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Michele Mengoni

Professore associato

Dipartimento di Ingegneria dell'Energia Elettrica e dell'Informazione "Guglielmo Marconi"

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/32 CONVERTITORI, MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI

Temi di ricerca

Parole chiave: Azionamenti Elettrici Macchine Elettriche Elettronica di Potenza Motori Elettrici

L'attività di ricerca dell’Ing. Michele Mengoni si è sviluppata secondo le seguenti principali tematiche:

 

A. Macchine e azionamenti multifase;

B. Azionamenti elettrici a velocità variabile per macchine asincrone in applicazioni industriali e veicolari;

C. Diagnostica per macchine elettriche trifase e multifase

D. Convertitori trifase diretti AC/AC di tipo a matrice;

 

A. Macchine e Azionamenti Multifase

 

Da oltre 50 anni si è assistito a un costante aumento della richiesta di energia elettrica per far fronte ad un processo di elettrificazione che ha coinvolto tutti i settori dell’industria. Lo sviluppo e la diffusione dell’elettronica di potenza hanno permesso la penetrazione degli azionamenti elettrici in ambiti molto diversi, dall’ambiente domestico a quello della trazione elettrica pesante (navale e ferroviaria). In un contesto in cui un numero crescente di macchine elettriche non è più collegato direttamente alla rete di distribuzione, ma bensì ad un convertitore elettronico, il numero di fasi della macchina elettrica può diventare un’ulteriore grado di libertà in mano al progettista per migliorare le prestazioni dell’azionamento. Per queste ragioni, la ricerca scientifica dagli anni novanta è sempre più disposta a proporre soluzioni che prevedano l’impiego di macchine elettriche multifase.

La ragioni di questo interesse è da ricercare nei vantaggi che queste soluzioni possono offrire. Fra questi il più evidente è quello di suddividere la potenza della macchina tra un numero maggiore di rami di inverter rendendo possibile la costruzione di convertitori per applicazioni di media e grande potenza. Inoltre il numero maggiore di fasi permette di controllare un numero maggiore di armoniche della distribuzione di campo magnetico al traferro. Se in una macchina trifase è possibile controllare solo la prima armonica di campo, in una macchina multifase possono controllate anche armoniche di campo di ordine superiore al primo. Tramite un opportuno sistema di controllo è possibile ridurre le pulsazioni di coppia. Nel contempo, sfruttando lo stesso principio, è possibile realizzare azionamenti detti ad “alta densità di coppia”, in cui le armoniche di spazio del campo magnetico al traferro sono impiegate per aumentare la coppia prodotta dalla macchina elettrica, a parità di valore efficace di corrente assorbita. I valori ottimali che le armoniche di spazio devono assumere dipendono, oltre che dai i parametri elettrici di macchina, anche dai limiti di corrente e tensione dell’azionamento. In [M. MENGONI, et al. “High-torque-density control of multiphase induction motor drives operating over a wide speed range”, in IEEE Transaction on Industrial Electronics 2015] sono evidenziate le relazioni che sussistono tra il valore ottimale della terza armonica di spazio e i vincoli dell’azionamento (in termini di limiti in tensione e di corrente). Inoltre, nello stesso articolo, è proposto un sistema di controllo per un motore asincrono a sette fasi in grado di garantire il funzionamento della macchina elettrica in condizioni di indebolimento di campo e in tutto il range di velocità.

Un modo differente di impiegare i gradi di libertà aggiuntivi che le macchine multifase offrono, è rappresentato dalle applicazioni “multi - motore”. Se le macchine elettriche vengono correttamente progettate e collegate in serie avendo l’accortezza di frapporre tra loro un’opportuna permutazione delle fasi di alimentazione, è possibile realizzare un azionamento in grado di controllare le macchine elettriche in modo indipendente. In [M. MENGONI et al. “Position Control of a Multi-Motor Drive Based on Series-Connected Five-Phase Tubular PM Actuators” in IEEE Transaction on Industry Applications 2012] è analizzato il controllo di due attuatori lineari realizzati attraverso due motori brushless tubolari a 5 fasi collegati in serie. Nell’articolo è proposto un azionamento idoneo al controllo indipendente di entrambe le macchine e sono studiate le problematiche legate alla distribuzione della tensione e la corrente disponibile all’inverter, tra i due attuatori. In particolar modo sono analizzate le compensazioni degli effetti mutui causati da un non perfetto disaccoppiamento delle due macchine.

Un altro aspetto degli azionamenti multifase riguarda il controllo dei convertitori. All’interno della attività di ricerca sono state proposte diverse soluzioni in grado di migliorare le prestazioni degli inverter multifase in termini di efficienza. Alla conversione statica dell’energia si associano delle perdite che vengono comunemente distinte in perdite per conduzione e perdite per commutazione. In [L. ZARRI, M. MENGONI et al. “Minimization of the Power Losses in IGBT Multiphase Inverters with Carrier-Based Pulsewidth Modulation”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010] è mostrato come in un inverter multifase basato su tecnologia ad IGBT, le perdite di conduzione, valutate all’interno di un periodo della modulante, non dipendano dalla scelta delle configurazioni nulle adottate. Nel contempo le perdite per commutazione dipendono dalla scelta della tecnica di modulazione. Per minimizzare in qualsiasi condizione operativa le perdite complessive dell’inverter è necessario conoscere il valore delle correnti in uscita dal convertitore, informazione che è normalmente resa disponibile nella maggioranza delle applicazioni.

All’interno dell’attività di ricerca si è inoltre cercato di estendere l’approccio SVM ai sistemi multifase. La modulazione SVM è infatti ampiamente utilizzata nei dispositivi di controllo comunemente impiegati negli azionamenti trifase. La generalizzazione dell’SVM permette di estendere i concetti di “settore” e vettore di spazio anche agli azionamenti multifase [A. LEGA, M, MENGONI et al. “Space Vector Modulation for Multiphase Inverters Based on a Space Partitioning Algorithm”, IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2009].

 

 

B. Azionamenti elettrici a velocità variabile per macchine asincrone in applicazioni industriali e veicolari

 

In ambito industriale e veicolare è molto richiesto alla macchina elettrica il funzionamento in un ampio range di velocità. Un buon algoritmo per l’indebolimento di campo deve essere in grado di sfruttare completamente la tensione di alimentazione, deve avere una elevata dinamica, e una scarsa dipendenza dai parametri di macchina.

L'attività di ricerca in questo ambito si è concentrata sullo sviluppo di alcuni algoritmi robusti di indebolimento di campo per varie tipologie di azionamenti con macchina asincrona trifase.

Già durante il dottorato di ricerca è stato sviluppato un azionamento basato sul controllo diretto del flusso statorico “Stator Flux Vector Control” (SFVC). Lo schema di controllo di un azionamento SFVC è analogo al tradizionale controllo ad orientamento di campo, ma le componenti del flusso di statore sono impiegate come variabili di controllo al posto delle correnti statoriche. Con questa scelta, è possibile semplificare lo schema di controllo e ridurre il numero di regolatori richiesti.

Nello schema proposto, il flusso è variato con un regolatore PI sulla base della differenza tra la tensione richiesta e la tensione disponibile per il controllo del motore, in modo da disaccoppiare il controllo dai parametri di macchina e della tensione del bus DC. Tale soluzione è stata applicata con successo sia a schemi di controllo di coppia, sia a schemi di controllo della velocità.

Per garantire un'elevata dinamica di coppia ed eliminare i transitori indesiderati di flusso, è stata proposta una versione migliorata dello schema iniziale, in cui l'adattamento del flusso avviene non in base alla tensione richiesta dai regolatori, ma alla tensione che sarebbe richiesta dal motore per sviluppare la massima coppia alla velocità attuale. Il principio di base è stato poi arricchito di un algoritmo per limitare sovracorrenti durante lo spunto [M. Mengoni et al. “Stator Flux Vector Control of Induction Motor Drive in the Field Weakening Region”, IEEE Transaction on Power Electronics, 2008].

Sono stati inoltre paragonati 4 diversi algoritmi presentati in letteratura. I termini di paragone riguardano il numero di regolatori, la facilità di taratura dell’azionamento, la risposta dinamica dell’azionamento a fronte di una variazione a gradino della velocità di riferimento e la stabilità del sistema di controllo [M. Mengoni et al. “A Comparison of Four Robust Control Schemes for Field-Weakening Operation of Induction Motors”, IEEE Transactions on Power Electronics, 2012].

Nelle applicazioni veicolari, oltre a un buon controllo della macchina, è necessaria una gestione attenta delle batterie. All’interno dell’attività di ricerca ha trovato spazio l’analisi delle problematiche derivanti dall’impiego di macchine asincrone collegate a un sistema di alimentazione a batterie. In questo caso il monitoraggio della tensione del bus dc diventa fondamentale. È stata proposta, a questo riguardo, una soluzione che permette di gestire al meglio la macchina durante delle rapide frenate rigenerative e al contempo minimizza la potenza assorbita dalle batterie in tutti i regimi di velocità. Nelle applicazioni veicolari è fondamentale che la macchina operi in condizioni di massima efficienza valutando le perdite per effetto joule, storiche e rotoriche, e le perdite nel ferro. Al fine di aumentare l’efficienza dell’azionamento è necessario la conoscenza di alcuni parametri di macchina per variare il flusso presente al traferro al variare della coppia e della velocità richiesta. Variando la corrente magnetizzante in funzione delle condizioni di funzionamento è possibile ottenere un aumento complessivo dell’efficienza [D. Casadei, M. Mengoni et al. “Control Scheme with Energy Saving and DC-Link Overvoltage Rejection for Induction Motor Drives of Electric Vehicles”, in IEEE Industrial Applications, 2010].

Nelle applicazioni industriali è necessario che un azionamento conservi le proprie prestazioni in termini di dinamica e stabilità anche quando vengono a mutare le condizioni ambientali. La temperatura, in particolar modo, è influenzata dalle condizioni ambientali e di funzionamento della macchina elettrica ed è in grado di modificare il valore delle resistenze degli avvolgimenti alterando quindi la corretta taratura dei regolatori di corrente e la capacità dell’osservatore di flusso di garantire un corretto orientamento di campo. Una consolidata linea di ricerca consiste nello sviluppare sistemi di controllo robusti capaci di stimare le variazioni dei parametri elettrici della macchina e di adattare il controllo ai nuovi valori, allo scopo di ottimizzare le prestazioni del motore elettrico nelle diverse condizioni operative. [C. M. Verrelli; A. Savoia; M. Mengoni et al IEEE Transactions on Control Systems Technology 2014].

Le attività più recenti hanno invece analizzato una configurazione multilivello già nota in letteratura che consiste nel collegare una macchina asincrona trifase con avvolgimenti aperti a due inverter trifase. In questa particolare soluzione, Il primo inverter è collegato alla fonte di alimentazione ed è controllato allo scopo di garantire il funzionamento del motore a tutti i regimi di velocità fornendo alla macchina la potenza attiva richiesta. Il secondo inverter è invece collegato unicamente a un condensatore “flottante”, ed ha lo scopo di fornire al motore la potenza reattiva in modo da “rifasare” il primo convertitore. Questo tipo di azionamento permette di aumentare leggermente la zona a funzionamento a coppia costante del motore, ma soprattutto di estendere estremamente la zona di funzionamento a potenza costante. La velocità di ingresso in zona a potenza decrescente dipende direttamente dal valore della tensione del condensatore del secondo inverter. In questa configurazione riveste un ruolo chiave l’analisi dei limiti di tensione e di corrente dei due convertitori che determinano le prestazioni limite della macchina elettrica. [M. Mengoni et al. “Control Scheme for Open-Ended Induction Motor Drives with a Floating Capacitor Bridge over a Wide Speed Range”, accepted for publication in IEEE Transactions on Industry Applications 2017]

 

 

C. Diagnostica per macchine elettriche trifase e multifase.

 

Uno dei principali vantaggi dell’impiego dei sistemi di conversione multifase è la presenza dei numerosi gradi di libertà che possono essere anche impiegati per aumentare l’affidabilità, la robustezza complessiva dell’azionamento elettrico e la capacità di sviluppo di sistemi di diagnosi dei guasti non invasivi.

All’interno dell’attività di ricerca sono state analizzate diverse soluzioni che permettono il controllo della macchina in presenza di guasti persistenti su una o più fasi. In [Tani, M. Mengoni, et al.Control of Multiphase Induction Motors with an Odd Number of Phases Under Open-Circuit Phase Faults”, Trans. On Power Electronics] sono analizzati diverse tecniche di controllo per le macchine asincrone con un numero di fasi dispari, in presenza di una o più fasi aperte.

All’interno dell’articolo è descritto uno schema di controllo per una macchina asincrona a sette fasi in grado di garantire il funzionamento della macchina in presenza di una o più fasi aperte. Lo schema di controllo impiega al suo interno numerosi regolatori implementati su sistemi di riferimento controrotanti, in grado di inseguire profili di corrente precalcolati che permettono alla macchina di operare anche in condizioni di guasto.

Durante la propria attività scientifica l’ing. Michele Mengoni ha analizzato anche la possibilità di guasti meno severi rispetto all’apertura di una fase, ma che possono diventare estremamente dannosi se trascurati. La dissimmetria delle resistenze statoriche causata da problemi di serraggio dei conduttori alla morsettiera del motore è una frequente causa di sovratemperature localizzate e malfunzionamenti. In [Zarri, L; Mengoni, et al. “Detection and Localization of Stator Resistance Dissymmetry Based on Multiple Reference Frame Controllers in Multiphase Induction Motor Drives”, IEEE Transactions on Industrial Electronics 2013] e [M. Mengoni et al. “Online Detection of High-Resistance Connections in Multiphase Induction Machines”, IEEE Transactions on Power Electronics 2015] sono studiati gli effetti di una dissimmetria degli avvolgimenti statorici negli azionamenti a tensione impressa (V/f) e negli azionamenti basati su regolatori di corrente. In entrambi i casi è mostrato come sia possibile in una macchina multifase quantificare con precisione l’entità della dissimmetria e localizzare le fasi guaste. Il sistema controllo sviluppato si è dimostrato essere molto accurato ed in grado di stimare un livello di dissimmetria del 10% del valore nominale. Questa attività si inserisce in quell’ambito della ricerca che ha come scopo lo sviluppo dei cosiddetti “Fault Tolerant Drive”. Infatti la soluzione proposta garantisce una coppia priva di oscillazioni e un bilanciamento corretto delle correnti indipendentemente dal livello di disimmetria delle fasi di statore.

La stessa strategia di controllo è stata sviluppata anche per le soluzioni trifase in [M.Mengoni et al. “Online Detection of High-Resistance Connections with Negative-Sequence Regulators in Three-Phase Induction Motor Drives”, IEEE Transactions on Industry Applications 2015]. Nel caso trifase non sono presenti i gradi libertà tipici nei sistemi multifase ma è comunque possibile la stima delle variazioni di resistenza attraverso il monitoraggio della sequenza inversa delle correnti statoriche.

 

 

D. Convertitori trifase diretti AC/AC di tipo a matrice

 

La necessità di realizzare convertitori di dimensioni sempre più ridotte e la necessità di aumentare l’affidabilità dello stadio di conversione hanno indirizzato la ricerca verso soluzioni compatte che permettano il controllo bidirezionale dell’energia. Una delle soluzioni attualmente più studiata e discussa dalla comunità scientifica, come dimostra il numero sempre crescente di pubblicazioni sul tema, è rappresentata dal convertitore diretto AC/AC di tipo a matrice.

L’attività scientifica dell’Ing. Michele Mengoni si è incentrata sulle tecniche di modulazione di questo convertitore, in particolar modo sulla possibilità di espandere il range di modulazione lineare, quando il convertitore funziona con un fattore di potenza in ingresso non unitario. I risultati teorici e sperimentali mettono in luce come sia possibile, attraverso l’utilizzo completo e ottimizzato dei gradi di libertà del convertitore a matrice, ottenere un notevole aumento dell’indice di modulazione massimo quando il carico presenta uno spiccato comportamento reattivo [L. Zarri, M. Mengoni et al, “Range of the Linear Modulation in Matrix Converters”, IEEE Transactions on Power Electronics 2014].

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