2.3 EMC in campo Automotive
2.3.1 EMC negli azionamenti elettrici
Il funzionamento di un azionamento elettrico a velocità variabile, indicato con la sigla PDS (Power Drive System), comporta la presenza nelle sue grandezze elettriche di una componente fondamentale associata alla potenza utile generata dal convertitore elettronico di potenza (ad esempio la potenza richiesta per il funzionamento di un motore). Sovrapposta a questa, si trovano delle componenti armoniche dovute alla non linearità del convertitore ed a fenomeni ad alta frequenza causati dalla rapida commutazione dei dispositivi elettronici di potenza presenti nel convertitore, dal controllo dell’azionamento e dai circuiti digitali presenti nel sistema di controllo. Pertanto un PDS può emettere disturbi sia a bassa frequenza sia ad alta frequenza.
Gli attuali azionamenti elettrici richiedono convertitori o inverter di tipo PWM (Pulse Width Modulation) con componenti elettronici ad elevate velocità di commutazione; in questo modo si possono ottenere buone prestazioni nella risposta dinamica e nell’efficienza del sistema, nella riduzione del rumore acustico, nel contenimento delle dimensioni e del peso dei dispositivi. Queste veloci commutazioni generano elevati gradienti di tensione e corrente (dv/dt e di/dt) responsabili di interferenze elettromagnetiche (EMI) condotte ed irradiate, in grado di compromettere il corretto funzionamento degli azionamenti e di provocare effetti di distorsione nelle forme d’onda della tensione della sorgente di alimentazione.
La teoria che ci consente di spiegare in che modo vengono generate le emissioni EMI condotte è basata sul riconoscimento del fenomeno di accoppiamento e delle relative correnti di disturbo. Prendiamo come esempio lo schema di un azionamento a velocità variabile (mostrato in Fig. 2.7), in cui un inverter di tipo PWM controlla sia la frequenza che l’ampiezza della tensione applicata ad un motore asincrono trifase. In ingresso è generalmente utilizzato un raddrizzatore a ponte (eventualmente controllato).
RADDRIZZATORE INVERTER
Va
Vb
+
M
Fig. 2.7: Schema di un azionamento elettrico: raddrizzatore, inverter e motore
Un metodo possibile, per generare i segnali di controllo degli interruttori dell’inverter, è di confrontare tre tensioni sinusoidali (sfasate di 120° e di frequenza ed ampiezza proporzionali ai valori desiderati in uscita) con una forma d’onda triangolare, che determina la frequenza di commutazione degli interruttori. In uscita all’inverter ci saranno tensioni impulsive ad onda quadra, le cui componenti fondamentali, sinusoidi con la voluta ampiezza e frequenza, determinano la potenza trasferita al motore.
La corrente in un azionamento può essere vista come la sovrapposizione di tre componenti: la fondamentale, le armoniche e la corrente di accoppiamento. Le emissioni condotte possono manifestarsi come correnti di accoppiamento capacitivo, dovute agli elevati gradienti di tensione in uscita all’inverter, oppure come armoniche di corrente ad alta frequenza dovute alla commutazione della corrente di un carico induttivo.
La corrente di accoppiamento è data dalla somma delle correnti nelle capacità parassite che vengono eccitate dagli elevati gradienti dv/dt dovuti alla elevata frequenza di commutazione ed alla considerevole ampiezza delle tensioni ad onda quadra. Benchè questa corrente parassita non comprometta la funzionalità base dell’azionamento, produce tuttavia alcuni indesiderabili effetti di secondo ordine: le emissioni EMI. La corrente di accoppiamento è formata dalla sovrapposizione di una corrente di modo comune e di una corrente di modo differenziale. Entrambe vengono alimentate da sorgenti di tensione a bassa impedenza, che possono trovarsi sia all’interno che all’esterno dell’azionamento. La corrente di accoppiamento, richiudendosi attraverso la rete o la batteria che alimenta l’azionamento, arriva ad interessare anche altre apparecchiature e diviene sorgente di emissione EMI condotta.
La corrente di modo differenziale scorre principalmente nelle capacità parassite Cd presenti fra gli avvolgimenti di fase del motore, come mostrato in Fig. 2.8.
RADDRIZZATORE
INVERTER
Va
Vb
+
Cd
Fig. 2.8: Percorsi di richiusura della corrente di modo differenziale
Le correnti di accoppiamento ad alta frequenza di modo differenziale si producono quando le tensioni concatenate ad onda quadra in uscita all’inverter eccitano queste
capacità parassite. Come la corrente di carico dell’inverter, la corrente di modo differenziale si richiude sul link in continua. La gran parte di questa corrente di modo differenziale circola localmente, nell’anello formato dal condensatore del link in continua, dall’inverter e dal motore. Tuttavia, poiché l’impedenza vista dalla corrente di modo differenziale sul link in continua non è mai uguale a zero, una parte non trascurabile di questa corrente viene assorbita direttamente dalla rete di alimentazione attraverso il ponte raddrizzatore. Questa porzione di corrente di modo differenziale scorre all’esterno dell’azionamento e costituisce l’emissione EMI condotta di modo differenziale.
Le correnti di accoppiamento di modo comune si richiudono attraverso le capacità parassite presenti tra i componenti dell’azionamento e la massa, come mostrato in Fig. 2.9.
RADDRIZZATORE INVERTER
Va
Vb
+
Cc
Fig. 2.9: Percorsi di richiusura della corrente di modo comune
Cc rappresenta la capacità distribuita tra l’avvolgimento di una fase del motore e la
massa. A differenza delle correnti di modo differenziale, le correnti di modo comune non si richiudono localmente sul link in continua, cioè non rimangono confinate, nemmeno in parte, nell’azionamento, ma fluiscono totalmente attraverso le messe a terra dell’azionamento e della rete di alimentazione. Assumendo che ci sia una impedenza relativamente alta tra la sbarra negativa del bus in continua e la massa, il cammino principale della corrente di modo comune avviene sulla sbarra positiva del link in continua e quindi non passa per il condensatore di link (linea rossa in figura). E’ tuttavia possibile anche un cammino secondario, per una piccola parte della corrente di modo comune, attraverso le capacità parassite dei diodi inferiori del raddrizzatore. Questo cammino
secondario interessa anche il condensatore ai capi del link in continua (linea blu in Fig. 2.9).
Dal momento che le correnti di modo comune e di modo differenziale si richiudono attraverso i conduttori di massa e nei cavi di alimentazione, ogni dispositivo elettronico connesso alla massa o ai cavi sarà soggetto alle interferenze prodotte. Le correnti di accoppiamento di modo comune rappresentano la principale sorgente di emissione EMI poiché condividono la quasi totalità del proprio cammino con altre apparecchiature, dando luogo ad una fonte di interferenza generalmente maggiore di quella rappresentata dalle correnti di modo differenziale. Esse costituiscono quindi lo scenario peggiore per quanto riguarda la soppressione e la prevenzione dei disturbi elettromagnetici condotti ed irradiati. Per concludere si può dire che la corrente di accoppiamento sia di modo comune che di modo differenziale è determinata dalla presenza di impedenze capacitive parassite e dalle tensioni che le sollecitano. La frequenza di risonanza dell’impedenza dell’accoppiamento parassita determina lo spettro EMI delle correnti di accoppiamento. Questo fatto spiega la presenza di emissione EMI nell’intervallo di frequenza dei MHz, un fenomeno non imputabile alle armoniche di commutazione PWM (che invece è dell’ordine di qualche decina di kHz).
La corrente di carico e la frequenza di commutazione PWM forniscono un largo contributo allo spettro EMI, ben visibile nell’intervallo di frequenza che va dai 9 kHz ai 150 kHz, in cui si presentano picchi in corrispondenza dei multipli della frequenza di commutazione. In particolare, durante ciascun ciclo di commutazione PWM, quando all’interno dell’inverter la corrente di carico si trasferisce da un interruttore ad un diodo di ricircolo, la corrente assorbita dal link in continua varia bruscamente. Questa variazione di corrente, pulsante alla frequenza di commutazione e con ampiezza proporzionale alla corrente di carico, si richiude sulla sorgente di alimentazione e diviene una fonte di emissione EMI. La corrente del link in continua è soggetta ad elevate fluttuazioni, quando entra in conduzione un diodo di ricircolo; inoltre, durante gli intervalli in cui sono chiusi tutti e tre gli interruttori superiori o tutti quelli inferiori, la corrente di link si annulla. Il link è quindi una corrente pulsante tra un certo valore positivo e lo zero e contiene, oltre alla componente continua, componenti armoniche alla frequenza di commutazione che richiudendosi in rete possono generare disturbi condotti. Assumendo, idealmente, un valore infinito di capacità del condensatore di link, le armoniche di corrente alla frequenza di commutazione circolerebbero nel condensatore e non ci sarebbe emissione EMI prodotta. In realtà, poiché la capacità ha un valore finito, parte delle armoniche di corrente
circolano attraverso gli elementi a monte dell’azionamento e divengono sorgente di emissione. Questo tipo di EMI, dovute alla commutazione della corrente di carico, sono emissioni di modo differenziale, infatti non si richiudono a massa. Il loro spettro è determinato dalla forma d’onda della corrente di link, che dipende dalla corrente di carico e dalla strategia di commutazione.
Vi è infine da considerare l'insorgere di emissioni irradiate in un PDS; una schematizzazione di questo fenomeno è mostrato in Fig. 2.10.
3 I
CC
PAR Ic PONTE RADDR. FILTRO LC INVERTERM
TERRA
AREA CIRCUITO RADIANTE RETEIc
Fig. 2.10: Emissioni irradiate in un PDS
Tra le principali cause di emissioni irradiate in un PDS ci sono le emissioni RF di modo comune dovute a cause legate, sia alle emissioni condotte illustrate in precedenza, sia alla natura interna dei collegamenti tra i sottosistemi del PDS; i cavi di potenza (cavi rete-convertitore, cavi convertitore-motore), essendo attraversati dalle correnti RF di modo comune, emettono disturbi RF di modo comune verso l’ambiente esterno (si comportano come delle antenne).
L’emissione di disturbi a radiofrequenza è dovuta anche: all’elettronica digitale presente all’interno dell’apparato di controllo ed in particolare al processore che può anche avere un clock interno nell’ordine delle decine di MHz; ai circuiti di pilotaggio (driver) dei dispositivi switching dal momento che operano una amplificazione dei segnali ad alta frequenza provenienti dal generatore della PWM; ai cavi di connessione driver-dispositivo specie se di lunghezza non trascurabile, in quanto, essendo attraversati da segnali di
corrente ad alta frequenza (pur essendo gli IGBT pilotati in tensione la corrente ad essa associata non è certo trascurabile), irradiano campo elettromagnetico; alla eventuale presenza dei regolatori di tensione (convertitori c.c/c.c) in quanto durante il funzionamento gli switch, ivi presenti, commutano ad alta frequenza e sono attraversati da forti correnti.