convertitori a matrice

convertitori a matrice

Convertitori elettronici di potenza c.a.-c.a. in cui ciascuno degli ingressi è collegato a ciascuna delle uscite tramite un interruttore elettronico bidirezionale, cioè in grado di sostenere tensioni e portare correnti di ambo le polarità (un interruttore bidirezionale è realizzato collegando in parallelo inverso due interruttori elettronici del tipo BJT, Mosfet, IGBT ecc.). Se si considera un convertitore a matrice trifase e si assume che esso sia alimentato da tre generatori ideali di tensione u _{i 1},u_{i 2},u_{i 3}, detto x_nκ lo stato dell’interruttore S_nκ che collega l’ingresso n all’uscita k (x_nκ=0 se l’interruttore è aperto, x_nκ=1 se l’interruttore è chiuso), la generica tensione d’uscita u_nκ vale

u_uκ = x₁κ^u_i1 + x2κ^u_i2 + x_3κ^u_i3,      k=1,2,3.

In ogni istante solo uno degli interruttori collegati alla stessa fase d’uscita è in conduzione. Infatti se si chiudessero più interruttori nello stesso istante si causerebbe un cortocircuito delle fasi d’ingresso, mentre se si aprissero simultaneamente tutti gli interruttori la corrente di carico di quella fase (normalmente induttiva) non avrebbe vie di richiusura e causerebbe quindi sovratensioni. La condizione per un corretto funzionamento del convertitore diventa pertanto, in ogni istante

x_1κ + x_2κ + x_3κ = 1,                           k=1,2,3.

Se lo stato degli interruttori è determinato tramite modulazione PWM, detto mik il segnale modulante dell’interruttore Sik, la componente a bassa frequenza della generica tensione d’uscita risulta

û_uκ = m_1κu_i1 + m_2κu_i2 + m_3κu_i3,    k=1,2,3.

Quest’equazione mostra che con un’opportuna scelta dei segnali modulanti dei vari interruttori è possibile imporre il desiderato andamento a bassa frequenza a ciascuna delle tensioni d’uscita. Va tuttavia osservato che lo stato degli interruttori determina anche il valore delle correnti d’ingresso, note che siano quelle d’uscita che, a loro volta, dipendono dalle tensioni erogate dal convertitore. La generica corrente d’ingresso risulta infatti

i_un = x_n1i_u1 + x_n2i_u2 + x_n3i_u3,            n=1,2,3

ed è quindi univocamente determinata in ogni istante. Il principale vantaggio dei convertitori a matrice è che essi, in linea di principio, possono operare la conversione ingresso/uscita senza bisogno di capacità o induttanze per l’accumulo di energia (sempre presenti, invece, negli schemi convenzionali che fanno uso di raddrizzatori e inverter per la conversione c.a.-c.a.). Essi risultano quindi molto compatti, e pertanto leggeri ed economici. Tuttavia l’assenza di dispositivi di accumulo crea un accoppiamento diretto ingresso/uscita (la potenza d’ingresso deve infatti bilanciare istantaneamente quella d’uscita) che può dar luogo a componenti armoniche indesiderate delle correnti assorbite. Le principali applicazioni dei convertitori a matrice sono in ambito aeronautico, per la generazione di tensioni a frequenza fissa (400 Hz) a partire da alternatori a frequenza variabile trascinati dal motore di trazione dell’aereo, e negli azionamenti industriali di motori a c.a., dove compattezza ed economia sono fattori cruciali per il successo delle applicazioni.

→ Elettronica di potenza