Le prove di efficienza di macchine elettriche e inverter elettrici viste dalla prospettiva dell’utente

Quando si progetta un sistema di azionamento del motore elettrico, indipendentemente dall'applicazione, ci sono tre elementi:

alimentatore
convertitore di energia elettrica
motore

Spesso questi elementi si presentano sotto forma di una batteria che funge da bus CC - un inverter che modifica la potenza CC in corrente alternata e un motore che utilizza la corrente alternata per convertire l'energia elettrica in energia meccanica. Questo viene talvolta definito conversione elettro-meccanica della potenza.

Cosa stanno cercando di ottenere gli engineers?

Nella progettazione di questi sistemi, gli ingegneri cercano fondamentalmente di massimizzare l’efficienza in un ciclo di funzionamento, massimizzando la coppia per amp per il maggior numero di punti possibile. A volte questo risultato si ottiene tramite un design intelligente della macchina, altre volte implementando una tecnica di controllo appropriata. Inverter, dispositivo di controllo e motore: tutti questi elementi devono funzionare bene insieme per raggiungere l’obiettivo, ma spesso essi vengono sviluppati separatamente, causando problemi quali, ad esempio, una grande differenza di efficienza tra motore e inverter. Per questo motivo, i tecnici che lavorano a livello di sistema cercano di massimizzare il Fattore di Potenza in tutto il sistema. Potrebbe valere la pena di utilizzare un motore leggermente meno efficiente, se questo può aumentare l’efficienza della trasmissione del motore.

In questo articolo, Mitchell Marks spiega le basi e i requisiti per testare inverter e macchine elettriche. Cosa gli piace di questa applicazione:

"I motori hanno conquistato il mondo industriale per 100 anni senza avere alcuna capacità di essere controllati perché erano puliti e affidabili, bastava collegarli e andavano. Ora che abbiamo la possibilità di gestirli, vengono integrati ovunque dai telefoni cellulari a sottomarini. Con così tante applicazioni il lavoro non finirà mai e nessun giorno sarà mai lo stesso."
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Quali informazioni sugli alimentatori?

Gli alimentatori per queste applicazioni sono quasi sempre batterie; a volte, però, è possibile che sia presente un sistema di raddrizzatori da una linea di corrente che crea un Bus DC. Questo Bus DC può essere sollevato o abbassato per mezzo di un convertitore DC-DC che alimenta un inverter. Il convertitore DC-DC può anche essere incluso in un sistema di batterie per regolare il Bus DC al livello accettato dall’inverter. Queste batterie sono in genere batterie a ioni di litio nella gamma 200-400 volt per le applicazioni automotive, ma possono arrivare anche a 600-800 volt. Non molti utenti hanno scelto di andare oltre questi valori perché lavorare con un potenziale di corrente continua così alto può essere molto difficile.

Electric motor system setup — Impostazione tipica di un sistema con motore elettrico

Il ruolo dell’inverter

L’inverter è una parte molto importante del sistema perché è responsabile della conversione della potenza e delle funzioni di controllo. Gli inverter sono solitamente composti da sei interruttori (per il funzionamento trifase) che si aprono e si chiudono secondo una determinata sequenza per generare corrente alternata. Questa sequenza viene eseguita ad una frequenza di commutazione solitamente compresa tra 9kHz e 25kHz. Se inferiore ai 9kHz, la frequenza diventa chiaramente udibile, ma è necessaria per le applicazioni con elevata potenza, in modo da tagliare le perdite. Le frequenze di commutazione più alte sono limitate dai limiti fisici degli interruttori e dalle maggiori perdite di commutazione. Solitamente si tratta di interruttori IGBT o MOSFET, dove è il livello di corrente a determinare la scelta dell’interruttore. I MOSFET sono solitamente scelti per le basse potenze. Gli IGBT invece sono destinati a potenze maggiori. Maggiori frequenze consentono di usare dispositivi passivi più piccoli e avere un maggiore controllo. Di conseguenza è stato investito molto nei dispositivi con ampia band gap. I più comuni sono i dispositivi al carburo di silicio o nitruro di gallio (GAN). Questi dispositivi hanno minori perdite e possono solitamente funzionare con correnti e frequenze di commutazione maggiori. Hanno costi proibitivi e non sono molto robusti attualmente, ma sono il futuro.

Schematic drawing of power supply - inverter - motor

Assumere il controllo?

Il controllo è un tema su cui la maggior parte delle persone non ama divulgare informazioni specifiche. Si tratta di un software, quindi è facile tenerlo nascosto. Il responsabile del controllo guarda la velocità e la coppia e determina la frequenza di commutazione, il metodo di modulazione a larghezza di impulso (PWM) e il modo per ottimizzare l’efficienza. Questi aspetti possono variare velocemente durante un ciclo. La maggior parte dei metodi di controllo, indipendentemente dal tipo di motore, sono una versione del controllo ad orientamento di campo (FOC). Attualmente sta aumentando la tendenza a utilizzare controlli di corrente di tipo Deadbeat, per cui tutti i controlli saranno controlli a loop chiuso.

Il dispositivo di controllo è il punto in cui avviene la trasformazione diretta e in quadratura (dq0) del quadro di riferimento. Si tratta di una traslazione matematica per visualizzare e controllare la PWM in base a quanto serve al sistema; una semplice manipolazione di seno e coseno con una posizione di riferimento per fare in modo che 3 fasi sembrino 2 (aspetto non banale).

Ci sono voluti 50 anni per capire e controllare la macchina a induzione dal punto di vista della matematica. È incredibile che si sia iniziato a utilizzare la macchina 50 anni prima di capirla!

I modelli devono essere validati

Tutti usano modelli a computer prima di fare qualsiasi cosa. I modelli costano poco e possono essere azionati molto rapidamente in maniera ottimizzata. La costruzione di motori e dispositivi di controllo non è un processo rapido; l’ottimizzazione dei motori e dei dispositivi di controllo viene effettuata tramite modelli e FEA. Tutti passano da questa fase prima di costruire qualsiasi cosa. I modelli sono ottimi per prevedere il comportamento dei motori e degli inverter e sono uno strumento incredibilmente utile. La maggior parte delle aziende si avvale di un team di ingegneri dedicato che lavora sui modelli. I ricercatori apprezzano la validazione dei modelli perché consente loro di riporre maggiore fiducia negli stessi e quindi utilizzarli per prevedere il comportamento dei motori e degli inverter. La validazione dei modelli è un campo in cui i nostri prodotti entrano in gioco.

La maggior parte delle applicazioni ha delle restrizioni in termini di dimensioni e costi che influiscono su molte variabili prima ancora dell’inizio della progettazione del motore.

È quindi possibile scegliere la topologia e i minimi dettagli in base allo schema di controllo che i gruppi intendono utilizzare. Altre scelte possibili riguardano il raffreddamento e l’avvolgimento dei motori. I tipi di motore principali sono: a induzione, a magneti permanenti, a bobine di campo e commutati a riluttanza. I motori a induzione sono i più semplici da controllare e i più facili da capire e sono quindi i più utilizzati nel settore; hanno però lo svantaggio che il campo deve essere eccitato, il che provoca delle perdite. I motori a magneti permanenti (PM) vengono ampiamente utilizzati nelle applicazioni in cui l’efficienza è importante e le dimensioni costituiscono una limitazione, poiché hanno una densità di potenza maggiore dal momento che il magnete alimenta il campo rotore invece che provocare perdite al rotore

Questi motori PM richiedono la presenza di un inverter e particolare cura (specialmente per quanto riguarda il raffreddamento) quando funzionano in modalità diverse. Inoltre, presentano perdite in termini di rapporto costante tra potenza e velocità (CPSR) perché il campo non può essere indebolito molto facilmente. L’indebolimento del campo è un metodo utilizzato per ridurre il campo magnetico del rotore allo scopo di aumentare la velocità di una macchina. Nelle macchine con motore a induzione o PM, è possibile indebolire il campo introducendo corrente dall’asse q. La necessità di avere quantità di corrente dall’asse q (utilizzata per controllare la coppia) o dall’asse d (utilizzata per controllare il campo rotore) per il controllo di tipo FOC è il motivo per cui molti gruppi sono interessati al monitoraggio degli schemi dq0 in tempo reale. Con una macchina PM è necessario fare ulteriori considerazioni, poiché i magneti possono smagnetizzarsi in fase di indebolimento del campo e potrebbe essere necessario monitorare la forza controelettromotrice.

I motori a riluttanza sincrona (SR) hanno un rotore molto semplice che non è altro che una lamina con uno schema preciso. Questi motori usano la proprietà della coppia di riluttanza per creare un movimento rotatorio. Sono molto utili in diverse applicazioni grazie alla facilità di costruzione, ma presentano lo svantaggio di generare grandi quantità di rumore e vibrazioni. Per questo motivo, sono stati finora utilizzati solo in configurazioni particolari. Durante le prove di queste macchine i ricercatori dovrebbero disporre di una mappa delle vibrazioni per capire quali vibrazioni dovute a coppia e velocità sono più intense.

Più il motore è freddo, più le perdite diminuiscono; al diminuire delle perdite corrisponde un aumento dell’efficienza.

Inoltre, se i magneti si scaldano troppo, possono smagnetizzarsi in alcune zone, il che può avere conseguenze decisamente negative. Per questo, è molto importante mantenere raffreddati spire e commutatori. I commutatori presentano le perdite maggiori e possono addirittura esplodere se si scaldano troppo. I ricercatori impiegano molto del tempo dedicato alla progettazione a studiare nuove strategie di raffreddamento per aumentare l’efficienza delle macchine. I sistemi di raffreddamento utilizzano spesso acqua, olio o glicole pompato e spruzzato sulle zone che si desidera raffreddare.

L’importanza del raffreddamento delle macchine ha fatto sì che il monitoraggio diventasse una parte fondamentale delle operazioni di funzionamento e prova. Nelle prove devono essere utilizzate coppie termiche per il monitoraggio delle temperature che vengono registrate o inviate a un sistema di controllo per lo spegnimento. Per i ricercatori è utile che i valori registrati siano sincronizzati con i dati perché in questo modo possono sapere dove e quando si sono verificate variazioni di temperatura in risposta ai loro controlli. Anche questa è un’area dove i dati possono essere utilizzati per la validazione dei modelli.

Aumento dell’efficienza

Il modo migliore per misurare molti degli aspetti di cui sopra è utilizzare la mappatura dell’efficienza e le prove di tipo dinamometrico. A tutti interessa aumentare l’efficienza del proprio sistema; per farlo, è importante disporre dei dati grezzi perché in questo modo, se qualcosa non va per il verso giusto, è possibile fare riferimento alle prove precedenti ed effettuare un’analisi approfondita in un programma post-elaborazione come MATLAB. Inoltre, tutto questo è molto importante per le prove dinamiche perché in fase di caricamento dinamico o di prove sui cicli di funzionamento, senza i dati grezzi la misurazione dell’efficienza non può essere abbastanza precisa.

All’inizio delle prove si ha una tensione pre-impostata del bus DC, seguita da una velocità pre-impostata.

La macchina viene poi caricata con una determinata coppia. Questa operazione viene eseguita per tutte le coppie desiderate e per tutte le velocità disponibili nella gamma della macchina. Si ottengono così le efficienze per tutti i punti impostati e quindi una mappa dell’efficienza. Questi punti vengono poi portati a un intervallo di temperatura specifico. In alcuni casi è necessario aspettare che la macchina si raffreddi per poter registrare un punto di prova. È qui che il sistema eDrive Testing di HBM consente di risparmiare molto tempo perché registrare i punti di prova in un determinato numero di cicli invece che in pochi secondi fa sì che la macchina impieghi meno tempo a riscaldarsi.

Spesso, gli utenti provano le macchine al loro limite con il risultano di distruggerle, o quasi. Cercano di spingere la macchina alla massima velocità per capirne i limiti meccanici. La capacità di effettuare un trigger e di avere a disposizione dati memorizzati in un buffer consente ai ricercatori di capire non soltanto dove la macchina non ha funzionato, ma anche perché non ha funzionato.