ITMO20090080A1 - Dispositivo e metodo per la conversione di corrente continua in corrente alternata - Google Patents
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Description
“DISPOSITIVO E METODO PER LA CONVERSIONE DI CORRENTE CONTINUA IN CORRENTE ALTERNATA†.
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo e ad un metodo per la conversione di corrente continua in corrente alternata.
E’ noto e comune da tempo l’impiego di apparati elettronici cosiddetti “inverter†atti a convertire una corrente continua di ingresso in una corrente alternata di uscita.
Le applicazioni degli inverter sono molteplici e vanno, ad esempio, dall’impiego in gruppi di continuità per la conversione della corrente continua da una bateria di alimentazione, all’impiego nell’industria per la regolazione della velocità di motori elettrici o, ancora, all’impiego per la conversione dell’energia elettrica proveniente da impianti di produzione, prima dell’immissione sulla rete di distribuzione.
Una particolare tipologia di inverter à ̈ quella degli inverter multilivello cosiddetti NPC (Neutral Point Clamped), i quali sono in grado di fornire in uscita più di due livelli di tensione in modo da generare una forma d’onda il più possibile vicina a quella sinusoidale.
A titolo esemplificativo, Ã ̈ riportato in figura 1 lo schema di principio di un inverter NPC trifase a tre livelli.
L’inverter di figura 1 à ̈ provvisto di un ramo di ingresso costituito da due condensatori C in serie tra loro ed associato ad una sorgente di tensione continua VdCin corrispondenza di un terminale a tensione positiva Vdc+, di un terminale a tensione negativa Vdc~e di un punto neutro NP (Neutral Point) tra i due condensatori C.
L’inverter comprende tre gruppi di interruttori elettronici di potenza, quali Mosfet, IGBT o dispositivi simili, indicati con i riferimenti Sai-Sdi, Sa2-Sd2 e Sa3-Sd3, che sono tra loro opportunamente connessi su tre rami, uno per ogni fase fi, f2 e f3.
L’inverter comprende, inoltre, tre coppie di diodi, indicati in figura 1 rispettivamente con i riferimenti Dale Dbi, e Db2, e Db3.
Con riferimento al ramo relativo alla fase fi, ad esempio, i diodi Daie Dblsono disposti in serie tra loro e collegano il punto neutro NP, rispettivamente, al punto di connessione tra gli interruttori Sale Sb!ed al punto di connessione tra gli interruttori Scle Sdi-I diodi D^, Db2, e Db3sono collegati in modo analogo con i rami relativi alle fasi f2 e f3.
Comandando la chiusura degli interruttori Sal-Sdi, S^-S^ e S^-S^ à ̈ possibile connettere ciascuna delle fasi al positivo della tensione Vdc+, al negativo della tensione Vdc- ed al nodo NP (Neutral Point) in cui la tensione à ̈ pari a zero se assunto come riferimento.
La rapida commutazione degli interruttori tra le possibili configurazioni à ̈ effettuata mediante opportune tecniche di modulazione, in modo da otenere una tensione ed una corrente di uscita alternate sulle tre fasi, a partire dalla tensione continua Vdc.
Una di tali tecniche di modulazione à ̈ la cosiddeta modulazione unipolare dei rami dell’ inverter, in cui gli interruttori di ciascun ramo sono accesi o spenti in funzione della variazione di una tensione di riferimento periodica. In particolare, con riferimento a titolo esemplificativo al ramo della fase fi, la configurazione degli interrutori Sal, Sbi, Scie Sdià ̈ di seguito riportata. Durante la semionda positiva della tensione di riferimento:
- commutazione dell’interrutore Salad ima frequenza di switching predefinita;
- interruttore Sb]sempre acceso;
- interruttori Scìe Sdisempre spenti.
Durante la semionda negativa della tensione di riferimento:
- commutazione dell’ interruttore Sdlad una frequenza di switching predefinita;
- interrutore Sclsempre acceso:
- interrutori Saie Sbisempre spenti.
La tecnica di modulazione unipolare presenta, tuttavia, alcuni inconvenienti.
Infati, in prossimità dello zero Crossing della corrente in uscita, inteso come l’istante in cui la corrente ideale in uscita sul ramo à ̈ pari a zero, si verifica una distorsione sulla tensione in uscita effetiva.
Questo à ̈ dovuto al funzionamento in DCM (Discontinous Conduction Mode) della corrente del ramo.
In particolare, quando il valor medio della corrente nell<5>induttanza di carico à ̈ prossimo ad annullarsi, una componente oscillatoria spuria (ripple) ad essa sovrapposta non può attraversare lo zero, causando una variazione istantanea della pendenza della corrente che fluisce nelPinduttanza e comportando, quindi, una variazione di tensione ai capi dell’induttanza stessa.
Per maggiore chiarezza, ed a puro titolo esemplificativo, sono riportati in figura 2 ed in figura 3 gli andamenti rispettivamente di tensione e corrente Vue Iuin uscita da uno dei rami in caso di modulazione unipolare, in cui risulta evidente la presenza delle distorsioni dei segnali in prossimità dello zero Crossing.
In particolare, in figura 3 à ̈ illustrato l’andamento della corrente in uscita Iuin prossimità dello zero Crossing confrontato con l’andamento di una corrente in uscita ideale Irjf.
La modulazione di tipo unipolare, inoltre, presenta ulteriori inconvenienti nel caso in cui la tensione di riferimento e la corrente di uscita abbiano, in un particolare istante o intervallo di tempo, segni opposti, ad esempio nel caso in cui la tensione di riferimento sia sinusoidale ed in anticipo rispetto alla corrente in uscita Iu.
In tal caso, in corrispondenza del cambio di segno della tensione di riferimento, la corrente non può continuare a circolare nello stesso verso e viene forzata a zero.
Tali andamenti della tensione di riferimento e della corrente di uscita Iusono illustrati a titolo esemplificativo in figura 4, in cui la tensione di riferimento à ̈ indicata con la dicitura Urif.
Per ovviare agli inconvenienti della modulazione unipolare sono note tecniche alternative, quali la cosiddetta modulazione complementare dei rami dell’ inverter.
In particolare, con riferimento a titolo esemplificativo al ramo della fase fi, la configurazione degli interruttori Sal, Sbi, Scie Sdià ̈ di seguito riportata. Durante la semionda positiva della tensione di riferimento:
- commutazione degli interruttori Saie Sciad una frequenza di switching predefinita;
- interruttore Sbisempre acceso:
- interruttore Sdìsempre spento.
Durante la semionda negativa della tensione di riferimento:
- commutazione degli interruttori Sdie Sbiad una frequenza di switching predefinita;
- interruttore Sclsempre acceso:
- interruttore Saisempre spento.
Anche la tecnica di modulazione complementare presenta, tuttavia, alcuni inconvenienti.
In particolare, gli interruttori centrali che commutano alla frequenza di switching non sono percorsi da corrente e, pertanto, quando la corrente in uscita non à ̈ in prossimità dello zero Crossing vengono effettuate numerose commutazioni inutili.
Questo comporta un inevitabile aumento delle perdite energetiche legate al circuito di pilotaggio degli interruttori centrali di ciascun ramo e perdite addizionali sui diodi legate alle rispettive correnti di dispersione.
Inoltre, il corretto funzionamento dell’ inverter richiede un adeguato dimensionamento del circuito di pilotaggio degli interruttori centrali.
Il compito principale della presente invenzione à ̈ quello di escogitare un dispositivo ed un metodo per la conversione di corrente continua in corrente alternata che consentano di eliminare i disturbi presenti in corrispondenza dello zero Crossing della corrente di uscita e che, al contempo, consentano di ridurre al minimo le perdite energetiche.
Altro scopo del presente trovato à ̈ quello di escogitare un dispositivo ed un metodo per la conversione di corrente continua in corrente alternata che consentano di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota nell’ ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto.
Gli scopi sopra esposti sono raggiunti dal presente dispositivo per la conversione di corrente continua in corrente alternata, comprendente almeno un convertitore multilivello associato ad almeno una sorgente di tensione continua ed almeno una unità di modulazione provvista di mezzi di pilotaggio di detto convertitore per la conversione di detta tensione continua in una corrente di uscita alternata, caratterizzato dal fatto che detta unità di modulazione comprende mezzi di confronto del valore di detta corrente di uscita con almeno un valore di soglia positivo predefinito ed almeno un valore di soglia negativo predefmito, detti mezzi di pilotaggio essendo atti a pilotare detto convertitore con una modulazione di impulso di tipo unipolare nel caso in cui detto valore della corrente di uscita sia superiore a detto valore di soglia positivo od inferiore a detto valore di soglia negativo e con una modulazione di impulso di tipo complementare nel caso in cui detto valore della corrente di uscita sia inferiore a detto valore di soglia positivo e superiore a detto valore di soglia negativo.
Gli scopi sopra esposti sono inoltre raggiunti dal presente metodo per la conversione di corrente continua in corrente alternata, comprendente almeno una fase di pilotaggio di un convertitore multilivello per la conversione di una tensione continua in una corrente di uscita alternata, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una fase di confronto del valore di detta corrente di uscita con almeno un valore di soglia positivo predefinito ed almeno un valore di soglia negativo predefìnito, detta fase di pilotaggio essendo atta a pilotare detto convertitore con una modulazione di impulso di tipo unipolare nel caso in cui detto valore della corrente di uscita sia superiore a detto valore di soglia positivo od inferiore a detto valore di soglia negativo e con una modulazione di impulso di tipo complementare nel caso in cui detto valore della corrente di uscita sia inferiore a detto valore di soglia positivo e superiore a detto valore di soglia negativo.
Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un dispositivo e di un metodo per la conversione di corrente continua in corrente alternata, illustrati a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:
la figura 5 Ã ̈ uno schema a blocchi generale del dispositivo secondo il trovato;
la figura 6 à ̈ uno schema circuitale che illustra una possibile forma di attuazione di un convertitore multilivello del dispositivo secondo il trovato; la figura 7 à ̈ un grafico che illustra schematicamente una possibile correlazione tra l’andamento della corrente di uscita del dispositivo secondo il trovato ed il funzionamento del dispositivo stesso;
le figure 8 e 9 sono grafici e schemi funzionali che illustrano le possibili configurazioni del convertitore multilivello del dispositivo secondo il trovato in caso di modulazione unipolare;
le figure 10 e 11 sono grafici e schemi funzionali che illustrano le possibili configurazioni del convertitore multilivello del dispositivo secondo il trovato in caso di modulazione complementare;
la figura 12 à ̈ un grafico che illustra gli andamenti di una tensione di riferimento in ingresso alPunità di modulazione del dispositivo secondo il trovato e della corrente di uscita dal convertitore multilivello del dispositivo nell’intorno dello zero Crossing della corrente di uscita stessa, le figure 13 e 14 sono grafici che illustrano gli andamenti della tensione e della corrente di uscita del dispositivo secondo il trovato nell’intorno dello zero Crossing della corrente di uscita.
Con particolare riferimento alle figure dalla 5 alla 14, si à ̈ indicato globalmente con D un dispositivo per la conversione di corrente continua in corrente alternata, del tipo impiegabile in numerose applicazioni di tipo comune quali, ad esempio, all’interno di gruppi di continuità per la conversione della corrente continua generata da una batteria, per la conversione della corrente continua prodotta da moduli fotovoltaici o, ancora, per la regolazione della velocità di motori elettrici.
Il dispositivo D, illustrato complessivamente e schematicamente in figura 5, comprende un convertitore multilivello, del tipo di un convertitore od inverter NPC (Neutral Point Clamped), indicato genericamente con il riferimento CNPC
Il dispositivo D comprende una unità di modulazione, indicata genericamente in figura 5 con il riferimento M, che à ̈ provvista di mezzi di pilotaggio del convertitore CNPC per la conversione di una tensione continua Vdcin ingresso al convertitore stesso in una corrente di uscita Iualternata. Il dispositivo D comprende, inoltre, una sorgente atta a generare una corrente di riferimento Irjfda inseguire e mezzi di calcolo della differenza tra tale corrente di riferimento Ufe la corrente di uscita Iugenerata mediante il convertitore CNPC·
In particolare, tali mezzi di calcolo sono schematizzati in figura 5 mediante un controllo in retroazione negativa che rileva la corrente di uscita Iugenerata dal convertitore CNPCe la sottrae alla corrente di riferimento Irifin ingresso al dispositivo D.
Il dispositivo D comprende una unità di controllo di corrente, indicata genericamente in figura 5 con il riferimento A, disposta a valle dei suddetti mezzi di calcolo e a monte dell’unità di modulazione M, che à ̈ operativamente associata all’unità di modulazione M e che à ̈ provvista di mezzi di generazione di una tensione di riferimento Urif, generata in funzione della differenza calcolata tra la corrente di riferimento Irife la corrente di uscita Iu.
Vantaggiosamente, i mezzi di pilotaggio dell’unità di modulazione M sono atti a pilotare il convertitore CNPCin funzione della tensione di riferimento Urife della corrente di uscita Iu.
Il dispositivo D comprende, inoltre, un’unità di filtraggio, indicata genericamente in figura 5 con il riferimento F, che à ̈ disposta a valle rispetto al convertitore CNPc e che à ̈ atta a filtrare la corrente di uscita Iu.
In particolare, tale unità di filtraggio F può essere realizzata mediante un filtro di tipo LC, LCL o simili.
Con particolare riferimento alla forma di attuazione descritta ed illustrata in figura 6, il convertitore CNPCà ̈ del tipo di un inverter NPC monofase a tre livelli di tensione. Non si escludono, tuttavia, differenti forme di realizzazione in cui il convertitore CNpc impiegato à ̈ un inverter a più di tre livelli e/o di tipo polifase.
In particolare, il convertitore CNPCcomprende almeno un ramo di ingresso Ri costituito da due condensatori C connessi in serie tra loro e provvisto di un terminale connesso al polo positivo Vdc+ della sorgente di tensione continua VdCe di un terminale opposto connesso al polo negativo Vdc- della sorgente di tensione continua Vdc.
In alternativa alla sorgente di tensione continua Vdcpossono essere impiegati due generatori di tensione indipendenti, ciascuno dei quali atto a generare una tensione ai capi di rispettivi condensatori C o banchi di condensatori C.
Si precisa, inoltre, che i condensatori C illustrati in figura 6 possono essere rappresentativi della serie e/o del parallelo di più condensatori fisicamente realizzati per realizzare la capacità complessiva necessaria.
Il punto di connessione tra i due condensatori C, indicato in figura 6 con il riferimento NP, Ã ̈ il punto neutro (Neutral Point) a tensione nulla del convertitore CNPC·
Il convertitore CNPCÃ ̈ provvisto di un ramo di uscita comprendente un primo ed un secondo interruttore elettronico Sae Sbconnessi in serie tra loro tra il polo positivo Vdc+ della sorgente di tensione continua Vdce un terminale di uscita, ed un terzo ed un quarto interruttore elettronico Sce Sdconnessi in serie tra il polo negativo Vdc- della sorgente di tensione continua Vdced il terminale di uscita.
Ciascuno degli interruttori Sa, Sb, Sce Sdà ̈ operativamente associato all’ unità di modulazione M.
In particolare, i mezzi di pilotaggio delFunità di modulazione M comprendo mezzi di generazione di quattro distinti segnali Pa, Pb, Pc, Pddi controllo, modulati a larghezza di impulso (PWM) ed atti a controllare, rispettivamente, il primo, il secondo, il terzo ed il quarto interruttore Sa, Sb, Sce Sd.
Non si esclude, tuttavia Γ impiego di segnali di controllo degli interruttori Sa, S„, Sce Sdmodulati mediante tecniche di modulazione di impulso differenti.
Utilmente, tali interruttori Sa, Sb, Sce Sdpossono essere costituiti da Mosfet, IGBT o da altri dispositivi di commutazione statica.
Il ramo di uscita Ryà ̈ provvisto, inoltre, di un primo diodo Dae di un secondo diodo Db.
Il primo diodo Daha l’anodo connesso al ramo di ingresso Risin corrispondenza del punto neutro NP, ed il catodo connesso al punto di collegamento tra il primo interruttore Saed il secondo interruttore Sb, mentre secondo diodo Dbha il catodo connesso al ramo di ingresso RÌ5in corrispondenza del punto neutro NP, e l’anodo connesso al punto di collegamento tra il terzo interruttore Sced il quarto interruttore Sd.
Utilmente, il primo ed il secondo diodo Dae Dbed i diodi associati in antiparallelo agli interruttori Sa, Sb, Sce Sd, non illustrati in figura 6 in quanto di tipo noto, possono essere diodi con substrato di silicio o SiC (Silicon Carbide), i quali permettono una riduzione delle perdite per commutazione.
Si precisa che, nonostante la particolare forma di attuazione del dispositivo D illustrata e descritta preveda Γ impiego di un convertitore CNpc monofase, provvisto quindi di un solo ramo di uscita R^, non si escludono tuttavia forme di realizzazione alternative, in cui il convertitore CNPCimpiegato sia di tipo polifase e sia provvisto quindi di un più rami di uscita Ru, uno per ciascuna fase della corrente/tensione alternata di uscita da generare.
Vantaggiosamente, l’unità di modulazione M comprende mezzi di confronto del valore della corrente di uscita Iudel convertitore CNPC con un valore di soglia positivo Ippredefinito e con un valore di soglia negativo Inpredefinito.
Come illustrato schematicamente nel grafico di figura 7, i mezzi di pilotaggio dell’unità di modulazione M sono atti a pilotare il convertitore particolare gli interruttori Sa, Sb, Sce Sd, con una modulazione di tipo unipolare dei segnali Pa, Pb, Pc, Pdnel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia superiore al valore di soglia positivo Ipod inferiore al valore di soglia negativo Ine con una modulazione di tipo complementare dei segnali Pa, Pb, Pc, Pdnel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia inferiore al valore di soglia positivo Ipe superiore al valore di soglia negativo In.
Nel dettaglio, nel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia superiore al valore di soglia positivo Ipe la tensione di riferimento Urifsia maggiore di zero, i mezzi di pilotaggio dell’unità di modulazione M sono atti a pilotare il convertitore CM>Ccon una modulazione di larghezza di impulso di tipo unipolare in cui, come illustrato in figura 8:
il primo interruttore Saà ̈ commutato periodicamente ad una frequenza predefinita mediante il segnale Pa;
il secondo interruttore Sbà ̈ sempre acceso;
il terzo ed il quarto interruttore Sce Sdsono sempre spenti.
Nel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia inferiore al valore di soglia negativo Ine la tensione di riferimento Unfsia minore di zero, i mezzi di pilotaggio dell’unità di modulazione M sono atti a pilotare il convertitore CNpc con una modulazione di larghezza di impulso di tipo unipolare in cui, come illustrato in figura 9:
il quarto interruttore Sdà ̈ commutato periodicamente ad una frequenza predefinita mediante il segnale Pd;
il terzo interruttore Scà ̈ sempre acceso;
il primo ed il secondo interruttore Sae Sbsono sempre spenti.
Nel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia inferiore al valore di soglia positivo Ipe la tensione di riferimento Urifsia maggiore di zero, i mezzi di pilotaggio dell’unità di modulazione M sono atti a pilotare il convertitore CNPCcon una modulazione di larghezza di impulso di tipo complementare in cui, come illustrato in figura 10:
il primo interruttore Saed il terzo interruttore Scsono commutati periodicamente ad una frequenza predefinita ed in modo complementare tra loro mediante i segnali Pae Pc;
il secondo interruttore Sbà ̈ sempre acceso;
il quarto interruttore Sdà ̈ sempre spento.
Nel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia superiore al valore di soglia negativo Inpredefinito e la tensione di riferimento Urifsia minore di zero, i mezzi di pilotaggio dell’unità di modulazione M sono atti a pilotare il convertitore CNPC con una modulazione di larghezza di impulso di tipo complementare in cui, come illustrato in figura 11 :
il secondo interruttore Sbed il quarto interruttore Sdsono commutati periodicamente ad una frequenza predefinita ed in modo complementare tra loro mediante i segnali Pbe Pd;
il terzo interruttore Scà ̈ sempre acceso;
il primo interruttore Saà ̈ sempré spento.
L’utilizzo combinato della modulazione unipolare e della modulazione complementare consente, in particolare, di mantenere la corrente di uscita Iuin CCM (Continuos Current Mode) nell’intorno dello zero Crossing di corrente e garantisce il corretto funzionamento del convertitore CNPCanche nel caso in cui la tensione sul ramo di uscita Ruabbia, in alcuni istanti o periodi temporali, segno opposto rispetto alla corrente di uscita Iu.
In tal modo vengono eliminate le distorsioni della tensione di uscita Vugenerata dal convertitore CNPCin corrispondenza dello zero Crossing della corrente di uscita Iu.
In figura 12, ad evidenziare il corretto funzionamento del dispositivo D, sono mostrati gli andamenti della tensione di riferimento Urif(scalata di un fattore 10) in ingresso all’unità di modulazione M e della corrente di uscita Iudel convertitore CNPCnell’intomo dello zero Crossing.
La figura 13 e la figura 14 riportano, infine, gli andamenti della tensione Vu’ e della corrente di uscita Iu’ del dispositivo D secondo il trovato nell’intorno dello zero Crossing della corrente di uscita e nel caso in cui il carico sia la normale rete di distribuzione di energia.
Il metodo secondo il trovato comprende una fase di confronto del valore della corrente di uscita Iucon un valore di soglia positivo Ippredefinito e con un valore di soglia negativo Inpredefinito ed una fase di pilotaggio del convertitore CNPCper la conversione della tensione continua VdCin ingresso nella corrente di uscita Iualternata, in cui il convertitore CNPCà ̈ pilotato con una modulazione di larghezza di impulso di tipo unipolare quando il valore della corrente di uscita Iuà ̈ superiore al valore di soglia positivo Ipod inferiore al valore di soglia negativo Ine con una modulazione di larghezza di impulso di tipo complementare quando il valore della corrente di uscita Iuà ̈ inferiore al valore di soglia positivo Ipe superiore al valore di soglia negativo In.
In particolare, la fase di pilotaggio comprende una fase di generazione del primo, del secondo, del terzo e del quarto segnale di controllo Pa, Pb, Pce Pd, modulati a larghezza di impulso ed atti a controllare il primo, il secondo, il terzo ed il quarto interruttore Sa, S3⁄4, Sce Sd.
Vantaggiosamente, il metodo secondo il trovato comprende una fase di generazione del segnale di riferimento Urife la fase di pilotaggio del convertitore C^c e effettuata in funzione di tale tensione di riferimento Urifed in funzionane della corrente di uscita Iu.
In particolare, nel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia superiore al valore di soglia positivo Ipe la tensione di riferimento Urifsia maggiore di zero, il metodo prevede il pilotaggio del convertitore CNPCcon una modulazione di larghezza di impulso di tipo unipolare in cui, come illustrato in figura 8:
il primo interruttore Saà ̈ commutato periodicamente ad una frequenza predefinita mediante il segnale Pa;
il secondo interruttore Sbà ̈ sempre acceso;
il terzo ed il quarto interruttore Sce Sdsono sempre spenti.
Nel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia inferiore al valore di soglia negativo Ine la tensione di riferimento Unfsia minore di zero, il metodo prevede il pilotaggio del convertitore QMPCcon una modulazione di larghezza di impulso di tipo unipolare in cui, come illustrato in figura 9: il quarto interruttore Sdà ̈ commutato periodicamente ad una frequenza predefinita mediante il segnale Pa;
il terzo interruttore Scà ̈ sempre acceso;
il primo ed il secondo interruttore Sae Sbsono sempre spenti.
Nel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia inferiore al valore di soglia positivo Ippredefinito e la tensione di riferimento Unfsia maggiore di zero, il metodo prevede il pilotaggio del convertitore CKpc con una modulazione di larghezza di impulso di tipo complementare in cui, come illustrato in figura 10:
il primo interruttore Saed il terzo interruttore Scsono commutati periodicamente ad una frequenza predefinita ed in modo complementare tra loro mediante i segnali Pae Pc;
il secondo interruttore Sbà ̈ sempre acceso;
il quarto interruttore Sdà ̈ sempre spento.
Nel caso in cui il valore della corrente di uscita Iusia superiore al valore di soglia negativo Inpredefinito e la tensione di riferimento Unfsia minore di zero, il metodo prevede il pilotaggio del convertitore CNPCcon una modulazione di larghezza di impulso di tipo complementare in cui, come illustrato in figura 11 :
il secondo interruttore Sbed il quarto interruttore Sdsono commutati periodicamente ad una frequenza predefinita ed in modo complementare tra loro mediante i segnali Pbe Pd;
il terzo interruttore Scà ̈ sempre acceso;
il primo interruttore Saà ̈ sempre spento.
Utilmente, il metodo prevede inoltre una fase di generazione di una corrente di riferimento Irifed una fase di calcolo della differenza tra tale corrente di riferimento Irife la corrente di uscita Iu.
La tensione di riferimento Unfda generare in ingresso all’unità di modulazione M à ̈ quindi determinata in funzione della differenza calcolata tra la corrente di riferimento Infe la corrente di uscita Iu.
Il metodo comprende, infine, una fase di filtraggio della corrente di uscita Iumediante Punita di filtraggio F.
Si à ̈ in pratica constatato come il trovato descritto raggiunga gli scopi proposti e in particolare si sottolinea il fatto che il dispositivo ed il metodo per la conversione di corrente continua in corrente alternata secondo il trovato, in particolare l’uso combinato della modulazione di tipo unipolare e della modulazione di tipo complementare, consentono di eliminare i disturbi presenti in corrispondenza dello zero Crossing della corrente di uscita e, al contempo, consentono di ridurre al minimo indispensabile il numero di commutazioni degli interruttori dell’inverter.
Questo comporta, oltre ad una riduzione dei disturbi rispetto alla sola modulazione di tipo unipolare, anche una riduzione delle perdite energetiche rispetto alla modulazione di tipo complementare.
Infatti, rispetto alla modulazione complementare, il trovato descritto consente di ridurre le perdite legate alle commutazioni mediante circuito di pilotaggio degli interruttori centrali dell’ inverter e, inoltre, consente di ridurre i requisiti di dimensionamento di tale circuito di pilotaggio in quanto gli interruttori centrali sono impiegati soltanto per una piccola percentuale del periodo della corrente di uscita.
Il trovato descritto consente, inoltre, l’eliminazione delle perdite addizionali sui diodi dell’mverter legate alle rispettive correnti di dispersione.
Non ultimo vantaggio à ̈ dato dal fatto che il trovato descritto consente una minore distorsione della tensione di uscita nella zona di modulazione unipolare, dovuta in particolare all’assenza di tempi morti che riducono la tensione utile sul carico a parità di duty cycle di riferimento.
Claims (4)
- RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo (D) per la conversione di corrente continua in corrente alternata, comprendente almeno un convertitore (CNPC) multilivello associato ad almeno una sorgente di tensione continua (VdC) ed almeno una unità di modulazione (M) provvista di mezzi di pilotaggio di detto convertitore (CNPC) per la conversione di detta tensione continua (VdC) in una corrente di uscita (Iu) alternata, caratterizzato dal fatto che detta unità di modulazione (M) comprende mezzi di confronto del valore di detta corrente di uscita (Iu) con almeno un valore di soglia positivo (Ip) predefinito ed almeno un valore di soglia negativo (In) predefinito, detti mezzi di pilotaggio essendo atti a pilotare detto convertitore (CKPC) con una modulazione di impulso di tipo unipolare nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia superiore a detto valore di soglia positivo (Ip) od inferiore a detto valore di soglia negativo (In) e con una modulazione di impulso di tipo complementare nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia inferiore a detto valore di soglia positivo (Ip) e superiore a detto valore di soglia negativo (In).
- 2) Dispositivo (D) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto convertitore (CNPC) comprende almeno un ramo di uscita (Ru) provvisto di almeno un primo ed un secondo interruttore elettronico (Sae Sb) associati in serie tra loro tra il polo positivo (Vdc+) di detta sorgente di tensione continua (Vdc) ed almeno un terminale di uscita e provvisto di almeno un terzo ed un quarto interruttore elettronico (Sce Sd) associati in serie tra loro tra il polo negativo (Vdc-) di detta sorgente di tensione continua (Vdc) e detto terminale di uscita, detti interruttori elettronici (Sa, Sb, Sc, Sd) essendo operativamente associati a detti mezzi di pilotaggio dell’unità di modulazione (M).
- 3) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di pilotaggio comprendono mezzi di generazione di almeno un primo, secondo, terzo e quarto segnale di controllo (Pa, Pb, Pc, Pd) modulati a larghezza di impulso ed atti a controllare detto primo, secondo, terzo e quarto interruttore (Sa, Sb, Sc, Sd).
- 4) Dispositivo (D) secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto convertitore (CNPC) comprende almeno un ramo di ingresso (R,) provvisto di almeno due condensatori (C) associati in serie tra loro e provvisto di almeno un terminale associato al polo positivo (Vdc+) di detta sorgente di tensione continua (Vdc) e di almeno un terminale opposto associato al polo negativo (Vdc-) di detta sorgente di tensione continua (Vdc)-5) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto ramo di uscita (R^) comprende almeno un primo diodo (Da) con l’anodo associato a detto ramo di ingresso (R,), in corrispondenza di un punto di connessione (NP) tra detti due condensatori (C), e con il catodo associato a detto ramo di uscita (R^), in corrispondenza di un punto di connessione tra detti primo e secondo interruttore (Sae Sb), ed almeno un secondo diodo (Db) con il catodo associato a detto ramo di ingresso (Ri), in corrispondenza di detto punto di connessione (NP) tra detti due condensatori (C), e con l’anodo associato a detto ramo di uscita (R^), in corrispondenza di un punto di connessione tra detti terzo e quarto interruttore (Sce Sd). 6) Dispositivo (D) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto punto di connessione (NP) tra detti condensatori (C) à ̈ un punto neutro a tensione nulla. 7) Dispositivo (D) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto convertitore (CNPG) comprende una pluralità di detti rami di uscita (Ru). 8) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti primo, secondo, terzo e quarto interruttore (Sa, Sb, Sc, Sd) sono del tipo di Mosfet, IGBT o simili. 9) Dispositivo (D) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una unità di controllo di corrente (A) operativamente associata a detta unità di modulazione (M) e provvista di mezzi di generazione di una tensione di riferimento (Urif), detti mezzi di pilotaggio essendo atti a pilotare detto convertitore (CNpc) in funzione di detta tensione di riferimento (Urif) e di detta corrente di uscita (Iu). 10) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia superiore a detto valore di soglia positivo (Ip) e detta tensione di riferimento (U ) sia maggiore di zero, detti mezzi di pilotaggio sono atti a pilotare detto convertitore (CNPC) con una modulazione di larghezza di impulso di tipo unipolare in cui: detto primo interruttore (Sa) à ̈ commutato periodicamente ad una frequenza predefinita; detto secondo interruttore (Sb) à ̈ sempre acceso; detti terzo e quarto interruttore (Sce Sd) sono sempre spenti. 11) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia inferiore a detto valore di soglia negativo (In) e detta tensione di riferimento (Urif) sia minore di zero, detti mezzi di pilotaggio sono atti a pilotare detto convertitore (CKPC) con una modulazione di larghezza di impulso di tipo unipolare in cui: detto quarto interruttore (Sd) à ̈ commutato periodicamente ad una frequenza predefinita; detto terzo interruttore (Sc) à ̈ sempre acceso; detti primo e secondo interruttore (Sae S3⁄4) sono sempre spenti. 12) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia inferiore a detto valore di soglia positivo (Ip) e detta tensione di riferimento (Unf) sia maggiore di zero, detti mezzi di pilotaggio sono atti a pilotare detto convertitore (CNPC) con una modulazione di larghezza di impulso di tipo complementare in cui: detto primo interruttore (Sa) e detto terzo interruttore (Sc) sono commutati periodicamente ad una frequenza predefinita ed in modo complementare tra loro; detto secondo interruttore (Sb) à ̈ sempre acceso; detto quarto interruttore (Sd) à ̈ sempre spento. 13) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia superiore a detto valore di soglia negativo (In) e detta tensione di riferimento (Urif) sia minore di zero, detti mezzi di pilotaggio sono atti a pilotare detto convertitore (CNpc) con una modulazione di larghezza di impulso di tipo complementare in cui: detto secondo interruttore (Sb) e detto quarto interruttore (Sd) sono commutati periodicamente ad una frequenza predefinita ed in modo complementare tra loro; detto terzo interruttore (Sc) à ̈ sempre acceso; detto primo interruttore (Sa) à ̈ sempre spento. 14) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una sorgente di una corrente di riferimento (lrif) e mezzi di calcolo della differenza tra detta corrente di riferimento (Irif) e detta corrente di uscita (Iu). 15) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo di corrente (A) comprende mezzi di determinazione della tensione di riferimento (Urif) da generare in funzione della differenza calcolata tra detta corrente di riferimento (Irif) e detta corrente di uscita (Iu). 16) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende almeno un’unità di filtraggio (F) disposta a valle rispetto a detto convertitore (CNPC) ed atta a filtrare detta corrente di uscita (Iu). 17) Dispositivo (D) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta unità di filtraggio (F) comprende almeno uno tra un filtro LC, un filtro LCL o simili. 18) Metodo per la conversione di corrente continua in corrente alternata, comprendente almeno una fase di pilotaggio di un convertitore (CNPC) multilivello per la conversione di una tensione continua (Vdc) in una corrente di uscita (Iu) alternata, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una fase di confronto del valore di detta corrente di uscita (Iu) con almeno un valore di soglia positivo (Ip) predefinito ed almeno un valore di soglia negativo (In) predefinito, detta fase di pilotaggio essendo atta a pilotare detto convertitore (CNPC) con una modulazione di impulso di tipo unipolare nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (lu) sia superiore a detto valore di soglia positivo (Ip) od inferiore a detto valore di soglia negativo (In) e con una modulazione di impulso di tipo complementare nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia inferiore a detto valore di soglia positivo (Ip) e superiore a detto valore di soglia negativo (In). 19) Metodo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detto convertitore (CNPC) comprende almeno un ramo di uscita (Ru) provvisto di almeno un primo ed un secondo interruttore (Sae Sb) elettronico associati in serie tra loro tra il polo positivo (Vdc) di una sorgente di detta tensione continua (VdC) ed almeno un terminale di uscita e provvisto di almeno un terzo ed un quarto interruttore (Sce Sd) elettronico associati in serie tra loro tra il polo negativo (Vdc-) di detta sorgente di tensione continua (Vdc) e detto terminale di uscita. 20) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni 18 o 19, caratterizzato dal fatto che detta fase di pilotaggio comprende una fase di generazione di almeno un primo, secondo, terzo e quarto segnale di controllo (Pa, Pb, Pc, Pd) modulati a larghezza di impulso ed atti a controllare detto primo, secondo, terzo e quarto interruttore (Sa, Sb, Sc, Sd). 21) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 20, caratterizzato dal fatto che detto convertitore (CKPC) comprende almeno un ramo di ingresso (Rj) provvisto di almeno due condensatori (C) associati in serie tra loro e provvisto di almeno un terminale associato al polo positivo (Vdc+) di detta sorgente di tensione continua (Vdc) c di almeno un terminale opposto associato al polo negativo (VdC-) di detta sorgente di tensione continua (Vdc). 22) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 21, caratterizzato dal fatto che detto ramo di uscita (Ru) comprende almeno un primo diodo (Da) con l’anodo associato a detto ramo di ingresso (Rj), in corrispondenza di un punto di connessione (NP) tra detti due condensatori (C), e con il catodo associato a detto ramo di uscita (Ru), in corrispondenza di un punto di connessione tra detti primo e secondo interruttore (Sae Sb), ed almeno un secondo diodo (Db) con il catodo associato a detto ramo di ingresso (Rj), in corrispondenza di detto punto di connessione (NP) tra detti due condensatori (C), e con l’anodo associato a detto ramo di uscita (Ru), in corrispondenza di un punto di connessione tra detti terzo e quarto interruttore (Sce Sd). 23) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 22, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una fase di generazione di una tensione di riferimento (Urif), detta fase di pilotaggio del convertitore (CNPC) essendo effettuata in funzione di detta tensione di riferimento (Urif) e di detta corrente di uscita (Iu). 24) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 23, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia superiore a detto valore di soglia positivo (Ip) e detta tensione di riferimento (Urif) sia maggiore di zero, detta fase di pilotaggio à ̈ atta a pilotare detto convertitore (CNPC) con una modulazione di larghezza di impulso di tipo unipolare in cui: detto primo interruttore (Sa) à ̈ commutato periodicamente ad una frequenza predefinita; detto secondo interruttore (Sb) à ̈ sempre acceso; detti terzo e quarto interruttore (Sce Sd) sono sempre spenti. 25) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 24, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia inferiore a detto valore di soglia negativo (In) e detta tensione di riferimento (Urif) sia minore di zero, detta fase di pilotaggio à ̈ atta a pilotare detto convertitore (CNPC) con una modulazione di larghezza di impulso di tipo unipolare in cui: detto quarto interruttore (Sd) à ̈ commutato periodicamente ad una frequenza predefinita; detto terzo interruttore (Sc) à ̈ sempre acceso; detti primo e secondo interruttore (Sae Sb) sono sempre spenti. 26) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 25, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia inferiore a detto valore di soglia positivo (Ip) e detta tensione di riferimento (Urif) sia maggiore di zero, detta fase di pilotaggio à ̈ atta a pilotare detto convertitore (CNPC) con una modulazione di larghezza di impulso di tipo complementare in cui: detto primo interruttore (Sa) e detto terzo interruttore (Sc) sono commutati periodicamente ad una frequenza predefinita ed in modo complementare tra loro; detto secondo interruttore (Sb) à ̈ sempre acceso; detto quarto interruttore (Sd) à ̈ sempre spento. 27) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 26, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui detto valore della corrente di uscita (Iu) sia superiore a detto valore di soglia negativo (In) e detta tensione di riferimento (Urif) sia minore di zero, detta fase di pilotaggio à ̈ atta a pilotare detto convertitore (CNPC) con una modulazione di larghezza di impulso di tipo complementare in cui: detto secondo interruttore (Sb) e detto quarto interruttore (Sd) sono commutati periodicamente ad una frequenza predefinita ed in modo complementare tra loro; detto terzo interruttore (Sc) à ̈ sempre acceso; detto primo interruttore (Sa) à ̈ sempre spento. 28) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 27, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una fase di generazione di una corrente di riferimento (Irif) ed almeno una fase di calcolo della differenza tra detta corrente di riferimento (Irif) e detta corrente di uscita (Iu). 29) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 28, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una fase di determinazione della tensione di riferimento (Urif) da generare in funzione della differenza calcolata tra detta corrente di riferimento (Irif) e detta corrente di uscita (Iu). 30) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni dalla 18 alla 29, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una fase di filtraggio di detta corrente di uscita (Iu).
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