Mitigazione dell'interferenza elettromagnetica a comune modo per trasformatori a stato solido
Questo articolo colma questa lacuna presentando una rassegna completa dei comuni MLC a collegamento continua, coprendo la loro evoluzione topologica, le caratteristiche, il confronto tra topologie, le tecniche di modulazione, le strategie di controllo e le aree di applicazione industriale. Inoltre, vengono discusse prospettive future e raccomandazioni per fornire ai ricercatori e agli ingegneri una migliore comprensione delle potenziali applicazioni e dei vantaggi di questi convertitori.
1.Introduzione.
Considerando le principali fasi evolutive degli MLC, le topologie esistenti possono essere categorizzate in alcune famiglie, come mostrato nella figura seguente. La prima famiglia include topologie basate su CHB e ha. Questi convertitori sono caratterizzati da alta modularità e un numero ottimale di interruttori di potenza per i livelli di uscita [31]. Tuttavia, sono necessarie multiple sorgenti DC isolate, richiedendo l'uso di trasformatori di isolamento ingombranti o limitando la loro impiegabilità a applicazioni che dispongono di diverse sorgenti DC isolate. Inoltre, la condivisione non uniforme della potenza tra le celle di potenza in cascata è una delle sfide comuni in questa famiglia. La seconda famiglia include topologie basate su NPC come i convertitori 3L-NPC e 3L-T2C. Questi convertitori sono caratterizzati da circuiti di potenza robusti e protezioni semplici. Tuttavia, l'equilibrio del collegamento continua è un requisito essenziale nel design di controllo di queste topologie. Le topologie basate su FC utilizzano condensatori come componenti di clampaggio per aumentare il numero di livelli, formando una famiglia di MLC caratterizzata da alta flessibilità, elevate ridondanze e operazioni tolleranti ai guasti. Gli MLC ibridi sono formati da celle di base delle topologie convenzionali e, quindi, combinano diversi vantaggi degli MLC classici con la capacità di produrre un alto numero di livelli. Le topologie MMC costituiscono una famiglia di MLC che rappresenta un salto di qualità per le applicazioni ad alta tensione grazie alla sua alta efficienza e alta modularità.
2. Topologie Comuni a Collegamento Continua.
La struttura a tre livelli di NPC attiva (ANPC) è stata in grado di affrontare il problema della condivisione delle perdite di potenza attraverso l'uso di due diverse tecniche di modulazione chiamate schemi di modulazione I e II. In cui i due diodi di clampaggio vengono sostituiti con due interruttori attivi per controllare la direzione del flusso di corrente negli stati zero. Lo schema di modulazione I causa la maggior parte delle perdite di commutazione negli interruttori esterni di ogni gamba, mentre lo schema II sposta le perdite di commutazione agli interruttori interni. La categoria FC include le topologie che utilizzano FC senza un punto neutro clamped e, di conseguenza, non portano il problema dell'equilibrio del collegamento continua. In queste topologie, gli FC vengono utilizzati per sostituire le sorgenti DC mentre generano i livelli di tensione. In generale, grazie alla modularità, questa famiglia ha la capacità di generare livelli relativamente più alti rispetto alla famiglia NPC. Inoltre, flessibilità, operazioni tolleranti ai guasti e miglioramento della condivisione delle perdite tra gli interruttori sono caratteristiche prominenti di queste topologie. I convertitori multilivello ibridi (HMLC) combinano diverse topologie fondamentali per sfruttarne i rispettivi vantaggi, superando alcuni dei loro limiti. Predominantemente, le topologie ibride possono migliorare le capacità di bilanciamento della tensione sia per il collegamento continua che per gli FC e la distribuzione delle perdite di potenza tra gli interruttori, riducendo il numero di componenti attivi e passivi richiesti rispetto alle topologie NPC e FC.
3. Modulazione e Controllo.
Una classificazione delle principali tecniche di controllo per i convertitori multilivello è mostrata nell'immagine sottostante. Come per il convertitore a due livelli, la struttura di controllo in cascata solitamente consiste in stadi di controllo esterni e interni oltre al blocco del modulatore. Anche se i loop interno ed esterno sono simili nei convertitori a due e più livelli, il blocco del modulatore, principalmente richiesto per le tecniche di controllo scalare e orientato al campo (FOC), deve essere adattato man mano che il numero di livelli aumenta. In questa sezione, prima viene presentata una rassegna dei modulatori più popolari e avanzati. Inoltre, verranno analizzate in dettaglio le tecniche di controllo che non richiedono un modulatore separato.
4. Applicazioni Industriali.
Storicamente, gli inverter CHB sono caratterizzati dalla loro modularità, tolleranza ai guasti e capacità di generare un alto numero di livelli di tensione tramite celle in cascata. Tuttavia, la necessità di multiple sorgenti DC isolate (rettificatore + trasformatore dal punto di vista industriale) limita la loro applicabilità per una vasta gamma di potenze. Infatti, gli inverter CHB sono principalmente impiegati in applicazioni ad alta potenza (da centinaia di kilowatt a megawatt) dove non ci sono componenti disponibili per tali potenze. Dall'altra parte, le topologie a collegamento continua comuni sono caratterizzate dall'impiego di una singola sorgente DC, rendendole un'alternativa valida in varie applicazioni come sistemi industriali trifase. Infatti, possono essere impiegati in molte configurazioni come 3-gambe 3-fili, 3-gambe 4-fili e 4-gambe 4-fili in motori, inverter fotovoltaici, caricatori DC veloci, ecc.
Fonte: IEEE Xplore
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