Realizzazione e collaudo di un inverter di media tensione per prove su formette

ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

CORSO DI LAURE A S PE CIALISTICA IN INGE GNE RI A ELETTRI CA

DIPARTIMENTO

TESI DI LAUREA

in

TECNOLOG IE E LETTR ICHE INNOVATIVE LS

Realizzazione e collaudo di un inverter di media tensione per

prove su “formette”

CANDIDATO RELATOR E:

Albert o Berardi Chiar.m o P rof. Andrea C avallini

CORRE LATOR I: Dott. Ing. Robert a Fanti Dott. Ing. M att eo Marano

Anno Accademi co 2009/2010

2

Alla mia famiglia

3 I n occasi one di quest o l avoro di t esi desi der o ri ngrazi are t ut t e que l l a persone che hanno reso possi b i l e i l raggi ungi ment o di quest o obi et t i vo. I l l avoro di t esi è anche e soprattutto il risultato di un’interazione con più persone fatto di valevoli suggeri ment i , di accor t ezze e d i ncoraggi a me nt i .

In particolare si ringraziano il prof. Andrea Cavallini e l’ing. Davide Fabiani, che mi hanno dato l’opportunità di approfondire un argomento a mio avviso molto i nt eressant e e f ormat i vo , ci oè quel l o di real i zzare un i nvert er di medi a t ensi oni per prove di i nvecchi a men t o.

Un grazi e ai t ecni ci d el LIMAT per l a l oro p rezi osa col l aborazi one e i l grande i mpegno di most rat o mi .

Un sent i t o ri ngrazi ament o l o ri vol t o al l 'ing. Robert a Fan t i e al l ’ i ng. M at t eo Marano, con cui ho collaborato per tutto il periodo di svolgimento dell’attività preparatoria e dell’attività di tesi. Grazie al loro supporto ho potuto affrontare in mani era bri l l ant e og ni t i po di pro bl ema t i ca che mi si è p resent at a, nel l o svol gi ment o del pr oge t t o.

Non poss o di me nt i care t ut t i col oro che mi so no st at i vi ci ni e mi h a nno

accompag nat o i n q ues t o mi o percors o. I mpo ssi bi l e non pensare pr i ma di t ut t i , i mi ei geni t ori e mi o f ra t el l o Ri ccardo, che ha nno sem pre credut o i n me. Un gr azi e part i col are al l a mi a f i danzat a Al essi a c he d a t re anni mi sopport a .

I nf i ne ri ngrazi o gl i a mi ci e i com pagni co n i qual i ho con di vi so l a mi a vi t a uni versi t ari a.

4

Sommario

Int roduzione ... 8

Capit olo 1 ... 11

Richi ami sul m otore el ett ri co asincrono, sugli invert er e sull’invecchiamento nei sistemi isolanti ... 11

1.1 Metodi di alimen tazione dei motori elettrici ... 12

1.1.1 M otori asi ncroni alim ent ati da ret e ... 13

1.1.2 M otori asi ncroni alim ent ati da inverter ... 14

1.2 Intro duzione sugli inverter ... 17

Pulse Width Modul at ion (PWM) ... 19

1.2.1 PWM Bi pol are o a due livelli ... 24

1.2.2 PWM Uni pol are o a t re livelli ... 25

1.3 L’invecchiamento ... 26

1.3.1 Im patto del m eccanismo del le scari che parzi ali e form az ione della cari ca s pazi al e. ... 30

1.3.2 Analisi dell e s ollecit azioni el ettriche ... 35

1.3.2.1 Effett o dell ’ampiezza dell a t ensione ... 36

1.3.2.2 Effett o dell a frequenz a dell a t ensione ... 37

1.3.2.3 Effett o del dut y c ycle dell a t ensione ... 38

1.3.2.4 Effett o dell a pol arit à ... 38

1.3.2.5 Effett o del rise tim e e del le sovraelongazioni della t ensi one. ... 41

1.3.2.6 Effett o dell a risonanza. ... 42

1.3.3 Analisi dell e s ollecit azioni t ermiche e m eccaniche. ... 43

1.4 Motivazioni sulla costruzione dell’inverter ... 45

Capit olo 2 ... 47

5

2.1 Descrizione generale del sistema ... 47

2.2 Realizzazio ne software del sistema di co ntrollo dell’inverter ... 52

2.2.1 Controllore programm abil e C ompact R IO (cR IO) ... 52

2.2.2 Il li nguaggio di programmazi one La bV IE W ... 54

2.2.3 Soft ware s viluppato per il cont rol l o del s ist em a ... 56

2.3 Realizzazio ne hardware del sistema di co ntrollo dell’inverter ... 62

2.3.1 S chede dri ver ... 65

2.3.2 Alim ent atori st abilizz ati per l a scheda dri ver ... 73

2.3.3 IGBT ... 74

2.3.4 Condens at ori e resist ori del bus dc ... 77

2.3.5 Dissi patore ... 84

2.3.6 Generato re di medi a t ensione ... 84

2.3.7 S cheda di cont rollo del generat ore ... 85

2.3.7.1 Ali ment atore DC/ DC ... 88

2.3.7.2 Connettore 15 pin tipo D ... 88

2.3.7.3 Filt ro pass a bass o ... 90

2.3.8 S cheda OCP ... 92

2.3.8.1 Circuito OCP per i l condizionam ento e per l a lett ura ... 94

2.3.8.2 Circuito OC P per l a prot ezione da s ovracorrent e ... 94

2.3.8.3 Trasduttore di corrent e ... 96

2.3.8.4 Trasduttore di tensione ... 97

2.3.8.5 Trasduttore di tem peratura ... 98

2.3.9 S cheda di di saccoppi amento otti co ... 98

2.3.9.1 Ali ment atore DC/ DC ... 101

2.3.9.2 Connettori a 25 pi n ti po D ... 101

2.3.9.3 Flip fl op SR ... 102

2.3.9.4 Buffer ... 103

6

2.3.9.6 Fibre otti che ... 105

2.4 Sicurezza del sistema ... 105

2.4.1 Int erfacci a operat ore ... 105

2.4.2 R el è a st at o sol ido ... 108

Capit olo 3 ... 111

Realizzazione fis ica e coll audo del si stem a ... 111

3.1 Lavorazioni della scatola e del dissipatore ... 111

3.2 Fibre ottiche ... 117

3.3 Collaudo ... 118

3.3.1 Veri fi ca del funzionamento degli IGBT ... 120

3.3.2 Verifica del funzionamento dell’inverter con carico RL ... 122

Conclusi oni ... 129 Appendice ... 131 AutoC AD ... 131 PSpice ... 131 LabV IEW ... 132 Dat as hett ... 133 Moduli IGBT ... 133 Driver ... 137

Alimentatore scheda driver ... 142

Condensatori ... 146 Trasduttore di corrente ... 148 Trasduttore di tensione ... 150 Sensore di temperatura ... 152 Dissipatore ... 153 Fibre ottiche ... 155

Trasmettitori e ricevitori ottici ... 157

Bibliografia ... 160

Sitografi a ... 160

7 Indi ce t abell e ... 166

8

Introduzione

L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionam enti el ett ri ci negli ultimi decenni ha sos tanzialm ente rivoluzionat o l a tipologi a di alim entazione dei mot ori el et tri ci. Da un l ato ciò ha mi gl iorat o la qualità del controllo della velocità, ma dall’altro ha aggravato le soll eci tazioni che gli isol anti dell e m acchine devono sopportare.

Si è infatti pass ati da t ecni che di cont roll o tradizi onali, che consist evano nell’alimentare i motori in alternata direttamente con la rete sinusoidale a 50 Hz (o a 60 Hz ), ad alimentazioni indi rett e , ci oè realizz ate int erponendo tra l a ret e e la m acchina un convertitore el ett ronico (inverter).

Tali disposit ivi operano una conversione di tipo ac/dc e dc/ ac che permette, com e nell a modul azi one P uls e Width M odul ation (PWM ), di pot er vari are l a frequenza di ali mentazione della m acchi na, gene rando una s equenza di impulsi di larghez za variabil e. Si è quindi pas sati dall e t radizionali alimentazioni con forme d’onda alternate sinusoidali a forme di tensione impulsi ve e ad elevata frequenza, cioè carat terizzat e da rapi di fronti di s ali ta e di dis c es a (del l’ordine di qualche kV/ µs). La natura impulsiva di quest e forme d’onda ha aggravato la sollecitazione elettrica a cui sono sottoposti i materiali impiegati per l’isolamento dei conduttori degli avvolgimenti delle macchine.

E’ importante notare che l’utilizzo dei dispositivi elettronici, che ormai si trovano sparsi nell e reti di bass a tensi one, assorbono correnti ad elevato contenuto armonico sul l ato di prelievo, hanno quindi un effet to di storcente che altera l’andamento sinusoidal e dell a ret e st ess a. Quindi , senz a opportuni

9 filt ri, anche tutt e le alt re utenze connes se nelle vi cinanze, dimensionate per alim ent azioni sinus oidali di tipo t radi zional e, poss ono ris enti re di quest e distorsi oni armoniche.

Per tutti questi m ot ivi è sort a l a necessità di ver ifi care l ’adeguat ezza dei tradizionali isolam enti ad essere in grado di sopportare l e s ollecit azioni che derivano dall’utilizzo di convertitori elettronici. In particolare, per i motori el ettrici tal e i nt errogativo è st ato post o i n seguit o al verifi carsi d i un el evat o num ero di guas ti i naspet tat i (precoci ), probabilm ent e imput abile all a divers a soll eci tazione elet tri ca appli cat a ai m at eriali.

In questa t es i ci s i è occupati dell a progettazi one di un invert er di medi a tensione, che verrà i mpiegat o per esegui re prove sugli avvol gi menti di st at ore di motori (form ett e), al fi ne di condurre successivam ente uno st udi o sull’invecchiamento dei materiali che compongono gli isolamenti. Tale invert er è in grado di generare s equenz e di impul si con modulazione PWM. I paramet ri caratteris t ici delle sequenze possono es sere m odi ficati i n m odo da studi are i m eccanis mi di degradazione in funzione dell a tipol ogi a dell e soll eci tazioni appli cat e . Avendo a che fare con provi ni di nat ura capaciti va , il cui is ol amento può cedere dur ant e la prova, il s ist ema deve essere intri ns ecam ent e prot etto nei confronti di tutt e l e condizioni anom ale e di peri colo. In parti col are deve es sere in grado di offrire rapide ed efficaci protezioni per proteggere l’imp ianto stesso e per salvaguardare la sicurezza degli operatori, dat o l ’el evat o li vel lo dell e tensioni i n gi oco . P er questo motivo è stata pensata un’architettura di sistema ad hoc, in grado di front eggiare l e sit uazioni anom al e in modo ridondante. E’ i nfatti st ato previsto l’inserimento di un sistema di controllo basato sul CompactRIO , sul quale è st ato im plement ato un s oft ware in grado di m onit orare le grandezz e caratt eristi che del si stem a e l e prot ezioni che affi ancheranno quelle hardware, realizzate con di spositivi el ett roni ci . I disposi tiv i el ett roni ci di prot ezione e di interfacci amento sono st ati studi ati, i mplem entat i e simul ati con PS pi ce, per poi ess ere succes sivam ent e dim ensi onati e real izzati s u s chede el ettroni che, avval endosi del soft ware OrCAD.

10 - Il prim o capit olo tratta, in m ani era general e, i motori asincroni t rifas e, gl i invert er e l ’invecchiam ento dei si s temi is ol anti, con parti col are interess e all e s oll eci tazioni m ec cani che, termiche ed el ettriche nel caso di sollecit azioni im pulsive ;

- Il secondo capit olo ri guarda il sist em a realizzato nel suo compl esso. Inizi alm ent e verrà des critto l o schema elet tri co general e, per poi analizzare più nell o specifi co le vari e parti di cui il sistema è composto, come l’inverter di media tensione, il generatore di media tens ione, la scheda di dis accoppiam ento otti co, l a scheda di controllo del generatore di m edia tensione, l a scheda OCP;

- Il t erzo capitolo des cri ve l e l avorazioni meccani che es eguite sull e scatol e cont enti i rami di invert er , l a realizzazione dell e fi bre otti che e riporta le fasi di collaudo dell’intero sistema.

11

Capitolo 1

Richiami sul motore elettrico asi ncrono, sugli inverter e

sull’invecchiamento nei sistemi isolanti

Le macchi ne el ett ri che sono cost ituit e pri nci palm ente da t re ti pi di materi ali:

 il rame, per quanto riguarda la parte elettrica;

 il ferro, per quanto concerne i circuiti magnetici;

 l’isolante, per separare due o più parti attive a potenziale different e.

L’isolamento risulta essere il punto più critico nella realizzazione di una macchina el ett ri ca, perché fra i tre mat eri ali s opra elencati, l ’isolante rappresent a quell o che si degrada pi ù facilm ent e i n pres enza di sollecit azioni di vari a nat ura (elet tri ca, t ermi ca, m eccani ca e chimi ca), di cui , p rim a fra tutte, quell a t ermi ca. Una valut azione em piri ca cons ente di sti mare , infatti, il dimezzamento dell a vita di un isol ante per ogni aum ento dell a t emperatura di esercizio di 7 °C . Gli isol anti vengono scelti, per ques to, i n bas e all a loro cl asse t erm ica, in funzione dell e t emperature raggiunt e a regi me t erm ico dall a macchina.

Ai fi ni dell a sperim entazione , per cui l’i nvert er realizzato i n questo l avoro è dest inato, verrà presa in es am e l a s ol a sol lecit azione di nat ura elettri ca, trascurando ne le altre.

L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionam enti el ett ri ci negli ult imi decenni , ha sostanzialm ente rivoluzionat o l a tipologi a di alim entazione dei mot ori el et tri ci. Da un l ato ciò ha mi gl iorat o la

12 qualità del controllo d ell a velocit à, ma dal l’alt ro ha aggravato le soll eci tazioni che gli isol anti dell e m acchine devono sopportare.

1.1 Metodi di alimentazione dei motori elettrici

Il mot ore el ett rico è una m acchina che trasforma, con el evat o rendim ento, l’energia elettrica fornita ai morsetti in energia meccanica in uscita all’albero.

Esist ono diversi t i pi di motori el ett rici i n bas e al loro principi o di funzionamento, per es empio brushl ess, a spazzal e, asi ncroni ; in quest o lavoro, si t rat teranno pri ncipalm ent e i motori el et t ri ci asi ncroni .

Il motore asincrono è un ti po di motore el ettrico in corrent e alt ernat a la cui vel ocit à di rot azione dell 'albero ris ul ta essere minore dell a vel oci tà di rot azione del campo magneti co generat o dagli avvol gim enti di stat ore, ovvero non vi è s incronism o tra l e due vel oci tà (da qui , l a definizione di asincrono). I motori asincroni possono ess ere suddi visi per num ero di fas i di alim ent azione:

 motore asincrono monofase, impiegato nei comuni elettrodomestici;

 motore asincrono trifase, in grado d i operare su carichi che richiedono anche diverse mi gli aia kW ;

 motore asincrono polifase, con 5 o 7 fasi, utilizzati soprattutto in ambit o di ricerca.

Grazie all e sue caratt eri sti che e alle necessit à di appli caz ione, in quest o lavoro verranno presi in cons i derazione principalm ente i motori as incroni tri fas e.

Il m otore asincrono trifas e (vedi Fi gura 1 ) è una tipol ogi a di motore elettri co, che per funzionare ri chi ede l 'uti lizzo di un sist em a tri fas e di correnti, sfas at e tra di loro nel t empo e nello spazio di 120° el ettrici .

13 F i g u r a 1 - M o t o r e a s i n c r o n o t r i f a s e .

Un m otore asincrono t ri fase può es sere alim ent ato in due m odi: o dirett am ent e da ret e o t ramit e invert er. Nei s eguent i paragrafi vengono descritt e l e due ti pologie di alim entazione per motore asincroni t ri fase sottoli neandone i rel ativi vant aggi e svantaggi.

1.1.1 Motori asincroni alimentati da rete

Il m otore asincrono tri fas e, grazie all a sua sem pli cit à cost rut tiva, robust ezza e al bas so cost o, è molto di ffuso i n am bito indust ri al e. Tutt avi a, ess o ruot a, se col legat o dirett ament e all a ret e di alim ent azione, ad una velocit à che dipende dall a frequenza dell a ret e stess a e dal numero di poli dell’avvolgimento statorico della macchina, secondo la seguente relazione:

( 1 )

dove: p = numero di coppi e polari; n0 = num ero di gi ri/ min;

f = frequenza.

Il motore asincrono alim ent ato da ret e è utilizzato in quelle appli cazioni i n cui non è necess ari o vari are l a velocit à di funzionam ent o.

In Fi gura 2 è pos s ibile oss er vare l a caratt eristi ca m eccanica del mot ore asincrono al iment at o da ret e. Nell’i nt ervallo 0 n n0 , la caratterist ica

meccani ca si compone di due part i : il primo, quello ascendent e, cui corrisponde un funzionamento instabile, l’altro discendente, cui co rrisponde

14 un funzionamento st abil e . Il punto CM A X segna il val ore criti co di confi ne tra

queste due zone. Il secondo tratt o (quel lo discendent e) è stabil e perché, ad ogni aumento dell a coppi a resist ent e, il m otore rall ent a e si porta a funzionare stabilm ent e ad un nuovo s corrimento cui corrisponde una coppi a motri ce maggiore, di valore pari al nuovo valore dell a coppi a resi stente ri chi est a. Quest a nuova condi zione di equilibrio sarà raggiunt a dopo una s eri e di osci llazi oni i ntorno al punto di equil ibri o, os cill azioni dipendenti dall a rapidità della variazione del carico, dall’inerzia delle masse ruotanti ed alla pres enza di attr i ti e smorz am enti del m ot o. Nel primo t ratto, invece, ad ogni aum ent o dell a coppia resi stent e il motore rall ent a, con conseguent e diminuzi one dell a coppi a motri ce ed ul teriore rall ent am ent o, si cché, dopo poco, smaltita l’energia cinetica delle masse rotanti, il motore si ferma.

F i g u r a 2 - C a r a t t e r i s t i c a me c c a n i c a d i u n mo t o r e a s i n c r o n o .

1.1.2 Motori asincroni alimentati da inverter

L’utilizzo di motori asincroni trifase, attualmente, può richiedere la possi bilit à di vari are la velocit à del m otore in un am pio i nt ervall o di val ori e l’introduzione di un inverter, come alimentazione del motore, consente di pot er regol are la velocit à di rotazi one, di poter effettuare accelerazioni e frenat ure utilizzando il mot ore asincrono nel mi gli ore dei modi.

15 Lo schema di principio dell’azionamento di un motore asincrono alimentato medi ant e i nverter è illust rato i n Fi gura 3. Si può oss ervare un primo st adi o composto da un raddrizzatore; grazie a quest’ultimo, si rende continua la tensione di rete. E’ poi presente un secondo stad io composto da un’induttanza, che ha il compito di ridurre le armoniche immesse in rete dall’inverter; un condensatore C, che ha la funzione di ridurre il ripple di tensione all’uscita del raddrizzatore e di mantenere il più possibile costante la tensione s ul bus dc; un ram o di frenat ura, nel cas o si vogl ia frenare il m otore in m ani era el ett ri ca.

Infine, come t erzo st adi o, s ono presenti i tre rami di invert er pilotati m edi ant e la m odul azione PWM.

F i g u r a 3 - A z i o n a me n t o d i u n mo t o r e a s i n c r o n o a v e l o c i t à v a r i a b i l e .

Il motore as incrono , per ott enere un funzionamento ot timal e, richiede una vari azione proporzi onal e dell a t ensi one di alim entazi one per permettere alla corrente m agnetizzante e al flus so di rim aner e cost ant i al vari are dell a frequenza (funzi onament o a V/f = cost ) .

Con l’impiego degli inverter si può realizzare una variazione continua della vel ocit à a coppi a cost ante, da pochi gi ri al secondo fino al la vel ocit à nominal e del m otore , vel ocità che può e ss ere anche superat a s e l’inverter mett e a disposizioni frequenze di us cit a più el evat e di 50 Hz, frequenz a nominal e di funzionament o dei motori asi ncroni .

16 F i g u r a 4 – L e g g e d i c o n t r o l l o d e l mo t o r e .

La logica di controllo dell’inv erter, in base al segnale di controllo, provvederà ad aum entare la t ensione d’usci ta i n modo proporzionale all a frequenza fornit a al motore; questa l egge di cont roll o (Fi gura 4) è val ida nel tratto compreso fra zero e l a frequenz a nominal e (50 Hz) . In ques to tratt o l’andamento della tensione al variare della frequenza è praticamente una ret ta , s e si t ras cura la parte inizi al e a bas sa velocit à. Quando la frequenz a raggiunge il valore nominal e anche l a t ensi one deve raggi ungere il valore nominale d’alimentazione del motore; in questo tratto della caratteristica il motore funzionerà a coppi a m assi ma dis ponibil e cost ant e.

Raggiunt o il valore nominal e, l a tensione, per probl emi d’isol amento, non verrà più aum ent at a; la frequenz a invece pot rà continuare ad aument are con conseguent e dimi nuz ione del fluss o e qui ndi della coppi a (funzionam ento V/ f ≠ cost). In questo secondo tratto della caratteristica il motore funzionerà quindi a pot enz a cos tant e.

Occorre evidenzi are che , alle bass e velocit à , il m otore opera in pessim e condizioni t ermiche (m otori aut oventi l ati ) poi ché l ’effett o autoventil ant e viene a ridursi dras ticam ent e; invece al le alt e velocit à (m aggiore di que lla nominal e), la ventol a diss ipa una not evole potenza. La vel ocit à m assim a di funzionamento del motore sarà limi tat a solo da ragioni m eccani che, quali cus cinett i e forze centri fughe del rotore .

Alim ent ando un m ot ore asincrono t ramit e un invert er cont rol lato c on t ecni ca PWM si può regol are l a velocit à di rot azione m ant enendo i punti di funzionamento nel tratto discendente del le carat teristi che m eccaniche, caratt erizzati da buoni rendim enti e buoni rapporti Nm/A ( Fi gura 5 ).

17 F i g u r a 5 - C a r a t t e r i s t i c a me c c a n i c a d i u n mo t o r e a s i n c r o n o c o n f u n z i o n a me n t o

V / f = c o s t .

Negli ultimi decenni, l’introduzione e la diffusione dell’elettronica di potenza ha radi calment e modifi cat o il m etodo di alim ent azione dei m otori el ett ri ci; l a diffusi one dei convert itori el ett ronici di potenza (inverter) ha , da un l ato, migliorato la qualità del controllo della velocità dei motori stessi, dall’atro lato , ha evidenziat o l’insorgere di problem ati che dovut e all ’invecchi am ento precoce dei sist emi isol anti presenti nei motori alim ent ati t ram ite invert er . Sono st ati condotti numerosi st udi sui meccanis mi di degradazi one per sviluppare nuovi m at eri ali i sol anti (det ti cor ona res istant), progett ati per lavorare in pres enza di fenomeni di scari che parziali indotti dall e soll eci tazioni impulsive pres ent i sugl i a vvol gim ent i. G l i studi hanno interess ato gli effett i dei param et ri carat teristi ci dell a soll eci tazione ad onda quadra (ampi ezza, frequenza, polarit à, dut y cycl e e t empo di s alit a), sull’invecchiamento dei materiali isolanti utilizzati.

1.2 Introduzione sugli inverter

Gli inverter sono convertitori statici impiegati per generare forme d’onda di tensione o di corrent e alt ernat a, controll at e i n ampi ezza e frequenza, utilizzando una sorgent e di t ensione o corrent e continua.

18 F i g u r a 6 - S c h e ma i n v e r t e r mo n o f a s e a I GB T a t e n s i o n e i mp r e s s a .

Un schema elettri co di un inverter monofas e a tensione impressa è r iport ato in Fi gura 6. Part endo da si nist ra, si può t rovare una sorgent e di t ensione continua; i n parallel o a quest a s ono presenti un gruppo di condens atori, che hanno il com pito di mantenere cost ante l a t ensi one ai suoi capi ed event ual mente di erogare pi cchi di corrent e, ed un resi st ore, che ha l a funzione di far s cari care il condensatore i n t empi com pati bili con l e norm ati ve qualora l a sorgent e di tensione dovess e es s ere annull at a. Sono, inolt re, pres enti 4 i nterruttori statici, i n quest o caso s peci fico IGBT, con i rel ati vi diodi in antiparall elo. Quest ’ul timi hanno l a funzione, in cas o di rapida int erruzione di corrent e induttiva da parte degli int errutt ori s tat ici ( il tempo di apertura di un IGBT è dell’ordine di qualche µs), di eliminare l’instaurazione di sovratensioni ai capi di quest’ultimo. Tale sovratensione segue l a nota l egge:

( 2 )

quindi grazi e ai diodi di l iber a ci rcol azione si va a preservare l’i nt egrit à degli IGBT.

Infine, a dest ra è present e il DUT (Devi ce Under Tes t).

In questo caso, avendo a dis posizi one due rami di i nvert er, il DUT può ess ere sottopost o ad una t ensione che può vari are da +Vdc a –Vdc; se vi fos se un solo ramo, l a t ens ione i n us cit a pot eva variare s olo tra 0 a +Vdc.

Per ottenere una tensione positiva sul DUT occorre tenere chiusi l’interrutto re 1A e 2B com e most rat o in Fi gura 7. In rosso è raffi gurato i l percorso dell a corrente in quest a sit uazione.

19 F i g u r a 7 - S c h e ma i n v e r t e r mo n o f a s e p e r t e n s i o n e p o s i t i v a i n u s c i t a .

Per ott enere invece una t ensione negat iva sul DUT occorre t enere chius i l’interruttore 2A e 1B come mostrato in Figura 8. In rosso è ancora raffi gurato il percors o dell a corrente in quest a nuova sit uazi one.

F i g u r a 8 - S c h e ma i n v e r t e r mo n o f a s e p e r t e n s i o n e n e g a t i v a i n u s c i t a .

Pulse Width Modulation (PWM)

Una t ecni ca d i cont rollo per pil ot are l ’apert ura e l a chi usura degli int erruttori stati ci è la Puls e Wi dth M odulati on (PW M).

La PWM s i appli ca ai com ponenti el ett roni ci a comm ut azione forzat a ; t al e prerogativa è res a necess ari a dall a presenza dell e aperture e dell e chi usure dei com ponenti ad ist ant i ben preci si e con frequenz e piutt osto elevat e (nel caso in esame, diversi kHz) ; infatti la forma d'onda dell a t ensione di uscit a è t anto mi gliore quanto più el evata è l a frequenza di commutazi one.

20 Gli i stanti di comm utazion e dei componenti nell a t ecni ca P WM nascono dal confront o t ra due funzioni: una di forma t ri angol are a frequenz a cost ant e chi am at a port ante Vp o r, e una m odulante Vm o d di form a e frequenza pari al la tens ione desiderat a i n us cit a all 'inverter V(t ), l’ampiezz a del la m odul ante è invece una part e del la V(t) per ovvi e ragi oni di comodit à ( Figura 9 - Fi gura 10).

F i g u r a 9 - G r a f i c o d e l l a f u n z i o n e p o r t a n t e t r i a n g o l a r e e mo d u l a n t e .

21 F i g u r a 1 1 - S c h e ma e l e t t r i c o d e l l ’ i n v e r t e r i n c o n f i g u r a z i o n e a p o n t e .

Si consideri il ramo A di uno schem a a pont e (come da Fi gura 1 1) avente in ingresso una tensi one continua ; si poss ono disti nguere due ti pi di alim ent azione:

 quella in cui sul morsetto superiore si ha tensione +Vd e quel lo inferiore 0;

 quella in cui un mor setto ha tensione Vd/2 e l 'altro -Vd/2.

Quando la modulante ris ult a maggiore dell a port ante, si port a in "on" il com ponent e S₂ e in "off" il S₁ ; vi ceversa accade quando la port ant e risult a maggiore della modulant e, ed in t al e modo la V(t) desiderat a può ess ere a t re livel li (Vd, 0 e -Vd) o a due livelli (-Vd/2 e Vd/2).

Il rapporto tra la frequenz a dell a portante e la frequenz a dell a modul ant e defini sce il rapport o mf (rapporto di modul azione dell e frequenz e) , e si può oss ervare che, per el evati val ori di quest o param etro (mf>21) , che spesso non sarà int ero, la port ante e l a m odulant e non sono s incronizzat e, e qui ndi in un periodo di V_{m o d} non cadono lo st esso numero di i nt ers ezioni con Vp o r t. La PWM è dett a all ora asincrona. Se invece m_f non è elevato (m_f<21), all ora il paramet ro deve essere i ntero , altrimenti si avrebbero s ubarmoni che di frequenza i nferiore alla fondamentale. Le due funzioni, port ante e modul ant e ,

22 devono ess ere si ncronizzate ; in questo caso la PWM è dett a s incrona. I noltre la port ant e e la modul ant e vengono scelte di pol arit à opposta nel punt o di coi nci denza a z ero, e nel caso di invert er t rifase m_f vi ene s celto mult iplo di 3 al fi ne di eliminare , nell a t ensi one concat enat a , l a terz a armonica . In ambedue i casi si dov rà t enere conto, s e il cont rollo è di tipo di git al e, del t empo di campionamento.

Il rapporto tra l 'ampiezza dell a modulante e l 'ampi ezza dell a portant e, defini sce i l rapporto di modul azione ma :

por a V V m  mod ( 3 )

Se ma < 1 (sot to modul azione vedi Fi gura 9 ), l 'ampi ezza del l a fondam ent al e vari a linearm ente con tal e coeffi ci ent e, oltre al la fondament al e si hanno dell e arm oni che di valore m_f, 2m_f, 3m_f, e cent rat e int orno ci as cuna di quest e , dell e arm oni che di valore più pi ccol o. In quest o int erval lo di vari azione, maggi ore è il rapport o di modul azione, m aggi ore risult a il tem po di accensi one del com ponent e s uperiore del ramo dell 'inverter, e più el evato risult a il val ore medi o dell a t ensione in usc i ta all 'invert er com e dimostra l a seguent e formul a; nel cas o in cui l a funzione ri sulti a due li velli V_d/2 e - V_d/2

V = ma V_d/ 2 ( 4 )

con V_d l a t ensione in ingresso all 'invert er.

Se ma è >1, si ha l a cosiddett a sovramodul azione, i n t al e caso l a t ens ione di usci ta ha un cont enuto armoni co m aggiore, t al e che l a fondament al e può non ess ere pi ù dominant e, ed inolt re non vari a pi ù linearm ent e con m_a e sono pres enti dell e arm oni che di ordi ne inferi ore ad mf .

Pert anto, all 'aum entare di m_a, la m odul azi one PWM si avvi cina sem pre di pi ù all a t ecni ca a s fasam ent o o ad onda quadra fino a coinci dere con quest a. Con la tecnica PWM, a differenz a dell a t ecni ca a sfas am ento o a onda quadra, il val ore m edi o del la t ensi one di usci t a può ess ere regol ato agendo sul rapporto di modul azi one dell 'invert er; t ale t ecnica , dato l 'el evat o num ero di confront i tra la port ant e e l a modulant e, richiede un num ero di comm ut azioni più elevato rispetto a quell a a sfasament o, comporta quindi uno str ess

23 maggiore per i com ponenti e un aum ento dell e perdit e di comm ut azione, el emento da t enere present e nel dim ensi onam ent o del dis sipat ore di cal ore. La t ecni ca PWM offre però il vantaggio di un minor val ore dell 'ondul azione di corrent e di usci ta del l 'inve rt er ed, inoltre, poi ché l e armoniche di t ensi on e prodott e sono a frequenz e più alt e, ri sult ano pi ù facilm ent e fi ltrabili .

Se mf è elevato, l a modul azione può considerarsi cost ant e durant e un peri odo

dell a port ant e t riangol are, s e quest 'ulti ma ha una am pi ezza di 2π, l e sue inters ezioni con l a funzione m odulante Vm o d avranno luogo nei punti α e 2π -α ed il valore medio dell a t ensi one di uscit a, s e Vd è l a tens ione continua i n ingresso all’inverter, può scriversi:

      





d'altra part e s e Vo è il valore di Vm o d al le inters ezioni con l a funzione tri angolare di val ore m assim o Vp x, il valore di α, tenendo conto dell 'andam ento lineare dell a V_{p o r}, può scriversi:

  px V V₀  ( 6 ) si ha quindi:          px d m V V V V 0 2 ( 7 ) la t ensione medi a di us cit a è proporzional e al rapport o Vo/ Vp x. Tal e rapporto deve ess ere scelt o i n modo tal e da rendere per quanto pos sibil e pi cc ol e l e arm oni che e nell o s tess o t empo non raggiungere frequenze troppo el evat e com pati bilm ent e al t empo di spegnim ento degli i nt errutt ori elettronici.

Si può oss ervare che Vm o d può ess ere appross imata con tant a maggi ore precisione, quant o più piccolo è l ' int ervallo bas e dell a funzi one t ri angol are, inolt re s e l a frequenz a di commut azi one è pi ù el evat a dell a massim a frequenza del lo s pet tro di Vm o d si può ritenere che V(t) ed V_{m o d} abbi ano lo stes so contenuto arm oni co, cioè l a qualit à dell a modul azione è t anto mi gli ore quanto più elevat a è la frequenza dell 'onda t ri angol are.

24 1.2.1 PWM Bipolare o a due livelli

F i g u r a 1 2 - S c h e ma e l e t t r i c o d e l l ’ i n v e r t e r i n c o n f i g u r a z i o n e a p o n t e .

In qu esto cas o, gl i i nterruttori 1-4 e 2 -3 di Fi gura 12 vengono comandati a coppi a, l 'us cit a del componente sul ram o A è ugual e ed oppos ta all 'us cit a del com ponent e sul ra mo B, si ha pert anto

V B o ( t ) = -V A o ( t ) ( 8 ) pert anto l a t ensi one di us cit a V_o(t ) può scri versi:

Vo( t ) = VB o( t ) - VA o( t ) = 2 VA o( t ) ( 9 ) ed il pi cco dell a fondam ent al e del la tensi one di us cit a è pari a

V o 1 = ma Vd p e r m_a< 1 ( 1 0 )

Vd < Vo 1< Vd (4 /π) p e r m

a> 1 ( 1 1 )

25 Se l a tensione che agis ce su un componente è V_d/ 2, la t ensione di us cit a osci lla t ra +Vd e -Vd, per tale m otivo il funzionamento è detto bipol are o a due livelli ( Fi gura 1 3).

1.2.2 PWM Unipolare o a tre livelli

Vi sono due funzi oni di modul azione, una per i com ponenti s uperiori ed una per gli inferiori , i componenti pert anto non s aranno com andat i a coppi a com e per il bipol are m a uno per volta e si avranno l e s eguenti combi nazioni:

S₁ S₄ on V_{A n} = V_d V_{B n} = 0 V_o = V_d

S₂ S₃ on V_{A n} = 0 V_{B n} = V_d V_o = -V_d

S₁ S₃ on V_{A n} = V_d V_{B n} = V_d V_o = 0

S₂ S₄ on V_{A n} = 0 V_{B n} = 0 V_o = 0

in cui n è il conduttore con pot enzi al e negati vo.

F i g u r a 1 4 - M o d u l a z i o n e U n i p o l a r e .

In questo caso (vedi Fi gura 1 4) l a t ensione in usci ta ai capi di un carico varia tra Vd e 0 oppure tra -Vd e 0, da c ui il nom e di unipolare o a tre li vel li per distinguerl o dal cas o precedent e i n cui si pass ava da Vd a -Vd. I vant aggi rispett o al caso precedent e sono due:

a) il raddoppi o dell a “frequenz a di comm utazione ”, b) i l s alto dell a t ensi one di us cit a si riduce dell a met à.

In Fi gura 15 e Fi gura 16 sono riport ati lo spett ro armoni co normalizzato per il caso bi pol are e per quello unipolare. Il vantaggio offert o nel caso unipolare del raddoppio dell a frequenz a di swit ching, appare evidente not ando che l'armonica pi ù bass a è in questo caso il doppi o di quell a che si pres enta nell 'al tro caso.

26 F i g u r a 1 5 - S p e t t r o a r mo n i c o c o n mo d u l a z i o n e B i p o l a r e .

F i g u r a 1 6 - S p e t t r o a r mo n i c o c o n mo d u l a z i o n e U n i p o l a r e .

Infine, nella zona lineare, l a t ensione conca t enat a V_{a b} all a frequenz a fondam entale ha un val ore effi cace pari a:

d a d a An AB m V V m V V 0,707 2 2 1 1    ( 1 2 )

con VA n 1 pari al val ore di p icco della fondam ent al e di fas e , per la modul azione unil at era, e V_d l a t ensi one s ul BUS DC.

d a

An

m

V

V



Si ricordi inolt re che, nel caso di invert er a onda quadra, la t ensi one concat enat a all a frequenz a fondament ale ha un valore efficace pari a:

d d AB V V V 0,9 2 4 1 



1.3 L’invecchiamento

Per invecchiamento si intende un cambi am ento i rreversibile nel tem po delle propri et à di un sist em a, causato dall e soll eci tazioni ad esso appli cate. La

27 vel ocit à di invecchiam ento dipende dal valore di quest e soll ecit azioni. Quando, per vi a dell ’al terazione, l e suddett e propri età raggi ungono valori che non perm ettono il corrett o funzionamento del sis tem a si ha il guast o.

Il guas to può ess ere dovut o a rottura, nel caso di soll ecit azioni di struttive, oppure alla dimi nuzi one del valore dell e propri et à in questi one al di s otto dei val ori limit e di progett o, nel cas o di sollecit azioni agenti com e f attor e di invecchiamento .

Si parla di vit a di un sist ema per indicare l a durat a del suo funzionam ento, ovvero il tempo fi no al guasto.

E’ necessario conoscere il comportamento di queste carat teristiche allorché l’isolante venga sottoposto a sollecitazioni che ne causano l’invecchiamento, ovvero è necess ari o conoscere il degrado di propri età quali l a ri gidit à diel ett rica, che è fondam ent al e per i l corrett o funzionam ento dei sist emi el ettrici .

Le soll ecit azioni che causano il degrado dei sis tem i isol anti sono ess enzi alm ent e t re:

 sollecitazione termica;

 sollecitazione meccanica;

 sollecitazione elettrica.

L’azione congiunta di più sollecitazioni comp orta una diminuzione della vita del sist em a i sol ant e i n caus a , fino a val ori inaccett abili ri spetto alle condizioni di progetto, a caus a dell ’el evato sinergis mo t ra i vari tipi di soll eci tazione.

Lo studio dell a resis tenz a all a sol lecit azi one el ett rica di un mat eri al e isol ante consist e nel valut are gli effetti di una tensione appli cata ad ess o, m ant enut a cost ante. La vit a del mat eri ale risul ta t anto più breve quanto più è elevato il campo el ettrico applicato. Il guast o è causato dal cedim ent o (ovvero la sca rica tot al e), conseguenza del la ri duzione nel tempo del le s ue propri età el ettriche. Ess o avvi ene in s eguit o all a form azione di un canal e ramificato di pres cari ca (tr eei ng, ovvero arborescenza el ettri ca ) che si origina a partire dall e scari che parzi ali , che hanno luogo nei vacuoli o nell e mi cros copiche fessure che sono presenti all’interno del materiale isolante.

28 Analogamente all’alimentazione in AC sinusoidale a 50 ÷ 60 Hz, quando la tens ione ad onda quadra , che sollecit a l’iso lam ento dei m otori ali mentati tramit e un convertit ore PWM, supera un det erminato val ore di sogl ia , per cui si ha l ’i nnes co dell e scari che, si definisce il param et ro dett o PDIV (Partial Dis charge Incept ion Volt age , ovvero sogli a di i nnes co dell e s cari che parziali ). Ogni im pulso di s cari ca libera una quantit à m olto piccol a di energi a. Ques to comporta l a progress iva erosione e la decomposizione chimi ca del mat eri al e sollecit at o fino al momento i n cui un canal e rami fi cato di dim ensioni mi cros copiche penetra al di sotto dell a s uperfi ci e dell ’is olant e. Il canal e si sviluppa, aum ent ano cont emporaneam ent e l a s ua dim ensione e l’intensità delle scariche parziali che lo coinvolgono e, una volta raggiunto il condutt ore che funge da s econdo elettrodo, si form a un s entiero condutt ore che det ermina l a scarica tot al e dell’i sol ante.

Questo processo può quindi ess ere suddi viso i n due fasi temporal i di stint e:

 treeing formation , nel quale si ha la formazione del canale ramificato, essendo pres ent i l e condizioni affi nché avvengano l e s cari che;

 treeing growth , nel quale il canale ramificato si estende nel materiale. Nel la Fi gura 1 7, dove vi ene mostrat o l ’andam ento general e in coordinat e bilogaritmi che (logElogt, con E indi chi amo il campo el ett ri co appli cato al provino e con t il tempo al guasto) dell a curva di vi ta el ett ri ca che schem atizza il comport am ento el ett ri co dei m ateri ali i sol anti , si può oss ervare che l’area tra le due curve corris ponde alla fase di treeing growth. Su tale grafi co si pos sono oss ervare tre parti che rappres entano tre comport am enti divers i del mat eri ale.

29 F i g u r a 1 7 - C u r v a d i v i t a e l e t t r i c a v a l e v o l e i n u n c a s o g e n e r a l e .

La prim a part e, contraddistinta d a t empi brevi ed el evate soll ecit azioni , corrisponde all’insorgere di intense scariche parziali , poiché il campo el ettrico appli cato è maggiore di Ei, ci oè al cam po di innes co ( inception ), che corri sponde a quell o ri chi est o per il t reeing f or mation. In questo caso lo sviluppo del canal e di scari ca è molt o veloce e port a alla perforazi one dell’isolante senza presentare un periodo di tempo apprezzabile per la formazi one del canal e ramifi cato di prescari ca.

La s econda part e contiene l e s olleci t azi oni con valor i com presi tra Ei ed Et, dove con Et si defi ni sce il val ore di sogli a ( thr es hold ) el ett rica, al di s otto del quale l e sollecit az ioni non provocano invecchiam ento. L’andam ent o è press ochè rettili neo e, i n quest o caso, è possibile indi viduare i periodi di formazi one e cres cit a del t reei ng. Nel primo peri odo, che è al eatorio, si h a l’invecchiamento senza formazione di scariche parziali, mentre il secondo è una part e se mpre mi nore del t empo t otal e di s cari ca man m ano che dimi nuis c e la soll ecitazi one applicat a.

Nel la t erz a part e la s ollecit azione t ende al valore di sogli a Et e la curva tende a divent are orizzont al e. Al di sotto di questo valore non s i hanno scari che parziali , quindi non c’è nè la formazi one nè l o sviluppo di un canale di prescari ca, ovvero non si verifi ca i nvecchiam ent o el ett rico.

Il valore di sogli a Et dell a soll ecit azione vari a per ogni ti po di mat eriale e identifica i l limit e al di s otto del quale non s i ha invecchi am ento elet tri co.

30 I t em pi di form azione del treeing sono ottenuti medi ant e una legge st atisti ca che può essere ass unta, una volt a defini to il guas to, com e curva di vit a. Ciò è dovut o al fat to che i tem pi di form az ione del tr eeing, s peci alm ent e per soll eci tazioni di val ore m odesto, s ono m olto più lunghi dei t empi di cres cit a del tr eeing. La s econda part e dell a linea di vit a può es sere definit a com e l a part e stat isti ca dell a linea e, com e si può notare dal la Fi gura 17 , es sa è rappresent abil e da una rett a nel diagram ma bilogaritmi co logE-logt . Si può quindi rappresentare l’andamento del tempo al guasto in funzione della soll eci tazione el ett rica appli cat a medi ante il modell o di vita detto IPM (Inverse Power Model , ovvero modello dell a pot enz a invers a), des critto dall a rel azione seguente:

_{( 1 5 )}

dove:

L rappres ent a l a vit a el ettrica;

E rappres enta il cam po el ettrico appl icat o; C è una cos tant e di pendente dal m at erial e;

n è il VEC (Vol t age Endurance Coeffi ci ent , ovvero il coeffi cient e di resist enz a all a t ens ione).

Il m odello general e des critto dall a (15) s i diversi fi ca da m at eriale a m at eri al e per quel che ri guarda la l unghezza dei t rat ti dell a curva des cri tta e, i nolt re, ris ent e dell e condizioni ambi ent ali di prova. Le prove di resist enz a all a soll eci tazione el ett rica sui mat eri ali isolanti permet tono di det erminare i paramet ri che, inseriti nell a rel azione (15 ), cons entono di sviluppare il modello rel ativo al ti po di m ateri al e i sol ante testato.

Nei paragrafi successi verranno analizzati i processi che portano all’invecchiamento elettrico dei materiali isolanti e al loro conseguente guasto.

1.3.1 Impatto del meccanismo delle scariche parziali e formazione della carica spaziale.

E’ ormai assodato che le scariche parziali contribuiscono all’invecchiamento dei si stem i isol anti in mani era atti va e, allo st ess o tem po, cost ituis cono un verifica della bont à del m at eri al e isolant e.

31 Il fenom eno dell e s cari che parzi ali si ori gi na negli innalz amenti localizzati del campo elet tri co applicat o, t ali per cui , in al cuni punti del l’isolam ento , si supera la t ensi one di innes co dell e scari che (P D IV ), mentre global mente il sistema isol ante m antiene l e sue propriet à.

Le s cariche parzi ali poss ono essere superfi ci ali o int erne. Nel primo caso si verificano s ull a s uperfi ci e del di el ett ri co e s ono dovut e all a component e del campo el ett ri co tangenzi ale alla st essa. I casi ti pi ci d i questo t ipo di s cari ca s i ris contrano nell e es t rem ità dei cavi e nel le parti t ermi nali, us centi dal pacco stat ori co, degli avvol gim enti dei motori. Le s cari che parzi ali int erne sono quelle che si pres ent ano più frequent em ente i n condizioni di es ercizio e sono dovut e:

 alla presenza di difetti del materiale isolante quali inclusioni o vacuoli;

 alla tecnologia di fabbricazione del sistema isolante;

 all’invecchiamento e al relativo degrado delle proprietà.

Tutto ciò cont ribuis ce ad es alt are i di fetti prees ist enti oppure cont ribuis ce a produrne di nuovi, ad es empi o vai ol ature o fes surazioni che s i creano per via dell e soll ecit azioni meccani che e per gli sforzi el ett rodinami ci.

I vacuoli costituiscono difetti in quanto possono contenere all’interno aria, gas o el em enti caratt erizz ati da una bassa ri gidit à diel ett ri ca.

La permettività dell’isolante solido è superiore a quella del gas nella proporzione , per cui i l cam po el ett rico nel gas ris ult a εr volt e maggiore. Il campo el ettrico appli cat o è quindi maggi ore nel punto in cui la ri gi dit à di el ett ri ca ri sult a inferi ore. La cavit à può ess ere int eress ata da val ori di campo elet tri co s uperiori alla ri gi dit à dielet tri ca già per bassi valori di campo elettrico applicato all’isolante. In queste condizioni si i nnesca una scari ca che neut rali zza una part e dell e cariche superfi ci al i che si erano localizzat e sull e superfi ci oppost e del vacuolo.

Nel punto in cui avviene l a s cari ca , il campo el ett ri co ris ult ante è dato dall a somm a del campo appli cato e di quello inve rso dovuto al la cari ca superfi ci ale. Questo com porta che, i n regime alt ernato, bast a che s i m ani festi una scarica perché ad essa ne seguano altre, come m ost rato nel caso di tensione di alim ent azione sinus oi dale in Fi gura 18.

32 F i g u r a 1 8 - A n d a me n t o t e mp o r a l e d e l l e t e n s i o n i r i l e v a b i l i i n p r e s e n z a d i s c a r i c h e p a r z i a l i , d o v e

V

d e l l a c a v i t à , V_ci e V_ce l e t e n s i o n i d i i n n e s c o e d e s t i n z i o n e d e l l e s c a r i c h e p a r z i a l i .

In regime continuo, una volta estinta la scarica, non si hanno più cariche disponibili. La s cari ca seguent e ha luogo sol tanto quando le correnti di fuga att ravers o il mat eri al e o s ull a superfi ci e dell a cavit à hanno ricostit uito una di stribuzione di cari ca t ale da s uperare nuovam ent e la t ensi one di innesco dell a s cari ca. Nel le macchi ne al im ent at e c on t ensi one di ret e , la t ensi one d’innesco dell e scari che è superiore alle s ollecit azioni per cui è dim ensi onat o il sistema isol ant e. Per i motori alim entat i mediante convertitori PWM, invece, negli spazi d’aria presenti tra i conduttori smaltati, può veri ficarsi l’intensificazione locale del campo elettrico che provoca i fenomeni di scarica gi à evidenzi ata.

Il comportamento dell’isolamento spira -spira, è mostrato nella Figura 19. Si nota come l’insorgere di scariche parziali non sia legato solamente al superam ent o dell a rigidit à di el ett ri ca l ocal e . Vi sono indi cate, inol tre, l e differenz e del comport am ento del model lo sott opos to a tensi one unipol are e bipol are. La vit a è as segnat a in t ermini di impulsi di tensione appli cat i fino al guast o. P arte dell ’energia el ett rostat i ca dell e scari che parziali vi ene

33 trasform at a in energia di t ipo m eccanico, termi co, elet tri co e chimi co ch e contribuiscono al degrado dell’isolamento.

F i g u r a 1 9 - D i p e n d e n z a d e l t e mp o a l g u a s t o e d e l l a p r o b a b i l i t à d i s c a r i c a dall’a mpiezza degli i mpulsi nel modello di iso la mento spir a- spira.

Parall el am ent e a questo, il val ore dell a t ensione di scari ca di minuis ce fi no ad eguagliare il val ore dell a t ensio ne appli cat a. Nel la Fi gura 19 , la probabilit à di scari ca i ndividua , nel pi ano , t re di versi intervalli.

Il primo i nt erval lo corri sponde ad elevati val ori di t ensi one. Ogni impulso determina l’innesco di almeno una scarica parziale e la curva di vita segue il modello dell’inversa potenza della relazione (15), esprimibile in questo caso dall a rel azione s eguente:

( 1 6 )

dove:

1

b

U è l’ampi ezza dell ’im pulso appli cato nel primo int ervallo;

b

k è una cos tante che dipende dal tipo di im pulsi appli cati;

1

b

n è il numero di impul si neces sari o per avere l a s cari ca; 1 m

 è il coeffi ci ent e angolare dell a rett a di vi ta nel modell o IPM.

Il VEC, il coeffi ci ente di resi st enza all a t ensi one, rappresent at o dal param et ro

m, assume valori com presi tra 1 e 20 ed evidenzia l a perdi ta nel tem po dell e caratteristiche proprie dell’isolante.

34 Nel secondo int ervallo il numero d i i mpulsi necess ario per provocare l a scari ca è superiore a quell o at teso appli cando la ( 1 6): nell ’i nt ervallo si ha una minore probabil ità che avvengano le s cariche parzial i, per cui è necess ario un numero superiore di impulsi per la perforazione dell’isol ante. E’ possibile effettuare quest o cal col o dall a relazi one:

( 1 7 )

dove:

b

n è il numero di impul si neces sari per la s cari ca;

 

PD

p U è la probabilità di innesco del fenomeno delle scariche parziali.

Dal la rel azione ( 17 ) si otti ene che , per una dim inuzione del la probabili tà di innesco del 10 % , s i ha un incremento del num ero di im pulsi al guasto di circa 10 volte. E’ possibile , quindi, affermare che esiste ancora un processo di invecchi am ento che, però, ris ulta rall ent ato a causa del ri dotto num ero di scari che parzi ali.

Il t erzo int ervallo pres ent a una probabilit à di i nsorgenz a dell e scari che prati camente null a, per cui non è ril evabil e al cun fenom eno di invecchiamento e non vi sono rischi di perforazione dell’isolamento dovuti all a s cari ca.

Le s cari che parziali oss ervat e si ori gi nano negli int erstizi esistenti t ra i fili smalt ati adi acenti . Avvi ene un proces so di erosione e di accumulo d i et erocarica s pazi al e sull a superfi ci e dello smalto che riduce il cam po elet tri co applicat o nel cas o di im pulsi unipol ari e lo ri nforz a nel caso di impul si bipol ari.

Come mos trato in Fi gura 20, esist e una correl azione tra int ensit à del cam po el ettrico appli cato e lunghezza del le li nee di forza dell o st ess o, assum endo l a distribuzione di cam po des critt a nell a fi gura st essa.

Gli effett i di bordo sono t ras curabili perché si considera la di mensione longit udi nal e molto maggiore ri spetto a quell a t rasvers al e.

I di agrammi analizz ati s ono st ati param etrizzati i n funzione del la tensione applicata tra i conduttori: l’intersezione tra gli andamenti del campo elett rico e della rigidità dell’aria si intersecano per tensioni applicate di 700 V o più. A t ensi oni i nferiori non si hanno fenom eni di scarica, a tensioni più el evat e l’area dello smalto che presenta i requisiti di scarica si estende.

35 F i g u r a 2 0 - A n d a me n t o d e l l ’ i n t e n s i t à d i c a mp o e l e t t r i c o r i s p e t t o a l l a d i s t a n z a t r a g l i

elett rodi e curva di rig idità dielett rica dell’aria in f unzio ne dell a distanza t ra i c o n d u t t o r i .

Per eli minare i probl emi dati dalle cari che spazi ali s on o in fase di studio e di prova nuovi tipi di smalto i n cui è present e una componente di ossi di metallici che ne facilita la mobilità, evitando l’accumulo.

1.3.2 Analisi delle sollecitazioni elettriche

Uno studio rigoroso dell’invecchiamento del sistema iso lante, che è posto a prot ezione dei conduttori di st atore dei motori as incroni , comport erebbe l’analisi combinata degli effetti di tutte le sollecitazioni presenti. Si è visto , infatti , com e queste abbiano un com portament o si nergi co che non è poss ibil e quanti ficare m edi ant e prove con soll ecit azioni s eparat e.

Questo è dovuto alla difficoltà di scindere i contributi all’alterazione delle proprietà fisiche dell’isolamento dovuti alle varie sollecitazioni. In base alle esperi enze acquisit e in t ema dai vari aut o ri è pos sibil e, ri correndo comunque ad ipot esi s empl ifi cative, det erm inare un com portamento di m assim a del sistema isol ante sot t opost o ai diversi ti pi di soll ecitazi one.

36 In parti col are, i fattori degradanti presi in consi derazione ai fini dell a val utazi one dell ’invecchi amento el ett ri co sono:

 ampiezza della forma d’onda di tensione applicata;

 frequenza della stessa;

 dut y c ycle;

 polarità;

 rise time e sovraelongazione;

 risonanza.

Si sono inolt re anal izzate l e alterazioni dovut e all e soll ecit azioni termi ca e meccani ca e all a i nt erazi one t ra i t re di versi t ipi di s oll ecitazi one.

1.3.2.1 Effetto dell’ampiezza della tensione

L’ampiezza della tensione applicata al materiale isolante comporta una vari azione del tem po al guast o che segue l a legge dell’i nvers a pot enza. Rispetto all a relazi one def ini ta dall a ( 15), l’ IPM si può modi ficare nel la forma s eguente:

_{( 1 8 )}

dove:

L

T rappres ent a il t empo al guast o dell ’isolament o;

A è una cos tante che dipende dal tipo di material e studiato; E è il campo el ett ri co applicat o;

n è l’esponent e caratt eri sti co del modello considerat o.

Appli cando al mat eri al e s ottoposto a prova differenti valori di campo el ett ri co applicat o, si ri scont rano s u di esso due distint i m eccanis mi di degradazi one che l o port ano all a s cari ca:

• guasto a testa di ago, a cui è associata la caratteristica perdita di colore dello smalto isolante. E’ causato da valori del campo elettrico applicat o e dell a frequenz a elevati ;

• carbonizzazione di una parte estesa del materiale. Si verifica per valori inferiori del campo el ettrico m a a frequenz e pi ù el evate rispett o a l primo caso.

37 1.3.2.2 Effetto della frequenza della tensione

Non è facil e determinare una rel azione che leghi il t empo al guasto del mat eri al e i n prova e la frequenza dell a t ensione appli cata.

Dal le curve di vit a mostrat e in Fi gura 2 1, si not a un andam ent o simil e per i due li velli dell a tensione di prova. Ad una frequenz a di circa 5 kHz si evi denzia una variazione della pendenz a dell a curva di vit a: è un punto di transizione che corri sponde ad una variaz ione dei m eccanismi di degrado.

F i g u r a 2 1 – E s e mp i o d i c o mp o r t a me n t o a l g u a s t o d i f i l i s ma l t a t i s o t t o p o s t i a i mp u l s i d i t e n s i o n e d i a mp i e z z a 4 k V e 5 k V , c o n u n r i s e t i m e d i 8 3 µ s , l a c u i f r e q u e n z a è s t a t a

v a r i a t a d a 1 0 0 H z a 2 0 k H z . .

Al di s otto dei 5 kHz l a durata di vit a è i nversamente proporzional e al la frequenza dell’impulso, secondo la relazione ( 19):

( 1 9 )

dove:

B è una cos tant e che dipende dal tipo di mat eri al e studiat o; f è l a frequenza propria dell ’impulso appl icato.

Al di sopra dei 5 kHz, il tempo al guasto present a una correl azione di tipo quadrati co con la frequenza degli impulsi ap pli cati, secondo l’equazione ( 20):

38

( 2 0 )

dove:

C è una cos tant e che dipende dal tipo di mat eri al e studiat o.

La vali dit à dell e rel azioni descritt e è st rettamente legat a al la form a dell’impulso: sono applicabili solo in caso di tensioni con fronte d’onda ripi do, ment re non s ono valide nel cas o di re gim e sinusoi dal e.

1.3.2.3 Effetto del duty cycle della tensione

Il dut y c ycl e D quanti fi ca , in termi ni percent ual i , la durat a dell ’im puls o positivo rispetto all’intero periodo della tensione. Risulta definito dalla rel azione seguente:

( 2 1 )

dove:

p

T rappres ent a l a durat a dell ’im puls o positi vo, es pres sa in secondi;

Tè l a durat a compl essi va del periodo P, espressa in s econdi.

F i g u r a 2 2 - D u t y c y c l e .

I tempi al guasto diminuiscono all’aumentare dal valore assunto da D.

1.3.2.4 Effetto della polarità

In general e, leggendo in letteratura, si è not ato che, considerando l e tensioni applicat e in termi ni di tens ioni pi cco -pi cco, non è possi bi l e ri cavare una netta dipendenz a del tempo al guasto del m at erial e isol ant e i n prova con l a pol arit à dell a soll ecit azione elett ri ca appli cat a.

Le scari che parzi ali si generano in corri spondenz a dei vacuoli tra i due condutt ori sm alt ati . La ionizzazi one che ne deri va causa un accumulo di

Ampiezza

Durata

Periodo P

Frequenza f=1/P

39 cari che che, localm ente, genera un cam po el ett ri co opposto a quell o applicat o. La diffusione di carica procede più lentamente rispetto all’inversione della pol arit à del campo appli cat o, per cui è possibi le che vi siano momen ti i n cui il campo el ett ri co indotto dal le cari che accumul at e, Er e s, si s omma al campo applicat o E0, aumentandone l’intensità.

F i g u r a 2 3 - C o mp o r t a me n t o a l g u a s t o d i t w i s t e d p a i r d e l t i p o 1 8 H A P T Z i n f u n z i o n e d e l t i p o d i i mp u l s o a p p l i c a t o , b i p o l a r e o p p u r e u n i p o l a r e , p o s i t i v o e n e g a t i v o . L a

t e n s i o n e a p p l i c a t a è : V p p = 2 k V , f = 2 0 kH z , T = 9 0 ° C , D = 5 0 % , tr= 0 , 0 3 µ s e td= 2 5 µ s .

In Fi gura 23 è ri portato il ri sult ato di uno studi o sull ’effett o dell a pol arità sull a vit a dei m at eri ali is ol anti t est ati . S i può not are che non si hanno grandi vari azioni per i di versi tipi di soll ecit azioni util izzat e s ui twi st ed pair .

In presenza di una s ollecit azione unipolare o bipol are si ha una variazi one del meccani smo di s carica, che non comporta però una vari az ione del P DIV. Nel la Fi gura 23 è schem atizzat o il di verso com port ament o del m at eri ale sottoposto ad un’onda quadra unipolare e bipolare.

Per una soll ecit azione unipolare, l a scarica avviene dopo un cert o ri tardo statistico dal raggiungimento del valore d’innesco Ei n c. Il campo dimi nuis ce da Ei n c a Er e s, valore che costi tuis ce l a m emori a del si stema. Assumendo che questa m emori a si a infinita, non si ripresent ano le condizi oni di campo perché si inneschi un’altra scarica. Nel caso reale la memoria non è infinita e dopo un cert o tem po si ri pre sent ano le condiz ioni di innesco dell e scari che ma, da quanto visto è intuibile che l’attività di scarica sia limitata.

Per l e sollecit azioni bipol ari, com e mostrato i n Fi gura 24, ad ogni invers ione dell a pol arità si possono avere l e condizi oni di innesco dell e scari che.

40 Quanto visto dimostra che l’attività di scarica dipende dal valore picco -picco dell a sol lecit azione applicat a per cui , come è s chem atizzato i n Fi gura 2 4-(a), è necessari o che nel caso uni pol are si abbi a un valore doppio dell a t ensi one applicat a per ril evare la stess a att ivit à di scarica del caso unipolare dell e fi gure Fi gura 24-(b) e Fi gura 25 -(b).

F i g u r a 2 4 - E v o l u z i o n e d e l c a mp o e l e t t r i c o d o p o u n a s c a r i c a p a r z i a l e s u u n i s o l a n t e s o g g e t t o a o n d a q u a d r a u n i p o l a r e ( a ) e b i p o l a r e ( b ) , d i v a l o r e p r o s s i m o a l l a t e n s i o n e

41 F i g u r a 2 5 - E v o l u z i o n e d e l c a mp o e l e t t r i c o d o p o u n a s c a r i c a p a r z i a l e s u u n i s o l a n t e s o g g e t t o a o n d a q u a d r a u n i p o l a r e ( a ) e b i p o l a r e ( b ) , d i v a l o r e p r o s s i m o a l d o p p i o d e l l a

t e n s i o n e d i i n n e s c o .

1.3.2.5 Effetto del rise time e delle sovraelongazioni della tensione .

Si è visto che t empi di salit a (o ris e time) molto brevi del le onde quadre caus ano sovrat ensi oni e una dist ri buzione irregol are del pot enziale sull e s pi re degli avvol gimenti di statore, specialmente nel caso di un cavo di connessione invert er-m otore mol to lungo. La riduzione dell a lunghezza del cavo può com portare dei vantaggi anche not evoli , m a non è possi bil e evitare com plet am ente gli effet ti dovuti a tem pi di s alit a molt o brevi , ovvero perdi te diel ett ri che l ocalizzate e form azione di carica spaziale.

In precedenti studi non si è trovat a una corrisponde nz a s ul contri but o apport at o da ri se ti me molto brevi per l ’invecchi am ento del sist ema isol ante dei m otori alim ent ato medi ant e onda quadra. Uno s tudi o ha oss ervato una vari azione del tem po al guast o dei twisted pair uti lizzati, dovut a alla vari azione del rise time dell a soll ecitaz ione appli cat a. In Figura 26, vi ene riportato l’andamento delle prove condotte con una tensione pari a 4 kV , una frequenza di 20 kHz e un dut y cycl e del 50%. Il meccanism o

42 d’invecchiamento nei diversi casi è lo stesso. Ciò che cambia dovrebbe essere il ri scal dam ento dovuto all e perdi te di el ett riche, che dipende s opratutto dal dV/dt dell a t ens ione applicat a.

Altri aut ori hanno trovato una fort e dipendenza del tem po al guasto per t empi di s alit a superiori, tra 1 ÷1 0 µs . Alt ri ancora non hanno ril evato una significativa dipendenza dell’invecchiamento dal rise time.

F i g u r a 2 6 - A n d a me n t o d e l t e mp o a l g u a s t o d e i t w i s t e d p a i r i n p r o v a i n r e l a z i o n e a l r i s e t i me d e l l a t e n s i o n e a p p l i c a t a .

1.3.2.6 Effetto della risonanza .

Nel le fasi trans it ori e dell a tensione appli cata s ono presenti dell e sovraelongazioni che contengono os cill az ioni con arm oni che a frequenze fi no a centi naia di MHz, dovute all a ris onanz a dei componenti indut tivi e capacit ivi del si stema convert itore -cavo-motore. La corrente capacitiva pres ent e nel s ist ema in quest e fasi è proporzional e a, ovvero al prodot t o dell a cost ant e diel ettri ca del m at eri ale sollecit at o e all a puls azione dell a sollecitazione. Avendo frequenze dell’ordine di centinaia di MHz si arriva a val ori elevat i dell a corrente con il conseguent e incremento di t em peratura dell’isolante fino a 50 – 60 °C.

In presenza di un si ngolo t ransitorio il calore generato si di ssi pa rapidament e verso l’ambiente esterno. Il problema è dato dal fatto che i transitori che avvengono per l’impiego di convertitori PWM che operano a elevate frequenze di commutazione, si ri pet ono in corrispondenz a di ogni i mpul so