File Allegato - Powertech srl
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Una tecnologia innovativa migliora l’accuratezza nella misura di potenza Introduzione Rapidi sviluppi nelle tecnologie di conversione di potenza combinate con la necessità di migliore efficienza creano nuove pressioni ai progettisti di sistemi di potenza moderni per quantificare più accuratamente il vero valore della potenza elettrica. Questo ha creato una maggiore attenzione all’accuratezza degli strumenti per la misura della potenza ed è diventato chiaro che caratteristiche di potenza complesse, associate a tecniche moderne di conversione di potenza richiedono performance in alta frequenza che sono al di fuori delle specifiche di analizzatori di potenza convenzionali. Per esempio, possiamo considerare il segnale di tensione associato a un inverter PWM: Pulse Width Modulated carrier Tensione 1 2 Componente fondamentale Fondamentale + Armoniche Carrier, Armoniche del Carrier e Rumore Frequenza Chiaramente, se vogliamo quantificare accuratamente la potenza totale, dobbiamo includere tutte le componenti in frequenza del segnale. Questo può sembrare chiaro a prima vista in quanto diversi strumenti offrono un appropriato range in frequenza ma in molti casi, misure di potenza con elevate accuratezza sono fatte in range di frequenza limitati. Questo è illustrato dalla linea di risposta 1 che rappresenta l’accuratezza tipica di molti analizzatori di potenza rispetto alla linea 2 che rappresenta un analizzatore di potenza che mantiene l’elevata accuratezza nel suo range operativo di frequenza. Disegno Hardware Una delle sfide maggiori nell’ottenere un’ottima accuratezza nella misura di potenza nell’intero range di frequenza è l’hardware degli ingressi di tensione e corrente. Per l’ingresso di tensione, la risposta in frequenza è largamente influenzata dalla capacità parassita e per l’ingresso in corrente dove è usato uno shunt a bassa resistenza, la risposta in frequenza è largamente influenzata dall’induttanza parassita. Ne consegue che le specifiche a larga banda di un analizzatore di potenza possono essere ottimizzate minimizzando la reattanza capacitiva dell’ingresso in tensione e la reattanza induttiva dell’ingresso in corrente. Normalmente, la migliore possibilità per uno strumento di potenza AC è di utilizzare uno shunt di corrente a bassa induttanza. Questo è particolarmente difficile in un analizzatore di potenza perché la resistenza dello shunt deve essere bassa in modo che la potenza dissipata sia minimizzata. Comunque, siccome l’induttanza parassita di un componente è funzione della sua geometria, ne consegue che uno shunt di una particolare geometria avrà un errore di fase maggiore se la resistenza è ridotta, in quanto la stessa induttanza rappresenterà una porzione maggiore dell’impedenza totale. Siccome l'impedenza induttiva aumenta con la frequenza, ne consegue che gli errori associati all’induttanza parassita aumentano con la frequenza. Flusso Corrente Campo Magnetico Qui possiamo vedere il fenomeno di base, dove una corrente che passa in un conduttore crea un campo magnetico rotante. La presenza di questo campo rappresenta un componente induttivo. Conoscendo l’errore in ampiezza e fase associate all’induttanza parassita dello shunt, I costruttori di analizzatori di potenza usano diverse tecniche per minimizzare il campo magnetico e quindi il livello dell’induttanza. Soluzioni Convenzionali Per ridurre la componente induttiva di uno shunt resistivo, diverse tecniche sono usate per ottenere la cancellazione del campo magnetico, tutte con l’obbiettivo di creare flussi di corrente adiacenti uguali ed opposti. Qui diamo alcuni esempi di tecniche comunemente utilizzate: Resistenze assiali con avvolgimento in parallelo. Qui, l’orientamento dell’avvolgimento su una forma tubolare crea qualche cancellazione del campo dato dall’opposizione del flusso di corrente. Foglio di resistenza modellato. Qui qualche cancellazione del campo è raggiunta dalla opposizione del flusso sui piani adiacenti. Questa tecnica ha un vantaggio rispetto al disegno assiale per la migliore dissipazione naturale grazie a un area superiore. Shunt Coassiale. Qui, la connessione di Ingresso e Uscita sono nello stesso punto del tubo e c’è un link dall’altra parte per collegare gli strati di ingresso e uscita. Questo sistema raggiunge una cancellazione di campo superiore alla tecnica assiale e a foglio. Comunque, la complessità meccanica di questo disegno la rende una soluzione costosa Se consideriamo un flusso e il suo ritorno nei due strati dello shunt coassiale, guardando da un lato dello shunt, notiamo un efficace cancellazione dei campi magnetici rotanti. Corrente di andata e di ritorno nel tubo esterno e in quello interno Cancellazione di Campo Una soluzione innovativa Mentre la cancellazione di campo di uno shunt coassiale è buona, le dimensioni fisiche, la complessità meccanica e I costi sono proibitivi ragion per cui questa tecnica è poco utilizzata. In ogni caso, una società innovativa nella strumentazione per la misura di potenza in UK ha sviluppato e perfezionato una tecnologia che raggiunge una cancellazione di campo uguale al miglior shunt coassiale mantenendo bassi i costi di produzione permettendone l’utilizzo sugli analizzatori di potenza a livello commerciale. Siccome il costo dello shunt coassiale è principalmente nella materia prima, nella lavorazione e nell’assemblaggio di uno shunt che incorpora tre dimensioni, l’obbiettivo per questo disegno innovativo era di ottenere una cancellazione di campo ottimale su un normale PCB piatto. La scheda richiede un piano conduttore più sottile di quelli normalmente utilizzati combinati con uno strato di isolamento tra I conduttori, che ottimizza la cancellazione di campo, e uno strato di laminato esterno per fornire la resistenza meccanica. Laminato esterno Piano Conduttore Strato fine di isolante Piano Conduttore Laminato esterno Usando le piste collegate centralmente alle resistenze a montaggio superficiale che sono posizionate sul lato esterno della scheda, viene raggiunto il miglior bilanciamento tra lo scambio di potenza tra le resistenze e la cancellazione del campo. Qui, una versione semplificata della scheda, mostra l’andata e il ritorno della corrente alla resistenza di precisione a bassa deriva termica a montaggio superficiale. Questo layout combinato con le resistenze a basso ppm e il flusso d’aria attraverso il piano orizzontale risulta in un minimo cambio di temperatura su tutto il range operativo di corrente. Visualizzazione del passaggio di corrente dall’esterno all’interno del centro dello shunt Cancellazione del campo magnetico creata dal passaggio di corrente Comparazione di Impedenza e Fase Per capire la risposta di Fase e Impedenza di questo nuovo shunt rispetto ai modelli a bassa induttanza disponibili sul mercato, abbiamo creato una tabella che mostra I valori nominali di resistenza e induttanza di tre modelli incluso il nostro. Shunt Resistenza Induttanza PCL series 15mOhms 20nH RO10-F1-K2 10mOhms 10nH Newtons4th Current Shunt 10mOhms 250pH Conclusioni L’uso di tecniche innovative nel disegno analogico combinato con l’ultima tecnologia di analisi digitale, crea strumenti moderni che possono soddisfare le necessità di tutte applicazioni di potenza, per questo la Spett.le Newtons4th ha creato una linea di Power Analyzer che si sta ponendo sul mercato come il prodotto con il miglior rapporto prezzo/prestazioni, raggiungendo performance fino ad ora impensabili.
