Studio e simulazione di un inverter di tipo Z per veicoli elettrici

ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA

SECONDA FACOLTA’ DI INGEGNERIA

CON SEDE A CESENA

CORSO DI LAUREA IN

INGEGNERIA MECCANICA

Sede di Forlì

ELABORATO FINALE DI LAUREA IN

Azionamenti Elettrici

Studio e simulazione di un inverter di tipo Z per

veicoli elettrici

CANDIDATO

RELATORE

Andrea Rotondi

Prof. Angelo Tani

Anno accademico 2011/2012

Sessione II

Ai miei genitori

che hanno sempre creduto in me.

Indice

Introduzion e VII

Capi tolo 1 – Gen era lità sui vei co li el ettrici 1

1.1 Intro duzione 1

1.2 Veicolo puro el et tri co 2

1.3 Veicolo ibrido s erie 3

1.4 Veicolo ibrido parall elo 5

1.5 V eicolo ibrido s erie -parallelo 6

1.6 Veicolo ibrido compl esso 7

1.7 Veicolo ibrido bimodale 9

1.8 Veicolo ibrido pes ant e 9

1.9 Veicolo ibrido plu g -i n 10

1.10 V ei col o a idro geno (cell a a com bust ibile) 11

Capi tolo 2 – Z-source Inverter 13

2.1 Intro duzione 13

2.2 Z-source Convert er 17

2.3 Z-S ource Invert er alim ent ato da cella a combustibil e 2.3.1 Circuito eq uivalente e prin ci pio di funzion am ento 2.3.2 Anal isi del circuito e tensio ni ot teni bili i n outp ut

19 21 23 2.4 R equisit i di ind uttanz a e condens atore nell a rete Z -s ource 27

2.5 P arametri della ret e di impedenz e 28

2.6 Alt re tip ologie di Z -source 30

2.7 Modulazi one Double -Sided per Ch op per Z -s ource 32 2.8 Tecniche di cont roll o PWM p er In verter Tri fase Z-source 37

2.9 Modulazion e S VPWM per In verter t ri fese Z -source 43

Capi tolo 3 – Simulazion e di un Chopper Z -sou rce 49

3.1 Int roduzio ne 49

3.2 Pres ent azion e del Software 49

3.3 Modellizz azione del Chopp er Z -source 50

3.4 Simulazione con mo dul azione Doubl e -Si ded 52 3.5 Analis i d ei ris ult ati ottenuti con l a simulazione con 54 mod ulazione Double -Sided

Capi tolo 4 – Simulazion e di un Inverter trifas e Z -sou rce 57

4.1 Int roduzio ne 57

4.2 Modellizz azione dell ’ Inverter tri fas e Z -s ource 57

4.3 Si mulazione con modulazione SVPW M 61

4.4 Analis i d ei ris ult ati ott enut i con la simulazion e con 61 mod ulazione S VP WM

Conclusioni 65

INTRODUZIONE

Lo sviluppo dell e automobili è st ato co nsisteste da molt i punti di vist a, come il confort, la sicurezza, l’estetica, il rendimento, ma la propulsione è ancora affidata ad un motore a combustion e i nterna. Il moto re a combusti one interna si adatt a molto bene ai requi siti del la trazione stradal e ma, nonostante i mi gli orament i introdott i, rim ane comunque u n motore a forte imp atto ambient ale. In p art icolare le princip ali fonti di inquinamento sono particolato, benzene, etc oltre all’emissione diretta in atmo sfera di an idrid e carboni ca, uno delle pri nci pali caus e dell ’effetto serra. Per questi motivi v en gon o imposti limiti s em pre più res tritti vi ch e ri guardano le emissi oni inq uinanti, oltre alle imposizioni di fast idiose restrizi oni al traffico in citt à. Oltre all ’import ante questione dell’inquinamento, il costo del carburante è salito in maniera imprevedibil e negli ultimi anni . Per tu tta questa seri e di motivi si è pensat o di introdurre un a autov ett ura che limitasse le emissioni e calas se in modo signifi cativo i c o nsumi . La s cel ta è ri cadut a su auto vett ure ch e utilizzass ero com e s istemi di p ropulsio ne anche o sol amente un moto re elettrico in modo d a ridurre o com pletamente annull are le emissio ni inqui nanti oltre che a rid urre d ras ticam ente il cos to p er la moviment azione del vei col o, cio è ottimiz zando i con sumi nel caso i n cui il moto re elettrico affi an chi il moto re a combusti one int erna (si amo nei casi dei vei coli ibri di), oppure ricari cando il v ei col o d all a rete el ettrica con un costo decis amente inferio re ris pett o a qu ell o del carburante derivato dal petrolio. Un a soluzion e i n continu a fas e di svilu ppo è l’introduzione dei veicoli a idrogeno, con lo sfruttamento quindi di una cella a com bustibil e per ricavare energia elet tri ca d al com bustibil e. Il pro blema d ell a c ella a combustibile è che la sua t ens ion e non rim an e cost an te nel tempo ma può s ubi re v ari azioni ri levanti rischi ando di non fo rnire al motore el ettri co l a ten sion e che ri chiede. P er q uest o motivo è

con vertit ore p erò ha com e effetto un abbass amento d el rendimen t o. Un’altra soluzione, allo studio in questa tesi, è l’introduzione della rete Z-s ource, in grado di aumenta re la tens ione ad un v alo re richies to s enz a introdurre un convertitore, limitando per cui i costi. Nel C apit olo 1 s ono des critte le tipolo gie di vetture el ett ri che dov e la ret e Z -s ource pu ò trov are appli cazion e, in quanto p er mi gliorare la trazione è possi bil e posizionare l a rete Z -source d opo le batt eri e per aument arne la tensione. Nel C apitolo 2 son o des critt e le varie tipologie di convert itori ad alimentazione i n tensione o i n corrent e con i loro limiti e introdott a l a rete Z-source. In questo capitolo , inolt re, sono propost e delle tecniche di modulazione p er i Chopp er Z s ource (monofase) e per gli In verter Z -sou rce (tri fas e). I Capit oli 3 e 4 sono dedicati alla simul azion e rispetti vamente della tecni ca di cont rollo per il Chopp er Z -s ource e per l’inverter Z-source..

Generalità sui veicoli elettrici

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GENERALITA’ SUI VEICOLI ELETTRICI

1.1 Introduzione

Esistono divers e ti pologie di veicoli alim ent ati con m otori el ettri ci. Oltre ai veicoli “puro el ett rico ”, spinti d a un mot ore elettri co aliment ato da b att erie ri caricabili , si è int rodott a una cl as se di vei coli definita ibrida. I v eicoli ibri di sono s pinti da un motore a combus tion e interna e da un motore el ettrico con confi gurazi oni in s erie o in parall elo. I l motore a combustion e int erna fornis ce al veicolo una not evol e autonomi a che deriva dall’elevata energia specifica del carburante presente nel serbatoio, mentre il motore elettrico aumenta l’efficienza e ottimizza il consumo del carbu rante , recuperando en ergia durant e l a fren at a e immagazzinando l’energia in eccesso proveniente dal motore termico durant e i movimenti inerzi ali. Tradizionalm ent e esisto no due cat egorie bas e dei veicoli ibri di, che prendon o in nom e di ibrido serie e ibrido parallel o. Nei vei co l i ibridi seri e, il m otore a combustion e forni sce un output meccanico che è convertito in elettrico mediante l’utilizzo di un generato re , coll egati tra loro mediante un albero . L’energi a el ett rica , che deriva da t al e conversione , può cari care le bat teri e o pp ure l e p uò b yp ass are per ali mentare un mot ore elettri co che a sua vol t a aziona l e ruot e dell a vettura. Questo motore el ett rico può ess ere an ch e utilizz ato per recuperare energia d urante la frenata. Un v ei coli i brido p arallelo ha entrambe i m otori, t ermi c o e el ettrico, accop piati all a t rasmission e final e

ad alb ero alle ruote mediante frizi one. Q uesta confi gurazione permette ai moto ri di fornire pot enz a all e ruot e o con temporaneam ent e, o solo co n il moto re a combu sti one i nterna, o solo co n il moto re elet tri co. Quest’ultimo è anche utilizzato per recuperare energia durante la frenata e immagazzinare l’energia in eccesso proveniente dal motore termico durante i m ovimenti in erzi ali. Recentemente son o st ati svil uppati anche vei coli ibridi seri e -parallelo e veic oli ibridi comples si con lo s cop o di mi glio rare l e prestazioni in termini di pot enz a e ottimizzare i consumi di carburante. Esist e, i noltre, l a poss ib ilità di i nst allare a bordo un dispositivo che p erm ette l a ricarica delle b att erie dall’esterno dirett am ente dalla rete elettrica . Infin e es ist e un a cl ass e di veicoli , alimentati ad id rog eno, che s fruttano una cell a a com bustibile per produ rre energi a el et tri ca d a t rasferi re al motore elettrico.

1.2 Veicolo puro elettrico

Un motore elet trico, se oppo rtunamente controll ato , ha una carat teristica meccani ca m olto simile a qu ell a di un motore a co mbus tione i nterna e per questo m otivo è comp atibile con l’utilizzo su un’auto vettura. Per quanto ri guarda il con trollo di trazione , è s uffi ci ente utilizzare un co rrett o azionament o elet tri co elimin an do quin di s ia frizi one che il cambio. In oltre, il rendimento d ell’azio nam ent o elettrico è nett am ent e sup eri ore a qu ello del motore a combust ione interna a ogni vel ocit à. Il vei col o elettrico puro , mostrato in figur a 1.1, ha com e problema principale l’accumulo di energia a bordo; inoltre , l’energia per unità di pes o delle b atterie ora in us o è notevolment e inferi ore rispetto a quelle dei comuni combustibili e i costi d’acquisto , a parità di potenza erogata, sono n ettamente a favore dei combustibil i. Si deve anche aggiun gere che il pes o degli accumu latori risulta in accettabil e p er aut onomie elevat e ed è p ropri o qu esto il grosso limit e per qu esta categoria di vettu re .

Generalità sui veicoli elettrici

F i g . 1 . 1 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o e l e t t r i c o p u r o .

1.3 Veicolo ibrido serie

Nei vei co li ibrido s eri e, il moto re a combus tione fornis ce un output meccanico che è convertito in elettrico mediante l’utilizzo di un generato re coll egat i tra loro mediante un alb ero . L’en ergia el ettrica che deriv a da t al e conversione può caricare le b atterie opp ure l e pu ò b yp ass are per ali mentare un mot ore elettri co che a sua vol t a aziona l e ruot e d ell a vettu ra con una oppo rt un a trasmission e meccan ica. In pratica , come most rato nella figura 1.2, è un veicolo el ett rico “ass istito” da un motore termico, che ha come obiettivo di aumentare l’autonomia in modo che s ia comp arabile con le autov ettu re tradizionali. A caus a del disacco ppiamento tra mo tore termico e ru ote, si h a un v ant aggio i n termini di flessibili tà p er il controllo da part e della cent ralin a d ella coppi a moto re term ico -generat ore. Ino ltre , si ha il vantaggio di un a

semp licità delle tras missioni. S ervono t re dispositivi di propulsio ne, il moto re a combusti one i nt erna, il gen eratore e il motore elett ri co; pertanto, il rendimento del vei colo ibrido serie è generalm ent e basso. Un ulterio re svantaggio è che qu esti di spositivi di pro pulsi one dev ono ess ere dimensionati in base all a m assi ma pot enz a sostenibi le come s e il veicolo av ess e lo scopo di s calare una lu nga pendenza , e t utto ciò rend e molt o cost oso il veicolo. D’alt ro canto, qu an do il v eicolo è uti lizzato p er cop rire brevi distanze in pi an ura, il sis tema motore-generatore ri sult a sov radim ension ato .

F i g . 1 . 2 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o i b r i d o s e r i e .

Esistono sei possi bil ità di funzi onamento per quest a tipol ogi a di vei coli: 1) Mod alità p uro elettrico: i l mot ore t ermi co è s pento e il veicolo è

azion ato solo dall e batterie;

2) Mod alità sol o mot ore termi co: i l veicolo è azionato solo dall ’acco ppiamento moto re termi co -generat ore;

termico-Generalità sui veicoli elettrici

generato re che la batteria fornis con o pot enza al m otore elettrico; 4) Modalit à division e di potenza: l’accoppiam ent o m otore t ermico

-generato re di vide l a potenza: d a una parte r icarica le b att erie e dall’altra fornisce potenza per il movimento;

5) Modalit à ricarica in stazio nam ento; 6) Modalit à rigenerazione in frenata.

1.4 Veicolo ibrido parallelo

Nei veicoli ibrido p arall elo sia il motore a combus tione int erna che il motore el ett rico fornis co no potenz a i n parallelo alle ruote mot rici. Poich é si a il moto re termi co ch e il mo tore el ettrico sono g en eralm ente accoppiati con l’albero di trasmissione delle ruote mediante due frizioni, la potenza all’albero può essere fornita o solo dal motore termico, o solo dal motore elett rico, o da entrambi. In prat ica , com e mostrat o in fi gura 1.3, è un veicolo tradizion al e assistito da un motore el ettri co col fi ne di raggiu ngere min ori emiss ioni e minori consum i. Il mot ore elett rico può ess ere utili zzat o come generatore per ricaricare le batterie durante l a frenat a oppure può ass orbire pot enz a d al moto re t erm ico qu and o quella in output da quest’ultimo è maggiore di quella richiesta. Il veicolo ibrido parallel o necess ita solo di due disposi tivi di pro pul sione (vantaggio risp ett o al s erie), il motore a combus tione int erna e il mot ore elettrico. Un altro vantaggi o rispetto alla con fi gurazi one in serie è che poss ono ess ere utilizzati motori, sia termi co che elettrico, più pi ccoli ottenendo la st ess a perfo rmance fin ch é la bat teria non è esauri ta. Anche per lu nghe percorrenz e, è neces sario dimension are alla m assima potenz a sost enib ile solo il moto re term ico m ent re il mot ore el ett ri co può ess ere circa la met à.

Esistono varie pos sibilità di funzionamento p er g li i bridi p arall eli:

azion ato dal solo mo tore elett rico;

2) Mod alità veicolo tradizionale: il v ei co lo è azionat o d al solo motore termi co;

3) Mod alità co mbinat a: sia il motore t ermi co che il motor e elettrico forniscono potenza all’albero di trasmissione;

4) Mod alità divis ione d i pot enz a: il motore t ermico divid e la p otenz a: da una parte ricarica le batterie e dall’altra fornisce potenza per il movim ent o (il m otore elettrico divent a generatore);

5) Mod alit à ricarica in stazio nam ento; 6) Mod alità ri gen erazio ne in frenat a.

F i g . 1 . 3 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o i b r i d o p a ra l l e l o .

1.5 Veicolo ibrido serie-parallelo

Nel la con figu razione serie -parallel o, si i ncorpo rano nel veicol o ibrido l e caratteristiche sia dell’ibrido serie sia dell’ibrido parallelo , aggiungendo un ulteriore collegamento meccanico rispetto all’ibrido serie e anche un generatore addizionale rispetto all’ibrido parallelo , come mostrato in

Generalità sui veicoli elettrici

fi gura 1.4 . S ebb ene possieda i v an t aggi sia del s eri e che del parallelo, l’ibrido serie-parallelo è relativamente più complicato e costoso. Tuttavia, con i pro gressi nelle tecnologie di cont roll o e di produzione, alcuni v ei coli ib ridi moderni adot tano qu esto sis tema.

F i g . 1 . 4 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o i b r i d o s e r i e - p a ra l l e l o .

1.6 Veicolo ibrido complesso

L’ibrido complesso è simile all’ibrido serie -parallelo, poiché il generato re e il motore el ettrico so no ent rambe m acchine elettriche . Tuttavia, la di fferenza s os t anzi ale è dovut a al fluss o d i pot enz a bidi rezionale del m otore elettrico nel veicolo i brido comp less o e del flus so u nidirezionale del gen eratore nel serie -parall elo. Questo fl usso bidi rezionale di po tenz a può cons enti re m etodi o perativi vers atili , speci alm ent e la modalit à co n tre prop ulso ri di potenz a , che n on può essere offerta dall’ibrido serieparallelo. Simile ai veicoli serie -parallel o, il veicolo ibri do compl es so è affett o da un’alta co mplessit à e cost o. C iononostant e è stato introdott o recent em ent e un vei col o ib rido

ch e ado tta ques to s istema per l a propulsione su du e as si. In figura 1.5 sono most rat e l e vari e tipolo gie fino qui des cri tte, in p arti col are il vei col o ibrido com pless o in figu ra 1.5 (d ). 0

F i g . 1 . 5 : ( a ) i b r i d o s e r i e ; ( b ) i b r i d o p a r a l l e l o ; ( c ) i b r i d o s e r i e - p a r a l l e l o ( d ) i b r i d o c o m p l e s s o .

Generalità sui veicoli elettrici

1.7 Veicolo ibrido bimodale

Nei veicoli ibri di di tipo bimod al e il motore termi co aziona l e ruot e anteriori, mentre i l moto re el ettri co azi ona quelle posteriori, per cui il recupero di energi a all a frenat a è limitat o s olamente all e ru ote posteriori , com e mostrato in fi gura 1.6 . Uno d ei m aggiori vantaggi di questi veicol i è la semplicit à del si stema meccan ico, inolt re il cost o risul ta accettabile.

F i g . 1 . 6 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o i b r i d o b i m o d a l e .

1.8 Veicolo ibrido pesante

I veicoli tipicamente us ati p er cons egne s ono uno sp eci al e tip o di veicoli , di solito deno min ati veicoli pes anti. Quando ibri dat o, quest o veicolo viene denominat o ibrido p es ante. Gli ibri di p es anti possono ess ere sia con con figurazione seri e che parallel o e posso no avere come combusti bile benzina o dies el.

1.9 Veicolo ibrido plug-in

I veicoli ibridi di t ipo plug -i n hanno una batt eria ad alta densit à di en ergia ch e può ess ere caricata esternament e e, in oltre, può utilizzare la modalit à puro el ettrico per un periodo maggiore rispetto alle altre vetture ibride che ha come risul t ato un minor con sumo di carburan te. Negli ib ridi plug -in è inst allato a b ordo un cari ca b atteri e che p erm ette la ricarica direttamente dalla rete elettrica, aumentando l’efficienza del vei col o. La caratt eristica plug -in può es sere appli cat a su ogni tip olog ia di vei colo ibri do; in figura 1.7, per esempio, è mostrato un vei colo ibri do s erie plu g -in .

Generalità sui veicoli elettrici

1.10 Veicolo a idrogeno (cella a combustibile)

I v ei coli aliment ati a cella a combustibile pos sono ess ere co nsid erati come veicoli ibri di di tipo s erie . Uno s ch em a di ques ti v eicoli è mostrato in figura 1.8 . La cella combustibile a b ordo produce el ett ri cit à, ch e è utilizzat a o per fornire pot enz a al motore che fornis ce propulsione oppu re imm agazzinata i n batt erie a bord o per ess ere utilizz at a in futu ro. Questa tipol ogia di vei col o pu r avendo elevatissi ma autono mia con zero emiss ioni è molto costos a. Inolt re l a t ecno logia per s frutt are a p ieno questo v ei col o non risult a tut tora di s pon ibile, compresa la ret e di distribuzione dell’idrogeno, aggiunto al problema della produzione di quest’ultimo.

F i g . 1 . 8 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o a i d ro g e n o .

Poich é l a cell a a combustibile produce una tensio ne ch e dip ende fo rtemente dalla corr ent e ero gata, quin di am piament e variab ile, risulta problematico l’utilizzo di un tradizionale inverter a tensione impressa in quanto quest’ultimo non può produrre una tensione alternata in uscita

ch e sia più gran de dell a tensione continua i n ingress o e si rende necessario l’utilizzo di un secondo convertitore di tipo boost tra la cella a combustibile e l’inverter. Lo svantaggio che ne deriva è una riduzione del rendimento dovut a al funzion am ento in cas cat a d ei due convertit ori .

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Z-SOURCE INVERTER

2.1 Introduzione

Esistono du e t radizionali tipi di con vertitori: i conv ertito ri aliment ati in tens ione (V -s ou rce) e i convertitori al iment ati in corrente ( I-s ource) (op pure inv erter, ci ò dipend e d alla direz ione del flusso di p otenza). La fi gura 2.1 mo stra l a strutt ura di un con vertito re tradizion al e a tensione impress a: una s orgen te di t ension e continu a support ata da un condens atore di rel ativa gran de capac it à ch e alimentano il prin cip al e circuito di co nv ersione, un pont e trifase.

La sorgente di tens ione co ntinua potreb be es sere u na batt eria, una cell a a com bustibil e, un raddrizzat ore a dio di e/o un cond en satore. Nel prin ci pal e circuito di conversion e s on o ut ilizzati s ei i nterrutto ri ch e s ono norm alm en te comp os ti da un transistor di pot enza collegato co n un diod o in antiparallelo per fo rn i re un fl usso di corrente bi direzi onale e la cap acit à di blocco unidi rezionale p er quanto ri gu arda la tens ion e. Il con vertit ore V -s ource è ampi am ent e util izzato ma, no nost ant e ciò, h a i seguenti limiti :

 La tensione alternata in uscita è superiormente limi tata e non può sup erare il valore della t ension e continua in ingresso op pu re l a tens ione co ntinua deve ess ere maggiore rispetto all a tens ione alternata in ingresso. Perciò l’inverter V -source è un convertitore buck (step -do wn ) per la conversione da t ension e continua a tens ione altern ata e il con vertitore V -sou rce è un conv ertitor e boost (step -u p) p er l a conv ersione da t en sion e al ternata a t en sion e con tinua cost ant e. P er l e appli cazioni do ve è d esiderabil e ott en ere una tensi one s uperi ore e qu ell a cost an te di sponib ile è limitat a, occo rre u n ult erio re convertitore boost in cont inua per ott en ere la tensione alternata desiderata in uscita. L’ulteriore stadio di con versi one aum en ta il costo d el circuito e ne dimi nuis ce il rendim ent o.

 I dispositivi superiori e inferiori di ogni ramo di fase non possono ess ere commutati si multaneamente, in quanto si corre il ris chio di un cortocircuito in grado di danneggi are i compon en ti. Quest a problematica condiziona più di ogni altro l’affidabilità del con vertit ore. Perciò è nece ss ario nel con vertito re V -s ource fornire un period o dove s ono ap erti sia il dispositivo superiore ch e inferiore (tempo di interbl occo ), cau sando dis torsio ni dell e forme d’onda, etc.

Z-Source Inverter

una tensio ne sinusoidale com parabil e con l’i nverter I -source, che caus a u na p erdit a di potenza addizionale e d ifficoltà di con tro llo.

La fi gura 2. 2 m ost ra l a st rut tura di un conv ertitore tradizional e a corren te imp ress a: una sorgent e di corrente continu a che alim enta il princi pale circuit o di conv ersion e, un pon te t ri fase.

F i g . 2 . 2 : C o n v e r t i t o r e t r a d i z i o n a l e d i t i p o I - s o u r c e .

La sorgente di corrente co ntinua pot rebbe ess ere un indu ttore di relativa grand e ind uttanza , una cell a a combus tibile o ppure u n raddrizz atore contro llato a SCR. Nel pri ncipale ci rcui to di con versi one so no utilizz ati sei int erruttori ch e sono norm alm ent e comp osti d a un disposit ivo di comm utazi one a s emicondut tore con la capacità di blocco nel cas o di inv ers ione d ell a corrente, p er esempio un GTO (Gat e -tu rn -off) o SCR (Sili con Cont rolled Rectifi er ) oppu re un transi sto r di pot enz a coll egato in serie con un di odo per fornire un fluss o di corrent e u nidirezional e e l a capacit à di bloccare la tensi one bi direz ion almente. Nonost ante ciò, il convertitore I-so urce ha i s egu enti limiti :

all’originale tensione continua che alimenta l’induttore o che la tens ione co ntinua prodotta è sempre minore rispetto all a tensione alternata in i nput . Perciò l’invert er I -source è u n conv ertitor e boost (st ep -up) per la conversione d a t en sion e contin ua a tensione alternat a e il convertitore I source è un conv ertito re bu ck (step -down) p er la conv ers ione da tensione alt ernata a tensione cont inua. Per l e applicazioni dove è d esiderabil e otten ere un ampio ran ge di tens ione, occorre u n ult eriore conv erti tore buck (o boost) in con tinua. L’ult eriore st adio di conversi one aum en ta il cos to del circuito e ne diminui sce il rendim ento .

 Almeno uno dei dispositivi superiori e uno dei dispositivi inferiori dev e essere attiv o e mantenuto attivo in ogni momento. Altri menti, si ottiene un circuito aperto con l’induttanza con il conseguente dan neggiamento dei dispositivi . Il problema d el circuito aperto che nasce con l’interruzione del segnale di gate causata dai disturbi è il problema che desta più preoccupazioni per l’affidabilità del con vertit ore. È necessario una s ov rapposizione temporal e per un a sicura com mut azion e per l a corrente n el convertit ore I -s ource, ch e però caus a dist orsion i nella forma d’on da, etc.

 Gli interruttori principali del convertitore I-source devono bloccare il fluss o di tension e inverso e questo ri chiede un diodo in serie utilizzat o in combi nazio ne co n transist or ad alta v el ocit à ed el ev at e perfo rmance com e gli IGBT ( Ins ulated Gate Bipol ar Transistor). Questo previene l’uso diretto di moduli IGBT low -cost ad el ev at e prest azioni e IPM ( Intelli gent Power Modul e).

In più, si a il convert itore V -sou rce che il convert itore I -s ource han no i segu enti pro blemi comuni:

 Sono o convertitori boost o convertitori buck ma non possono ess ere conv ertito ri buck -boost. P er qu esto, il ran ge di tensione

Z-Source Inverter

ottenibile in us cit a è limitato ad ess ere o m aggiore o mino re rispett o alla tens ione in i ngresso.

 I loro circuiti principali non possono essere intercambiabili. In altre p arole, n é il ci rcuito principale d el convertitore V -s ource può es sere utilizzato per il con vertitore I -source, né vi cev ersa.  Sono vulnerabili ai disturbi in termini di affidabilità.

2.2 Z-source converter

Per superare i probl emi dei con vertit ori V -so urce e I-s ource, si introdu ce il conv ertit ore Z-so urce [1]. La figura 2.3 most ra la st rutt ura generale del conv ertito re Z -s ource.

F i g . 2 . 3 : S t r u t t u r a g e n e r a l e d e l C o n v e r t i t o r e Z - s o u r c e .

Questo utilizza u na interfaccia di ti po LC (imp ed enz a) per collegare il circuito principale a una sorgent e, a un carico opp ure ad un ult eriore convertitore, per fornire pot enzi alità che non possono es sere ottenut e nei tradizionali conv ertitori V -so urce o I-so urce dove so no utilizzati

rispetti vamente condensat ori o ppure in duttanze. Il convertitore Z -so urce sup era i limiti so pra menzion at e dei trad izionali con vertit ori V -s ource e I-s ource e fornis ce un nuo vo concetto di conversi one. In figura 2.3, una rete composta da du e p o rte, ch e consistono i n d ue indutt an ze s eparate, L1 e L2, e condens atori , C1 e C 2 con nes si ad X, è ut ilizzat a per forni re una so rgente di im ped enz e (Z -s ou rce) che coll eghi i l convertitore (o invert er) all a sorgente conti nua, al cari co oppure ad un alt ro con vertitore. La sorgente/ carico continu a può ess ere una s orgen te/ carico sia di tensi one che d i corrente. Pert ant o, la s orgente contin ua può ess ere una batteria, un raddrizzatore a dio di, un rad drizz atore cont rollato , u na cella a combusti bile, un induttanza, un co ndens ato re o un a co mbinazione di questi. Gli interrutto ri utilizzati n el convertitore po ssono es sere una com binazione di dispositivi di co mmutazione e diodi nel la con figurazione in antiparall elo , com e mostrat o in fi gura 2.1, op pure nella con figurazion e in seri e , come mostrato in figura 2.2, et c. Per es empi o, le figure 2.4 e 2.5 mos tran o due con figurazioni di Z -source invert er trifase. Le indutt anz e L1 e L2 possono ess ere fornite con un indutt ore s plit opp ure due induttanze separat e. Il co ncett o Z -source può ess ere appli cato alle conv ers ioni da cont inua a altern at a, da alternata a con tinua, d a alt ernata a alt ernata, da co ntinu a a cont inua.

F i g . 2 . 4 : S t r u t t u r a d e l c o n v e r t i t o r e Z - s o u r c e c h e u t i l i z z a l a c o m b i n a z i o n e i n a n t i p a r a l l e l o t r a d i s p o si t i v i d i c o m m u t a z i o n e e d i o d i .

Z-Source Inverter

F i g . 2 . 5 : S t r u t t u r a d e l c o n v e r t i t o r e Z - s o u r c e c h e u t i l i z z a l a c o m b i n a z i o n e i n s e r i e t r a d i sp o s i t i v i d i c o m m u t a z i o n e e d i o d i .

2.3 Z-source Inverter alimentato da cella a

combustibile

Per des criv ere il funzio nament o e il co ntroll o, si considera una applicazione del co nvertitore Z -source: lo Z -s ource inverter per la conversion e della corrente da continua a alternata utilizz at a per le applicazioni con cell a a com bustibil e.

La figu ra 2.6 mos tra il t radizion al e conv erti to re a due stadi di conversion e per le appli cazi oni con cella a combustibil e. Poi ché la cell a a combustibil e prod uce u na ten sion e ampiamente vari abi le (rapporto 2: 1) che di pende dalla co rrente erogata dal le batterie, per i vei coli a cella a combusti bile è neces sario l’utilizzo di un conv ertitore boost da tensione continua a continua perché l’inverter V -source non può produrre una tens ione alt ernata i n uscita che sia più grande della t ens ione continu a in in gres so. La fi gura 2.7 m ost ra l’i nvert er Z -source per al cu ne applicazioni di cella a combustibile, dove può direttament e p rodurre una

tens ione altern ata m aggiore o mi nore ris petto a q uel la fornita dell a cell a a com bustibil e.

F i g . 2 . 6 : T r a d i z i o n a l e c o n v e r t i t o r e a d u e s t a d i p e r l e a p p l i c a z i o n i c o n c e l l a a c o m b u s t i b i l e .

F i g . 2 . 7 : Z - s o u r c e i n v e r t e r p e r l e a p p l i c a z i o n i c o n c e l l a a c o m b u s t i b i l e .

Il diodo in s eri e all a cella a combustibi le è necess ario per preveni re il flus so di corrente in verso .

Z-Source Inverter

2.3.1 Circuito

equivalente

e

principio

di

funzionamento

L’unica caratteristica dello Z-source inverter è che la tensione alternata in uscita p uò as sumere qualsi asi valore tra zero e infinito indipen dentemente d all a tensione fornita dall a cella a com bustibile. P er questo mo tivo, lo Z -source inverter è un buck -boost inv e rt er che ha un ampi o range di tensione ott enibile. I t radizion ali inverter V - e I-s ource non pos sono forni re tal e caratt eristica.

Considerando la figura 2.7, il ponte dell’inverter Z -source trifase perm ette nove st ati di comm ut azion e a differenza del tradi zionale inv ert er V-source trifase che ne h a otto. Il tradizional e inver t er V-source possi ed e sei stati attivi quando la tension e continu a è i mp ress a s ul carico e due stati nulli quando il carico è corto circuitato o con i tre interru ttori inferio ri o superi ori. Tuttavia, il ponte dell’inv erter Z -sou rce tri fas e possi ed e un ul terio re stato nullo quando il cari co è cortocircuit ato sia con i dispositiv i sup eri ori che in feriori di qu alsi asi sin golo ramo di fas e (i.e. entram bi i di spo sitivi hanno s egnale di gate O N), di d ue rami di fas e qualsiasi o di tutte e tre i rami delle fasi. Questo “stato zero di cortocircuito” (stato o vettore Shoot-trought) è vietato nel tradizionale inv ert er V-s ource, in qu an to caus erebbe un co rtocircuito. Quest o terzo stato nullo può es s ere generato in s ette modi differenti: corto circuit ando un qualsi as i sin golo ram o di fase, facendo la combin azion e di due rami di fas e qu alsi asi opp ure tutti e tre i rami di fase. La rete dello Z -s ource perm ette questo stato zero di co rtocircuit o; quest o st ato fornis ce la particolare caratteris tica di ess ere bu ck -boost all ’invert er.

La figura 2.8 mostra il circuito equivalente dell’inverter Z -source mostrat o in fi gura 2.7 quando collegato con un a s orgente continua. Il ponte dell’inverter equivale a un cort ocircuito quando il ponte stesso è nell o st ato zero di cortocircuito, come mostrat o in fi gura 2.9, mentre

diventa equi valente a u na sorgent e di corrent e come mostrat o in figura 2.10 quando è in uno dei s ei stati attivi.

F i g . 2 . 8 : C i r c u i t o e q u i v a l e n t e d e l l o Z - s o u r c e i n v e r t e r q u a n d o c o l l e g a t o a u n a s o r g e n t e c o n t i n u a .

F i g . 2 . 9 : C i r c u i t o e q u i v a l e n t e d e l l o Z - s o u r c e i n v e r t e r q u a n d o i l p o n t e d e l l ’ i n v e r t e r è nello “stato zero di co rto circuito”.

Z-Source Inverter

E’ da notare che il ponte dell’inverter può essere anche rappres entato con una sorgente di corrent e con valore zero (i. e. un circuito aperto ) quando questo è in uno dei due tradizio nali stati nulli. P ertant o, la figura 2.10 mostra il circuito equivalente dell’inverter Z -source quando è coll egat o con un a sorgent e conti n u a quando il po nte è in u no degli otto stati di commutazione di n on -cortoci rcuito.

F i g . 2 . 1 0 : C i r c u i t o e q u i v a l e n t e d e l l o Z - so u r c e i n v e r t e r q u a n d o i l p o n t e dell’ inverter è in uno d egli o tto stati d i com mutazioni d i no n - cortocircuito.

2.3.2 Analisi del circuito e tensione ottenibile in

output

In fi gu ra 2 .11 è m os trato lo schema tipico di un conv ertito re a du e s tadi con il b locco Z. Ass umendo che per sim met ria l e in duttanz e ( e ) e i condens atori ( e ) abbiano l a st ess a indutt anz a ( L) e l a st ess a capacit à (C ), la ret e Z -s ource diventa simmet rica.

F i g . 2 . 1 1 : C o n v e r t i t o r e a d u e s t a d i c o n i l b l o c c o Z .

Dal la simmetria e dal circuit o equivalent e, si h a:

(2. 1)

Si ipo tizza che la tension e sui condens atori si pos sa rit enere prati camente co stant e. Ipotizz and o, inolt re, che il pont e dell’invert er sia nello “stato zero di cortocircuito” per un intervallo , du rante un ciclo di commu tazio ne, T e d al ci rcuit o equivalent e, figu ra 2.9, si o ttie ne

(2. 2) Ora considerando che il ponte dell’inverter è in uno degli otto stati di non cortoci rcuito per un interv allo , du rante un ci clo di commutazione, T, dal ci rcuito equival ent e, fi gura 2.10, si ha

(2. 3) dove è la sorgent e d i tensione conti nua e .

Z-Source Inverter

deve es sere z ero in regime peri odico ; da (2. 2) e ( 2.3) si ot tien e

(2. 4)

oppu re

(2. 5)

In modo analogo , l a tensione medi a d ell a connessio ne in co ntinua che attraversa il ponte dell’inverter è

(2. 6)

In b as e a quest e co nsid erazio ni si può oss ervare che se il tempo è nullo, in accordo con il principio di funzionamento dell’inverter trifase, la t ensione è ugu ale all a t ensio ne . Quest o impli ca che

(2. 7)

La t ens ion e d ell a connessione i n continu a che att ravers a il ponte dell’inverter è espresso in ( 2.3) e può essere riscritta come

(2. 8)

dov e

è il fattore di i nnalza m ento ri sultante d allo “stato zero di co rtocircuito” (boost factor). Il pi cco di t ension e della con nessione in co ntinua è la tensione equivalente della connessione in continua dell’inverter. D’altro canto, il picco di tensione di fase in output dall’inverter può essere espress o come

(2. 10)

dove M è l’indic e di modul azione. Utiliz zando ( 2. 8) e (2.10) può ess ere an ch e espress o

(2. 11)

Per i l tradizi onale i nverter V -so urce controllato in PWM, s i ha l a b en nota rel azione: . L’equazione (2.11) mostra che la tensione

in us cita può ess ere innalzata o ridotta s cegliendo u n app rop ri ato fattore di buck -bo ost , che può id enticam en te essere defi nito come guadagno di t ensione G

(2. 12)

Da (2 .1), (2. 5) e (2 . 9), la tensio ne sul cond ens atore può ess ere es press a com e

(2. 13)

Il fat tore di buck -boost è determinato d all ’ind ice d i modul azione M e dal fattore di inn al zamento B. Il fat tore di innalzamento B come è

Z-Source Inverter

esp ress a in ( 2.9 ) può ess ere controll at a con i l cari co di lavoro (i.e. rapporto di intervalli) dello “stato zero d i cortocircuito” sugli stati di non cortocircuito dell’inverter PWM.

Da notare che lo “stato zero di cortocircuito” non influenza il controllo PWM sull’inverter, in quanto produce in modo equivalente la stessa tens ione nulla al carico. Il periodo di cort oc i rcuito dis ponibile è limit ato dal periodo dello stato nullo che a sua volta è determinato dall’indice di modul azione.

2.4 Requisiti di induttanza e condensatore nella

rete Z-source

Per l’inverter V-source tradizionale, il condensatore è l’unico serbatoio di energia e el em en to filtrante per sop primere il ripple di ten sio ne e utilizzato come serbatoio temporaneo. Per l’inverter I -source tradizionale, l’induttanza è l’unico serbatoio di energia e elemento filt rant e per so pprim ere i l rippl e di corrente e utilizzat o com e s erbatoio temp oraneo. La rete dell o Z -so urce inverter è una combinaz ione di d ue indutt anz e e d ue co nden satori. La rete LC dell o Z -s ou rce è s erbatoio di energi a e elem ent o filt rante per lo Z -so ur ce in verter. La ret e Z -source fo rnis ce un filtro d el secondo ordi ne ed è più efficiente nel soppri mere il ripple si a di tens ione e di corrent e rispetto al cond ens atore o all’induttanza usati singolarmente nei tradizionali inverter. Pertanto, i requis iti d ell’in duttanza e del condens at ore posso no ess ere più pi ccoli risp ett o ai tradizionali inv erter.

Quando le d ue in duttanz e ( e ) sono piccole e tendon o a zero, la rete dell o Z-s ource si riduce a due cond ens atori ( e ) i n parallelo e div ent a un tr adizionale V -so urce. P ertanto, la cap acità richiest a d el condens atore in u n t radizion al e invert er V -s ource è nel p eggiore dei cas i

com e la richi esta p er la rete dello Z -source. Cons iderand o il filtro addizionale e serbatoio di energia fornito dall’induttan za, la rete Z-sou rce richi ed e meno cap acit à e una dimensione m inore rispetto al tradizion al e inverter V -source. In maniera an al oga, qu ando i due con dens ato ri ( e ) s ono piccoli e tendono a zero, la ret e dello Z -sou rce si riduce a due i ndut tanze ( e ) in serie e d iventa un tradizion al e I-sou rce. P ertanto, i requisiti dell ’indutt anza in un tradizion al e inv erter I -so urce è nel p eggiore dei casi com e l a ri chi est a per la ret e d ello Z -s ource. Con sid erando il filtro ad dizionale e serbatoi o di energi a fo rnito dai condens atori, l a rete Z -source richiede meno indutt anz a e una di mens ion e minore ris pett o al tradizionale invert er I -sou rce.

2.5

Parametri della rete di impedenze

La rete dello Z -source è quin di una com binazione di du e induttanze e di due con dens atori. Questa rete è il m agazzino di energi a e l’el em ento filtrante per l’inverter Z-source e fornisce un filtro del secondo ordine il quale è molt o pi ù efficace p er ridurre i rippl e di corrente e d i tensione. Lo scopo dell’induttanza è quello di limitare il ripple di corrente durante la mod alità di innalzamento nello st ato di corto circui to; lo scopo del con dens ato re è qu ell o di assorbi re il rip ple di corrente e di mant enere una t ensio ne abbas tanz a cost ant e, per forni re l a t en sion e in uscita cost ante. La s celta d ei param etri degli el em enti d ella rete d el lo Z -s ource influenza le prestazioni dell’inverter.

Il calcolo del cond ens atore d ell a rete è pi ù facil e rispetto a quello dell’induttanza, ed è calcolata

Z-Source Inverter

dov e sono i l fatto re di funzio namento di cort ocircuito, la corrente media dell’induttanza della rete, la frequenza di commutazione e il v alore del rippl e di tensi one del condensat ore al pi cco di potenza. A caus a della particol arità della rete dello Z -s ource, cambi are i parametri delle induttanze può portare l’inverter a lavorare in modalità non d esiderat e. Esistono v ari mo di per calcolare il valore dell’induttanza.

Un modo per calcolarla è limitare il ripple di corrente sull’induttanza al picco di potenz a a u n certo valore

(2.15 )

dov e so no la tensione media al condens atore e il valore del ripp le di corrente nell’induttanza al picco di potenza a un certo valore.

Un altro modo per calcolare il valore dell’induttanza a evitare le mod alità di funzionamento i ndesiderate che prendo no in nom e d i p seudo stati attivi (P AS)

(2.16 )

dov e sono il num ero degli s tati di corto circuito ch e ci sono in un ciclo di commutazione, la potenza in uscita dall’inverter Z -source, il fatt ore di potenz a del carico e la ten sion e in in gress o che massimizza il valore dell’induttanza nella disequazione.

Un ult eriore m odo è impedire lo stato con un a condizio ne costante di riso nanza nella rete dell o Z -source ch e ri chi ed e che l ’imp ed enza inerente all a frequenza di risonanza sia min ore ri sp etto all a frequenz a d i comm utazi one

(2. 17)

In ul timo luo go può ess ere calcol at a in bas e alla condizione critica in cui la corrente all’induttanza si mantiene costantemente al di sotto del fatto re di carico di potenza

(2. 18)

In base a quello esposto sopra, il valore dell’induttanza ottimale è calcolato come

(2. 19)

2.6

Altre tipologie di Z-source

Un’altra tipologia è lo Z-source inverter bidirezionale, come mostrato in fi gu ra 2 .12 (b ). La versi one b as e d ell o Z -source invert er può es sere trasform ata in bidi rezional e so stituendo il diodo i n ingres so con un commutato re bidi rezionale. Lo Z -source bi direzio nal e è in grad o di scambi are energi a con una so rgente di energi a alt ernat a o costante in ent ramb e le direzio ni. In oltre, lo Z -source bidirezion al e è in grado di evitare compl etamente l e modalit à operative no n desi derat e q uan do lo Z -sou rce inverter lav ora s otto pi ccole indutt anz e e piccolo fat to re di potenza d el cari co . Se l a sorgent e costant e in inp ut è una fonte unidirezionale, com e ad esempio la cella a co mbus tibil e, lo Z -sou rce bidi rezio nale non pu ò ess ere util izzato. In questo cas o può essere usato un ul terio re tipolo gi a chi am at a Z -s ource inv erter ad elevat e prestazioni ,

Z-Source Inverter

mostrato in figura 2.12 (c). Quest’ultima tipologia può operare in un ampi o range di carico con pi ccol e indutt anz e nella ret e Z -source, elimi nare l a p ossib ilità di cadu te di tensio ne nei collegamenti in continu a e s em plifi c are l a progettazion e della rete e del sistema di contro llo.

F i g . 2 . 1 2 : L e d i f f e r e n t i t i p o l o g i e d e l l o Z - s o u r c e i n v e r t e r : ( a ) b a se , ( b ) b i d i r e z i o n a l e , ( c ) e l e v a t e p r e s t a z i o n i .

F i g . 2 . 1 3 : Il s e g n a l e g u i d a d e l l o s w i t c h p e r g l i i n v e rt e r Z - so u r c e b i d i r e z i o n a l i e a d e l e v a t e p r e s t a zi o n i .

Il punto fondamentale dei metodi di controllo PWM per l’inverter Z -source è come inserire lo “stato zero di cortocircuito”. Tutti i metodi di contro llo PWM pos sono es sere appli cati sia al l ’i nv erter Z-so urce si a

bidi rezio nale, si a ad el ev at e perfo rmance, dopo av ere det ermin ato il segnale guida di . Da an alisi di differenti modelli op erati vi d i inv erter Z-s ource bidi rezionali e ad elevat e p rest azioni, il commut ato re deve ess ere sp en to qu ando l’inv erter op era n ello stato di cortocircui to, per cui è il complemento d el segnale di cortocircuit o, come mostrat o in fi gu ra 2.13.

2.7

Modulazione

Double-Sided

per

Chopper

Z-source

Si propon e ore una nuova strat egi a di modul azion e per un chopper Z-sou rce. In fi gura 2. 14 è mo strat o l o s ch ema del circuito di p otenza del Chopper Z-s ource

Figura 2.14: Circuito di potenza del Chopper Z-source

La modul azio ne pres entat a, chiamat a double -sided, è un tipo di modulazione che p reved e l a simmet ria del sin golo ci cl o di commutazion e T. Si consideri, quindi, un int ervallo di t empo pari a T; quest o int erval lo è s uddi viso a sua v olta in tre s ottoi nt ervalli, , e ch e s ono

nell’ordine il tempo degli stati nulli, il tempo degli “stati zero di co rtoci rcuito ” e il tempo d egli stati attivi . Ovvi am ent e, ess en do

Z-Source Inverter

simmetrico, si considera s olo m età t emp o ci c lo, com e mostrato in figura 2.15. P er s empli cità si consi dera un s olo ramo d i fase.

Figura 2.15: Tecnica di modulazione Double-Sided per Chopper Z-source

Questa tecnica prevede rigorosamente nell’ordine prima l’inserimento del tempo degli stati nulli, poi l’inserimento del tempo dello “stato zero di co rtocircui to ” ed infi ne l ’ins erimento del tempo degl i stati attivi. Lo sco po è qu ell o di immett ere i n ogni ciclo i tempi corretti per fare in modo di avere in usci ta l a tensione richiest a. Si parte quindi dall e rel azio ni pri nci pali

(2.20 )

(2.21 )

La tens ione m edi a i n us cit a dall’inv erter non è alt ro ch e l’integrale sul ci clo di co mmut azio ne T della so mma dei sin goli tempi per le relative tens ioni appli cat e

(2. 22 )

Dal la ( 2.2 2) si ded uce che il fattore di inn alzamento B e l’i ndice di modulazione M sono risp ettivament e

(2. 23 )

(2. 24 )

Perciò la tens ione media in u scita dall’in verter può ess ere ris critta come

(2. 25 )

Dal la (2 .19) si d edu ce che not a la tensione m edi a in u scita dall’inv erter e con un a op portun a scelta del fattore di innalzamento B, si riescono a det ermin are tutti i dut y c ycle e quindi il tempo di o gni st ato da applicare alla modulazione. Infatti dall’equazione della tensione media in uscita dall’inverter risulta che il duty cycle dello stato attivo è pari a

(2. 26 )

Da (2.2 1) e (2.2 3) si avrà il sist em a

Z-Source Inverter (2.27)

Dalla s econda eq uazi one di ( 2.2 7)

(2.28 )

Dalla p rima equazione di (2 .27)

(2.29)

risultat i

, , > 0 (2. 30 )

(2. 31 )

(2. 32 )

(2. 33 )

Il metodo di controllo Double -Sided con un ram o di fase nel caso gen erale è mo strat o in figura 2 .1 6. Finché la rett a di è maggiore al segnale portante l’interruttore superiore è aperto, quando minore è chi uso. Vicevers a, quando la retta è maggi ore d el segnale

portante l’interruttore inferiore è chiuso, quando minore è aperto.

Z-Source Inverter

2.8 Tecniche di controllo PWM per Inverter

trifase Z-source

Tutti gli s ch emi del Pulse Width Mod ulation tradizionale pos sono es sere utilizzati per cont rol lare lo Z -source inv ert er e le sue relazioni t eoriche input -o utput conti nuano a valere. La fi gura 2.1 7 most ra l a s equenz a di comm utazi one tradi zional e dell a t ecni ca PWM bas at a sul metodo con l’intersezione delle tensioni con il segnale portante. In ogni ciclo di comm utazi one, i d ue st ati nulli di non -co rtoci rcuito sono utilizzati insi eme a d ue stati atti vi adiacen ti per sintetizzare la tensi one desi derat a. Quando la ten sio ne cont inua è abbastanz a el ev ata per generare la tens ione alt ernata desiderata, è utilizzata la tecnica PWM tradizionale d ell a fi gura 2. 1 7. Q uand o la tensio ne continu a non è in grado di generare direttamente l’output desiderato, è utilizzata una tecnica PWM modificata che sfrutta lo “stato zero di cortocircuito”. Esistono v ari metodi ch e pos sono es sere utilizzati p er cont roll are l’inverter Z-source e, in generale, possono essere classificati in due categorie in base alla modalità con la quale è inserito lo “stato zero di cortocircuito”. Nella prima categoria il principio è quello gene rare gli “stati zero di cortocircuito” modificando opportunamente i segnali di modulazione dell’inverter V -source. Questo particolare stato è inserito in ogni cambio di stato, in particolare sei “stati zero di cortocircuito” in o gni ciclo di commutazione. N ell a s econda categori a, in vece, gli “stati zero di cortocircuito” sostituiscono direttamente gli stati nulli (000 e 111 ). In qu esta categoria qu esto stat o particol are è ins erito due volt e per o gni ciclo di com mutazione. Il confronto tra queste du e categor ie mos tra che la seco nda h a una effi ci enz a m aggi ore risp ett o all a prima.

Prim a cat eg oria

F i g . 2 . 1 7 : T e c n i c a d i c o n t r o l l o P W M t r a d i zi o n a l e s e n z a l ’ u t i l i z z o d e l l o “ s t a t o z e r o d i c o r t o c i r c u i t o ” , d o v e i t r a d i z i o n a l i v e t t o r i n u l l i V 1 1 1 e V 0 0 0 s o n o g e n e r a t i i n

o g n i c i c l o d i c o m m u t a z i o n e .

tecnica di controllo PWM most rat a i n figura 2.1 7, è mostrat o in fi gura 2.18. È da notare co me in o gn i cicl o di commutazione o gni ramo di fase si accend e e si sp egne. Senza cam biare l’int ervallo di tempo degli st ati nulli, lo “stato zero di cortocircuito” è ugualmente inserito in ogni fase. Per q uesto , gli st at i attivi rimangono invariati . Tutt avia, la tensi one

Z-Source Inverter

equivalente all’inverter è innalzata a causa dello “stato zero di cortocircuito”. È da notare che la frequenza equivalente di comm utazi one vista dalla ret e dello Z -so urce è sei volte la frequ enz a di commutazione dell’inverter principale, il che riduce notevolmente l’induttanza della rete dello Z-source.

F i g . 2 . 1 8 : T e c n i c a d i c o n t r o l l o P W M t r a d i z i o n a l e m o d i f i c a t a c o n l ’ u t i l i z z o d e g l i “sta ti ze ro d i co rtocircuito” che so no d istrib uiti lungo i tre rami d i fa se. I vetto ri

Seconda categoria

A. SIMPLE -BOOST PWM

Quest a st rategia di controllo ins eris ce lo “st ato z ero d i corto circuito” in tutti gli stati n ulli della tecnica di co ntroll o PWM modi fi cat a in ogni ci clo d i commutazione. Il metodo di contro llo s imple -boost è ill ust rato nella fi gura 2.1 9. S ono utilizzate du e li ne e rett e per real izzare il dut y cycle dello “stato zero di cortocircuito” ( ). La prima eq uivale al picco della tensione trifase sinusoidale presa a riferimento, mentre l’altra è uguale alla prima ma n egativ a. Ogniqual volta il s egnale portante è sup eri ore alla linea retta posi tiva o inferiore all a li nea rett a negati va, l’inverter opera nello “stato zero di cortocircuito”, diversamente opererà com e un invert er contro llato con t ecni ca PWM trad izionale. Finché il val ore della linea ret ta s up eri ore equivale al p icco d ell a tensione sinusoidale pres a a riferim en to e anal ogamente per la lin ea retta negativ a equ ivale al pi cco della t en sion e negativa sinus oid al e pres a a riferim en to, l’indice di modulazione M e il duty cycle dello “stato zero di cortocircuito” so no dip endenti tra lo ro con l a relazi one

(3. 34 )

Z-Source Inverter

B. MAXIMUM BOOST PWM

La t ecni ca di controllo Simple Boost PWM aum ent a lo s tress della tens ione, l imit and o i l guadagno di t ensio ne a caus a dell a limitazion e i n tens ione dei dis positivi di pot enz a. La t ecni ca M ax imum boost PWM è una opzion e che può ris olv ere i l prob lem a. Qu esta tecnica converte tutti i tradizionali stati nulli in “stati zero di cortocircuito” mentre mantiene inalt erati i sei st ati attivi. Questo si ott iene confrontando la massima e la minima curv a d el riferimento sinusoi dal e co n il segnale port an te. Ogni qu alvolt a il mas simo è inferiore al s egnale port ant e e analogamente il minimo e superiore al segnale portante, l’inverter opera in “stato zero di cort ocircui to”, divers amente o pererà com e un in verter contro llato con tecnica PWM tradizi onale. Co n quest a strat egi a di co ntrollo il dut y c ycl e dello “stato zero di cortocircuito” varia ogni ciclo. A causa di questo è di interesse il valor medio che, nell’ intervallo (π/6,π/2) può essere esp ress o com e

(2.35 )

Esistono due tipi di maximum -bo ost: max imum boost PWM e maximum boost con iniezio ne dell a terza armoni ca. La figura 2.20 mostra il contro llo con m ax imum boo st in un si stem a ad an ell o aperto; è simile all a t ecnica di PW M tradizion al e con la di fferenza che lo stato di cortoci rcuito è ripetu to periodi camente, ogni π/3 .

Quest o controllo si può mo difi care con l’ini ezione della terz a armonica (fi gura 2.21 ), co n i segnali di riferimento Va, Vb e V c; l’indice di modulazione massimo può arrivare fino ad 1/6 dell’iniezione della terza armoni ca.

F i g . 2 . 2 1 : C o n t r o l l o m a x i m u m b o o s t P W M m o d i f i c a t o c o n l ’ i n i e z i o n e d e l l a t e r za a r m o n i c a .

C. MAXIMUM C ONST ANT BOOST P WM

Uno s vantaggio del controllo maximum boost è la bass a frequenza del ripp le di corrente (associata con l a freq uenz a in us cita) prodott a nella corrente dell’indutt anza e nella tensione del condensatore, che increment a la ri chi es ta di co m pon en ti pas sivi. La figura 2.2 2 mostra tale tecnica di controllo, ch e comprende cinque s egnali di modu lazioni: tre segnali di riferimento Va, Vb e Vc, e Vp e Vn, risp ettivamente il corto ci rcuito superi ore e il cortocircuit o inferi ore. Quando il s egnale port ante è maggiore del s egn al e di cort oci rcuito s uperio re o minore del segnale di cortocircuito inferiore, l’inverter va in uno stato di co rtoci rcuito e si controlla con la tecnica tra dizio nale PWM.

Z-Source Inverter

F i g . 2 . 2 2 : C o n t r o l l o m a x i m u m c o n s t a n t b o o s t P W M p e r s i s t e m i t r i f a s e .

2.9 Modulazione SVPWM per Inverter trifase

Z-source

Si propone un a modulazio ne di tipo SVP WM (Space Vector Pulse Width Modulati on) per invert er tri fase. In fi gura 2.23 è mo strato lo sch em a del circuito di potenza dell’Inverter Z -source.

La modul azion e present at a è un tipo di modulazione che preved e la simmetria d el singol o ci clo di commut azione T. Si consideri, quin di, u n intervallo di tempo pari a T ; questo interv allo è su ddi viso a sua volta in sette sottointervalli, che sono nell’ordi ne un primo stato N (nullo), un primo stato ST (“stato zero di cortocircuito”), un primo stato (attivo), un s econd o st ato S T, un s econd o st ato , u n terzo stat o ST e un second o stato N; ricapitol and o il ciclo prevede l a sequenza N -S T- -ST - -ST -N.

F i g . 2 . 2 3 : C i r c u i t o d i p o t e n z a d e l l ’ I n v e r t e r Z - s o u r c e .

Figura 2.24: Stato degli interruttori con la tecnica di modulazione tradizionale

Ovviamente, ess end o simmetrico, si considera solo metà t emp o cicl o, com e mostrat o in figura 2 . 25. In figu ra 2.2 4 si mos tran o gli stati degli

Z-Source Inverter

interruttori con la tecnica di modulazione tradizionale. L’idea è quella si sfruttare un funzio nam ent o simm etrico di ogni ramo di fase ch e si ricond uca al funzionam ento del cho pp er per o gni s in golo ramo di fas e, cioè con l’inserimento nell’ordine prima del tempo dello stato nullo, poi l’inserimento del tempo dello “stato zero di cortocircuito” ed infine l’inserimento del tempo dello stato attivo. In questo modo la figura 2.2 4 si “trasforma” nella figura 2.25.

Figura 2.25: Stato degli interruttori con l’inserimento degli stati ST

Lo s cop o è quello di immett ere in ogni ciclo i tempi corretti per fare in modo di avere in us cita ciò che si richied e.

Si parte quindi d alle relazioni princip ali descritte nel paragrafo 2.7 . Dalla (2 .25) le tensioni in uscita per o gni ramo di fas e si po ssono

ris criv ere com e:

(2. 36)

Se si raggru ppano i dut y-c ycle degli s tati nulli e degli stati attivi in un unico dut y c ycle, ci oè , posso ri scrivere l’equazione (2.2 3)

com e:

(2. 37)

e l a (2 .21 ) come

(2. 38)

Inol tre (2 .24 ) può es sere ri scritta per ogn i ramo di fas e:

(2. 39 ) Dal la ( 2.3 7) e d all a ( 2.38 ) (2. 40)

Z-Source Inverter

Dalla s econda eq uazi one della ( 2. 40 )

(2.41 )

Dalla p rima equazione della ( 2.40) si ricava

(2.42 )

Infine dall e equ azion i di fas e ( 2. 36) e (2.39) ri cavo

(2.43 )

A questo pu nto, per implem ent are l a tecni ca di modul azio ne si devono ordi nare i dut y c ycl e atti vi di fas e in q uanto, oss erv ando l a figura 2.2 5, i

val ori d ell e modul anti saranno assegn at i alla fas e corris pondente e in parti col are son o :

(2. 44) (2. 45) (2. 46)

Il termi ne s erve a posizion are l e mo dulanti al cen tro del co rri spo ndent e range di v ariazione [0 ,1].

Simulazione di un Chopper Z-Source

C

C

a

a

p

p

i

i

t

t

o

o

l

l

o

o

3

3

SIMULAZIONE DI UN CHOPPER Z-SOURCE

3.1 Introduzione

Questo capitolo è dedicato al l’an alisi del comportamento del cho pper Z -source con l’utilizz o del so ftware Sim ulink. Dopo avere realizzato i n ambi ent e Si mulink il mod ell o del cho pper Z-source, si analizzano i risul tat i ottenuti con lo scopo di confermare, attrav ers o la s imulazi one, quanto espresso con la modulazi one Dou ble -Sided proposta n el Capitolo 2.

3.2 Presentazione del Software

Simulink (Simulation and Link) è l’ambiente di programmazione grafico associato a Matlab. È un ambiente per la modellazione, l’analisi e la simul azion e di sis temi mat ematici e fi s ici , lineari e non . Perm ette di verificare le p rest a zioni del s istema e modifi care i propri pro get ti, utilizzan do un a interfaccia grafica che con sent e di costruire i modelli come diagrammi a blocchi. Simu link consente di modellare un sistema rapidam ente, con chiarezza e s enz a b isogno di scriv ere righe di codice; inoltre, permett e di costru ire modelli con diagrammi a blo cchi t ramit e operazioni “click-and-drag”, ritoccare velocemente i parametri e oss ervare i risultati i n tempo reale durante la simulazione . Ogni blocco

rappresenta un sist ema din amico che p uò p rodurre un outpu t contin uo (blo cco contin uo) o ad un t empo definito (bl occo dis creto). La ti pologia di blocco, quind i, determin a l a relazi one ch e l ega gli i ngressi a ll e usci te. Il software m ette a disposizione un a ricca lib reri a di blocch i funzionali predefiniti pronti per l’utilizzo. Quando il modello aumenta in dimensione e comp lessità risulta como do sem plificarlo aggregand o i blocchi in sottosistemi in mo do da rend ere meno pes ant e l a visualizzazio ne i n fin estra cons ervando s empre gli s tessi l egami funzion ali. La sim ulazione di un sis tema din ami co consiste nell a det ermin azion e, s ulla base delle in form azioni forni te dal mo dell o, degli stati e d ell e us cit e del si stema, al variare del tempo. Simulink vi ene utilizzato attraverso due fasi : la d efini zione del mod ell o da s imulare prim a ed esecuzion e e an ali si d el sist ema st ess o poi. La simulazione dei modelli simulink richiede l’integrazione numerica di equ azioni differenziali ordi nari e e a quest o scopo il programm a fornis ce un el evato numero di sol utori per t ali eq uazio ni .

3.3

Modellizzazione del Chopper Z-source

Il punto fon d amentale p er l a simulazione del chopp er Z-source è la modulazione, in p arti col are q uesto capitolo uti lizza l a tecni ca di modulazione Doubl e -Sided des crit ta nella C apit olo 2. Questa tecnica di modulazione è definita in un sott osistema, mo strato in figura 3.1. Questo sottos ist ema h a in ingres so l a tensi one d’in gresso , l a tens ion e di riferim ent o e il fatt ore di in nalzam ent o dell a tensione (boost factor). Questi ingressi v en gono utilizzati per calcolare i dut y c yc le utili per realizzare l a mo dulazione richiesta, i n particol are e cos ì com e

des critti nel paragrafo 2. 7. Questi dut y c ycl e vengon o p oi co n frontat i con il s egnale portante restit uendo in output i segn ali degli interrutt ori del ram o di chopper, permett en do così di es eguire il ciclo di