struttura di conversione multifase-multilivello per applicazioni di

STRUTTURA DI CONVERSIONE MULTIFASE-MULTILIVELLO
PER APPLICAZIONI DI TRAZIONE ELETTRICA
Gabriele Grandi, Darko Ostojic, Padmanaban Sanjeevikumar
Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
viale Risorgimento 2, 40136 - Bologna
Questa tematica si riferisce alla combinazione di due attività già intraprese da alcuni anni
dall’Unità di Bologna: la ricerca sui sistemi multifase (n > 3) e lo studio dei convertitori multilivello. L’obiettivo della ricerca è quello di realizzare un sistema di conversione in grado di
alimentare motori elettrici di relativamente grande potenza (decine o centinaia di kW) con
tensioni di alimentazione relativamente basse (fino a 100V), utilizzando componentistica
elettronica discreta, quindi con basso costo, alta efficienza ed elevata affidabilità.
Un settore di estremo interesse per azionamenti con queste caratteristiche è quello della
movimentazione industriale, laddove sono utilizzati banchi di batterie da 48-80-96 V con uno
o più motori trifase per la trazione (sincroni o asincroni) con potenze di alcune decine di kW.
La limitazione dello sviluppo in potenza di tali applicazioni è dovuto alla limitazione della
tensione di batteria imposto dalla normativa vigente, ed alla conseguente elevatissima corrente di fase. In questi casi, la configurazione multilivello offre la possibilità di innalzare la
tensione di funzionamento del motore, mentre la struttura multifase consente di ridurre la corrente distribuendola su più fasi (n > 3).
inverter H
vH
La configurazione multilivello utilizzata è
mostrata in Fig. 1, con due inverter trifase che
Vdc
alimentano un motore trifase ad avvolgimenti
aperti. Tale configurazione equivale ad un ini
verter a 3 livelli, sia dal punto di vista della forma d’onda delle tensioni di uscita, sia dal punto
Vdc
di vista del numero del numero degli interruttori
vL
three-phase machine
utilizzati. Il non trascurabile vantaggio è quello
inverter L
(open-end windings)
di impiegare due inverter trifase del tutto traFig. 1. Schema del sistema di conversione
dizionali che possono essere modulati in modo
multilivello
con 2 inverter trifase che alimentano
tale da operare in modalità multilivello, con posuna macchina trifase tradizionale a morsetti aperti.
sibilità di regolazione delle rispettive potenze.
Per quanto riguarda la struttura multifase, lo studio si è focalizzato sulla configurazione
multi-trifase (n = 6, 9, …), per evidenti vantaggi dal punto di vista realizzativo. La struttura
hardware degli inverter può infatti essere ottenuta combinando moduli trifase standard, ed il
motore può essere dimeninverter 2
inverter 1
30°
v H( 2)
v H(1)
sionato utilizzando lamieriVdc
ni già a catalogo per le ver- Vdc
sioni trifase semplicemente
i
i
riducendo il numero delle
cave per polo-fase. In Fig. 2
dual three-phase machine
è mostrata una struttura esa(insulated central points)
fase, n = 6. Gli inverter pos- Fig. 2. Schema del sistema di conversione multifase con 2 inverter trifase
sono essere modulati utiliz- che alimentano una macchina esafase asimmetrica con centri stella isolati.
inverter H1
30°
v H(1)
v H( 2)
inverter H2
Vdc
Vdc
i (1)
i ( 2)
Vdc
Vdc
inverter L1
v L(1)
dual three-phase machine
with open-end windings
v L( 2)
inverter L2
Fig. 3. Schema del sistema di conversione multifase-multilivello con 4 inverter trifase
che alimentano una macchina esafase asimmetrica a morsetti aperti.
zando una particolare tecnica SVM trifase. La metodologia proposta consente di sintetizzare
arbitrariamente tutti i vettori di spazio, superando i limiti della modulazione MSVM tradizionale, che a tutt’oggi si limita alla regolazione del solo primo dei vettori di spazio multipli. In
ciascuno dei casi studiati, sono state definite le sequenze di commutazione e determinati analiticamente i limiti di modulazione.
Combinando lo schema multilivello di Fig. 1 con lo schema multifase di Fig. 2 si ottiene la
configurazione multifase-multilivello proposta. Tale configurazione, rappresentata in Fig. 3,
prevede l’utilizzo di 4 inverter trifase standard e di un motore esafase asimmetrico (a doppio
avvolgimento trifase). In pratica, questo schema consente di quadruplicare la potenza del
motore rispetto a quella che sarebbe ottenibile con uno dei quattro inverter che lo alimentano,
con l’ulteriore vantaggio di forme d’onda di tensione multilivello su ciascuna delle sei fasi.
Inoltre, la presenza di più fasi consente di aumentare l’affidabilità dell’azionamento che, in
caso di guasto, può operare correttamente anche con 5, 4 o 3 fasi, se pur a ridotta potenza.
Il prototipo del sistema multifase-multilivello di Fig. 3 è attualmente in fase di realizzazione presso il laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna. I primi risultati sperimentali sono previsto entro l’anno in corso (2009).
Bibliografia
[1] G. Grandi, A. Tani, G. Serra: “Space Vector Modulation of Six-Phase VSI based on three-phase decomposition”, 19th Symposium on Power Electronics, Electrical Drives and Advanced Electrical Motors, SPEEDAM,
Taormina (IT), June 11-13, 2008, pp. 674-679.
[2] G. Grandi, D. Ostojic, C. Rossi: “Experimental Tests on a Multilevel Converter for Grid-Connected Photovoltaic Systems”, IEEE-COMPEL 2008, Zurich (CH), August 18-20, 2008.
[3] D. Casadei, G. Grandi, A. Lega, C. Rossi: “Multilevel Operation and Input Power Balancing for a Dual
Two-Level Inverter with Insulated DC Sources”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 44, No. 6,
Nov/Dec 2008, pp. 1815-1824.
[4] G. Grandi, D. Ostojic: “Dual inverter space vector modulation with power balancing capability”, IEEE Region 8 Conference, EUROCON 2009, St. Petersburg, Russia, May 18-23, 2009.
[5] G. Grandi, D. Ostojic: “Dual-Inverter-Based MPPT Algorithm for Grid-Connected Photovoltaic Systems”,
International Conference on Clean Electrical Power, ICCEP 2009, Capri (IT), June 9-11, 2009.
[6] G. Grandi, D. Ostojic, D. Casadei: “A novel dc voltage regulation scheme for dual-inverter grid-connected
photovoltaic plants”, accepted for 8th International Symposium on Advanced Electromechanical Motion
Systems, Electromotion 2009, Lille (FR), July 1-3, 2009.
[7] G. Grandi, D. Ostojic, C. Rossi: “A Novel MPPT Algorithm for Dual-Inverter Grid-Connected PV Applications”, accepted for 13th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2009, (ES), Barcelona (ES), 8-10 September 2009.