Studio e modellizzazione numerica di macchine asincrone trifase per problematiche di compatibilita' elettromagnetica radiata

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Quando si vogliono simulare scenari elettromagnetici complessi, non sempre è possibile disporre di accurati modelli CAD di ciascuno dei dispositivi considerati, pertanto si rende necessario l’utilizzo di modelli equivalenti semplificati che siano i più fedeli possibili dal punto di vista elettromagnetico alle sorgenti di partenza.

In questo lavoro l’obbiettivo perseguito è quello di trovare un modello che permetta di simulare il comportamento elettromagnetico dello statore di una macchina elettrica asincrona trifase al fine di poterne studiare le emissioni radiate.

Lo studio delle emissioni radiate da un motore asincrono è spesso limitato dalle valutazioni del campo elettromagnetico irradiato dall’inverter e dai cavi di alimentazione, mentre l’eventuale contributo del motore è spesso trascurato o tenuto in conto insieme con l’emissione totale generata dall’inverter e dai cavi. Alcuni lavori presenti in letteratura [3], dimostrano che le macchine elettriche rotanti, quando si trascura l’alimentazione da inverter, irradiano campi non trascurabili nello spettro tra 0.1 e 5 MHz. Lo spettro di emissione nel caso di alimentazione da inverter si estende tra 1 e 50 MHz. Per tali valori di frequenza il contributo del rotore può ritenersi trascurabile poiché la profondità di penetrazione nei nuclei ferromagnetici è piccola rispetto alla lunghezza d’onda considerata. Inoltre nel range di frequenza dei MHz i materiali ferromagnetici hanno una permeabilità magnetica molto vicina a quella del vuoto pertanto gli avvolgimenti di statore possono essere considerati come se fossero avvolti in aria.

La geometria che viene utilizzata per quanto riguarda gli avvolgimenti è quella rettangolare o circolare.

Nei prossimi capitoli verranno analizzati alcuni degli aspetti che riguardano i problemi accennati in precedenza.

L’ elaborato inizia la sua indagine discutendo gli aspetti generali della compatibilità elettromagnetica. Nel secondo capitolo invece, viene fatta una panoramica generale sui motori elettrici maggiormente utilizzati, rivolgendo particolare attenzione al principio di funzionamento delle macchine elettriche a corrente continua (DC) e a corrente alternata (AC).

In molti casi nasce l’esigenza di disporre di un motore dove il numero di giri al minuto non sia limitato al valore nominale ma possa aumentare. Per tale motivo, nel terzo capitolo vengono introdotti i principi di funzionamento degli inverter trifase che permettono, attraverso particolari tecniche di pilotaggio, di variare la velocità di un motore asincrono trifase. Le tecniche di pilotaggio sui cui si ci è concentrati sono la six step (o modulazione ad onda quadra) e la S-PWM. Tali

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dispositivi di pilotaggio, sono fonte di EMI a causa delle elevate commutazioni prodotte dai transistori (tipicamente IGBT) allo scopo di fornire un’ onda quanto più sinusoidale possibile al motore.

Nel quarto capitolo, si mettono in risalto le tecniche e gli algoritmi di ottimizzazione. Più in dettaglio, il problema dell’ ottimizzazione può essere descritto come la procedura di minimizzazione (o massimizzazione) di una funzione definita dall’utente che fornisce un criterio per misurare le prestazioni della configurazione analizzata come distanza dalla soluzione ottimale. Particolare attenzione si è posta sull’ algoritmo PSO .Nella PSO, ogni soluzione al problema di minimizzazione della funzione di fitness è rappresentato da un agente (o particella) che è libera di muoversi all’interno di uno spazio multidimensionale che definisce tutte le possibili soluzioni considerate.

Infine il capitolo quinto, è dedicato alla modellizzazione degli interferenti attraverso l’ausilio di algoritmi di ottimizzazione a sciame di particelle. In particolare, viene immediatamente presentata la problematica di reperire modelli CAD in grado di ricostruire l’emissione radiata nella regione near-field ovviando a tempi di simulazione proibitivi. Da questa constatazione, nasce l’esigenza di trovare dei modelli semplificati. Lo statore viene solitamente modellizzato attraverso una terna di bobine rettangolari sfasate di 120° geometrici e alimentate da tensione trifase. Il fine ultimo dell’elaborato sarà dunque, avvalendosi dell’ausilio dell’algoritmo di ottimizzazione, trovare un equivalente a dipoli elettrici/magnetici della macchina asincrona.

Come è facile intuire un simile approccio, qui applicato ai motori elettrici, può essere esteso ad un grande numero di apparati.