Invertitori trifase a tensione impressa

Invertitore di tensione trifase
Invertitori trifase a tensione
impressa
Principi di funzionamento
Carico elettrico in impieghi di azionamenti
• Carico resistivo/induttivo con f.e.m.
Connessione a stella
Connessione a triangolo
• Invertitore trifase: insieme di tre invertitori
monofase che sfruttano la stessa tensione di
alimentazione (c.c.)
• Capacità di generazione di tre tensioni
indipendenti a due livelli (+E e –E)
• 8 possibili configurazioni degli switch
Carico elettrico in impieghi di azionamenti
• Carico svincolato dal riferimento di tensione di
alimentazione
• In particolare nella connessione a triangolo non
esiste fisicamente il centro stella
• Le tensioni concatenate (fase-fase) sono le
uniche a cui il carico è sensibile
• Equivalenza dei carichi dal punto di vista
elettrico
M. Zordan, 12/2/2004
• Tensioni desiderate ottenute come differenza
delle tensioni generate.
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Generazione delle tensioni di fase
• Configurazione utilizzata negli azionamenti
elettrici (la generazione del sistema trifase di
tensioni è finalizzato all’alimentazione di motori)
Generazione delle tensioni concatenate
V12 = V1 – V2, V23 = V2 – V3, V31 = V3 – V1
• Non occorre avere l’alimentazione c.c. “duale”
Modulazione ad onda quadra
Modulazione ad onda quadra
• Scopo: ottenere una semplice generazione di
tensioni di fase sfasate di 120°
• Tensioni di fase dell’inverter: andamento
rettangolare a DUE livelli con durata di 180°
• Le tensioni generate hanno forma d’onda
quadra: si suppone che il carico sfrutti la
fondamentale
• Tensioni concatenate: andamento rettangolare
a TRE livelli con durata di 120°
• Le armoniche a frequenza multipla (molte!)
sono considerate disturbi (capacità filtranti del
carico)
• Vengono utilizzate le 6 configurazioni degli
switch “non nulle” (Six Step)
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Modulazione ad onda quadra
• Tensioni concatenate prive delle componenti
armoniche di ordine multiplo di tre (richiesta al
carico una minore capacità filtrante)
• Bassa frequenza di commutazione:
sollecitazioni limitate degli switch
Modulazione ad onda quadra
• Ampiezza della forma d’onda quadra: -2E, 2E
• Ampiezza delle componenti fondamentali delle
tensioni di fase (4E/ ) che non può essere
variata dalla modulazione (soltanto variando la
tensione di alimentazione c.c.)
• Bassa frequenza di commutazione, pari alla
frequenza della tensione generata (non esiste
una portante per cui si hanno commutazioni a
tale frequenza)
• Sollecitazioni limitate degli switch
Modulazione ad onda quadra
• Tensione V0 (media delle tensioni di fase):
rettangolare con frequenza tripla
• Tensioni di fase del carico a quattro livelli
Tecniche di modulazione PWM
• Ciascuna fase può essere generata in modo
indipendente
• Regolazione della tensione tramite modulazione
PWM analogamente all’inverter monofase: si
sfrutta la stessa frequenza di modulazione e
spesso la stessa portante triangolare
• Utilizzo dell’inverter per produrre una TERNA
trifase di tensioni: si sfruttano le relazioni (di
fase e di ampiezza) tra le tre componenti
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Generazione delle tensioni tramite PWM
• Modulazione PWM per le tre tensioni di fase
Generazione delle tensioni tramite PWM
• Concetto fondamentale delle tecniche di
modulazione trifasi: modulazione della tensione
di centro stella V0 = (V1 + V2 + V3)/3
• In un sistema trifase sinusoidale V0 = 0
• Per la generazione di tensioni in un sistema di
azionamento (motore trifase) è vantaggioso
(p.e. per estendere l’ampiezza delle tensioni
generabili) imporre V0 non nulla e variabile, in
modo continuo o discontinuo
Generazione delle tensioni tramite PWM
• Sommando una stessa tensione (costante o
variabile) ai riferimenti V* delle tre tensioni di
fase (V1, V2, V3):
• Varia la media delle tre tensioni di fase (V0:
tensione di centro stella delle fasi)
Modulazione di terza armonica
• La massima ampiezza della forma d’onda da
generare è limitata al valore E della tensione di
alimentazione
• Modulazione della V0 di centro stella con una
frequenza tripla della fondamentale
• Non variano le tensioni concatenate medie
• Variano i duty-cycle e le tensioni istantanee
delle fasi
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Modulazione di terza armonica
Modulazione “Flat Top”
• A pari valore massimo, sommando una
tensione V0 sinusoidale di terza armonica si può
aumentare la componente fondamentale della
tensione di fase del 15%
• Sommando una tensione V0 di forma d’onda
opportuna si ottiene che le tensioni di fase siano
pari a +E per 60°, e pari a –E per altri 60°
Modulazione “Flat Top”
• Negli intervalli in cui la tensione di fase è uguale
a +E o –E gli switch della fase non commutano
• Le tensioni concatenate rimangono sinusoidali
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• Vengono ridotte le perdite di commutazione
negli switch di potenza
Modulazione PWM “Seno-Triangolo”
• Portante triangolare identica per le tre fasi
• La portante triangolare e gli impulsi di
modulazione delle tre fasi hanno i massimi e i
minimi approssimativamente centrati
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Modulazione PWM “Seno-Triangolo”
• Tensioni concatenate con andamento
istantaneo a tre livelli di ampiezza pari a 2E
• Tensioni concatenate prive di armoniche di
ordine multiplo di 3
Modulazione PWM vettoriale
(SVPWM: Space Vector Pulse Width Modulation)
• Sfrutta la rappresentazione vettoriale del
sistema trifase nei sistemi di riferimento (a,b,c)
e (alfa,beta)
• Per esempio utilizzando la trasformazione che
preserva le ampiezze delle tensioni di fase:
• Per ogni periodo di modulazione normalmente
si impiegano tre stati di cui uno nullo
• La modulazione consiste nell’applicare in
successione nel periodo di modulazione stati
diversi dell’inverter
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• Le durate di applicazione dei tre stati devono
essere tali per cui valga la relazione tra i
corrispondenti duty-cycle: 1 + 2 + 3 = 1
• Ad ogni stato dell’inverter corrisponde una terna
di tensioni di uscita che può essere
rappresentata da un vettore di stato
Modulazione PWM vettoriale
Modulazione PWM vettoriale
• Volendo generare V* si
applicano in successione
i due vettori di stato
adiacenti ed un vettore nullo
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Modulazione PWM vettoriale
• Si scompone V* secondo i due vettori di stato
adiacenti ottenendo i rispettivi duty-cycle
• Il duty-cycle dello stato nullo si ottiene per
differenza considerando la: 1 + 2 + 3 = 1
Modulazione PWM vettoriale
• Tramite la SVPWM si riescono a generare tutti i
vettori di tensione contenuti entro l’esagono che
racchiude gli estremi dei vettori di stato
• Se V* è esterno all’esagono
insorgono fenomeni di
saturazione
• La SVPWM, si addice a
controlli di tipo digitale
(generalmente su uC, uP
o DSP)
Modulazione PWM vettoriale
• Scelta dei vettori di stato e del loro ordine di
applicazione. Esistono diversi criteri:
Modulazione PWM vettoriale
• Esempi di applicazione dei vettori di stato
•
•
•
•
Minimizzazione del numero di commutazioni
Riduzione del ripple di corrente
Riduzione dello spettro generato (EMC, …)
Agevolazione delle acquisizioni dei segnali (tensioni,
correnti, …) per il controllo
• Facilità e velocità di calcolo
• Esempio: un criterio molto usato corrisponde ad
avere una commutazione in una sola fase per
ogni variazione di stato (vincola lo stato “nullo”)
M. Zordan, 12/2/2004
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