Inverter a 3 livelli. a) b)

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1 Inverter a 3 livelli a) b) M 3 M 3 a: struttura di principio di un inverter VSI a 3 livelli (NC = neutral point clamped) b: struttura di principio di un inverter VSI a 2 livelli. u d Topologia di un inverter VSI a 3 livelli u v w Forma d onda della tensione di linea di un inverter VSI a 3 livelli. 1

2 Studio della correlazione fra comando valvole, circolazione corrente e potenziale di polo + /2 = + /2 + /2 = / 2 + /2 + /2 = 0 + /2 2

3 Esempio di applicazione di inverter NC in ambito ferroviario 3

4 Inverter multilivello a cascata con sorgenti di tensione separate (Cascade Multilevel Inverter: CMI): V AN 3c π 2π ωt -3c V 1 c -c α 1 π-α 1 π+α 1 2π-α 1 ωt V 2 c -c α 2 π-α 2 π+α 2 2π-α 2 ωt V 2 3 c -c α 3 π-α 3 π+α 3 2π-α 3 ωt In assenza di sorgenti dc fra loro separate, si devono produrre sorgenti d.c. fra loro galvanicamente indipendenti. Inverter multilivello con trasformatore a molti secondari M1 Mn M1 M 3 M modulo M monofase di raddrizzamento, dc link, inverter a H Mn M1 Inverter multilivello: struttura modulare con ponti ad H (trasfo. complesso, costoso, ingombrante, pesante). Mn 4

5 Diode Clamped Multilevel Inverter (DCMI) gamba di inverter diode clamped a 5 livelli di tensione C 1 S a1 S a2 S a3 C 2 S a4 c A Rappresentazione dei 5 livelli della tensione di fase e i corrispondenti stati di comando delle valvole C 3 S a 1 S a 2 C 4 S a 3 S a 4 O Ramo di inverter multilivello a 4 livelli di tensione, in modalità flying-capacitor Nel caso di inverter a 4 livelli di tensione di fase, per una uscita pari a 0.5V DC ci sono 6 possibili combinazioni valide delle valvole, per una tensione di uscita pari a 0.25V DC e 0.75V DC ne esistono quattro. Queste ridondanze permettono il controllo della tensione sulle singole capacità; con la stessa tensione di uscita, ma con differenti combinazioni di accensione, è possibile provvedere alla carica e scarica di ciascuna capacità. Ad esempio, nel circuito di figura il ramo con capacità C6 si carica alla tensione V DC /4; il ramo con la serie delle capacità C4 e C5 si carica ad una tensione V DC /3; il ramo con la serie delle capacità C1, C2 e C3 si carica al valore V DC /2; il ramo con la serie C1, C2, C3 e C4 è sottoposto alla tensione V DC. 5

6 Convertitori Voltage Source Converter (VSC) basati su tecniche di re-iniezione er ridurre il contenuto armonico generato da un convertitore VSC, senza la necessità di adottare filtri convenzionali, si utilizza la tecnica del WM; peraltro, poiché questa è basata sulla frequenza di commutazione delle valvole, è causa di una considerevole dissipazione interna aggiuntiva. D altra parte l altra possibile soluzione consiste nell adottare una configurazione multilivello, spesso con la conseguenza di dover impiegare un sistema di trasformatori più costoso; inoltre queste configurazioni producono forme d onda ad alto numero di impulsi, ma richiedono un elevato N di interruttori statici e/o di condensatori. Una interessante soluzione, già adottato nei convertitori a commutazione naturale, e ora riproposta anche per i convertitori VSC, è quella basata sulle tecniche di re-iniezione. Nel caso dei VSC, si tratta di una tecnica di re-iniezione della tensione: essa si applica ad un convertitore VSC in configurazione dodecafase composto da 2 convertitori a ponte, connessi in serie. Convertitore VSC con circuito di re-iniezione, con interruttori di tipo GTO. Lo schema rappresentato in figura produce una tensione rettangolare con frequenza multipla della fondamentale AC (nello schema riportato la frequenza ottenuta è sestupla della fondamentale). Sempre riferendoci alla figura, si nota che le tensioni v Y e v sono imposte ai terminali dei due convertitori dai condensatori, C e C Y, e dal circuito di re-iniezione della tensione. v Y = VCY v j = VC v j v = VC + v j = VC + v j Quindi agendo su v j si può modificare contemporaneamente la forma d onda della tensione in uscita ad entrambi i convertitori. La tensione v j può assumere 3 differenti livelli, cioè valore nullo, e ±k j 2V C. In seguito allo sfasamento di 30 ottenuto con il collegamento dei trasformatori Y-Y e Y-, la combinazione dei 3 livelli cambia ogni 30 in modo da ottenere una tensione v j con frequenza pari a sei volte la fondamentale. Forma d onda della tensione generata dal circuito di re-iniezione 6

7 La tensione in uscita al convertitore con connessione a stella presenta 12 livelli, mentre la tensione in uscita al ponte connesso a triangolo ha una forma d onda a 6 livelli. In questo modo la forma d onda della tensione immessa nella rete AC, ottenuta dalla connessione del primario del trasformatore è a 18 livelli. (alto) tensione al lato primario del trasformatore Y- ; (medio) tensione al lato primario del trasformatore Y-Y, (basso) tensione data dalla somma delle due tensioni precedenti L analisi dello spettro della tensione in uscita del convertitore modificato mostra chiaramente una natura a 36 impulsi, quindi mediante una accurata scelta della reattanza dei trasformatori, le armoniche di corrente iniettate in rete possono rispettare le limitazioni imposte senza alcun ricorso alla tecnica del WM. Spettro della tensione alternata data dalla somma delle tensioni v AY e v a In funzionamenti con elevati fattori di potenza, i componenti del circuito di re-iniezione hanno potenze di dimensionamento molto basse rispetto alla potenza attiva trasmessa: per questo motivo si suppone che un convertitore di questo tipo sia particolarmente adatto per i sistemi HVDC. Il circuito di re-iniezione ha anche come effetto quello di diminuire le tensioni ai capi delle valvole nell intervallo di commutazione, con la conseguente diminuzione delle perdite di commutazione, aspetto importante per le applicazioni ad alta tensione. 7

8 Esempi di applicazione Azionamento con motore c.a. in media tensione (MT), alimentato da un inverter multilivello Sh Sg Sg Sg Sf Sf Sf Se Se Se Sd Sd Sd Sc Sc Sc Sb Sb Sb Sa Sa Sa 8

9 Si tratta di un inverter multilivello ottenuto con moduli monofase connessi in serie sull uscita, controllati in onda quadra, con comando sequenziale; lo stadio di conversione c.a.-c.c. di ingresso utilizza un trasformatore trifase con 1 primario a stella e 22 secondari a triangolo e triangolo prolungato (3x7 = 21 secondari per raddrizzamento WM e 1 secondario di energizzazione del trasformatore). Ciascun secondario di raddrizzamento, caratterizzato da opportuno sfasamento, alimenta un raddrizzatore trifase WM (attraverso induttanze serie): tale modalità di raddrizzamento limita la distorsione delle correnti assorbite dalla rete in MT (33 kv). un triangolo prolungato che produce lo sfasamento +ϕ e quello che produce lo sfasamento ϕ hanno gli stessi numeri spire base e shifter, ma diversa orientazione, come mostrato in figura. Nella tabella che segue sono riportati i principali dati costruttivi del trasformatore, alimentato a f = 50 Hz e di potenza nominale Sn = 12.5 MVA. Sezione della colonna [cm 2 ]; Induzione [T] 1222; 1.69 Conduttore; isolamento Trasposto, in Cu; Thervest (classe H) Dati di avvolgimento (numeri spire) Dati dell avvolgimento primario () Numeri spire N (nominale); 437 (presa + 5%); 458 (presa +10%) Dati degli avvolgimenti secondari (S) nome Numeri spire Numeri spire efficaci V a vuoto sec. di fase [V] Sa 3 a triangolo, 6 di prolungamento Sb 5 a triangolo, 5 di prolungamento Sc 10 a triangolo, 2 di prolungamento Sd 13 a triangolo Se 10 a triangolo, 2 di prolungamento Sf 5 a triangolo, 5 di prolungamento Sg 3 a triangolo, 6 di prolungamento Sh 9, a triangolo

10 Convertitore costituito da chopper multilivello flying-capacitor e inverter a 6 impulsi artendo dalla sorgente primaria, viene effettuato un abbassamento della tensione dc fino a 800 V tramite il chopper multilivello, che presenta una struttura del tipo flying capacitor, per l alimentazione di un classico inverter trifase a sei impulsi. Inverter multilivello a 11 livelli di tensione per applicazioni di utility con collegamento a stella 10

11 Sistema per la regolazione di tensione e phase shifting tramite inverter multilivello. L inverter è posto in serie con il sistema di potenza ed è controllato in modo tale che la tensione di uscita V C sia sfasata di 90 gradi rispetto alla corrente di linea. In questo modo si riesce a garantire una tensione a forma d onda quasi sinusoidale a carichi sensibili a presenza di oscillazioni e di armoniche e puó fornire il necessario phase shifting per il controllo del flusso di potenza. Configurazione per il controllo e la compensazione della potenza reattiva. L inverter multilivello è connesso in parallelo con il sistema e puó essere impiegato per regolazione della tensione V T e per il controllo di potenza reattiva. I livelli di tensione ottenibili tramite tale soluzione garantiscono la possibilità di connessione diretta a sistemi di distribuzione a 13,8 kv tramite l utilizzo di IGBT con tensione pari a 3,3 kv. Il bilanciamento della tensione sulle capacità può essere effettuato tramite rotazione del duty cycle tra i vari ponti che costituiscono l inverter (con semplificazione nel controllo della tensione, in quanto è necessario il monitoraggio e controllo in feedback di uno solo dei condensatori). Metodo di rotazione ciclica del duty cycle per compensare lo sbilanciamento della tensione sulle capacità. 11

12 Azionamento motore con inverter DCMI in configurazione back-to-back Configurazione del sistema di azionamento di motori per Veicoli Elettrici (EV) tramite inverter CMI a 11 livelli (multilivello a cascata). Il flusso di potenza è diretto dalle batterie al motore durante la marcia, dal motore alle batterie in frenata e dal sistema di ricarica alle batterie in fase di carica 12

13 Inverter CSI in onda quadra (a corrente impressa, a tiristori, a commutazione naturale) Square wave Current Source Inverter Invertitore monofase a corrente impressa, a commutazione naturale: schema di principio e forme d onda delle grandezze elettriche v(t) e i(t) di fase della MI Schema elettrico e forme d onda di un invertitore trifase a corrente impressa, a tiristori, a commutazione naturale, alimentante un motore a induzione (MI), rappresentato dal suo circuito equivalente v(t) e i(t) nei condensatori 13

14 Inverter a corrente impressa (CSI) del tipo WM, autocommutati deduzione originaria del WM CSI dal WM VSI in base alle regole della dualità: (a) invertitore trifase a tensione impressa (VSI) (b) invertitore trifase a corrente impressa (CSI) (schema teorico) Invertitore trifase CSI (schema effettivo, con diodi in antiparallelo di protezione degli interruttori statici dalla tensione di blocco inverso, che si applica ai diodi in serie) carrier wave modulating wave A B WM controlled current output current Metodo di sotto-oscillazione in inverter WM CSI: sopra: modulante e portante; sotto: impulsi di corrente WM e corrente di uscita 14