande elektriska nätet. För att åstadkomma detta föreslås att en tvånivås-trefasomriktare kopplas rygg-mot-rygg till tvånivås-enfasomvandlare (aktiva likriktare) som i sin tur är kopplade till varje maskinfas. Med den här konfigurationen visas det att spänningen på den mellanliggande DC-länken kan hållas konstant med begränsat rippel, alltmedan effekt tillförs nätet vid effektfaktor ett genom att dimensionera DC-kondensatorn på rätt sätt och använda en kontrollag baserad på exakt linjärisering. Maskinens fasströmmar kan kontrolleras effektivt med hjälp av en kaskadkopplad PID-regulator med schemalagda förstärkningsfaktorer. Genom att inkludera ett lågpassfilter förväntas det att järnförlusterna i maskinen kan begränsas även vid lägre switchfrekvenser. Genom att lösa ett kostnadsoptimeringsproblem visas det att den resulterande aktiva likriktaren kan uppnå en verkningsgrad på 99.1 %. Slutligen, med det här examensarbetet som grund, föreslås det att den termiska stressen på de valda halvledarkomponentsmodulerna och järnförlusterna i maskinen utvärderas för att ytterligare förbättra designen. Om högre verkningsgrad eftersträvas hos de aktiva likriktarna kan mer komplicerade omvandlartopologier övervägas.

Place, publisher, year, edition, pages
2016. , 68 p.
Series
EES Examensarbete / Master Thesis, TRITA-EE 2016: 123
Keyword [en]
transverse flux permanent magnet synchronous machine (TFPMSM), active rectifier, direct drive wave energy converter, feedback linearization, cascaded PID controller.
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-194201OAI: oai:DiVA.org:kth-194201DiVA: diva2:1038718
Examiners
Available from: 2016-10-19 Created: 2016-10-19 Last updated: 2016-11-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3739 kB)19 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3739 kBChecksum SHA-512
f2391720da3da5edac41cacc3145ff8fbe3f0d93098d6c16c534e6c76a522bc99c7948334ed0d06c7acecb7f8e8432fd86073cf3eca0e95c91c382eafec8b179
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Electrical Engineering (EES)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 19 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 39 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link