Design of a resonant converter for a permanent magnet synchronous machine

Bisson, Jean-François (2021). Design of a resonant converter for a permanent magnet synchronous machine. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This research project initially started with the hypothesis that the resonant behavior of a RLC circuit could improve the operation of a Permanent Magnet Synchronous Machine. The idea of this research project is to connect a capacitor in series to each motor phase during highspeed operation, turning the phase electrical circuits into a RLC circuits. The capacitor would be sized specially for the natural frequency of the resulting RLC circuit to match the electrical frequency of the motor at the desired operation speed. Because of the motor Back-EMF, it was found that the capacitors need to be pre-charged in order to provide the required electrical energy to the motor.

This thesis presents in the first place the properties of the electrical resonance that could be valuable to benefit from and presents a high-level concept of converter that could allow to take advantage of the properties of the electrical resonance during operation of a Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM). Then, this thesis documents the elaboration and detailed design of the converter. The three main aspects covered in the detailed design are: the power electronics circuit of the resonant converter, the control electronics and the control algorithm. In the third place, the simulation model is presented, as well as the simulation results demonstrating the functional capabilities of the resonant converter. Finally, the simulation results are analyzed in details and conclusions about the advantages and disadvantages of the proposed resonant converter are enumerated.

The simulation of the concept of resonant converter, named Resonant Power Processor (RPP), shows that the control algorithm and electronic circuit of the RPP successfully operate a PMSM at high speed and high torque simultaneously, with low THD phase current and low motor torque fluctuations. Taking advantage of the dynamic behavior of the RLC circuits of the motor phases and the recharge cycle, the RPP allows to reach 263% of the power achievable with the same battery voltage of 320V and generates a Line-Line voltage of 485.7Vrms with a battery voltage of 320V. The system successfully operates the PMSM at 5400 rpm and 14 N.m of output torque.

The performances of the proposed system have been compared to a baseline system which consists of boost DC-DC conversion stages and a 3-Level inverter. The comparative analysis shows that the phase current THD and torque ripples are improved with the RPP, but the efficiency and power densities of the proposed prototype do not show improvements in terms of efficiency and power density of the global system. However, it is to be noted that the virtual prototype developed in this master’s thesis intents to be a proof of concept and that no efficiency and power density improvements have been done yet. This being said, options exist to bring the system efficiency and power density ahead of the prior art.

In conclusion, the proposed RPP and its system is a promising technology, especially for high speed and high-power density operation of a PMSM.

Titre traduit

Conception d’un convertisseur résonant destiné à une machine synchrone à aimants permanents

Résumé traduit

Ce projet de recherche a débuté avec l'hypothèse que le comportement résonant d'un circuit RLC pourrait améliorer le fonctionnement d'une machine synchrone à aimant permanent. L'idée de ce projet de recherche est de connecter un condensateur en série à chaque phase du moteur pendant le fonctionnement à grande vitesse, transformant les circuits électriques de phase en circuits RLC. Le condensateur serait dimensionné spécialement pour que la fréquence naturelle du circuit RLC résultant corresponde à la fréquence électrique du moteur à la vitesse de fonctionnement souhaitée. En raison de la force contre-électromotrice du moteur, il a été constaté que les condensateurs doivent être préchargés afin de fournir l'énergie électrique requise au moteur.

Ce mémoire présente en premier lieu les propriétés de la résonance électrique dont il pourrait être intéressant de bénéficier et présente un concept haut niveau de convertisseur qui pourrait permettre de tirer parti des propriétés de la résonance électrique lors du fonctionnement d'un Moteur Synchrone à Aimant Permanent (PMSM). Ensuite, ce mémoire documente l'élaboration et la conception détaillée du convertisseur. Les trois principaux aspects couverts dans la conception détaillée sont : le circuit d’électronique de puissance du convertisseur résonant, l'électronique de commande du convertisseur résonant et l'algorithme de commande du convertisseur résonant. En troisième lieu, le modèle de simulation est présenté, ainsi que les résultats de simulation démontrant les capacités fonctionnelles du convertisseur résonant. Enfin, les résultats de la simulation sont analysés en détail et les conclusions sur les avantages et les inconvénients du convertisseur résonant proposé sont énumérées.

La simulation du concept de convertisseur résonant, nommé « Resonant Power Processor » (RPP), montre que l'algorithme de contrôle et le circuit électronique du RPP font fonctionner avec succès une machine synchrone à aimant permanent à grande vitesse et à couple élevé simultanément, avec une faible distorsion harmonique des courants de phase et de faibles fluctuations de couple moteur. Profitant du comportement dynamique des circuits RLC des phases du moteur et du circuit de recharge, le RPP permet d'atteindre 263% de la puissance atteignable avec la même tension de batterie de 320V et génère une tension Ligne-Ligne de 485.7Vrms avec une batterie tension de 320V. Le système fait fonctionner avec succès la machine synchrone à aimant permanent à 5 400 tr/min et 14 N.m de couple de sortie.

Les performances du système proposé ont été comparées à un système de base qui se compose d'étages de conversion DC-DC élévateurs de tension et d'un onduleur à 3 niveaux. L'analyse comparative montre que la distorsion harmonique du courant de phase et les ondulations de proposé ne montrent pas d'améliorations en termes d'efficacité et de densité de puissance du système global. Cependant, il est à noter que le prototype virtuel développé dans ce mémoire de maîtrise se veut une preuve de concept et qu'aucune amélioration de l'efficacité et de la densité de puissance n'a encore été apportée. Cela étant dit, des options existent pour amener l'efficacité du système et la densité de puissance en avance sur l'art antérieur.

En conclusion, le RPP proposé et son système sont une technologie prometteuse, en particulier pour le fonctionnement à haute vitesse et à haute densité de puissance d'un PMSM.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 258-264).
Mots-clés libres:	aviation, propulsion, électrique, résonance, convertisseur
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Al-Haddad, Kamal
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	03 mars 2023 14:45
Dernière modification:	03 mars 2023 14:45
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3051

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