Misurazioni della potenza su inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso col software Perception

Per provare e valutare gli azionamenti elettrici nelle applicazioni industriali e nei veicoli ibridi ed elettrici, sono necessarie misurazioni di potenza accurate ed altamente dinamiche. Solo prendendo in considerazione il funzionamento ed il metodo operativo dei componenti dell'azionamento, si è in grado di valutare i risultati di tali misurazioni. Pertanto verranno innanzi tutto descritti la struttura ed il funzionamento dell'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso. Seguirà poi la spiegazione di come vengono eseguite le misurazioni di potenza sul convertitore ad impulsi e di come vengono calcolati i vari valori di potenza col software Perception.

1. Introduzione

Gli azionamenti elettrici offrono un'ampia gamma di possibilità d'impiego nei veicoli stradali ad energia rinnovabile [1]. Il veicolo funzionante a batterie è una variante semplice e trasparente.

La Fig. 1.1 mostra il gruppo di trasmissione di questo tipo di veicolo elettrico. La tensione continua (CC) della batteria del veicolo viene convertita dall'inverter modulato ad ampiezza d'impulso trifase in una corrente trifase, e poi collegata ad un motore trifase. A seconda dell'ampiezza della tensione della batteria, vengono impiegati semiconduttori di potenza differenti. Per tensioni della batteria inferiori a 100 V s'impiegano MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), mentre per tensioni più alte si usano IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Quali motori elettrici si utilizzano tipicamente macchine asincrone o sincrone.

Per provare ed ottimizzare i gruppi di trasmissione di un veicolo elettrico sono necessari strumenti di misura innovativi. Essi devono consentire sia misurazioni di potenza di alta precisione che il calcolo di svariati valori intermedi.

Fig. 1.1: Schematizzazione del gruppo di trasmissione di un veicolo elettrico funzionante a batterie

2. Inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso

Un inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso converte una tensione con frequenza variabile in una tensione continua (CC). Data la sua semplicità, viene frequentemente usato l'inverter a due punti. La Fig. 1.1 mostra lo schema circuitale dell'inverter a due punti con tre linee. Ogni linea dell'inverter modulato ad ampiezza d'impulso consiste di un semiponte con due IGBT e dei corrispondenti diodi di potenza. Per basse tensioni della batteria si possono usare i MOSFET. Non occorrono diodi addizionali per gli inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso con MOSET, poiché essi conducono inversamente.

Un semiponte collega un punto di connessione nella macchina (dipendentemente dallo stato di commutazione dei transistor), con il polo positivo o negativo del circuito CC. Nell'inverter ideale qui inizialmente considerato, i commutatori ed i diodi non devono avere alcuna perdita di conduttività nello stato attivato (u = 0) e, in quello disattivato, dovrebbero essere idealmente disattivati (i = 0). Lo stato di commutazione non dovrebbe avere alcun ritardo temporale.

Il metodo operativo di un inverter a due punti diventa particolarmente evidente se si considera la curva temporale della tensione di uscita di un semiponte rispetto al punto M a media tensione "virtuale" nel circuito CC. In funzione del corrispondente segnale di controllo, la tensione eνM con (ν = 1, 2, 3) dell'inverter può assumere il valore +Ud /2 con Sν = 1 od il valore di tensione -Ud /2 con Sν = 0.


(2.01)


Per calcolare le tensioni di linea nella macchina, si devono prima definire le equazioni dell'anello:



(2.02)

Considerando la correlazione u1 + u2 + u3 = 0, si può calcolare lo zero di sistema delle tensioni dell'inverter:  

(2.03)

 

Un inverter a due punti possiede solo 2³ =8 diversi stati di tensione. Nonostante tale limitazione, per generare le tensioni sinusoidali desiderate con un inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso, si usano tipicamente inverter trifasi a modulazione d'ampiezza d'impulso [2]. Con questi metodi si possono generare le tensioni desiderate sottoforma di valori medi di breve periodo.

La Fig 2.1 mostra come vengono generati i segnali di controllo con una semplice modulazione sinusoidale. Una tensione triangolare è confrontata con la tensione sinusoidale desiderata. Se la tensione sinusoidale è maggiore della tensione delta, viene generata una tensione positiva. Se invece la tensione sinusoidale è inferiore di quella delta, l'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso commuta su una tensione negativa. La frequenza della tensione delta è la stessa della frequenza di commutazione a cui operano i semiconduttori di potenza.

Fig. 2.1: Generazione dei segnali di controllo per un inverter trifase a modulazione d'ampiezza d'impulso (PWM). (Per gli utenti di Perception, le funzioni sono disponibili nel banco di lavoro ( work-bench) PWM_INVERTER_CONTROL_1.pVWB. Questo file è scar

3. Misurazioni di potenza su inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso

La potenza elettrica non può essere misurata direttamente, ma va calcolata dai valori di corrente e tensione misurati. Tale procedura è stata previamente descritta in dettaglio in [3]. Non essendo solitamente accessibile un centro stella, le tensioni della stella non possono essere misurate direttamente. I metodi di misura sono spiegati di seguito mediante un centro stella artificiale e con l'ausilio di una tensione fase a fase.

3.1 Misurazioni con centro stella artificiale

Se il centro stella del motore elettrico non è accessibile, non si possono misurare direttamente le tensioni (u1, u2, u3) della stella. Tuttavia, si rendono misurabili le tensioni mediante un "centro stella artificiale". Come mostrato in Fig. 3.1, un centro stella artificiale consiste di tre identici resistori ad alta impedenza. Si può calcolare la potenza istantanea fornita dall'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso con queste tensioni e correnti della stella (i1, i2, i3).


(3.01)

 


Fig. 3.2: Circuito di misura della potenza con un centro stella artificiale


La Fig. 3.3 mostra il risultato di una misurazione con centro stella artificiale. In questo caso l'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso alimenta una macchina asincrona. Le correnti e le tensioni vengono misurate su tutte le tre linee. Nonostante la tensione pulsante dell'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso, la corrente è ancora approssimativamente sinusoidale. Pertanto il segnale in corrente viene usato per derivare il ciclo temporale per il calcolo del valor medio nella misurazione della potenza. Si nota facilmente se il ciclo temporale sia stato rilevato correttamente confrontando la durata del periodo del segnale di corrente con la curva del ciclo i1.

Nel diagramma si può vedere lo sfasamento di 120° fra le tre correnti linea a linea. Come è usuale nel caso di macchine asincrone, la corrente è in ritardo rispetto alla tensione.

La potenza totale effettiva fornita dall'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso viene determinata calcolando il valor medio della potenza istantanea. L'Equazione 3.02 mostra la procedura in Perception.

(3.02)

La potenza apparente S è il prodotto del valore della corrente efficace (RMS) col valore della tensione efficace (RMS). I valori RMS sono calcolati per un periodo. La durata del periodo è determinabile dalla curva della corrente i1 col comando cycleDetect.

In Perception si può calcolare la potenza apparente con le seguenti equazioni:


(3.03)

La potenza reattiva Q si calcola come segue per ciascuna linea


(3.04)

 

La potenza reattiva totale è la somma delle singole potenze reattive.

In Perception si può calcolare la potenza reattiva con le seguenti equazioni:

 


(3.05)

 

Fig. 3.3: Valori misurati (i1,i2,i3,u1,u2,u3) e valori di potenza calcolati (P,Q,S) in funzione del tempo. (Per gli utenti di Perception queste misurazioni sono disponibili nel file: Artificial Star Measurement_V1.pNRF)

3.2 Misurazioni di potenza con tensioni fase a fase

Per calcolare le tensioni della stella si possono usare le tensioni fase a fase:


(3.06)

La direzione di conteggio della tensione fase a fase si vede nello schema 3.4. Vengono poi eseguiti ulteriori calcoli con le tensioni della stella per i vari valori di potenza come mostrato nella sezione 3.1.

La prestazione operativa di un motore elettrico si può facilmente interpretare con un centro stella artificiale, ad esempio se è coinvolto un punto operativo del motore o generatore. Il consumo asimmetrico di potenza si rileva più facilmente con le misurazioni con il centro stella artificiale piuttosto che con le misurazioni delle tensioni fase a fase.

Fig. 3.4: Diagramma per la misurazione di potenza con tensioni fase a fase

4. Sommario

Questa relazione ha spiegato le misurazioni di potenza su un convertitore ad impulsi, la cui struttura e funzionamento sono stati descritti per primi. Le misurazioni della potenza sono state spiegate utilizzando le tensioni a stella con l'ausilio del centro stella artificiale e con quello delle tensioni fase a fase. È preferibile eseguire le misurazioni usando il centro stella artificiale poiché è più facile interpretare i risultati. Tutti i calcoli necessari sono già implementati nel software Perception. Gli utenti di Perception possono scaricare le serie di dati e le formule da utilizzare dalla pagina iniziale (homepage) del sito HBM.

5. Referenze

[1]    D. Eberlein; K. Lang; J. Teigelkötter; K. Kowalski: Elektromobilität auf der Überholspur: Effizienzsteigerung für den Antrieb der Zukunft [Elettromobilità nella corsia di sorpasso: incremento dell'efficienza per gli azionamenti del futuro]; proceedings of the 3rd conference of Innovation Messtechnik [Innovazione nella Tecnologia di Misura]; 14 Maggio 2013

[2]    J. Teigelkötter: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Azionamenti elettrici energicamente efficienti], 1a edizione, Springer Vieweg Verlag, 2013 

[3]    Berechnung von Leistungsgrößen mit Perception-Software [Calcolo dei valori di potenza col software Perception] http://www.hbm.com/de/menu/tipps-tricks/messdatenerfassung/berechnung-von-leistungsgroessen-mit-perception-software/

[4]    www.hbm.com

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