"Convertitore CC/CA per sistemi fotovoltaici connessi alla rete: progetto e realizzazione" Ing. Pierangelo Sandri settembre 2007 siepan@libero.

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1 Capitolo 6 Collaudo 6.1 Apparecchiature per il collaudo Per poter effettuare tutte le prove necessarie a verificare il corretto funzionamento dell inverter sperimentale si è utilizzata la strumentazione qui elencata: - Alimentatore stabilizzato: necessario a fornire la tensione di alimentazione richiesta dai circuiti ausiliari, tensione duale ±15V e +3V. - Oscilloscopio: è stato utilizzato un oscilloscopio digitale a 4 canali LeCroy, corredato di: o una sonda di corrente ad effetto Hall con banda passate 20MHz, necessaria per la misura delle correnti di ingresso e ucita. o una sonda differenziale di tensione da 700V con banda passante di 20MHz, necessaria per misurare le alte tensioni del circuito, e soprattutto indispensabile per effettuare misure di tensione fuori massa. - Generatore DC in alta tensione: utilizzato per fornire la tensione del link in continua. L alimentatore a disposizione è un alimentatore con tensione di uscita variabile da 0 a 500V potenza di uscita massima 1.5KW con una corrente massima erogabile di 5A. - Carico resistivo per l inverter: è un carico resistivo in grado di dissipare una potenza nominale di 1000W alla tensione alternata di rete di 230V, per tale scopo è stato utilizzato un termoventilatore (comune stufetta elettrica) modificata in modo tale che l alimentazione del ventilatore sia svincolata da quella delle resistenze riscaldanti. Effettuando delle misure di resistenza e induttanza si è caratterizzato tale carico (tab 6.1). Frequenza di misura [Hz] 100 1K 10K Resistenza T=25 [Ω] Induttanza [µh] Tabella 6.1: caratterizzazione del carico resistivo utilizzato - Wattmetro digitale: VT130 della Yokogawa, dotato di due canali, in grado ciascuno di effettuare contemporaneamente misure di tensione, corrente, potenza, e distorsione armonica fino ad una frequenza pari alla 55-esima armonica della frequenza fondamentale di rete. - Modulatore PWM: è stato implementato un modulatore PWM a componenti discreti (vedi seguito). Pagina 79 di 111

2 Watmetro DIGITALE CH1 CH2 I+ + I- V+ V I+ J1 I- V+ J7 V- GENERATORE HV Alimetatore stabilizzato Prototipo J6 Carico 50ohm - J2 + PWM Genaratori di funzioni Figura 6.1: layout di collaudo Modulatore PWM Per poter generare un segnale PWM con tutte le sue caratteristiche facilmente impostabili e variabili secondo le necessità si sono utilizzati due generatori di funzioni e il circuito di figura 6.2. Un generatore di funzioni è utilizzato per generare il segnale triangolare della forma d onda portante con ampiezza 20V pp e frequenza 20kHz. L altro generatore è utilizzato per generare la forma d onda modulante, è quindi impostato per generare un onda sinusoidale di ampiezza variabile tra 0 e 20V pp e frequenza di 50Hz. Il circuito di figura 6.2 confronta i segnali dei due generatori e genera i segnali di comando dei due rami del ponte generando quindi la modulazione PWM unipolare. +Vcc Generatore 1 Portante 20KHz U3 LM311 1K Q12 +Vcc -Vcc 0 +Vcc Generatore 2 Modulante 50Hz U U4 7 1K Q UA LM311 -Vcc -Vcc 0 Figura 6.2: modulatore PWM Pagina 80 di 111

3 6.2 Taratura Prima di iniziare con le misurazioni e l effettivo collaudo della scheda è richiesta una breve procedura preliminare di taratura dei circuiti ausiliari. Di seguito sarà illustrata passo-passo tale procedura: 1) Taratura offset segnale di corrente: mantenendo scollegato il generatore HV e il carico si alimentano i circuiti ausiliari e ruotando il trimmer Rv 52 si deve impostare una tensione del piedino di uscita del segnale di corrente I L (connettore J6 pin 15) di 1.5V. 2) Taratura offset segnale di tensione di rete: nelle condizioni del punto 1, si varia la resistenza Rv 44 in modo tale che il pin 17 del connettore dei segnali di uscita J6 assuma una tensione di 1.5V. 3) Taratura attenuazione delle tensione di link: si collega ora il generatore di alta tensione, nell apposito connettore J1, lentamente si aumenta la tensione del link fino a raggiungere la tensione nominale di 450V. Agendo sulla resistenza variabile Rv 19 si deve regolare la tensione presente nel pin 13 del connettore J6 in modo tale che assuma un valore di 3 3 Vlink = 450 = 2.7V. V 500 link _ max 4) Taratura attenuazione tensione di rete: si collega ora il modulatore PWM impostato in modo tale che l ampiezza del segnale modulante sia 0. Si aumenta gradualmente l ampiezza del segnale modulante fino ad ottenere un valore della tensione di uscita (connettore J2) di 620V pp. Per effettuare una misurazione con buona precisione si è utilizzato l oscilloscopio e la sonda differenziale di tensione. Ruotando Rv 41 si farà in modo che la forma d onda di tensione presente nel piedino 17 di J6 assuma un ampiezza picco-picco pari a: 3 3 VLpp = Vgrd = 620 = 2.6V (6.1) pp V 750 grd pp max Eseguiti correttamente i precedenti punti si possono considerare i circuiti ausiliari tarati e pronti per essere collegati alla scheda del DSP di controllo. 6.3 Misurazioni generali Tempi morti di comando Figura 6.3: Configurazione di misura tempi morti Pagina 81 di 111

4 Per la misura dei tempi morti sono stati cortocircuitati i morsetti di ingresso J1 e J2. In questo modo si può effettuare la misura della tensione sui gate driver dei due IGBT di una stessa gamba utilizzando normali sonde da oscilloscopio, senza bisogno, cioè, di sonde con ingresso differenziale. Dalla figura 6.4, ottenuta effettuando le misurazioni schematizzate nella figura 6.3, si osserva che l effettivo tempo morto di comando inserito internamente dal gate-driver è di 600ns, 100ns superiore di quello che è stato impostato nel progetto. Figura 6.4: segnali di comando degli IGBT di uno stesso ramo Tensione nell IGBT in commutazione Per effettuare questa misurazione si è mantenuto stabilmente acceso l interruttore inferiore del secondo ramo del ponte e pilotato il primo ramo con un onda quadra di frequenza 20kHz. Con lo schema di misurazione seguente si sono ottenute le forme d onda di figura 6.5. Figura 6.5: schema di misurazione Pagina 82 di 111

5 Figura 6.6: Commutazione ai capi di Q2 con corrente di uscita positiva OSSERVAZIONI: L intervallo di tempo a è il tempo di spegnimento dell interruttore superiore del ramo, nell intervallo b è in conduzione solo il diodo D 2 in antiparallelo all interruttore S 2. All istante c viene fornito il segnale di accensione al gate di Q 2 ma, essendo già in conduzione il diodo in antiparallelo, la commutazione dell interruttore avviene a tensione nulla e quindi non dà luogo a dissipazione di potenza. Il tempo a+b è il tempo morto di comando inserito dal gate-driver che risulta essere di 700ns Corrente di ingresso dell inverter Nella configurazione di collaudo adottata (fig. 6.1), al posto di un generatore di corrente costante è presente in ingresso un generatore di tensione costante. Tale generatore deve erogare una corrente di uscita variabile con una componente media di ampiezza tale da fornire la potenza attiva erogata al carico. Con la sonda ad effetto Hall si sono effettuate le misure della corrente in ingresso all inverter con varie potenze di uscita. Si può osservare come su tutti i grafici la condizione sulla componente media della corrente erogata dal generatore sia rispettata e che l ondulazione di corrente ha una frequenza di 100Hz, doppia rispetto a quella delle corrente di uscita. Pagina 83 di 111

6 Figura 6.7: corrente di ingresso dell inverter I bst con potenza di uscita di 500W Figura 6.8: corrente di ingresso dell inverter I bst con potenza di uscita di 1000W Pagina 84 di 111

7 6.3.4 Corrente sugli induttori di filtro Per la misura della corrente sull induttore L 2 si è misurata direttamente la corrente di carico, invece per la misura della corrente sull induttore L 1, non avendo a disposizione un punto in cui poter inserire la sonda, è stato utilizzato direttamente il LEM già presente nei circuiti ausiliari. È stata quindi effettuata la misurazione della tensione ai capi della resistenza di conversione R 26. Con le funzioni matematiche implementabili nell oscilloscopio si è riscalato il segale di tensione ai capi di R 26 trasformandolo linearmente in una forma d onda con escursione di 1V/Ampere. Le forme d onda ottenute sono visibili in fig Si può osservare che la corrente che attraversa L 2 è uguale al valore medio della corrente di L 1. Nella corrente I L1 è presente il tipico ripple triangolare a 40kHz dovuto alla modulazione PWM bipolare con portante a 20kHz. Figura 6.9: Correnti negli induttori di filtro Pagina 85 di 111

8 6.3.5 Corrente e tensione sul carico Figura 6.10: tensione e corrente misurata in uscita dell inverter quando il carico sta assorbendo una potenza di 250W Figura 6.11: tensione e corrente misurata in uscita dell inverter quando il carico sta assorbendo una potenza di 500W Pagina 86 di 111

9 Figura 6.10: tensione e corrente misurata in uscita dell inverter quando il carico sta assorbendo una potenza di 1000W Figura 6.10: tensione e corrente misurata in uscita dell inverter quando il carico sta assorbendo una potenza di 1400W Pagina 87 di 111

10 Rendimento e distorsione Queste due tipologie di misurazioni sono effettuate utilizzando il Wattmetro digitale VT130. Questo strumento, oltre che effettuare misure di potenza contemporaneamente su due canali distinti, è in grado di calcolare il reale valore efficace di ogni singola armonica di tensione e di corrente, fornendo anche il fattore di distorsione fino alla 50-esima armonica. Con il lay-out di misura (fig. 4.1), variando la frequenza della portante, l indice di modulazione m a e la tensione del link DC si sono effettuate le seguenti misurazioni. F sw =10kHz Dc_Link=450V P o /P nom P o P i V grd P o /P i [%] THD [%] 0, ,2 83,33 4,79 0, ,9 89,38 3,21 0, ,3 92,59 2,76 0, ,8 94,06 2,1 0, ,01 1,85 0, ,8 95,60 1,61 0, ,01 1,58 0, ,1 96,29 1,43 0, ,7 96,39 1,28 0, ,2 96,57 1,22 1, ,4 96,81 1,21 1, ,9 96,83 1,18 1, ,2 96,94 1,17 1, ,7 97,09 1,22 1, ,22 1,25 Dc_Link=400V P o /P nom P o P i Vgrd P o /P i [%] THD [%] 0, ,72 2,58 0, ,91 2,2 0, ,90 1,7 0, ,25 1,66 0, ,7 95,69 1,39 0, ,6 96,16 1,29 0, ,9 96,46 1,2 0, ,1 96,69 1,11 0, ,5 96,85 1,01 0, ,20 0, ,18 0,87 1, ,7 97,35 0,8 1, ,7 97,40 0,9 1, ,6 97,45 1,1 1, ,56 1,47 Tabella 6.1: misurazioni effettuate alla frequenza di commutazione di 10kHz Pagina 88 di 111

11 Fsw=20kHz Dc_Link=450V P o /P nom P o P i V grd P o /P i [%] THD [%] 0, ,5 79,37 5,7 0, ,9 86,21 4,18 0, ,3 90,91 3,07 0, ,5 93,17 2,9 0, ,8 94,12 2,56 0, ,5 94,88 2,4 0, ,9 95,24 2,24 0, ,2 95,77 1,94 0, ,4 96,04 1,8 0, ,2 96,16 1,77 1, ,44 1,71 1, ,8 96,66 1,68 1, ,78 1,68 1, ,8 96,88 1,73 1, ,2 97,03 1,76 Dc_Link=400V P o /P nom P o P i V grd P o /P i [%] THD [%] 0, ,6 50,2 82,51 3,13 0, ,5 88,60 2,79 0, ,59 2,46 0, ,9 94,06 2,29 0, ,3 95,25 2,08 0, ,7 95,61 1,91 0, ,85 1,71 0, ,30 1,62 0, ,5 96,51 1,57 0, ,57 1,37 1, ,81 1,2 1, ,5 96,92 1,37 1, ,7 96,93 1,47 1, ,73 2,43 Tabella 6.2: misurazioni effettuate alla frequenza di commutazione di 20kHz Fsw=30KHz Dc_Link=450V P o /P nom P o P i V grd P o /P i [%] THD [%] 0, ,3 75,76 5,29 0, ,1 84,87 4,21 0, ,2 90,13 3,52 0, ,2 92,05 3,33 0, ,26 2,8 0, ,9 94,36 2,65 Pagina 89 di 111

12 0, ,9 94,81 2,5 0, ,9 95,11 2,3 0, ,4 95,48 2,24 0, ,75 2,18 1, ,7 96,07 2,11 1, ,08 2,11 1, ,2 96,32 2,11 1, ,4 96,44 2,26 1, ,1 96,56 2,35 Dc_Link=400V P o /P nom P o P i V grd P o /P i [%] THD [%] 0, ,5 78,13 3,3 0, ,7 86,32 3,01 0, ,2 91,36 2,84 0, ,9 93,48 2,8 0, ,37 2,57 0, ,9 94,89 2,47 0, ,1 95,24 2,25 0, ,4 95,63 2,09 0, ,9 96,05 1,87 0, ,2 96,26 1, ,3 96,25 1,97 1, ,7 96,49 2 1, ,4 96,31 3 Tabella 6.3: misurazioni effettuate alla frequenza di commutazione di 30kHz Rendimento 100,00 95,00 Rendimento [%] 90,00 85,00 Po/Pi [10KHz 450V] Po/Pi [10KHz 400V] 80,00 Po/Pi [20KHz 450V] Po/Pi [20KHz 400V] 75,00 Po/Pi [30KHz 450V] Po/Pi [30KHz 400V] 70,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 P_nominale/Po Figura 6.12: Andamento del fattore di distorsione THD in funzione della frequenza di commutazione e della tensione di link Pagina 90 di 111

13 THD (a) THD [10KHz 450V] THD [10KHz 400V] THD [20KHz 450V] THD [20KHz 400V] THD [30KHz 450V] THD [30KHz 400V] THD [%] 3 (b) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 P_nominale/Po Figura 6.12: Andamento del fattore di distorsione THD in funzione della frequenza di commutazione e della tensione di link Osservazioni sul rendimento Come da considerazioni fatte sul capitolo del dimensionamento, si osserva che al diminuire della frequenza di commutazione o della tensione del link il rendimento aumenta, ciò e dovuto essenzialmente alla riduzione della diminuzione del numero di commutazione che da luogo ad una riduzione delle potenza persa dagli IGBT in commutazione. Osservazioni grafico THD (fattore di distorsione) Si osserva che al diminuire della frequenza di commutazione anche la distorsione diminuisce ciò sta ad indicare che gran parte della distorsione è causata dalla presenza dei tempi morti, quindi al diminuire della frequenza dalla portante si diminuisce l incidenza dei tempi morti (formula 3.8). Anche diminuendo la tensione si nota un miglioramento del THD ciò è dovuto solo alla presenza in uscita di un carico resistivo, per fare in modo che esso assorba la stessa potenza si è obbligati ad aumentare l indice di modulazione, aumentando l indice di modulazione viene ridotto il peso percentuale dell errore dovuto ai tempi morti riducendo cosi il fattore di distorsione. Nella zona a si ha un rapido aumento della distorsione in quanto per ottenere una bassa potenza sul carico resistivo si deve generare una bassa tensione di uscita, per far ciò la tensione del segnale modulante, uscente dall apposito generatore di funzioni, deve essere tenuta molto piccola. Con piccoli valori di tensione il contributo di eventuali non Pagina 91 di 111

14 linearità e offset presenti nel circuito del modulatore diventa significativo. Effettuando la modulazione PWM in un altro modo ad esempio con un apposito µp l anomalia presente nella zona a dovrebbe scomparire. Nella zona b le curva di distorsione tracciate con tensione di link di 400V subiscono un improvviso aumento, in quanto la tensione di 400V scelta per il link inizia ad essere troppo vicina alla massima tensione presente ai capi del carico, ciò genera delle non linearità nella relazione che lega la modulazione PWM e la tensione di uscita. Tali non linearità provocano un arrotondamento della forma d onda di tensione in prossimità del massimo valore aumentando quindi la distorsione totale. Se l inverter fosse stato fatto funzionare connesso alla rete tale problema non si sarebbe verificato in quanto la massima tensione d uscita rimane sempre vincolata alla tensione di rete cioè pari a circa 230 2=325V, sufficientemente lontana dalla tensione del link. Pagina 92 di 111