Convertitori di potenza innovativi ET multilivello per la Media Tensione: modelli di calcolo e verifiche comparative di progetto = Innovative multilevel ET power converters for Medium Voltage applications: calculation and comparative design verification models

Se negli ultimi decenni si è assistito al progressivo consolidamento delle tecnologie dei convertitori statici di potenza in ambito industriale e fotovoltaico, o comunque in Bassa Tensione (BT), lo stesso non si è verificato per le applicazioni in Media Tensione (MT), per le quali non è tecnologicamente praticabile l’adozione delle strutture di conversione allo stato dell’arte in BT. Questo è principalmente dovuto al fatto che le tecnologie dei semiconduttori permettono la realizzazione di dispositivi di potenza limitati in tensione, a livelli inferiori alle massime tensioni di picco richieste nelle applicazioni in MT. L’adozione di topologie di conversione più complesse e innovative è pertanto necessaria per fornire risposta alle esigenze del mercato elettrico di alta potenza in MT. In questo settore, in termini di costo affidabilità ed efficienza, permangono di riferimento tecnico e commerciale i convertitori a commutazione naturale a SCR del precedente stato dell’arte in MT. Pertanto, la diffusione in MT delle proprietà di regolazione PWM richiede il miglioramento dell’efficienza energetica unitamente ad una riduzione dei costi. Per ovviare a tali carenze strutturali e funzionali sono stati ideati i convertitori multilivello (MLC) che trovano, però, ancora limitata diffusione visto che le soluzioni attualmente proposte presentano: - elevato numero di componenti in serie - complessità circuitale - la necessità di adottare trasformatori a 50 Hz o di alta frequenza per realizzare il bilanciamento di carica dei condensatori del DC – link - difficoltà di implementazione del controllo e della realizzazione del bypass elettrico in condizioni di guasto Una soluzione alle problematiche esposte viene offerta dai convertitori ET che pur configurandosi come convertitori multilivello ne eliminano alcuni svantaggi. La conversione ET nasce dall’individuazione della trasformazione AC/ET mediante la quale a partire da una terna simmetrica di sinusoidi si ottengono le forme d’onda di inviluppo e transizione. A tali forme d’onda vengono associate delle strutture di conversione altamente specializzate, sia da un punto di vista della risoluzione che da quello della dinamica PWM. Un convertitore ET è quindi costituito da due stadi distinti: il primo (PWM Stage) realizza le forme d’onda di inviluppo e di transizione ed è costituito da componenti specializzati per la commutazione forzata; il secondo (Switch Matrix) esegue la trasformazione ET/AC e presenta componenti specializzati per la conduzione. Il convertitore si configura come multilivello e la coesistenza di componenti per la commutazione forzata e di componenti per la commutazione naturale fa sì che la conversione ET si definisca ibrida. Nella presente trattazione si intendono introdurre i modelli di calcolo e verifica di progetto di una struttura di conversione completa AC/ET/AC per un’applicazione di MV, un azionamento elettrico 5MW 6kV per pompe e ventilatori. Si propone, inoltre, un’analisi comparativa delle perdite delle sole parti attive tra la struttura ET oggetto di studio e un convertitore Cascaded H-Bridge a 7 livelli, che attualmente costituisce la soluzione multilivello più impiegata nell’ambito delle applicazioni di media tensione. Da questa analisi emerge quanto la tecnologia proposta risulti più competitiva, in termini di efficienza, rispetto a quella che costituisce lo stato dell’arte attuale.