IT202000025114A1 - THREE-PHASE/SINGLE-PHASE STATIC POWER CONVERTER - Google Patents
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Description
Descrizione dell?invenzione avente per titolo: Description of the invention entitled:
?CONVERTITORE STATICO DI POTENZA TRIFASE/MONOFASE? ?THREE-PHASE/SINGLE-PHASE STATIC POWER CONVERTER?
Descrizione Description
Campo dell?invenzione Field of invention
La presente invenzione ? relativa a un convertitore statico di potenza. The present invention ? relating to a static power converter.
In particolare, la presente invenzione ? relativa ad un convertitore statico di potenza del tipo trifase/monofase. In particular, the present invention ? relating to a three-phase/single-phase static power converter.
Arte nota Known art
Gli impianti elettrici industriali sono normalmente realizzati con alimentazione trifase che permette l?utilizzo di potenze pi? elevate, nonch? di pilotare meglio motori elettrici e altri carichi di potenza che presentano caratteristiche di lavoro ottimali con l?impiego delle tre fasi. In particolare, i motori elettrici asincroni connessi ad un sistema trifase sono in grado di funzionare con caratteristiche migliori e senza componenti aggiuntivi da interporre tra questi, per merito della possibilit? di creare un campo magnetico rotante ottenuto tramite le tre fasi sfasate di 120? rispettivamente. Industrial electrical systems are normally made with a three-phase power supply which allows the use of higher powers. high, as well as to better drive electric motors and other power loads that have optimal working characteristics with the use of the three phases. In particular, the asynchronous electric motors connected to a three-phase system are able to operate with better characteristics and without additional components to be interposed between them, thanks to the possibility? to create a rotating magnetic field obtained through the three phases out of phase by 120? respectively.
Nella realt? degli impianti occorre per? installare numerosi carichi monofase, che per mantenere un opportuno equilibrio tra gli assorbimenti delle fasi, vanno collegati in modo da prelevare la potenza in forma equilibrata tra le tre fasi medesime. Oltre ad una progettazione idonea dell?impianto elettrico, ? necessaria anche una attenta realizzazione, in quanto occorre tener identificate correttamente le tre fasi in fase di implementazione dei collegamenti, cosa che pu? essere complicata o laboriosa in impianti con estensione elevata o con pi? quadri elettrici. In reality? of the plants it is necessary for? install numerous single-phase loads, which to maintain an appropriate balance between the absorptions of the phases, must be connected so as to draw the power in a balanced form between the three phases themselves. In addition to a suitable design of the electrical system, ? necessary also a careful realization, as it is necessary to correctly identify the three phases in the phase of implementation of the connections, thing that pu? be complicated or laborious in plants with a high extension or with more? switchboards.
Uno squilibrio elevato infatti, oltre a creare potenziali problemi di tariffe da parte del fornitore di energia, porta ad avere correnti diverse sui cavi che, al contempo, portano la corrente delle tre fasi, con perdite differenti tra cavo e cavo, a superare la massima corrente sulla singola fase con conseguente mancato sfruttamento della potenza massima complessiva disponibile da contratto. In fact, a high imbalance, in addition to creating potential tariff problems on the part of the energy supplier, leads to different currents on the cables which, at the same time, bring the current of the three phases, with different losses between cable and cable, to exceed the maximum current on the single phase with consequent failure to exploit the total maximum power available under the contract.
Un sistema per collegare carichi monofase a linee trifase ? in grado di risolvere queste problematiche, rendendo inutile il conduttore di neutro in molti casi e, quindi, rendendo pi? rapida ed economica la progettazione e l?installazione dato che il trasferimento di potenza ? equamente distribuito sui tre conduttori. A system for connecting single-phase loads to three-phase lines? able to solve these problems, making the neutral conductor useless in many cases and, therefore, making it more? rapid and economic the planning and? the installation given that the transfer of power ? equally distributed on the three conductors.
Un ulteriore vantaggio di un sistema di ripartizione del carico monofase sulle tre fasi ? dato dalla possibilit? di una economia di tempo nella realizzazione del cablaggio stesso in quanto viene a diminuire o annullarsi la necessit? di una identificazione univoca dei conduttori delle tre fasi. A further advantage of a single-phase load distribution system on the three phases? given by the possibility of an economy of time in the realization of the wiring itself as it comes to decrease or cancel the need? of a unique identification of the conductors of the three phases.
Al fine di ottenere una conversione dell?energia elettrica da sistemi trifase a sistemi monofase, possono essere adottate diverse soluzioni. In order to obtain a conversion of electrical energy from three-phase systems to single-phase systems, various solutions can be adopted.
Una prima soluzione ? relativa alla connessione dei carichi monofase a 230V tra fase e neutro della linea a 400V, con l?accortezza di suddividerli sulle tre fasi R, S, T in base alla loro potenza, con una progettazione adeguata e una realizzazione effettuata con la dovuta accortezza. In tal caso, per?, nel tempo possono insorgere problemi in caso di modifiche alla topologia dell?impianto o alla sostituzione di apparecchiature con potenze diverse, e problematiche relative al fattore di contemporaneit? dell?accensione dei carichi monofase. A first solution? relating to the connection of single-phase loads at 230V between phase and neutral of the 400V line, taking care to divide them into the three phases R, S, T based on their power, with adequate design and construction carried out with due care. In this case, however, problems may arise over time in the event of changes to the topology of the system or the replacement of equipment with different powers, and problems relating to the simultaneity factor? of switching on single-phase loads.
Una ulteriore soluzione consiste nell?uso di un convertitore, ovvero di un dispositivo che ha in ingresso la potenza trifase ed in uscita la potenza monofase. Tale convertitore pu? essere, ad esempio, realizzato mediante un convertitore rotativo, abbinando un motore elettrico trifase ad un generatore monofase, oppure mediante un trasformatore. Il primo ? di semplice realizzazione ma consente di realizzare dispositivi pesanti, rumorosi e con una difficile regolazione del carico e della frequenza. Il secondo risulta costoso, pesante e presenta, inoltre, un limite fisico sull?equilibrio tra le fasi, a causa dell?incapacit? di sfruttare a pieno una delle fasi. A further solution consists in the use of a converter, ie a device which has three-phase power as input and single-phase power as output. This converter can? be, for example, achieved by means of a rotary converter, combining a three-phase electric motor with a single-phase generator, or by means of a transformer. The first ? simple to make but allows for the creation of heavy, noisy devices with difficult load and frequency regulation. The second is expensive, heavy and also has a physical limit on the balance between the phases, due to the incapacity? to fully exploit one of the phases.
Sarebbe pertanto desiderabile disporre di un convertitore di potenza trifase/monofase in grado di minimizzare gli inconvenienti sopra esposti. A tal proposito, sarebbe desiderabile disporre di un convertitore statico di potenza trifase/monofase in grado di sfruttare pienamente le tre fasi connesse. In particolare, sarebbe desiderabile disporre di un convertitore statico di potenza trifase/monofase in grado di garantire un equilibrio ed una capacit? di carico ottimali. It would therefore be desirable to have a three-phase/single-phase power converter capable of minimizing the drawbacks described above. In this regard, it would be desirable to have a three-phase/single-phase static power converter capable of fully exploiting the three connected phases. In particular, would it be desirable to have a three-phase/single-phase static power converter capable of guaranteeing balance and capacity? optimal load.
Sommario dell?invenzione Summary of the invention
Scopo della presente invenzione ? fornire un convertitore statico di potenza trifase/monofase in grado di minimizzare le problematiche suddette. Purpose of the present invention? supply a three-phase/single-phase static power converter capable of minimizing the above problems.
A tal proposito, scopo della presente invenzione ? fornire un convertitore statico di potenza trifase/monofase in grado di ridurre i costi di produzione e gli ingombri pur mantenendo elevato rendimento. In particolare, scopo della presente invenzione ? fornire un convertitore statico di potenza trifase/monofase in grado di garantire un assorbimento equilibrato sulle fasi con possibilit? di collegamento anche senza neutro. In this regard, the purpose of the present invention ? provide a three-phase/single-phase static power converter capable of reducing production costs and overall dimensions while maintaining high efficiency. In particular, the purpose of the present invention ? supply a three-phase/single-phase static power converter capable of guaranteeing balanced absorption on the phases with the possibility? connection even without neutral.
Gli scopi sopra menzionati vengono raggiunti da un convertitore statico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio, in accordo con le rivendicazioni allegate. The above mentioned purposes are achieved by a three-phase/single-phase static power converter of the multistage type, in accordance with the attached claims.
Il convertitore statico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio ? caratterizzato dal fatto di comprendere: The three-phase/single-phase static power converter of the multistage type ? characterized by the fact that it includes:
- un primo stadio raddrizzatore AC/DC, atto a convertire le grandezze elettriche alternate trifase in grandezze elettriche continue; - a first AC/DC rectifier stage, able to convert the three-phase alternating electrical quantities into continuous electrical quantities;
- un secondo stadio convertitore DC/AC disposto in successione al primo stadio raddrizzatore AC/DC, atto a convertire le grandezze elettriche continue in grandezze elettriche alternate monofase; - a second DC/AC converter stage arranged in succession to the first AC/DC rectifier stage, able to convert the direct electrical quantities into single-phase alternating electrical quantities;
in cui il primo stadio raddrizzatore AC/DC ? atto definire una uscita predeterminata della corrente continua con tensione compresa tra 350V e 400V, e in cui il secondo stadio convertitore DC/AC ? atto a ricostruire una forma d?onda sinusoidale della corrente alternata monofase con tecnica PWM. in which the first rectifier stage AC/DC ? able to define a predetermined output of the direct current with voltage between 350V and 400V, and in which the second stage DC/AC converter ? suitable for reconstructing a sinusoidal waveform of single-phase alternating current with PWM technique.
In tal modo, ? possibile effettuare la conversione trifase/monofase mediante il passaggio in corrente continua e sfruttando la ricostruzione dell?onda sinusoidale mediante la tecnica PWM. Thereby, ? It is possible to carry out the three-phase/single-phase conversion by switching to direct current and exploiting the reconstruction of the sine wave using the PWM technique.
Preferibilmente, il convertitore statico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio comprende ulteriormente un dispositivo di supervisione a microcontrollore operativamente connesso al primo stadio raddrizzatore AC/DC e al secondo stadio convertitore DC/AC. Preferably, the three-phase/single-phase static power converter of the multistage type further comprises a microcontroller supervision device operatively connected to the first AC/DC rectifier stage and to the second DC/AC converter stage.
La presenza di un dispositivo di supervisione consente tanto il monitoraggio che l?eventuale controllo dei componenti per un funzionamento ottimale del convertitore. The presence of a supervision device allows both the monitoring and the eventual control of the components for optimal operation of the converter.
Preferibilmente, il primo stadio raddrizzatore AC/DC comprende un dispositivo raddrizzatore e un dispositivo stabilizzatore disposti in serie. Preferably, the first AC/DC rectifier stage comprises a rectifier device and a stabilizer device arranged in series.
Ancor pi? preferibilmente, il dispositivo raddrizzatore ? del tipo con circuito PFC. Inoltre, il dispositivo stabilizzatore ? del tipo con limitatore di corrente di ingresso. even more preferably, the rectifier device ? of the type with PFC circuit. Furthermore, the stabilizing device ? of the type with input current limiter.
Tale configurazione risulta quella considerata pi? soddisfacente per l?alimentazione del successivo secondo stadio convertitore DC/AC. This configuration is the one considered pi? satisfactory for feeding the subsequent second stage DC/AC converter.
Preferibilmente, il detto secondo stadio convertitore DC/AC comprende un dispositivo generatore di potenza AC del tipo PWM con una frequenza portante pari ad almeno 15KHz, preferibilmente pari a 20Khz, modulata con segnale sinusoidale di 50Hz o 60Hz. Preferably, said second DC/AC converter stage comprises an AC power generator device of the PWM type with a carrier frequency equal to at least 15KHz, preferably equal to 20Khz, modulated with a sinusoidal signal of 50Hz or 60Hz.
In tal modo, ? possibile ridurre drasticamente la potenza dissipata dal circuito limitatore rispetto all?impiego di componenti a controllo analogico. Thereby, ? It is possible to drastically reduce the power dissipated by the limiter circuit compared to the use of analog control components.
Preferibilmente, il convertitore statico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio comprende un filtro passa-basso di uscita disposto in successione al secondo stadio convertitore DC/AC, atto ad estrarre la tensione a frequenza di rete monofase. Preferably, the three-phase/single-phase static power converter of the multistage type comprises an output low-pass filter arranged in succession to the second DC/AC converter stage, able to extract the single-phase mains frequency voltage.
Preferibilmente, il primo stadio raddrizzatore AC/DC e il secondo stadio convertitore DC/AC sono realizzati mediante componenti IGBT. Preferably, the first AC/DC rectifier stage and the second DC/AC converter stage are made with IGBT components.
L?utilizzo di componenti IGBT permette una costruzione robusta ed affidabile. Alternativamente, il primo stadio raddrizzatore AC/DC e il secondo stadio convertitore DC/AC sono realizzati mediante componenti a semiconduttore, preferibilmente del tipo MOSFET o GaN-MOSFET. The use of IGBT components allows for a robust and reliable construction. Alternatively, the first AC/DC rectifier stage and the second DC/AC converter stage are made with semiconductor components, preferably of the MOSFET or GaN-MOSFET type.
L?utilizzo di componenti MOSFET o GaN-MOSFET permette l?utilizzo di induttori di ridotte dimensioni e rendimenti complessivi alti, con meno energia da dissipare. The use of MOSFET or GaN-MOSFET components allows the use of small size inductors and high overall efficiency, with less energy to dissipate.
Gli scopi sopra menzionati vengono raggiunti da un sistema di conversione elettronica di potenza trifase/monofase, in accordo con le rivendicazioni allegate. Il sistema di conversione elettronica di potenza trifase/monofase ? caratterizzato dal fatto comprende due o pi? convertitori elettronici di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio secondo una delle rivendicazioni allegate, The above mentioned objects are achieved by a three-phase/single-phase power electronic conversion system, in accordance with the attached claims. The electronic three-phase/single-phase power conversion system ? characterized by the fact that it includes two or more? electronic three-phase/single-phase power converters of the multistage type according to one of the attached claims,
in cui i convertitori elettronici di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio sono connessi in parallelo, e wherein three-phase to single-phase power electronic converters of the multistage type are connected in parallel, e
in cui ciascuno dei convertitori elettronici di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio comprende un segnale di sincronismo atto a sincronizzare i convertitori elettronici di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio connessi in parallelo per aumentare la potenza in uscita. wherein each of the three-phase to single-phase power electronic converters of the multistage type comprises a synchronization signal adapted to synchronize the three-phase to single-phase power electronic converters of the multistage type connected in parallel to increase the output power.
L?impiego di un sistema del suddetto tipo consente, dunque, di realizzate uscite con potenze elevate pur mantenendo una elevata efficienza e un costo di produzione ridotto. The use of a system of the aforesaid type therefore allows to realize outputs with high power while maintaining a high efficiency and a reduced production cost.
Descrizione delle figure Description of the figures
Queste e ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione della forma di realizzazione preferita, illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo nella allegata figura, in cui: - la Figura 1 ? uno schema esemplificativo a blocchi del convertitore statico di potenza trifase/monofase, in accordo con la presente invenzione. These and further characteristics and advantages of the present invention will become evident from the description of the preferred embodiment, illustrated by way of non-limiting example in the attached figure, in which: - Figure 1 ? an exemplary block diagram of the three-phase/single-phase static power converter, in accordance with the present invention.
Descrizione dettagliata dell?invenzione Detailed description of the invention
Con l?acronimo ?AC? si intende, nella presente invenzione, la corrente alternata. Con l?acronimo ?DC? si intende, nella presente invenzione, la corrente continua. Con l?acronimo ?PWM? si intende, nella presente invenzione, la modulazione di larghezza di impulso, un tipo di modulazione digitale che permette di ottenere una tensione media variabile dipendente dal rapporto tra la durata dell?impulso positivo e dell?intero periodo. With the acronym ?AC? in the present invention, alternating current is meant. With the acronym ?DC? in the present invention, direct current is meant. With the acronym ?PWM? In the present invention, pulse width modulation is meant, a type of digital modulation which allows to obtain a variable average voltage depending on the ratio between the duration of the positive pulse and the entire period.
Con l?acronimo ?PFC? si intende, nella presente invenzione, il rifasamento ovvero quella pratica che permette di supplire allo sfasamento introdotto nella linea da un carico reattivo, fornendo tutta o parte della potenza reattiva elettrica necessaria al carico. With the acronym ?PFC? In the present invention, power factor correction is meant, i.e. the practice which makes it possible to compensate for the phase shift introduced into the line by a reactive load, supplying all or part of the electrical reactive power required by the load.
Con l?acronimo ?IGBT? si intende, nella presente invenzione, un transistor bipolare a gate isolato, dispositivo a semiconduttore usato come interruttore elettronico in applicazioni ad alta potenza e in grado di commutare alte tensioni e alte correnti. With the acronym ?IGBT? in the present invention we mean an insulated gate bipolar transistor, a semiconductor device used as an electronic switch in high power applications and capable of switching high voltages and high currents.
Con l?acronimo ?MOSFET? si intende, nella presente invenzione, un transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo. With the acronym ?MOSFET? in the present invention a metal-oxide-semiconductor field effect transistor is meant.
La Figura 1 illustra una prima forma di realizzazione preferita del convertitore 1 elettronico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio in accordo con la presente invenzione. In particolare, la Figura 1 illustra uno schema a blocchi ove ? possibile identificare una pluralit? di elementi, alcuni dei quali potrebbero risultare opzionali secondo forme di realizzazione ulteriori ivi non descritte in dettaglio. Figure 1 illustrates a first preferred embodiment of the three-phase/single-phase power electronic converter 1 of the multistage type in accordance with the present invention. In particular, Figure 1 illustrates a block diagram where ? Is it possible to identify a plurality? of elements, some of which could be optional according to further embodiments not described in detail herein.
Il convertitore 1 elettronico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio, come illustrato in Figura 1, comprende un primo stadio 10 convertitore AC/DC e un secondo stadio 20 convertitore DC/AC, esemplificati dai due blocchi principali, in cui il suddetto primo stadio 10 convertitore AC/DC ? atto a convertire le grandezze elettriche alternate trifase in grandezze elettriche continue mentre il suddetto secondo stadio 20 convertitore DC/AC ? atto a convertire le grandezze elettriche continue in grandezze elettriche alternate monofase. The three-phase/single-phase power electronic converter 1 of the multistage type, as illustrated in Figure 1, comprises a first stage 10 AC/DC converter and a second stage 20 DC/AC converter, exemplified by the two main blocks, in which the aforementioned first stage 10 AC/DC converter ? adapted to convert the three-phase alternating electrical quantities into continuous electrical quantities while the aforementioned second stage 20 DC/AC converter ? suitable for converting continuous electrical quantities into single-phase alternating electrical quantities.
Il primo stadio 10 e il secondo stadio 20 sono disposti in successione, in particolare il secondo stadio 20 convertitore DC/AC ? disposto in successione al primo stadio 10 convertitore AC/DC. Tale disposizione ? conseguenza della necessit? per il secondo stadio 20 di operare sulla corrente in uscita dal primo stadio 10, come indicato dal flusso della freccia che separa i due blocchi esemplificativi di Figura 1. Are the first stage 10 and the second stage 20 arranged in succession, in particular the second stage 20 DC/AC converter? arranged in succession to the first stage 10 AC/DC converter. This provision? consequence of the need for the second stage 20 to operate on the output current from the first stage 10, as indicated by the flow of the arrow which separates the two exemplary blocks of Figure 1.
Il primo stadio 10 convertitore AC/DC pu? essere realizzato secondo diverse configurazioni, ad ogni modo ? preferibilmente del tipo stabilizzato, ovvero ? atto definire una uscita predeterminata della corrente continua con tensione compresa tra 350V e 400V. Tali valori potrebbero comunque risultare differenti in funzione delle necessit? tecniche operative. The first stage 10 AC/DC converter can? be made according to different configurations, however ? preferably of the stabilized type, or ? to define a predetermined direct current output with voltage between 350V and 400V. Could these values still be different depending on the needs? operational techniques.
Nella forma di realizzazione preferita, come illustrato in Figura 1, il primo stadio 10 convertitore AC/DC ? anch?esso del tipo multistadio comprendente un dispositivo 11 raddrizzatore e un dispositivo 12 stabilizzatore disposti in serie, come esemplificato nei blocchi dello schema di Figura 1. In the preferred embodiment, as illustrated in Figure 1, the first stage 10 AC/DC converter ? also of the multistage type comprising a rectifier device 11 and a stabilizer device 12 arranged in series, as exemplified in the blocks of the diagram of Figure 1.
In particolare, il dispositivo 11 raddrizzatore ? del tipo con circuito PFC (Power Factor Correction), che permette di supplire allo sfasamento introdotto nella linea da un carico reattivo. In particular, the rectifier device 11 ? of the type with PFC (Power Factor Correction) circuit, which makes it possible to compensate for the phase shift introduced into the line by a reactive load.
Inoltre, il dispositivo 12 stabilizzatore ? del tipo con limitatore di corrente di ingresso. Furthermore, the 12 stabilizer device ? of the type with input current limiter.
Dunque, il convertitore 1 elettronico di potenza trifase/monofase rigenera in uscita una tensione sinusoidale a partire da una tensione continua, ottenuta da uno stadio raddrizzatore e stabilizzatore a circa 400V DC. Pu? essere presente su ogni fase del raddrizzatore un circuito PFC per mantenere la corrente in ingresso sinusoidale con un risultante fattore di potenza molto vicino all?unit?. Thus, the three-phase/single-phase electronic power converter 1 regenerates a sinusoidal voltage at the output starting from a direct voltage, obtained from a rectifier and stabilizer stage at about 400V DC. Can? be present on each phase of the rectifier a PFC circuit to maintain the sinusoidal input current with a resulting power factor very close to unity.
Una delle possibili ulteriori configurazioni per il primo stadio raddrizzatore AC/DC, secondo una ulteriore forma di realizzazione ivi non illustrata, comprende l?impiego di un dispositivo raddrizzatore direttamente della tensione in ingresso. Ne risulta per? una tensione sensibilmente pi? alta di quella necessaria al successivo secondo stadio convertitore DC/AC, che quindi rischia di lavorare senza poter esprimere al meglio le possibilit? anche in termini di rendimento e di sicurezza, dato che occorre utilizzare semiconduttori di categoria superiore a 600V che rendono pi? critico e costoso il sistema. One of the possible further configurations for the first AC/DC rectifier stage, according to a further embodiment not shown herein, comprises the use of a device that directly rectifies the input voltage. It results for? a voltage significantly more? high than that necessary for the subsequent second stage DC/AC converter, which therefore risks working without being able to express the possibilities to the fullest? also in terms of performance and safety, given that it is necessary to use semiconductors of a category higher than 600V which make it more? the system is critical and expensive.
Una ulteriore possibilit?, secondo una ulteriore forma di realizzazione ivi non illustrata, ? basata sull?utilizzo di TRIAC in serie ad un ponte raddrizzatore trifase, ove con l?acronimo TRIAC (TRIode for Alternating Current) si intende, nella presente invenzione, un componente elettronico di tipo semiconduttore specificamente progettato per controllare carichi in corrente alternata. Tale soluzione che consente una certa semplicit? costruttiva ma difficolt? di gestione, ed elevato contenuto armonico riversato sulla rete elettrica. A further possibility, according to a further embodiment not illustrated therein, is based on the use of TRIAC in series with a three-phase bridge rectifier, where the acronym TRIAC (TRIode for Alternating Current) refers, in the present invention, to an electronic component of the semiconductor type specifically designed to control alternating current loads. This solution that allows a certain simplicity? constructive but difficulty? management, and high harmonic content poured into the electricity grid.
Anche il secondo stadio 20 convertitore DC/AC pu? essere realizzato secondo diverse configurazioni, ad ogni modo ? preferibilmente atto a ricostruire una forma d?onda sinusoidale della corrente alternata monofase con tecnica PWM. Also the second stage 20 DC/AC converter can? be made according to different configurations, however ? preferably suitable for reconstructing a sinusoidal waveform of the single-phase alternating current with the PWM technique.
Preferibilmente, il detto secondo stadio convertitore DC/AC comprende un dispositivo generatore di potenza AC del tipo PWM con una frequenza portante pari ad almeno 15KHz, preferibilmente pari a 20Khz, modulata con segnale sinusoidale di 50Hz o 60Hz. Preferably, said second DC/AC converter stage comprises an AC power generator device of the PWM type with a carrier frequency equal to at least 15KHz, preferably equal to 20Khz, modulated with a sinusoidal signal of 50Hz or 60Hz.
La modulazione di larghezza di impulso consente di ottenere una tensione media variabile dipendente dal rapporto tra la durata dell?impulso positivo e dell?intero periodo (duty cycle). La durata di ciascun impulso pu? essere espressa in rapporto al periodo tra due impulsi successivi, implicando il concetto di ciclo di lavoro. Un ciclo di lavoro utile pari a 0% indica un impulso di durata nulla, in pratica assenza di segnale ove la potenza trasferita ? nulla, mentre un valore del 100% indica che l?impulso termina nel momento in cui ha inizio il successivo, ove la potenza corrisponde al valore massimo trasferito nel caso non sia presente il circuito di modulazione. Pulse width modulation allows to obtain a variable average voltage depending on the ratio between the duration of the positive pulse and the entire period (duty cycle). The duration of each impulse pu? be expressed in relation to the period between two successive pulses, implying the concept of duty cycle. A useful duty cycle equal to 0% indicates a pulse of zero duration, in practice absence of signal where the transferred power ? nothing, while a value of 100% indicates that the pulse ends when the next one begins, where the power corresponds to the maximum value transferred if the modulation circuit is not present.
In tal modo, ? possibile ridurre drasticamente la potenza dissipata dal circuito limitatore rispetto all?impiego di componenti a controllo analogico. Infatti, il transistor del circuito PWM in un istante conduce completamente, riducendo al minimo la caduta ai suoi capi, oppure non conduce affatto, annullando la corrente, e, in entrambi i casi, la potenza dissipata ? vicina allo zero. Thereby, ? It is possible to drastically reduce the power dissipated by the limiter circuit compared to the use of analog control components. In fact, does the transistor of the PWM circuit conduct completely in an instant, reducing the drop across it to a minimum, or does it not conduct at all, canceling the current, and, in both cases, the dissipated power? close to zero.
La forma di realizzazione preferita ivi illustrata e descritta del convertitore 1 elettronico di potenza trifase/monofase comprende ulteriormente un filtro 30 passa-basso di uscita disposto in successione al secondo stadio 20 convertitore DC/AC, atto ad estrarre la tensione a frequenza di rete monofase. Tale filtro 30 passa-basso di uscita ? opzionale, come indicato in Figura 1 dal tratteggio del blocco 30. The preferred embodiment illustrated and described therein of the three-phase/single-phase power electronic converter 1 further comprises an output low-pass filter 30 arranged in succession to the second stage 20 DC/AC converter, capable of extracting the single-phase mains frequency voltage . This output low-pass filter 30 ? optional, as indicated in Figure 1 by the dashed line of block 30.
Secondo ulteriori forme di realizzazione ? possibile altres? prevedere l?impiego di ulteriori filtri, in funzione delle necessit? tecniche. According to further embodiments ? otherwise possible? provide for the use of additional filters, according to the needs? techniques.
Allo stesso modo, il convertitore 1 elettronico di potenza trifase/monofase comprende ulteriormente un dispositivo 100 di supervisione a microcontrollore operativamente connesso al primo stadio 10 convertitore AC/DC e al secondo stadio 20 convertitore DC/AC. Come per il filtro 30 discusso in precedenza, anche il dispositivo 100 di supervisione a microcontrollore ? opzionale, come indicato in Figura 1 dal tratteggio del blocco 100. Similarly, the three-phase/single-phase electronic power converter 1 further comprises a microcontroller supervision device 100 operatively connected to the first stage 10 AC/DC converter and to the second stage 20 DC/AC converter. As for the filter 30 previously discussed, also the microcontroller supervision device 100 ? optional, as indicated in Figure 1 by the dashed line of block 100.
La presenza del dispositivo 100 di supervisione consente tanto il monitoraggio che l?eventuale controllo dei componenti, ovvero del primo stadio 10 convertitore AC/DC e del secondo stadio 20 convertitore DC/AC, per un funzionamento ottimale del convertitore 1 secondo la presente invenzione. The presence of the supervision device 100 allows both the monitoring and the eventual control of the components, ie of the first stage 10 AC/DC converter and of the second stage 20 DC/AC converter, for optimal operation of the converter 1 according to the present invention.
Per quanto riguarda la costruzione dei componenti del convertitore 1, ovvero del primo stadio 10 convertitore AC/DC e del secondo stadio 20 convertitore DC/AC, pu? essere realizzata secondo differenti modalit?. Preferibilmente, questi sono realizzati mediante componenti IGBT, ovvero mediante componenti a semiconduttore, preferibilmente del tipo MOSFET di potenza o GaN-MOSFET. L?utilizzo di componenti IGBT permette una costruzione robusta ed affidabile, ma con limiti nella frequenza massima utilizzabile per gli stadi di commutazione e con limiti sulla caduta di tensione in stato di saturazione, ovvero con una maggiore potenza dissipata. As regards the construction of the components of the converter 1, i.e. of the first stage 10 AC/DC converter and of the second stage 20 DC/AC converter, pu? be implemented in different ways. Preferably, these are made by means of IGBT components, ie by means of semiconductor components, preferably of the power MOSFET or GaN-MOSFET type. The use of IGBT components allows for a robust and reliable construction, but with limits in the maximum usable frequency for the switching stages and with limits on the voltage drop in saturation state, ie with greater dissipated power.
L?utilizzo di componenti MOSFET permette di lavorare a frequenze pi? alte e con pi? basse cadute di tensione sulla giunzione, permettendo l?utilizzo di induttori di ridotte dimensioni e rendimenti complessivi decisamente pi? alti e meno energia da dissipare. L?inconveniente di questi dispositivi ? che la elevata velocit? di commutazione pu? indurre fenomeni collaterali, ovvero la commutazione veloce di tensioni molto alte porta a rapporti DV/DT molto molto elevati con possibile creazione di disturbi ed esasperazione dei fenomeni negativi dati dalle capacit? ed induttanze parassite presenti nei componenti stessi e nel circuito stampato, arrivando a impedirne il corretto funzionamento. The use of MOSFET components allows you to work at frequencies more? tall and with more low voltage drops on the junction, allowing the use of inductors of reduced dimensions and overall efficiency much more? high and less energy to dissipate. The drawback of these devices? that the high speed? switching can? induce collateral phenomena, or rather the fast switching of very high voltages leads to very very high DV/DT ratios with the possible creation of disturbances and exasperation of the negative phenomena given by the capacitance? and parasitic inductances present in the components themselves and in the printed circuit, coming to prevent their correct functioning.
Il convertitore 1 secondo la presente invenzione ? illustrato e descritto in funzione di un impiego singolo, ma ? altres? possibile connettere pi? convertitori 1 per aumentare la potenza in uscita. In particolare, in tal caso il convertitore 1 elettronico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio comprende un segnale di sincronismo atto a consentire l?impiego di una pluralit? di suddetti convertitori 1 elettronici di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio in parallelo. In tal modo, risulta possibile realizzare un sistema di conversione elettronica di potenza trifase/monofase comprendente due o pi? convertitori elettronici di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio secondo la presente invenzione. In particolare, i convertitori elettronici di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio sono connessi in parallelo e ciascuno dei convertitori elettronici di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio comprende un segnale di sincronismo atto a sincronizzare i convertitori elettronici di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio connessi in parallelo per aumentare la potenza in uscita. The converter 1 according to the present invention ? illustrated and described according to a single use, but ? otherwise? is it possible to connect more? 1 converters to increase the output power. In particular, in this case the three-phase/single-phase electronic power converter 1 of the multistage type comprises a synchronism signal able to allow the use of a plurality of? of the aforesaid three-phase/single-phase electronic power converters 1 of the parallel multistage type. In this way, it is possible to realize a three-phase/single-phase power electronic conversion system comprising two or more? three-phase/single-phase electronic power converters of the multistage type according to the present invention. In particular, the three-phase/single-phase power electronic converters of the multistage type are connected in parallel and each of the three-phase/single-phase power electronic converters of the multistage type comprises a synchronization signal suitable for synchronizing the three-phase/single-phase power electronic converters of the multistage type connected in parallel to increase the output power.
L?impiego di un sistema del suddetto tipo consente, dunque, di realizzate uscite con potenze elevate pur mantenendo una elevata efficienza e un costo di produzione ridotto. The use of a system of the aforesaid type therefore allows to realize outputs with high power while maintaining a high efficiency and a reduced production cost.
Nel seguito viene descritto l?impiego del convertitore 1 in accordo con la presente invenzione. The use of the converter 1 in accordance with the present invention is described below.
Il convertitore 1 riceve in ingresso una corrente AC trifase con tensione a circa 400V AC. Il dispositivo 11 raddrizzatore provvede a raddrizzare le tensioni trifase presenti in ingresso, ottenendo una tensione di circa 560V nominali utilizzando un ponte trifase puro alimentato a 400V (o 380V se trifase puro). A tal proposito, i componenti devono essere dimensionati in sicurezza tenendo in considerazione almeno una alimentazione di 400V con una tolleranza in ingresso relativa alla fornitura di energia pari a 10% e prendendo in considerazione anche eventuali sovratensioni temporanee. Inoltre, impiegando un circuito PFC la tensione in uscita deve essere ancora superiore per permettere al circuito PFC medesimo di lavorare con un margine utile, dato che tale circuito eleva la tensione in ogni punto della sinusoide in ingresso ad un valore che deve essere superiore al picco massimo della stessa. The converter 1 receives at its input a three-phase AC current with a voltage of approximately 400V AC. The rectifier device 11 rectifies the three-phase voltages present at the input, obtaining a voltage of approximately 560V nominal by using a pure three-phase bridge fed at 400V (or 380V if pure three-phase). In this regard, the components must be sized in safety taking into consideration at least a 400V power supply with an input tolerance relating to the energy supply equal to 10% and also taking into consideration any temporary overvoltages. Furthermore, using a PFC circuit the output voltage must be even higher to allow the PFC circuit itself to work with a useful margin, given that this circuit raises the voltage at each point of the input sinusoid to a value which must be higher than the peak maximum of the same.
Il dispositivo 12 stabilizzatore, disposto in serie al precedente dispositivo 11 raddrizzatore, provvede a ridurre la tensione in uscita dal dispositivo 11 raddrizzatore in modo da renderla pi? adeguata allo stadio successivo. In particolare, ? possibile ridurre il picco di corrente iniziale, tipico dei dispositivi con raddrizzatore che hanno una forte componente capacitiva. Il secondo stadio 20 convertitore DC/AC infatti pu? usare una tensione in ingresso pi? bassa. Il picco della tensione in uscita ? di 230 * 1,41 = 325V circa, e considerando un margine per il circuito di uscita ? possibile arrivare a 380/400 V DC come tensione continuativa in ingresso. The stabilizing device 12, arranged in series with the previous rectifier device 11, provides for reducing the voltage at the output of the rectifier device 11 so as to make it lower. suitable for the next stage. Particularly, ? possible to reduce the initial current peak, typical of devices with rectifiers that have a strong capacitive component. In fact, the second stage 20 DC/AC converter can? use an input voltage pi? low. The peak of the output voltage ? of 230 * 1.41 = approximately 325V, and considering a margin for the output circuit ? possible to reach 380/400 V DC as continuous input voltage.
Utilizzare direttamente la tensione in uscita dal dispositivo 11 raddrizzatore richiederebbe di dimensionare i componenti del secondo stadio 20 convertitore DC/AC per una tensione pi? alta, tenendo per? presente che superare i 600V comporta componenti pi? costosi e delicati e la impossibilit? di sfruttare completamente la dinamica della generazione di forma d?onda con tecnica PWM. Infatti, il secondo stadio 20 convertitore DC/AC utilizza una tecnica di PWM a frequenza portante di circa 20KHz, o comunque pari ad almeno 15KHz, modulata con il segnale sinusoidale di 50Hz o 60Hz generato matematicamente dal processore di gestione. Questo circuito provvede anche a fornire una funzione di ?soft start?, ovvero la tensione in uscita aumenta progressivamente all?accensione in modo da ridurre il picco di corrente nei carichi capacitivi. Using the output voltage directly from the rectifier device 11 would require sizing the components of the second stage 20 DC/AC converter for a higher voltage. high, holding for? this that exceed the 600V involves components pi? expensive and delicate and the impossibility? to fully exploit the dynamics of waveform generation with PWM technique. In fact, the second stage 20 DC/AC converter uses a PWM technique with a carrier frequency of approximately 20KHz, or in any case equal to at least 15KHz, modulated with the 50Hz or 60Hz sinusoidal signal mathematically generated by the management processor. This circuit also provides a ?soft start? function, ie the output voltage increases progressively when switched on so as to reduce the current peak in the capacitive loads.
Il secondo stadio 20 convertitore DC/AC pu? essere anche provvisto di un sistema di controllo della tensione, che diventa praticamente stabilizzata. The second stage 20 DC/AC converter can? also be provided with a voltage control system, which becomes practically stabilized.
Allo stesso modo, il secondo stadio 20 convertitore DC/AC pu? essere anche provvisto di un sistema di controllo della corrente in uscita, che opera una limitazione di picchi di assorbimento e una protezione in caso di sovraccarico o di corto-circuito in uscita. Similarly, the second stage 20 DC/AC converter can? also be equipped with an output current control system, which operates a limitation of absorption peaks and a protection in case of overload or short-circuit at the output.
Il filtro 30 passa-basso in uscita, ottenuto con un apposito circuito L-C, provvede ad estrarre il segnale modulante che in questo caso ? la tensione a frequenza di rete monofase che interessa in uscita. The low-pass filter 30 at the output, obtained with a suitable circuit L-C, extracts the modulating signal which in this case is the single-phase mains frequency voltage of interest at the output.
Tale filtro 30 passa-basso pu? essere a pi? stadi in modo da eliminare le armoniche presenti e rimanere entro i requisiti delle normative EMC. This 30 low-pass filter can? be more stages in order to eliminate the harmonics present and remain within the requirements of the EMC regulations.
A tale proposito pu? essere necessario anche filtrare il circuito di ingresso per evitare di indurre disturbi sulla rete elettrica trifase da parte dei circuiti PFC. In tal caso, come descritto in precedenza, ? possibile impiegare tale filtro in entrata, o ulteriori filtri, ove necessario. In this regard can It may also be necessary to filter the input circuit to avoid inducing disturbances on the three-phase electrical network by the PFC circuits. If so, as described above, ? It is possible to use this input filter, or additional filters, if necessary.
? altres? possibile prevedere una sincronizzazione tra la frequenza di ingresso e la frequenza di uscita. Tale sincronizzazione consente evitare variazioni rilevanti e assicurare la possibilit? di impiego di applicazioni che sfruttano la frequenza di rete, ad esempio gli orologi elettrici che si basano sulla frequenza della corrente elettrica di rete. ? otherwise? It is possible to foresee a synchronization between the input frequency and the output frequency. This synchronization allows you to avoid significant variations and ensure the possibility? of use of applications that exploit the network frequency, for example the electric clocks that are based on the frequency of the electric current of the network.
Come descritto in precedenza, il convertitore 1 elettronico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio, secondo la presente invenzione, comprende un circuito 100 a microcontrollore che si occupa della supervisione generale del convertitore 1 medesimo. I componenti cui questo ? collegato sono realizzati in modo da avere un funzionamento autonomo, ma sicuramente risulta utile un sistema di controllo e monitoraggio che possa dare informazioni in tempo reale sullo stato del convertitore 1, quali valori di consumi, assorbimenti, temperature, tensioni e correnti, e provveda ad aumentare il livello di sicurezza generale del convertitore 1 medesimo. Tale circuito 100 a microcontrollore pu? prevedere una o pi? porte di comunicazione, ad esempio Ethernet, WI-FI, CAN, RS485, cos? da potere essere integrato in sistemi di monitoraggio e controllo remoto a scopo diagnostico e/o di manutenzione a distanza, integrandosi perfettamente agli ambienti di industria 4.0. As previously described, the three-phase/single-phase electronic power converter 1 of the multistage type, according to the present invention, comprises a microcontroller circuit 100 which takes care of the general supervision of the converter 1 itself. The components to which this ? connected are made to operate autonomously, but a control and monitoring system is certainly useful which can give real-time information on the status of the converter 1, such as consumption values, absorption, temperatures, voltages and currents, and provides for increase the general safety level of the converter 1 itself. This microcontroller circuit 100 can? provide one or more communication ports, such as Ethernet, WI-FI, CAN, RS485, so? to be integrated into remote monitoring and control systems for diagnostic and/or remote maintenance purposes, integrating perfectly into industry 4.0 environments.
La potenza prevista per il convertitore 1 elettronico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio ? compresa nel range da 2 a 6 KW, utilizzabile con tutti i tipi di carico, (resistivo, induttivo, capacitivo). Una potenza superiore non dovrebbe essere necessaria dato che un carico monofase difficilmente supera i 3KW, ma ? comunque raggiungibile. The expected power for the three-phase/single-phase power electronic converter 1 of the multistage type ? included in the range from 2 to 6 KW, usable with all types of load (resistive, inductive, capacitive). A higher power shouldn't be necessary since a single-phase load hardly exceeds 3KW, but ? still reachable.
Infine, nel caso si rendesse necessario, il convertitore 1 elettronico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio pu? essere dotato di un segnale di sincronismo che permette di usare pi? convertitori in parallelo in modo da aumentare a la potenza in uscita in funzione delle necessit? tecnica, realizzando di fatto un convertitore del tipo modulare, ovvero un sistema di conversione elettronica di potenza trifase/monofase del tipo modulare, secondo quanto descritto in precedenza. Finally, should it become necessary, the three-phase/single-phase power electronic converter 1 of the multistage type can? be equipped with a synchronism signal that allows you to use more? converters in parallel in order to increase the output power according to the needs? technique, effectively realizing a converter of the modular type, or a three-phase/single-phase power electronic conversion system of the modular type, as previously described.
Il convertitore statico di potenza trifase/monofase del tipo a multistadio secondo la presente invenzione presenta numerosi vantaggi, tra cui peso ridotto, costo di produzione ridotto e sostanziale assenza di manutenzione. The three-phase/single-phase static power converter of the multistage type according to the present invention has numerous advantages, including reduced weight, reduced production cost and substantial absence of maintenance.
L?assorbimento sulle fasi risulta equilibrato, con possibilit? di collegamento solo sulle tre fasi senza l?impiego del neutro. In particolare, il convertitore consente di realizzare l?indipendenza del bilanciamento delle fasi dal fattore di contemporaneit? di utilizzo dei carichi connessi. The absorption on the phases is balanced, with the possibility? of connection only on the three phases without the use of the neutral. In particular, the converter makes it possible to achieve the independence of the phase balancing from the simultaneity factor. of use of the connected loads.
A tal proposito, ? possibile installare i convertitori in accordo con la presente invenzione vicini ai carichi monofase, migliorando pertanto la disposizione e le perdite di rete. About that, ? It is possible to install the converters according to the present invention close to the single-phase loads, thereby improving the network layout and losses.
Inoltre, il convertitore secondo la presente invenzione consente di utilizzare carichi monofase che superano la potenza erogabile da una singola fase della rete, in tal modo risultando utile anche per l?impiego di carichi da rete domestica. In particolare, ? possibile l?impiego di utenze monofasi domestiche alla rete di distribuzione generale senza porsi il problema dell?equilibrio dei carichi, ad esempio impiegando un convertitore per ogni utenza. Furthermore, the converter according to the present invention allows single-phase loads to be used which exceed the power which can be supplied by a single phase of the network, thus also being useful for the use of loads from the domestic network. Particularly, ? It is possible to use single-phase domestic users on the general distribution network without posing the problem of balancing the loads, for example by using a converter for each user.
Infine, nel caso di necessit? di incremento della potenza ? possibile definire sistemi modulari comprendente due o pi? convertitori secondo la presente invenzione accoppiati in parallelo sincronizzati dal segnale di sincronismo. L?accoppiamento in parallelo di pi? convertitori consente, infatti, di raggiungere i livelli di potenza desiderati con ottimizzazione dei costi di produzione e quindi del prezzo di acquisto. Finally, in case of need? power increase? is it possible to define modular systems comprising two or more? converters according to the present invention coupled in parallel synchronized by the sync signal. The coupling in parallel of pi? converters allows, in fact, to reach the desired power levels with optimization of production costs and therefore of the purchase price.
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