Tesi

PROTOTIPIZZAZZIONE INTEGRATA DI CONVERTITORI DI POTENZA

Sommario

Prefazione

  1. Introduzione
    • I Sistemi Embedded
      • Il microcontrollore “ST52X301”
    • Gli IGBT
      • Struttura
      • Tiristore parassita
      • Buffer layer
      • Funzionamento
      • Dipendenza dalla temperatura
  2. Compatibilità elettromagnetica
    • Introduzione
    • Cause principali
    • Condensatori
    • Anelli di ferrite
    • Distribuzione della massa
    • Filtro passa basso
    • Il Crosstalk
    • Uso del piano di massa
  3. Circuito di reset
    • Introduzione
    • Modalità di Reset
      • LVD-RESET
  4. Blanking Time
    • Descrizione del problema
    • Effetto del tempo morto
    • Soluzione circuitale per il dead time
  5. Filtro sull’alimentazione
    • Introduzione
    • Dimensionamento del filtro LC
    • Correnti di inrush
    • Chopper di frenatura
  6. Gli snubber
    • Introduzione
    • Analisi del fenomeno
    • Tipi di snubber
    • Turn-off snubber
    • Altri tipi di snubber
    • Snubber di turn-off applicato all’inverter
  7. Pilotaggio degli IGBT
    • Introduzione
    • Gate Driver: IR2133
      • Struttura interna
      • Filtro in ingresso
      • Funzionamento
    • Bootstrap circuit
    • Calcolo della capacità di bootstrap
    • Resistenze di Bootstra
    • Diodi di Bootstrap
    • Protezione: Sovraccarico e Shoot-Through
    • Misura della corrente
    • Scelta della resistenza di gate
    • Optoisolamento
  8. Tecnica di controllo
    1. Introduzione
    2. Controllo volt su hertz
    3. V/Hz con segnali di pilotaggio parzializzati
  9. Simulazioni
      • BLOCCO N.1 - Rete di alimentazione
      • BLOCCO N.2  - Raddrizzatore trifase non controllato
      • BLOCCO N.3 – Filtro LC
    • Introduzione
    • In generale
    • In dettaglio
    • Risultati delle simulazioni
  10. Dimensionamento
    • Scelta dei componenti
      • IGBT e ponte trifase
      • Snubber
      • Filtro LC con resistenza di inrush
      • Condensatori e diodi di bootstrap
    • Fenomeni Termici
      • Riscaldamento delle piste
      • Dissipatori
      • Dimensionamento termico
  11. Programmazione del micro
    • TRIAC/PWM DRIVER
    • Il Timer
    • Gestione degli interrupt
    • Il fuzzy core
    • Convertitore A/D
    • FUZZYSTUDIO
    • Problemi di compatibilità
    • Programma di controllo
    • Configurazione delle periferiche
    • Controllo fuzzy
    • Generatore di rampa e Ritardo
    • Flow-Chart
    • Generazione dei segnali di controllo
  12. Realizzazione
    • Test
    • Disegno del circuito
    • Passaggio dallo schematico al PCB
    • Realizzazione del layout
    • Risultati sperimentali

APPENDICE A: Programmi

  • M-FILE UTILIZZATI
  • DATI.M
  • FILTROLC.M

Listato in assembler del software di controllo

Appendice B: Analisi delle forme d’onda in uscita da un raddrizzatore interamente controllato.

Appendice C: Circuito equivalente di un motore asincrono.

Appendice D: Elenco dei componenti utilizzati

BIBLIOGRAFIA

 


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PREFAZIONE

Sebbene i motori ad induzione siano le macchine elettriche dalle caratteristiche costruttive che meglio si adattano all’impiego nel settore industriale, il loro utilizzo,  sino a pochi anni fa,  era limitato a poche applicazioni.

A differenza delle macchine a corrente continua, che facevano da padrone nel settore degli azionamenti elettrici, in quelle ad induzione il controllo presentava una maggiore complessità. Questo inconveniente, associato alla difficoltà che si aveva nell’ottenere tensioni di alimentazione ad ampiezza e frequenza variabile, ha limitato la diffusione di queste macchine.

Trovate le soluzioni tecniche necessarie a risolvere questi problemi, attualmente, i motori asincroni, sono le macchine più utilizzate in ambito industriale.

Un altro fenomeno, che sta coinvolgendo il settore produttivo, riguarda l’impiego sempre più massiccio delle tecnologie embedded.

I vantaggi legati a questa rivoluzione sono numerosi, tuttavia, i principali, sono attribuibili all’incremento di flessibilità del sistema produttivo e alla possibilità di realizzare, con maggior semplicità, sistemi interconnessi semplificando ad esempio, la realizzazione di impianti di supervisione.

In seguito a queste constatazioni, si è posto l’obiettivo di realizzare un convertitore di potenza che seguisse queste tendenze di mercato confermate, tra l’altro, anche dagli studi di settore condotti da Venture Development Corporation.

In definitiva, l’oggetto di questo lavoro di tesi dal titolo “PROTOTIPIZZAZIONE INTEGRATA DI CONVERTITOREI DI POTENZA” è quello di realizzare un convertitore embedded a basso costo che consenta di effettuare un controllo sulla velocità di un motore trifase ad induzione.

Dato l’impiego di questo dispositivo,  finalizzato alla applicazioni low-cost, si è deciso di implementare un controllo di tipo Volt su Hertz, visto che le tecniche più evolute, come quella del controllo vettoriale, sono destinate ad impieghi in differenti fasce di mercato.

Il primo problema incontrato, è stato quello di realizzare un controllo sul valore efficace della tensione da applicare al motore. Questo tipo di controllo, è necessario per realizzare la regolazione in frequenza a flusso costante.

Solitamente le soluzioni che vengono adottate prevedono l’impiego di un raddrizzatore controllato o il pilotaggio dell’inverter mediante segnali PWM con modulazione della portante. Tuttavia, dato che entrambe queste soluzioni erano in contrasto con l’obiettivo di ridurre al minimo i costi, si è deciso di variare, il valore efficace della tensione, mediante una particolare tecnica di parzializzazione dei segnali di pilotaggio.

Questa soluzione ha consentito l’utilizzo di un semplice ponte a diodi in luogo di un pontejpanesliders_permissions-slidersdella complessità dell’hardware di controllo.

Oltre alla citata tecnica di parzializzazione, la caratteristica innovativa di questo progetto è data dalla notevole riduzione dei costi ottenuta grazie all’impiego di un piccolo microcontrollore da 8bit dotato di soli 2kbytes di memoria EPROM.

L’uso di un simile microcontrollore permette di realizzare un notevole risparmio, non solo per il minor costo del componente in se, ma soprattutto, per la riduzione del time-to-market e in virtù del fatto che le imprese, solitamente, dispongono di un maggiore Know-How  nella realizzazione di sistemi embedded di questa tipologia.

L’impiego di un controllore ad 8bit non è banale dato che le normali potenzialità di calcolo di un dispositivo di questo tipo si sono dimostrate inadeguate alle nostre esigenze.

Questo inconveniente è stato risolto utilizzando un micro della STMicroelectronics in grado di gestire sia algoritmi in logica tradizionale, sia algoritmi in logica fuzzy.

Grazie al ricorso alla logica fuzzy è stato possibile implementare un controllo notevolmente complesso nonostante le risorse hardware fossero notevolmente limitate. Per comprendere l’importanza di questa soluzione, basta pensare al fatto che, la codifica di una Membership Function triangolare, richiede solo 3 bytes di memoria. A fronte di questa richiesta irrisoria  di EPROM è possibile realizzare un controllo complesso, la cui implementazione mediante la logica tradizionale richiederebbe la risoluzione di equazioni nelle quali compaiono operazioni, che seppur semplici come le moltiplicazioni, richiedono l’impiego di complesse routine di calcolo solitamente non disponibili nei micro ad 8bit.

Il progetto è stato realizzato con la logica dei dispositivi embedded in modo che  tutta la componentistica utilizzata coesistesse su un’unica scheda.

Per realizzare al meglio questo processo di integrazione, è stato compiuto un ingente lavoro di documentazione, finalizzato alla ricerca delle soluzioni tecniche necessarie a minimizzare i problemi di compatibilità elettromagnetica, che, in questi dispositivi, vengono enfatizzate a causa dell’enorme vicinanza tra i circuiti di potenza e controllo.

L’analisi dell’elettronica di potenza, della tecnica di controllo e della dinamica elettrica e meccanica del motore è stata condotta con il supporto di modelli realizzati in Simulink.

Il controllo fuzzy è stato studiato mediante l’apposita toolbox del Matlab. L’elettronica di controllo è stata analizzata con P-Spice ed, infine, il software di controllo è stato emulato con il tool di sviluppo della STMicroelectronics FUZZYSTUDIO.

Diversi sono i dispositivi di protezione implementati. Per quanto riguarda le sovracorrenti, non solo sono stati inseriti dei fusibili sulle linee di alimentazione, ma è stato realizzato anche un sistema di rilevamento elettronico che consente di bloccare tempestivamente il pilotaggio degli IGBT in occorrenza di un sovraccarico o di uno shoot-through.

È presente anche un sistema di rilevamento di undervoltage per la tensione di alimentazione del microcontrollore che consente di resettare il componente nel caso in cui la tensione continua di alimentazione sia insufficiente a garantirne un corretto funzionamento. Il pilotaggio viene inibito anche quando la tensione ai gate degli IGBT non è sufficientemente elevata, qualora dal micro provengano dei segnali di controllo corrispondenti ad una configurazione pericolosa per l’inverter e qualora i pin di pilotaggio del driver risultassero fluttuanti.

Per proteggere l’elettronica di controllo sono stati utilizzati degli optoisolatori e le masse dei componenti funzionanti a 5V e 15V sono galvanicamente isolate.

Al fine di limitare lo stress che subisce il sistema, le brusche variazioni del segnale di riferimento per la velocità non vengono applicate istantaneamente, ma filtrate attraverso un limitatore di rampa realizzato via software. Le simulazioni hanno mostrato che la mancanza del limitatore di rampa determinerebbe sovratensioni intollerabili sul bus in continua durante i fenomeni di rigenerazione.

Un altro fenomeno rilevato grazie al supporto delle simulazioni è rappresentato dalla presenza di pericolosi spike di tensione ai capi degli IGBT durante le commutazioni. La presenza di questi spike, causati da fenomeni di natura induttiva, hanno reso necessario il dimensionamento di circuiti di snubber che addolcissero il turn-off dei componenti.

Oltre ai due convertitori, AC/DC e DC/AC, posti in cascata per realizzare il controllo in frequenza, è stato dimensionato un filtro sull’alimentazione (inserito tra i due convertitori)  e un circuito in grado di implementare la presenza del tempo morto durante le commutazioni degli IGBT. Tuttavia quest’ultimo circuito non è stato realizzato dato che la funzione che doveva svolgere viene gestita automaticamente dal driver utilizzato.

L’interfaccia tra il sistema ed il mondo esterno è gestita mediante:

  • Pulsante di Reset: consente di resettare il microcontrollore
  • Pulsante di Shut-Down (SD): consente di bloccare il Gate Driver
  • Pulsante di Fault-Clear (FC): consente di ripristinare il funzionamento dopo il rilevamento di un guasto
  • Pulsante di Interrupt-Esterno: consente di segnalare l’istante in cui avviare il controllo
  • Reostato di Riferimento: consente di regolare la velocità del motore
  • LED di segnalazione: segnalano lo stato del controllo e quello di fault
  • Diversi connettori per utilizzi futuri

 

Dopo aver dimensionato tutti i componenti, la scelta definitiva è stata fatta sulla base di considerazioni economiche e di disponibilità commerciale.

Prima di procedere con la realizzazione del prototipo vero e proprio sono stati eseguiti diversi test sul circuito di controllo realizzato su breadboard per verificarne il corretto funzionamento.

Il circuito è stato realizzato su PCB dopo aver effettuato lo sbroglio delle piste utilizzando il cad elettronico Protel 99 SE mediante incisione, ottenuta per mezzo di solventi chimici, su scheda ramata e fotosensibilizzata a doppia faccia.

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