a cura di Tektronix
Il fatto che gli impulsi relativi ai segnali elettrici in uscita dagli azionamenti per motori siano modulati in ampiezza rende complesso effettuare misure in maniera “stabile”. Determinare manualmente la giusta combinazione di filtri e trigger per ottenere forme d’onda stabili è molto difficile, ma è un prerequisito per ottenere misure coerenti.
Oltre a misurare l’uscita del convertitore di frequenza, sono importanti anche le misure per valutare le prestazioni degli stadi di ingresso del convertitore, come le armoniche, la potenza e il fattore di potenza. Sebbene sia possibile esportare le forme d’onda grezze su un foglio di calcolo o su un altro software di analisi, il post processamento richiede comunque tempo e attenzione nella computazione.
Queste misure richiedono inoltre che vengano effettuati collegamenti multipli al dispositivo in esame. Questo comporta che tra le fonti più comuni di errore nell’esecuzione delle misure di azionamento del motore si trovino proprio l’errato posizionamento delle sonde e la scarsa integrità dei collegamenti.
Anche le misure meccaniche sono fondamentali e possono essere effettuate attraverso l’uso di sensori. Tuttavia, può essere molto difficile, o addirittura impossibile, ottenere misure durante la progettazione di unità di velocità, accelerazione o coppia senza un’elaborazione e una riscalatura personalizzate a seconda del sensore in uso.
Per tutti i motivi fin qui elencati, per ottenere una buona visione di un sistema di azionamento del motore con un oscilloscopio è necessaria un’impostazione accurata, forme d’onda stabili e algoritmi di misura robusti.
Azionamenti vettoriali / Controllo a orientamento di campo
Gli azionamenti più avanzati per i motori asincroni e sincroni in c.a. utilizzano tecniche di azionamento vettoriale. Questi azionamenti sono più flessibili ed efficienti di quelli scalari, ma anche più complessi.
Gli azionamenti vettoriali sono simili a quelli scalari, in quanto azionano il motore con una corrente sinusoidale, ma gli azionamenti vettoriali garantiscono un funzionamento più fluido, un’accelerazione più rapida e un controllo di coppia superiore. Questi sistemi di controllo utilizzano spesso il controllo a orientamento di campo (FOC) e sono molto più complessi degli azionamenti scalari.
I vettori D e Q sono vettori ortogonali, le cui grandezze si riferiscono alla coppia e al flusso magnetico all’interno del motore.
Fig. 1: Il controllo vettoriale, o orientato al campo, utilizza forme d’onda PWM complesse.
Il sistema di controllo deve misurare la posizione del rotore per poter sincronizzare il sistema. A tale scopo si utilizzano spesso sensori come i sensori di Hall o un’interfaccia encoder in quadratura (QEI). (Si utilizzano anche sistemi senza sensori in cui il sistema di controllo utilizza il back EMF del motore per determinare la posizione del rotore). Il controllore applica la trasformata di Clarke e Park per calcolare le grandezze di D e Q, e successivamente utilizza questi valori come setpoint per l’anello di controllo.
Fig 2: Schema a blocchi di un sistema di controllo vettoriale
Esecuzione dei collegamenti a un sistema VFD
Selezione delle sonde dell’oscilloscopio
L’esecuzione di misure di potenza sui sistemi di azionamento a frequenza variabile richiede sonde di tensione e di corrente. Quando si scelgono le sonde di tensione dell’oscilloscopio per le misure degli azionamenti a motore, è importante considerare:
- Le misure dei convertitori di frequenza comportano tensioni relativamente elevate. Ad esempio, la tensione del bus CC in un inverter trifase da 480 Vca è in genere di circa 680 Vcc. È dunque importante verificare la tensione nominale sulla punta della sonda e sugli accessori utilizzati per collegarla.
- Anche le tensioni di modo comune possono essere relativamente elevate. In altre parole, le misure sono spesso “flottanti” rispetto alla massa, non è quindi possibile utilizzare sonde riferite alla massa. È importante assicurarsi che i segnali non siano flottanti più della tensione di modo comune nominale della sonda.
- La maggior parte delle frequenze di interesse è inferiore a 200 MHz, pertanto le sonde con questa larghezza di banda dovrebbero essere sufficienti per la maggior parte delle misure quotidiane.
- Le sonde devono coprire un’ampia gamma di tipologie di misura.
Per questi motivi, le sonde differenziali ad alta tensione sono generalmente consigliate come sonde di tensione generiche per le misure dei sottosistemi di inverter di elettronica di potenza, degli ingressi/uscite degli azionamenti e dei sistemi di controllo.
Fig 3: Le sonde differenziali Tektronix, come la THDP0200, e le sonde di corrente AC/DC Tektronix, come la TCP0030A, offrono una buona copertura per molte situazioni di misura di VFD.
Nota: Le sonde passive sono riferite a terra e dunque non devono essere utilizzate per misurare le tensioni fase-neutro. Il terminale neutro, molto probabilmente, non è al potenziale di terra, e causerebbe il passaggio di correnti significative attraverso la sonda e la terra dell’oscilloscopio. Questa situazione potrebbe risultare pericolosa per l’operatore e potrebbe provocare scosse o danni al DUT o all’oscilloscopio.
Configurazione delle sonde dell’oscilloscopio
Prima di effettuare qualsiasi misura di potenza, è necessario adottare alcune misure importanti. Le sonde di corrente devono essere sottoposte al degaussing e tutte le sonde devono essere allineate temporalmente (de-skewed) per ottenere risultati accurati.
È importante eseguire una procedura di degauss sulle sonde di corrente prima di eseguire le misurazioni per rimuovere qualsiasi magnetizzazione residua dal nucleo magnetico della sonda. La magnetizzazione residua può causare misurazioni errate. La procedura viene generalmente eseguita rimuovendo tutti i conduttori dalla ganascia della sonda di corrente e avviando la procedura con la pressione di un pulsante. Le sonde di corrente Tektronix, come la TCP0030A, richiedono automaticamente di eseguire una procedura di degauss prima dell’uso.
Il processo di de-skew corregge i vari ritardi di propagazione tra due diversi canali dell’oscilloscopio, compresi la sonda e il cablaggio della sonda. Si tratta di un aspetto importante, poiché le relazioni di fase sono fondamentali per molte delle misurazioni sui sistemi VFD. La procedura di base consiste nel fornire ai canali un segnale sincronizzato e nel regolare i ritardi di ciascun canale per allinearli. A tale scopo, Tektronix mette a disposizione un dispositivo per il de-skew delle misure di potenza.
Quando si collegano le sonde di corrente, è importante prestare attenzione alla freccia indicata sulla sonda. Quando la sonda di corrente è collegata sul lato linea del carico, la freccia deve essere rivolta verso il carico. Se la sonda di corrente è collegata sul lato di ritorno del carico, la freccia deve essere rivolta lontano dal carico.
Configurazioni di cablaggio
Spesso sia l’ingresso che l’uscita dei VFD utilizzano tre fasi. Tuttavia, alcuni VFD utilizzati in sistemi di azionamento commerciali, residenziali o in ambito automotive possono essere alimentati da corrente alternata o continua monofase. Inoltre, i sistemi trifase possono essere cablati e modellati in due configurazioni: a stella (o Wye) e a triangolo (Delta). La configurazione di cablaggio determina quali calcoli debbano essere utilizzati nell’analisi di potenza, pertanto è importante comprendere e selezionare la configurazione di cablaggio corretta per ottenere i risultati attesi. Queste configurazioni si applicano sia agli ingressi che alle uscite degli azionamenti per motori.
Connessioni trifase
Misurazione di sistemi trifase a 3 fili con 3 canali di tensione e 3 canali di corrente (3V3I)
Anche se per misurare la potenza totale di un sistema a tre fili sono necessari solo due wattmetri, l’uso di tre wattmetri presenta sicuramente dei vantaggi. La configurazione a tre wattmetri richiede tuttavia di usare sei canali dell’oscilloscopio: 3 per le tensioni e 3 per le correnti.
Questa configurazione 3V3I fornisce le singole tensioni fase-neutro e la potenza di ogni singola fase, che non è disponibile nella configurazione a due wattmetri.
Fig. 4: sistema trifase a 3 fili, misurato con 3 canali di tensione e 3 canali di corrente (tre wattmetri)
Per i sistemi a 3 fili, misurati con 3V3I, il software IMDA include un’impostazione per convertire le tensioni linea-linea (L-L) in tensioni linea-neutro (L-N). Sebbene in questo sistema non esista un effettivo neutro fisico, è possibile determinare le tensioni istantanee linea-neutro dalle tensioni istantanee linea-triangolo.
Questa conversione LL-LN punto per punto esprime tutte le tensioni rispetto a un unico riferimento e corregge le relazioni di fase tra tensione e corrente per ciascuna fase. La correzione di fase della conversione LL-LN si può notare osservando le relazioni di fase sul diagramma fasoriale con la conversione attivata e disattivata. L’attivazione della conversione LL-LN consente di calcolare la potenza istantanea moltiplicando le tensioni fase-neutro e le correnti di fase. Ad esempio, è possibile trovare la potenza reale totale (STrPwr) fornita al carico.
ΣTrPwr = (vAN * iA) + (vBN * iB) + (vCN * iC)
Fig. 5: La configurazione 3V3I con conversione LL-LN attivata fornisce letture di potenza vera, reattiva e apparente per ciascuna fase e la somma di tutte le fasi. Si noti che le misure di potenza sommata sono comparabili a quelle osservate con la configurazione a due wattmetri (2V2I).
Misurazione di sistemi trifase a 4 fili con 3 canali di tensione e 3 canali di corrente (3V3I)
Sono necessari tre canali di tensione e tre canali di corrente per misurare la potenza totale in un sistema che utilizza un conduttore neutro tra la linea e il convertitore di frequenza o il convertitore di frequenza e il motore. Le tensioni sono tutte misurate rispetto al neutro. Le tensioni fase-fase possono essere calcolate con precisione dalle ampiezze e dalle fasi della tensione fase-neutro utilizzando la matematica vettoriale. La potenza totale, ΣTrPwr = P1 + P2 + P3.
Fig. 6: Trifase, quadrifilare (metodo dei tre wattmetri)
Si consiglia pertanto di utilizzare il software integrato nell’oscilloscopio, che include una funzione di Autoset trifase che configura automaticamente le tensioni e le fonti di corrente in base alla configurazione di cablaggio selezionata. Questa funzione consente di impostare in modo ottimale i parametri verticali, orizzontali, di acquisizione e di trigger dell’oscilloscopio e può essere eseguita su tutte le misure di potenza attiva. Il tutto senza commettere errori banali e grossolani.
Questo semplifica notevolmente l’impostazione delle misure, soprattutto per le forme d’onda PWM in uscita dal VFD, consentendo di effettuare misure più rapide e precise.
