Invertitori trifase a tensione impressa

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1 Invertitori trifase a tensione impressa Principi di funzionamento Invertitore di tensione trifase 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 resistivo/induttivo con f.e.m. Connessione a stella Connessione a triangolo Equivalenza dei carichi dal punto di vista elettrico 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 Tensioni desiderate ottenute come differenza delle tensioni generate. M. Zordan, 12/2/2004 1

2 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 Scopo: ottenere una semplice generazione di tensioni di fase sfasate di 120 Le tensioni generate hanno forma d onda quadra: si suppone che il carico sfrutti la fondamentale Le armoniche a frequenza multipla (molte!) sono considerate disturbi (capacità filtranti del carico) Vengono utilizzate le 6 configurazioni degli switch non nulle (Six Step) Tensioni di fase dell inverter: andamento rettangolare a DUE livelli con durata di 180 Tensioni concatenate: andamento rettangolare a TRE livelli con durata di 120 M. Zordan, 12/2/2004 2

3 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 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 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 M. Zordan, 12/2/2004 3

4 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) Non variano le tensioni concatenate medie Variano i duty-cycle e le tensioni istantanee 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 M. Zordan, 12/2/2004 4

5 Modulazione di terza armonica A pari valore massimo, sommando una tensione V0 sinusoidale di terza armonica si può aumentare la componente fondamentale della tensione di fase del 15% Modulazione Flat Top 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 Vengono ridotte le perdite di commutazione negli switch di potenza 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 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 M. Zordan, 12/2/2004 5

6 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 (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: Ad ogni stato dell inverter corrisponde una terna di tensioni di uscita che può essere rappresentata da un vettore di stato La modulazione consiste nell applicare in successione nel periodo di modulazione stati diversi dell inverter Per ogni periodo di modulazione normalmente si impiegano tre stati di cui uno nullo Le durate di applicazione dei tre stati devono essere tali per cui valga la relazione tra i corrispondenti duty-cycle: = 1 Volendo generare V* si applicano in successione i due vettori di stato adiacenti ed un vettore nullo M. Zordan, 12/2/2004 6

7 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 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) Scelta dei vettori di stato e del loro ordine di applicazione. Esistono diversi criteri: 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 ) Esempi di applicazione dei vettori di stato M. Zordan, 12/2/2004 7