Nuovi sviluppi nelle misure di potenza degli oscilloscopi

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1 Nuovi sviluppi nelle misure di potenza degli oscilloscopi Chi progetta sistemi industriali di potenza esegue misure per convalidare progetti e risolvere problemi a scopo di certificazione e altro. I dispositivi da collaudare variano da controllori di motori industriali a gruppi di continuità (UPS). Storicamente l oscilloscopio è lo strumento di misura prescelto per questo tipo di lavoro, ma l ambito della potenza presenta delle sfide in termini di sicurezza e della natura complessa delle forme d onda da misurare. Il presente articolo descrive i nuovi sviluppi nel campo degli oscilloscopi che consentono di eseguire misure complesse di potenza in sicurezza, con efficacia ed efficienza. Introduzione Gli utenti di potenza industriale spesso lavorano con dispositivi flottanti o con masse diverse e misurano regolarmente alte tensioni e correnti che costituiscono un grave rischio in termini di sicurezza. Chi progetta sistemi che hanno a che fare con l elettronica di potenza, d altro canto, deve convalidare i propri progetti e assicurarsi che siano conformi alle normative. Di qui nasce l esigenza di avere strumenti di misura che offrano buon rendimento, sicurezza e precisione. Va inoltre sottolineato che tali strumenti devono essere portatili in modo da poter essere trasportati facilmente tra il tavolo da lavoro, il laboratorio di potenza e il campo. Questioni di sicurezza Storicamente l oscilloscopio è lo strumento prescelto dai tecnici che devono esaminare il comportamento dei sistemi di potenza. Quando eseguono misure di potenza, i tecnici hanno spesso bisogno di analizzare complesse forme d onda AC e non si possono limitare ai livelli DC. Questo lavoro a volte comporta la misura di tensioni flottanti senza un riferimento di terra e pertanto potenzialmente rischiose.

2 La maggior parte dei dispositivi elettronici ha una cosiddetta massa strutturale a cui si collegano le masse dei vari circuiti. Si dice in questo caso che i segnali del dispositivo hanno un riferimento di terra, con presunto potenziale di terra a zero volt. La massa strutturale si collega a propria volta alla terra dell alimentazione della rete attraverso il cavo AC. La maggior parte degli oscilloscopi è creata perché si adatti a questo ambiente. I loro sistemi di messa a terra, a partire dal cavo AC ai cavi di messa a terra della sonda, sono collegati alla stessa massa del dispositivo in fase di collaudo. Tuttavia, ci sono molte situazioni in cui è necessario acquisire segnali tra due punti di test, entrambi sotto tensione, senza che alcuno sia a potenziale di terra. Se si collega il cavo di terra di una sonda passiva convenzionale dell oscilloscopio a uno dei punti di test si dà alla corrente una facile via di fuga, creando un cortocircuito potenzialmente pericoloso e dannoso. Canali isolati Queste sfide sono state affrontate in una nuova serie di oscilloscopi che presentano ingressi completamente isolati e che sono create apposta per effettuare misure flottanti in sicurezza e con precisione (fig. 1). Con questa nuova architettura degli ingressi, nessuno dei conduttori del canale di ingresso viene messo a terra, anche quando l oscilloscopio funziona a corrente alternata. Di conseguenza, un progettista può limitarsi a usare una sonda passiva per misurare segnali con livelli di riferimento superiori o inferiori alla massa di terra. Il tecnico non deve preoccuparsi della polarità del segnale o del suo rapporto con la terra, eliminando così la possibilità di creare un cortocircuito indesiderato che potrebbe danneggiare il circuito in fase di collaudo o il sistema di test, se non addirittura ferire l operatore. Per tensioni superiori, è disponibile una sonda speciale che offre isolamento sicuro da terra e isolamento integrale tra canali, con una performance del canale isolato 600 V RMS CAT II (flottante) fino a 1000 V RMS.

3 Fig. 1. La Serie Tektronix TPS2000 di oscilloscopi a memoria digitale è studiata proprio per migliorare l efficienza dei progettisti e dei tecnici che si occupano di sistemi di potenza industriale: riuniscono quattro canali isolati e un ingresso di trigger isolato esterno grazie alla tecnologia IsolatedChannel in attesa di brevetto, alla tecnologia di campionamento digitale in tempo reale, alle otto ore di funzionamento continuo della batteria, alle funzioni di analisi di potenza e alla porta di memorizzazione di massa CompactFlash, il tutto in un pacchetto facilmente trasportabile. Misure trifase L uso di quattro ingressi isolati offre una piattaforma ideale per misure su dispositivi e sistemi trifase, in cui i tecnici hanno bisogno di un mezzo che permetta di osservare simultaneamente il comportamento sulle tre fasi della forma d onda di potenza (fig. 2). L impiego di quattro canali d ingresso isolati e indipendenti consente di eseguire misure fase-fase, fase-terra e su una qualsiasi o tutte le fasi allo stesso momento. Non è necessario spostare la sonda da fase a fase, come servirebbe con uno strumento tradizionale di misura a 2 ingressi. Inoltre, chi progetta o installa sistemi può visualizzare gli effetti di carico, le dipendenze e le condizioni transitorie tra tutte e tre le fasi nel momento in cui si verificano. Al contempo, il quarto canale oltre all ingresso

4 di trigger può monitorare altri segnali correlati nel sistema. Tutti questi ingressi sono isolati dalla terra per motivi di sicurezza. Fig. 2. Usando un oscilloscopio a 4 canali con canali isolati e sonde con caratteristiche adeguate, è possibile eseguire comodamente misure trifase come per esempio tensione AC, corrente, fattore di cresta, frequenza e angolo di fase. Software di misura I tecnici che lavorano sui sistemi di potenza spesso devono eseguire misure complesse, tra cui per esempio misure di armoniche o di perdite di commutazione, per esempio. Questi compiti vengono resi più semplici dalla disponibilità di un software di misura della potenza integrato nell oscilloscopio che consente ai tecnici di eseguire diverse misure sui sistemi di potenza industriali a partire dagli azionamenti di motori elettrici fino ai gruppi di continuità. Questo pacchetto offre potenti funzioni di analisi e rapide misure pre-conformità per garantire l idoneità alla certificazione dei nuovi progetti. Va inoltre sottolineato che il software non si limita a semplificare ma addirittura velocizza il processo di misurazione e garantisce risultati coerenti e ripetibili. Sostituisce i calcoli manuali con analisi di potenza automatizzata, analisi di forme d onda, e analisi di fase, e facilita l interpretazione delle misure regolando automaticamente le unità di visualizzazione

5 dell oscilloscopio e i fattori di scala per leggere le unità corrette quando vengono usate con le adeguate sonde di corrente e di tensione. Il risultato è che al progettista vengono risparmiati calcoli pesanti e l esecuzione di misure multiple. Armoniche di potenza I tecnici che lavorano con carichi non lineari sanno che i progetti tendono a creare ripidi picchi di potenza positivi e negativi. I rapidi cambiamenti sia di impedenza sia di corrente entro il sistema di potenza possono influire sulla forma d onda della tensione sull alimentatore di rete, appiattendola o deformandola. Queste deviazioni dalla forma ideale di un onda sinusoidale contengono delle armoniche che possono provocare surriscaldamento del motore e del trasformatore, risonanze meccaniche e correnti pericolosamente alte nei conduttori neutri del sistema trifase. Inoltre, le armoniche in linea potrebbero violare le normative. Di conseguenza, i progettisti di sistema devono considerare e misurare il comportamento delle armoniche nei loro prodotti. Con il nuovo pacchetto software di misura di potenza, è possibile eseguire con massima facilità analisi delle armoniche su forme d onda di tensione o di corrente (fig. 3). Il software traccia livelli fino alla 50 a armonica, fornendo le informazioni necessarie per determinare se il prodotto testato soddisfa i requisiti normativi. Offre un metodo efficace di conformità pre-certificazione agli standard IEC EN e EN AM14 all inizio del ciclo di progettazione, consentendo di risparmiare tempo e di eliminare costosi rifacimenti dei progetti.

6 Fig. 3. Esecuzione di tracce automatizzate dei livelli armonici fino alla 50 a armonica offre informazioni necessarie alla conformità pre-certificazione agli standard IEC EN e EN AM14. Perdite di commutazione La dissipazione (perdita) di potenza sugli elementi di commutazione come Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) influisce sull efficienza e sui costi operativi dei sistemi che usano i dispositivi. I progettisti devono conoscere queste perdite e inefficienze. Le frequenze più alte di commutazione sono un altro fattore che incide sulle misure della perdita di commutazione. Complesse misure di perdita di commutazione possono far perdere tempo sui progetti che sarebbe altrimenti dedicato all innovazione e al miglioramento dei prodotti. Anche in questo caso viene offerta una funzione di uso intuitivo per eseguire rapide misure di perdita di commutazione. Quando tale funzione viene associate a un oscilloscopio che usa una tecnologia digitale di sovracampionamento ad alta velocità in tempo reale (DRT), è possibile gestire le più elevate frequenze di commutazione attualmente in uso, garantendo risultati accurati sull intera gamma di topologie di alimentazione. Piattaforma versatile La collaudata tecnologia di campionamento DRT usata in questi nuovi oscilloscopi esegue acquisizioni in tempo reale fino all intera larghezza di banda dello strumento (fino a 200 MHz) per acquisire con precisione eventi intermittenti o transitori e non frequenti e rapidi rise time del segnale. Tra le altre caratteristiche vi sono i trigger condizionali che contribuiscono a isolare rapidamente i segnali più interessanti, oltre a 11 diverse misure automatiche per aumentare ulteriormente l efficienza. Una funzione matematica integrata della Trasformata Veloce di Fourier (FFT) offre informazioni nel dominio della frequenza per velocizzare la risoluzione dei problemi e l analisi di base della deformazione.

7 I pulsanti retroilluminati del menu e i controlli di contrasto/luminosità aiutano gli utenti a lavorare in zone poco illuminate. Controlli simili su ciascun canale rendono gli strumenti facili da usare, mentre funzioni come per esempio impostazione automatica, range automatico, misure automatiche, una guida wizard per il controllo della sonda e menù sensibili al contesto danno un impulso alla produttività sia di esperti sia di novellini. Un esclusivo accessorio opzionale permette all utente di sospendere l oscilloscopio a una porta o a un supporto facilitandone la regolazione. Una porta integrata per card CompactFlash offre grande spazio per memorizzare configurazioni e risultati delle misure. Oltre ai vantaggi salva-spazio rispetto alla memoria su disco, la card CompactFlash facilita il trasporto dei dati dall oscilloscopio a un PC. Flessibilità di impiego Per soddisfare l esigenza di flessibilità indicata, l uso di due batterie intercambiabili a strumento acceso consente di impiegare l apparecchio per 8 ore continuative senza dover disporre di una fonte di elettricità a corrente alternata. Per chi progetta sistemi industriali, questa possibilità offre la libertà di lavorare sul tavolo da lavoro, di trasferire l oscilloscopio al laboratorio, e quindi di portare lo strumento sul campo per l installazione di un sistema, il tutto con la stessa comodità. Le batterie eliminano inoltre la necessità di lavorare accanto a una fonte di elettricità AC, e danno un vero senso di sicurezza essendo lo strumento visibilmente isolato dalla terra nel corso di misure flottanti ad alta tensione. Kit completo di strumenti La combinazione di un oscilloscopio portatile con canali di ingresso isolati e di un sofisticato software di misura e analisi di potenza offre versatilità e precisione per misurare segnali flottanti ad alta tensione e segnali logici a bassa tensione con la stessa facilità, anche contemporaneamente. Il pacchetto software aggiunge l efficienza dell analisi automatizzata alla piattaforma, creando un kit completo di strumenti per la progettazione di sistemi industriali di potenza e test applicativi.

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