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.

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.

Sviluppo di metodologie per l'analisi in tempo reale delle prestazioni di un motore automobilistico

Durante il periodo di dottorato, l’attività di ricerca di cui mi sono occupato è stata finalizzata allo sviluppo di metodologie per la diagnostica e l’analisi delle prestazioni di un motore automobilistico. Un primo filone di ricerca è relativo allo sviluppo di strategie per l’identificazione delle mancate combustioni (misfires) in un motore a benzina. La sperimentazione si è svolta nella sala prove della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna, nei quali è presente un motore Fiat 1.200 Fire, accoppiato ad un freno a correnti parassite, e comandato da una centralina virtuale, creata mediante un modello Simulink, ed interfacciata al motore tramite una scheda di input/output dSpace. Per quanto riguarda la campagna sperimentale, sono stati realizzati delle prove al banco in diverse condizioni di funzionamento (sia stazionarie, che transitorie), durante le quali sono stati indotti dei misfires, sia singoli che multipli. Durante tali test sono stati registrati i segnali provenienti sia dalla ruota fonica usata per il controllo motore (che, nel caso in esame, era affacciata al volano), sia da quella collegata al freno a correnti parassite. Partendo da tali segnali, ed utilizzando un modello torsionale del sistema motoregiunto-freno, è possibile ottenere una stima sia della coppia motrice erogata dal motore, sia della coppia resistente dissipata dal freno. La prontezza di risposta di tali osservatori è tale da garantirci la possibilità di effettuare una diagnosi misfire. In particolare, si è visto che l’indice meglio correlato ala mancata combustione risultaessere la differenza fra la coppia motrice e la coppia resistente; tale indice risulta inoltre essere quello più semplice da calibrare sperimentalmente, in quanto non dipende dalle caratteristiche del giunto, ma solamente dalle inerzie del sistema. Una seconda attività della quale mi sono occupato è relativa alla stima della coppia indicata in un motore diesel automobilistico. A tale scopo, è stata realizzata una campagna sperimentale presso i laboratori della Magneti Marelli Powertrain (Bologna), nella quale sono state effettuati test in molteplici punti motori, sia in condizioni di funzionamento “nominale”, sia variando artificiosamente alcuni dei fattori di controllo (quali Start of Injection, pressione nel rail e, nei punti ove è stato possibile, tasso di EGR e pressione di sovralimentazione), sia effettuando degli sbilanciamenti di combustibile fra un cilindro e l’altro. Utilizzando il solo segnale proveniente da una ruota fonica posta sul lato motore, e sfruttando un modello torsionale simile a quello utilizzato nella campagna di prove relativa alla diagnosi del misfire, è possibile correlare la componente armonica con frequenza di combustione della velocità all’armonica di pari ordine della coppia indicata; una volta stimata tale componente in frequenza, mediante un’analisi di tipo statistico, è possibile eseguire una stima della coppia indicata erogata dal motore. A completamento dell’algoritmo, sfruttando l’analisi delle altre componenti armoniche presenti nel segnale, è possibile avere una stima dello sbilanciamento di coppia fra i vari cilindri. Per la verifica dei risultati ottenuti, sono stati acquisiti i segnali di pressione provenienti da tutti e quattro i cilindri del motore in esame.

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.

Digitally-implemented naturally sampled PWM suitable for multilevel converter control

For dynamic closed loop control of a multilevel converter with a low pulse number (ratio of switching frequency to synthesized fundamental), natural sampled pulse-width modulation (PWM) is the best form of modulation. Natural sampling does not introduce distortion or a delayed response to the modulating signal. However previous natural sampled PWM implementations have generally been analog. For a modular multilevel converter, a digital implementation has advantages of accuracy and flexibility. Re-sampled uniform PWM is a novel digital modulation technique which approaches the performance of natural PWM. Both hardware and software implementations for a five level multilevel converter phase are presented, demonstrating the improvement over uniform PWM.

Digital PWM waveform generation using adders, not counters

An alternative approach to digital PWM generation using an adder rather than a counter is presented. This offers several advantages. The resolution and gain of the pulse width modulator remain constant regardless of the module clock frequency and PWM output frequency. The PWM resolution also becomes fixed at the register width. Even at high PWM frequencies, the resolution remains high when averaged over a number of PWM cycles. An inherent dithering of the PWM waveform introduced over successive cycles blurs the switching spectra without distorting the modulating waveform. The technique also lends itself to easily generating several phase shifted PWM waveforms suitable for multilevel converter modulation.

Implementing natural PWM digitally

For dynamic closed loop control of a multilevel converter with a low switching frequency, natural sampled PWM is the best form of modulation. However previous natural sampled PWM implementations have generally been analog. A digital implementation has advantages, particularly for a multilevel converter. Re-sampled uniform PWM, a modulation technique which approaches the performance of natural PWM, is implemented both in software and hardware. Results demonstrating the improvement over uniformPWM techniques are presented.

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.

Simple new PWM patterns for thyristor three-phase AC/DC convertors

Thyristor forced commutated AC/DC convertors are useful for improving the power factor and waveform of AC-side line current. These are controlled through pulse-width modulation schemes for best performance. However, the 3-phase versions impose restrictions on the PWM strategies that can be implemented for excellent harmonic rejection. This paper presents new PWM control strategies for the 3-phase converters and compares them along with the conventional 4-pulse PWM strategy for harmonic elimination. Finally, two new PWM strategies are shown to be the best, for which oscillograms are presented from actual implementation.

A Combination of Hexagonal and 12-Sided Polygonal Voltage Space Vector PWM Control for IM Drives Using Cascaded Two-Level Inverters

This paper proposes a multilevel inverter configuration which produces a hexagonal voltage space vector structure in the lower modulation region and a 12-sided polygonal space vector structure in the overmodulation region. A conventional multilevel inverter produces 6n plusmn 1 (n = odd) harmonics in the phase voltage during overmodulation and in the extreme square-wave mode of operation. However, this inverter produces a 12-sided polygonal space vector location, leading to the elimination of 6n plusmn 1 (n = odd) harmonics in the overmodulation region extending to a final 12-step mode of operation with a smooth transition. The benefits of this arrangement are lower losses and reduced torque pulsation in an induction motor drive fed from this converter at higher modulation indexes. The inverter is fabricated by using three conventional cascaded two-level inverters with asymmetric dc-bus voltages. A comparative simulation study of the harmonic distortion in the phase voltage and associated losses in conventional multilevel inverters and that of the proposed inverter is presented in this paper. Experimental validation on a prototype shows that the proposed converter is suitable for high-power applications because of low harmonic distortion and low losses.

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.

A New PWM Control Method for Three-Phase Autosequentially Commutated Current Source Inverters

A new current pulsewidth modulation (PWM) method is presented which uses the principle of creating zero three-phase currents at selected instants of time, through which the load current harmonic content can be controlled along with the magnitude of its fundamental content. This gives rise to reduction of motor torque ripples through the selection of suitable PWM patterns and a fast current control in the inverter by varying the pulsewidths of the PWM pattern. Under this new PWM mode of operation, the autosequentially commutated inverter (ASCI) circuit can be modified easily so that a higher number of pulses can be accomodated within a half-cycle, compared to the normal ASCI circuit. The experimental oscillograms verify the effectiveness of the new PWM method.

Harmonics in voltage-source PWM inverters

he performance of an induction motor fed by PWM inverters is mainly determined by the harmonic contents of the output voltage. This paper presents a method of numerically calculating the harmonics in the output voltage waveform. Equal pulse-width modulation and siunsoidal PWM are studied. Analysis has been done for single-phase and three-phase bridge inverters. A systematic procedure is given for computing the harmonics and the results are. tabulated.