Studio nel dominio tempo-frequenza di emissioni condotte generate da convertitori elettronici di potenza

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ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRICA

DIPARTIMENTO

DIE

TESI DI LAUREA in

COMPATIBILITÁ ELETTROMAGNETICA E LABORATORIO L

STUDIO NEL DOMINIO TEMPO-FREQUENZA DI

EMISSIONI CONDOTTE GENERATE DA CONVERTITORI

ELETTRONICI DI POTENZA

CANDIDATO RELATORE:

Alberto Berardi Dott. Ing. Leonardo Sandrolini

CORRELATORE Chiar.mo Prof. Ugo Reggiani Dott. Ing. Marco Landini

Anno Accademico 2007/08 Sessione II

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INDICE

INDICE ... 1 INDICE FIGURE ... 5 INDICE TABELLE ... 11 Introduzione ... 12 Capitolo 1 ... 13 Compatibilità elettromagnetica ... 13

1.1 Cenni sulla EMC ... 13

1.2 Enti e normative EMC ... 16

1.3 La situazione italiana ... 17

1.4 Emissioni condotte ... 18

1.4.1 Generalità ... 18

1.4.2 Richiamo sui disturbi condotti di modo comune e di modo differenziale ... 18

1.4.3 Procedura di misurazione ... 22

1.4.4 LISN ... 22

1.4.5 Alimentatori a commutazione ... 26

Capitolo 2 ... 29

Descrizione del banco prova ... 29

2.1 Descrizione circuitale ... 29

2.2 Caratteristiche del carico ... 34

2.3 Convertitore statico ... 37

2.3.1 Breve richiamo sulla tecnica di modulazione PWM ... 39

2.3.2 Mosfet ... 48

2.3.3 DSP ... 49

(3)

2.5 Gruppo di accumulatori ... 51

2.6 Sonde di corrente ... 51

2.7 Dispositivi di comando e protezione ... 54

Capitolo 3 ... 55

Studio preliminare ... 55

3.1 Transitorio di carica e scarica del BUS DC ... 55

Capitolo 4 ... 62

Prove sul convertitore statico in configurazione originale ... 62

4.1 Introduzione ... 62

4.2 Commenti sulle prove nel dominio della frequenza ... 62

4.3 Commenti sulle prove nel dominio del tempo ... 71

4.4 Conclusioni... 74

Capitolo 5 ... 75

Prove sul convertitore statico con modifica dell’alimentazione del circuito di controllo ... 75

5.2 Alimentatore esterno ... 75

5.4 Conclusioni... 104

Capitolo 6 ... 105

Prove sul convertitore statico tramite alimentazione esterna del circuito di controllo ... 105

6.2 Alimentatore lineare esterno ... 105

6.4 Commenti sulle prove nel dominio del tempo ... 133

6.5 Conclusioni... 139 Conclusioni ... 140 Appendice A ... 143 Analizzatore di spettro ... 143 Oscilloscopio ... 147 Sonde di corrente ... 148 Generalità ... 148

Sonde a nucleo chiuso ... 149

Sonde con nucleo apribile ... 149

Principio di funzionamento ... 150

(4)

Sensore di Hall ... 151

Appendice B ... 152

Matlab ... 152

PSpice ... 152

(5)

INDICE FIGURE

Figura 1 Schema del percorso della corrente CM. ... 19

Figura 2 Schema del percorso della corrente DM. ... 19

Figura 3 Esempio di carico monofase con involucro metallico collegato al PE. ... 20

Figura 4 Propagazione del disturbo CM. ... 20

Figura 5 Propagazione del disturbo DM. ... 20

Figura 6 Schema complessivo delle correnti CM e DM. ... 21

Figura 7 Schema elettrico di principio di una LISN. ... 23

Figura 8 Schema elettrico di collegamento delle LISN. ... 24

Figura 9 Circuito elettrico equivalente delle LISN per frequenze 150 kHz ÷ 30 MHz. ... 24

Figura 10 Schema del percorso delle correnti di CM e DM sulle LISN. ... 25

Figura 11 Schema elettrico di un convertitore DC/AC. ... 26

Figura 12 Schema tipico di un segnale temporizzato. ... 27

Figura 13 Spettro unilatero derivante dall’analisi di Fourier. ... 28

Figura 14 Schema elettrico generale. ... 32

Figura 15 Foto del banco prova allestito. ... 33

Figura 16 Foto splitter ZFSCJ-2-1 a sinistra e ZFSC-2-6-75 a destra. ... 33

Figura 17 Foto dei cavi smaltati su cui effettuare le misure sulle correnti CM e DM. ... 34

Figura 18 Foto del motore asincrono trifase. ... 35

Figura 19 Collegamento alla morsettiera del motore asincrono trifase. ... 36

Figura 20 Schema elettrico del convertitore statico DC/AC. ... 37

Figura 21 Foto del convertitore DC/AC. ... 38

Figura 22 Foto della console. ... 38

Figura 23 Grafico portante triangolare e modulante. ... 42

Figura 24 Grafico portante triangolare e modulante ingrandito. ... 42

Figura 25 Schema elettrico dell’inverter in configurazione a ponte. ... 43

Figura 26 Modulazione Bipolare. ... 43

Figura 27 Modulazione Unipolare. ... 44

Figura 28 Spettro armonico con modulazione Bipolare. ... 44

Figura 29 Spettro armonico con modulazione Unipolare. ... 45

Figura 30 PWM con controllo di corrente a frequenza variabile. ... 46

Figura 31 PWM con controllo di corrente a frequenza fissa. ... 47

(6)

Figura 33 Caratteristica dinamica dell’interruttore. ... 48

Figura 34 Foto del gruppo di accumulatori. ... 51

Figura 35 Foto della sonda di corrente Rohde & Schwarz. ... 52

Figura 36 Foto della sonda di corrente Fluke i30s. ... 53

Figura 37 Guadagno della sonda di corrente Rohde & Schwarz. ... 54

Figura 38 Circuito elettrico per la simulazione con PSpice. ... 55

Figura 39 Evoluzione temporale della tensione vc(t) nella fase di carica del BUS DC. ... 57

Figura 40 Evoluzione temporale della corrente ic(t) nella fase di carica del BUS DC. ... 57

Figura 41 Gradino di tensione quando viene attivato il pulsante di emergenza. ... 58

Figura 42 Schema elettrico del circuito di scarica del condensatore. ... 58

Figura 43 Evoluzione temporale di vc(t) nella fase di scarica del BUS DC. ... 59

Figura 44 Evoluzione temporale di ic(t) nella fase di scarica del BUS DC. ... 60

Figura 45 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore disalimentato. ... 65

Figura 46 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore disalimentato. ... 65

Figura 47 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato e drive off. ... 66

Figura 48 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato e drive off. ... 66

Figura 49 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato e drive on. ... 67

Figura 50 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato e drive on. ... 67

Figura 53 Tensione DM misurata sulle LISN con convertitore alimentato e drive on. ... 69

Figura 54 Tensione CM misurata sulle LISN con convertitore alimentato e drive on. ... 69

Figura 55 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato e drive on e Limiti EN55011QP. ... 70

Figura 56 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato e drive on e Limiti EN55011QP. ... 70

Figura 58 FFT della tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato e drive on. ... 72

Figura 60 FFT della tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato e drive on. ... 73

Figura 61 Schema elettrico generale con 2 alimentazioni indipendenti. ... 77

Figura 62 Schema elettrico dell’alimentatore. ... 78

Figura 63 Foto dell’alimentatore... 78

(7)

Figura 68 Tensione DM misurata sulle LISN con convertitore disalimentato. ... 83

Figura 69 Tensione CM misurata sulle LISN con convertitore disalimentato. ... 83

Figura 72 Tensione DM misurata sulle LISN con convertitore alimentato e drive off. ... 85

Figura 73 Tensione CM misurata sulle LISN con convertitore alimentato e drive off. ... 85

Figura 78 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico nulla e PWM2. ... 88

Figura 79 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico nulla e PWM2. ... 88

Figura 80 Tensione DM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico nulla e PWM2. ... 89

Figura 81 Tensione CM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico nulla e PWM2. ... 89

Figura 82 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico nulla e PWM2. ... 90

Figura 83 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico nulla e PWM2. ... 90

Figura 84 Tensione DM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico nulla e PWM2. ... 91

Figura 85 Tensione CM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico nulla e PWM2. ... 91

Figura 86 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM2. ... 92

Figura 87 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM2. ... 92

Figura 88 Tensione DM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM2. ... 93

Figura 89 Tensione CM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM2. ... 93

Figura 90 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM2. ... 94

Figura 91 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM2. ... 94

Figura 92 Tensione DM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM2. ... 95

(8)

Figura 93 Tensione CM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul

carico di 5 A e PWM2... 95

Figura 94 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM1... 96

Figura 95 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM1... 96

Figura 96 Tensione DM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM1... 97

Figura 97 Tensione CM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM1... 97

Figura 98 Tensione misurata sulla LISN+ con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM1... 98

Figura 99 Tensione misurata sulla LISN- con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM1... 98

Figura 100 Tensione DM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM1... 99

Figura 101 Tensione CM misurata sulle LISN con convertitore alimentato, drive on, corrente sul carico di 5 A e PWM1... 99

Figura 102 Tensione misurata sulla LISN+, drive off e cavo BNC. ... 100

Figura 103 Tensione misurata sulla LISN+, drive off e cavo N. ... 100

Figura 104 Tensione misurata sulla LISN+, drive on, corrente sul carico 5 A e cavo BNC. ... 101

Figura 105 Tensione misurata sulla LISN+, drive on, corrente sul carico 5 A e cavo N. ... 101

Figura 106 Tensione misurata sulla LISN+, drive off, corrente sul carico 5 A e cavo BNC. ... 102

Figura 107 Tensione misurata sulla LISN+, drive off, corrente sul carico 5 A e cavo N... 102

Figura 108 Tensione misurata sulla LISN+, drive on, corrente sul carico 5 A e cavo BNC. ... 103

Figura 109 Tensione misurata sulla LISN+, drive on, corrente sul carico 5 A e cavo N. ... 103

Figura 110 Schema elettrico generale definitivo. ... 107

Figura 111 Schema elettrico dell’alimentatore lineare. ... 108

Figura 112 Alimentatore lineare dall’esterno. ... 109

Figura 113 Alimentatore lineare aperto. ... 109

Figura 114 Foto interna dell’alimentatore lineare. ... 110

Figura 115 Ingrandimento interno dell’alimentatore lineare. ... 110

Figura 116 Foto dall’alto di una parte dell’alimentatore lineare. ... 111

Figura 117 Particolare del collegamento tra uscita dell’alimentatore lineare e convertitore statico.111 Figura 118 Foto del convertitore statico e dell’alimentatore lineare. ... 112

Figura 119 Foto complessiva del banco prova... 112

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Figura 130 Tensione misurata sulla LISN+, drive on, corrente sul carico nulla e PWM1. ... 121

Figura 131 Tensione misurata sulla LISN-, drive on, corrente sul carico nulla e PWM1. ... 121

Figura 132 Tensione misurata sulla LISN+, drive on, corrente sul carico nulla e PWM1. ... 122

Figura 133 Tensione misurata sulla LISN-, drive on, corrente sul carico nulla e PWM1. ... 122

Figura 134 Tensione CM misurata sulle LISN, drive on, corrente sul carico nulla e PWM1. ... 123

Figura 135 Tensione DM misurata sulle LISN, drive on, corrente sul carico nulla e PWM1. ... 123

Figura 136 Tensione misurata sulla LISN+, drive on, corrente sul carico 5 A e PWM1. ... 124

Figura 137 Tensione misurata sulla LISN-, drive on, corrente sul carico 5 A e PWM1. ... 124

Figura 138 Tensione DM misurata sulle LISN, drive on, corrente sul carico 5 A e PWM1. ... 125

Figura 139 Tensione CM misurata sulle LISN, drive on, corrente sul carico 5 A e PWM1. ... 125

Figura 152 Tensione misurata sulla LISN+, drive on, corrente sul carico 5 A, PWM2 e limiti EN55011QP. ... 132

Figura 153 Tensione misurata sulla LISN-, drive on, corrente sul carico 5 A, PWM2 e limiti EN55011QP. ... 133

Figura 154 Acquisizione del dominio del tempo di un transitorio on/off di un mosfet sulla LISN+. ... 135

Figura 155 Trasformata Wavelet del segnale precedente. ... 135

(10)

Figura 160 Acquisizione del dominio del tempo di un transitorio on/off di un mosfet di tipo CM.138 Figura 161 Trasformata Wavelet del segnale precedente. ... 138

Figura 162 Acquisizione del dominio del tempo di un transitorio on/off di un mosfet di tipo DM.139 Figura 163 Trasformata Wavelet del segnale precedente. ... 139

Figura 164 Schema semplificato dell’analizzatore di spettro. ... 143

Figura 165 Funzione di trasferimento del filtro. ... 144

Figura 166 Filtro che raccoglie 3 armoniche distinte. ... 144

Figura 167 Filtro che raccoglie 2 armoniche distinte. ... 144

Figura 168 Circuito semplificato di un rilevatore di picco. ... 145

Figura 169 A sinistra andamento della tensione in ingresso, a destra andamento della tensione in uscita dal rilevatore di picco. ... 145

Figura 170 Circuito semplificato di un rilevatore di quasi-picco. ... 146

Figura 171 A sinistra andamento della tensione in ingresso con successione di impulsi ben distanziati nel tempo, a destra andamento della tensione in uscita dal rilevatore di quasi-picco. ... 146

Figura 172 A sinistra andamento della tensione in ingresso con successione di impulsi molto ravvicinati nel tempo, a destra andamento della tensione in uscita dal rilevatore di quasi-picco. .. 146

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INDICE TABELLE

Tabella 1 Dati di targa del motore asincrono trifase. ... 35

Tabella 2 Variazione dell’impedenza del carico al variare della frequenza... 36

Tabella 3 Specifiche convertitore DC/AC. ... 37

Tabella 4 Caratteristiche del MOSFET IRF3415S/L. ... 48

Tabella 5 Caratteristiche del DSP TMS 320F2812 PGFA. ... 49

Tabella 6 Specifiche della sonda di corrente Rohde & Schwarz. ... 53

Tabella 7 Specifiche della sonda di corrente Fluke i30s. ... 53

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Introduzione

La pres ent e Tesi di Laurea si colloca nell’ambit o di un progetto strat egi co di at eneo chi am at o OpIMA.

Tal e proget to mi ra a svi luppare codi ficatori innovati vi per segnali di tipo impulsivo, discreti nei livelli, con riferimento soprattutto all’attuazione, all a sintesi di forme d’onda e all’amplificazione audio. L’obiettivo del progetto è di sviluppare nuove generazioni di codificatori, simili nell’uso a quelli tradizionali ed in qual che m odo compatibil i con es si e pure basati s u principi operat ivi radi cal mente di versi .

La Tes i di Laurea è stat a svolt a presso il Dipartim ento di Ingegneria Elettri ca (D IE) nel l aboratorio di C ompatibi lità El ettrom agnetica ( LAC EM).

Il l avoro t ratt a di uno studio nel dom inio tem po -frequenz a s ull e emis sioni condott e prodot te da un c onvertit ore st ati co DC/ AC progettat o pres so il D IE. Tal e studio risul ta utile per capire come e quando vengono generati questi disturbi e per mi gl iorare l a com patibili tà el ettrom agneti ca del convertit ore. La Tesi inizi alm ent e ri chi am a con i l C apitolo 1 i c oncetti che s tanno alla bas e dell a compatibil ità el ett rom agnetica, soprattutt o per quanto ri guarda l e emiss ioni condott e. Con il Capitol o 2 si descrive in dett agli o il banco prova in ogni s ua part e; nel C apit olo 3 vengono ri port ati i dati t eori ci di cari ca e s carica del BUS DC del convertitore. Nel Capitolo 4, 5, 6 vengono riportat i i risult ati dell e prove effettuat e sul convertit ore per quant o ri guarda l e emiss ioni condott e; in parti col are nel Capit olo 4 le prove sono stat e esegui te sul convertitore ori gin ale, nel Capi t olo 5 si sono ripetute le prove s eparando el ettricam ent e il circuito di pot enza del converti tore da quello di controllo (ovviam ent e in quest a fase abbiamo util izzato due fonti di alim ent azione s eparate) e nel C apit olo 6 s i è volut o elimi nare il rumore generato dal l’alim ent atore pres ente all’int erno del circuito di controllo e per far ci ò sono st ati costruiti ci nque alimentat ori lineari esterni con determinate caratteristiche. Infine nell’ultimo Capitolo si sono tratte le concl usioni sui ris ult at i dell e mi sure effet tuate.

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Capitolo 1

Compatibilità elettromagnetica

1.1 Cenni sulla EMC

La Com pati bilit à Elett rom agneti ca (EMC, dall ' ingl es e Elect rom agneti c Compatibili t y) è definit a com e la capacità di un dispositivo el ett ri co o elettronico di funzionare correttamente nell’ambiente in cui è inserito senza subi re o produrre fenomeni di int erferenz a da e verso al t ri dis posit ivi. Un apparato è detto Elet tromagneti camente Com pat ibil e s e non è caus a di interferenze per alt ri sist emi ad esso vi cini , né è s us cettibi le ad int erferenze generate da quest i ul timi o da event i est erni, né deve caus are interferenze con s e stes so. Il problema EMC può essere s uddiviso in due grandi sottoprobl emi: Emissi one (EM I) e sus cet tibilit à o imm unit à (EMS ). Le emissioni sono una caratt eristi ca int rins eca dei dis posit ivi el ettrici o el ettroni ci in quant o sono dovut e al fenomeno per il quale cari che in movim ent o generano campi EM (el ett romagneti ci).

Le emi ssioni non devono es sere consi derate tutti fenom eni indesiderati , in quanto m olti dispositivi oggi sono progett ati apposi tam ent e per emet tere radi azioni EM (vedi trasm ettit ori radi o/ tel evis ivi, tel efoni cellul ari ecc.). Le emissioni dovut e all a fisi ca st essa del dispositivo, ossi a al la struttura e all a dimensione dell e pi ste conduttri ci , alla com mut azione di eventuali di spositivi logi ci int erni ecc., devono ess ere limit at e il più possi bile in quanto sono ess e la princi pal e causa di mal funzionamenti.

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La sus cetti bilit à dà una mis ura dell a capacità di un apparato di ricevere s egnali indesiderati (e quindi essere disturbato); viceversa l’immunità rappresenta la capacit à dei di spositi vi a rimanere protet t i da t ali i nt erferenz e.

I due probl emi, EM I ed EMS, devono es sere affront ati i nsi eme in quanto come bene si intuisce, ri durre l e emi ssioni com porta una minore pos sibilit à che l’intensità della radiazione interferente produca disturbi, aumentando l’immunità dei dispositivi.

Una v olt a present ato il problem a, vedi am o come e quando es s o può pres ent arsi, definendo i possibili meccanismi di accoppiamento dell’interferenza EM con il dispositivo da tes tare D.U.T. (devi ce under t est ):

Accoppiamento di ti po condott o : in questo ti po di acco ppiam ent o l ’int erferenza

si propaga at travers o cavi condutt ori che coll egano fra loro divers e parti di un circuito o ci rcuiti di versi. Tali cavi poss ono es sere quel lo di alim entazione, di trasmiss ione dat i, di interconnessione tra dispositivi ecc. e si pos s ono veri fi care problemi di emissi one condotta (quando il circui to i n es ame em ett e att ravers o i conduttori succitati), di suscettibilità condotta (quando l’interferenza è presente sui conduttori d’ingresso).

Accoppiamento di tipo irradiat o : qualsi asi circu i to ali mentato da corrent e non

continua si comporta come un’antenna e quindi irradia; contemporaneamente, per effetto della reciprocità, capta i campi EM presenti nell’ambiente. Negli es empi considerati s i hanno probl emi di emiss ione i rradiat a e di s us cett ibil ità irradiata. In quest’ultimo caso si devono inoltre considerare anche i campi generati da sorgenti intenzionali, quali ant enne per radiodiffusi one, radar ecc. Tali sorgenti non poss ono chiaram ent e essere att enuate e quindi spett a ai proget tisti rende re i mmune l ’apparat o da questo genere di dis turbi.

Accoppiamento t ramite i mpedenz e comuni : quest o tipo di accoppiam ento si ha

ogni volt a che ci rcuiti di versi condi vidono gl i st es si percors i per la corrent e. Tal e si tuazione si verifica s oprat tutto nei ri gua rdi dei coll egamenti di ritorno a mass a e dell e linee di ali mentazi one, nei due casi si parl a rispettivam ent e di impedenza comune di massa e di alim ent azione.

Poiché i m eccanismi di accoppiamento sono diversi , risult a chiaro che per pot er val utare il corre tt o funzionamento di un dispositivo, occorre t est arl o in vari e situazioni nell e quali occorrerà favorire gli accoppiam enti des critti . Il

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dispositivo ris ult erà com pati bil e se soddi sferà i limiti impost i per l e emis sioni condott e e radi at e.

I limiti all e em issi oni condott e e radi at e, precedent em ent e ci tati , vengono imposti da enti superiori t ramit e la stipul azione di norme generali o ad hoc. Nel proseguo verrà forni ta una panorami ca di tali enti e dell e carat terist iche dell e norm e da essi redatt e.

A concl usi one di questo prim o paragrafo si riportano alcuni importanti nozioni di caratt ere t ecni co ed economi co.

Come detto in precedenz a, il probl em a EMC va affrontato sin dall e fasi di proget tazi one. In s ostanza occorre rappres ent are i l sis tem a con dei circui ti equivalenti, in cui si tiene conto di tutti i param et ri necessari deci dendo in seguito quali influiscono realm ent e sul probl ema EM C, analizzando il com portam ento in frequenz a del ci rcuito. Le m etodologi e di progetto attualm ent e i n us o non s eguono quest o it e r ed anzi i progetti s ti tendono ad avere scarso ri guardo nei confronti dei problem i EMC, fino a quando non s i giunge al controllo di qualità. In quella sede è molto difficile che l’apparato risulti aut omat icam ent e ris pondente al le norm e e i progetti sti dev ono interveni re, con soluzioni di “pronto soccorso”, inserendo filtri (sempre che nell’apparecchiatura sia pres ent e lo s pazio suffici ente per accogli erl i), anelli di ferri te o s cherm ature di fortuna (il classico foglio di carta d’alluminio). Questo tipo di approccio alla soluzione del probl ema EMC è sicuram ente l a più dis pendi osa. Il costo degli intervent i EMC durant e le vari e fasi del ci cl o di svil uppo di un dispositi vo seguono un andamento cres cente di ti po paraboli co, in quant o nelle st ess e fas i i gradi di li bert à di int ervento dei progett is ti decres cono con lo stes so andam ento. Il cicl o di s viluppo di un progett o può ess ere s uddi viso in t re parti ed in ognuna di ess e gli intervent i pos sibili dimi nuiscono sensibilm ente:

Progett o di mass ima : occorre essenz ialm ent e cercare di predi re il

com portam ento dei generatori di dis turbi condot ti e i rradi ati allo s copo di modi ficare i l progetto i n modo da ridurre gli inconvenienti legati alle interferenze. In questo stadio ogni int ervento risulta economico in quanto il proget to è ancora sull a carta e l asci a ampi gradi di libert à di azi one ai proget tisti .

Prototipo : occorre effett uare dell e misure per verifi care i risult ati previ sti i n

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sviluppati degl i s trumenti e dell e t ecniche di misura poco cost os e e che perm ett ano, ent ro margini ragionevoli , di valut are se il prodotto ri sult erà conform e all e norme.

Preproduzi one: vengono effettuat e le misure uffi ci ali . Se in quest a fas e si

scopri ss e l a non idoneità all e norme del prodott o verrebbero pers e ingenti somm e di denaro e l a produzi one verrebbe bl occat a. Dal punt o di vi st a economico è import ant e arri vare a ques to st ep con l a cert ezza di s uperare la certi fi cazione: all a qual e ci si avvi cina affrontando nel m odo mi gli ore pos sibil e le fasi precedenti.

Per quel che ri guarda l e mi sure sugli apparati, si a quell e prel iminari (tipi che dell a fase 2) si a quell e a norme, possono essere compl et ament e dem andat e a centri specializzati evitando all’azienda di investire nel campo EMC e avere risultati immediati, ma rendendola dipendente dall’esterno e imputando ampi cost i al singolo prodott o; ovvero pos sono ess ere compl etam ent e effett uat e all’interno dell’azienda. Quest’ultima soluzione è praticabile solo da grandi indus tri e, a caus a dell ’el evat o costo delle apparecchi ature necess ari e e dell a speci alizzazione dei tecni ci. Chi aramente in seguito a t ali investim enti il cos to del singolo prodotto diminuis ce in quanto risult a rel ativam ente basso il costo dell a misura da effet tuar e s u di esso. L’approcci o pi ù s eguito dall e indust rie è di tipo m isto, ossi a gl i int erventi in sede di progetto e l e misure prel iminari vengono effettuate all’interno dell’azienda, la certificazione finale viene affidat a i nvece ad un ente esterno.

1.2 Enti e normative EMC

I primi studi ri guardanti le int erferenze risal gono all a fine del secolo s cors o con la nascit a delle com uni cazioni radi o; i primi arti coli sull e ri vist e speciali sti che com parvero già dal 1920.

L’ente a livello mondiale con la maggiore competenza, nonché la capacità di coordinamento tra i vari standard nazionali, è l’IEC (International

Electrot echni cal C ommissi on) , il qual e è organizzato in divers e

sottocomm issi oni. Il C ISPR (Comit é Int ernational Spécial des Pert urbations

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Elet tromagneti ca. Il prim o int ervento att o a proteggere l e comuni cazi oni radio, apport at o da t al e comitato, ris al e al 1934 i n occasione del pri mo Congresso C ISPR con s ede a Pari gi. Durant e il congresso ve nnero formulat e le prim e raccom andazi oni ri conos ciute ed accett at e a li vello i nt ernazi onal e.

Negli anni seguenti i diversi St ati, seguendo l e indicazioni del C ISPR, s i sono dot ati di regolam ent azioni nazionali per cont roll are l e radi o interferenze dei diversi dispositivi: indust ri ali e domesti ci. Tali di rettive incl udevano i limiti di emiss ione e l e m etodologi e di misura. Ogni st ato, qui ndi, aveva li miti di vers i e, di cons eguenza, di vers e s oluzioni ai probl emi EMC riscont rati . Quest e differenz e creavano dif fi colt à agli s cambi comm erci ali dei prodotti olt re i confini dell o St ato produtt ore, imponendo una unifi cazione o com unque una arm onizzazi one del le divers e regolament azioni nazi onali ri guardanti l a soppressi one dell e radio i nterferenz e.

A livell o europeo l ’ent e t ecni co con m aggiori com pet enz e i n quest o ambit o è il CENE LEC (Comit é Européen de N ormalis ation El ectrot echnique ) che ha il com pito di raccogliere ed analizzare t utt e le norm e nazionali ed int ernazionali riguardanti l’EMC e di rimuovere ogni differen za tecnica fra gli standard nazional i dei P aesi membri.

Il 1 gennaio 1992 è ent rata in vi gore l a Diretti va EMC 89/336/EC , applicat a a tutti gl i apparecchi el ett rici ed elettroni ci (es cl usi gli apparati per us o radioam atori al e), s econdo l a quale è possibil e imm ett ere sul mercat o dei P aesi dell a C omuni tà Economica Europea sol o quei prodotti provvi sti di m arcat ura di conformit à C E. Successi vamente la Di ret tiva 92/31/EC aggiunse un periodo di transizione di 4 anni spost ando al 1 gennaio 1996 l a dat a ul ti ma per adeguarsi a tali disposizioni. Dal 20/07/2007 la Di rett iva in vi gore è l a 2004/108/EC .

1.3 La situazione italiana

Le Diretti ve EC sono atti vi ncol anti gli Stati m embri ad iniz iative l egi slat ive. Negli st ati della C omunit à Europea è necessario un apposit o a tto dei singoli Stati per trasform arl e in l egge. C on il Decreto Legisl ativo del 4 dicembre 1992, l’Italia si è allineata agli altri Paesi della Comunità Europea nell’attuazione della Direttiva 89/336/CE. Fino al 31 dicembre 1995 è autorizzata l’immissione

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sul mercato di apparecchi sprovvis ti del marchi o CE, conformi al le norme itali ane in m at eria di EMC in vi gore alla data del 30 giugno 1992 (art . 14, comma II). Nel nostro Paese, l’ente che ha il compito di elaborare le normative nazional i in modo da armoni zzarl e con le corri spondenti Norm ative Com unit arie è il CE I (Comit at o Elett rotecni co It ali ano), i l qual e è suddivi so in diversi sottocomi tat i. Il C EI è tenuto ad adottare senz a al cuna modi fica (quindi a fare opera di es clusi va t raduzi one) l e Norm at ive Euro pee em anat e dal CENELEC e ad accett arl e com e Norm e Nazionali . In s eguito alla l egge 186 del 1 m arzo 1968 le norme redatt e (o t radott e) dal CE I hanno val ore l egal e.

1.4 Emissioni condotte

1.4.1 Generalità

Tutt e le apparecchi ature ali ment ate dall e ret e el ett ri ca sono pot enziali sorgenti di disturbi s ottoforma di segnali di t ensione e/o corrent e. Ques ti ris al gono il cavo di al iment azione e propagandosi verso la ret e, generano emissi oni condott e. Quest e posson o creare mal funzionam enti ad alt ri dispositivi connessi all a ret e e irradi are onde EM (l e correnti di disturbo s corrono sul la rete di alimentazione che può essere vista come un’antenna di grandi dimensioni). Un as pett o im port ante ri guarda i l modo di propa gazione del disturbo, che può ess ere sott o form a di corrent e o tensione.

1.4.2 Richiamo sui disturbi condotti di modo comune e di modo

differenziale

I di sturbi condotti di corrent e si possono suddi videre in:

 correnti di Modo Comune (CM), tali componenti s corrono dai conduttori di fas e e neut ro vers o t erra.

 correnti di Modo Differenziale (DM), tali componenti scorrono sui condutt ori di fase e neutro.

(19)

Figu ra 1 S chema del percorso dell a corren te CM.

Figu ra 2 S chema del percorso dell a corren te DM. Load VDM Source IDM IDM Ground Load VCM Source ICM ICM 2ICM Ground

(20)

Figu ra 3 Es empio di cari co monofas e con involu cro metalli co coll egato al PE .

Figu ra 4 Prop agazi one d el d istu rbo CM.

Figu ra 5 Prop agazi one d el d istu rbo DM. Load Fase Neutro Terra Involucro metallico Alimentazione IDM IDM Load Fase Neutro Terra Involucro metallico Alimentazione Capacità parassite ICM ICM 2ICM Load Fase Neutro Terra Involucro metallico Alimentazione

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Figu ra 6 S chema complessivo d ell e correnti CM e DM.

In Fi gura 4 è ri port ato il percorso dell a corrente di modo comune, tal e corrent e si propaga nell o st esso verso su ent ram bi i conduttori s frut tando com e ritorno l’involucro metallico attraverso le capacità parassite presenti tra i conduttori e l’involucro stesso; per questo motivo è il modo tipico di propagaz ione dei disturbi ad alt a frequenz a.

In Fi gura 5 è riport ato il percorso dell a corrent e di m odo differenzi al e, t al e corrente s frutt a uno dei due condut tori come perco rso di andat a e l ’altro per il ritorno; per questo motivo è il m odo t ipico di propagazione dei disturbi a bas sa frequenza.

In Fi gura 6 sono rappres ent at e ent rambe l e correnti di dist urbo; nell a realt à infatti i due modi di propagazi one s ono cont emporaneamente pres enti .

Ī1 = ĪC M + ĪD M (1)

Ī2 = ĪC M – ĪD M (2)

ĪC M = ½ (Ī1 + Ī2) (3)

ĪD M = ½ ( Ī1 – Ī2) (4)

Le precedenti rel azioni vettori ali met tono in relazi one ĪC M e ĪD M con Ī1 e Ī2. Load Fase Neutro Terra Involucro metallico Alimentazione ĪCM ĪCM Ī1 Ī2 ĪDM ĪDM

(22)

1.4.3 Procedura di misurazione

La procedura di mi surazione del le emi ssioni condott e previst a dall e norm e CISPR 11 prevede l’utilizzo di LISN (Line Impedance Stabilization Network) che devono essere poste tra l’ alimentazione e D.U.T.; tali LISN vanno installate sia sull a/ e fase/i che sul neutro s e present e.

Le norme CISPR 11 indicano l’intervallo di frequenza su cui deve essere es egui ta l a misura che va da 150 kHz a 30 MHz e i rel ativi limiti di emi ssioni che de vono ess ere ris pettati affinché l’apparecchi o s uperi l a prova sul le emiss ioni condott e. Le norm e C ISPR 11 impongono anche le caratt eristi che che deve avere l o st rument o misuratore (ricevitore emi ) che è un parti colare analizzat ore di s pettro.

1.4.4 LISN

Lo s copo del le prove sulle emis sioni condott e è quel lo di mis urare l e correnti di disturbo che escono dal cavo di alimentazione di un’apparecchiatura. Tuttavia nasce l’esigenza di poter confrontare tra loro le misure effettuate in luoghi e tempi di versi , qui ndi la prova con una semplice sonda di corrent e non è pi ù sufficiente. La variabilità del carico collegato all’apparecchiatura in prova influenza l’intensità dei disturbi condotti sul cavo di alimentazione; considerando poi che l a quant ità di rumore esist e nte s ul la ret e esterna di distribuzione dell’energia varia da luogo a luogo, si comprende subito l’esigenza di dover adottare uno strumento che annulli questi effetti, tale strum ento è la LIS N.

La LIS N ha l e s eguenti funzioni:

 creare un disaccoppiamento tr a la rete e il suo carico in modo che gli event ual i di sturbi della rete non s i ripercuot ano sul carico

 creare un disaccoppiamento tra carico e la rete in modo che eventuali disturbi del cari co non si ri percuotano sulla rete

 presentare un’impedenza costant e (50Ω) per il disturbo ad alta frequenza tra ciascun conduttore di fas e (com preso i l neut ro) e il condutt ore di t erra

 lasciare circolare la corrente di alimentazione sia che essa sia alternata a 50 Hz o continua.

(23)

Tali propri età vengono facilm ent e indivi du ate s e s i fa riferi ment o al la Fi gura 9. Uno s chem a el ett rico di principio di una LIS N invece è riport ato in Fi gura 7. L’induttanza L1 e la capacit à C1 hanno il compi to di impedire che il disturbo presente sulla rete di distribuzione dell’energia attraversi il dispositivo di misura fal sando il risul tat o dell a prova. La capacit à C2 deve impedi re ogni sovraccari co di corrente cont inua s ull ’ingresso del ri cevitore e R1 ha l a funzione di s cari care i condensatori quando non è coll egat o il ri cevit ore. La res ist enza R2 non è alt ro che l a resistenza che present a in ingres so il ricevi tore e quando es so non è coll egato all a LIS N è necessar io ugualment e terminare tal e us cit a su 50 Ω per non alterare l’impedenza d’ingresso vista dal D.U.T.

Figu ra 7 S chema el ettri co di p rincipio d i una LIS N.

50Ω 1kΩ

(24)

Figu ra 8 S chema el ettri co di coll egamen to d ell e L ISN.

Figu ra 9 Circui to el ettri co equival ente dell e LIS N p er freq uenze 150 kH z ÷ 30 MH z. 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 1kΩ 1kΩ

(25)

Il ri cevitore deve misurare l a tensione present e ai capi di R2 e R4, tal e tensione per il s oddi sfacim ento dell e norm e deve ess ere m isurata su t utto l ’int ervallo di frequenza e per ogni frequenz a deve essere inferi ore ai lim iti imposti s empre dalle normative, altrimenti l’apparecchiatura deve essere sottoposta ad opportuni provvedi menti allo scopo di ri durre i di stur bi; tal i provvedim ent i consistono per esempio nell’applicazione di filtri (L, LC) più o meno complessi con l a finalit à di ridurre l e com ponenti o di m odo comune o di m odo differenzi al e o anche entrambe.

Figu ra 10 S ch ema d el p ercorso d ell e corren ti di CM e DM sulle LISN. Le tensioni mi surat e sara nno:

VP = 50 (IC + ID) (5 )

VN = 50 (IC - ID) (6 )

Dal le espress ioni 5 e 6 si capis ce che i contributi di disturbo si somm ano in VP e si sott raggono in VN. Di sol ito una del le due com ponenti è tras curabil e rispetto all’altra, quindi il modulo della tensione misurata su VP e su VN è ugual e.

VP = 50 IC se IC » ID (7)

(26)

VP = 50 ID se ID » IC (9 )

VN = -50 ID se ID » IC (10 )

1.4.5 Alimentatori a commutazione

Gli alim entat ori a comm utazi one stanno via vi a sosti tuendo gli alim entat ori lineari soprattutto grazie hai not evoli passi in avanti compi uti dall ’elettroni ca di potenza negl’ultimi decenni. Gli alimentatori a commutazione rispetto a quelli lineari presentano infatti rendimenti decisamente più elevati dell’ordine rispetti vament e del 60 -90% contro il 20 -40%; inolt re t endono anc he ad occupare meno spazio ed a es sere anche pi ù legge ri. Il loro principio di funzionam ent o è bas ato su t em pi di comm utazi one degli interrutt ori st atici molto brevi , quindi perdit e negli int errut tori abbast anz a lim it at e. La frequenza di comm utazi one può vari are t ra 5 -200 kHz in bas e all ’appli cazione.

Nel caso di un convertitore DC/AC , i n Fi gura 1 1 ne è ri port ato uno t ri fase, tramit e una t ecnica PWM, che verrà spi egat a in dett agli o nel paragrafo 2.3.1, viene comandata sia la chiusura che l’apertura degli interruttori statici in modo da ottenere in uscita una tensione con la forma d’onda desiderata.

Figu ra 11 S ch ema elettri co di un converti tore DC/ AC.

La forma d’onda desiderata viene costruita tramite una successione di gradini in cui si va ad agi re sia sull a frequenza di comm ut azione sia s ull a l arghezza dell’impulso. In Figura 12 è riportato un esempio di segnale temporizzato trapezoidale simmetrico che può essere inviato al gate dell’interruttore statico per comandarne l’apertura e la chiusura .

(27)

Figu ra 12 S ch ema ti pico d i un s egn al e temp ori zzato.

A indica l’ampiezza dell’impulso T indica il periodo del s egnale τ indica la larghezza dell’impulso tr indi ca il t em po di salit a

tf indi ca il t em po di disces a

Facendo l’analisi di Fourier del segnale in Figura 12 si trova uno spettro discreto di armoniche l e quali dipendo:

 dall’ampiezza dell’impulso

 dal dut y c ycle

 dal tempo di salita o discesa (si prende in considerazione il tempo più breve) T    Dut y C ycl e (11) A A/2 τ T tr tf t

(28)

T t n T t n sen T n T n sen T A A r r n      ( ) ( ) 2  (12 )

Figu ra 13 Sp ettro unilatero d erivan te d all’analisi di Fou rier.

La Fi gura 1 3 t ram i te l ’inviluppo degli spe tt ri di ampi ezza (ri ga ross a) ci fornisce l’andamento qualitativo delle armoniche, evitandoci pertanto di effettuare uno svil uppo ri goroso i n s eri e di Fourier, che naturalm ent e s arebbe molto l ungo per un cal col atore.

Arrivati a questo punti si comprende mo lto bene che util izzando i nt errut tori stati ci nell a cost ruz ione di al iment atori a commut azione, come per es em pio MOS FET che hanno con tem pi di s alita e dis ces a est rem ament e pi ccoli dell’ordine di qualche decina di nanosecondi, si generano armoniche di ampi ezza import ant e anche a frequenz e dell ’ordine di qualche MHz.

(29)

Capitolo 2

Descrizione del banco prova

2.1 Descrizione circuitale

Lo s chema el ett ri co general e è raffi gurato in Fi gura 14 e una fot o del banco all estit o è ri portata i n Fi gura 15. Il ci rcuito el ett ri co è protet t o dai cort ocircui ti da un fusibile da 10 A. L’interruttore magnetotermico protegge il circuito di controllo del convertitore DC/ AC da sovracorrenti (m olto im probabili dato che la potenza assorbita dall’elettronica del convertitore è pressoché cos tante e quanti ficabile in pochi watt ) e da cort oci rcuiti (per i qual i intervi ene gi à il fusibile a monte dell’interruttore magnetotermico).

Per evit are sovracorrenti nell a fase di carica del banco di condensat ori del BUS DC, si è pens ato di aum ent are l a lo ro cost ant e di t empo aggi ungendo un resistore di precari ca R1 da 180 Ω, t al e t ransi torio di cari ca e scari ca è des critto in dett agli o nel C api tolo 3. C om e si può vedere dell a Fi gura 14 s ono presenti t re alim ent azioni dis tint e, l a Vs1 alim enta i l BUS DC del convert itore DC/ AC l a Vs2 alim enta la bobina del t el erutt ore una volt a premuto il puls ant e di em ergenza e la terz a alim ent azione la console. Il banco prova è com post o da:

 un motore asincrono trifase, utilizzato come carico ohmico -induttivo

 un convertitore statico DC/AC

 un gruppo di accumulatori al piombo, necessari per l’alimentazione del convertit ore st ati co

(30)

 due LISN

Lo s chem a el ett ri co generale è co m post o da:

 un sezionatore

 un portafusibile e fusibile generale

 un portafusibile e fusibile per il circuito di potenza

 un portafusibile e fusibile per il circuito di comando

 un portafusibile e fusibile per la bobina del teleruttore

 un resistore di precarica da 180 Ω 50 W

 un teleruttore

 un interruttore magnetotermico

 un pulsante di emergenz a

 cavi di sezione adeguata

Per effett uare l e mi sure nel domini o del t empo e dell a frequenz a sono s tati utilizzati i s eguenti s trum ent i:

 Analizzatore di spettro AG ILENT 4396B 2 Hz -1,8 GHz

 Oscilloscopio TEKTRON IX TDS 5034 35 0 MHz 5 GSa/s

 Sonda di corrente Rohde & Schwarz EZ -17 model 03 20 Hz ÷ 200 MHz

 Sonda di corrente ad effetto Hall Fluke i30 0 Hz ÷ 100 kHz

In general e si ha anche bisogno di studi are l a somm a o la di fferenza vettori al e dell e tensi oni provenienti dall e LIS N e delle correnti sul BUS DC, per capire s e il convertitore st ati co DC/ AC è sorgente di di sturbi di modo comune e/o di modo differenzi al e. Per effett uare l a somm a o l a di fferenza dell e t ensi oni proveni enti dall e LISN è necess ario util izzare l’apposito s pl itter. Lo splitt er è semplicem ent e un ci rcuito el ett ri co che dand o i n ingres so l e due t ensi oni dà in usci ta nel nos tro cas o o l a somm a se utili zziamo lo ZFSC -2-6-75 o l a di fferenza dei s egnali i n ingresso se ut ilizziamo ZF SCJ -2-1. Un fot o degli spli tter utilizzati è riport at a in Fi gura 16. P er misurare invece la corrent e di modo com une o di modo di fferenzi ale bast a abbracci are i condutt ori sm alt ati mostrati in Fi gura 17; in parti col are se la sonda di corrent e abbracci a: il punt o verde misur erem o la

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corrente di CM s ul BUS DC, con il punt o blu misureremo l a corrente di DM sul BUS DC, con il punto celeste misureremo la corrente di CM all’uscita del convertitore e con il punto viola misureremo la corrente di DM all’uscita del convertit ore.

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(33)

Figu ra 15 Foto d el b anco prova all es ti to.

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Figu ra 17 Foto d ei cavi s mal tati su cui effettu are l e mi sure sulle correnti CM e DM.

2.2 Caratteristiche del carico

Il m otore asi ncrono trifas e è mos trato in Fi gura 18 ed i dati di t arga s ono riport ati in Tabella 1 .

(35)

Descrizione

Marca Antriebstechnik G. Bauanecht

AG 3401925-182

Tensione di alimentazione Stella/Triangolo 380/220 V Corrente assorbita 5,2/9 A

Cosφ 0,8

Potenza meccanica 2,2 kW

Velocità rotazione dell’albero 1410 rpm

Grado di protezione IP54

Frequenza di alimentazione 50 Hz

Tabell a 1 Dati di targa del motore asin crono trifas e.

Figu ra 18 Foto d el motore asin crono trifase.

Il m otore asi ncrono trifas e è usat o solo com e cari co ohmico -indutti vo. Il coll egam ent o all a m ors etti era è raffi gurato in Fi gura 1 9; con tal e collegame nto il rotore non ruot a.

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Figu ra 19 Coll egamento al la mors etti era del motore asin crono trifase. La pot enz a vi ene di ssipat a si a nei conduttori per effet to J oule, si a nel ferro di statore a causa dell’isteresi magnetica e delle corr enti parassite.

A 100 Hz, con t al e coll egam ent o del motore, sono st ati misurat i con un analizzat ore di im pedenz a dell a HP seri e 4192A LF 5 Hz ÷ 13 MHz:

R = 2,62 Ω ± 20% L = 6,81 mH ±20%

La s eguent e Tabell a 2 indi ca com e varia l’impedenz a del cari co al vari are dell a frequenza in us cit a dal convert itore st ati co DC/ AC.

Frequenza (Hz) Reattanza XL (Ω) Modulo Z (Ω) Argomento Z (°)

0 0 2,62 0 10 0,428 2,65 9,3 20 0,856 2,76 18,1 30 1,284 2,92 26,1 40 1,712 3,13 33,2 50 2,139 3,38 39,2 60 2,567 3,67 44,4 70 2,995 3,98 48,8 80 3,423 4,31 52,6 90 3,851 4,66 55,8 100 4,279 5,02 58,5

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2.3 Convertitore statico

Le specifi che del convertit ore DC/ AC s ono riport at e i n Tabel la 3. Specifiche

Tensione nominale in ingresso 80 V DC Corrente nominale in ingresso 150 A DC Tensione massima in uscita 80 V AC Corrente massima in uscita 150 A in AC

Rendimento ~100%

Tabell a 3 Specifi che con verti tore DC/AC.

Figu ra 20 S ch ema elettri co d el converti tore s tatico DC/ AC.

Lo s chem a del convertitore st ati co è riportato in Fi gura 20. É stat o programm ato per funzionare s u due rami (L1 ed L2) in monofase. La t ensione m assim a in usci ta dipende dalla tens ione s ul Bus DC ; tal e val ore è di ci rca 80 V quindi in usci ta non si pu ò avere una t ensione m assima sinusoi dal e di ampi ezza maggiore a t al e val ore.

Per quanto ri guarda la corrent e, ogni i nterruttore rappres entat o nello s chem a precedente è realizzato tramit e 6 mosfet IR F3415S/ L in parallelo; ogni m os fet può s opport are una corr ente nomi nal e di 25 A. Il BUS DC è composto da 20 condensatori in parallelo tra loro dall a capacit à di 390 uF ci as cuno, per una capacit à equival ent e di 7,8 m F e con t ensione m assima applicabil e di 100 V. Tal e capacit à è necessaria per tenere il pi ù possi bi l e costant e la tensione sul Bus DC. I condensatori sono del tipo “elett rolitico” perché riescono ad avere valori di capacit à el evat e con di mensioni ridott e.

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Una foto dell’inverter è riportata in Figura 21.

Tramite la “console” si possono far variare diversi parametri del convertitore stati co com e per es empi o: il valore efficace dell a corrent e in uscit a, l a sua frequenza, la frequenz a di switch degli int errutt ori stati ci , cambi are modul azione; inol tre è possi bile l eggere sul displ a y al cune i nformazioni importanti com e l a t emperat ura del DSP e del cas e, l a t ensione del BUS DC e l a tens ione di al iment azione della scheda di cont roll o. Quest e sono sol o alcune delle funzioni che si possono effettuare tramite la “console”. Una foto della consol e è riport at a i n Fi gura 2 2.

Figu ra 21 Foto d el convertitore DC/AC.

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Per quant o ri guarda la t ecni ca di com ando degli int erruttori di pot enz a del convertit ore st ati co si avranno due pri ncipali possibilit à che possi amo s cegli ere tramit e consoll e:

 modulazione PWM bipolare

 modulazione PWM unipolare

2.3.1 Breve richiamo sulla tecnica di modulazione PWM

La P ulse Widt h M odul ation (PWM) è una tecni ca di cont rollo dei convertitori che consente di conferi re una am pia capacità di regol azione dell e grandezz e di usci ta.

La PWM si appl ica ai com ponenti elet tronici a commut azi one forz ata, t al e prerogativa è resa necess ari a dalla presenza dell e apert ure e chiusure dei com ponenti ad i st anti ben precisi e con frequenz e pi uttosto el evat e; i nfatt i l a forma d'onda de lla t ensi one di us cit a è tant o mi gli ore quant o più el evat a è l a frequenza di com mut azione.

Il probl em a generale, che è al la base del l a progett azione del s istem a di cont rollo di un invert er PWM, è quel lo di s cegli ere i stant e per i stant e, t ra l e grandezze consentit e, quell a da appli care in modo che l a funzione V(t) in us cit a abbi a l'andamento desiderato.

Il com pito del sist em a di co ntrollo dovrà essere quello di "rit agliare" la funzione di ingress o E, facendol e assum ere, di volt a in volt a, i l pi ù opportuno tra i valori "perm ess i". Poi ché, i n prat ica, ci ò non è real izzabile con un perfett o accordo t ra l 'andam ent o desi derato Vm o d(t) e quell o effetti vo, di us cita del convertit ore, il problem a consist erà nel l o scegli ere gl i istant i di comm utazi one dei componenti i n m odo da approssim are al m egl io l a funzione modulante. Un primo met odo per si ntetizzare una grandezza di us cit a V(t) in modo da approssim are l 'andament o dell a t ensi one cosiddett a modul ant e V_{m o d}, consis te nel dividere i l peri odo T di V_{m o d} in intervalli di ugual e durat a e di regol are l'apertura e chi usura dei componenti i n modo che il val ore medio di V(t) eguagli, i n ci ascun int erval lo, il val ore m edi o di V_{m o d}. Gli ist anti di comm utazi one dei componenti nell a tecni ca PWM, nascono dal confronto t ra due funzioni: una di forma t ri angol are e frequenz a costante chi amat a port ante, e una (modul ant e) Vm o d di forma, ampi ezza e frequenz a pari all a tensione desiderat a i n

(40)

usci ta all 'i nverter V(t) Fi gura 24. Si consideri il ramo A di uno schem a a pont e com e da Fi gura 25 con i n i ngresso una tensione conti nua, si p ossono disti nguere due ti pi di alim ent az ione, quell a in cui il morsetto superiore s i ha tensi one +Vd e quell o inferiore 0, e quell a in cui un m orsett o ha t ensione Vd/2 e l 'al tro -Vd/2. Quando l a modul ante risulta maggi ore del la port ant e, si porta in "on" il com ponent e S₂ e i n "off" il S₁, vi ceversa accade quando la port ant e ris ulta maggiore dell a m odul ant e, ed in tale modo l a V(t ) des iderata può ess ere simul at a con una funzione a due l ivelli (Vd,0) o ( -Vd/ 2, Vd/2).

Il rapport o t ra l a frequenz a dell a port ant e e l a frequenz a della modul ant e defini sce il rapport o mf, e si può vedere che per el evat i valori di questo paramet ro, che spes so non s arà intero, la portant e e la m odul ant e non sono sincronizzat e, e qui ndi in un periodo di V_{m o d}non cadono lo stes so num ero di inters ezioni con Vp o r t. La PWM è det ta all ora asincrona, e in uscit a sono pres enti dell e subarmoni che di t ensi one cioè armoniche di frequenza inferiore all a fondam ent al e. S e invece m_fnon è elevato allora il paramet ro deve ess ere intero, qui ndi l e d ue onde port ant e e modul ant e debbono es s ere si ncronizzat e,l a PWM è dett a s incrona, e si ha una assenza dell e subarm oni che. Inoltre l a port ante e l a m odulante vengono scelte di pol arit à opposta nel punto di coi nci denza a zero, e nel caso di invert er tri fas e m_fvi ene s celt o multipl o di 3 al fine di elimi nare nell a t ensi one concat enat a l 'armoni ca fondamentale mf. In ambedue i casi si dovrà t enere conto, se i l controllo è di tipo di git al e, del t em po di cam pionam ento.

Il rapport o tra l 'ampiezza dell a modul ant e e l 'ampi ezza dell a port ante, defini sce il rapporto di m odul azione ma

por a

V V

m  mod ₍₁₃₎

Se m a < 1 ( sotto modul azione) si ha una modul azione l ineare, Fi gura 2 3, l'am piezz a dell a fondam ent al e varia linearm ente con t ale coeffi ci ent e, olt re all a fondam entale s i hanno del le armoni che di val ore m_f, 2m_f, 3m_f, e centrat e int orno ci ascuna di quest e dell e armoni che di valore più pi ccolo. In questo int ervallo di vari azione, maggiore è il rapporto di m odul azione, m aggiore risul ta il t empo di accensione del component e superi ore del ram o dell 'invert er, e più el evato risult a

(41)

il valore me dio dell a t ensi one i n us cit a all 'i nverter com e di mostra la seguent e formul a; nel caso i n cui la funzione ri sult i a due li velli V_d/2 e - V_d/2

V = ma V_d/2 (14)

con V_dl a t ensione in ingresso all 'invert er.

Se ma è >1, si ha l a cosiddett a sovram odul azione, i n tal e caso l a tensione di usci ta ha un cont enuto arm oni co m aggi ore, t al e che l a fondam ent al e può non ess ere più dominante, ed inolt re non vari a pi ù li nearm ente con m_a e s ono pres enti dell e arm oni che di ordi ne inferi ore ad mf .

Pert anto all 'aum ent are di m_ala m odul azi one PWM s i avvi cina s empre di pi ù al la tecni ca a sfasamento o ad onda quadra fino a coincidere con quest a.

Con l a t ecni ca PWM , a di fferenza della t ecni ca a sfas am ent o o a onda quadra, il val ore m edio del la t ensi one di usci ta può esser e regolat o agendo sul rapporto di modul azione del l 'invert er, t al e t ecni ca , dato l 'elevat o numero di confronti t ra l a port ante e l a m odulant e, richiede un num ero di commutazioni pi ù el evato rispett o a quel la a sfasam ento, com porta quindi uno stress maggiore per i com ponenti e un aument o dell e perdi te di comm ut azione, el emento da t enere pres ent e nel dim ensi onamento del dissipatore di calore. La t ecni ca PWM offre però il vantaggio di un minor valore dell 'ondul azione di corrente di us cit a dell 'invert er, ed inol tre poi ché le armoni che di t ensione prodott e sono a frequenze più al te, ri sult ano più facilm ent e filt rabili.

Se mf è el evato, la modul azione può considerarsi costant e durant e un periodo della portante triangolare, se quest'ultima ha una ampiezza di 2π, le sue inters ezioni con l a funzione modul ant e Vm o d avranno luogo nei punti α e 2π -α ed il valore medio dell a tensione di uscita, s e Vd è l a tensione continua in ingress o all’inverter, può scriversi:

      





2 d m V V (15)

d'altra parte se Vo è il valore di Vm o d all e int ersezioni con l a funzione tri angolare di val ore massimo Vp x, il valore di α, tenendo conto dell'andamento lineare dell a V_{p o r}, può scri versi :

(42)

  px V V0  (16) si ha quindi:          px d m V V V V 0 2 (17)

la t ens ione m edi a di uscita è proporzional e al rapporto Vo/ Vp x. Tale rapporto deve ess ere s celto in modo t al e da rendere per quanto possibi le piccol e l e arm oni che e nello stes so t em po non raggiungere frequenze t roppo el evat e com pati bilm ent e al t empo d i spegnim ento degli i nt errutt ori elettronici.

Figu ra 23 Grafi co p ortan te tri angol are e modulan te.

Figu ra 24 Grafi co p ortan te tri angol are e modulan te ingrandito.

Si può os servare che Vm o d può essere app ros sim ata con t ant a m aggiore precisione, quant o più pi ccolo è l 'i nt ervallo bas e dell a funzione tri angol are, inolt re s e l a frequenza di commut azione è più el evat a dell a massi ma frequenz a dell o s pet tro di Vm o d si può rit enere che V(t) ed V_{m o d}abbiano l o st ess o cont enuto arm oni co, cioè la qualit à dell a modul azi one è t ant o mi gliore quanto più el evat a è l a frequenza dell 'onda triangol are.

PWM Bi pol are

In questo caso gli swit ch 1 -4 e 2 -3 vengono com andati a coppi a, l 'uscit a del com ponent e sul ra m o A è uguale ed opposta all 'uscit a del component e sul ram o B, si ha pertanto

(43)

VB o(t) = -VA o(t ) (18)

Figu ra 25 S ch ema elettri co d ell ’inverter in configurazi one a pon te. pert anto l a t ensi one di us cit a V_o(t ) può scri vers i :

Vo(t ) = VB o(t) -VA o(t ) = 2 VA o(t ) (19)

ed il pi cco dell a fondam ent al e del la tensi one di us cit a è pari a

Vo1 = ma Vd (20 )

per m_a<1 ;

Vd <Vo 1< Vd (4/π) (21)

per m_a>1

(44)

Figu ra 27 Modul azi one Unipol are.

Se la tensione che agi sce s u un componente è V_d/ 2, l a t ensi one di us cit a os cill a tra +Vd e -Vd, per tal e m otivo il funzionament o è dett o bi pol are.

PWM Uni pol are

In quest o caso vi sono due funzioni di modul azione, una per i componenti superi ori ed una per gli inferi ori , i componenti pert ant o non saranno com andati a coppi a come per il bipolare ma uno per volt a e si avranno le s eguent i com binazioni:

S₁S₄on V_{A n}= V_d V_{B n}= 0 V_o= V_d S₂S₃on V_{A n}= 0 V_{B n}= V_d V_o= -V_d S₁S₃on V_{A n}= V_d V_{B n}= V_d V_o= 0 S₂S₄on V_{A n}= 0 V_{B n}= 0 V_o= 0

in cui n è il condutt ore con potenzial e negativo. In quest o caso la t ensi one i n usci ta ai capi di un cari co vari a t ra Vd e 0 oppure t ra -Vd e 0, da cui i l nome di unipolare per disti nguerlo dal cas o precedent e in cui si pass ava da Vd a -Vd. I vantaggi rispetto al caso precedent e s ono due: a) il raddoppi o dell a frequenz a di comm utazi one, b)il s alto del la t ensione di uscita si ri duce del la m et à. In Fi gura 26 e in Fi gura 2 7 s ono mostrati ri spettivam ent e gl i andam ent i della t ensi one di usci ta VA B per l 'i nvert er m onofase a ponte nel caso bipol are e unipol are. In Fi gura 2 8 e in Fi gura 29 sono riport ati l o spett ro arm oni co norm alizzat o per il caso bi pol are e per quello unipol are. Il vantaggio offert o nel caso unipol are de l raddoppi o dell a frequenz a di s wit ching, appare evident e not ando che l 'arm oni ca più bassa è in quest o caso il doppio di quell a che s i pres ent a nell 'alt ro cas o.

(45)

Figu ra 29 Sp ettro armonico con modu l azi one Unipolare.

Infine, nella zona lineare, l a tensi one concatenata V_{a b} alla 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    (22)

con VA n 1 pari al val ore di p icco dell a fondamentale di fas e , per l a modul azione unil atera, e V_dl a t ensione s ul BUS DC.

d a

An

m

V

₁



(23)

Si ricordi inolt re che, nel caso di invert er a onda quadra, la t ensione concatenata all a frequenza fondament al e ha un valore effi cace pari a:

d d AB V V V 0,9 2 4 1 

_

 (24)

Modul azione a PWM regol at a a ist eresi

Dirett am ent e l egat a all a PWM è l a t ecnica di cont rollo cos iddetta a ist eres i, questa t ecni ca nel campo degli azionam enti cons ent e di imporre l a t ensi one di alim ent azione del carico (m otore), i n funzione dell a form a d'onda della corrente desi derat a e viene indi cat a come CRP WM (Current R egul at ed P uls e Widt h Modul ati on).

La m odalit à di com mutazione dei componenti dell 'invert er avviene secondo la tecni ca del PWM precedent em ent e descrit ta.

Due met odi , in part i col are, sono utilizzati per ott enere gli i mpulsi di comando dei componenti dell 'invert er in modo da cont roll are l a corrente di st atore del motore:

- il cont roll o m edi ante regol at ori ad ist eresi

(46)

Il cont roll o medi ant e regolatori ad ist eresi si otti ene confront ando il val ore istantaneo dell a corrent e di fas e del m otore con una corrente di ri feri mento; quando il valore della corrent e effett iva si dis cos ta da quello di ri ferim en to, oltre i limi ti im post i dalla banda di tol leranza, si verifi ca l a comm utazi one dei com ponenti dell 'inverter. Il confront o delle correnti vi ene effet tuato su tutt e e tre l e fasi.

La frequenz a di commutazi one dei componenti non è cos tant e, ess a varia in funzione del t empo di salit a del la corrent e, quindi s e il cari co è un mot ore risul ta l egat a al val ore dell a f.c.e.m., all 'indutt anza del m otore, ed inoltre al val ore dell a t ensione sul l ato DC . C on quest a regol azione quindi, l 'ondul azione dell a corrente di st at ore int orno al suo valore di ri ferim ent o, risult a di ampi ezza cost ante e di frequenz a vari abi le, alt rim enti s arà neces s ari o effett uare la comm utazi one a frequenza fiss a amm ett endo però che l a corrent e poss a ess ere fuori della banda di t olleranza.

(47)

Figu ra 31 PWM con con troll o di corren te a f requ en za fis sa.

In questo ultim o cas o il controllo può es sere effet tuato m edi ant e regol atori P.I. procedendo nel modo sottoespost o: si calcol a l 'errore tra il valore istant aneo di corrente e il valore di riferim ent o; l 'errore di corrent e cos ì cal col ato rappres ent a l'ingresso del regol atore P. I., il segnale di uscit a del regolat ore, det to t ens ione di controllo, è confront ato, att raverso un comparat ore, con un onda tri angol are di tensione avent e frequenz a cost ant e. L'i ntersezione tra l a tensione di cont rollo e l a t ri angolare, comanda l 'inserim ent o o il disinserim ent o dei componenti dell 'invert er. Con quest a tecni ca l 'ondul azione dell a corrent e rispetto al val ore di riferim ento ri sult a di frequenza cost ant e e di ampi ezza vari abile.

La funzione di t ras ferim ento del blocco P .I. è del ti po



 

 

K I K dt V0

V_cont _p _i _i (25)

dove Kp e Ki s ono l e cost anti di r egol azione e Δi è l 'errore di corrent e. Il primo termine a s econdo membro rappres enta l'el emento proporzi onale del regolat ore che fornisce una regolazione imm edi at a; l 'al tro t ermi ne rappresent a l 'el em ento integral e che agis ce in un t em po più lungo, m a perm et te di annull are l 'errore in regim e perm anent e.

Nel nostro i nvert er: Kp = 1