Analisi del sistema e misure di rumore preventive

Durante una prima campagna di misure [50] l’obiettivo è stato quello di definire le effettive bande di frequenza utili ad effettuare la misura. Per fare ciò, oltre all’antenna SolBox® è stata utilizzata l’antenna log-periodica già messa a confronto in laboratorio.

Le prove sono state effettuate nelle varie fasi di funzionamento della turbina: all’accensione, in stand-by, allo spegnimento e durante la produzione. Queste misure, oltre ad essere fatte nei siti destinati al montaggio del sistema finale, sono state condotte anche in direzioni diverse, al fine di avere un’informazione completa sulle dinamiche all’interno della Nacelle, tenendo in considerazione anche la rotazione della stessa, dovuta all’azione del vento proveniente da diverse direzioni. Una zona di particolare interesse è stata quella dell’inverter, per il rumore elettromagnetico prodotto da quest’ultimo.

L’antenna di tipo log-periodico è stata posizionata in modo da puntare la zona di interesse e mantenuta con un’asta da microfono, l’antenna del SolBox® _{è stata montata utilizzando delle} comuni fascette, in modo da poter essere rimossa a fine misura. Nell’immagine di Figura 125 è riportato il montaggio dell’antenna SolBox® _{sulla testata T2 del generatore e delle}

127 antenne di tipo Log-periodico utilizzate come riferimento. Tutte le misurazioni sono state effettuate mediante analizzatore di spettro.

Figura 125: Setup di misura all’interno della Nacelle.

Per discriminare le varie sorgenti di rumore è stato scelto di effettuare delle misure sia con turbina eolica ferma, quindi senza tensione sul generatore, sia misure con turbina in

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generazione. Ovviamente in quest’ultimo caso si avrà, oltre al rumore ambientale, quello dovuto alla parte di elettronica di potenza, il tutto unito all’attività di scarica.

La prima misurazione effettuata è quella con tutto il sistema fermo, si ha quindi la certezza che il segnale misurato è da attribuire solamente al rumore ambientale. Il risultato ottenuto dalla misura con l’antenna SolBox mediante analizzatore di spettro è riportato in Figura 126, è possibile notare una notevole differenza rispetto alle misure effettuate in laboratorio Figura 102 e Figura 103.

Figura 126: Spettro in frequenza della misura di rumore all’interno della Nacelle senza tensione.

In particolare si hanno componenti in bassa frequenza pur non avendo inverter in funzione e allo stesso tempo componenti in alta frequenza, prossime alle frequenze utili per la misura delle scariche. Analizzando nel dettaglio le frequenze presenti è possibile attribuirle, in modo indicativo ai segnali delle telecomunicazioni, Figura 127.

129 Figura 127: Spettro del rumore associato ai segnali delle telecomunicazioni.

La parte in bassa frequenza è relativa alla radio, ad alcune comunicazioni aeronautiche e della difesa e in maggior parte allo spettro delle trasmissioni televisive, segnali che vengono captati dall’antenna anche se fuori banda, spettro di rumore che andrebbe comunque a sovrapporsi a quello dell’inverter. Nell’immagine è riportata la zona adatta alla misura delle scariche parziali, evidenziata in verde. All’interno di questa zona è però presente un notevole disturbo, dovuto alla comunicazione GSM [51]. Infine si può notare, a più alta frequenza, il segnale relativo alla comunicazione LTE/4G. Tutte le frequenze sono riassunte nella Tabella 10. Frequenze misurate [MHz] Suddivisione Bande [MHz] Utilizzo 78÷115 87,5÷108 Radiodiffusione (FM) 108÷117,9 Radionavigazione Aeronautica 217÷233 174÷223 Radiodiffusione

223÷230 Radiodiffusione sonora numerica

350÷406 Diverse bande Ministero difesa

467÷800 Diverse bande Radiodiffusione Televisiva

918÷970 915÷921 Mobile ministero della difesa

921÷960 GSM (Downlink)

1840÷1870 1805÷1880 LTE/4G (Downlink)

Tabella 10: Bande di frequenza rilevate durante la misura.

Particolare attenzione deve essere fatta per quanto riguarda i segnali relativi alle comunicazioni GSM. In particolare questo tipo di segnale è suddiviso in Uplink e Downlink, in due bande di frequenza distinte. A bordo della Nacelle i segnali di tipo Uplink non saranno

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un problema, in quanto si suppone che non sia installata nessuna antenna GSM a bordo e nessuno utilizzi il cellulare a bordo della Nacelle. Saranno presenti solamente cellulari a bordo quando vengono fatti interventi di manutenzione che prevedono operatori a bordo. Questo non è sicuramente un problema, in quanto non si tratta di segnali persistenti, e si potrebbe gestire la loro comparsa con una logica che li elimini. Per quanto riguarda i segnali di Downlink il discorso è diverso, facendo la misura a bordo della Nacelle, che si trova ad una altezza da terra di circa 100 metri, è molto probabile che ci si trovi ad avere stazioni base della telefonia mobile direttamente visibili. Il segnale captato può essere molto elevato, come è possibile vedere dalle misure effettuate. Il filtro utilizzato per le misure in laboratorio non è quindi sufficiente per effettuare correttamente le misure, come è possibile vedere dalla Figura 128.

Figura 128: Misura di rumore effettuata all’uscita dello stadio di filtraggio.

Dall’immagine è possibile notare come tutto il disturbo, in bassa frequenza, venga eliminato correttamente, resta tuttavia un residuo del segnale dovuto al Downlink del GSM. Il segnale è molto forte rispetto a quello relativo alle scariche parziali, va quindi ad alterare il corretto funzionamento del power detector, mostrando commutazioni spurie e facendolo saturare all’arrivo di pacchetti di segnale molto lunghi.

Dallo studio preliminare è stato definito un nuovo spettro utile alla misura, sarà necessario filtrare il segnale a partire dalla frequenza di 980MHz, lasciando inalterata la frequenza di taglio superiore. In questo modo sarà possibile eliminare il disturbo introdotto dal GSM, ma si avrà una perdita del segnale utile alla misura.

L’effettiva presenza dell’attività di scarica sul generatore è confermata dalla comparazione degli spettri ricavati sulla sua testa lato motore primo, con generatore fermo Figura 129e con

131 generatore in produzione Figura 130. È possibile vedere come, prelevando il segnale dopo il filtraggio e l’amplificazione si abbia la comparsa di segnali poco sopra la frequenza di 1GHz, zona evidenziata nelle due figure. La conferma che tali segnali sono riconducibili ad attività di scarica è data da misure effettuate con il sistema tradizionale collegato agli avvolgimenti del generatore. Tuttavia si ha la presenza del disturbo riconducibile alle trasmissioni televisive, ma molto più critico il segnale relativo al GSM.

Figura 129: Spettro sulla testata T2 in assenza di tensione.

Figura 130: Spettro sulla testa T2 in tensione

Analizzando il rumore nei vari punti della Nacelle sono state ricavate le misure di Figura 131. Rispettivamente P1, P3, P4 e P5 per quanto riguarda la testata lato gearbox, il

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trasformatore, l’inverter ed infine le connessioni dello statore. Come è possibile vedere sulla testata lato gearbox sono presenti dei segnali riconducibili all’attività di scarica, subito sopra alla frequenza di 1GHz. Sul trasformatore non vi è nessun segnale di questo tipo, e il rumore elettromagnetico risulta inferiore. Infine le misure sull’inverter risultano molto più rumorose delle precedenti, come ci si può aspettare a causa delle sue commutazioni. Così come per l’uscita statorica con l’antenna posta in prossimità dei cavi, che non permettono nessuna schermatura contro le interferenze elettromagnetiche.

Figura 131: Misure di rumore all’interno della Nacelle.

È necessario tenere in considerazione che le misure effettuate con l’analizzatore di spettro, per catturare i rapidi e rari segnali di scarica, sono effettuate mediante acquisizioni tipo Max- Hold per 30 secondi. In questo intervallo di tempo i segnali dovuti alle telecomunicazioni, essendo sempre presenti, si sommano molte volte, alterando la misura effettuata. Eseguendo misure nel tempo la situazione migliora, si possono rilevare scariche al di fuori del rumore, ovviamente quando non sono sovrapposte a pacchetti della trasmissione GSM. Una scarica acquisita è riportata in Figura 132.

133 Figura 132: Scarica parziale acquisita sulla testata lato motore primo.

Nonostante questo risultato, le misure all’uscita del power detector, proprio per via del suo funzionamento risultano molto più sensibili al rumore introdotto.

La misura effettuata all’uscita del power detector, con il sistema in tensione è riportata in Figura 133.

Figura 133: Uscita del Power detector con sistema in tensione.

L’immagine di Figura 133 mostra come l’uscita del power detector abbia un andamento molto rumoroso. Per alcuni segnali, quelli con andamento lento, è immediato fare l’associazione con il segnale relativo alle bande della telefonia o ad altri disturbi. Per quelli

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più veloci non è possibile invece distinguere se sono da attribuire a scariche parziali o a rumore.

Pertanto è stato necessario modificare il filtro di ingresso per migliorare il rapporto segnale rumore prima della conversione in frequenza effettuata dall’amplificatore logaritmico.