CAPITOLO 1 INTRODUZIONE. tali dispositivi, chiamati convertitori, convertono la tensione AC in

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1 CAPITOLO 1 INTRODUZIONE Negli ultimi anni c è stata una grande diffusione di componenti elettronici di potenza per alimentare e gestire il funzionamento di macchine elettriche nell industria e nell uso domestico. Normalmente tali dispositivi, chiamati convertitori, convertono la tensione AC in DC ( raddrizzatore ), e poi la DC in AC ( inverter ) per poter ottimizzare il funzionamento della macchina. In tali conversioni si generano delle armoniche che vengono iniettate a monte nella tensione di alimentazione, rendendo distorta la tensione di rete, oppure a valle nella macchina elettrica. Le prime si possono solo filtrare se la loro entità non è troppo grande, mentre le seconde vengono in qualche modo controllate dai dispositivi di controreazione del convertitore. Il mio progetto di tesi si occupa dell analisi delle deformazioni di forme d onda legate all uso di convertitori. Ho realizzato un sistema di misura per la verifica di un algoritmo per il calcolo della potenza delle coppie di armoniche isofrequenziali presenti 1

2 contemporaneamente nella tensione e nella corrente di un sistema trifase. L oggetto della misura sono le armoniche provenienti da un inverter trifase con controllo PWM che alimenta un motore asincrono caricato da un freno. La scelta dell inverter Omron SYSDRIVE3G3MV proviene dall esigenza di voler monitorare e controllare i principali parametri durante l acquisizione dei dati e di avere in ridotte dimensioni la possibilità di simulare in un laboratorio il funzionamento di apparati elettronici di potenza di uso pratico nell industria. Una accurata analisi di mercato, mirata a soddisfare le specifiche dei dati da analizzare con l algoritmo, mi ha portato alla scelta di tre sonde di tensione ( DP25 ) e di tre sonde di corrente ( A100 ) della Chauvin-Arnoux con la migliore precisione per garantire che il valore misurato fosse il più uguale possibile al valore vero. Poiché il segnale proveniente dalle sonde subisce una conversione A/D ho dovuto garantire il rispetto del teorema di campionamento: campionando a 5 MHz ho realizzato tre filtri antialiasing con frequenza di taglio a 10 khz per limitare la banda del segnale delle 2

3 sonde di tensione. La scelta di questa banda è legata alla frequenza di taglio del filtraggio passa-basso naturale delle sonde di corrente. Data la necessità di calcolare la potenza di un sistema trifase ho scelto delle schede di acquisizione che mi garantissero l acquisizione su sei canali contemporaneamente e con una elevata frequenza di campionamento, quest ultima rispetta l idea intrinseca dell algoritmo di voler conoscere finemente il segnale e quindi l armonica in esame in un range di frequenza molto stretto. La scelta di due schede di acquisizione PCI-6110E della National Instruments sincronizzabili e che acquisiscono simultaneamente su 4 canali ha risolto entrambi i problemi. La gestione dell hardware per l acquisizione avviene attraverso un programma scritto in LabVIEW da me ideato dopo un attento studio dell hardware. Il programma restituisce due file di tipo text contenenti i valori campionati rappresentanti, nell istante di campionamento, i segnali provenienti dalle sonde di tensione e di corrente. Questi due file vengono poi analizzati da un programma scritto in linguaggio HiQ che ho usato per implementare l algoritmo. Ho scelto il linguaggio HiQ per le sue doti grafiche di rappresentazione dei 3

4 risultati e per la sua solidità derivante da linguaggi di programmazione più affermati sui quali esso si fonda: il risultato è che l utente in ogni istante ha la percezione visiva che il programma sta funzionando e al termine dell esecuzione ha un eccellente presentazione dei risultati, tutto unito ad una discreta velocità computazionale. L inverter e ogni apparato del sistema di misura è stato verificato per garantire la veridicità dei valori dichiarati dalle ditte costruttrici attraverso una serie di prove realizzate con i più comuni strumenti di laboratorio e spesso analizzando i risultati matematicamente. Ho verificato l algoritmo con vari set di dati acquisiti tra alimentazione e inverter dopo un accurata analisi dello spettro fasefase dell ingresso e dell uscita. I risultati dell algoritmo possono essere usati per: 1. quantificare il contributo di potenza dovuto alle armoniche 2. compensare gli effetti delle armoniche di corrente per garantire la qualità della rete di alimentazione 3. minimizzare le armoniche in uscita dai convertitori. Il naturale sviluppo dell algoritmo è la costruzione di un microprocessore destinato al controllo di macchine elettriche. 4

5 CAPITOLO 2 GENERAZIONE DELLE ARMONICHE DA SISTEMI DIGITALI DI CONTROLLO 2.1 INTRODUZIONE Il presente capitolo tratterà delle principali tecniche di controllo di un motore asincrono mettendo in luce i sistemi e le modalità di funzionamento degli apparecchi del banco di misura da me analizzato. Per avere una visione di insieme spiegherò in generale ( fig. 2.1) il sistema per poi vedere in dettaglio all interno di ogni singolo paragrafo ogni apparato. Power Supply DRIVE CONTROLLER POWER CONVERTER MOTOR SISTEMA MECCANICO Current feedback Speed feedback Fig 2.1: Schema generale di controllo di un motore asincrono 5

6 In tutti i moderni apparati di comando di un motore è richiesto un preciso controllo della velocità, rotazione e posizionamento con grande stabilità e rapida risposta nel tempo. Tutto ciò è garantito dagli inverter dc ac che lavorano con la tecnica del feedback. All interno del convertitore c è un raddrizzatore per raddrizzare la tensione trifase in una continua e un inverter che alimenta e comanda secondo varie tecniche il motore. Poiché la corrente alternata del convertitore non è sinusoidale, il circuito genera delle armoniche di corrente che creano degli abbassamenti di tensione a monte del raddrizzatore causando così una distorsione del power supply molto fastidiosa per apparecchi alimentati dalla stessa rete. Anche l uscita in tensione e in corrente dell inverter normalmente risulta non sinusoidale peggiorando le prestazioni del motore. Il filtraggio delle armoniche non è possibile se la frequenza di uscita varia in un ampio range o se le armoniche di basso ordine hanno un elevata ampiezza. Quindi la tensione di uscita varia insieme alla frequenza per mantenere sempre un giusto equilibrio: questo equilibrio è garantito dalla tensione di controllo dell inverter che con varie tecniche di 6

7 modulazione regola le commutazioni dell intero dispositivo. La tecnica più usata è il PWM, che dà le migliori prestazioni se la modulazione è corretta, altrimenti le armoniche introdotte possono essere maggiori della fondamentale [1]. E tanto importante ridurre le armoniche indesiderate per evitare surriscaldamenti del motore o cattivi funzionamenti nella regolarità della rotazione, o diminuzioni nella coppia del motore. Nello schema a blocchi il motor è un motore asincrono e il sistema meccanico è il carico, nel mio caso rappresentato da un freno. 7

8 2.2 PWM I convertitori a frequenza variabile sono l interfaccia tra il power supply e i motori ad induzione, e devono soddisfare i seguenti requisiti [2]: devono stabilizzare la frequenza secondo la velocità di uscita desiderata devono mantenere la tensione d uscita per mantenere costante la rotazione devono fornire una rated current in tutto il range di frequenze di utilizzo. ac dc ac 50 Hz (3-Ô) a Rectifier Filter Inverter Motor Output Fig 2.1: Schema di un convertitore La fig. 2.1 mostra uno schema di base per descrivere il funzionamento di un convertitore: la tensione alternata di alimentazione è convertita in una tensione DC da un rettificatore che può essere controllato o no, e poi c è un inverter che invia tensioni e correnti al motore trifase 8

9 regolabili in ampiezza e in frequenza. Questi convertitori sono classificati secondo il tipo di raddrizzatore e inverter usato: PWM-VSI ( Pulse-width-modulated voltage source inverter ) con diodo rettificatore Square-wave VSI ( Square-wave voltage source inverter ) con un tiristore rettificatore CSI ( current source inverter ) con un tiristore rettificatore La differenza tra VSI e CSI è che nel VSI la tensione d ingresso continua appare come una sorgente di tensione continua all inverter mentre nel CSI appare come una sorgente di corrente continua. La fig. 2.2a descrive lo schema di un PWM-VSI con un diodo rettificatore e la fig. 2.2b è lo schema di un square-wave VSI. In entrambi gli schemi c è una grande capacità che serve come sorgente all inverter in modo che quest ultimo veda sempre un impedenza piccola alle frequenze di commutazione. I circuiti usati come interruttori utilizzano le due tecniche di controllo PWM o ad onda quadra. La fig. 2.2c rappresenta lo schema di un CSI dove il convertitore è controllato dalla linea di tensione commutata; a causa 9

10 Fig. 2.2: Classificazione dei convertitori a frequenza variabile della grande induttanza nel collegamento dc l inverter vede un sorgente di corrente. 10

11 E possibile usare tutti e tre i tipi di guida per motori generici ad induzione, anche se la tendenza è di usare il PWM-VSI per potenze superiori alle centinaia di hp. La tecnica PWM sfrutta la modulazione a larghezza di impulso: si genera una forma d onda triangolare a frequenza prefissata che viene confrontata con una tensione di controllo. La forma d onda triangolare impone la frequenza di commutazione degli interruttori e quindi va scelta in relazione al tipo di interruttore che si utilizza, poiché la tecnica PWM ha buone caratteristiche in termini di velocità di risposta si usano MOSFET o IGBT per le commutazioni. Il confronto tra le due forme d onda avviene in un comparatore ( vedi fig. 2.3 e fig. 2.4 ) e si verifica che se: A +, B - ON V contr >V tri allora V AB V d A -, B + OFF al contrario se, A -, B + ON V contr < V tri allora V AB -V d A +, B - OFF 11

12 Fig.2.3: Schema a blocchi del generatore di V contr Fig. 2.4: Circuito di potenza del full-bridge Generalmente il segnale di controllo è ottenuto amplificando l errore, cioè la differenza tra la tensione desiderata e il valore misurato attraverso un processo di feedback. E la forma d onda che si manifesta è del tipo di fig In base al tipo di onda di controllo esistono vari tipi di PWM, io andrò ad esaminare le tecniche di PWM unipolare, dipolare e sinusoidale [4]. La tecnica bipolare sfrutta un segnale triangolare e lo confronta con una segnale di controllo costante. Se indichiamo con D il duty-cicle 12

13 Fig 2.5: Generazione della tensione di controllo del ramo A, che varia tra 0 e 1 a seconda del valore di V contr esso può esprimersi come: D= V contr / V tri Noto D è noto anche V An : poiché A + e B - sono comandati dallo stesso D, allora A - e B + sono comandati dal complementare di D, allora: V An = DV d E sul morsetto B, essendo comandato con un duty-cycle complementare presenta una ciò è visibile in fig 2.6 V Bn = (1-D)V d 13

14 Fig. 2.6: PWM a modulazione bipolare La V 0 è pari a: V 0 = V An V Bn = DV d (1 D)V d 14

15 Ciò ci permette di variare V 0 tra +V d ( quando D=1 ) e V d (quando D=0 ), tale tecnica, poiché D = V contr / V tri,, al variare di V contr nel range di dinamica e al variare di D, fa si che V 0 vari tra +V d e V d. La tecnica unipolare ( fig. 2.7 ) utilizza gli impulsi che provengono dal confronto tra la triangolare e due tensioni di controllo per comandare gli interruttori. Le due tensioni di controllo hanno stessa ampiezza ma polarità opposta. Dal confronto tra V tri e +V contr deriva la sequenza di commutazione del ramo A, e analogamente dal confronto tra V tri e V contr quella del ramo B ottenendo la logica di fig. 2.7b e di fig. 2.7c. Con questa tecnica si creano delle grandezze in uscita indipendenti per ciascun ramo e gli impulsi V An e V Bn hanno valor medio che dipende dal livello della V tri rispetto alla V contr. La tensione prelevata ai morsetti A e B, cioè V AB è la differenza istante per istante tra V An e V Bn ( fig. 2.7d ): Vo = V AB = V An - V Bn La tecnica PWM unipolare ha una tensione in uscita che non assume mai valori negativi, il suo profilo assume valori tra 0 e V d. Poiché 15