ABSTRACT
della Tesi di Laurea Magistrale
Studio e realizzazione di un azionamento di tipo dual inverter
a singola alimentazione per trazione elettrica con macchina asincrona open winding
di
Traversari Riccardo
Nel corso degli ultimi decenni, la richiesta di sistemi basati su motori elettrici a elevate prestazioni è
aumentata notevolmente nei settori dell'automotive, delle fonti di energia rinnovabile e delle applicazioni
industriali. Nuovi sistemi di conversione energetica e nuove strategie di controllo sono stati sviluppati al fine
di accrescere le performance delle macchine elettriche, con particolare attenzione all'ampliamento del range di
funzionamento ad elevata velocità. Sfortunatamente, quando i sistemi in questione sono alimentati da sorgenti
a tensione costante prefissata, il loro funzionamento è fortemente limitato e sono necessarie tecniche di
deflussaggio ad elevata velocità che portano inequivocabilmente all'abbassamento della coppia
elettromagnetica producibile e del rendimento di conversione complessiva. I veicoli a trazione elettrica (EV,
dall'inglese "Electric Vehicles") e quelli a propulsione ibrida (HEV, dall'inglese "Hybrid Electric Vehicles")
rappresentano un esempio lampante di quanto tali aspetti possano influenzare l'intero progetto di un
azionamento elettrico. La presenza di un sistema di accumulo di energia costituito da un pacco batterie mette
in forte legame concetti quali dimensione, peso, costo e prestazioni del sistema. Nel corso degli anni sono stati
sviluppati svariati sistemi elettronici di potenza in grado di aumentare il livello di tensione disponibile, ma in
diversi casi i vantaggi ottenibili non giustificano l'aumento di spazio necessario o di peso, la riduzione
dell'efficienza complessiva di conversione energetica o l'incremento del costo legato ai vari dispositivi.
Negli ultimi anni la ricerca si è indirizzata verso un nuovo sistema basato su un convertitore statico di tipo
dual inverter, che permette di controllare una macchina a centro stella aperto (detta anche "open-winding
machine" o "open-ended machine") tramite l'utilizzo di due inverter collegati alle rispettive estremità degli
avvolgimenti statorici. Sono state studiate diverse configurazioni di questo tipo, che differiscono
fondamentalmente sulla base delle scelte fatte in relazione alle sorgenti di alimentazione; in alcuni casi si è
optato per un unico bus dc per entrambi gli inverter, mentre in altri casi per due bus dc completamente isolati
o messi in comunicazione tramite un collegamento di sequenza omopolare. Questa famiglia di azionamenti
elettrici è stata studiata in diversi contesti e con diverse funzionalità, ma lo scopo ultimo in generale è quello
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di migliorare lo sfruttamento di potenza disponibile per l'applicazione, giustificando così l'incremento del
numero di componenti, del peso, del costo e la maggiore complessità del controllo. In letteratura si trovano
diversi studi relativi alla configurazione dual inverter; essa viene pensata per applicazioni quali: HEV con
motore a induzione (IM, dall'inglese "Induction Motor"), alternatori con funzionalità di starter per EV a IM,
HEV con macchina sincrona a magneti permanenti (PMSM, dall'inglese "Permanent Magnet Synchronous
Motor") e applicazioni industriali a IM.
Un altro aspetto da non trascurare riguarda quindi la tipologia di motore elettrico previsto. Sebbene la
macchina sincrona a magneti permanenti rappresenti un'ottima soluzione per soddisfare requisiti di alta
efficienza e densità di coppia, il recente aumento dei prezzi delle terre rare e la scarsa efficienza del
funzionamento nella regione ad alta velocità ha convogliato le richieste di mercato verso la macchina
asincrona. Affidabilità, robustezza, ridotta manutenzione richiesta, bassi costi e capacità di operare in ambienti
ostili sono alcuni tra i principali vantaggi che rendono il motore ad induzione il miglior candidato per
numerose applicazioni industriali. Come noto, la macchina asincrona non è priva di difetti, tra i quali perdite
elevate, basso rendimento e limitato fattore di potenza; è proprio per fronteggiare questi aspetti che la ricerca
sta concentrando i propri sforzi sulla definizione di innovative e più efficienti macchine elettrice, sistemi di
conversione e strategie di controllo.
Il progetto di tesi verte sullo studio e sulla realizzazione di una particolare configurazione dual inverter con
macchina asincrona, come indicato in Figura 1; il sistema in questione è caratterizzato dalla presenza di un
unico pacco batterie che alimenta il primo inverter e che risulta perfettamente isolato dal bus dc del secondo,
sul quale è posto un banco di condensatori. A differenza della altre configurazioni accennate precedentemente,
il sistema dual inverter a singola alimentazione con condensatore flottante permette di evitare numerose
criticità e complessità in termini di controllo e gestione, senza dover rinunciare a numerosi vantaggi
estremamente significativi. Infatti le potenzialità di questo sistema sono numerose e permettono di migliorare
notevolmente la performance del motore elettrico utilizzato.
Figura 1 - Dual inverter a singola alimentazione con condensatore flottante e bus dc isolati.
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Grazie al dual inverter con condensatore flottante è possibile definire particolari algoritmi di controllo
finalizzati all'ottenimento di importanti possibili vantaggi; essi sono spendibili in diversi campi legati al
settore dell'automotive, alle fonti di energia rinnovabile e alle applicazioni industriali e consistono
fondamentalmente nelle seguenti possibilità:
ampliamento del limite di tensione disponibile ai capi degli avvolgimenti della macchina, a parità di
tensione di alimentazione del pacco batterie;
accrescimento della regione a coppia costante con conseguente ritardo di inizio deflussaggio in
termini di velocità di rotazione;
incremento della regione a potenza costante, nonché aumento della coppia elettromagnetica per un
ampio range di funzionamento;
migliore sfruttamento degli interruttori statici dell'inverter principale, grazie alla possibilità di
funzionamento a fattore di potenza unitario.
Tali migliorie sono ottenibili in misura diversa sulla base della definizione di precise strategie di controllo; a
tal proposito, l'algoritmo studiato permette al secondo inverter di svolgere una particolare operazione di
compensazione di potenza reattiva, atta alla massimizzazione delle performance del motore elettrico e ad un
ottimale utilizzo dell'elettronica di potenza associata agli inverter. Lo schema di controllo dei due convertitori
statici è indicato in Figura 2.
Figura 2 - Schema di controllo del sistema dual inverter.
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L'elaborato realizzato è composto di cinque capitoli, nel rispetto delle varie fasi nelle quali è stato suddiviso il
progetto di tesi. Nel primo capitolo vengono presentate le varie tipologie di configurazione dual inverter
presenti in letteratura, per poi soffermarsi su quella dotata di singola alimentazione e condensatore flottante;
viene descritta la logica che sta alla base del sistema e, sulla base di un'analisi teorica, è proposto il modello
matematico completo. Le equazioni ricavate in questa prima fase sono state sfruttate al fine di svolgere
un'analisi di tipo numerico eseguite tramite un codice di calcolo realizzato in ambiente Matlab; come indicato
nel secondo capitolo, è stato così possibile indagare le prestazioni limite ottenibili con sistema dual inverter e
confermare la validità dello studio preliminare. I risultati finali di questa fase hanno permesso di mettere a
confronto il sistema studiato con quello tradizionale, come indicato in Figura 3 e 4.
Figura 3 - Coppia elettromagnetica in funzione della velocità di rotazione.
Figura 4 - Potenza meccanica all'albero in funzione della velocità di rotazione.
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Nel terzo capitolo viene illustrato l'algoritmo definito per il controllo dei due inverter e viene descritta la fase
di implementazione in tempo-discreto necessaria alla realizzazione delle simulazioni in ambiente Simulink; in
questo modo è stato possibile simulare e prevedere il comportamento del motore elettrico controllato in
velocità. Nel quarto capitolo vengono descritti gli strumenti utilizzati per la prototipazione e il controllo in
real-time del sistema, operazioni svolte tramite sistema dSpace e software ControlDesk. La fase finale del
progetto prevede dunque la realizzazione di prove sperimentali eseguite in laboratorio, come descritto nel
quinto e ultimo capitolo della tesi.
In Tabella 1 e Figura 5 sono rispettivamente riportati i dati di targa della macchina asincrona controllata e la
foto del banco prova completo assemblato per lo svolgimento della fase sperimentale della tesi.
Tabella 1 - Dati di targa della macchina asincrona.
Parametro
Simbolo
Valore
Unità di misura
Coppia di poli
1
-
Potenza nominale
250
Velocità meccanica nominale
2780
Tensione nominale concatenata
220 - 380
Corrente nominale (coll. a triangolo)
1.16
Frequenza nominale
50
Figura 5 - Banco prova completo.
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In conclusione l'azionamento elettrico è stato collaudato, testato e risulta essere funzionante; dalle varie fasi
del progetto sono stati ricavati risultati omogenei e concordi, che certificano l'efficienza del sistema e
confermano la validità dei vantaggi dedotti dallo studio preliminare.
A titolo di esempio, sono riportati in Figura 6 i risultati relativi alle prove svolte con azionamento classico e
con sistema dual inverter; tali prove sono state svolte mantenendo inalterate la tensione di alimentazione sul
lato in continua e la richiesta di velocità di rotazione. Si può notare che il motore controllato da dual inverter è
in grado di sviluppare sin dai primi istanti successivi all'avviamento una coppia elettromagnetica e una
potenza meccanica superiore rispetto al caso con azionamento classico; questo rende più performante il
funzionamento del motore elettrico collegato al sistema studiato che, come indicato dalle tracce color verde di
Figura 6, raggiunge la velocità richiesta in un tempo inferiore.
Figura 6 - Andamento della coppia elettromagnetica (blu e azzurro - 0,5 Nm/div), della potenza meccanica (arancio e
giallo - 50 W/div), della velocità di rotazione (verde scuro e verde chiaro - 2000 rpm/div) e del flusso rotorico (rosso e
rosa - 0,5 Wb/div) con sistema dual inverter e azionamento classico. Scala dell'asse dei tempi: 1s/div.
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