In this thesis work, a particular DC / AC power converter architecture called CSI ("Current Source inverter") was analyzed. Historically, this topology has been widely used for driving medium voltage electrical machines. The CSI, compared to the more widespread Voltage Source Inverter (VSI) is characterized by higher semiconductor conduction losses but is able to guarantee a higher reliability as the short-circuit of any half-bridge (inverter leg) does not cause a break (as in VSI architectures), but rather it is a normal operating condition within the pattern of PWM modulation. An important peculiarity of this topology is its intrinsic operation as voltage step-up when the input source of the converter consists of a DC voltage with an inductor in series. In this work, some topological variations respect to the classical CSI architecture were investigated along with new control strategies and Space Vector Modulation(SVM) in order to increase the conversion efficiency, to reduce the undesired harmonic component of output currents, and to mitigate the common mode current. Different CSI topologies and control strategies have been designed for two different applications: DC / AC grid-connected converters without galvanic isolation for photovoltaic applications and electric drives for aerospace applications. In Grid-connected applications, DC / AC converter solutions have been proposed for three-phase and single-phase systems. In particular, thanks to the addition of one or more transistors and dedicated SVM, it was possible to reduce conduction losses, the harmonic component in the injected currents into the grid and the ground leakage current. In the second application, the impact of the CSI topology in the aerospace environment was investigated. The proposed control strategy allows to control the electric machine using only the traditional CSI architecture with a DC Voltage source and with an inductor in series, without the aid of an additional DC-DC converter that regulates the input current of the CSI. Taking advantage of the intrinsic step-up voltage characteristic and very low high frequency harmonic content of the output phase voltages (thanks to the intrinsic CSI output filter), electric motors can be designed for higher voltages allowing higher power density, very interesting aspect in the aerospace field.

In questo lavoro di tesi è stata analizzata una particolare architettura di convertitore elettronico di potenza DC/AC denominata CSI (“Current Source inverter”). Storicamente, questa topologia è stata largamente impiegata per l’azionamento di macchine elettriche in media tensione. Il CSI, rispetto ai più diffusi Voltage Source Inverter (VSI) è caratterizzato da maggiori perdite di conduzione dei propri transistor ma è in grado di garantire un’affidabilità più elevata, siccome il corto-circuito di un qualunque mezzo-ponte (gamba dell’inverter) non determina una rottura (come nelle comuni architetture VSI), ma bensì è una normale condizione operativa all’interno di un periodo di commutazione della modulazione PWM. Una peculiarità importante di questa topologia è il suo funzionamento intrinseco come step-up nel caso la sorgente in ingresso al convertitore sia costituita da una sorgente di tensione continua seguita da un induttore. In questo lavoro si sono investigate modifiche topologiche rispetto all’architettura classica del CSI, nuove strategie di controllo e modulazioni PWM al fine di incrementare l’efficienza di conversione, ridurre il contenuto armonico indesiderato delle proprie correnti di uscita e limitare le correnti di modo comune. Cercando cosi, di rendere la topologia competitiva in applicazioni Industriali. Differenti soluzioni topologiche e di controllo del CSI sono state studiate per due differenti applicazioni: convertitori DC/AC grid-connected senza isolamento galvanico per sistemi fotovoltaici e per azionamenti elettrici per applicazioni aerospaziali. Nell’ambito dei convertitori DC/AC grid-connected sono state proposte soluzioni sia per sistemi trifase, sia per sistemi monofase. In particolare grazie all’aggiunta di uno o più transistor e a modulazioni PWM dedicate è stato possibile ridurre le perdite di conduzione, il contenuto armonico delle correnti iniettate in rete e la corrente di dispersione verso terra. Nella seconda applicazione come azionamento elettrico, si è investigato l’impatto della topologia nel mondo aerospaziale, proponendo una nuova strategia di controllo che permette di controllare la macchina elettrica unicamente attraverso un’architettura tradizionale CSI con sorgente di tensione continua e induttore serie, senza l’ausilio di un ulteriore convertitore DC-DC che regola la corrente in ingresso al CSI. Sfruttando la caratteristica intrinseca di innalzamento della tensione d’uscita dell’azionamento, sono stati progettati dei motori elettrici che potendo lavorare a tensioni più elevate e con basso contenuto armonico grazie al filtro d’uscita intrinseco del CSI, è possibile realizzare delle macchine con densità di potenza elevata, aspetto molto interessante in ambito aerospaziale.

Studio di nuove soluzioni di Inverter a corrente impressa per sorgenti energetiche rinnovabili e per azionamenti elettrici in ambito aerospaziale / Giovanni Migliazza - : . , 2020 Mar 05. ((32. ciclo, Anno Accademico 2018/2019.

Studio di nuove soluzioni di Inverter a corrente impressa per sorgenti energetiche rinnovabili e per azionamenti elettrici in ambito aerospaziale

MIGLIAZZA, Giovanni
2020-03-05

Abstract

In questo lavoro di tesi è stata analizzata una particolare architettura di convertitore elettronico di potenza DC/AC denominata CSI (“Current Source inverter”). Storicamente, questa topologia è stata largamente impiegata per l’azionamento di macchine elettriche in media tensione. Il CSI, rispetto ai più diffusi Voltage Source Inverter (VSI) è caratterizzato da maggiori perdite di conduzione dei propri transistor ma è in grado di garantire un’affidabilità più elevata, siccome il corto-circuito di un qualunque mezzo-ponte (gamba dell’inverter) non determina una rottura (come nelle comuni architetture VSI), ma bensì è una normale condizione operativa all’interno di un periodo di commutazione della modulazione PWM. Una peculiarità importante di questa topologia è il suo funzionamento intrinseco come step-up nel caso la sorgente in ingresso al convertitore sia costituita da una sorgente di tensione continua seguita da un induttore. In questo lavoro si sono investigate modifiche topologiche rispetto all’architettura classica del CSI, nuove strategie di controllo e modulazioni PWM al fine di incrementare l’efficienza di conversione, ridurre il contenuto armonico indesiderato delle proprie correnti di uscita e limitare le correnti di modo comune. Cercando cosi, di rendere la topologia competitiva in applicazioni Industriali. Differenti soluzioni topologiche e di controllo del CSI sono state studiate per due differenti applicazioni: convertitori DC/AC grid-connected senza isolamento galvanico per sistemi fotovoltaici e per azionamenti elettrici per applicazioni aerospaziali. Nell’ambito dei convertitori DC/AC grid-connected sono state proposte soluzioni sia per sistemi trifase, sia per sistemi monofase. In particolare grazie all’aggiunta di uno o più transistor e a modulazioni PWM dedicate è stato possibile ridurre le perdite di conduzione, il contenuto armonico delle correnti iniettate in rete e la corrente di dispersione verso terra. Nella seconda applicazione come azionamento elettrico, si è investigato l’impatto della topologia nel mondo aerospaziale, proponendo una nuova strategia di controllo che permette di controllare la macchina elettrica unicamente attraverso un’architettura tradizionale CSI con sorgente di tensione continua e induttore serie, senza l’ausilio di un ulteriore convertitore DC-DC che regola la corrente in ingresso al CSI. Sfruttando la caratteristica intrinseca di innalzamento della tensione d’uscita dell’azionamento, sono stati progettati dei motori elettrici che potendo lavorare a tensioni più elevate e con basso contenuto armonico grazie al filtro d’uscita intrinseco del CSI, è possibile realizzare delle macchine con densità di potenza elevata, aspetto molto interessante in ambito aerospaziale.
Current Source Inverter Solutions for Renewable Energies Sources and Electric Drives for Aerospace Applications
LORENZANI, EMILIO
File in questo prodotto:
File Dimensione Formato  
Migliazza_Giovanni_PhD_Thesis.pdf

accesso aperto

Descrizione: tesi di dottorato
Dimensione 9.45 MB
Formato Adobe PDF
9.45 MB Adobe PDF Visualizza/Apri
Pubblicazioni consigliate

Caricamento pubblicazioni consigliate

Licenza Creative Commons
I metadati presenti in IRIS UNIMORE sono rilasciati con licenza Creative Commons CC0 1.0 Universal, mentre i file delle pubblicazioni sono rilasciati con licenza Attribuzione 4.0 Internazionale (CC BY 4.0), salvo diversa indicazione.
In caso di violazione di copyright, contattare Supporto Iris

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/11380/1200383
Citazioni
  • ???jsp.display-item.citation.pmc??? ND
  • Scopus ND
  • ???jsp.display-item.citation.isi??? ND
social impact