Analisi dei laboratori del CNR-ISSIA u.o.s. di Palermo ed

CNR-ISSIA u.o.s. di Palermo
Istituto di Studi sui Sistemi Intelligenti per l'Automazione
Via Dante, 12 - 90141 Palermo (Italy)
Tel. +39 091 6113513 Fax +39 091 6113028
Rapporto tecnico n. 407
Anno 2011
Analisi dei laboratori del CNR-ISSIA u.o.s. di Palermo
ed individuazione di possibili interventi migliorativi
Autori:
M. Luna, A. Sauro, S. G. Scordato
“Esemplare fuori commercio per il deposito legale agli effetti della Legge 15 aprile 2004, n. 106”
Gli autori sono i soli responsabili del contenuto di questo rapporto tecnico
Data di creazione: 5 novembre 2010
Prima distribuzione al pubblico e deposito legale: 18 luglio 2011
C.F. 80054330586
P.I. 02118311006
Sede legale: Via G. Amendola 122/D-I – 70126 Bari (Italy) Tel. +39 080 5929429 Fax +39 080 5929460
INDICE
Introduzione ....................................................................................................................................... 3
Organizzazione del documento.......................................................................................................... 3
1. Il laboratorio Energie Rinnovabili ed Azionamenti Elettrici ......................................................... 4
2. Il laboratorio Interferenze Elettromagnetiche Condotte e Power Quality (EMC1) ..................... 11
3. Il laboratorio Compatibilità Elettromagnetica (EMC2) ............................................................... 16
4. Interventi proposti ........................................................................................................................ 21
4.1 Migrazione verso una piattaforma di sviluppo con architettura FPGA ......................... 23
4.2 Realizzazione di una linea di distribuzione in corrente continua................................... 24
4.3 Realizzazione di un inverter V/f per azionamenti automotive....................................... 25
Conclusioni e sviluppi futuri............................................................................................................ 26
Riferimenti bibliografici .................................................................................................................. 27
All rights reserved. Part of this paper may be reproduced with the authorization of the authors and quoting the source.
Tutti i diritti riservati. Parti di questo rapporto possono essere riprodotte previa autorizzazione citando la fonte.
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 407 – 2011
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INTRODUZIONE
L’ISSIA-CNR (Istituto di Studi sui Sistemi Intelligenti per l’Automazione, Consiglio Nazionale
delle Ricerche) u.o.s. di Palermo dispone di una serie di laboratori a servizio delle attività di ricerca
condotte su diverse tematiche.
In particolare, i laboratori Energie Rinnovabili ed Azionamenti Elettrici consentono di effettuare
ricerche teoriche e sperimentali sulla conversione dell'energia nella forma meccanica-elettrica,
mediante macchine elettriche rotanti e lineari, ed elettrica-elettrica, a partire da fonti energetiche
rinnovabili reali (pannelli fotovoltaici e fuel cell) ed in emulazione (fotovoltaico, eolico e fuel cell). Ad
essi si affianca il laboratorio Elettronica di Potenza, per la simulazione e realizzazione di prototipi di
convertitori elettronici di potenza di tipo DC/DC e DC/AC a servizio dei primi due laboratori.
Il laboratorio Interferenze Elettromagnetiche Condotte e Power Quality è dedicato all’analisi delle
problematiche legate ai disturbi condotti nell’ambito della compatibilità elettromagnetica ed alla qualità
della fornitura di energia elettrica. L’analisi delle interferenze elettromagnetiche radiate è effettuata,
invece, nel laboratorio Compatibilità Elettromagnetica, il quale è dotato di strutture e strumentazioni
che consentono di realizzare tutte le tipologie di prove di EMC (ElectroMagnetic Compatibility) su
prototipi o su apparecchiature elettriche finite secondo le norme internazionali.
Il presente documento è stato redatto allo scopo di analizzare lo stato di ciascun laboratorio ed
individuare possibili interventi migliorativi in vista di nuove attività di ricerca.
Nella prima parte del documento, pertanto, si fornisce la descrizione di ciascun laboratorio, delle
principali attività ivi condotte, della relativa dotazione strumentale e delle realizzazioni prototipali. La
descrizione è completata da una serie di rilievi fotografici della strumentazione specialistica e delle
realizzazioni più significative. Nella seconda parte del documento, invece, si forniscono una serie di
indicazioni per attuare possibili interventi migliorativi.
ORGANIZZAZIONE DEL DOCUMENTO
Il presente documento è articolato come segue. L’introduzione inquadra la tematica affrontata,
cioè la descrizione dei laboratori di ricerca in dotazione all’ISSIA-CNR u.o.s. di Palermo.
Il primo capitolo descrive in dettaglio i laboratori Elettronica di Potenza, Energie Rinnovabili ed
Azionamenti Elettrici, le cui attività sono fortemente interconnesse.
Il capitolo successivo propone la descrizione del laboratorio Interferenze Elettromagnetiche
Condotte e Power Quality, mentre nel terzo capitolo è descritto il laboratorio Compatibilità
Elettromagnetica. I possibili interventi migliorativi individuati sono proposti nel quarto capitolo.
Vengono, infine, presentate le conclusioni su quanto discusso e la possibilità di sviluppi futuri.
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 407 – 2011
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1.
LABORATORIO
ELETTRICI
ENERGIE
RINNOVABILI
ED
AZIONAMENTI
Ubicazione: piano terra
Descrizione
Si tratta di un unico locale che ospita tre laboratori le cui attività sono fortemente interconnesse: il
laboratorio Elettronica di Potenza, il laboratorio Azionamenti Elettrici e il laboratorio Energie
Rinnovabili.
Il laboratorio Elettronica di Potenza consente di effettuare simulazioni numeriche di tecniche di
controllo per convertitori elettronici di potenza di tipo DC/DC e DC/AC, e di realizzare prototipi di
convertitori, comprendenti lo stadio di potenza, lo stadio di segnale e la relativa sensoristica, per
l’utilizzo negli altri due laboratori.
Il laboratorio Azionamenti Elettrici è attrezzato per effettuare simulazioni numeriche e prove
sperimentali su banchi prova con macchine elettriche rotanti e lineari, per l'implementazione di
tecniche di controllo di motori e generatori basate sul controllo non lineare e su intelligenza artificiale
al fine di ottimizzare le prestazioni e l'affidabilità dell’azionamento.
Infine, il laboratorio Energie Rinnovabili dispone di strumentazione che consente di provare diverse
architetture per la conversione di energia da fonte rinnovabile, di implementare i relativi algoritmi di
controllo per la massimizzazione dell'energia generata e di verificarne l'impatto sulla rete elettrica
monofase o trifase. Esso è dotato di fonti rinnovabili reali (pannelli fotovoltaici e fuel cell) ed in
emulazione (fotovoltaico, eolico e fuel cell); le varie sorgenti rinnovabili, reali o emulate, possono
essere utilizzate indipendentemente oppure in modo contemporaneo e coordinato.
Principali attività di ricerca condotte
Le attività condotte nei suddetti laboratori sono relative alle seguenti tematiche:
• progetto e realizzazione di prototipi di convertitori elettronici di potenza DC/DC e DC/AC con
strutture innovative (multilivello, soft-switching, a matrice, multisorgente) e relativi algoritmi di
controllo per applicazioni nei settori automotive, conversione di energia da fonti rinnovabili e
azionamenti elettrici;
•
studio, progettazione e realizzazione di nuove topologie di convertitori DC/DC a basso ripple
della corrente di ingresso e relative tecniche di controllo, da interfacciare con sistemi di energia
rinnovabile basati su cella ad idrogeno di tipo PEM;
•
realizzazione prototipale di inverter multilivello di tipo neutral-point-clamped (NPC),
controllati con innovative tecniche di controllo in grado di massimizzare lo sfruttamento dei
gradi di libertà del convertitore elettronico di potenza, garantendo al contempo il bilanciamento
del punto medio del DC link;
•
prototipi di filtri attivi di potenza monofase e trifase e sistemi di cancellazione attiva dei disturbi
di modo comune per azionamenti industriali;
•
sviluppo e implementazione sperimentale di tecniche di controllo vettoriali (di tipo VOC =
Voltage Oriented Control e DPC = Direct Power Control) ad elevate prestazioni dinamiche per
sistemi di generazione distribuita da fonti rinnovabili che garantiscano il collegamento con la
rete elettrica di potenza anche in caso di reti deboli o con distorsioni dovute a carichi non lineari
già presenti, minimizzando al contempo l’emissione di armoniche;
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 407 – 2011
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•
sviluppo di algoritmi MPPT (Maximum Power point Tracking) per generatori fotovoltaici con
tecniche ibride basate su reti neurali artificiali e metodologie Perturb & Observe che si adattino
alle condizioni meteoclimatiche, generalmente variabili, e consentano di ottenere energia in
condizioni difficili da gestire, quali l’ombreggiamento parziale;
•
sviluppo di tecniche MPPT per generatori eolici con macchina asincrona basate su reti neurali
artificiali di tipo GNG (Growing Neural Gas) con particolare riferimento ai sistemi dotati di
turbine eoliche a pitch variabile, che si adattino alle condizioni meteoclimatiche, generalmente
variabili, e consentano di ottenere energia in condizioni difficili da gestire, quali la modesta
velocità del vento;
•
sviluppo e implementazione sperimentale di tecniche avanzate di controllo per sistemi di
generazione distribuita da fonti rinnovabili per l’immissione controllata dell’aria in celle a
combustibile di tipo PEM (Proton Exchange Membrane) basate su regolatori tradizionali PI e
sul controllo predittivo;
•
sviluppo e implementazione sperimentale di tecniche di ottimizzazione dei flussi di energia
elettrica provenienti da più sorgenti rinnovabili tramite opportuni circuiti elettronici di potenza e
tecniche di intelligenza artificiale, per il miglioramento delle prestazioni delle singole sorgenti
ed il loro coordinamento per l’utilizzo di tutta l’energia generabile con il supporto di sistemi
tradizionali ove necessario;
•
sviluppo ed implementazione di tecniche di analisi intelligente dei dati meteoclimatici per la
previsione della producibilità di energia elettrica di impianti alimentati da fonti rinnovabili;
•
sviluppo e implementazione sperimentale di tecniche di controllo DTC (Direct Torque Control)
di azionamenti ad elevate prestazioni con motore asincrono ed inverter a tre livelli di tipo NPC
con bilanciamento del punto medio del DC link;
•
sviluppo e implementazione sperimentale di tecniche di controllo sensorless ad elevate
prestazioni dinamiche per azionamenti elettrici con motore lineare asincrono trifase (LIM)
basate su osservatori di tipo MRAS (Model Reference Adaptive System), che tengono in
considerazione gli effetti di bordo;
•
sviluppo ed implementazione di tecniche di controllo sensorless per azionamenti elettrici ad
elevate prestazioni con motore asincrono mediante osservatori basati su reti neurali lineari tipo
TLS EXIN;
•
sviluppo e implementazione sperimentale di tecniche di controllo sensorless per azionamenti
elettrici brushless a magneti permanenti, basate su iniezione di segnale e filtraggio intelligente
dei segnali, e basate su osservatori intelligenti della velocità angolare della macchina;
•
sviluppo e implementazione sperimentale di attuatori intelligenti (macchine elettriche rotanti e
lineari a struttura innovativa controllate da intelligenza artificiale, manipolatori robotici a
diversi gradi di libertà) pensati per essere inseriti in piattaforme per l'automazione industriale
con intelligenza distribuita.
Dotazione/Strumentazione specialistica
•
N. 3 moduli fotovoltaici in Silicio monocristallino da 235 Wp ciascuno e n. 3 moduli in Silicio
policristallino da 230 Wp.
•
Fuel cell MES-DEA con tecnologia PEM, da 1 kW a 24-38 V + software di controllo.
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•
Emulatore di campo fotovoltaico e di fuel cell da 1 kWp, costituito da generatore pilotato da PC
con sistema DSP T.I., convertitore DC/DC di tipo boost da 3 kW e alimentatori TDK-Lambda
da 600 V 5.5 A (fig. 1).
•
Inverter grid-connected Elettronica Santerno SUNWAY-T 460 V DC, 400 V AC 50 Hz trifase,
10 kW, 12 kWp (fig. 2)
•
N. 3 sistemi di acquisizione di dati climatici della LASTEM adatti, rispettivamente, per
montaggio all’esterno con alimentazione mediante apposito pannello fotovoltaico (BABUC
ABC), per ambienti interni (BABUC ABC, fig. 3) e per uso portatile (BABUC/A, fig. 4).
•
Kit di sensori per i precedenti sistemi di acquisizione: sensori di temperatura, umidità,
radiazione solare globale, radiazione UV, illuminamento, velocità del vento, etc.
•
Motore asincrono da banco con rotore accessibile da 1 kW 400 V e relativo encoder a 1024
impulsi.
•
Motore asincrono da banco da 0,95 kW 380 V e relativo volano 0,03 Kgm2 max 3000 giri/min.
Realizzazioni
Le attività condotte nei tre laboratori hanno prodotto le seguenti realizzazioni.
Laboratorio Elettronica di Potenza
• inverter grid connected per l’interfacciamento di sorgenti energetiche rinnovabili DC con la rete
elettrica di distribuzione dell'energia ed implementazione del relativo sistema di controllo
(fig. 5);
•
inverter trifase per sorgenti energetiche rinnovabili DC con possibilità di funzionamento gridconnected e stand-alone (fig. 6);
•
inverter a tre livelli di tipo neutral-point-clamped (NPC) di potenza fino a 10 kW, controllato
con innovative tecniche di controllo tipo DPC/DTC in grado di massimizzare lo sfruttamento
dei gradi di libertà del convertitore elettronico di potenza, garantendo al contempo il
bilanciamento del punto medio del DC link (fig. 7-8);
•
convertitore DC/DC specifico per fuel cell caratterizzato da basso ripple della corrente di
ingresso.
Laboratorio Azionamenti Elettrici
• banco prova per motore lineare costituito da motore lineare LIM marca BALDOR da 380 V
2.1 A 14.5 lbs, PC dedicato con piattaforma dSPACE, interfaccia di condizionamento segnali
(tensione, corrente, encoder, etc.), inverter trifase Semikron, autotrasformatore trifase e modulo
raddrizzatore Semikron (fig. 9-10);
•
prototipo di azionamento elettrico ad elevate prestazioni dinamiche con motore sincrono a
magneti permanenti di potenza frazionaria pari a 15 W, utilizzante uno stimatore di velocità
angolare e posizione basato sull'iniezione di carrier di tensione pulsante e filtraggio neurale
adattativi;
•
banco di prova per azionamenti elettrici e per emulazione turbina eolica, costituito da due
macchine PMSM comandate tramite convertitore Control Techniques, accoppiate
rispettivamente ad un generatore asincrono SEIMEC 2,2 kW 400 V e ad un generatore PMSM.
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Le diverse macchine possono funzionare in modo reversibile da motore o da generatore. Il
sistema è comandato da un PC dedicato con piattaforma dSPACE attraverso un inverter trifase
Semikron e la circuiteria per il condizionamento dei segnali (fig. 11-12).
Laboratorio Energie Rinnovabili
• banco prova per fuel cell costituito da fuel cell MES-DEA da 1 kW + notebook con relativo
software di controllo, convertitore DC/DC di tipo boost a basso ripple della corrente di ingresso,
alimentatore Digimess 0-24 V 0-50 A, wattmetro HAMEG HM8115-2 fino a 8 kW (500 V
16 A) e reostati di carico (fig. 13-14);
•
banco di prova per generazione da rinnovabile ed immissione in rete che comprende PC
dedicato con piattaforma dSPACE, interfaccia di controllo e condizionamento dei segnali,
inverter trifase Semikron, trasformatore di isolamento per connessione alla rete (fig. 5). Esso
può essere collegato al banco di prova per emulazione turbina eolica (fig. 11) in configurazione
back to back;
•
banco di prova per generazione da rinnovabile grid-connected e stand-alone che comprende PC
dedicato con piattaforma dSPACE, interfaccia di controllo e condizionamento dei segnali,
inverter trifase, trasformatore di isolamento per connessione alla rete e carichi RL (fig. 6).
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Fotografie
Fig. 1. Emulatore di campo fotovoltaico e fuel cell
Fig. 3. Centralina di acquisizione dati climatici
BABUC-ABC per installazione in interni
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Fig. 2. Inverter grid-connected E.S. da 12 kWp
Fig. 4. Centralina portatile per acquisizione
dati climatici BABUC/A
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Fig. 5. Inverter grid-connected per generazione
da rinnovabile
Fig. 6. Inverter trifase grid-connected e stand-alone
Fig. 7. Inverter multilivello di tipo NPC
Fig. 8. Particolare dell’inverter multilivello NPC
Fig. 9. Banco di prova per motore lineare LIM
Fig. 10. Particolare del motore lineare LIM
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 407 – 2011
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Fig. 11. Banco di prova per azionamenti e per emulazione Fig. 12. Particolare delle macchine elettriche
turbina eolica
Fig. 13. Banco di prova per fuel cell
Fig.14. Particolare della fuel cell e del convertitore DC/DC
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2. LABORATORIO INTERFERENZE ELETTROMAGNETICHE CONDOTTE
E POWER QUALITY (EMC1)
Ubicazione: piano terra
Descrizione
Il laboratorio Interferenze Elettromagnetiche Condotte e Power Quality (EMC1) è dedicato all’analisi
delle problematiche legate ai disturbi condotti nell’ambito della compatibilità elettromagnetica (EMC =
ElectroMagnetic Compatibility) ed alla qualità della fornitura di energia elettrica (Power Quality).
Le perturbazioni elettromagnetiche condotte sono generate, frequentemente, tramite la conversione di
energia mediante convertitori statici. Tali disturbi possono essere minimizzati con l'utilizzo di tecniche
di filtraggio passivo oppure mediante filtri attivi di potenza (APF = Active Power Filter) per garantire il
buon funzionamento dei circuiti che operano nello stesso ambiente elettromagnetico, il rispetto della
normativa ed un risparmio energetico dovuto alla soppressione di armoniche presenti nella rete e della
potenza reattiva.
Il laboratorio dispone della strumentazione per la misura di grandezze elettriche e di campi
elettromagnetici fino a 30 MHz, nonchè di diversi banchi prova e prototipi di filtri attivi.
Principali attività di ricerca condotte
Le attività condotte nel suddetto laboratorio sono relative alle seguenti tematiche:
• Sviluppo di sistemi di compensazione attiva e ibridi per l'attenuazione delle emissioni
elettromagnetiche condotte in azionamenti per applicazioni automotive
•
Progetto e realizzazione di filtri attivi per la soppressione delle emissioni di modo comune
generate da convertitori elettronici di potenza per la generazione distribuita di energia elettrica;
•
Progetto e realizzazione di filtri attivi automotive per l'impiego su azionamenti elettrici per
autoveicoli, al fine di minimizzare le correnti parassite di modo comune che si richiudono sul
telaio dell'autoveicolo e possono essere causa di malfunzionamenti di altre apparecchiature;
•
Progetto e realizzazione di filtri attivi per azionamenti elettrici, finalizzati a sopprimere le
correnti parassite che tendono a scorrere nei cuscinetti provocando disturbi elettromagnetici e
diminuendo la vita del motore;
•
Caratterizzazione elettromagnetica di moduli integrati IGBT di elevata potenza per applicazioni
fotovoltaiche ed automotive;
•
Caratterizzazione dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica di nuovi convertitori
elettronici di potenza per impianti domestici di produzione di energia elettrica tramite generatori
eolici tangenziali;
•
Modellazione e ottimizzazione di un filtro EMI in azionamenti elettrici con matrix converter per
uso in sistemi aerospace;
•
Studio un nuovo sistema di accoppiamento affidabile e sicuro di basso costo e minimo
ingombro in grado di iniettare e prelevare il segnale dalla rete di media tensione. L'attività
prevede la progettazione e realizzazione prototipale del sistema e la messa a punto di un banco
sperimentale per le prove in laboratorio. E' inoltre prevista una verifica sperimentale in campo
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 407 – 2011
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sfruttando la rete elettrica di media tensione messa a disposizione dalla Società di distribuzione
dell'energia elettrica SEA di Favignana (TP);
•
Progettazione e realizzazione di nuovi sistemi di comunicazione dati in banda CENELEC,
elettromagneticamente compatibile, per la gestione e il monitoraggio delle reti di distribuzione
elettrica;
•
Realizzazione un prototipo di accoppiatore per la trasmissione dei segnali mediante la rete MT e
di verificarne la funzionalità in campo;
•
Realizzazione di un sistema di comunicazione in tecnologia PLC su reti MT per la gestione
delle sorgenti di energia alternativa;
•
Analisi e progettazione di un sistema di trasmissione dati su cavi di media tensione utilizzando
la tecnologia Power Line Communications ed un modello matematico in grado di simulare il
comportamento dei cavi in media tensione per la trasmissione di segnali.
Dotazione/Strumentazione specialistica
•
Analizzatore di power quality ASITA HIOKI 3196 (fig. 15) per la misura dei parametri elettrici
che permettono di valutare la qualità delle reti di distribuzione dell’energia elettrica secondo le
norme EN50160 ed EN61000-4-30 (analisi di armoniche di tensione, corrente e potenza e
calcolo del THD, di interarmoniche, microinterruzioni ed abbassamenti di tensione, picchi di
tensione e flicker sia a breve che a lungo termine)
•
Analizzatore di spettro Agilent E4402B con range di funzionamento 9 kHz-3 GHz (fig. 16)
•
Pinze di corrente e sonde di campo magnetico vicino a larga banda;
•
Generatore di funzioni programmabile Agilent 33120A (fig. 17)
•
Amplificatore di segnale a banda larga fino a 30 Vpp TTi WA301 (fig. 17)
•
Impedenzimetro Agilent 4285A con range di funzionamento 75 kHz-30 MHz interfacciato
mediante GPIB con un PC dotato del software Labview per misure di impedenza su cavi,
misure di capacità verso terra di pannelli PV, etc. (fig. 18)
•
Varie reti di adattamento LISN (Line Impedance Stabilization Network) per la soppressione dei
disturbi condotti emessi dalle apparecchiature: da 150 kHz-30 MHz trifase, da 150 kHz-230
MHz trifase, da 9 kHz-30 MHz trifase e monofase (fig. 19), a 42 V in continua per applicazioni
automotive (fig. 20)
•
Oscilloscopio carrellato Tektronix TDS 7254B con accessori quali sonde differenziali, sonde di
corrente alimentate, etc.
•
Inverter Elettronica Santerno collegato a motore asincrono da 0,75 kW 380 V.
Realizzazioni
Le attività condotte nel laboratorio hanno prodotto le seguenti realizzazioni:
• Sistema di prova per la valutazione delle emissioni elettromagnetiche condotte da azionamenti
di trazione per applicazioni automotive (fig. 21)
•
Filtro attivo di potenza (APF) costituito da inverter monofase per generazione distribuita con
funzione di filtro attivo e relativo sistema di controllo basato filtri neurali adattativi
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•
Filtro attivo EMI di tipo feed-forward per le emissioni di modo comune prodotte da
azionamenti elettrici con motore ad induzione
•
Filtro attivo EMI di tipo feed-forward per le emissioni di modo comune prodotte da
azionamenti elettrici di trazione per applicazioni automotive
•
Filtro attivo EMI di tipo feedback per le emissioni di modo comune in azionamenti elettrici per
applicazioni automotive a bassa tensione (fig. 22)
•
Filtro attivo EMI di tipo feedback ottimizzato in termini di ingombro peso e costo per le
emissioni di modo comune in azionamenti elettrici per applicazioni automotive a bassa tensione
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Fotografie
Fig. 15 Analizzatore di power quality ASITA HIOKI
Fig. 16. Analizzatore di spettro Agilent E4402B
Fig. 17. Amplificatore a banda larga e gen. di funzioni
Fig. 18. Impedenzimetro Agilent 4285A
Fig. 19. LISN trifase e monofase
Fig. 20. LISN a 42 V in continua
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Fig. 21. Sistema di prova per filtri attivi automotive
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Fig. 22. Particolare del filtro attivo automotive
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3. LABORATORIO COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA (EMC2)
Ubicazione: il laboratorio è ubicato in sede, al piano terra; la camera anecoica si trova, invece, presso il
D.I.E.E.T. dell’Università degli Studi di Palermo
Descrizione sintetica
Il laboratorio compatibilità elettromagnetica (EMC2) è dotato di strutture e strumentazioni che
consentono di realizzare tutte le tipologie di prove di EMC su prototipi o su apparecchiature elettriche
finite secondo le norme internazionali. In particolare, esso è dedicato principalmente all’analisi delle
interferenze elettromagnetiche radiate.
Grazie alla disponibilità di una camera schermata elettromagnetica anecoica di dimensioni
9.40x6.40x5.55 m, il laboratorio consente di effettuare misure sia di emissioni che di suscettività
radiata nel campo di frequenze da 30 MHz a 18 GHz, quindi anche su sistemi di telecomunicazione.
Un’altra struttura disponibile per le misure di emissione e suscettività radiata è costituita da una cella
GTEM che rappresenta uno strumento più idoneo per misure su apparecchi di dimensioni assai
contenute. Completano la dotazione del laboratorio una serie di strumenti di misura portatili che
consentono di effettuare misure di campi elettromagnetici anche all’esterno del laboratorio stesso.
Tali attrezzature consentono all’ISSIA-CNR di stilare i Test Report sulle apparecchiature elettriche
verificate.
Principali attività di ricerca condotte
Le attività condotte nel presente laboratorio sono relative alle seguenti tematiche:
• modellazione del comportamento delle antenne a larga banda e verifica sperimentale dei principali
parametri che le caratterizzano mediante il metodo dei momenti (MoM) nella formulazione thin
wire;
• prototipazione di rete di accoppiamento per l'iniezione di segnali nelle linee MT di basso costo
intrinseco e di facile installazione;
• modellistica per lo studio delle interferenze elettromagnetiche generate da fulminazione diretta e
indiretta in un azionamento elettrico;
• caratterizzazione di antenne a larga banda di struttura innovativa per il rilevamento e l'analisi di
segnali radiati prodotti da scariche parziali nei sistemi elettrici di potenza.
Dotazione/Strumentazione specialistica
Camera anecoica
Il laboratorio dispone di una camera schermata elettromagnetica semianecoica (camera di misura)
ubicata presso il D.I.E.E.T., le cui dimensioni esterne sono 9,40 x 6,40 x 5,55 m, e di una camera
schermata elettromagnetica (camera di controllo) adiacente alla precedente, dalle dimensioni di 3,05 x
3,70 x 3,00 m. Le due camere hanno una struttura modulare che ne garantisce l’unione, il sostegno e la
continuità elettrica.
La anecoicizzazione della camera di misura è di tipo ibrido, ossia tutte le pareti ed il soffitto sono
ricoperte totalmente con piastrelle di ferrite a cui sono sovrapposti dei prismi radio assorbenti di forma
tronco piramidale, realizzati da un composto in poliuretano espanso con carbonio e ferrite.
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La soluzione ibrida consente di avere un ampio campo di frequenze di utilizzo della camera, garantito
dalle proprietà radio assorbenti delle piastrelle di ferrite per le frequenze da 30 MHz a 1000 MHz e dai
prismi radio assorbenti per le frequenze da 1 GHz a 18 GHz. Per quanto riguarda il pavimento, questo è
costituito da un piano perfettamente metallico e costituisce il piano di massa della camera di misura.
Ciò conferisce alla camera la denominazione di camera semianecoica. Laddove necessario, la camera
può essere resa totalmente anecoica mediante l’introduzione di pannelli mobili, anch’essi costituiti da
piastrelle e prismi, sul pavimento nell’area compresa tra l’oggetto in prova e l’antenna di emissione.
In fig. 23 è mostrata una vista dall’esterno della camera di misura e della camera di controllo; nella
stessa figura è indicato il locale dove sono collocati gli amplificatori di potenza a radio frequenza che
per ragioni di sicurezza e di rumorosità si trovano all’esterno della camera di controllo dove prende
posto l’operatore. In fig. 24 è mostrata una vista dell’interno della camera di misura dove è evidenziata
la particolarità costruttiva del rivestimento anecoico.
La camera è corredata al suo interno di una tavola rotante di 2 m di diametro, dove si colloca l’oggetto
in prova, e di un palo di antenna alto 4.5 m per consentire un’escursione in altezza dell’antenna da 1 a 4
m rispetto al piano di massa, entrambi pilotatibili in remoto dalla camera di controllo. E’ presente,
altresì, una telecamera facente parte del sistema televisivo a circuito chiuso per monitorare
l’apparecchio in prova dall’esterno della camera. Le caratteristiche tecniche della camera di misura
sono riportate in tab. I.
Tab. I - Caratteristiche tecniche della camera di misura
Alimentazione AC
Max ingombro dell’oggetto per
prove di conformità (*)
380 V; 4 x 100 A
circoscrivibile all'interno di un
cilindro di diametro 2 m e altezza 2 m
Portata max pavimento (**)
800 kg/m2
Portata max tavola rotante
1000 kg
Luce porta di accesso
L = 2 m; H = 2.5 m
(*): apparecchi aventi un ingombro maggiore di quanto indicato potranno essere sottoposti a prova di pre-conformità
(**): apparecchi aventi un peso maggiore di quanto indicato vanno valutati caso per caso.
Gli strumenti di misura a corredo della camera semianecoica comprendono antenne (biconica, logperiodica, bi-logaritmica, tromba), ricevitore EMI, analizzatore di spettro, generatori di segnale RF,
amplificatori RF di potenza, misuratori di potenza a radio frequenza con sensori, accoppiatori
direzionali, sensori di campo elettrico isotropico, etc.
Le misure di emissione radiata vengono eseguite in accordo alla norma EN 55022, secondo la quale
l’apparecchio in prova deve essere posto ad una distanza di 3 m dall’antenna ricevente mentre il campo
di frequenza entro cui bisogna individuare il valore massimo dell’emissione prodotta deve essere
compreso tra 30 MHz e 1 GHz. Oltre a quanto specificato dalla norma, la strumentazione in dotazione
consente di effettuare misure di emissione anche a frequenze maggiori (fino a 18 GHz).
Per quanto attiene alle prove di suscettività radiata, la strumentazione in dotazione consente di
effettuare le prove sia secondo quanto prescritto dalla norma EN 61000-4-3, che restringe il campo
operativo da 80 MHz a 2 GHz, sia in un campo più esteso di frequenza fino a 18 GHz. I valori di
intensità di campo che possono essere generati vanno da qualche µV/m fino a decine di V/m per
antenne trasmittenti poste a 3 m di distanza dall’apparecchio in prova e oltre i 150 V/m per distanze di
1 m, sia in onda continua che in modulazione AM. L’allestimento delle prove di immunità radiata
richiede la completa anecoicizzazione della camera.
Avendo a disposizione un generatore di segnale vettoriale ROHDE&SCHWARZ mod. SMIQ 02B (300
kHz – 2,2 GHz) e degli amplificatori a stato solido in classe A per lo stesso campo di frequenza è
possibile generare campi elettromagnetici modulati secondo i protocolli previsti nel campo delle
telecomunicazione per la telefonia cellulare (sistemi TACS, GSM, DECT, UMTS).
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 407 – 2011
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Cella GTEM
Un’altra struttura disponibile nel laboratorio per le misure di emissione e suscettività radiata è costituita
da una cella GTEM che rappresenta uno strumento più idoneo per misure su apparecchi di dimensioni
assai contenute. In fig. 25 è riportata una fotografia della GTEM in dotazione al laboratorio.
Gli apparecchi in prova possono avere un ingombro massimo pari a 0.62x0.62x0.49 m, pari ad 1/3 della
distanza tra il setto centrale ed il conduttore esterno della cella. Le dimensioni esterne della cella sono
(LxWxH) 3.95x2.02x2.15 m ed il campo di frequenza in cui è possibile operare è compreso tra 100
kHz e 18 GHz.
Per i valori di campo ottenibili all’interno della cella, il sistema si presta per effettuare la calibrazione
di sensori di campo elettrico sia isotropici che unidirezionali nel campo di frequenza 100 kHz ÷ 4 GHz.
Strumenti di misura portatili
Oltre alla strumentazione di misura per le prove su banco, il laboratorio è attrezzato di strumenti di
misura portatili che consentono di effettuare misure di campi elettromagnetici al di fuori del laboratorio
stesso:
• strumenti alimentati a batteria (EMR300) per la misura del campo elettrico a larga banda, nel
campo di frequenza 10 kHz – 3 GHz, con sensori di campo isotropici impiegati nelle operazioni di
sorveglianza del rispetto dei limiti di campo a radiofrequenza imposti per legge (fig. 26);
• strumenti alimentati a batteria (EMR 300) per la misura del campo elettrico e magnetico a 50 Hz ed
in bassa frequenza a banda larga impiegati nelle operazioni di sorveglianza del rispetto dei limiti
imposti per legge;
• un sistema di misura in banda stretta composto da un analizzatore di spettro (Agilent E4402B 9 kHz
– 3 GHz) e da un set di antenne calibrate utili per le misure in loco di campi elettromagnetici emessi
sia da sorgenti intenzionali (quali le antenne dei sistemi radio e televisivi, dei sistemi di
telecomunicazione, ecc.) sia da sorgenti non intenzionali (come ad esempio gli "spifferi" di campi
elettromagnetici dovuti alla mancanza di tenuta negli sportelli dei forni a microonde) al fine di
verificare il rispetto dei limiti imposti dalle norme e dalla legislazione vigente (fig. 27-28).
Altri strumenti
Simulatore di rete ProfLine 2100 (fig. 29) governato via software, composto da tre sorgenti monofase
in bassa tensione da 5 kVA ciascuna e da una rete di accoppiamento trifase che all’occorrenza diventa
monofase e che consente di alimentare gli apparecchi in prova con segnali di ampiezza e frequenza
variabili per l’esecuzione di prove di immunità a campi magnetici a frequenza di rete, a campi
magnetici pulsati e a disturbi condotti di diverso tipo, nonchè per prove di emissione condotta
(armoniche, interarmoniche e flicker su apparecchi con alimentazione monofase e trifase).
Generatore di impulsi ad alta energia Schaffner NSG2050 (fig. 30) composto dai seguenti moduli:
PNW2225 Fast Transient burst + CDN133 Pulse coupling network + PNW2051 impulse network;
PNW2052 impulse network ring/wave; PNW2003 dropout variation; PNW2055 impulse network
CDN.
Strumentazione composta da un generatore di segnale HP 8648B (9 kHz – 2 GHz), un amplificatore di
potenza PRANA da 80 W operante nel campo di frequenza 100 kHz – 400 MHz e varie reti di
accoppiamento (CDN) per iniettare il segnale generato su diverse tipologie di cavi.
Analizzatore di interferenze discontinue multicanale (Shaffner DIA 1512D 150 kHz – 30 MHz), con
relativo software di gestione, conforme ai requisiti specificati nella norma internazionale CISPR 16-1
(fig. 31).
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Analizzatore di spettro HP 8591EM operante nel range 9 kHz – 1.8 GHz
Ricevitore EMI ESI 26 operante nel range 20 Hz – 26,5 GHz
Varie reti di adattamento LISN (Line Impedance Stabilization Network) per la soppressione dei disturbi
condotti emessi dalle apparecchiature: una monofase e una trifase da 16 A e 32 A per fase
rispettivamente.
Due pinze elettromagnetiche a forma di slitta, rispettivamente per il campo di frequenza 30 MHz-300
MHz e per il campo 300 MHz-1 GHz.
Generatore di segnali Rohde & Schwartz mod. SMIQ 02B, operante nel range 300 kHz-2.2 GHz
(fig. 32).
Pistola per scariche ESD ESD30 (HV power supply up to 30 kV).
Elenco delle prove effettuabili
Nel laboratorio è possibile eseguire mediante il generatore di impulsi Schaffner le seguenti prove di
suscettività condotte, in accordo con le norme internazionali della serie EN 61000-4-x per la conformità
ai requisiti essenziali della direttiva EMC:
•
prove di immunità a scariche elettrostatiche (ESD) secondo la norma EN 61000-4-2 ;
•
prove di immunità a treni di impulsi elettrici veloci (EFT), secondo la norma EN 61000-4-4, ad
impulsi ad alto contenuto energetico (“surge”), secondo la norma EN 61000-4-5, ad onde
impulsive “telecom” e ad onde oscillatorie impulsive, secondo la norma EN 61000-4-12;
•
prove di immunità condotte a RF secondo la norma EN 61000-4-6, mediante la strumentazione
composta dal generatore di segnale HP e dall’amplificatore PRANA, con possibilità di iniettare il
segnale generato su cavi di alimentazione AC/DC, cavi di segnale non schermati, cavi di segnale
non schermati e bilanciati, cavi coassiali a 50 Ω, cavi multipli o non interrompibili.
Lo strumento ProfLine 2100 consente, invece, di effettuare le seguenti prove:
•
prova di immunità a campi magnetici a frequenza di rete, secondo la norma EN 61000-4-8 ed a
campi magnetici pulsati secondo la norma EN 61000-4-9;
•
prova di immunità a buchi, brevi interruzioni e variazioni di tensione di alimentazione, secondo la
norma EN 61000-4-11;
•
prova di immunità ad armoniche ed interarmoniche secondo la norma EN 61000-4-13;
•
prova di immunità a variazioni di tensione di alimentazione ripetitive secondo la norma EN
61000-4-14, a variazioni di frequenza di alimentazione secondo la norma EN 61000-4-28, a
variazioni di tensione di alimentazione continua secondo la norma EN 61000-4-29 ed a “ripple”
sull’alimentazione in continua secondo la norma EN 61000-4-17;
•
prove di emissione condotta, in particolare prove di emissione di armoniche, interarmoniche e
flicker su apparecchi con alimentazione monofase e trifase, secondo quanto previsto dalle norme
EN 61000-3-2 e EN 61000-3-3.
Infine, sono eseguibili in laboratorio ulteriori prove di emissione sia condotta che radiata, di seguito
elencate:
•
prova di emissione di campo magnetico fino a 30 MHz utilizzando il metodo della “three-loop
antenna” in accordo alle norme EN 55011 ed EN 55015;
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 407 – 2011
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•
•
•
analisi delle interferenze discontinue mediante un analizzatore di interferenze discontinue
multicanale Shaffner con relativo software di gestione, conforme ai requisiti specificati nella
norma internazionale CISPR 16-1; il sistema è specifico per l’analisi dei clic prodotti dagli
apparecchi elettrodomestici nel campo di frequenza da 150 kHz a 30 MHz in accordo alla norma
EN 55014;
prove di emissioni condotte in alta frequenza (10 kHz - 30 MHz) mediante il ricevitore EMI ESI
26 operante nel campo di frequenza 20 Hz-18 GHz, una LISN monofase e una trifase da 16 A e
32 A per fase rispettivamente e un limitatore di transitori in accordo alla norma EN 55022;
prove di emissioni condotte in alta frequenza (30 MHz - 1 GHz) per cavi di alimentazione
maggiori di 5 m mediante il ricevitore EMI ESI 26 operante nel campo di frequenza 20 Hz-18
GHz, e due pinze elettromagnetiche a forma di slitta per la misura della potenza distribuita emessa
dal cavo di alimentazione, in accordo alla norma EN 55022.
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Fotografie
Fig. 23. Vista d’insieme della camera di misura,
di controllo e del locale amplificatori
Fig. 24. Vista dell’interno della camera di misura
Fig. 25. Cella GTEM
Fig. 27. Analizzatore di spettro + antenna per misure
a banda stretta in campo aperto
Fig. 26. Strumento EMR300 per misure
a banda larga in campo aperto
Fig. 28. Particolare dell’antenna log-periodica
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Fig. 29. Simulatore di rete trifase da 15 kVA
Fig. 30. Sistema NSG2050 per la generazione di
impulsi ad alta energia
Fig. 31. Analizzatore di interferenze discontinue
Fig. 32. Gen. di segnali Rohde & Schwartz
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4. INTERVENTI PROPOSTI
4.1 Migrazione verso una piattaforma di sviluppo con architettura FPGA
Dall’analisi condotta è emerso che nel laboratorio Energie Rinnovabili ed Azionamenti Elettrici
sono stati messi a punto e validati sperimentalmenti diversi algoritmi e tecniche di controllo ad alte
prestazioni per azionamenti elettrici e per la massimizzazione dell’energia prodotta da fonti rinnovabili
ed immessa nella rete di distribuzione. Si ritiene che essi possano essere ingegnerizzati e trasferiti sul
mercato in modo relativamente semplice, tenendo in considerazione quanto di seguito descritto.
Frequentemente per le realizzazioni sperimentali si fa uso dei cosiddetti sistemi di sviluppo, che
offrono la flessibilità di implementare di volta in volta algoritmi differenti sulla stessa piattaforma
hardware. In particolare, è stato rilevato che gli algoritmi e le tecniche di controllo verificati nel
laboratorio Energie Rinnovabili ed Azionamenti Elettrici sono implementati su una piattaforma
dSPACE DS1103 con architettura a microprocessore DSP (Digital Signal Processor). Questi dispositivi
sono provvisti di istruzioni addizionali in grado di ottimizzare alcune funzioni matematiche come la
moltiplicazione e la somma e vengono utilizzati quando le applicazioni sono computazionalmente
inadatte ai microprocessori general-purpose. Tuttavia, essi processano i dati comunque in modo seriale
e non consentono quindi di ottenere loop di controllo con prestazioni particolarmente elevate [1].
Inoltre, le piattaforme dSPACE presentano costi e ingombri elevati, che non consentono la loro
integrazione nel prodotto realizzato al fine di un’eventuale trasferimento sul mercato.
La risposta a questi problemi può essere fornita dalla recente disponibilità sul mercato di
dispositivi a basso costo ed elevate prestazioni quali i dispositivi FPGA (Field Programmable Gate
Array). Confrontando, ad esempio, le prestazioni dinamiche di controllori PWM per convertitori
elettronici di potenza, le tecniche basate su FPGA mostrano prestazioni superiori rispetto a quelle
basate su DSP per la loro capacità di eseguire operazioni in parallelo [2], in modo che i diversi segnali
vengano processati quasi simultaneamente come in un circuito analogico, consentendo una banda
maggiore per lo schema di controllo.
Gli FPGA sono dei circuiti integrati digitali la cui funzionalità è programmabile via software, che
presentano caratteristiche intermedie rispetto agli ASIC (Application Specific Integrated Circuit) da un
lato e ai dispositivi con architettura PAL (Programmable Array Logic) dall'altro. Rispetto ai dispositivi
PAL, ormai poco diffusi, gli FPGA consentono di implementare funzioni più complesse, anche se con
tempi di propagazione meno controllabili. Il grande vantaggio rispetto agli ASIC è, invece, la
riprogrammabilità, che consente in qualsiasi momento di apportare modifiche, correggere errori o
variare completamente il funzionamento del dispositivo. Di seguito si riassumono le caratteristiche
specifiche degli FPGA:
• basso consumo e basso costo;
• elevata densità;
• possibilità di implementare funzioni complesse;
• elevatà velocità: è possibile implementare logica ad esecuzione concorrente (parallela), che
può essere eseguita in un solo ciclo di clock;
• riprogrammabilità: è possibile riprogrammare il dispositivo in qualsiasi momento per
modificarne la funzionalità;
• affidabilità: una volta programmato, il dispositivo è un chip hardware a tutti gli effetti, con
la conseguente affidabilità intrinseca;
• funzionamento deterministico: è possibile implementare codice che sintetizza hardware
deterministico con tempi di funzionamento ridotti, fino a decine di nanosecondi.
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 407 – 2011
23
Per i motivi finora esposti si propone, quindi, la migrazione verso una nuova piattaforma di
sviluppo con architettura FPGA per l’implementazione degli algoritmi relativi alle realizzazioni
sperimentali già messe a punto nel laboratorio Energie Rinnovabili ed Azionamenti Elettrici ed il loro
eventuale trasferimento sul mercato. Gli algoritmi trasferibili dalla piattaforma dSPACE alla
piattaforma FPGA sono riportati nella seguente tabella.
Tab. II. Elenco degli algoritmi trasferibili dalla piattaforma dSPACE alla piattaforma FPGA
N. progr. Descrizione
1
Controllo di convertitori DC/DC a basso ripple della corrente di ingresso da interfacciare con fuel cell
2
Controllo di un inverter monofase per generazione distribuita con funzione di filtro attivo basato filtri neurali
3
Controllo VOC di inverter trifase per generazione distribuita
4
Controllo di un emulatore di array fotovoltaico basato su convertitore DC/DC buck
5
Controllo di un emulatore di fuel cell basato su convertitore DC/DC buck
6
Controllo di un emulatore di turbina eolica basato su un azionamento con motore PMSM controllato in coppia
7
Algoritmi MPPT per generatori fotovoltaici con tecniche ibride basate su reti neurali artificiali e metodologie
Perturb & Observe
8
Algoritmi MPPT per generatori eolici con macchina asincrona anche a pitch variabile basati su reti neurali
artificiali di tipo tipo Growing Neural Gas (GNG)
9
Controllo del sistema di alimentazione dell'ossigeno in celle a combustibile di tipo PEM basato su regolatori
tradizionali PI e sul controllo predittivo, finalizzato all’aumento dell’affidabilità e della vita media a parità di
prestazioni
10
Controllo DTC di azionamenti ad elevate prestazioni con motore asincrono ed inverter a tre livelli di tipo NPC
con bilanciamento del punto medio del DC link
11
Controllo sensorless ad elevate prestazioni dinamiche di azionamenti elettrici con motore lineare asincrono
trifase (LIM) basate su osservatori di tipo MRAS (Model Reference Adaptive System), che tengono in
considerazione gli effetti di bordo
12
Controllo di un azionamento elettrico ad elevate prestazioni dinamiche con motore PMSM di potenza
frazionaria, utilizzante uno stimatore di velocità angolare e di posizione basato sull'iniezione di carrier di
tensione pulsante e filtraggio neurale adattativi
4.2 Realizzazione di una linea di distribuzione in corrente continua
In occasione della ricognizione effettuata presso il laboratorio Energie Rinnovabili ed
Azionamenti Elettrici è emersa la necessità di collegare le sezioni DC dei convertitori di potenza
utilizzati. Ciò accade, ad esempio, nel caso di connessione delle sorgenti fotovoltaiche e delle fuel cell,
reali o emulate, al convertitore per l’immissione in rete (fig. 7-8) oppure nel caso di connessione back
to back dei convertitori delle fig. 5 e 7 per la generazione ed immissione in rete dell’energia prodotta
dalla turbina eolica emulata. Altra situazione tipica è il collegamento di carichi DC variabili ad altri
convertitori di potenza.
Si propone, pertanto, la realizzazione di una apposita linea di distribuzione in corrente continua
all’interno del laboratorio Energie Rinnovabili ed Azionamenti Elettrici.
Essa dovrebbe avere uno sviluppo perimetrale all’interno del laboratorio, entro apposite tubazioni,
per poi estendersi anche all’esterno del laboratorio, fino ai morsetti dei moduli fotovoltaici già installati
ed in prossimità di un generatore eolico di prossima installazione. La linea dovrebbe essere collegata,
altresì, ad un quadro generale e ad una serie di quadretti elettrici dotati di connettori di sicurezza e
commutatori rotativi, che consentirebbero di selezionare in modo rapido e sicuro i componenti connessi
alla rete DC e quelli esclusi.
Andrebbero affrontate, pertanto, le problematiche relative all’individuazione del livello massimo
di tensione sulla rete [3], al dimensionamento dei conduttori, onde evitare un’eccessiva caduta di
tensione ed il superamento della portata del cavo, alla scelta di interruttori magnetotermici specifici per
il funzionamento in corrente continua, di taglia adeguata, ed alla protezione da contatti diretti e indiretti
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 407 – 2011
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secondo la normativa vigente. Tale linea consentirebbe di collegare anche sistemi di accumulo e banchi
di supercondensatori.
4.3 Realizzazione di un inverter V/f per azionamenti automotive
All’interno del laboratorio Interferenze Elettromagnetiche Condotte e Power Quality si è
manifestata l’esigenza di verificare le prestazioni di filtri attivi EMI per la soppressione dei disturbi di
modo comune su motori asincroni trifase per uso automotive, aventi tensione nominale pari a 42 V
(fig. 21-22).
Le accelerazioni richieste alle macchine durante tali prove non sono particolarmente gravose;
pertanto, esse vengono controllate mediante il controllo scalare, cioè mantenendo il rapporto V/f
costante e pari al valore corrispondente al rapporto tra tensione nominale e frequenza nominale.
Tuttavia, pur disponendo di inverter V/f commerciali di varia marca, si è riscontrata l’impossibilità di
utilizzarli, in quanto essi presentano una tensione minima di uscita non inferiore a 50 V.
Piuttosto che acquistare un inverter dedicato, si ritiene più conveniente realizzarlo in laboratorio,
avviando al contempo il processo di migrazione verso una nuova piattaforma di sviluppo con
architettura FPGA descritto al paragrafo 4.1. Si propone, pertanto, la realizzazione di un inverter per il
controllo V/f di motori trifase a induzione a bassa tensione di alimentazione, da integrare al banco di
prova su filtri automotive già esistente.
Per la massima semplicità realizzativa e versatilità di impiego, si potrebbe implementare la logica
di controllo su FPGA, utilizzare uno degli inverter Semikron per la sezione di potenza e fornire la
tensione del DC-link dall’esterno, tramite apposito alimentatore in continua.
Il codice implementato su FPGA dovrebbe consentire, mediante parametri programmabili
dall’utente, la completa personalizzazione delle curve V/f e f_carrier/f, come tipicamente implementate
negli inverter commerciali, ad esempio nel modello SINUS/IFDE-F della ditta Elettronica Santerno di
cui già si dispone [4]. Un’altra funzionalità necessaria è la possibilità di variare la frequenza della
portante PWM in modo da realizzare una modulazione sincrona, in cui la frequenza della portante è
proporzionale alla frequenza di uscita, oppure asincrona, se la frequenza della portante è costante.
Inoltre, uno specifico parametro dovrebbe consentire di impostare il valore della tensione del DC-link
fornita tramite l’alimentatore esterno per adeguare di conseguenza il controllo. Infine, dovrebbero
essere implementate anche le rampe di accelerazione e di decelerazione con tempi configurabili, in
modo da consentire di far variare gradualmente la frequenza anche in seguito ad improvvise modifiche
del riferimento.
Per quanto detto, l’inverter così realizzato presenterebbe una maggiore versatilità di impiego
rispetto alle soluzioni commerciali e si adatterebbe maggiormente all’utilizzo per prove di laboratorio,
in condizioni operative non usuali.
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CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
E’ stata condotta l’analisi dei laboratori di ricerca in dotazione all’ISSIA-CNR (Istituto di Studi
sui Sistemi Intelligenti per l’Automazione, Consiglio Nazionale delle Ricerche) u.o.s. di Palermo.
In particolare, sono stati esaminati i laboratori Elettronica di Potenza, Energie Rinnovabili ed
Azionamenti Elettrici, le cui attività sono fortemente interconnesse, il laboratorio Interferenze
Elettromagnetiche Condotte e Power Quality ed il laboratorio Compatibilità Elettromagnetica,
presentando la descrizione di ciascun laboratorio, delle principali attività ivi condotte, della relativa
dotazione strumentale e delle realizzazioni prototipali, nonché una serie di rilievi fotografici della
strumentazione specialistica e delle realizzazioni più significative.
L’analisi effettuata ha consentito di individuare tre possibili interventi migliorativi: 1) la
migrazione verso una piattaforma di sviluppo con architettura FPGA, che consente un aumento delle
prestazioni grazie all’esecuzione di operazioni in parallelo e la possibilità di ingegnerizzare e trasferire
sul mercato gli algoritmi e le tecniche di controllo messe a punto; 2) la realizzazione di una linea di
distribuzione in corrente continua all’interno del locale dove sono ubicati i laboratori Elettronica di
Potenza, Energie Rinnovabili ed Azionamenti Elettrici, al fine di rendere più agevoli e sicure le
operazioni all’interno dei suddetti laboratori; 3) la realizzazione di un inverter per il controllo V/f di
motori trifase a induzione a bassa tensione di alimentazione, da integrare al banco di prova su filtri
automotive già esistente allo scopo di condurre misure e prove sui prototipi di filtri EMI realizzati per
applicazioni automotive.
Per quanto concerne gli sviluppi futuri, ci si propone di creare una revisione del presente
documento con periodicità almeno biennale, al fine di aggiornare i dati in esso contenuti.
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RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
[1]
[2]
[3]
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W. Wolf, Computers as Components: Principles of Embedded Computing System Design, San
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capabilities in PWM power converters,” Proceedings of the 30th Annual Conference of the IEEE
Industrial Electronics Society (IECON ’04), pp. 257–262, Novemeber 2004.
C. Bossi, L. Martini, E. Micolano, E. Tironi, R. Ottoboni, G. Angeli, G. Superti Furga. “Reti di
distribuzione BT in corrente continua: definizione della struttura e delle caratteristiche tecniche
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Ricerca. Febbraio 2008.
Manuale d’uso dell’inverter a controllo digitale SINUS/IFDE-F 400T-5.5 kW. Versione software
2.01. Dicembre 1996. Elettronica Santerno s.p.a. Imola (Italy).
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