Studio, simulazione e verifica sperimentale di tecniche di controllo per convertitori multilivello modulari

L’evoluzione dei componenti elettronici di potenza ed il conseguente sviluppo dei convertitori statici dell’energia elettrica hanno consentito di ottenere un’elevata efficienza energetica, sia nell’ambito degli azionamenti elettrici, sia nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. L’efficienza energetica è una questione molto importante nell’attuale contesto storico, in quanto si sta facendo fronte ad una elevatissima richiesta di energia, sfruttando prevalentemente fonti di energia non rinnovabili. L’introduzione dei convertitori statici ha reso possibile un notevolissimo incremento dello sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili: si pensi ad esempio agli inverter per impianti fotovoltaici o ai convertitori back to back per applicazioni eoliche. All’aumentare della potenza di un convertitore aumenta la sua tensione di esercizio: le limitazioni della tensione sopportabile dagli IGBT, che sono i componenti elettronici di potenza di più largo impiego nei convertitori statici, rendono necessarie modifiche strutturali per i convertitori nei casi in cui la tensione superi determinati valori. Tipicamente in media ed alta tensione si impiegano strutture multilivello. Esistono più tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro è stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilità offerte dall’architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture più diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non è modulare, in quanto richiede un’apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda è modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC è modulare e necessita di un’unica alimentazione per il bus DC, ma la presenza dei condensatori richiede particolare attenzione in fase di progettazione della tecnica di controllo, analogamente al caso del Diode Clamped. Un esempio di possibile utilizzo del convertitore MMC riguarda le trasmissioni HVDC, alle quali si sta dedicando un crescente interesse negli ultimi anni.

Studio e realizzazione di un inverter trifase a tre livelli

Lo scopo di questa tesi è lo studio e la realizzazione di una specifica tipologia di inverter, l’inverter trifase a tre livelli di tipo Cascaded. Il primo capitolo descrive l’inverter a due livelli e quello multilivello, evidenziandone gli aspetti peculiari e le possibili applicazioni. Il secondo capitolo affronta nello specifico l’inverter a trifase a tre livelli, per il quale, nel terzo capitolo, ne è descritta una realizzazione pratica, costruita presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna. Nel quarto capitolo vengono presentate alcune prove sperimentali effettuate sul sistema reale.

Realizzazione e collaudo di un inverter di media tensione per prove su formette

L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionamenti elettrici negli ultimi decenni ha sostanzialmente rivoluzionato la tipologia di alimentazione dei motori elettrici. Da un lato ciò ha migliorato la qualità del controllo della velocità, ma dall’altro ha aggravato le sollecitazioni che gli isolanti delle macchine devono sopportare. Si è infatti passati da tecniche di controllo tradizionali, che consistevano nell’alimentare i motori in alternata direttamente con la rete sinusoidale a 50 Hz (o a 60 Hz), ad alimentazioni indirette, cioè realizzate interponendo tra la rete e la macchina un convertitore elettronico (inverter). Tali dispositivi operano una conversione di tipo ac/dc e dc/ac che permette, come nella modulazione Pulse Width Modulation (PWM), di poter variare la frequenza di alimentazione della macchina, generando una sequenza di impulsi di larghezza variabile. Si è quindi passati dalle tradizionali alimentazioni con forme d’onda alternate sinusoidali a forme di tensione impulsive e ad elevata frequenza, cioè caratterizzate da rapidi fronti di salita e di discesa (dell’ordine di qualche kV/µs). La natura impulsiva di queste forme d’onda ha aggravato la sollecitazione elettrica a cui sono sottoposti i materiali impiegati per l’isolamento dei conduttori degli avvolgimenti delle macchine. E’ importante notare che l’utilizzo dei dispositivi elettronici, che ormai si trovano sparsi nelle reti di bassa tensione, assorbono correnti ad elevato contenuto armonico sul lato di prelievo, hanno quindi un effetto distorcente che altera l’andamento sinusoidale della rete stessa. Quindi, senza opportuni filtri, anche tutte le altre utenze connesse nelle vicinanze, dimensionate per alimentazioni sinusoidali di tipo tradizionale, possono risentire di queste distorsioni armoniche. Per tutti questi motivi è sorta la necessità di verificare l’adeguatezza dei tradizionali isolamenti ad essere in grado di sopportare le sollecitazioni che derivano dall’utilizzo di convertitori elettronici. In particolare, per i motori elettrici tale interrogativo è stato posto in seguito al verificarsi di un elevato numero di guasti inaspettati (precoci), probabilmente imputabile alla diversa sollecitazione elettrica applicata ai materiali. In questa tesi ci si è occupati della progettazione di un inverter di media tensione, che verrà impiegato per eseguire prove sugli avvolgimenti di statore di motori (formette), al fine di condurre successivamente uno studio sull’invecchiamento dei materiali che compongono gli isolamenti. Tale inverter è in grado di generare sequenze di impulsi con modulazione PWM. I parametri caratteristici delle sequenze possono essere modificati in modo da studiare i meccanismi di degradazione in funzione della tipologia delle sollecitazioni applicate. Avendo a che fare con provini di natura capacitiva, il cui isolamento può cedere durante la prova, il sistema deve essere intrinsecamente protetto nei confronti di tutte le condizioni anomale e di pericolo. In particolare deve essere in grado di offrire rapide ed efficaci protezioni per proteggere l’impianto stesso e per salvaguardare la sicurezza degli operatori, dato l’elevato livello delle tensioni in gioco. Per questo motivo è stata pensata un’architettura di sistema ad hoc, in grado di fronteggiare le situazioni anomale in modo ridondante. E’ infatti stato previsto l’inserimento di un sistema di controllo basato sul CompactRIO, sul quale è stato implementato un software in grado di monitorare le grandezze caratteristiche del sistema e le protezioni che affiancheranno quelle hardware, realizzate con dispositivi elettronici. I dispositivi elettronici di protezione e di interfacciamento sono stati studiati, implementati e simulati con PSpice, per poi essere successivamente dimensionati e realizzati su schede elettroniche, avvalendosi del software OrCAD. La tesi è strutturata come segue: - Il primo capitolo tratta, in maniera generale, i motori asincroni trifase, gli inverter e l’invecchiamento dei sistemi isolanti, con particolare interesse alle sollecitazioni meccaniche, termiche ed elettriche nel caso di sollecitazioni impulsive; - Il secondo capitolo riguarda il sistema realizzato nel suo complesso. Inizialmente verrà descritto lo schema elettrico generale, per poi analizzare più nello specifico le varie parti di cui il sistema è composto, come l’inverter di media tensione, il generatore di media tensione, la scheda di disaccoppiamento ottico, la scheda di controllo del generatore di media tensione, la scheda OCP; - Il terzo capitolo descrive le lavorazioni meccaniche eseguite sulle scatole contenti i rami di inverter, la realizzazione delle fibre ottiche e riporta le fasi di collaudo dell’intero sistema. Infine, verranno tratte le conclusioni.

Studio e simulazione di un inverter di tipo Z per veicoli elettrici

Studio e simulazione di un inverter di tipo Z in grado di innalzare il valore della tensione fornita dalla sorgente fino alla tensione richiesta al carico. L'inverter Z-source può essere utilizzato convenientemente nell'azionamento di un veicolo elettrico, in particolare ad idrogeno.

Studio di tecniche di modulazione per inverter a tensione impressa in azionamenti con macchina asincrona esafase asimmetrica

Modellizzazione della macchina asincrona esafase asimmetrica mediante i vettori di spazio trifase. Determinazione delle trasformazioni esafase dallo studio del campo magnetico rotante. Modellizzazione della macchina asincrona esafase asimmetrica mediante i vettori di spazio esafase. Studio dell’inverter esafase e delle relative tecniche di modulazione. Definizione del modello Simulink dell’azionamento. Studio del ripple della corrente di carico.

Inverters multilivello per il pilotaggio di motori asincroni trifase

In questo lavoro di laurea si presentano le varie famiglie di convertitori multilivello MMC (Modular Multilevel Converter). Questi convertitori sono di ausilio per il condizionamento dei parametri di reti elettriche in media e alta tensione e possono anche essere convenientemente utilizzati nel pilotaggio di motori asincroni trifase. Dopo aver esplicitato i principi di funzionamento, presentato i dispositivi di commutazione, le tipologie conosciute e le rispettive principali tecniche di modulazione, si è presentato il motore asincrono trifase, il suo circuito equivalente e le problematiche di accoppiamento ad un inverter. Successivamente si è simulato un inverter multilivello di tipo Diode-Clamped, con modulazione analogica PWM multiportante, che aziona un motore asincrono commerciale, così da poterne verificare le prestazioni in diversi regimi di velocità.

Collaudo funzionale di un inverter trifase per trazione elettrica stradale

Lo scopo della tesi è collaudare un inverter trifase per trazione elettrica stradale al fine di determinarne le specifiche nominali e di massima. Il lavoro è stato organizzato procedendo inizialmente con l’individuazione delle parti principali che concorrono alla formazione del convertitore, studiandone il principio di funzionamento e i diversi valori di tensione e di corrente che ne caratterizzano le prestazioni. Successivamente si è passati al collaudo della parte di potenza del convertitore con l’obiettivo di determinarne le prestazioni in relazione alla massima temperatura consentita di funzionamento. Questo tipo di prova ha richiesto l’individuazione di una sorgente di alimentazione dell’inverter in grado di fornire i picchi di potenza necessari durante la fase di sovraccarico (si tratta di diversi kW per alcune decine di secondi) e contemporaneamente di un carico trifase in grado di assorbire queste potenze senza danneggiarsi. E’ molto importante tenere presente che la prova per la determinazione delle prestazioni nominali dell’inverter, richiede una durata di diverse decine di minuti cioè fin tanto che l’inverter non ha raggiunto l’equilibrio termico e quindi la temperatura non varia apprezzabilmente nel tempo. Allo scopo si è impiegata come sorgente di alimentazione un pacco di batterie Litio-Ioni costituito da 32 celle da 160Ah collegate in serie per una tensione nominale di 105V, mentre come carico si è utilizzato un motore asincrono trifase collegato direttamente in uscita dell’inverter.

Studio di un architettura hardware per il controllo di inverter per motori multifase

Lo scopo del lavoro è stato progettare una scheda di controllo in grado di concedere una buona flessibilità per il controllo di azionamenti elettrici, capace di interfacciarsi con configurazioni multi-livello, multifase e dual-motor. La progettazione è stata sviluppata con supporto di CAD elettronici commerciali. La scheda presenta tre parti fondamentali. Due unità di controllo identiche per permettere l’interfacciamento con più configurazioni, nelle quali sono realizzate tutte le funzioni di controllo, ed un’unità chiamata PL2 per la rielaborazione dati di tipologia unicamente automobilistica. E’ stato inoltre realizzato l’interfacciamento e l’assemblaggio con altre due schede elettroniche dedite all’attuazione dei segnali di controllo e alla gestione e rielaborazione dei segnali di veicolo.

Development of a High-Efficiency Inverter with SiC Technology for Photovoltaic Applications

I convertitori elettronici di potenza sono da anni largamente diffusi sul mercato, poiché necessari per pilotare motori elettrici a velocità variabile in ambito industriale e a interfacciare alla rete elettrica i generatori da fonti di energia rinnovabili, in particolare eolica e fotovoltaica. In tutti i casi è richiesto che i convertitori siano efficienti, ovvero che l’energia persa durante la conversione sia minima. Considerando che il cuore di un convertitore è costituito da interruttori statici, è fondamentale una stima accurata dell’efficienza di questi ultimi per definire le prestazioni di un convertitore. Il materiale più diffuso per la realizzazione di questi componenti è il silicio (Si), ma esistono oggi altri semiconduttori che permettono prestazioni migliori, quali il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). A causa del loro elevato costo di produzione rispetto ai componenti tradizionali, è divenuto sempre più importante stimare l’efficienza dei convertitori che montano queste tecnologie innovative, per trovare una giustificazione al loro impiego. In questa tesi, in particolare, l’efficienza di un convertitore con tecnologia SiC è stata prima calcolata analiticamente e poi testata a banco. Infine, è proposta un’architettura per un inverter trifase che possa essere impiegata per un’applicazione fotovoltaica. Questo lavoro è parte delle attività assegnate a Raw Power S.r.l. nell’ambito del progetto Europeo YesVGaN, il cui scopo ultimo entro i prossimi anni, è la realizzazione di componenti GaN commercialmente appetibili, che necessiteranno di essere testati e confrontati con i dispositivi al silicio e al carburo di silicio.

Design and Implementation of Single phase 230V to Three Phase Inverter Based on the Embedded System STM-32 Applied to motor control

In the field of Power Electronics, several types of motor control systems have been developed using STM microcontroller and power boards. In both industrial power applications and domestic appliances, power electronic inverters are widely used. Inverters are used to control the torque, speed, and position of the rotor in AC motor drives. An inverter delivers constant-voltage and constant-frequency power in uninterruptible power sources. Because inverter power supplies have a high-power consumption and low transfer efficiency rate, a three-phase sine wave AC power supply was created using the embedded system STM32, which has low power consumption and efficient speed. It has the capacity of output frequency of 50 Hz and the RMS of line voltage. STM32 embedded based Inverter is a power supply that integrates, reduced, and optimized the power electronics application that require hardware system, software, and application solution, including power architecture, techniques, and tools, approaches capable of performance on devices and equipment. Power inverters are currently used and implemented in green energy power system with low energy system such as sensors or microcontroller to perform the operating function of motors and pumps. STM based power inverter is efficient, less cost and reliable. My thesis work was based on STM motor drives and control system which can be implemented in a gas analyser for operating the pumps and motors. It has been widely applied in various engineering sectors due to its ability to respond to adverse structural changes and improved structural reliability. The present research was designed to use STM Inverter board on low power MCU such as NUCLEO with some practical examples such as Blinking LED, and PWM. Then we have implemented a three phase Inverter model with Steval-IPM08B board, which converter single phase 230V AC input to three phase 380 V AC output, the output will be useful for operating the induction motor.

A Multilevel Gradient Method for Optimization Problems

I problemi di ottimizzazione di dimensione finita di larga scala spesso derivano dalla discretizzazione di problemi di dimensione infinita. È perciò possibile descrivere il problema di ottimizzazione su più livelli discreti. Lavorando su un livello più basso di quello del problema considerato, si possono calcolare soluzioni approssimate che saranno poi punti di partenza per il problema di ottimizzazione al livello più fine. I metodi multilivello, già ampiamente presenti in letteratura a partire dagli anni Novanta, sfruttano tale caratteristica dei problemi di ottimizzazione per migliorare le prestazioni dei metodi di ottimizzazione standard. L’obiettivo di questa tesi è quello di implementare una variante multilivello del metodo del gradiente (MGM) e di testarlo su due diversi campi: la risoluzione delle Equazioni alle Derivate Parziali la ricostruzione di immagini. In questo elaborato viene illustrata la teoria dello schema multilivello e presentato l’algoritmo di MGM utilizzato nei nostri esperimenti. Sono poi discusse le modalità di utilizzo di MGM per i due problemi sopra presentati. Per il problema PDE, i risultati ottenuti mostrano un ottimo comportamento di MGM rispetto alla implementazione classica ad un livello. I risultati ottenuti per il problema di ricostruzione di immagini, al contrario delle PDEs, evidenziano come MGM sia efficace solo in determinate condizioni.

Analisi e simulazione di un convertitore a tre livelli per applicazioni di potenza

La tesi presenta l'analisi del funzionamento di un inverter a tre livelli di tipo diode-clamped, confrontando tra loro varie tecniche di modulazione e valutandone l'efficienza (per ulteriori informazioni contattare matteo.toffano@gmail.com).

Analisi e progettazione di un sistema informativo per la rintracciabilità del prodotto. Il caso Elettronica Santerno S.p.A Gruppo Carraro

Studio di un sistema informativo che permetta di tenere traccia del flusso di informazioni relative ad ogni singolo inverter da quando viene assemblato dal terzista fino a quando viene finito di collaudare dentro Elettronica Santerno e dichiarato pronto per la spedizione al cliente finale.

Le macchine multifase nelle applicazioni Sensorless:indagine teorico-sperimentale di un azionamento basato su DSP per macchine asincrone eptafase

Fino ad un recente passato, le macchine elettriche di tipo trifase costituivano l’unica soluzione in ambito industriale per la realizzazione di azionamenti di grande potenza. Da quando i motori sono gestiti da convertitori elettronici di potenza si è ottenuto un notevole passo in avanti verso l’innovazione tecnologica. Infatti, negli ultimi decenni, le tecnologie sempre più all’avanguardia e l’aumento dell’utilizzo dell’elettronica, sia in campo civile quanto in quello industriale, hanno contribuito a una riduzione dei costi dei relativi componenti; questa situazione ha permesso di utilizzare tecnologie elaborate che in passato avevano costi elevati e quindi risultavano di scarso interesse commerciale. Nel campo delle macchine elettriche tutto questo ha permesso non solo la realizzazione di azionamenti alimentati e controllati tramite inverter, in grado di garantire prestazioni nettamente migliori di quelle ottenute con i precedenti sistemi di controllo, ma anche l’avvento di una nuova tipologia di macchine con un numero di fasi diverso da quello tradizionale trifase, usualmente impiegato nella generazione e distribuzione dell’energia elettrica. Questo fatto ha destato crescente interesse per lo studio di macchine elettriche multifase. Il campo di studio delle macchine multifase è un settore relativamente nuovo ed in grande fermento, ma è già possibile affermare che le suddette macchine sono in grado di fornire prestazioni migliori di quelle trifase. Un motore con un numero di fasi maggiore di tre presenta numerosi vantaggi: 1. la possibilità di poter dividere la potenza su più fasi, riducendo la taglia in corrente degli interruttori statici dell’inverter; 2. la maggiore affidabilità in caso di guasto di una fase; 3. la possibilità di sfruttare le armoniche di campo magnetico al traferro per ottenere migliori prestazioni in termini di coppia elettromagnetica sviluppata (riduzione dell’ampiezza e incremento della frequenza della pulsazione di coppia); 4. l’opportunità di creare azionamenti elettrici multi-motore, collegando più macchine in serie e comandandole con un unico convertitore di potenza; 5. Maggiori e più efficaci possibilità di utilizzo nelle applicazioni Sensorless. Il presente lavoro di tesi, ha come oggetto lo studio e l’implementazione di una innovativa tecnica di controllo di tipo “sensorless”, da applicare in azionamenti ad orientamento di campo per macchine asincrone eptafase. Nel primo capitolo vengono illustrate le caratteristiche e le equazioni rappresentanti il modello della macchina asincrona eptafase. Nel secondo capitolo si mostrano il banco di prova e le caratteristiche dei vari componenti. Nel terzo capitolo sono rappresentate le tecniche di modulazione applicabili per macchine multifase. Nel quarto capitolo vengono illustrati il modello del sistema implementato in ambiente Simulink ed i risultati delle simulazioni eseguite. Nel quinto capitolo viene presentato il Code Composer Studio, il programma necessario al funzionamento del DSP. Nel sesto capitolo, sono presentati e commentati i risultati delle prove sperimentali.

Studio nel dominio tempo-frequenza di emissioni condotte generate da convertitori elettronici di potenza

La presente Tesi di Laurea si colloca nell’ambito di un progetto strategico di ateneo chiamato OpIMA. Tale progetto mira a sviluppare codificatori innovativi per segnali di tipo impulsivo, discreti nei livelli, con riferimento soprattutto all’attuazione, alla sintesi di forme d’onda e all’amplificazione audio. L’obiettivo del progetto è di sviluppare nuove generazioni di codificatori, simili nell’uso a quelli tradizionali ed in qualche modo compatibili con essi e pure basati su principi operativi radicalmente diversi. La Tesi di Laurea è stata svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE) nel laboratorio di Compatibilità Elettromagnetica (LACEM). Il lavoro tratta di uno studio nel dominio tempo-frequenza sulle emissioni condotte prodotte da un convertitore statico DC/AC progettato presso il DIE. Tale studio risulta utile per capire come e quando vengono generati questi disturbi e per migliorare la compatibilità elettromagnetica del convertitore. La Tesi inizialmente richiama con il Capitolo 1 i concetti che stanno alla base della compatibilità elettromagnetica, soprattutto per quanto riguarda le emissioni condotte. Con il Capitolo 2 si descrive in dettaglio il banco prova in ogni sua parte; nel Capitolo 3 vengono riportati i dati teorici di carica e scarica del BUS DC del convertitore. Nel Capitolo 4, 5, 6 vengono riportati i risultati delle prove effettuate sul convertitore per quanto riguarda le emissioni condotte; in particolare nel Capitolo 4 le prove sono state eseguite sul convertitore originale, nel Capitolo 5 si sono ripetute le prove separando elettricamente il circuito di potenza del convertitore da quello di controllo (ovviamente in questa fase abbiamo utilizzato due fonti di alimentazione separate) e nel Capitolo 6 si è voluto eliminare il rumore generato dall’alimentatore presente all’interno del circuito di controllo e per far ciò sono stati costruiti cinque alimentatori lineari esterni con determinate caratteristiche. Infine nell’ultimo Capitolo si sono tratte le conclusioni sui risultati delle misure effettuate.