Confronto tra modello e prove sperimentali

Per validare il comportamento degli anelli di controllo e dell’intero azionamento in ambiente di simulazione, è stato realizzato un sistema sperimentale completo, al pari del sistema simulato. Dunque sono stati realizzati e provati l’inverter di azionamento, l’elettronica di controllo, il banco di condensatori, il motore PMSM e tutto l’hardware necessario a rendere il sistema operativo per i test a banco. Il valore di velocità di riferimento è stato scelto differente rispetto alla simulazione di Figura 3.13, per capire la flessibilità del sistema nell’ottica di analizzare le prestazioni anche per diverse applicazioni con camere che richiedono diverse velocità per il loro corretto funzionamento.

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Figura 3.14 - Setup di prova in laboratorio

In Figura 3.14 viene mostrato il setup di prova, con quanto necessario al funzionamento del sistema. Delle diverse prove effettuate, viene riportato un confronto tra simulazione e misure acquisite durante i test effettuati secondo i parametri di riferimento riportati in Tabella 3.7. Come si può notare, per le prove sperimentali si è scelto un valore di velocità lineare dei contatti pari alla metà di quanto teoricamente raggiungibile al massimo dal sistema.

Tabella 3.7 - Parametri del sistema sperimentale

Parametro Unità Valore

Velocità media di apertura m/s 2.5

Velocità media di chiusura m/s 2.5

Penetrazione contatti principali mm 110

99 a) b) c) d) e)

Figura 3.15 - a) Corrente di fase del motore PMSM misurata; b) Corrente di fase del motore PMSM simulata; c) Posizione del rotore sia simulato che misurato, con riferimento; d) Velocità di rotazione del rotore misurato e simulato, con riferimento; e) Acquisizione da con oscilloscopio delle tre correnti di fase(scala 50 A / div).

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In Figura 3.15 viene mostrata una intera manovra di apertura dove le curve caratteristiche sono sia acquisite da oscilloscopio che estratte direttamente dal sistema di controllo dell’inverter (dunque sono le effettive grandezze usate dagli anelli di posizione, velocità e corrente) e messe a diretto confronto con quelle ottenute tramite simulazione.

a)

b)

c)

d)

Figura 3.16 - a) Corrente di fase del motore PMSM misurata; b) Corrente di fase del motore PMSM simulata; c) Posizione del rotore sia simulato che misurato, con riferimento; d) Velocità di rotazione del rotore misurato e simulato, con riferimento;

Le manovre di Figura 3.15 (Apertura) e Figura 3.16 (Chiusura) sono molto simili, con comportamento praticamente simmetrico, come accennato in precedenza durante l’analisi di Figura 3.10 – Figura 3.13. Un aspetto molto interessante è rappresentato dalla sovrapponibilità, in quasi tutti i punti,

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delle curve di posizione, che indicano la velocità lineare che viene raggiunta dai contatti principali del HVCB durante una manovra. In Figura 3.17 è stato ripetuto il medesimo lavoro della Figura 3.13. L’oltre-corsa misurata sul rotore, durante le prove sul prototipo, è accentuata rispetto alla minima oltre-corsa del sistema in simulazione, a causa della difficoltà di poter considerare tutti i parametri fisici del sistema reale: eventuali disturbi nella catena di acquisizione, ritardo nella propagazione del segnale, presenza di attriti viscosi e dinamici difficili da quantificare a causa della presenza dei cuscinetti a sfere e altre componenti meccaniche. Tuttavia, la porzione di segmento interessante, cioè quella fondamentale per il calcolo delle velocità e che poi determina se il comando è consono oppure no all’applicazione, è praticamente sovrapponibile tra simulazione e prova di laboratorio. Il calcolo, similmente a quanto visto in Figura 3.13, porta al risultato di 2.65 m/s, molto vicino al valore di target di 2.5 m/s della Tabella 3.7.

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a)

b)

c)

d)

Figura 3.18 - Corrente di fase del motore PMSM misurata; b) Corrente di fase del motore PMSM simulata; c) Posizione del rotore sia simulato che misurato, con riferimento; d) Velocità di rotazione del rotore misurato e simulato, con riferimento; e) Acquisizione da con oscilloscopio delle tre correnti di fase. La scala è 20 A/div per la fase A e B, 50 A/div per la fase C.

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Una ulteriore prova, interessante per validare il modello di simulazione e il sistema reale, è quella mostrata in Figura 3.18. Attualmente, non esistono camere di interruzione che lavorano a velocità così basse, ma il comportamento delle curve e la loro sovrapponibilità sull’intera durata della manovra, molto lunga, sottolinea come il sistema sia stabile anche per applicazioni a bassa velocità. In questo caso si cerca di coprire l’intera corsa dei contatti principali (110 mm) con velocità prossime ai 0.4 m/s, cioè 250 ms di durata totale della manovra ed equivalente al massimo tempo di memorizzazione che è stato possibile ottenere sfruttando il DSP installato sull’azionamento del prototipo. L’esecuzione della prova e le simulazioni portano a poter calcolare una velocità di circa 0.44 m/s.

Grazie al confronto tra dati sperimentali e dati di simulazione, è possibile modificare e validare le grandezze elettriche alla base del modello del motore PMSM e il dimensionamento relativo alla simulazione degli anelli di controllo, acquisizione di segnali e funzionamento del banco di capacità. Le medesime informazioni sono state utilizzate per successive applicazioni sul campo, dimostrando l’efficacia del sistema nel suo insieme, grazie ai test eseguiti e alle certificazioni ottenute sul comando sottoposto direttamente ai carichi di lavoro reali[43].

L’interesse nel presente lavoro è però quello di analizzare non tanto le prestazioni, ma gli eventuali punti deboli del sistema e concentrarsi sull’analisi di una soluzione, relativa al fallimento di un componente critico di uno dei componenti essenziali al funzionamento dell’azionamento di potenza. Ci si riferisce in particolare alle topologie come quelle relative agli azionamenti per motori sincroni trifase e con caratteristiche di ridondanza e modularità, come il convertitore M2C visto nel capitolo precedente.