Investigation of a three-level converter as buck topology in the kW range

Investigation of a three-level converter as buck topology in the kW range Il compito del tesista è di simulare e realizzare un convertitore Dual-Active Bridge a 3 Livelli, in grado di trasmettere fino a 100kW dal terminale in bassa tensione alla rete a media tensione ( 5 kV), a cui lo stesso è collegato all'altro capo. La topologia prevede un NPC, che sostiene fino a 5 kV, in grado di switchare 3 livelli di tensione (positivo, zero e negativo), un trafo a media frequenza, un'induttanza esterna di 6.2 mH e un ponte H installato lato bassa tensione (550V) Le forme d'onda in uscita dall'npc e dal ponte H, applicate a primario e secondario del trafo, non sono legate tra loro dal rapporto di trasformazione, in quanto il delta di tensione è applicato sull'induttanza esterna, causando così il trasferimento di potenza. Modulando lo sfasamento tra le due forme d'onda, è possibile modulare il flusso di potenza, che è bidirezionale. Simulato il convertitore, il lavoro è poi passato all'assemblaggio di diversi componenti (inutilizzati e già presenti nel laboratorio dell'istituto PGS), al fine di realizzare la topologia già studiata. Son state realizzate due cabine, una in cui sono disposti componenti in bassa e bassassima tensione (computer, scheda di controllo, desktop, ponte H, relay che aprono il circuito durante guasti, DC-Link ed il suo circuito di precarica) , mentre nella seconda cabina son stati installati solo elementi che reggono tensioni superiori (NPC, trafo, induttore, gate drive units dell'NPC, e AC/DC 380/24 V per alimentazione gate drive units) In toto, è stata dovuta realizzare e programmare una scheda per il controllo del convertitore. Lo user, definisce i valori di riferimento al loop di controllo tramite un programma in labview, questi vengono successivamente comunicati al DSP della scheda su cui è programmato il PI del convertitore. Il valore in uscita del PI è il phase-shift, inviato ad una FPGA che genera i segnali ottici di switching da inviare agli IGBT. Il loop di controllo è un semplice anello di tensione secondaria, vale a dire quella lato NPC (media tensione). La bassa tensione invece è ottenuta tramite un ponte a diodi trifase che rettifica la 380 della rete trifase, ottenendo in uscita circa 550V. Per proteggere il convertitore, dei fusibili da 63 A rms sono stati montati tra il ponte a diodi e la rete, in modo da intervenire nel caso la potenza trasmessa superi i 42 kW. Un relay trifase inoltre riceve un segnale ottico, proveniente dall'FPGA, aprendosi nel caso in cui un corto, una sovracorrente od una sovratensione vengano riconosciuti, od anche nel caso di cessata comunicazione tra PC e DSP o tra DSP ed FPGA. Alla fine di un periodo di 6 mesi, la tesi si è conclusa dopo aver ottenuto i seguenti risultati: - La scheda di controllo è in grado di generare segnali di switching, di modulare il phase-shift e di raggiungere la tensione di riferimento - Il convertitore è in grado di riconoscere sovratensioni, forzando lo shut-down dello stesso - Il convertitore è arrivato a switchare nel range di media tensione, raggiungendo una tensione in uscita di 2 kV con un ingresso di 400 V Ciò che ha limitato il raggiungimento della full-scale voltage è la carenza di una schermatura efficace : sopra i 400 V ingresso ed i 2000 V in uscita, la comunicazione tra PC e DSP è fallita ripetutamente a causa di EMI.