RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

ABBATTIMENTO DEI DISTURBI ELETTROMAGNETICI NEI CONVERTITORI STATICI DI ENERGIA ELETTRICA

Università di riferimento

Università degli Studi di CASSINO - AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE - CASSINO(FR)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Ciro ATTAIANESE

Descrizione

Sulla base degli studi preliminari presentati nella sezione precedente, l'obiettivo finale del progetto di ricerca proposto sarà lo sviluppo e l'implementazione hardware di un algoritmo per l'identificazione e la soppressione delle frequenze di commutazione critiche per la compatibilità interna fra la sezione di controllo e quella di potenza di un convertitore statico di energia elettrica. Il sistema proposto sarà costituito esclusivamente da dispositivi digitali che, sulla base dei segnali di modulazione generati dalla sezione di controllo, effettuerà una caratterizzazione in termini di disturbi interni del convertitore. Non dovranno essere presenti sensori e sonde, e neppure processori, al fine di ottenere un sistema a basso costo e facilmente utilizzabile su qualsiasi tipologia di convertitore.
Come detto in precedenza, la self-compatibility riguarda il fenomeno di interazione interna fra la sezione di controllo e quella di potenza di un convertitore statico di energia elettrica. Questa interazione dipende da numerosi fattori, quali il layout dei circuiti, la tipologia e la lunghezza delle connessioni, l'alimentazione, la disposizione delle varie schede all'interno del convertitore, le schermature e, ovviamente, la potenza degli interruttori statici e la loro frequenza di commutazione. E', pertanto, quasi impossibile tener conto di tutto ciò nella fase di progettazione del convertitore. Inoltre, molti di questi fattori sono strettamente legati a vincoli realizzativi, quali compattezza e design esterno.
L'approccio proposto, invece, utilizza la frequenza di commutazione come parametro di configurazione. Infatti, come già accennato nella base di partenza scientifica, l'ampiezza del disturbo che subisce la scheda di controllo a causa dell'emissione della scheda di potenza cambia in funzione della frequenza di commutazione, a causa di fenomeni di risonanza circuitale. Pertanto, malgrado l'ampiezza dell'emissione elettromagnetica aumenti quasi linearmente all'aumentare della frequenza di commutazione (i fenomeni di emissione sono legati al dv/dt e di/dt), l'effetto distorcente risultante varia in maniera non lineare in funzione della frequenza di commutazione. Questa caratteristica può essere utilizzata per evitare condizioni critiche di funzionamento per il convertitore senza limitare necessariamente la frequenza di commutazione e, quindi, il contenuto armonico della tensione in uscita. A tal proposito, è di fondamentale importanza valutare la distorsione in funzione della frequenza di commutazione del convertitore, al fine di eliminare le frequenze che generano effetti distorcenti al di sopra di una certa soglia. La soluzione proposta è quella di effettuare tale valutazione attraverso una misura diretta sui segnali di modulazione generati dalla scheda di controllo e un confronto con quelli di riferimento. Trattandosi di segnali digitali, tale operazione può essere realizzata direttamente attraverso dispositivi digitali (contatori e comparatori), senza ricorrere all'uso di costosi sensori di tensione e corrente.

Misura della distorsione
Una volta che i segnali vengono generati dalla sezione di controllo del convertitore, un treno di impulsi viene inviato ai driver dei moduli di potenza montati sulla sezione di potenza. A seconda del disturbo generato dalla sezione di potenza e della relativa frequenza, questi segnali possono essere più o meno distorti, ossia il duty cycle può essere cambiato a causa di un malfunzionamento dovuto all'azione di disturbo elettromagnetico. In ogni caso, nel momento in cui questi segnali vengono inviati ai drivers, sono in forma digitale. Quindi, attraverso degli opto-accoppiatori e trasmettitori/ricevitori ottici, è possibile inviare questi segnali di modulazione contemporaneamente anche ad una scheda ausiliaria, nella quale sono immagazzinati i segnali di riferimento in funzione di ciascuna frequenza di modulazione. A questo punto è sufficiente fare una comparazione fra i segnali generati dalla scheda di controllo (distorti) e quelli di riferimento, immagazzinati nella scheda ausiliaria, per avere un'effettiva valutazione della distorsione del segnale. Ovviamente, questa operazione deve essere ripetuta per ciascuna frequenza di commutazione dell'intervallo di frequenza ammissibile per il modulo di potenza adottato. Alla fine della scansione, si ha una tabella di corrispondenza fra la frequenza di commutazione e la relativa distorsione generata sulla scheda di controllo. Basterà, quindi, scartare dalle condizioni operative del convertitore quelle frequenze che generano distorsioni troppo elevate.
Tutte le operazioni sopra elencate possono essere realizzate in maniera automatica e senza l'uso di alcun sensore, ma semplicemente attraverso semplici circuiti digitali, con il grosso vantaggio di ottenere un sistema robusto e a basso costo. Il dispositivo che permette di implementare l'algoritmo di self-compatibility appena descritto è rappresentato da una scheda, denominata nel seguito "Self Disturbance Evaluation Board", che sarà appunto realizzata nell'ambito di questo progetto e costituirà la finalizzazione sperimentale dello stesso. La sua connessione alla scheda di controllo potrà avvenire come mostrato in figura 5.


Fig. 5


In particolare, la procedura di self-compatibility da implementare sulla scheda sarà la seguente:
1) la scheda di controllo e il convertitore vengono alimentati e resi pronti per operare;
2) la scheda Self Disturbance Evaluation Board (SDEB) è alimentata e resa pronta per operare;
3) la SDEB genera i segnali di modulazione di riferimento alla minima frequenza di modulazione dell'intervalli di frequenza stabilito dal costruttore dei moduli di potenza e li invia alla scheda di controllo quali segnali di riferimento da generare;
4) la scheda di controllo genera gli opportuni segnali di modulazione sulla base dei riferimenti imposti dalla SDEB;
5) i segnali di modulazione vengono inviati ai driver dei moduli di potenza e, parallelamente, vengono inviati di nuovo anche alla SDEB attraverso i convertitori opto-elettronici e un canale a fibre ottiche. Tali segnali, ovviamente, risulteranno distorti a causa dell'azione di disturbo della sezione di potenza;
6) la SDEB legge questi segnali e li compara con quelli di riferimento;
7) la differenza fra i due segnali, e cioè il fattore di distorsione, viene calcolato attraverso un sistema di comparatori e contatori in funzione di impulsi di clock;
8) il fattore di distorsione viene immagazzinato in una RAM (oppure una EPROM) insieme alla corrispondente frequenza di modulazione;
9) la SDEB incrementa la frequenza di commutazione e genera un nuovo riferimento per la scheda di controllo;
10) la procedura ricomincia dal punto 4) e termina quando la frequenza di commutazione raggiunge il limite massimo stabilito dal costruttore per i moduli di potenza del convertitore.

Alla fine della procedura, tutte le coppie di valori frequenza di commutazione-fattore di distorsione sono immagazzinate nella EPROM. A questo punto, è sufficiente stabilire un fattore di distorsione massimo accettabile e scartare tutte le frequenze di commutazione alle quali corrisponde una distorsione maggiore. E' importante sottolineare che il disturbo generato dalla sezione di potenza non si propaga sulla SDEB perché, appunto, la connessione fra le due è operata in fibra ottica. Inoltre, come già detto, non sono necessari sensori o processori per la SDEB, ma semplici circuiti digitali. Questo riduce notevolmente i costi, che diventano quasi trascurabili nelle applicazioni di media e alta potenza. Sarà necessario predisporre semplicemente la scheda di controllo del convertitore, qualora non lo fosse già, per accettare segnali di riferimento esterni per la generazione del pattern di modulazione.
Ovviamente, la valutazione della distorsione cambia a seconda della tecnica di modulazione adottata dal convertitore. Pertanto, la SDEB dovrà permettere di selezionare la tipologia di modulazione in funzione del convertitore.
Un possibile layout della SDEB è riportato in figura 6 nel caso di convertitore dc/dc.


Fig. 6

E' importante sottolineare anche il fatto che questa tecnica per la self-compatibility permette di tener conto dell'effettivo carico applicato all'uscita del convertitore. Infatti, come già accennato, l'EMI dipende essenzialmente dalla derivata della tensione e della corrente del convertitore, la quale può quindi cambiare in funzione del carico applicato. Il sistema proposto può effettuare la valutazione della distorsione quando il carico reale è collegato al convertitore, e cioè quando il convertitore sta funzionando nelle sue reali condizioni di funzionamento. Questa analisi non può essere effettuata in maniera precisa nella fase di progettazione del convertitore, in quanto il costruttore non conosce a priori quale carico verrà collegato al convertitore. Il sistema proposto, invece, essendo completamente automatico, può essere avviato direttamente dall'utente finale una volta che il convertitore è assemblato nel processo in cui deve operare.


ARTICOLAZIONE DEL PROGETTO
La durata del progetto è di due anni e le attività saranno divise in due fasi. In particolare, nella prima fase, di durata 10 mesi, verrà effettuata un'analisi sistematica sulle problematiche di self-compatibility dei convertitori statici. Verranno prese in esame differenti tipologie, topologie e taglie di convertitori statici e, attraverso le apparecchiature già esistenti presso il Laboratorio di Compatibilità Elettromagnetica dell'Università degli Studi di Cassino, verrà fatta una caratterizzazione di questi convertitori in termini di compatibilità interna. I fenomeni di risonanza saranno esaminati in funzione del disturbo elettromagnetico radiato e condotto. In questa fase, diversi layout di schede digitali verranno sottoposti all'azione di disturbo elettromagnetico generato da un'antenna emittente, al fine di caratterizzarne l'immunità. Alla fine di questa fase, la sezione di potenza sarà caratterizzata, invece, in termini di emissione. In particolare, a seconda della potenza, dei moduli adottati e della disposizione circuitale, verrà realizzata una mappatura tridimensionale del disturbo intorno la sezione di potenza grazie ad un opportuno banco di misura e una sonda di campo mobile. Un sistema di scansione tridimensionale sarà quindi realizzato al fine di automatizzare il processo di misura. Tali rilievi richiedono, infatti, numerose misurazioni ripetitive nello spazio. Un sistema di scansione automatico tridimensionale permetterà di movimentare la sonda di campo nella spazio e di effettuare misurazioni continue senza la necessità di avere un operatore. Un possibile layout dello scanner è mostrato in figura 7.


Fig. 7

Una volta conclusa l'attività della prima fase, nei rimanenti 14 mesi sarà progettato e implementato l'algoritmo self-compatibility proposto. Sarà dapprima realizzato un prototipo semplice per convertitori dc/dc. La SDEB sarà progettata per essere completamente immune dalle emissioni tipiche dei convertitori statici. Per questo motivo, oltre alla trasmissione dei segnali dal convertitore attraverso fibre ottiche, tutti i circuiti digitali della SDEB saranno implementati all'interno di una PLD, che rappresenta un dispositivo compatto e con un'elevata immunità ai disturbi elettromagnetici. Inoltre, per la sua funzionalità, la SDEB non necessita di essere montata all'interno del convertitore, ma può essere predisposta per essere collegata esternamente al convertitore ed interfacciata alla scheda di controllo mediante un connettore ottico. In questo modo, il dispositivo SDEB risente ancor meno dei disturbi radiati della sezione di potenza e lo stesso sistema può essere utilizzato per caratterizzare più convertitori. In definitiva sarà realizzato un dispositivo "plug&play" sulla self-compatibility.

Una volta realizzato il primo prototipo e verificata la sua funzionalità, un secondo più completo sistema sarà progettato e implementato per funzionare su qualsiasi tipo di convertitore, anche ac. In questo caso, sarà necessario uno studio preliminare per identificare un algoritmo in grado di valutare la distorsione di segnali PWM per sistemi in alternata. Infatti, in questo caso, è necessario valutare il fattore di distorsione su un intero periodo dell'armonica fondamentale di tensione generata, non su un singolo duty-cycle. Il sistema dovrà essere in grado di valutare la distorsione in funzione di tutte le tecniche di modulazione per sistemi in alternata, quali space vector modulation, PWM sinusoidale, PWM random ecc., al fine di ottenere un dispositivo generale in grado di configurare in termini di compatibilità interna qualsiasi tipo di convertitore.
I test finali di validazione saranno effettuati su diverse tipologie e taglie di convertitori statici di energia elettrica.