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Analisi e simulazione di un convertitore a tre livelli per applicazioni di potenza

Informazioni tesi

  Autore: Matteo Toffano
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2008-09
  Università: Università degli Studi di Bologna
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria elettrica
  Relatore: Luca Zarri
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 126

L'energia elettrica è un bene prezioso e molti studi di mercato dimostrano che la domanda di energia elettrica è in continua crescita. Uno studio della BP (Beyond Potroleum), in occasione della “statistical review of world Energy, June 2008”, afferma infatti che nei cinque anni di riferimento (periodo: dal 2002 al 2007) il consumo di energia primaria è aumentato del 16,5%, e negli ultimi dieci anni (periodo: dal 1997 al 2007) l’incremento è stato del 24.6%.
A causa della limitata disponibilità di energia elettrica e del sempre crescente prezzo del petrolio la tecnica ha dovuto, e deve tuttora, indirizzarsi verso un nuovo percorso, in cui l'obiettivo è quello di ridurre il consumo di energia elettrica (risparmio energetico) e di promuovere la ricerca nell’ambito delle fonti alternative di energia (energie pulite). Di conseguenza, è strettamente necessario un continuo miglioramento dell'efficienza energetica in tutte le applicazioni industriali e di consumo. Quando si parla di efficienza ci si riferisce soprattutto all'efficienza elettrica.
Nelle applicazioni di elettronica di potenza l'obiettivo principale, perseguito dagli ingegneri per lo sviluppo di un nuovo prodotto, è quello di massimizzare l'efficienza elettrica e termica, così come ottimizzare la distorsione armonica e le dimensioni.
I suddetti obiettivi devono essere soddisfatti in linea con gli altri sempre più severi criteri di efficienza economica e tempi di sviluppo.
L’inverter multilivello nasce proprio in questo importante contesto energetico-tecnicoeconomico.
In particolare, la tipologia d’inverter a tre livelli, di cui si tratterà principalmente in questo tesi, è utilizzata sempre più spesso in applicazioni UPS, compresi quelli a medio-bassa potenza (5-40 kVA).
La tecnologia multilivello, applicata al convertitore DC/AC (inverter), si basa su un concetto piuttosto semplice: il collegamento in serie di moduli IGBT, ciò consente di utilizzare un bus-dc a una tensione di gran lunga superiore rispetto alle soluzioni tradizionali pur utilizzando degli IGBT con la medesima tensione di blocco. Questo concetto è stato introdotto per la prima volta in applicazioni di elevata potenza in alta tensione, proprio per consentire l’uso di IGBT standard in applicazioni in cui la tensione è dell’ordine di decine di qualche kV.
L'uso di inverter multilivello rappresenta, inoltre, un modo di migliorare l'efficienza e la qualità di conversione dell’energia. Il convertitore VSI multilivello, infatti, produce in uscita tensioni, e di conseguenza correnti, molto più simili alla forma d'onda sinusoidale, con livelli di distorsione armonica estremamente bassi. Ciò offre due importanti vantaggi: la frequenza di commutazione può essere inferiore a quella di un inverter VSI a due livelli, consentendo quindi di ridurre le perdite nel silicio e la riduzione dei filtri d’uscita produce una diminuzione globale di dimensioni e costi.

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1 INTRODUZIONE L'energia elettrica è un bene prezioso e molti studi di mercato dimostrano che la domanda di energia elettrica è in continua crescita. Uno studio della BP (Beyond Potroleum), in occasione della “statistical review of world Energy, June 2008”, afferma infatti che nei cinque anni di riferimento (periodo: dal 2002 al 2007) il consumo di energia primaria è aumentato del 16,5%, e negli ultimi dieci anni (periodo: dal 1997 al 2007) l’incremento è stato del 24.6%. A causa della limitata disponibilità di energia elettrica e del sempre crescente prezzo del petrolio la tecnica ha dovuto, e deve tuttora, indirizzarsi verso un nuovo percorso, in cui l'obiettivo è quello di ridurre il consumo di energia elettrica (risparmio energetico) e di promuovere la ricerca nell’ambito delle fonti alternative di energia (energie pulite). Di conseguenza, è strettamente necessario un continuo miglioramento dell'efficienza energetica in tutte le applicazioni industriali e di consumo. Quando si parla di efficienza ci si riferisce soprattutto all'efficienza elettrica. Nelle applicazioni di elettronica di potenza l'obiettivo principale, perseguito dagli ingegneri per lo sviluppo di un nuovo prodotto, è quello di massimizzare l'efficienza elettrica e termica, così come ottimizzare la distorsione armonica e le dimensioni. I suddetti obiettivi devono essere soddisfatti in linea con gli altri sempre più severi criteri di efficienza economica e tempi di sviluppo. L’inverter multilivello nasce proprio in questo importante contesto energetico-tecnico- economico. In particolare, la tipologia d’inverter a tre livelli, di cui si tratterà principalmente in questo tesi, è utilizzata sempre più spesso in applicazioni UPS, compresi quelli a medio-bassa potenza (5-40 kVA). La tecnologia multilivello, applicata al convertitore DC/AC (inverter), si basa su un concetto piuttosto semplice: il collegamento in serie di moduli IGBT, ciò consente di utilizzare un bus-dc a una tensione di gran lunga superiore rispetto alle soluzioni tradizionali pur utilizzando degli IGBT con la medesima tensione di blocco. Questo concetto è stato introdotto per la prima volta in applicazioni di elevata potenza in alta

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Parole chiave

convertitore multilivello
distorsione armonica
inverter
perdite di commutazione
perdite di conduzione
plecs
tecniche di modulazione
ups

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