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.

Valutazione economica e funzionale dell'applicazione di un motore asincrono e di un motore coppia ad un estrusore di materie plastiche

Il concetto di “direct drive”, cioè l’applicazione diretta del motore all’utilizzatore, in modo da eliminare elementi di connessione intermedi (riduttori, pulegge, ecc…) con il vantaggio di migliorare il rendimento, ridurre gli ingombri, semplificare l’intera struttura, ridurre la manutenzione, è applicato con sempre maggior frequenza. L’azienda Graham Packaging Company Italia s.r.l. produce macchinari industriali per la produzione di packaging plastico, i quali montano un gruppo di estrusione a monte della macchina che alimenta il gruppo di soffiaggio: si possono, quindi, intuire alcuni vantaggi derivanti dall’applicazione del “direct drive”. Nella soluzione attualmente adottata dall’azienda la vite di estrusione, che gira a velocità relativamente basse, è collegata tramite un riduttore ad un motore asincrono trifase, che ruota a velocità significativamente superiori. L’ipotesi di una soluzione differente prevederebbe l’accoppiamento della vite ad un motore coppia (torque motor) caratterizzato da una elevata coppia e giri relativamente bassi. I vantaggi di tale accoppiamento sarebbero fondamentalmente il risparmio energetico derivante dall’esclusione del riduttore dal meccanismo e la maggiore facilità di regolazione della velocità e di conseguenza anche della portata dell’estrusore. La tesi ha lo scopo di analizzare nel particolare l’attuale situazione dal punto di vista del consumo energetico delle 11 taglie di estrusori, di valutare una soluzione con motore coppia consultando diversi fornitori di motori, di comparare le due varianti dal punto di vista dell’efficienza e dei vantaggi economici.

Studio sul convertitore elettronico per il pilotaggio di motori asincroni trifase

La semplicità, affidabilità, robustezza ed economicità del motore asincrono trifase ne fanno un motore largamente utilizzato sia in ambiente industriale che civile (pompe, ascensori, montacarichi, nastri trasportatori, ventilatori, locomotive ferroviarie, …). È ipotizzabile che in futuro vi sarà sempre più largo impiego di motori elettrici e i recenti sviluppi nella tecnologia dei convertitori elettronici per il controllo dei motori asincroni ne consentiranno l’uso in sempre più estesi ambiti applicativi. La messa sotto tensione di motori a media/alta potenza presenta però, in fase di avviamento, correnti di spunto e coppie elevate che devono essere controllate. In questa tesi saranno pertanto studiate le tecniche di protezione, avviamento e controllo dei motori asincroni trifase Nel primo capitolo esamineremo le funzioni di sezionamento, comando e protezione da cortocircuiti e sovraccarichi e i dispositivi adatti a svolgere tale compito in modo coordinato. Nel secondo capitolo esamineremo le principali tecnologie usate per l’avviamento dei motori, da quelle più semplici a quelle che impiegano dispositivi elettronici allo stato solido: Soft-Starters a tiristori (solo regolazione AC), Inverters a transistori (controllo sia in frequenza che ampiezza della forma d’onda AC generata). Fra tutti i possibili convertitori DC/AC analizzeremo dettagliatamente esclusivamente quelli a controllo PWM analogico che costituiranno l’oggetto della trattazione dei capitoli seguenti.

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.

A New Three-Phase Current Source Inverter with Flexible PWM Capability

A new three-phase current source inverter topology is presented, consisting of three single-phase bridge inverters connected in series and feeding the isolated windings of a standard three-phase induction motor. Because a current zero in one phase now does not affect the others, it enables the implementation of a wide range of current PWM patterns for the reduction and selective elimination of torque pulsations. Furthermore, this system allows for very fast control of the fundamental load current through the use of sinusoidal PWM, a method that was not possible to implement on existing inverter topologies.

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.

Minimization of Torque Ripple in PWM AC Drives

A pulsewidth modulation (PWM) technique is proposed for minimizing the rms torque ripple in inverter-fed induction motor drives subject to a given average switching frequency of the inverter. The proposed PWM technique is a combination of optimal continuous modulation and discontinuous modulation. The proposed technique is evaluated both theoretically as well as experimentally and is compared with well-known PWM techniques. It is shown that the proposed method reduces the rms torque ripple by about 30% at the rated speed of the motor drive, compared to conventional space vector PWM.

Impact of PWM schemes on induction motor losses

This paper presents the results of an investigation into the impact of pulse width modulation (PWM) switching schemes on power losses in induction motors and their inverter drives. The PWM schemes considered include sinusoidal PWM, spacevector PWM and discontinuous PWM. Both experimental results and simulated predictions are presented for fractional horsepower and small integral horsepower motors. Direct loss measurements have been carried out using a calorimetric test rig; detailed simulations of the skewed motors have been carried out using multi-slice time-stepped 2D FEA. The simulated and measured losses under the different modulation schemes are compared and discussed. © 2006 IEEE.

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).

Progetto e realizzazione di un azionamento per macchina asincrona eptafase con misura della velocità mediante encoder.

In questa tesi si effettua lo studio di un azionamento elettrico con motore asincrono eptafase. In particolare si realizza un sistema automatico per il controllo della coppia mediante stimatori con encoder. Si ha così la possibilità di effettuare un controllo accurato della macchina asincrona eptafase anche a bassa velocità, cosa che risulterebbe più complessa se eseguita mediante controlli di tipo sensorless. Inoltre, grazie ad opportune strategie di controllo, è possibile assicurare un funzionamento accettabile degli azionamenti con motori multifase durante una condizione di guasto con una fase aperta, senza alcuna necessità di hardware aggiuntivo.

Studio sulla saturazione magnetica delle corone nelle macchine asincrone mediante analisi ad elementi finiti

Questa tesi si propone di analizzare l’influenza della scelta dello spessore della corona statorica sulla saturazione magnetica in un motore asincrono. I dati su cui si basa questo studio sono stati ricavati dall'analisi condotta mediante metodi a Elementi Finiti, utilizzando software appropriati. In conclusione, ci siamo posti di verificare la validità del modello teorico, confrontandolo con i risultati ottenuti sperimentalmente.

Natural balancing of flying capacitor voltages in multicell inverter under PD carrier-based PWM

The flying capacitor multicell inverter (FCMI) possesses natural balancing property. With the phase-shifted (PS) carrier-based scheme, natural balancing can be achieved in a straightforward manner. However, to achieve natural balancing with the harmonically optimal phase-disposition (PD) carrierbased scheme, the conventional approaches require (n-1) x (n-1) trapezoidal carrier signals for an n-level inverter, which is (n-1) x (n-2) times more than that in the standard PD scheme. This paper proposes two improved natural balancing strategies for FMI under PD scheme, which use the same (n-1) carrier signals as used in the standard PD scheme. In the first scheme, on-line detection is performed of the band in which the modulation signal is located, corresponding period number of the carrier, and rising or falling half cycle of the carrier waveform to generate the switching signals based on certain rules. In the second strategy, the output voltage level selection is first processed and the switching signals are then generated according to a rule based on preferential cell selection algorithm. These methods are easy to use and can be simply implemented as compared to the other available methods. Simulation and experimental results are presented for a five-level inverter to verify these proposed schemes.

Microprocessor Based Sinusoidal PWM Inverter by DMA Transfer

The implementation of three-phase sinusoidal pulse-width-modulated inverter control strategy using microprocessor is discussed in this paper. To save CPU time, the DMA technique is used for transferring the switching pattern from memory to the pulse amplifier and isolation circuits of individual thyristors in the inverter bridge. The method of controlling both voltage and frequency is discussed here.

Microprocessor Based Sinusoidal PWM Inverter by DMA Transfer

The implementation of three-phase sinusoidal pulse-width-modulated inverter control strategy using microprocessor is discussed in this paper. To save CPU time, the DMA technique is used for transferring the switching pattern from memory to the pulse amplifier and isolation circuits of individual thyristors in the inverter bridge. The method of controlling both voltage and frequency is discussed here.

Simplified implementation of space vector PWM strategies for a three level inverter

Space vector based PWM strategies for three-level inverters have a broader choice of switching sequences to generate the required reference vector than triangle comparison based PWM techniques. However, space vector based PWM involves numerous steps which are computationally intensive. A simplified algorithm is proposed here, which is shown to reduce the computation time significantly. The developed algorithm is used to implement synchronous and asynchronous conventional space vector PWM, synchronized modified space vector PWM and an asynchronous advanced bus-clamping PWM technique on a low-cost dsPIC digital controller. Experimental results are presented for a comparative evaluation of the performance of different PWM methods.