Università degli Studi di Genova
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento DITEN
TESI DI DOTTORATO IN
INGEGNERIA ELETTRICA
PROGETTAZIONE ED OTTIMIZZAZIONE DI SISTEMI DI
MISURA DELLE SCARICHE PARZIALI PER SEGNALI
CONDOTTI ED IRRADIATI
Tutor: Chiar.
moProf. Ing. Francesco Guastavino
III
V
Abstract
This thesis deals with the measure of partial discharge. First of all the work will analyze the phenomenon from a general point of view: it will focus on the causes that imply partial discharge inception in insulating systems, as well as the behavior of devices in presence of partial discharge activity, in case of different insulating systems.
Moreover this thesis discusses different measurement methods, especially electrical ones and those described by the technical standards of the sector.
The research carried on in this work is focused on the realization of two different kinds of predictive diagnostic systems, which are able to provide information about the imminent failure of a device subjected to partial discharge activity. The two systems have been developed with different purposes: an experimental one and a more traditional one, but with some modifications compared to the state of the art.
The first measurement system has been developed in order to be less invasive as possible; it is made up of an electromagnetical sensor mounted directly on the monitored device. The measurement device works without any connection to the power of the monitored system, but it is possible to monitor only few alarm thresholds. It is impossible to detect the nature of defect to the partial discharge activity.
With the second measurement system it is possible to measure the amplitude of each partial discharge, and draw the PD Pattern, which is useful to study the defect. It is easier to diagnose the exact nature of the problem with this kind of measurement system, but it needs a connection to the power circuit. Generally the directors of the maintenance of a system prefer less invasive measurement techniques. Avoiding the connection to the power circuit, the diagnostic is cheaper and safer: the failure of a system often starts from its diagnostic circuit.
The two measurement systems can be used in a complementary way: the less invasive one will perform a predictive diagnostic. After the detection of partial discharge activity, the device is stopped, and the nature and the severity of the defect will be analyzed by means of a more invasive one.
After the optimization of the electromagnetical system and the design of the more traditional one a test campaign has been conducted in laboratory and in field. The electromagnetical system is used and optimized to measure inside a wind turbine, the other one is used to age specimens and to measure transformers.
VII
Ringraziamenti
Il primo ringraziamento è per il prof. Guastavino, tutor di questo mio percorso di Dottorato, grazie a lui ho potuto scoprire il mondo dell’Ingegneria Elettrica, campo che mi ha interessato fin da subito e che mi ha permesso di trovare lavoro velocemente e vicino a casa.
Ringrazio il prof. Gastaldo per l’appoggio nell’attività universitaria ma soprattutto per essere andato al di là dei soli compiti istituzionali, così come ha fatto anche Luis fin dai miei primi giorni di dottorato pur non conoscendomi ancora.
Anche se alcune volte mi sono lamentato per i compiti che mi hanno assegnato durante questi anni, ritenendoli a volte eccessivi e forse non di mia competenza, a conti fatti devo ammettere che tutto ha contribuito positivamente alla mia formazione, e non solo quella strettamente accademica.
Doveroso ringraziare i miei compagni di “avventure”: come dimenticare le trasferte con Davide e le giornate passate con Christian, i lavori di falegnameria, meccanica, bobinatura, trasporti, misure, Van de Graaf, il freddo per le misure “outdoor” con il Solly e le saune sull’eolico ecc…
I dottorandi che mi hanno aiutato in questo percorso: Fabio, Alessandro, Laura e Stefano che non è riuscito a liberarsi di me nemmeno dopo avermi fatto da relatore per la Tesi, ma mi ha avuto come collega per un altro anno.
Ringraziamento particolare a Jacopo per avermi portato alla Expo Ferroviaria: fiera decisiva per la mia occupazione.
Tutti i ragazzi del laboratorio, che pur occupandosi di altre materie sono sempre stati disponibili per un aiuto Claudia, Edoardo e Federica.
Grazie a tutti i tecnici che ho importunato quotidianamente per strumentazione, prove e “tappulli”: Eugenia, Fabio, Sergio, Flavio, Stefano ma soprattutto Salvatore.
Ringrazio tutti gli amici con cui ho passato il mio tempo libero, e i soliti a cui ho chiesto consigli su come scegliere tra le offerte di lavoro, in particolare a Gabriele che dopo lo stage alle superiori nella sua azienda è sempre stato disponibile quando ho avuto bisogno.
Ringrazio i miei genitori per avermi sempre sostenuto e incoraggiato nel mio lungo percorso di studi.
E infine, il ringraziamento più importante è per Silvia e per avermi “aspettato” altri tre anni.
IX
Prefazione
La tesi in oggetto tratta la misura di scariche parziali, pertanto nella prima parte sarà analizzato l’argomento da un punto di vista generale. Sarà discusso il fenomeno delle scariche parziali, analizzando quali siano i fenomeni che ne caratterizzano la comparsa in un sistema di isolamento. Così come le conseguenze a cui incorre un’apparecchiatura in presenza di scariche, con le differenze che caratterizzano i vari tipi di isolamento. Verranno inoltre discussi i metodi di misura, con particolare attenzione a quelli di tipo elettrico e nello specifico, quelli descritti dalle norme di riferimento per il settore.
L’attività di ricerca descritta in questa tesi, si è focalizzata sulla realizzazione di due diversi sistemi di diagnostica predittiva, in grado di fornire informazioni sul tipo di guasto che starebbe per colpire un’apparecchiatura. I due sistemi sono stati sviluppati con obiettivi diversi, uno sperimentale, e uno più tradizionale, anche se con alcune modifiche rispetto allo stato dell’arte.
Il primo sistema è stato concepito per essere il meno invasivo possibile, si tratta di un sensore elettromagnetico da montare direttamente sull’apparecchiatura da monitorare. Non si ha la necessità di collegamenti alla parte di potenza, è possibile misurare solamente il superamento di alcune soglie di allarme e non è possibile riconoscere il tipo di difetto al sistema di isolamento. Con il secondo sistema, è possibile misurare l’ampiezza delle scariche e di conseguenza realizzare i PD pattern, utili a studiare anche la natura del guasto. La diagnostica è sicuramente più semplice da realizzare con un sistema di questo tipo, ma solitamente i responsabili della manutenzione dell’impianto preferiscono l’approccio meno invasivo. Evitando i collegamenti alla parte di potenza si riducono i costi, ma ancor prima si garantisce che la misura sia intrinsecamente sicura. Non è raro che il guasto ad un impianto sia da attribuire alla parte dedicata alla diagnostica. I due sistemi possono essere complementari, con uno si ha un’indicazione sull’attività di scarica, se viene rilevato un problema è possibile programmare una misura più accurata durante un fermo programmato dell’impianto mediante l’uso dell’altro.
Dopo l’ottimizzazione del sistema elettromagnetico e la progettazione di quello di tipo tradizionale i due sono stati testati prima in laboratorio e poi sul campo. Il sistema adatto alla misura delle scariche condotte è stato utilizzato per le misure durante l’invecchiamento di provini e per misure su trasformatori, mentre quello di tipo elettromagnetico è stato utilizzato, ed ottimizzato, per la misura a bordo di generatori eolici.
XI
Indice
CAPITOLO 1 INTRODUZIONE ... 1
1.1 OBIETTIVI DELLA TESI ... 2
1.1.1 Sistema di misura per segnali condotti ... 2
1.1.2 Sistema di misura per segnali irradiati ... 3
CAPITOLO 2 SCARICHE PARZIALI ... 5
2.1CAUSE CHE SCATENANO L’ATTIVITÀ DI SCARICA ... 5
2.2SISTEMI DI MISURA DELLE SCARICHE PARZIALI ... 6
2.3NATURA DELLE SCARICHE PARZIALI ... 8
2.3.1 Scariche parziali interne ... 8
2.3.2 Scariche parziali esterne ... 10
2.3.3 Impulso di corrente associato alla scarica ... 12
2.4MISURA DELLE SCARICHE PARZIALI ... 13
2.4.1 Misure di scariche parziali ON-LINE ... 13
2.4.2 Misure di scariche parziali OFF-LINE... 14
2.5NORMA IEC60270 ... 14
2.5.1 Carica apparente ... 14
2.5.2 Tensioni di prova ... 15
2.5.3 Istante in cui si verifica la scarica parziale... 15
2.5.4 PD pattern ... 16
2.5.5 Circuiti di misura ... 16
2.6SENSORI PER LA MISURA ... 18
2.6.1 Impedenza di misura e isolatore capacitivo ... 18
2.6.2 Considerazioni sul PCB ... 21
2.6.1 Sensore di tipo Induttivo ... 24
CAPITOLO 3 SISTEMA DI MISURA PER SEGNALI CONDOTTI ...25
3.1SISTEMA DI ALIMENTAZIONE ... 27
3.1.1 Progettazione ... 27
3.1.2 Simulazione del circuito ... 32
3.1.3 Realizzazione circuito stampato ... 36
3.1.4 Misure... 40
3.2PROTOCOLLO DI COMUNICAZIONE ... 43
3.2.1 Protocollo custom ... 44
XII
3.2.3 Misure sulla comunicazione ... 46
3.3PREAMPLIFICATORE ... 48
3.3.1 Progettazione della parte logica ... 49
3.3.2 Progettazione dello stadio di amplificazione... 53
3.3.3 Simulazioni ... 59
3.3.4 Realizzazione circuito stampato ... 64
3.4SCHEDA DI CONTROLLO... 66
3.4.1 Progettazione dell’elettronica di controllo ... 67
3.4.2 Realizzazione circuito stampato ... 69
3.5STADIO DI FILTRAGGIO ... 70
3.5.1 Filtro Passa Alto 10kHz con impedenza 10kΩ ... 71
3.5.2 Filtro passa banda 40kHz÷1MHz con impedenza di ingresso 100kΩ ... 72
3.5.3 Filtro passa banda 3Hz-20MHz con impedenza di ingresso 50Ω ... 73
3.5.4 Filtro passa banda 40kHz-800kHz con impedenza 50Ω... 76
3.5.5 Filtro per la separazione dei comandi dal segnale ... 77
3.6MISURE SUL SISTEMA REALE ... 79
3.6.1 Misure sulla risposta in frequenza ... 79
3.6.2 Misure di segnali noti ... 81
3.6.3 Misure su lungo periodo ... 82
3.6.4 Sistema completo. ... 84
3.7SCHEDA RELÈ PER SISTEMI MULTIPLI ... 85
3.7.1 Progettazione ... 85
3.7.2 Espansione del numero di ingressi ... 88
3.7.3 Realizzazione circuito stampato ... 88
3.7.4 Misure sul sistema reale ... 90
3.7.5 Firmware di controllo ... 93
3.7.6 Sistema completo ... 94
3.8SOFTWARE DI CONTROLLO DA COMPUTER ... 95
CAPITOLO 4 SISTEMA DI MISURA PER SEGNALI IRRADIATI ... 99
4.1ANTENNA UTILIZZATA PER LO SVILUPPO DEL SISTEMA. ... 100
4.1.1 Provini e sistema di alimentazione utilizzato ... 102
4.1.2 Sistema di misura scariche condotte ... 104
4.1.3 Sistema di misura scariche irradiate ... 104
4.1.4 Misure ... 105
4.2PROGETTO DEL FILTRO DI INGRESSO ... 110
XIII
4.2.2 Circuito stampato del filtro di ingresso ... 113
4.2.3 Misure sul filtro ... 114
4.3STADIO DI AMPLIFICAZIONE ... 117
4.4STADIO DI CONVERSIONE IN FREQUENZA ... 120
4.5IMPIANTO PILOTA PER MISURE SU EOLICI ... 123
4.5.1 Turbina eolica Vestas ... 123
4.5.2Misure da effettuare sulla turbina eolica ... 125
4.5.3 Analisi del sistema e misure di rumore preventive. ... 126
4.5.4 Ottimizzazione dello stadio di filtraggio ... 134
4.5.5 Misure per la validazione del sistema ... 136
4.5.6 Impianto per monitoraggio sul lungo periodo ... 138
CAPITOLO 5 CONCLUSIONI ... 145
5.1SISTEMA PER LA MISURA DEI SEGNALI CONDOTTI ... 145
5.2SISTEMA PER LA MISURA DEI SEGNALI IRRADIATI ... 146
CAPITOLO 6 SVILUPPI FUTURI ... 149
6.1SVILUPPI FUTURI PER IL SISTEMA DI MISURA PER I SEGNALI CONDOTTI ... 149
1
Capitolo 1 Introduzione
I sistemi elettrici, in media (MT) e bassa tensione (BT), sono composti da macchine e componenti elettrici le cui parti a potenziali differenti vengono separate tramite opportuni isolamenti. Durante il normale funzionamento questi isolamenti sono soggetti ad invecchiamento, dovuto ad una serie di fattori esterni come: sollecitazioni elettriche, termiche, meccaniche e ambientali. Si possono creare dunque delle scariche disruptive tra parti della macchina, non più isolate correttamente, quindi oltre a un disservizio della macchina stessa, a causa del corto circuito che si viene a creare, si può incorrere in un blocco dell’intero sistema in cui la macchina opera. Il blocco di un intero sistema, ma anche solo di un singolo elemento, comporta un considerevole danno economico; si pensi ad esempio a un improvviso fermo di un impianto. D’altra parte, per garantire sicurezza e affidabilità degli impianti, vengono effettuati controlli e manutenzioni programmate, al fine di scongiurare possibili guasti, ma anche questi comportano un fermo dell’impianto, con conseguenti perdite economiche e disagi. Inoltre prevedere un guasto di un’apparecchiatura, non è possibile facendo solamente considerazioni a priori, infatti motori, generatori o trasformatori, anche se identici possono comportarsi in modo totalmente diverso se sottoposti a condizioni ambientali differenti. Ad esempio, per quanto riguarda un motore alimentato tramite inverter, il manifestarsi di un guasto a livello dell’isolamento può essere dovuto agli stress di tipo elettrico a cui è soggetto, che possono essere amplificati dall’accumularsi di sporco a causa dell’ambiente in cui sta operando [1]. Per eseguire quindi una manutenzione programmata efficiente, e scongiurare guasti improvvisi, è necessario disporre di una diagnostica di tipo predittivo, che sia in grado non solo di identificare, all’interno dell’impianto, quale sia la macchina prossima al guasto, ma anche la natura del guasto che si andrà a verificare. In questo modo si potranno fornire, agli addetti alla manutenzione, informazioni utili sulla salute dell’impianto, e quindi sarà possibile decidere se intervenire immediatamente sulla macchina prossima al guasto, oppure se sia possibile attendere fino ad un arresto programmato.
2
1.1
Obiettivi della tesi
La tesi in oggetto ha avuto come obiettivo quello di ottimizzare un sistema per la misura di scariche irradiate brevettato dallo spin off dell’Università di Genova, chiamato SolBox® e di progettare un sistema per la misura di scariche parziali di tipo tradizionale, anche se con importanti modifiche rispetto allo stato dell’arte. Il sistema di tipo irradiato è stato studiato con l’obiettivo di realizzare un prototipo funzionante ed ottimizzato, in modo da essere utilizzato per la diagnostica dei componenti a bordo di turbine eoliche. Per il sistema tradizionale l’obiettivo è stato lo sviluppo di un dispositivo che possa essere commercializzato. Sono state prese in considerazione non solo le problematiche dovute alla progettazione, ma anche tutti gli aspetti di ingegnerizzazione che intercorrono tra lo sviluppo di un prototipo e la realizzazione di un dispositivo finale.
1.1.1 Sistema di misura per segnali condotti
La misura di tipo tradizionale nell’ambito delle scariche parziali avviene mediante misure di tipo condotto. Questo significa che è necessario avere un collegamento alla parte di potenza del dispositivo oggetto di diagnostica. Trattandosi di sistemi che operato a tensioni elevate, si parla spesso di tensioni di alcune decine di kV, è necessario introdurre opportuni sistemi di partizione, che permettono di effettuare la misura. Il segnale risultante in uscita dal partitore dovrà essere opportunamente condizionato da un’impedenza, componente non oggetto di progettazione per l’ambito di questa tesi, ma le cui caratteristiche sono state simulate, per comprendere il tipo di segnale con cui è necessario operare. L’attività si è concentrata sullo sviluppo del sistema di condizionamento del segnale, per renderlo disponibile al sistema di digitalizzazione. Per realizzare un sistema di acquisizione ottimale, è necessario posizionare nelle immediate vicinanze del sensore quantomeno un preamplificatore, in modo da evitare che il segnale venga corrotto dal rumore che può sommarsi lungo le connessioni. È stato quindi progettato e realizzato un preamplificatore da collegare al sensore. Questo dispositivo, sarà progettato per essere utilizzato in ambito industriale, e dovrà quindi essere inscatolato in modo adeguato, garantendo il numero minimo di connessioni. Per il controllo sarà sviluppata una opportuna scheda interfacciabile ad un qualunque computer mediante una connessione USB 2.0, utilizzata anche per l’alimentazione. In questo modo si avrà un sistema compatto e portabile, per effettuare
3 misure di scariche parziali. Potrà essere utilizzato per la visualizzazione su un oscilloscopio o, interfacciato ad opportuno software, per la realizzazione dei PD pattern.
1.1.2 Sistema di misura per segnali irradiati
Il sistema per la misura dei segnali irradiati utilizza, come sensore per rilevare le scariche parziali, un’antenna.
È pensato per una misura di tipo molto semplice, si occupa di contare gli eventi associati all’attività di scarica, ed attivare delle soglie di allarme che indicano il superamento di un certo numero di scariche o il superamento di un certo numero di scariche nell’unità di tempo. La modalità di utilizzo dipende dal tipo di applicazione specifica.
Nell’ambito della tesi, partendo dalla struttura originale del progetto è stata fatta un’ottimizzazione per rendere il sistema adatto alla misura su turbine eoliche.
Sono stati analizzati i diversi sistemi di isolamento a bordo della turbina per definire il tipo di soglia da utilizzare, ed inoltre trattandosi sostanzialmente di un’antenna sono state effettuate diverse campagne di misura al fine di definire lo spettro utile alla misura. Infatti la natura particolare dell’applicazione porta il sensore ad essere soggetto a tutte le fonti di rumore elettromagnetico causate dalle telecomunicazioni. È stato studiato il range di frequenze ottimo per la misura, ma tale da poter essere libero da interferenze. È stato progettato il filtro ottimo per ottenere un adeguato rapporto segnale-rumore, adatto ad effettuare la misura.
5
Capitolo 2 Scariche parziali
Le scariche parziali sono sia il sintomo che la causa di un deterioramento dei sistemi di isolamento elettrico di tipo solido.
Per descrivere il fenomeno delle scariche parziali è utile introdurre prima il concetto di “Scarica Totale”. Si ha una scarica totale quando l’isolamento, tra due parti a potenziali differenti cede, creando un percorso conduttivo a bassa resistenza. Si crea quindi un cortocircuito che mette fuori uso la macchina. Per quanto riguarda invece una “Scarica Parziale”, solamente una parte dell’isolamento viene cortocircuitata, mentre la restante è ancora in grado di garantire un isolamento [2].
Le scariche derivano quindi da concentrazioni locali di campo elettrico, e compaiono come impulsi di corrente con durata di molto inferiore ad 1µs, inoltre sono spesso accompagnate dall’emissione di suono, luce e calore. Una macchina quindi, anche se soggetta a scariche parziali, continuerà ad operare correttamente, finché, in un tempo più o meno lungo, incorrerà in una scarica di tipo disruptivo, mettendola di fatto fuori servizio.
2.1 Cause che scatenano l’attività di scarica
Le scariche avvengono a causa di difetti nel sistema di isolamento, sono quindi utilizzabili come un indicatore della presenza di difetti, avvenendo però, contribuiscono anch’esse al danneggiamento dell’isolante. Infatti il locale surriscaldamento dovuto al passaggio di corrente contribuisce al danneggiamento del materiale isolante, in alcuni casi si possono depositare sulla superficie residui carboniosi che ne riducono la resistività ed infine, il piccolo arco elettrico genera ozono (O3) e ossidi di azoto (NO2), sostanze chimicamente molto attive. Tutti questi fattori possono accelerare il processo di deterioramento del materiale isolante, con un inevitabile aumento dell’attività di scarica che di conseguenza aumenta i fenomeni ad essa associati. Il sistema si trova quindi in un circolo in cui gli effetti amplificano la causa e viceversa, portandolo rapidamente in una situazione di guasto. Fondamentale la natura del materiale in cui avvengono le scariche, alcuni materiali detti auto-ripristinanti possono convivere per lungo tempo in presenza di scariche parziali, in quanto le loro caratteristiche chimico-fisiche vengono ripristinate non appena la scarica
6
termina, lo sono ad esempio i sistemi di isolamento in gas o olio. Altri tipi di materiali come ad esempio resine ma anche carte e polimeri non sono auto-ripristinanti, e la scarica danneggia irreversibilmente la parte di isolante interessata.
2.2 Sistemi di misura delle scariche parziali
Le scariche parziali possono essere misurate in vari modi, a seconda anche del sistema su cui si verificano. Il sistema più semplice, dato che ad ogni scarica è associata un’emissione di luce, è quello di osservare il sistema in condizioni di buio. Se l’attività di scarica è molto elevata è possibile vedere ad occhio nudo un alone di luce azzurra attorno al punto in cui stanno avvenendo, Figura 1.
Figura 1: Scarica visibile ad occhio nudo.
Inoltre se si tratta di un sistema che non presenta rumore udibile, ad un’attività di scarica così elevata è associato un tipico fruscio che è possibile ascoltare.
È chiaro che non è possibile effettuare “misure” così grezze su un sistema reale, considerando anche, che per essere percepibile, l’attività di scarica avrebbe già raggiunto un livello decisamente pericoloso per l’apparecchiatura. Esistono però sistemi che sfruttano l’emissione di suono per la misura, si tratta di microfoni molto direzionali che sfruttano
7 sensori di tipo piezoelettrico. Il segnale acquisito è amplificato e traslato nelle frequenze udibili in modo che possa essere ascoltato in cuffia dall’operatore [3]. Un operatore esperto è in grado, puntando il microfono verso l’apparecchiatura sotto test, di individuare il punto di origine dell’attività di scarica, purché questa sia di intensità superiore a 50pC e l’attenuazione dei materiali interposti sia limitata. Esistono anche metodi ottici, che utilizzando fotomoltiplicatori e apparati fotografici, possono localizzare scariche parziali in aria con sensibilità inferiori a 0.1pC anche se solamente in condizioni molto particolari [4]. Per la misura di scariche parziali è anche importante considerare il tipo di sistema di isolamento, ad esempio nel caso di isolamenti in olio è possibile effettuare analisi chimiche ad intervalli periodici, in modo da rilevare sostanze disciolte nel liquido [5].
Esistono anche metodi indiretti, come la misura delle perdite dielettriche mediante la misura del Tanδ [6].
Possono essere utilizzati metodi di tipo elettromagnetico, utilizzando opportune antenne. All’evento di scarica è associato un breve impulso di corrente, che emetterà un segnale elettromagnetico che può essere captato mediante l’uso di una antenna. Con questo tipo di misura è possibile ottenere solamente informazioni qualitative sulla scarica avvenuta. Scariche che avvengono in punti diversi della macchina sotto test possono arrivare al sensore con diverse attenuazioni a seconda dei materiali che attraversano, inoltre sono presenti fenomeni di riflessione multipla dovuti alle complesse conformazioni delle macchine elettriche e alla presenza di grandi quantità di materiali metallici.
Per ottenere informazioni dirette sulle scariche, è necessario utilizzare metodi elettrici, con i quali è possibile anche andare a misurare la quantità di carica associata al singolo impulso. Utilizzando dei TA realizzati con delle ferriti o con avvolgimenti di tipo Rogovsky, facendo passare il conduttore al loro interno, è possibile trasdurre l’impulso di corrente rendendolo misurabile [7], con questo metodo tuttavia non è possibile rilevare la quantità di carica associata alla scarica. Per ottenere informazioni quantitative sull’attività di scarica è necessario utilizzare i metodi che prevedono il collegamento diretto all’alimentazione della macchina. Mediante un partitore capacitivo e un’impedenza viene effettuata la misura, è possibile avere anche informazioni sul trasferimento della carica di ogni singola scarica. Il sistema viene calibrato ad ogni nuova misura, utilizzando un impulso con carica nota è possibile legare il valore di tensione misurato al valore di carica che lo ha generato.
8
2.3 Natura delle scariche parziali
I difetti del sistema di isolamento possono derivare da problemi nella fase di produzione o dal normale invecchiamento in servizio dell’apparecchiatura. Ad esempio considerando macchine con isolamento in resina epossidica, in fase di produzione, si possono creare dei piccoli vuoti nella resina che poi potranno portare a scariche parziali durante il normale funzionamento [8]. Tuttavia, anche se in fase di produzione si realizza un sistema di isolamento pressoché perfetto, durante il funzionamento, a causa del surriscaldamento, il materiale tenderà a divenire poroso, e il problema si presenterà lo stesso. Anche la sola contaminazione delle superfici da parte di polveri conduttive può portare a scariche parziali sulla superficie [9]. Inoltre il sistema, durante l’installazione o il trasporto può subire degli stress meccanici che creano delle piccole crepe nel sistema di isolamento o scostamenti tra elementi che dovrebbero rimanere allo stesso potenziale. Infine può accadere che un conduttore non sia correttamente arrotondato o una terminazione abbia degli spigoli vivi, in questi casi la distribuzione del campo potrebbe risultare non sufficientemente uniforme, dando origine a scariche di tipo corona [10].
I fenomeni che scatenano l’attività di scarica parziale possono essere molti e dalla natura più disparata, ma possono essere suddivisi in due grandi sottofamiglie: scariche interne e scariche esterne al sistema di isolamento.
2.3.1 Scariche parziali interne
Le scariche parziali interne sono dovute alla presenza di difetti nel sistema di isolamento di tipo solido, possono essere causate ad esempio da bolle d’aria all’interno di una resina. L’inclusione di materiali a costante dielettrica minore porta ad avere concentrazioni di campo elettrico, il limite di rigidità può essere superato in queste zone, anche se nella restante parte di isolante l’intensità del campo non è critica.
Schematizzando il sistema di isolamento come una capacità è possibile descrivere il circuito equivalente del difetto riportato in Figura 2.
9 Figura 2: Circuito equivalente di un difetto nell’isolamento.
Dove la capacità CA rappresenta la capacità dell’intero isolamento mentre CC la capacità del difetto. CB rappresenta la parte restante dell’isolamento in prossimità del difetto.
Come esempio viene considerata una rigidità dielettrica di 20kV/mm per l’isolante e di 3kV/mm per il difetto.
La capacità di ogni sezione può essere calcolata: 𝐶𝐵 =𝜀0𝜀𝑟𝐴
𝑑 − 𝑡 𝐶𝐶 = 𝜀0𝐴
𝑡
Dove d è lo spessore dell’isolante e t lo spessore del difetto. È possibile quindi calcolare la tensione presente sul difetto come:
𝑉𝑐 = 𝐶𝐵 𝐶𝐶+ 𝐶𝐵𝑉𝐴
Sostituendo ad ogni capacità l’espressione in termini di permeabilità dielettrica e spessore sia dell’isolante che del difetto, si ottiene che la tensione sulla cavità è:
𝑉𝑐 = 𝑉𝐴
1 +𝜀1
𝑟(
𝑑 𝑡 − 1)
Da cui si può ricavare che la tensione si concentra sul difetto, situazione che unita alla bassa rigidità dello stesso porterà ad avere una scarica, la cui tensione critica è definita come:
𝑉𝑠 = 𝐸𝑡 [1 + 1 𝜀𝑟(
𝑑
𝑡 − 1)] Dove E è il campo elettrico presente sulla cavità.
Dopo la scarica la tensione ai capi del difetto crolla a zero, dopo questo evento si possono verificare due condizioni a seconda dei materiali rilasciati durante la scarica. Se vengono rilasciati residui carboniosi conduttivi l’attività di scarica può scomparire dopo breve tempo,
10
in quanto la superficie del difetto diviene conduttiva e non vi è più la differenza di potenziale tale da innescare nuove scariche. Se invece i residui non sono conduttivi, o quelli carboniosi non sono tali da rendere conduttiva la superficie, una nuova scarica avverrà non appena la tensione ai capi del difetto supera quella critica, come mostrato in Figura 3.
Figura 3: Processo di scarica in una cavità.
Nell’immagine è riportato sia la tensione, Va e Vc rispettivamente tensione ai capi dell’isolante e del difetto, sia la corrente. Ogni volta che la tensione supera il limite critico, sia positivo che negativo, la tensione crolla a zero e nasce un impulso di corrente. L’impulso di corrente è molto breve, solitamente ha una durata inferiore ad 1µs, nell’immagine gli intervalli sono volutamente allargati per permetterne la visualizzazione sul periodo della tensione di alimentazione da 50Hz.
2.3.2 Scariche parziali esterne
Le scariche che avvengono all’interfaccia tra dielettrici diversi vengono definite come scariche esterne. Sono definite esterne anche le scariche di tipo corona, sia in aria sia in gas isolante.
Le scariche di tipo superficiale sono dovute alle componenti di campo elettrico nella direzione della discontinuità tra i materiali isolanti, Figura 4. Questo tipo di scarica, oltre a rilasciare ozono e altri componenti nell’aria può portare a fenomeni di tracciamento delle
11 superfici. Ogni scarica altera le caratteristiche isolanti della superficie, e nel tempo si può creare una zona a bassa resistenza che può portare ad avere una scarica totale.
Figura 4: Schematizzazione scarica superficiale.
Le scariche di tipo corona, Figura 5, si verificano quando viene superata localmente la rigidità dielettrica del gas isolante. Avvengono solitamente a causa di elettrodi appuntiti, sia che essi siano in tensione piuttosto che al potenziale di terra. Anche se il mezzo in cui avvengono le scariche è di tipo ripristinabile, per tensioni elevate possono essere un mezzo per avere carica libera e portare quindi la macchina a una scarica totale. Si ha in ogni caso la produzione di ozono.
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2.3.3 Impulso di corrente associato alla scarica
L’impulso di scarica è un fenomeno molto rapido, il tempo di salita solitamente è circa una decina di volte inferiore a quello di discesa. La forma dell’impulso può essere simulata mediante l’equazione seguente.
𝐼 = 𝐼0(𝑒−𝑎𝑡− 𝑒−𝑏𝑡)
Dove a è la costante di tempo del fronte di salita e b di quello di discesa.
Dall’equazione si può ricavare la forma dell’impulso di scarica, come visibile in Figura 6.
Figura 6: Simulazione impulso di scarica.
L’ampiezza ovviamente è determinata dall’intensità della scarica, mentre la durata è sostanzialmente la stessa per ogni scarica. L’impulso sale con un tempo dell’ordine dei 10ns, e decresce in circa 100ns.
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2.4 Misura delle scariche parziali
Come introdotto nel capitolo precedente ad ogni fenomeno di scarica è associata una circolazione di un impulso di corrente, per rilevare scariche parziali è quindi necessario riuscire a distinguere questi impulsi dal rumore ambientale e, in alcune applicazioni, anche misurarne l’ampiezza. Esistono due metodi per fare diagnostica su di un componente, si possono effettuare misure mentre il dispositivo è nelle normali condizioni di funzionamento (ON-LINE) o misure fornendo opportuni stimoli al sistema di isolamento (OFF-LINE). Nessuno dei due è migliore dell’altro, entrambi hanno dei pregi da tenere in considerazione, a scapito però di alcuni difetti. È necessario poi fare anche una distinzione tra i metodi che misurano segnali condotti, e quelli per la misura dei segnali irradiati.
2.4.1 Misure di scariche parziali ON-LINE
Le misure ON-LINE sono effettuate senza fermare la macchina, quindi le misurazioni saranno effettuate nelle reali condizioni di funzionamento. Sicuramente è un notevole vantaggio, in quanto tutte le condizioni al contorno sono variabili che alterano il processo. Si pensi ad esempio alla temperatura o all’umidità, o anche agli stress di tipo meccanico a cui è soggetta la macchina in funzionamento. Tuttavia la misura non è semplice da effettuare, in primo luogo è necessario avere a bordo della macchina una parte del circuito per la misura. Inoltre il rumore all’interno del sistema sarà elevato e, dato che la macchina è collegata ad altre apparecchiature, non è da escludere che scariche provenienti da queste ultime vengano attribuite erroneamente alla macchina in esame. Infine, per i sistemi trifase, risulta difficile stabilire dove sia effettivamente il difetto.
Il punto fondamentale per cui si preferiscono le misure ON-LINE è la possibilità di effettuare la diagnostica senza dover fermare l’impianto, quindi senza perdite di produttività e denaro. Il sistema sarà fermato solamente se vi è la necessità di effettuare una manutenzione, e inoltre il fermo dell’impianto, entro certi limiti, potrà essere pianificato.
L’aspetto negativo è che spesso i sistemi di questo tipo hanno la necessità di avere connessioni all’alimentazione del sistema permanenti, che possono a loro volta essere fonte di guasto.
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2.4.2 Misure di scariche parziali OFF-LINE
Le misure OFF-LINE vengono effettuate con il sistema fermo, si intende con ciò che il sistema non è alimentato nelle condizioni nominali di funzionamento. Ad esempio per quanto riguarda sistemi trifase, solo una fase alla volta viene alimentata, in modo da poter discriminare i difetti presenti in ogni singola fase. Fatto che, unito alla minore presenza di rumore e alla sicurezza che fenomeni associati ad altre macchine non possono essere misurati, garantiscono accuratezze delle misure superiori rispetto al sistema ON-LINE. Al contrario delle misure ON-LINE tuttavia, il sistema deve essere scollegato, causando il fermo dell’impianto.
Con la macchina scollegata è possibile andare a misurare la carica apparente di ogni fenomeno di scarica, andando a calibrare il sistema. Generalmente è utile eseguire periodicamente le misure, partendo dal sistema nuovo, in modo da analizzare l’andamento del fenomeno, specialmente in sistemi con isolamenti di tipo II.
2.5 Norma IEC 60270
Per la misura di scariche parziali in ambito industriale è necessario fare riferimento alla norma di IEC 60270. La norma contiene i circuiti da utilizzare e le procedure utili alla misura delle scariche parziali di tipo condotto. La normativa prende in considerazione le scariche parziali che avvengono in sistemi di isolamento alimentati con tensioni fino a 400Hz. Il rispetto delle prescrizioni della norma consente di avere una misura dell’attività di scarica riproducibile, ossia indipendente dal sistema utilizzato per la misura.
2.5.1 Carica apparente
La norma definisce la carica apparente, ossia la carica misurabile associata all’evento di scarica. All’evento di scarica parziale si avrà un breve impulso di corrente ai terminali dell’oggetto in prova, che darà una certa lettura sullo strumento di misura. La misura non è quella della carica reale, ma se ne misurerà solamente una parte. A seconda del circuito di misura utilizzato si potrà avere più o meno sensibilità, ma in ogni caso non è possibile misurare tutta la corrente della scarica.
15 Per definire quindi la risposta del proprio circuiti di misura, si utilizza un impulso di corrente con ampiezza nota, e si registra l’uscita letta sullo strumento di misura. In questo modo è possibile effettuare una calibrazione e ottenere misure confrontabili.
L’impulso di scarica viene misurato come una carica, perciò la sua unità di misura è il Coulomb, generalmente è espressa in pC.
2.5.2 Tensioni di prova
Importante per la misura delle scariche parziali introdurre i concetti di tensione di innesco, di estinzione e di misura. Quando si effettua una misura di tipo OFF-LINE, si deve alimentare il sistema in modo graduale. Si parte da una tensione bassa, per poi salire finché non compaiono le prime scariche ripetitive. La tensione per cui si hanno i primi eventi di scarica è definita tensione di innesco. Ne viene registrato il valore in quanto è necessario, per effettuare la misura, portare l’apparecchiatura a 1.1 volte questo valore, valore definito come tensione di misura. Ovviamente, per la misura degli inneschi è importante controllare i valori di targa del dispositivo sotto test, in modo da non eccedere le specifiche di tensione, rischiando di danneggiare permanentemente l’isolamento.
La tensione di estinzione è invece la tensione alla quale, scendendo con l’ampiezza dell’alimentazione non si hanno più eventi di scarica ripetitivi. In generale tensione di innesco e di estinzione non hanno lo stesso valore.
2.5.3 Istante in cui si verifica la scarica parziale
La misura dell’ampiezza degli eventi di scarica permette di avere informazioni sull’entità del danno al sistema di isolamento, permette quindi di verificare se una apparecchiatura è prossima o no ad un guasto. Gli eventi di scarica inoltre, essendo casuali possono avvenire uno di seguito all’altro, in questa particolare situazione si possono avere delle sovrapposizioni tra gli impulsi. L’ampiezza derivante dalla sovrapposizione di questi impulsi può essere maggiore o minore rispetto a quella reale, a seconda se si sommano con lo stesso segno o con segno opposto.
Per ottenere informazioni sul tipo di guasto è necessario invece andare a misurare non solo l’ampiezza, ma anche la fase di occorrenza. Con fase di occorrenza si intende l’istante temporale in cui la scarica avviene, rispetto alla tensione di alimentazione dell’oggetto in prova. Viene espressa in gradi, come fase della tensione di prova.
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2.5.4 PD pattern
L’istante in cui si verifica la scarica parziale è molto importante per la costruzione dei PD pattern. Posizionando un punto per ogni scarica avvenuta su un grafico fase-ampiezza è possibile creare dei pattern tipici di un particolare difetto, due esempi sono riportati in Figura 7. In questo modo è possibile comprendere la natura del difetto nel sistema di isolamento [11].
Figura 7: PD pattern di due diversi difetti.
2.5.5 Circuiti di misura
La norma di riferimento fornisce diversi tipi di circuiti di misura, la tesi in oggetto ne ha preso in considerazione due, riportati in Figura 8.
Figura 8: Circuiti di misura per scariche parziali.
Nello schema la capacità denominata Ca rappresenta la schematizzazione dell’oggetto in prova, mentre la capacità CK è un condensatore di accoppiamento a bassa induttanza. Il componente CD è l’impedenza di misura, utilizzata per condizionare il segnale e renderlo misurabile con oscilloscopio o altri strumenti. È fondamentale che tutti i componenti
17 utilizzati per realizzare il circuito di misura siano esenti da scariche parziali, altrimenti si misurerebbero quelle dei componenti invece di quelle dell’oggetto in prova.
I due circuiti hanno una diversa sensibilità data dal posizionamento dell’oggetto in prova, il primo circuito avendo il dispositivo in serie all’impedenza di misura permette di misurare la corrente vi scorre all’interno. Il secondo invece permette di misurare la corrente di ricircolo presente nel condensatore di accoppiamento, quindi solo una parte di quella reale di scarica. Per effettuare le misure nell’ambito di questa tesi è stato utilizzato il secondo circuito, anche se con sensibilità minore, per una questione legata alla sicurezza. Con il primo circuito infatti, se l’isolamento del sistema monitorato dovesse cedere, si avrebbe la presenza della tensione di alimentazione sull’impedenza, e quindi di conseguenza sul sistema di misura. Trattandosi spesso di misure su sistemi con isolamento già compromesso, l’operatore potrebbe trovarsi in condizioni di pericolo per via delle tensioni in gioco. Per effettuare le misure si utilizza quindi il secondo sistema, che permette di avere il condensatore di accoppiamento in serie all’impedenza, garantendo il corretto isolamento.
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2.6 Sensori per la misura
I sensori utilizzati possono essere costituiti da impedenze, quindi RLC rispondenti alla norma, o di tipo induttivo HFCT. Per i primi è necessario il collegamento diretto sul circuito di alimentazione del sistema sotto test, mentre con i secondi è sufficiente misurare la corrente che scorre nei cavi, quindi senza alcun collegamento elettrico.
2.6.1 Impedenza di misura e isolatore capacitivo
Figura 9: isolatore capacitivo.
Il sistema di misura si basa su un partitore capacitivo, tramite l'isolatore capacitivo visibile in Figura 9, e un altro condensatore è possibile andare a misurare una frazione della tensione di alimentazione della macchina sotto test. È presente inoltre l'impedenza di misura, che permette di condizionare l'impulso della scarica per poterlo misurare correttamente, secondo le prescrizioni della norma. Mentre il partitore capacitivo dipende solamente dalla tensione di alimentazione, l'impedenza di misura dipende invece dal tipo di misura che si vuole fare. Per le esigenze del progetto sono state realizzate due impedenze, una per misure LF e una per misure HF, di seguito sono riportati gli schemi di entrambe le configurazioni: rispettivamente in Figura 10 e Figura 11. Per misure LF si intendono le misure normate, con una banda passante compresa tra 50kHz e 1MHz, mentre per frequenze HF si intendono
19 bande di frequenza da 1MHz fino a 20MHz o superiori, misure che non sono prese in considerazione della norma.
Figura 10: Schema elettrico per la simulazione dell’impedenza di misura LF.
La prima verifica è stata effettuata sul partitore capacitivo realizzato tramite C11 e C12. È stata applicata la tensione nominale a cui può lavorare l'isolatore capacitivo e si è verificato che il residuo in uscita fosse tollerabile sia dall'impedenza di misura sia dall'elettronica per il condizionamento del segnale presente a valle.
Successivamente, è stato applicato come ingresso il segnale di una scarica parziale, realizzato a partire dall'equazione caratteristica della scarica mediante software Matlab (segnale di Figura 6). Per ottenere dei risultati attendibili sono state inserite le capacità parassite tipiche del sistema di misura. C24 rappresenta l'apparato che si sta misurando, C26
la capacità del cavo, la connessione al preamplificatore ed infine dell'impedenza di ingresso del preamplificatore. In questo modo è stato possibile verificare il corretto dimensionamento dell'impedenza.
Lo stesso tipo di analisi è stata condotta per l'impedenza realizzata per le misure HF, lo schema relativo è riportato in Figura 11, è possibile vedere come lo stadio di ingresso del preamplificatore cambi nei due casi, per la necessità di effettuare dei diversi tipi di filtraggio.
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Figura 11: Schema elettrico per la simulazione dell’impedenza di misura in HF.
Il segnale della scarica parziale derivante dalla simulazione SPice, condizionato dall'impedenza di misura nei due casi è riportato in Figura 12. La traccia verde è relativa al sistema per le misure HF, mentre la traccia rossa al sistema LF.
Figura 12: Segnale di scarica parziale condizionato dalle impedenze di misura.
Dall’immagine è possibile notare come i due sistemi rispondono all’impulso della scarica, entrambi salgono in modo veloce seguendo l’impulso e poi si assestano con tempi diversi a seconda della costante di tempo del circuito. Nell’immagine di Figura 13 viene riportato un ingrandimento della prima fase del segnale, è possibile vedere anche l’impulso di corrente, traccia viola, che ha generato i segnali. Segnale che è visualizzato sul grafico solamente per
Time
0s 2us 4us 6us 8us 10us 12us 14us
V(C8:1) V(C12:1) -20mV 0V 20mV 40mV 60mV 80mV 100mV
21 riferimento, ma il cui valore non è rapportato ai segnali di uscita, essendo questi misurati in tensione e l’impulso in corrente.
Figura 13: Ingrandimento del segnale condizionato dall’impedenza di misura.
Dall’immagine si può vedere come i segnali salgano in modo identico, per poi comportarsi diversamente a causa della diversa constante di tempo dell’impedenza. Il valore massimo raggiunto è differente nei due casi, segno che la fase di calibrazione è molto importante per avere misure significative.
2.6.2 Considerazioni sul PCB
Per effettuare misure è stato necessario realizzare un circuito stampato dove posizionare tutti i componenti, ad eccezione dell’isolatore capacitivo. Il Circuito stampato dell’impedenza non richiede particolari accorgimenti, è stato realizzato con componenti tradizionali. I componenti devono essere dimensionati correttamente in quanto il dispositivo ha il compito di interfaccia tra i sistemi elettrici operanti a tensioni elevate e il sistema di misura. La prima considerazione deve essere fatta sulla tensione operativa, non è escluso che possano giungere tensioni elevate all’ingresso della scheda, e quindi potenzialmente pericolose per l’operatore. Per garantire la sicurezza sono stati inseriti tre spark-gap come mostrato in Figura 14 che garantiscono, non solo la sicurezza dell’operatore, ma anche la protezione dei componenti.
Time 0s 50ns 100ns 150ns 200ns 250ns 300ns 350ns 400ns 450ns 500ns V(C8:1) V(C12:1) -I(C8)*400 0 10m 20m 30m 40m 50m 60m 70m 80m 90m
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Figura 14: Schema PCB dell’impedenza di misura.
Lo spark-gap numero 3 evita che la tensione in ingresso alla scheda superi la sua tensione di innesco, eliminando la possibilità che in uscita alla scheda si presentino tensioni pericolose. Mentre gli spark-gap 2 e 1 evitano che la tensione, sui componenti sui quali sono montati in parallelo, superi la massima tollerabile dagli stessi, preservandoli in caso di tensioni elevate. La tensione di innesco degli spark-gap è stata scelta di 90V, in modo da avere un ampio margine con la tensione massima tollerabile dai componenti.
Stesso discorso vale per le piste del circuito stampato, sono state realizzate volutamente sovradimensionate. Nelle condizioni operative della scheda sono solamente delle connessioni di segnale, ma in caso di guasto devono essere in grado di sopportare la corrente di cortocircuito degli spark-gap [12]. Pertanto le piste sono state realizzate con una larghezza di 4mm. Inoltre lo Spark-Gap 3 è stato posizionato il più vicino possibile tra i connettori di segnale e terra, in modo che la corrente percorra il minor tratto di pista.
Ne deriva il circuito stampato di Figura 15. I terminali denominati TP1 e TP2 sono rispettivamente i collegamenti per segnale e alimentazione. Il preamplificatore per il condizionamento del segnale verrà collegato all’ingresso U1.
23 Figura 15: PCB Impedenza di misura.
Il circuito stampato è stato realizzato in modo da essere versatile, non tutti i componenti devono essere montati in ogni versione. Questo permette di avere un solo circuito stampato con la possibilità di realizzare tutti i sistemi di misura necessari, contenendo il costo delle lavorazioni. Ed infine in Figura 16 viene riportata l’impedenza assemblata pronta per essere utilizzata, per le misure LF.
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2.6.1 Sensore di tipo Induttivo
Grazie a sensori di tipo induttivo è possibile eseguire la misura delle scariche parziali senza dover intervenire sul sistema di alimentazione. Infatti il sensore funziona come un TA, è sufficiente inserire all'interno del toroide di materiale ferromagnetico, con cui è realizzato il sensore, il cavo di alimentazione del sistema da misurare. Il passaggio di un impulso di corrente all’interno del cavo di alimentazione ne indurrà uno anche sugli avvolgimenti del sensore, permettendone la misura.
Figura 17: Sensori induttivi e Rogovsky.
Nell’immagine sono riportati alcuni esempi di sensori realizzati come attività di tesi, sulla sinistra un sensore di tipo Rogovski [13] e sulla destra e in basso due ferriti [14]. Con questo tipo di sensore non è più possibile effettuare la calibrazione e correlare l’ampiezza della scarica alla carica della stessa. Secondo la norma IEC 60270 infatti, per avere questo tipo di correlazione è necessario che il segnale relativo alla scarica sia opportunamente condizionato da un’impedenza di misura. Sono comunque utili per effettuare delle misure e verificare la presenza di scariche tutte quelle volte che non è possibile collegare il sistema di misura alla parte di potenza. Sono stati dimensionati per avere un’impedenza di uscita di 50Ω, pertanto il sistema di misura dovrà tenerne conto in modo da avere un corretto adattamento di impedenza.
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Capitolo 3 Sistema di misura per segnali condotti
Per la misura di scariche parziali in ambito industriale è necessario, oltre a filtrare il segnale di interesse per eliminare il rumore ambientale, amplificarlo. Per ottenere un buon rapporto segnale rumore l’amplificatore deve essere il più vicino possibile al sensore. Deve essere inoltre possibile modificare il valore di guadagno dell’amplificatore, a seconda del sistema su cui si effettuano le misure infatti potrà essere presente più o meno segnale. Non solo su sistemi diversi, ma anche lo stesso sistema, se viene monitorato per un lungo periodo può presentare segnali con ampiezze che variano considerevolmente nel tempo. Questo significa che è necessario, al fine di effettuare una misura corretta, variare il guadagno dell’amplificatore. La variazione del guadagno deve essere possibile anche durante la misura, senza entrare in contatto con il preamplificatore, data la pericolosità delle tensioni operative dei sistemi che solitamente si vanno a monitorare. È stato deciso quindi di realizzare un sistema dotato di una scheda di controllo, collegata ad un PC in grado di comunicare con l’amplificatore. Per semplificare ulteriormente l’utilizzo del sistema in ambienti difficili è stata usata solamente una connessione tramite cavo coassiale (RG58) per la trasmissione dei comandi, dell’alimentazione e del segnale. Inoltre, sempre nell’ottica di semplificare e rendere il sistema flessibile, è stata impiegata l’alimentazione fornita dall’USB2.0, per evitare alimentatori esterni o l’uso di batterie, non performanti per monitoraggi lunghi.
In Figura 18 è riportato lo schema completo del sistema di misura realizzato. È importante sottolineare che si tratta di uno schema generale, sostituendo infatti alcuni componenti si può rendere il sistema compatibile con la norma IEC 60270 o capace di effettuare misure fino a 100MHz.
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Figura 18: Schema completo del sistema di misura delle scariche parziali condotte.
Nello schema è indicato l’ingresso a cui andrà collegato il sensore di misura con l’etichetta “SENSORE HF”, si tratta di un connettore BNC, segue la parte di protezione dell’ingresso: spark gap per la sicurezza dell’operatore e due diodi per la protezione dell’ingresso dell’amplificatore da sovratensioni temporanee. Il blocco verde denominato “Preampli” rappresenta la scheda preamplificatore, scheda che andrà posta nelle vicinanze del sensore di misura. Questa scheda è collegata mediante cavo RG58 alla scheda di controllo, è possibile vedere un ulteriore spark gap in ingresso a quest’ultima, sempre per ragioni di sicurezza. La scheda di controllo è dotata di altri due connettori: un BNC con l’uscita per l’oscilloscopio e una porta USB per l’interfaccia lato PC.
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3.1 Sistema di Alimentazione
Per rendere il sistema di misura per scariche condotte operativo con una qualunque connessione USB è stato necessario realizzare un sistema di alimentazione specifico. La progettazione è stata svolta con il vincolo della massima corrente fornita da una porta USB 2.0 standard ossia 500mA.
Il sistema può essere suddiviso in due sottosistemi: l’alimentazione della scheda di controllo e quella del preamplificatore. La prima si occupa di alimentare il preamplificatore, di inviare comandi ed inoltre di alimentare la logica di controllo. Il sottosistema a bordo del preamplificatore si occupa anch’esso di alimentare il microcontrollore e, con una tensione duale, gli amplificatori.
L’altro aspetto critico è la qualità della tensione continua fornita, se da un lato si hanno dei microcontrollori che possono operare anche con tensioni continue relativamente stabili, quando si parla degli operazionali utilizzati per condizionare il segnale si deve fare più attenzione. Inoltre trasmettendo le misure tramite la stessa connessione usata anche per l’alimentazione, i disturbi su quest’ultima andrebbero a corrompere la misura. È necessario quindi che la tensione continua di alimentazione sia stabile e non presenti rumore nella banda di frequenze utili alle misure. L’alimentazione degli operazionali ha la necessità di essere duale, è necessario quindi fornire una tensione negativa tramite convertitore DC-DC. È necessario inoltre mantenere una tensione di 5V indipendentemente dalla tensione fornita dall’USB e dalla lunghezza dei cavi, quindi anche per le tensioni positive sono necessari convertitori DC-DC. Infine per la trasmissione dei comandi, per compatibilità con il protocollo progettato (Paragrafo 3.2) sono necessari due livelli di tensione superiori ai 5V.
3.1.1 Progettazione
Per entrambe le schede sono necessarie due tensione distinte, pertanto è stato scelto di progettare solamente un sistema di alimentazione con piccole modifiche per poterlo adattare ad entrambe. È stato scelto l’integrato LT3471 [15] per realizzare i convertitori DC-DC. L’integrato contiene al suo interno due moduli che possono operare indipendentemente per realizzare valori di tensione differenti. Grazie alle sue dimensioni e all’elevata frequenza di commutazione, 1.2MHz, è possibile utilizzare induttori di valore basso e quindi mantenere le dimensioni del circuito contenute.
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Grazie all’uso di questo integrato sono stati realizzati tre convertitori Boost e un invertente per la tensione di alimentazione negativa degli operazionali.
Figura 19: Schema circuitale dell’alimentazione del preamplificatore.
Nella Figura 19 è riportato lo schema elettrico dei convertitori DC-DC per l’alimentazione del preamplificatore. La parte in alto dello schema è relativa al convertitore Boost, mentre la parte in basso realizza il convertitore invertente. Lo schema dei convertitori sulla scheda di controllo è del tutto analogo, sono state effettuate due modifiche. Il convertitore Boost superiore è stato dotato di un MOS e una resistenza collegate in parallelo al partitore che imposta la tensione di uscita, in questo modo sarà possibile controllare, tramite microcontrollore, la tensione di uscita, per poter trasmettere i dati. Il convertitore Invertente è stato sostituito da un altro Boost, che si occupa di alimentare la scheda di controllo a una tensione costante anche durante la trasmissione dei comandi, schema in Figura 20.
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Calcolo tensione di uscita e scelta dei resistori di feedback
Per determinare la tensione di uscita dei DC-DC sono state calcolate le resistenze di feedback con le seguenti formule:
𝑉𝑂𝑈𝑇𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡 = 𝑉𝐹𝐵𝑃(1 +𝑅3
𝑅4) 𝑉𝑂𝑈𝑇𝐼𝑛𝑣 = 𝑉𝑅𝐸𝐹(
𝑅1
𝑅2)
Mentre per il calcolo delle resistenze del convertitore a tensione variabile tali formule sono state utilizzate come sistema:
{ 𝑉𝑂𝑈𝑇 = 𝑉𝐹𝐵(1 + 𝑅3 𝑅4) 𝑉𝑂𝑈𝑇 = 𝑉𝐹𝐵(1 +𝑅3+ 𝑅3′ 𝑅4 )
Dove R3 è la resistenza collegata al transistor, del quale viene trascurata la resistenza di stato ON perché diversi ordini di grandezza inferiore a quella delle resistenze del partitore.
Calcolo degli induttori
Un aspetto importante per il corretto funzionamento dei convertitori è la scelta degli induttori, il corretto dimensionamento e la loro qualità permette di avere efficienza, ma soprattutto un basso livello di rumore, caratteristica fondamentale per l’applicazione in oggetto.
Per i convertitori Boost tramite l’equazione: 𝑉𝐼𝑁𝐷
0.4𝑓𝑆𝐼𝑚𝑎𝑥 > 𝐿 >
𝑉𝐼𝑁𝐷 0.2𝑓𝑆𝐼𝑚𝑎𝑥
sono stati calcolati i valori estremi entro i quali scegliere l’induttanza da utilizzare. Dove:
fS è la frequenza di commutazione del controller
Imax è valore di ripple della corrente che scorre nell’induttore
VIN,VOUT rispettivamente tensione di ingresso e di uscita del convertitore
D il duty cycle calcolato come: (𝜂𝑉𝑉𝑂𝑈𝑇
𝐼𝑁)+𝑉𝑂𝑈𝑇
Per la configurazione Invertente sono stati utilizzati i valori consigliati da datasheet del componente. Definito il valore di induttanza sono stati scelti induttori con bassa resistenza serie, in modo da limitare le perdite dovute a I2R. Per la configurazione Boost l’induttore presenta una resistenza massima di 35mΩ mentre per la configurazione invertente, a causa del valore di induttanza più elevato una resistenza di 100mΩ. Infine, visto che il circuito
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DC-DC si troverà montato in prossimità dell’elettronica di condizionamento del segnale, per limitare le possibili interferenze gli induttori scelti per l’applicazione saranno di tipo schermato [16].
Diodi
Per garantire una buona efficienza dell’intero convertitore sono stati scelti dei diodi di tipo Schottky [17], che permettono di avere una bassa tensione di polarizzazione diretta. Nello specifico quelli scelti per l’applicazione hanno una tensione che può variare da 260 a 340 mV. L’altra caratteristica importante è la corrente diretta che possono sopportare, nello specifico, per avere un buon margine di tolleranza sono stati scelti diodi che consentono una corrente media di 1A e una di picco ripetitivo di 2A.
Scelta dei condensatori
Il sistema non richiede molta corrente, inoltre l’assorbimento deve essere inferiore ai 500mA, pertanto sono stati inseriti dei condensatori da 10µF su ogni ingresso come condensatori di disaccoppiamento, così come sulle uscite per minimizzare il ripple della tensione continua. Inoltre, sempre al fine di minimizzare il ripple, sull’uscita sono stati inseriti dei condensatori con un basso ESR, nello specifico si tratta di condensatori ceramici multistrato.
Soft start
A causa della corrente fornita dall’USB, limitata a 500mA, è necessario utilizzare la circuiteria per il soft start. Senza questo accorgimento il convertitore non appena collegato porterebbe nel minor tempo possibile l’uscita al valore di tensione nominale, questo comporterebbe un assorbimento improvviso di corrente, ben più alto di quella necessaria durante il normale funzionamento. Collegando la scheda di controllo ad un computer il controller USB potrebbe rilevare un sovraccarico, interrompendo immediatamente l’alimentazione. Tramite la rete RC formata da RS e CS è possibile controllare l’avvio del convertitore per fargli seguire una rampa controllata che permette di evitare ogni tipo di problema.
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Considerazioni sulla stabilità
Il convertitore DC-DC utilizzato per l’invio dei comandi, molto più che gli altri convertitori è soggetto a repentini cambi di carico. Il convertitore risponde in modo brusco al cambio di carico e può dare origine a sovratensioni e oscillazioni non volute. Per evitare questo tipo di inconveniente è stato inserito un condensatore in parallelo alle resistenze di feedback. In questo modo si va ad introdurre uno zero nella risposta in frequenza, che permette di migliorare il margine di fase. Per ottenere le migliori prestazioni lo zero deve essere posizionato tra 35kHz e 50kHz, viene calcolato secondo la formula:
𝑓𝑍 = 1
2𝜋𝑅3𝐶𝑃𝐿
Per cui è stato scelto un valore del condensatore da 47pF, mentre il resistore dipende solamente dalla tensione che si vuole ottenere in uscita.
Regolatori Lineari
Le parti del sistema dedicate al condizionamento del segnale hanno la necessità di avere una tensione continua stabile e molto pulita. Per questo motivo sono stati inseriti dei regolatori di tipo lineare al fine di livellare la tensione ed eliminare ripple e le commutazioni residue. Per l’alimentazione dell’elettronica digitale è stato utilizzato l’integrato della Microchip MCP1702 [18] [19] con tensione fissa di 5V che, non richiedendo componenti aggiuntivi, permette un design molto compatto. Sono stati inseriti solamente due condensatori di Bypass da 1µF.
Per le altre parti del circuito sono stati utilizzati regolatori lineari con set point definito da un partitore resistivo, necessario sulla scheda di controllo per ottenere i diversi livelli di tensione utilizzati nella comunicazione, ma utili anche in un futuro se fosse necessario modificare la tensione di alimentazione di alcune parti del circuito. Per stabilizzare la tensione positiva della scheda di controllo è stato utilizzato l’integrato LT1764A [20], la cui tensione di uscita è definita in base a un partitore resistivo. L’integrato è ottimizzato per avere una risposta rapida a variazioni del carico, caratteristica utile per la continua variazione della tensione di uscita durante la comunicazione. Come per il DC-DC è stato realizzato un
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partitore in cui la resistenza di feedback è collegata in parallelo tramite un transistor pilotato dal microcontrollore. I valori di resistenza sono stati calcolati tramite l’equazione:
𝑉𝑂𝑈𝑇 = 𝑉𝐴𝐷𝐽(1 +𝑅2+ 𝑅2′
𝑅1 ) + 𝐼𝐴𝐷𝐽(𝑅2+ 𝑅2′) Dove:
𝑉𝐴𝐷𝐽= 1.21𝑉 𝐼𝐴𝐷𝐽 = 3𝜇𝐴 @ 25°𝐶
Ne risulta il circuito di Figura 21, con le resistenze di feedback in parallelo mediante il MOS controllato dal microcontrollore. In questo modo, dopo aver selezionato la corretta tensione del DC-DC sarà possibile far variare la tensione tra i due valori necessari alla trasmissione dei comandi.
Figura 21: Schema elettrico del regolatore lineare della scheda di controllo.
Il circuito di alimentazione per la tensione positiva del preamplificatore è del tutto analogo, ma il partitore resistivo è fisso e consente di mantenere 5V.
Per la tensione negativa è stato utilizzato l’integrato LT3015 [21], anch’esso necessita di due resistori per impostare la tensione di uscita e di due condensatori di Bypass da 10µF: uno sull’ingresso e uno sull’uscita. La tensione viene calcolata tramite l’equazione precedente, ma sostituendo:
𝑉𝐴𝐷𝐽= 1.22𝑉 𝐼𝐴𝐷𝐽 = 30𝑛𝐴 @ 25°𝐶
3.1.2 Simulazione del circuito
Per la simulazione è stato utilizzato LTSpice, in quanto avendo utilizzato circuiti integrati della Linear Technology si ha la disponibilità dei modelli all’interno del simulatore. Il
33 regolatore lineare per la tensione che alimenta la logica della scheda di controllo è stato sostituito con un integrato analogo già presente all’interno del simulatore. In quanto presenta funzionamento del tutto analogo.
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In Figura 22 è riportato lo schema complessivo del sistema di alimentazione, la parte in alto (Control Power Supply) è relativa al circuito della scheda di controllo, mentre la parte in basso (Preamplifier Power Supply) è il circuito di alimentazione del preamplificatore. I due sistemi sono interconnessi tramite cavo coassiale, trattandosi di una simulazione in regime pressoché stazionario, è stato simulato con le sole resistenze che lo caratterizzano. Per determinarle è stato considerata una lunghezza tipica del cavo RG58 che andrà poi a interconnettere le due schede, circa 20m.
Per il circuito presente sulla scheda di controllo è stato inoltre testata l’effettiva efficacia del circuito per la variazione dell’ampiezza in uscita, utile per la comunicazione tra le due schede. È stato utilizzato un segnale a onda quadra con una velocità volutamente maggiore dei segnali che poi saranno utilizzati per la comunicazione, per avere un margine di sicurezza con il sistema reale e per ottenere simulazioni in tempi ragionevoli.
Figura 23: Simulazione del sistema di alimentazione della scheda di controllo.
La Figura 23 riporta la simulazione dell’alimentazione della scheda di controllo. All’istante zero viene simulata la connessione all’alimentazione. Dopo circa 240µs il convertitore DC-DC inizia il suo funzionamento e porta la tensione alla sua uscita a 7.5V. Infatti viene tenuto conto che alla partenza il sistema potrebbe trovarsi già nella modalità di invio comandi. Grazie al circuito per il soft start oltre ad un assorbimento di corrente limitato si può notare come l’overshoot della tensione (traccia verde) sia contenuto a soli 200mV, più che
35 accettabile per l’elettronica che segue. La traccia rossa rappresenta il segnale di controllo che il microcontrollore potrebbe generare, viene applicato direttamente al transistor che permette di commutare la tensione di uscita. Si può notare come il segnale in uscita dal DC-DC sia molto rumoroso alle transizioni, fenomeno dovuto al cambio repentino di tensione, che lo costringe a innescare o fermare lo switching (dettaglio nella Figura 24) per adattare rapidamente la tensione sull’uscita.
Dopo il regolatore lineare, la tensione è molto più stabile e non si hanno più disturbi (traccia blu). Nel dettaglio: stabile a 7V e a 6V. Sono necessari circa 100µs per passare dal livello alto a quello basso e solamente 20µs per la transizione opposta, sicuramente sufficienti per le specifiche imposte dal protocollo di comunicazione (Paragrafo 3.2). Inoltre è importante sottolineare che durante l’invio dei comandi non saranno effettuate misure, quindi il disturbo sulla linea è trascurabile.
Figura 24: Dettaglio frequenza di switching.
Per quanto riguarda il circuito di alimentazione del preamplificatore è necessario tenere in considerazione le due tensioni necessarie al funzionamento degli amplificatori: Va tensione positiva e Vb tensione negativa. Nella Figura 25 è riportato il comportamento del sistema di alimentazione del preamplificatore. La traccia blu rappresenta l’uscita del DC-DC che genera i 5.5V mentre quella rossa l’uscita dei -5.5V. Le tracce azzurra e rosa rispettivamente la tensione stabilizzata positiva e negativa a ±5V destinate ad alimentare gli amplificatori. Si può notare come le tracce non siano molto stabili, questo è dovuto al fatto che il circuito
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non ha collegamento diretto a massa, ma questo avviene attraverso il cavo RG58, come si vede nella Figura 22 è presente la resistenza della calza del cavo. Analizzando la tensione sulla massa del preamplificatore (traccia verde) rispetto alla massa del sistema si nota come questa abbia le stesse variazioni dei due segnali di interesse, pertanto la tensione che alimenta gli amplificatori risulta perfettamente stabile.
Figura 25: Simulazione del sistema di alimentazione della scheda preamplificatore.
3.1.3 Realizzazione circuito stampato
Il PCB è stato realizzato con lo scopo di ottenere la tensione di uscita il più stabile possibile mantenendo le dimensioni contenute. Trattandosi di una alimentazione switching è fondamentale posizionare in modo corretto ogni elemento, in modo da ridurre il più possibile fenomeni di rumore.
Il primo fattore da tenere in considerazione è la topologia dei due convertitori DC-DC presenti sulla scheda, nella Figura 26 sono riportati gli schemi semplificati per le due tensioni: positiva (a) e negativa (b).
a b
