INVERTER IN PARALLELO E COMUNICAZIONE SINCRONIZZATA: UN NUOVO APPROCCIO ALL'ALTA POTENZA

Nei sistemi di azionamento ad alta potenza, la vera sfida non è solo raggiungere il livello di potenza richiesto: è farlo mantenendo affidabilità, flessibilità di configurazione e costi di sistema sotto controllo. Lavorando su applicazioni che spingono i limiti degli inverter tradizionali, abbiamo sviluppato un approccio che parte da una domanda diversa: invece di progettare ogni volta un convertitore di taglia superiore, come si fa a far cooperare in modo preciso più unità di conversione di potenza ridotta?

Due inverter in parallelo per sistemi di conversione mulit-modulo

Il punto di partenza è stato un caso concreto: un motore SM-PMSM (Motore Sincrono a Magneti Permanenti Superficiali) a doppia terna trifase, ~250 kW, con frequenza di switching a 8 kHz. 

La soluzione che abbiamo scelto è stata affiancare due inverter da 180 kVA in parallelo, gestiti da un sistema di controllo a doppia scheda Master-Slave. In questa architettura, la scheda Mater raccoglie i feedback di stato dallo Slave, calcola i riferimenti di controllo per entrambi i convertitori e li trasmette allo Slave tramite un sistema di comunicazione proprietario ad alta frequenza. la scheda Slave riceve i riferimenti e chiude il proprio anello di controllo in modo indipendente. Il risultato è un sistema di conversione multi-modulo sincrono e coordinato, capace di erogare fino a 360 kVA riutilizzando hardware esistente - senza sviluppare da zero  un convertitore di taglia superiore.  

Questa architettura proprietaria è applicabile sia al controllo di azionamenti elettrici con motori multifase (6 fasi, 2×3), sia a configurazioni ad elevata potenza (> 1 MW) che richiedono più di due moduli in parallelo.
I vantaggi non sono solo di scalabilità: l'uso di moduli identici introduce ridondanza hardware — in caso di guasto di un'unità, il sistema può continuare a operare a potenza ridotta — e riduce il costo complessivo rispetto a convertitori monolitici di grande taglia, specialmente oltre 0,5 MW.  

Il “collo di bottiglia” che le architetture tradizionali non risolvono

Parallelizzare più inverter, però, non è tecnicamente banale. Il problema centrale non è la potenza: è la sincronizzazione della comunicazione multi-modulo. In un'architettura master/slave classica, il master deve aprire un canale di comunicazione dedicato verso ciascuno slave. Già con sei moduli, questo nodo centralizzato diventa il collo di bottiglia dell'intero sistema: sono necessari N porte hardware e N canali bidirezionali, il master è un componente specializzato non intercambiabile con gli slave, e aggiungere o rimuovere moduli implica una riprogettazione hardware.

La domanda che ci siamo posti è stata: come si scala un sistema parallelo oltre 2 moduli senza che la complessità cresca in modo esponenziale? La risposta è stata una topologia di comunicazione distribuita ad anello, con singolo Master e multi-Slave, in cui ogni modulo dispone di sole due porte unidirezionali — una in ricezione, una in trasmissione. È questa l'architettura su cui abbiamo costruito la nostra soluzione proprietaria.

Comunicazione sincrona  distribuita: la soluzione proprietaria di Prima Electro.

Il sistema di comunicazione ad alta frequenza che abbiamo sviluppato opera fino alla frequenza di switching dei convertitori, abilitando il parallelo di N inverter senza i vincoli dell'architettura centralizzata. La distinzione tra Master e Slave è solo a livello firmware: l'hardware è identico per tutti i moduli, il che consente riconfigurazioni in-field e un provisioning scalabile senza modificare il cablaggio.

La sfida tecnica critica era il jitter di sincronizzazione: tutti gli stadi di uscita devono commutare con lo stesso riferimento temporale per garantire il PWM sincrono e preservare i benefici della commutazione simultanea tra le celle di conversione.  Con la soluzione sviluppata da Prima Electro, il jitter di propagazione del timing reference risulta trascurabile rispetto al periodo di commutazione. La comunicazione avviene su linea differenziale con isolamento galvanico o su fibra ottica, per minimizzare i disturbi di accoppiamento, con un microcontrollore commerciale e firmware dedicato. La soluzione è attualmente in fase di brevetto..