Interactive Dept 3/19/2008. Sommario. Classificazione Tipologie PFC PFC Trifase in DCM e DVM Esempi di Collaborazione Università-Industria:

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1 Convertitore PFC Trifase ad Alta Densità di Potenza Luca Solero Milano 18 Marzo /30 Aspetti Normativi Sommario Classificazione Tipologie PFC PFC Trifase in DCM e DVM Esempi di Collaborazione Università-Industria: PFC Trifase Multilivello PFC Buck con prestazioni Indipendenti dalle Condizioni di Carico Milano 18 Marzo /30 Title goes here 1

2 L Università degli Studi Roma Tre nasce nel Facoltà e 29 Dipartimenti Roma Tre Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale 28 Docenti, 11 Unità Personale TAB, 19 Dottorandi di Ricerca Laboratorio Sperimentale suddiviso in 10 Sezioni: Chimica, Convertitori Macchine e Azionamenti Elettrici, Costruzioni Aeronautiche, Fisica Tecnica, Fluidodinamica, Ingegneria e Sicurezza degli Scavi, Macchine a Fluido, Misure Meccaniche e Termiche, Progettazione Meccanica e Costruzioni di Macchine, Scienza e Tecnologia dei Materiali Progettazione e Realizzazioni Prototipali di Convertitori Elettronici di Potenza, Macchine Elettriche a Magneti Permanenti e Relativi Algoritmi di Controllo per Applicazioni nell Ambito del Trasporto e dell Energia (generazione, conversione e accumulo) Collaborazioni con enti e aziende: ENEA, LARCET, SEMIKRON ITALIA, ANSALDO BREDA, LUCCHI ELETTROMECCANICA Milano 18 Marzo /30 Roma Tre Milano 18 Marzo /30 Title goes here 2

3 Aspetti Normativi I PFC costituiscono una soluzione compatta ed efficace ma generalmente presentano alcuni svantaggi: spesso includono uno stadio d ingresso di tipo switching incrementando così complessità e costo del circuito e riducendo il rendimento; possono generare armoniche della frequenza di commutazione e radiodisturbi. Da queste considerazioni emerge la necessità di regolamentare l impatto armonico causato dagli alimentatori elettronici. L Unione Europea si è dotata di norme armonizzate al fine di garantire l uniformità delle caratteristiche dei prodotti immessi nel mercato europeo e la conformità degli stessi alla Direttiva EMC. Normative simili vengono applicate anche in altri mercati (USA, Giappone). Le normative di interesse sono le IEC e (EN e ) che sostituiscono le precedenti versioni IEC e (EN e ); queste fissano i limiti per le emissioni di armoniche di corrente, fluttuazioni di tensione e flicker. Milano 18 Marzo /30 IEC / CEI EN Compatibilità elettromagnetica (EMC) Parte 3: Limiti Sezione 2: Limiti per le emissioni di corrente armonica (Apparecchiature con corrente di ingresso 16 A per fase) Le normative CEI EN limitano l impatto armonico dei carichi, definendo i valori massimi della distorsione di tensione e/o corrente ammessa. Ai fini della limitazione della corrente armonica le apparecchiature sono suddivise in quattro classi. Per ogni classe vengono definiti i valori massimi (relativi o assoluti) delle correnti armoniche ammesse. Vengono inoltre definiti i requisiti delle misurazioni e della sorgente ac di alimentazione; vengono fornite le definizioni dei termini usati all interno delle normative di interesse e le condizioni di prova per particolari tipi di apparati (Allegato C). Ulteriori dettagli sulle tecniche di prova e sulla relativa strumentazione sono contenuti nella IEC Milano 18 Marzo /30 Title goes here 3

4 Classi di Suddivisione Classe A: Apparecchi trifase equilibrati e tutte le altre apparecchiature, escluse quelle definite in una delle classi seguenti Classe B: Utensili portatili Classe C: Apparecchi per l illuminazione, compresi anche i dispositivi variatori di luce Classe D: Apparecchi aventi una corrente d ingresso con una forma d onda speciale e una potenza attiva di ingresso P 600 W misurate nelle condizioni di prova indicate nel corrispondente articolo dell Allegato C. Milano 18 Marzo /30 Armoniche di Corrente Classe A Classe C Classe D Classe B: si applicano i limiti della Classe A moltiplicati per un fattore pari a 1.5 La Classe D è la più penalizzata (limiti espressi in termini relativi alla fondamentale per P < 600 W); può essere conveniente adottare metodi correttivi per rientrare in classe A (limiti espressi in termini assoluti) Milano 18 Marzo /30 Title goes here 4

5 Circuiti di Misura Apparecchiatura Monofase Apparecchiatura Trifase S sorgente di alimentazione EUT apparecchiatura in prova G tensione a circuito aperto della sorgente di alimentazione I n componente armonica (ordine n) della corrente di linea Z M impedenza d ingresso dell apparecchiatura di misura Z S impedenza interna della sorgente di alimentazione M apparecchiatura di misura U tensione di prova Milano 18 Marzo /30 Alimentazione Mentre le misure sono in corso, la tensione di prova (U) ai terminali dell apparato in esame, deve soddisfare i seguenti requisiti: - valore nominale di tensione 230V (monofase) 400V (trifase) - accuratezza della tensione 2% - accuratezza della frequenza 0.5% - accuratezza dell angolo di fase 1.5 (rispetto ai 120 ) - contenuto armonico 0.9% (3^ armonica) 0.4% (5^ armonica) 0.3% (7^ armonica) 0.2% (9^ armonica) 0.2% (dalla 2^ alla 10^, armoniche pari) 0.1% (dalla 11^ alla 40^ armonica) - valore di picco della tensione compreso tra 1.40 e 1.42 del valore efficace raggiunto tra 87 e 93 dopo il passaggio per lo zero (non si applica alle Classi A e B) Milano 18 Marzo /30 Title goes here 5

6 Tipologie di PFC Classificazione dei PFC in base alla configurazione circuitale PFC passivi PFC a singolo stadio PFC a doppio stadio Analisi sull opportunità della configurazione da impiegare: alimentazione con limitata variazione di tensione ( V / V) alimentazione con ampia variazione di tensione (85-265V) tensione di uscita 10-48V intervallo di potenza W, W, W Milano 18 Marzo /30 PFC Passivi Dimensionamento del filtro LC sulla base del tempo di hold-up 2 P th C 10ms 0.5 uf/w; V ms 1-2 uf/w. nom V min Buone prestazioni fino a W e limitata variazione di tensione; difficoltà sul limite inferiore di tensione in caso di ampia variazione. Milano 18 Marzo /30 Title goes here 6

7 PFC a Singolo Stadio Buone prestazioni nell intervallo W e per limitate variazioni della tensione di alimentazione In caso di ampia variazione della tensione di alimentazione diventa problematica l ottimizzazione del convertitore a causa della tensione sul condensatore di link che può variare da 120V fino a 500V Power % Milano 18 Marzo /30 PFC a Singolo Stadio % Potenza processata 2 volte Power % Minimo angolo di conduzione Milano 18 Marzo /30 Title goes here 7

8 PFC a Doppio Stadio 2 circuiti di controllo e di protezione, economicamente sensato solo per potenze superiori a 4-500W Estremamente competitivo per potenza W anche in caso di ampia variazione di tensione di ingresso Valida alternativa al singolo stadio per potenza W in caso di ampia variazione di tensione di ingresso Buona dinamica dello stadio di uscita, stadio che può essere dimensionato in maniera ottimizzata e dotato di ZCS o ZVS Milano 18 Marzo /30 PFC Trifase Doppio stadio Raddrizzatore switching o configurazione Vienna per potenze dell ordine dei 10kW e superiori numero elevato di diodi e switch controllo complesso e costoso, necessità di misure isolate, circuiti di pilotaggio ad alta tensione, algoritmi di controllo trifase e spesso con trasformazione di coordinate DCM e DVM in configurazioni con singolo switch valida alternativa per potenze fino a 10kW, con possibilità di elevata frequenza di commutazione in caso di ZCS o ZVS, possibilità di impiego anche in assenza di neutro filtri EMI da dimensionare con particolare attenzione Milano 18 Marzo /30 Title goes here 8

9 Harmonic current (rms, A) THD% Interactive Dept 3/19/2008 PFC Boost Trifase DCM Possibilità di impiego di 3 configurazioni monofase qualità della corrente deteriorata rispetto ad 1 singolo PFC monofase a causa di asimmetrie nelle correnti di ritorno i1, i2, i3 THD 10% Milano 18 Marzo /30 PFC Boost Trifase DCM Dipendenza del THD dall indice di modulazione M=Vdc/Vllpk Dipendenza del duty cycle dalle condizioni di carico Problema: elevata tensione del dc link per ridurre THD% Simulation Experimental 2,2 2 1,8 M=1.4, Vll=380V, Vo=750Vdc ,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 M 1,6 1,4 1,2 1 0,8 5kW 6kW 7kW 8kW 9kW 10kW IEC limit Problema: riduzione della 5^ armonica per potenze > 5kW 0,6 0,4 0,2 0 5^ 7^ 11^ 13^ Harmonics Milano 18 Marzo /30 Title goes here 9

10 Harmonic current (rms, A) Harmonic current (rms, A) Interactive Dept 3/19/2008 PFC Boost Trifase DCM Adozione di filtri per ridurre la 5^ armonica Variazione delle armoniche di corrente con la tensione di alimentazione 1,2 1 Po=6kW, Vo=750Vdc Aumento di peso e ingombro degli elementi passivi 0,8 0,6 0,4 Vll=456V Vll=417V Vll=380V Vll=340V Vll=304V IEC limit 0,2 0 5^ 7^ 11^ Harmonics Milano 18 Marzo /30 PFC Boost Trifase DCM Iniezione della 6^ armonica nella generazione del duty cycle Riduzione del contributo della 5^ armonica e conseguente aumento del contributo della 7^ armonica 1,2 1 Po=6kW, Vo=750Vdc 0,8 Relativo aumento della complessità del controllo 0,6 0,4 0,2 Vll=456V Vll=417V Vll=380V Vll=340V Vll=304V IEC limit 0 5^ 7^ 11^ Harmonics Milano 18 Marzo /30 Title goes here 10

11 Harmonic current (rms, A) Efficiency % PFC Buck Trifase DVM Andamento discontinuo della tensione ai capi dei condensatori in ingresso Riduzione della tensione di ingresso per il secondo stadio rispetto alla configurazione Boost Variazione della frequenza di commutazione con il carico Possibilità di ZCS, con aumento della frequenza di commutazione Sollecitazione in tensione dei diodi e dello switch simile alla configurazione Boost DCM Milano 18 Marzo /30 PFC Trifase DCM vs. DVM Ottimo comportamento nel THD della configurazione Buck DVM Differenza di 2 punti % nel rendimento in favore della configurazione Boost DCM 1,2 1 Po=6kW, Vo=400Vdc 0,8 Vll=456V 0,6 Vll=417V Vll=380V Vll=340V Vll=304V IEC limit 98,5 98,0 Po=6kW, 0,4 97,5 0,2 97,0 0 5^ 7^ 11^ Harmonics 96,5 96,0 DCM Boost Rect. Harmonic Trap Harmonic Injection DVM Buck ZCS 95,5 95,0 94,5 94, Input Voltage [V] Milano 18 Marzo /30 Title goes here 11

12 P1: PFC Trifase DCM Multilivello Ingresso 400Vac 50-60Hz senza neutro con uscita 48V Fattore di potenza > 0.9 THD < 10% conforme EN classe A Configurazione multilivello in DCM DC-link 2 x 400Vdc Potenza 3kW Efficienza > 90% Frequenza max 100kHz Dimensioni altezza max 50 mm, volume previsto 3.2 dm 3 Protezioni da sovraccarico, under-over voltage di uscita, temperatura Componenti industriali a tensione max di 600V Secondo stadio Full-Bridge o Half-Bridge con configurazione multilivello e uscita 48V Obiettivo per il futuro: realizzazione del PFC trifase a doppio stadio con una architettura digitale utilizzando una piattaforma DSP dedicata Milano 18 Marzo /30 P1: PFC Trifase DCM Multilivello Confronto configurazioni stadio di pre-regolazione 1 switch 2 switch Il THD può essere migliorato aumentando il valore della tensione del dc-link Milano 18 Marzo /30 Title goes here 12

13 P1: PFC Trifase DCM Multilivello Risultati sperimentali stadio di preregolazione Potenza in ingresso 3kW Frequenza di commutazione 40kHz Vin 100V/div, Iin 5A/div, 2.5ms/div Vswitch 200V/div, 4us/div Milano 18 Marzo /30 P2: PFC Buck Monofase DVM Ingresso 220Vac 20% 50Hz con uscita 48Vdc Fattore di potenza > 0.9 THD < 10% conforme EN classe A Configurazione Buck con secondo stadio Full-Bridge con PWM a sfasamento DC-link 100Vdc Potenza 1kW Efficienza totale > 85% Frequenza 50kHz Possibilità di funzionamento in parallelo Protezioni da sovraccarico, under-over voltage di uscita, temperatura Prestazioni in termini di THD% indipendenti dalle condizioni di carico (pieno carico metà carico) Estensione al caso trifase Milano 18 Marzo /30 Title goes here 13

14 P2: PFC Buck Monofase DVM Contemporanea variazione di frequenza di commutazione e di duty cycle proporzionalmente con il carico pieno carico Tensione ai capi del condensatore, corrente in ingresso, spettro armonico della corrente metà carico Milano 18 Marzo /30 P2: PFC Buck Monofase DVM Risultati sperimentali a pieno carico a) tensione sul condensatore di ingresso (200V/div, 10ms/div), b) corrente in ingresso (3A/div, 10ms/div), c) FFT corrente in ingresso a b c Milano 18 Marzo /30 Title goes here 14

15 P2: PFC Buck Monofase DVM Risultati sperimentali a metà carico a) tensione sul condensatore di ingresso (200V/div, 10ms/div), b) corrente in ingresso (3A/div, 10ms/div), c) FFT corrente in ingresso a b c Milano 18 Marzo /30 GRAZIE PER L ATTENZIONE Milano 18 Marzo /30 Title goes here 15