3.3 Collaudo
3.3.2 Verifica del funzionamento dell’inverter con carico RL
Come carico si è s celto un i nduttore e un resistore collegati in s eri e ( Fi gura 96 e Tabell a 6 ). La massi ma t ensi one continua appli cabil e al sol o resistore, nell’ipotesi di dissipare su di esso la potenza di 300W in maniera continuati va, val e:
(27 )
Considerando il fatto che l’alimentatore utilizzato in fase di collaudo può dare in us cit a al m assimo una t ensione continua di 600V, t ale probl em a può ess ere tras curato.
Come ali ment atore per il bus dc si è scelt o un TDK LAMDA model lo genes ys in Tabell a 7 sono riportat e l e principal i caratt eristi che e i n Fi gura 97 una foto.
123
MARCA CARATTER IS TIC HE
Resistore RS R=1000 Ω P=300 W
Induttore CEE ELECTR A S.R .L. L=0,4 mH In=32 A f=50 Hz T a b e l l a 6 - C a r a t t e r i s t i c h e d e l c a r i c o R L p e r l e p r o v e p r e l i mi n a r i . F i g u r a 9 6 - F o t o d e l c a r i c o R L p e r l e p r o v e p r e l i mi n a r i . T e n s i o n e i n i n g r e s s o 3 8 0 V 5 0 H z P o t e n z a i n u s c i t a 3 3 0 0 W T e n s i o n e i n u s c i t a M a x 6 0 0 V d c C o r r e n t e i n u s c i t a M a x 5 , 5 A T a b e l l a 7 - C a r a t t e r i s t i c h e d e l l ’ a l i me n t a t o r e T D K L A M D A p e r l e p r o v e p r e l i mi n a r i . F i g u r a 9 7 - F o t o d e l l ’ a l i me n t a t o r e T D K L A M D A p e r l e p r o v e p r e l i m i n a r i .
In Fi gura 98 è ri portata l a t ensi one ai capi del cari co R L con i nvert er in confi gurazione a m ezzo ponte. Si può notare che il dut y c ycl e vale ci rca 70%
124 e la tensi one misurata vale circa 2V; t al e tensione non è quell a appli cat a al cari co ma quell a in usci ta dall a s onda di tensione con cui sono st at e es eguit e le prove, in questo caso essa effettua un’attenuazione di 1/200, quindi l’ampiezza della tensione applica al carico è di circa 400V.
In Fi gura 99 sono ri port ati i s egnali Vge sugl i IGBT 1A (in marrone) e 1B (in blu) dell’inverter in modulazione, essi presentano lo stesso transitorio durante la comm ut azione, già visto precedent ement e. Si può aggi ungere una cos a, quando è chiuso l’IGBT 1A l’IGBT 1B d eve rimanere aperto, per evitare di cortocircuitare l’intero ramo.
In Fi gura 100 è st at o fatto un ingrandi ment o dell a situazione precedente; si può not are che gli IGB T non s ono mai chi usi contemporaneament e, pi ù diffi cil e è capi re che il tempo m orto val e 10µs che è st at o im post ato a l ivello soft ware.
125 F i g u r a 9 9 - A c q u i s i z i o n e d e i s e g n a l i V g e s u g l i I GB T 1 A e 1 B d e l l ’ i n v e r t e r i n
mo d u l a z i o n e .
F i g u r a 1 0 0 - A c q u i s i z i o n e d e i s e g n a l i V g e s u g l i I G B T 1 A e 1 B d e l l ’ i n v e r t e r i n mo d u l a z i o n e ( i n g r a n d i me n t o ) .
126 I risul tat i seg uenti s i ri feris cono a ll ’i nverter in confi gurazione a ponte.
In Fi gura 101 è riportata l a t ensi one sul cari co con m odulazi one positi va a 3 livel li (vari abil e qui ndi t ra 0 V e +Vd c o tra 0 e -Vd c), dut y c ycl e del 30% e ampi ezza del la tensi one al carico di +400 V (da os cil los copi o si l egge 2 V, ma sono riferiti ad un’attenuazione di 1/200 dovuta ancora alla sonda); in Fi gura 102 è raffi gurat a, invece, la t ensione sul cari co con modulazi one questa volt a negati va s em pre a 3 livelli , dut y c ycl e del 30% e ampiezza dell a tens ione al carico di -400 V.
In Fi gura 103, Fi gura 104 e Fi gura 105 sono rappres ent at e le t ensi one s ul cari co con modulazi one a 2 livelli (variabil e qui ndi t ra -Vd c e +Vd c) con divers i val ori di dut y c ycl e; la prim a con il 75% , l a s econda con il 50%, l a terz a con il 25% tutt e con am pi ezza dell a tensi one sul cari co che va da -400 V a +400 V perché ora la m odul azione è bi polare.
F i g u r a 1 0 1 - A c q u i s i z i o n e d e l l a t e n s i o n e s u l c a r i c o c o n u n d u e r a mi a t t i v i , mo d u l a z i o n e a 3 l i v e l l i .
127 F i g u r a 1 0 2 - A c q u i s i z i o n e d e l l a t e n s i o n e s u l c a r i c o c o n u n d u e r a mi a t t i v i ,
mo d u l a z i o n e a 3 l i v e l l i .
F i g u r a 1 0 3 - A c q u i s i z i o n e d e l l a t e n s i o n e s u l c a r i c o c o n u n d u e r a mi a t t i v i , mo d u l a z i o n e a 2 l i v e l l i .
128 F i g u r a 1 0 4 - A c q u i s i z i o n e d e l l a t e n s i o n e s u l c a r i c o c o n u n d u e r a mi a t t i v i ,
mo d u l a z i o n e a 2 l i v e l l i .
F i g u r a 1 0 5 - A c q u i s i z i o n e d e l l a t e n s i o n e s u l c a r i c o c o n u n d u e r a mi a t t i v i , mo d u l a z i o n e a 2 l i v e l l i .
129
Conclusioni
In questa Tesi di La urea è st ato realizzato un invert er di m edia t ensi one. Lo scopo dell’inverter è quello di realizzare prove di vita accelerate di formette e motoret te (cioè, modelli in scal a ri dott a di avvol gimenti di m otori preform ati e a filo) sott opos te a stres s si a el ett ri co che termi co. Ci ò permett erà di studiare in modo più accurato i fenomeni di degradazione dell’isolamento nei motori elet tri ci azionati da convertitori el ettroni ci di potenza (in parti col are da inverter).
Infat ti, si è oss ervat o che gli attuali mot ori ali mentati da invert er hanno una vita m edi a inferi ore a quelli alim ent ati con la t ensi one sinus oidale dell a ret e. Il ruolo d ell e scari che parzi ali e dell o stress el ett ri co in generale appare evi dente. Tuttavi a, molto rim ane da di re in m erito all a sinergi a con st ress di altra natura, come lo stress elettrico e meccanico. L’utilizzo dell’inverter perm ett erà di effett uare prove co n profili di s tress el ett rico, t ermi co e meccani co pi ù realis tici, chi arendo quindi le rel azioni fra i vari ti pi di st ress. Questo studio potrà migliorare l’affidabilità di molti sistemi alimentati da convertit ori DC/AC, in particol are, nel cam po dell a tra zione elet tri ca, nei treni ad alt a veloci tà. I t reni ad alta vel ocità it ali ani utilizzano motori asincroni con tensi one nomi nal e di 3 kV e di potenza 1100 kW.
L’inverter è perfettamente interfacciato con il PC e, tramite un apposito soft ware realizzat o i n ambi ente LabV IEW, è possibil e pilot arl o in modo da modificare l’ampiezza, la frequenza della tensione in uscita, impostare una ram pa di t ensione o invi are in uscit a un treno di onde quadre sempre di ampiezza e frequenza definibili dall’operatore. La freque nza massima di
130 comm utazi one degli IGBT non può ess ere s uperiore a 5 kHz poi ché l e schede driver non rius ci rebbero a controll are corrett am ent e l e fas i di apert ura e chi usura degli int erruttori st ati ci .
Attualmente l’inverter può erogare in uscita onde quadr e sia unipolari che bipol ari con t ensione m assim a com presa tra –4 kV e +4 kV; ma, m odi fi cando il software, si posso ottenere anche alt re modul azioni, per es empio l a PWM . Per quant o ri guarda la si curezza del sist em a, si sono adot tat e tut te le misure per sal vaguardare l’operatore, infatti l ’invert er è st at o coll ocato all ’int erno di una gabbi a m et all ica coll egat a a t erra, e, aprendo l a port a, vi ene immediatamente tolta la tensione, grazie ad un apposito “interlock”.
La fas e di coll audo ha dat o dei risultati posit ivi, tutti i s ottosi stemi che compongono l’inverter realizzato sono funzionanti e funzionante risulta ess ere anche il sis tem a compl essivo; i tem pi morti, impostati a livell o software, a 10 µ s sono idonei per questa applicazione. L’uscita dell’invert er segue correttamente i parametri impostati dall’utente.
Da notare, infine, che i disturbi i rradi at i, generati dall a commutazi one degli interruttori s tat ici , s opratt utto per t ensi oni superiori al kV, sono not evoli e hanno creato dei problemi . Probl emi che sono stati ris cont rati sull a s cheda di controllo del generat ore, scheda contenut a i n una s catol a di plasti ca e che, in futuro, dovrà ess ere sostituita con una met alli ca, per renderla i mmune dai disturbi elet tromagnetici . Tali problemi , che hanno port ato d ei malfunzionamenti, riguardano l’accoppiamento tra i disturbi irradiati dall’inverter e il cavo che porta il segnale “kV monitor” dalla scheda di controllo del generatore all a scheda OC P. Per ora, questo probl em a, è st at o risolto grazie all’inserimento di un filtro capacitivo all’estremità del cavo appena accennato dal l at o dell a scheda OCP; tal e fi ltro ha l a funzione di deviare verso mass a il dist urbo che si accoppi a e si propaga nel cavo st ess o. Il sistema è funzionante, ma per migliorarne l’affidabilità , dovrà essere sostituito il cavo “kV monitor” con una fibra ottica adattando il sistema a questa s empl ice m a i mportante modifi ca.
131
Appendice
AutoCAD
AutoC AD è il pri mo soft ware C AD ( com put er aided desi gn ) s viluppato per PC, int rodott o nel 1982 dall a Autodes k.
È utilizzato princi palment e per produrre disegni bi/t ridim ensi onali in ambi to ingegneristi co, archi tettoni co, m eccanico, et c. Il documento prodotto è di ti po vett ori al e, ovvero le entit à grafi che sono defi nit e com e oggett i mat em atico/ geom et ri ci: quest o perm ett e, divers am ent e da quanto succede nei docum enti grafici di tipo rast er, di scal arle ed ingrandirle i ndefinit am ent e. È un programma m olt o utilizzat o nelle s cuol e per l e innumerevoli funzioni e capacit à che si pos sono s viluppare .
AutoC AD inolt re perm ett e di creare modelli tri dim ensi onali di oggetti geomet ri ci i n m odali tà vett orial e .
I docum enti prodott i con Aut oCAD vengono s al vati in m odo nativo nel formato DWG (drawi ng); pos sono però essere esport ati i n formati di versi , di cui i l pi ù comune è i l DXF (drawing exchange form at), considerat o uno degl i standard di int erscambio di dati CAD t ra diverse appl icazi oni. Altri ti pi di formato s ono i l 3DS (perm ett e l 'i nt erscam bio dei modelli 3d con al tri programmi di model lazione e rendering - nel la versione 2007 del programm a questa util e funzione è st at a disabil it at a), il WM F ( Windows Met afil e ), il Desi gn W eb Form at (DW F) e, att raverso una stampa vi rt ual e, il P LT (il linguaggio int erno dei plott er HP ).
PSpice
Il programm a SP IC E (Simul ati on P rogram with Int egrat ed C ircuit Emphasi s) è un codi ce per la simul azione num eri ca di ci rcuiti elettri ci ed el ett ronici analogici e/o di git ali. Con Spi ce è possibil e esegui re analisi in regi me stazionario DC , AC , transitori e, di Fouri er, paramet ri che, stat isti che, et c. L’analisi del circuito elettrico consiste nella determinazione delle grandezze
132 el ettriche caratt eri sti che dei bi - o mul ti-poli, not e che si ano la topologia dell a rete e le grandezze forzanti. Nell’analisi in regime stazionario SPICE calcola il punto di l avoro del ci rcuit o con condensat ori di sconnes si e induttori corto circuitati . S e una o più dell e caratt eristi che t ens ione corrent e dei com ponenti presenti è non lineare, le equazioni risolventi sono anch’ esse non lineari (SP IC E utilizza un metodo it erati vo) . L’analisi i n trans i tori o cal col a l e tens ioni di nodo come for ma d’onda in funzione del t empo : è un’anali si per grandi s egnali . L’analisi in frequenza cal col a le t ens ion i di nodo com e numeri com plessi , funzioni della frequenz a i mpost a dal generat ore si nus oidal e applicat o in ingresso . Nel caso di ci rcu iti non lineari si fa us o del l’analis i per piccoli s egnali .
LabVIEW
LabV IEW (Lab oratory Vi rtual Inst rum ent ation Engi neering Workbench) è l'am bient e di s viluppo int egrato per il li nguaggio di program mazione visual e di Nati onal Inst rum ents . Tal e linguaggi o grafi co viene chi amato Li nguaggio G.
LabV IEW vi ene uti lizzato principalm ente per acquis izione e analis i dat i, controllo di process i, generazione di rapporti, o più generalment e per tutt o ciò che concerne l ' autom azione i ndust ri al e s u di verse piattaform e com e Windows, Sol aris, Li nux , M ac OS, e controllori National Instrum ents . Il l inguaggio di program mazi one usato in LabVIEW si dis tingue dai linguaggi tradizionali perché grafi co (Graphi c Lan guage).
La defi nizione di st rutture dati ed al gorit mi avvi ene con i cone e alt ri oggett i grafi ci , og nuno dei qual i incapsul a funzioni diverse, uniti da li nee di coll egam ent o ( wire), in modo da form are una sort a di diagramm a di fl uss o . Tal e linguaggio vi ene defi nito d at afl ow (flus so di dati ) in quant o la s equenza di es ecuzione è defi nita e rappresentata dal fl uss o dei dati st essi attraverso i fili m onodi rezionali che coll egano i blocchi funzional i.
133
Datashett
137
142
146
148
150
152
153
155
157
160
Bibliografia
[1] Dispense del cors o di Circui ti Elet tronici di Potenza L – G. Grandi [2] Dispense del cors o di Azionam enti Elettri ci L – D. C as adei
[3] Dispense del cors o di Dinami ca degli Azionam enti LS – D. Cas adei [4] Dispense del cors o di Conversi one St atica dell ’Energia LS – A. Tani [5] Dispense del cors o di El ett rom agneti s mo appli cato LS – U. Reggi ani
[6] Dispense del cors o di Tecnologi e el ett ri che i nnovati ve LS – G. C. Mont anari
[7] D. Mirri: “Strumentazione elettronica di misura”. CEDAM - 2004. [8] R. Paul Cl a yt on: “Com pat ibilit à el ett romagneti ca”. HOEP LI - 1995.
Sitografia
http://i t.farnell.com http://i t.rs -onli ne.com https:/ /www.dist rel ec.it http:// www.l em .com http://i t.wikipedi a.org/
http:// www.dat asheet cata l og.com http:// www.el ectro you.it/
161
Indice figure
Fi gura 1 - M otore as incrono t ri fase. ... 13
Fi gura 2 - C aratt erist ica m eccani ca di un motore asincrono. ... 14
Fi gura 3 - Azionam ento di un motore asi ncrono a vel oci tà variabil e. ... 15
Fi gura 4 – Legge di controllo de l motore. ... 16
Fi gura 5 - C aratt erist ica meccanica di un motore asincrono con funzionament o V/f=cost . ... 17
Fi gura 6 - S chem a invert er monofas e a IG BT a t ensi one im pres sa. ... 18
Fi gura 7 - S chem a invert er monofas e per tens ione posit iva in usci ta. ... 19
Fi gura 8 - S chem a invert er m onofase per tens ione negativa in usci ta. ... 19
Fi gura 9 - Grafico della funzione portant e tri angol are e modul ant e. ... 20
Fi gura 10 - Grafi co dell a funzione port ant e triangol are e modulant e ingrandito. ... 20
Fi gura 11 - S chem a elett ri co del l’i nvert er in confi gurazione a pont e. ... 21
Fi gura 12 - S chem a elett ri co del l’i nvert er in confi gurazione a pont e. ... 24
Fi gura 13 - Modul azione Bipolare. ... 24
Fi gura 14 - Modul azione Unipolare. ... 25
Fi gura 15 - S pettro armonico con modul azione Bipolare. ... 26
Fi gura 16 - S pettro armonico con modul az ione Unipol are. ... 26
Fi gura 17 - C urva di vita el ett ri ca val evol e i n un caso general e . ... 29
Fi gura 18 - Andam ent o t emporal e dell e t ensioni ril evabili in pres enz a di scari che parzi ali, dove
V
è la tensione applicat a al diel et tri co, Vi è la tensione t ra zone oppost e della cavità, Vci e Vce le t ens ioni di innesco ed esti nzione dell e scari che parzial i. ... 32Fi gura 19 - Dipendenz a del t empo al guasto e dell a probabili tà di s cari ca dall’ampiezza degli impulsi nel modello di isolamento spira -spira. ... 33
Fi gura 20 - Andam ento dell’i nt ensit à di campo elettri co rispetto all a dist anz a tra gli elettrodi e curva di rigidità dielettrica dell’aria in funzione della dist anza tra i condutt ori. ... 35
162 Fi gura 21 – Es em pio di com port amento al guasto di fili sm alt ati sottoposti a impulsi di tensi one di am pi ezza 4 kV e 5 kV, con un ris e time di 83 µs, l a cui
frequenza è st at a variat a da 100 Hz a 20 kHz.. ... 37
Fi gura 22 - Dut y c yc le. ... 38
Fi gura 23 - Com portam ento al guast o di twist ed pair del tipo 18 HAP TZ in funzione del ti po di impuls o appli cato, bipol are oppure unipolare, posit ivo e negati vo. La t ensi one appli cat a è: Vpp=2kV, f=20kHz, T=90°C, D=50%, tr=0,03µs e td=25 µs. ... 39
Fi gura 24 - Evoluzi one del campo el ett rico dopo una scari ca parziale su un isol ant e soggetto a onda quadra unipolare (a) e bipolare (b), di val ore prossimo alla t ensi one di i nnes co. ... 40
Fi gura 25 - Evoluzi one del campo el ett rico dopo una scari ca parziale su un isol ant e soggetto a onda quadra unipolare (a) e bipolare (b), di val ore prossimo al doppi o dell a t ens ione di i nnesco. ... 41
Fi gura 26 - Andam ent o del t empo al guasto dei twi sted pai r in prova i n rel azione al ris e tim e della t ensi one appl i cata. ... 42
Fi gura 27 - Andam ent o del tem po al guasto rispett o all a temperat ura dei twist ed pair del tipo 18MW35 -C in prova, sott oposti a t ensi one unipol are di divers a am pi ezz a (3 kV e 5 kV e frequenza (5 kHz e 1 kHz ), caratt erizzati da uno slew rat e di 70 kV/µs. ... 44
Fi gura 28 - Andamento dell a capacit à rel ativa ri ferit a a 20 °C e 50 Hz dei provini (a), e del PDIV (b), in funzione dell a t emperatura. ... 45
Fi gura 29 – Treno ETR500 alta velocit à. ... 46
Fi gura 30 – S chem a funzionale. ... 50
Fi gura 31 – S chem a el ettrico generale. ... 51
Fi gura 32 - cR IO 9074 compl eto dei due moduli NI 9401 e del modulo N I 9201. ... 54
Fi gura 33 – Int erfaccia grafica inizi ale. ... 58
Fi gura 34 – Interfacci a grafi ca, 2 rami, modul azione a 3 li velli e gesti one dell a t ensione in us cita a rampa. ... 60
Fi gura 35 – Interfacci a grafi ca, 2 rami, modul azione a 2 li velli e gesti one dell a t ensione in us cita a rampa. ... 60
163 Fi gura 37 – Int erfaccia grafi ca, 2 ram i , modul azione a 3 livel li, gestione
dell’uscita look at table. ... 61
Fi gura 38 – Foto del l a “formett e”. ... 63
Fi gura 39 - Foto dell a gabbi a m et alli ca con port a chi us a. ... 64
Fi gura 40 – Foto del l a gabbi a m et alli ca con port a aperta. ... 65
Fi gura 41 - Scheda dri ver, set taggio dell a modal ità operat iva 2 livelli o multilivell o con jum per J 1. ... 66
Fi gura 42 - Ricevit ore e trasm ett itore dell a s cheda dri ver e connettore di alim ent azione. ... 68
Fi gura 43 – M ont aggio s cheda dri ver su modul o IGBT. ... 68
Fi gura 44 – Ci rcuit o concettual e di Vce m onitoring/Short ci rcuit prot ection 69 Fi gura 45 - Interfaccia t ra l e fibre ot tiche e la s cheda driver. ... 71
Fi gura 46 - S egnal e ottico ricevuto ed invi ato dall a scheda driver e Vge in condizioni di norm al e funzi onamento del sistema. ... 71
Fi gura 47 - Stat us feedback in condizioni normal i del s ist ema (FAU LT) per modalit à a 2 livelli . ... 71
Fi gura 48 - Stat us feedback in condizioni normal i del s ist ema (FAU LT) per modalit à a 3 livelli . ... 72
Fi gura 49 - Logica di gestione del segnal e di FAULT. ... 72
Fi gura 50 - Alim ent atore stabilizzato DC/DC tipo IS O3116 I dell a CONC EPT. ... 73
Fi gura 51 - S imbol o IGBT. ... 74
Fi gura 52 - S ezione dell 'IGBT. ... 74
Fi gura 53 - C ircui to el ettrico equi valent e d ell ’ IGBT. ... 75
Fi gura 54 – C onfi gurazione a pont e dell’i nvert er. ... 76
Fi gura 55 - Fot o dell ’IGBT, dell a scheda driver e dell ’alim ent atore stabilizzato. ... 77
Fi gura 56 - S chem a circuitale della s cheda condens atori con ri spetti ve resist enz e di s cari ca. ... 80
Fi gura 57 - S imul azi one con PS pi ce dell a fas e di s cari ca del BUS DC . ... 81
Fi gura 58 – Foto del la scheda condensatori con resistori di scari ca, vist a top. ... 82
164 Fi gura 59 - Foto dell a s cheda condens atori con resistori di s cari ca, vist a
bottom . ... 83
Fi gura 60 - Foto del dissipat ore. ... 84
Fi gura 61 - Generat ore Spellm an di m edia tensione. ... 85
Fi gura 62 - S chema elettri co general e dell a s cheda di cont roll o del generatore. ... 87
Fi gura 63 - S cheda di cont roll o del generatore di m edi a t ens ione. ... 88
Fi gura 64 - Al iment atore DC/DC dell a s cheda di controllo del generatore di medi a t ensione. ... 88
Fi gura 65 - Connett ore 15 pin tipo D dell a scheda di controllo del generatore di m edi a t ensione. ... 89
Fi gura 66 - Foto del finecorsa. ... 90
Fi gura 67 - Filtro pas sa bas so dell a s cheda di cont roll o del generat ore di medi a t ensione. ... 91
Fi gura 68 - S chem a circuit al e del filt ro passa basso. ... 91
Fi gura 69 - R isult at o della sim ulazi one del filt ro pass a basso. ... 92
Fi gura 70 - C ircui to generale dell a s cheda OCP. ... 93
Fi gura 71 - S ottoci rcuito dell a scheda OCP per il co ndizionamento della lettura. ... 94
Fi gura 72 - S ottoci rcuito del la s cheda OC P per l a prot ezione. ... 95
Fi gura 73 - Foto dell a s cheda OCP. ... 96
Fi gura 74 – Tras dutt ore di corrent e LEM. ... 97
Fi gura 75 – Tras dutt ore di t ensi one LEM. ... 98
Fi gura 76 - S chem a elett ri co del la s cheda di di saccoppi amento ottico. ... 99
Fi gura 77 - Foto dell a s cheda di disaccoppiam ent o otti co. ... 100
Fi gura 78 - Alim entatore DC/DC dell a s cheda di dis accoppi ament o ot tico. 101 Fi gura 79 - C onnett ori a 25 pin tipo D del la s cheda di di saccoppiam ent o ottico. ... 102
Fi gura 80 - Flip flop SR dell a s cheda di disaccoppiamento otti co. ... 103
Fi gura 81 - Buffer dell a s cheda di dis accoppi am ento ott ico. ... 104