Emissioni condotte a bassa frequenza (PWM)

Nel Capitolo 2 riguardante la compatibilità elettromagnetica sono state analizzate le principali sorgenti di interferenze elettromagnetiche in campo automotive e negli azionamenti elettrici ed i principali fenomeni di accoppiamento del rumore. E’ stato

sottolineato come con l’avvento di azionamenti elettrici a velocità variabile siano nati nuovi meccanismi di produzione di correnti di modo comune e di modo differenziale responsabili dei fenomeni EMC.

La principale sorgente di emissioni nei convertitori elettronici di potenza deriva dalla commutazione di una tensione continua che segue una certa modulazione PWM; nei controllori PWM convenzionali, la funzione di commutazione è solitamente un’onda quadra con una frequenza di commutazione costante ed un duty cycle variabile. In Fig. 5.26 è mostrato il metodo con il quale vengono generati i duty cycle da applicare agli switch di potenza. Come si vede dalla figura in alto, viene fatto il confronto tra una portante (onda triangolare ad alta frequenza, pari alla frequenza di switching) ed una modulante (che può essere un segnale costante o di tipo sinusoidale a seconda del particolare tipo di convertitore); dal confronto vengono generati i relativi duty cycle, la cui durata è variabile all’interno di un periodo di commutazione che invece è costante.

Fig. 5.26: Modulazione PWM: confronto tra portante e modulante (in alto) e generazione dei duty cycle (in basso)

Di conseguenza, i contributi più significativi nello spettro EMI si hanno alla frequenza fondamentale (frequenza di switching) ed alle frequenze armoniche superiori. La riduzione delle EMI viene ottenuta tramite tre tecniche: riduzione del rumore prodotto dalla sorgente, riduzione dei fenomeni di accoppiamento e filtraggio e/o schermatura dell’apparato vittima.

Gli stessi effetti delle tecniche di filtraggio per la riduzione EMI possono essere ottenuti tramite le tecniche di modulazione random; quando queste tecniche sono utilizzate, i filtri EMI possono essere sottodimensionati (in confronto ad apparati che usano la

modulazione PWM). Questo è un risultato molto rilevante soprattutto nei veicoli elettrici ed ibridi in cui il problema degli ingombri è molto rilevante.

Originariamente le tecniche di modulazione random sono state sviluppate per mitigare il rumore acustico emesso dagli azionamenti ac alimentati da inverter e per ridurre le interferenze. Oggi, grazie all’aumento delle frequenze di commutazione, il problema del rumore acustico è diventato irrilevante, mentre quello delle EMI, al contrario è diventato ancora più significativo.

La struttura di modulazione random classica è la RSF (Random Switching Frequency) ed il suo principio di funzionamento (illustrato in Fig. 5.27) è il seguente: la frequenza della portante, e quindi anche la frequenza di commutazione, viene variata in modo random (casuale) all’interno di un predeterminato intervallo di frequenze consentite, in ogni periodo di commutazione.

Fig. 5.27: Modulazione RSF: confronto tra portante e modulante (in alto) e generazione dei duty cycle (in basso)

Sostituendo la tecnica PWM classica di tipo deterministico (nel seguito indicata con l’acronimo DPWM) con una RSF, si ottiene un appiattimento dello spettro in frequenza del rumore. Questo principio è illustrato in Fig. 5.28.

Fig. 5.28: Appiattimento dello spettro dovuto alla modulazione di frequenza

Il relativo segnale di controllo (onda quadra a frequenza variabile) avrà quindi uno spettro con picchi di ampiezza molto minore rispetto al caso DPWM (onda quadra a frequenza costante), pur mantenendo i desiderati valori di duty cycle. Variando la frequenza di commutazione intorno al suo valore nominale, il contributo alle emissioni delle singole armoniche viene “spalmato” in un range di frequenze molto più ampio, abbattendo i picchi di ampiezza elevata e ridistribuendoli in frequenza.

In attività sperimentali precedenti, sono stati valutati gli effetti delle tecniche di modulazione random rispetto alla PWM deterministica. In Fig. 5.29 e 5.30 sono mostrati gli spettri armonici della tensione di fase di un inverter che implementa, rispettivamente la modulazione DPWM e la RSF. In Fig. 5.31 e 5.32 il confronto è fatto sugli spettri armonici della corrente di fase dell’inverter.

Fig. 5.29: Spettro armonico della tensione di fase dell’inverter – tecnica DPWM

Fig. 5.30: Spettro armonico della tensione di fase dell’inverter – tecnica RSF

Fig. 5.31: Spettro armonico della corrente di fase dell’inverter – tecnica DPWM

Fig. 5.32: Spettro armonico della corrente di fase dell’inverter – tecnica RSF

Già dai risultati sperimentali appena mostrati si vede l’effetto che si ottiene con l’utilizzo delle tecniche PWM random; i picchi di emissione vengono tagliati con un conseguente aumento del rumore di fondo (dovuto all’allargamento in frequenza del contributo delle armoniche). Per una ulteriore validazione delle suddette tecniche di modulazione sono state in questo ambito eseguite delle prove di emissione condotta sulla wheelchair elettrica.

Il set-up e le condizioni di prova rimangono le stesse descritte nel paragrafo precedente con due sole differenze: il range di frequenza ed i limiti di riferimento. Poichè le frequenze di commutazione sono dell’ordine delle decine di kHz, si è deciso di effettuare le prove a bassa frequenza nel range 9 kHz – 150 kHz; per questo intervallo i limiti stabiliti dalle norme di riferimento sono ancora allo studio e di conseguenza, alle misure di seguito riportate non sono stati applicati limiti di riferimento.

Per le misure di emissione condotta a bassa frequenza si è seguito dapprima lo stesso approccio utilizzato per le altre prove di emissione; si è abilitato un componente alla volta al fine di stabilirne il contributo alle emissioni totali. In questo caso si è utilizzata la modulazione PWM classica.

In Fig. 5.33 è mostrato il confronto delle emissioni quando è acceso solo il DSP (traccia fucsia) e quando viene abilitata l’unità PWM (traccia celeste). Come si vede, il contributo del DSP e delle sue periferiche è nullo a bassa frequenza; le frequenze caratteristiche del sistema di controllo sono infatti dell’ordine delle decine di MHz. Le emissioni dovute alla sezione di modulazione PWM sono costituiti, come ci si aspettava, da picchi centrati alla frequenza fondamentale (frequenza di switching) ed alle frequenze delle componenti armoniche superiori (frequenze multiple della frequenza di switching).

Frequency (kHz) 150 Disturbance voltage (dBμV)

70

0 9

Fig. 5.33: Emissioni condotte a bassa frequenza – solo DSP acceso (traccia fucsia) e abilitazione della sezione PWM (traccia celeste)

In Fig. 5.34 è mostrato il contributo alle emissioni condotte della modulazione PWM (traccia fucsia) e della sezione di potenza (traccia celeste). Le emissioni rimangono centrate alla frequenza di switching e alle sue armoniche successive, ma aumenta l’ampiezza dei relativi picchi.

Frequency (kHz) 150 Disturbance voltage (dBμV)

9 70

0

Fig. 5.34: Emissioni condotte a bassa frequenza – abilitazione della sezione PWM (traccia fucsia) e abilitazione della sezione di potenza (traccia celeste)

Facendo compiere alla wheelchair successive manovre si ottiene lo stesso andamento con un ulteriore incremento dei valori massimi di emissione; il confronto con il caso precedente è mostrato in Fig. 5.35.

Frequency (kHz) 150 Disturbance voltage (dBμV)

9 0 100

Fig. 5.35: Emissioni condotte a bassa frequenza – abilitazione della sezione di potenza (traccia celeste) e wheelchair in movimento (traccia fucsia)

Infine si è proceduto al confronto delle tecniche di modulazione DPWM ed RSF in termini di emissioni condotte. I due contributi sono mostrati in Fig. 5.36.

Frequency (kHz) 150 Disturbance voltage (dBμV)

0 9 70

Fig. 5.36: Emissioni condotte a bassa frequenza – Confronto tecniche di modulazione: DPWM (traccia fucsia) e RSF (traccia celeste)

I risultati sperimentali qui ottenuti sono assolutamente coerenti sia con i risultati sperimentali precedenti (spettri armonici della corrente e della tensione di fase dell’inverter) sia con la trattazione descritta. Con la modulazione RSF random si eliminano i picchi di emissione, ma siccome si ha un allargamento in frequenza dei singoli picchi, il risultato è un livello di rumore di fondo maggiore.

Sono state inoltre eseguite sia prove di emissione condotta tra 150 kHz e 30 MHz, sia prove di emissione irradiata (30 Mhz - 1 GHz) per valutare le differenze delle due tecniche di modulazione. In entrambi i casi non sono stati ottenuti risultati significativi,

proprio perchè ad alta frequenza non si sente l’influenza della modulazione nelle emissioni totali.

5.3.4 Immunità condotta

Per le prove di immunità ai disturbi condotti indotti da campi a radiofrequenza, sono stati preliminarmente preparati tutti i cavi di alimentazioni richiesti per l’inserzione delle CDN tra la batteria e i terminali di alimentazione e tra l’inverter e la motoruota, secondo quanto descritto nel Paragrafo 4.5.3. A questo punto sono stati ultimati i preparativi del set-up di prova nel rispetto delle distanze e delle posizioni prescritte dalla normative e descritte precedentemente.

L’ingresso BNC della CDN M4 che non viene utilizzato, in quanto nessun disturbo deve esservi inserito, è stato terminato con un carico da 50 Ω.

Il set-up di prova descritto è stato realizzato prima sulla motoruota sinistra e poi su quella destra; i risultati ottenuti sono assolutamente speculari, di conseguenza quelli che verranno mostrati in questa sezione sono solo i risultati inerenti alla motoruota sinistra. Nelle Fig. 5.37 e 5.38 sono mostrate le realizzazioni sperimentali del suddetto set-up di prova.

Generatore RF

Attenuatore

Amplificatore

CDN M4 Attenuatore

CDN M2

Fig. 5.38: Foto del set-up di prova di immunità condotta (camera semianecoica)

Anche in questo caso le prove sono state effettuate secondo le seguenti tipologie di funzionamento della wheelchair:

1 DSP acceso;

2 DSP che modula (PWM);

3 Inserzione del fusibile e abilitazione della sezione di potenza; 4 Motoruota in movimento.

I risultati di prova vengono classificati sulla base delle condizioni di funzionamento e secondo le specifiche funzionali dell’apparecchiatura da provare; i criteri tra cui è possibile scegliere, sono i seguenti:

A) Prestazioni normali entro i limiti di specifica;

B) Degradazione temporanea o perdita di funzione o prestazione che si autoripristina; C) Degradazione temporanea o perdita di funzione o prestazione che richiede

l’intervento dell’operatore oppure il reset del sistema;

D) Degradazione o perdita di funzioni che non sono ripristinabili a causa di danno all’apparecchiatura (componenti) oppure al software, oppure a causa di perdita dei

dati.

L’esito delle prove a cui è stata sottoposta la wheelchair ha evidenziato un pieno rispetto della normativa in questione superando brillantemente il test in tutta le condizioni di funzionamento possibili. La wheelchair soddisfa quindi il criterio A, che è anche l’unico criterio che si può accettare per questo tipo di dispositivo visto che non essendo presente un sistema di autoripristino (criterio B) è impensabile che durante il normale esercizio si possa verificare uno qualsiasi degli altri due criteri rimasti.