Misurazioni potenza su inverter a modulazione impulso Misurazioni potenza su inverter a modulazione impulso | HBM

Misurazioni della potenza su un inverter a modulazione di ampiezza di impulso con il software Perception

Per valutare e testare i motori elettrici in applicazioni industriali e per i veicoli ibridi ed elettrici, diventa sempre più necessario poter effettuare misurazioni della potenza estremamente dinamiche. Per una corretta valutazione di questi risultati, è necessario considerare il funzionamento e le modalità operative dei componenti del sistema di trasmissione.

Lo sviluppo di veicoli ibridi elettrici richiede che sui motori elettrici vengano eseguite misurazioni della potenza a tre fasi (trifase). Il presente articolo descrive il funzionamento dell’inverter a modulazione di ampiezza di impulso e il calcolo dei valori di potenza tramite il software Perception.

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). Pulse width modulated inverters can be used to power both asynchronous (Induction) and synchronous machines.

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.

Inverter a modulazione di potenza di impulso

Un inverter a modulazione di potenza di impulso converte la corrente continua in corrente alternata con frequenza e ampiezza variabili. Grazie alla sua semplicità d’uso, l’inverter a due livelli viene utilizzato in numerose applicazioni. Nella Figura 1.1 è raffigurato lo schema del circuito elettrico di un inverter a due punti e tre gambe. Ogni gamba dell’inverter a modulazione di potenza di impulso è costituita da un circuito half-bridge con due transistor bipolari a gate isolato (IGBT) e i corrispondenti diodi di potenza. Per basse tensioni di batteria, è possibile anche utilizzare i MOSFET. Gli inverter a modulazione di potenza di impulso con MOSFET non richiedono l’aggiunta di ulteriori diodi, poiché sono a conduzione inversa.

Un circuito half-bridge connette un punto di connessione all’interno della macchina (a seconda dello stato di commutazione dei transistori) con il polo positivo o negativo del circuito intermedio. Nell’inverter ideale che abbiamo preso in considerazione inizialmente, i commutatori e i diodi non dovrebbero presentare perdite di conducibilità nello stato “attivo” (u = 0) e, nello stato “disattivo”, dovrebbero essere disabilitati (i = 0). Lo stato di commutazione dovrebbe anche implicare l’assenza di ritardi.

La modalità operativa di un inverter a due punti è particolarmente chiara quando la curva temporale della tensione in uscita di un circuito half-bridge viene considerata in rapporto a una presa di tensione media M “virtuale” nel circuito intermedio. Le tensioni dell’inverter eνM con ν = 1, 2, 3, a seconda del segnale di controllo corrispondente, possono assumere il valore +Ud /2 con Sν = 1 o 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 tre fasi è dotato di tre gambe e due commutatori per gamba in soli 2³ =8 diversi stati di tensione. Questo numero limitato di stati di tensione ha reso necessaria la presenza di dispositivi di controllo più avanzati negli inverter per fornire ai motori un’ampiezza di frequenza e tensione variabile. La modulazione di ampiezza di impulso è una strategia di controllo che consente di ottenere un ampio spettro di frequenze e ampiezze di tensione con solamente 8 stati di commutazione. Ciò avviene fornendo impulsi di corrente continua di diversa lunghezza al motore, che di fatto costituiscono un’onda sinusoidale quando vengono commutati a una frequenza sufficientemente alta.

Nella Figura 2.1 viene illustrata la modalità di generazione dei segnali di controllo tramite una semplice modulazione sinusoidale-triangolare. La tensione triangolare viene confrontata con la tensione sinusoidale desiderata: se la tensione sinusoidale è maggiore della differenza di tensione, viene generata una tensione positiva. Se la tensione sinusoidale è inferiore alla differenza di tensione, l’inverter a modulazione di ampiezza di impulso genera una tensione negativa. La frequenza della tensione triangolare è equivalente alla frequenza di commutazione dei semiconduttori di potenza.

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.

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)

 

 

Misurazioni della potenza della tensione 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 precedente.

The measurement of the voltage at a star point allows for the detection of imbalances in the machine. An imbalance means that one or more phase voltages or currents are not uniform to the others. These imbalances could indicate a problem with the control, motor, or inverter.

Sommario

Nel presente report abbiamo spiegato le modalità di esecuzione delle misurazioni della potenza su un inverter a modulazione di ampiezza di impulso. Nella prima parte abbiamo descritto il design e il funzionamento dell’inverter a modulazione di ampiezza di impulso. 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.

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] https://www.hbm.com/de/3783/berechnung-von-leistungsgroessen-mit-perception-software/

[4]    www.hbm.com

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