In questo capitolo, non verrà discusso il dimensionamento dettagliato delle taglie superiori dell‟azionamento, bensì si analizzeranno le principali differenze osservabili.
Risulta evidente che le differenze di base saranno: Il dimensionamento del banco elettrolitico
Il dimensionamento dei componenti a semiconduttore Il dimensionamento della dissipazione e della ventilazione Le dimensioni fisiche della carpenteria dell‟azionamento
Di queste evidenti diversità, nel capitolo corrente verrà discussa, con maggior rilievo, la parte relativa alla dissipazione e alla ventilazione dal momento che saranno ciò per cui cambieranno gli ingombri finali del relativo azionamento.
Si pensi che le dimensioni fisiche dei moduli a semiconduttore scelti sono pressoché identiche tra le tre taglie di azionamento: ciò significa che sarà la densità di potenza ad aumentare, ovvero aumenta la potenza per unità di superficie sulla faccia del dissipatore dove poggiano i moduli.
Una nota importante è la seguente: lo stadio inverter di ognuna delle tre taglie di azionamento monta un singolo modulo IPM trifase identico come dimensioni, mentre le giunzioni interne saranno presumibilmente maggiori all‟aumentare della corrente che sopportano. Questo è ciò che ha comportato maggior attenzione nel dimensionamento della ventilazione e del dissipatore da utilizzare. Anche lo stadio di ingresso sarà soggetto ad una maggior dissipazione, ma, in relazione alla dissipazione di potenza dello stadio inverter, non presenta grossi problemi, anche perché i tre moduli di ingresso sono separati ed è possibile posizionarli a piacere sulla superficie del dissipatore.
Verranno in seguito confrontate le dissipazioni di potenza delle tre taglie procedendo poi al dimensionamento della ventilazione e dissipazione per le taglie 150 e 200Ampere.
Le massime potenze dissipate dai moduli, calcolate con il foglio MathCad® e con le simulazioni mostrate nei capitoli precedenti, sono le seguenti (per ogni taglia):
DGM460-100A; massima dissipazione prevista in funzionamento nominale in avanti a rete massima in ingresso:
o Ponte raddrizzatore:
338W
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DGM460-150A; massima dissipazione prevista in funzionamento nominale in avanti a rete massima in ingresso:
o Ponte raddrizzatore:
440W
o Modulo inverter trifase:
2000W @10kHz
DGM460-200A; massima dissipazione prevista in funzionamento nominale in avanti a rete massima in ingresso:
o Ponte raddrizzatore:
580W
o Modulo inverter trifase:
2760W @10kHz
Le temperature di giunzione a regime risultano maggiori per i moduli inverter; questo è il motivo per cui è stato deciso di posizionare il modulo inverter, per tutte le taglie, sul dissipatore vicino alla bocca di ingresso dell‟aria, in modo da ricevere la „prima‟ ventilazione, in cui la temperatura del fluido di raffreddamento (aria) corrisponde alla temperatura ambiente, cioè la temperatura minore possibile.
Nei capitoli precedenti sono stati dimensionati dissipatore e ventilazione relativi alla taglia 100Ampere. Per le taglie superiori sarà necessario porre alcune considerazioni.
a) Temperatura massima di lavoro: così come è stato fatto per la taglia 100A, anche per le taglie superiori si prevede, come specifica, che il dissipatore lavori a 70°C a massimo carico. b) Profilo del dissipatore: per motivi di costi e per unificare il più possibile le distinte materiali
tra i tre azionamenti, è stato deciso di mantenere lo stesso profilo di dissipatore utilizzato per il 100A, mentre viene lasciato un grado di libertà sulle dimensioni. In particolare si vuole cercare di mantenerne la larghezza uguale tra le taglie e variarne la lunghezza.
c) Ventilazione forzata: se per la taglia 100A risultavano più che sufficienti delle ventole in continua, per le taglie superiori sarà necessario valutare anche una ventilazione con maggior portata.
Facendo riferimento al capitolo „Dissipazione e ventilazione‟ per la taglia inferiore, si nota come, con il profilo fornito dal costruttore, allungare il dissipatore non comporti un apprezzabile riduzione della resistenza termica, mentre aumentare la convezione forzata può portare a dei risultati ancora apprezzabili.
Rieseguendo il procedimento di calcolo esposto nel suddetto capitolo, si conviene che:
per il DGM-200A sarà indispensabile utilizzare una ventola centrifuga trifase da 380W con un portata massima che va dagli 800 ai 1000m3/h di aria.
per il DGM-150A sarà necessario utilizzare una ventilazione in grado di fornire almeno 600m3/h di aria. In questo caso è possibile utilizzare o una ventola centrifuga analoga a quella del 200A (di potenza inferiore chiaramente) oppure 2 ventole di dimensioni ridotte ma sufficientemente potenti.
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Quello che riguarda la ventilazione è un problema molto delicato è sarà, solo grazie a prove di laboratorio, possibile comprenderne l‟efficacia. Si rammenta che nello stesso dissipatore, dove la distribuzione dei moduli è identica per le tre taglie di azionamento, si passa da una potenza da dissipare di 1650W per il 100A ad una potenza doppia per il 200A.
Chiaramente la ventilazione è uno strumento molto efficace e indispensabile per ottenere buoni risultati, ma esistono molte altre soluzioni al problema della potenza dissipata dai moduli.
Tralasciando la possibilità di sovradimensionare il progetto, poiché risulterebbe molto più costoso, altre soluzioni potrebbero essere:
utilizzare moduli separati per ogni ramo inverter: in questo modo risulta evidente che la potenza dissipata viene distribuita su una superficie maggiore del dissipatore (in quanto i moduli risulterebbero più distanziati tra loro), incrementandone il rendimento. E‟ necessario valutare il costo di questi 3 moduli rispetto al singolo modulo trifase e soprattutto la possibilità di avere un singolo modulo IPM con conseguente riprogettazione della scheda di pilotaggio.
diminuire la frequenza di commutazione dell‟inverter: questa soluzione, a patto che il firmware lo permetta, è sicuramente quella che fornisce risultati migliori.
In conclusione, a titolo di esempio, utilizzando il foglio MathCad® relativo alla taglia 200A, mantenendo il carico invariato e impostando la frequenza di commutazione, per esempio, a 5kHz anziché 10kHz, si ottengono i seguenti risultati di immediata valutazione:
Potenza dissipata dal modulo inverter trifase in condizioni nominali a rete massima in ingresso:
1850W.
Massimo ripple di corrente in uscita in condizioni nominali < 41A.
I risultati ottenuti sono più che soddisfacenti a livello di dissipazione; la potenza dissipata è di circa 1000W inferiore rispetto al funzionamento a 10kHz.
Per contro, maggiore è la frequenza di commutazione e: minore è la distorsione di tensione e corrente in uscita. più veloce sarà la dinamica del controllo.
minore è il rumore generato dal ripple di corrente nell‟avvolgimento del motore.
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