ArbLoad: simulatore hardware di carico elettrico non-lineare trifase

Author(s):
B. Sacco - RAI-CENTRO RICERCHE E INNOVAZIONE TECNOLOGICA
M. La Rosa - RAI-INGEGNERIA DELLA PRODUZIONE TV

Industry:
Energy/Power

Products:
PXI GPIB, FieldPoint, LabVIEW

The Challenge:
Sviluppare un carico elettrico non-lineare, trifase (400 V, 63 A) in grado di assorbire correnti con forme d’onda programmabili dall’utente, o rilevate in-field.

The Solution:
La corrente non-lineare viene sintetizzata tramite le sue componenti: la fondamentale, con un carico resistivo parzializzato, e le armoniche, tramite un compensatore di armoniche usato in maniera non convenzionale. NI LabVIEW acquisisce le forme d’onda, analizza il contenuto armonico, e pilota, tramite FieldPoint FP-AO-V10, tre triac. La sintesi della corrente armonica viene realizzata dal programma e le relative forme d’onda caricate in tre generatori tramite una scheda NI PCI-GPIB/LP.

Breve riassunto

Viene presentato un sistema in grado di assorbire da una sorgente di energia trifase una corrente di forma d’onda programmabile dall’utente, al fine di realizzare/riprodurre in laboratorio le correnti assorbite da carichi non lineari, quali ad es. alimentatori elettronici, regolatori a parzializzazione, lampade a scarica, ecc. Un Virtual Instruments (VI) LabVIEW comanda tramite DAC NI FieldPoint tre triac e tramite la NI PCI-GPIB/LP tre generatori di forme d’onda arbitraria per pilotare in modo non convenzionale un compensatore di armoniche. Il VI esegue le analisi armoniche e sintetizza separatamente componente fondamentale e armoniche della corrente desiderata.

Articolo

Numerosissimi dispositivi elettrici utilizzati in ambiti industriali (ma anche civili), sono costituiti da alimentatori a commutazione AC/DC e AC/AC, con raddrizzatori-regolatori di tipo "switching" ad alta frequenza, che assorbono corrente in impulsi brevi e di grande ampiezza e quindi si presentano come carichi nonlineari. Gli esempi sono numerosissimi; ne citeremo qui qualcuno: sale macchine con computers, apparati elettronici, inverters, UPS, saldatrici, ecc. In Rai ci sono familiari i casi di luci sceniche con regolatori a parzializzazione (triac), lampade a scarica, Video-Wall, regie video, ecc.

Nel funzionamento di un impianto elettrico trifase a neutro distribuito che alimenta un tale genere di utenze possono quindi presentarsi numerosi problemi diversi, quali:

- alto valore del fattore di cresta (tipicamente intorno a 2,5-3);
- basso valore del fattore di potenza (tipicamente intorno a 0,6-0,7);
- alte correnti nei conduttori di neutro dovute allo sbilanciamento e alla composizione delle armoniche di terzo ordine;
- rumore elettromagnetico irradiato e condotto;
- distorsione della tensione d'alimentazione.

I suddetti problemi danno luogo a inconvenienti di varia natura, quali la bassa efficienza complessiva dell'impianto, l'apertura intempestiva delle protezioni elettriche, vibrazioni meccaniche, sfarfallio delle sorgenti luminose, malfunzionamento degli interruttori e soglie d'intervento dipendenti dalla frequenza, ecc. In particolare tali inconvenienti costringono il progettista a sovradimensionare macchinari, dispositivi di commutazione e cavi di potenza, a proteggere da sovracorrenti il conduttore di neutro, a dotare di schermi speciali e filtri le reti di potenza e di segnale. Risulta però difficile o impossibile progettare in anticipo un impianto, perché ciò richiederebbe di eseguire preventivamente l'intero allestimento, comportante attrezzature spesso molto costose e ingombranti, al solo scopo di effettuare prove o collaudi.
Per ridurre questi problemi (e quindi i costi) già in sede di progetto, si è deciso quindi di realizzare un simulatore di carichi elettrici complessi che permetta di eseguire prove, progettazioni e verifiche di comportamento di impianti d'alimentazione, particolarmente di grande potenza.

Il simulatore da noi sviluppato, battezzato ArbLoad , è stato dimensionato per assorbire una corrente di forma arbitraria, trifase 400 V, 63 A massimi. Come mostrato in fig.1, tale forma d’onda viene sintetizzata tramite le sue componenti:

• la componente a frequenza fondamentale viene realizzata (ramo in alto a destra in figura) mediante con un carico resistivo da 32 A, parzializzato da circuiti a triac controllati in tensione tramite tre DAC (NI FieldPoint FP-1601e due moduli FP-AO-V10 ad alto isolamento) pilotati dal PC di controllo tramite rete LAN. Questo procedimento genera, oltre alla corrente fondamentale desiderata, delle componenti armoniche spurie dovute alla parzializzazione (commutazione del triac), e una componente in quadratura (reattiva); di queste spiegheremo più sotto.
• Le componenti armoniche vengono realizzate (ramo in basso a destra in figura) tramite un compensatore di armoniche usato in maniera non convenzionale. Tale apparato, utilizzato di solito per ridurre la distorsione della corrente in installazioni industriali, è sostanzialmente un banco di condensatori alimentato da un ponte trifase di IGBT collegato in parallelo al carico; se il carico assorbe una corrente I=If+Ih (f=fondamentale, h= armoniche), un circuito di controllo pilota in PWM il ponte in modo da immettere la stessa Ih in controfase. In questo modo la corrente “vista” dal generatore è la sola If , quindi sinusoidale. Nell’ArbLoad usiamo un compensatore di armoniche da 32 A come “attuatore” per la componente armonica: invece di pilotarlo con i segnali provenienti dalle sonde di corrente in dotazione, come normalmente previsto, forniamo tre segnali sintetici provenienti da altrettanti generatori da laboratorio di forme d’onda arbitrarie, conmandati dal PC tramite una scheda NI PCI-GPIB/LP.

L’unità di acquisizione, al centro di fig.1, è costituita da tre A/D converter collegati ai tre trasformatori amperometrici, e uno zero-cross detector collegato ad un trasformatore voltmetrico, usato per generare un segnale di trigger per il sistema. Nel prototipo è stato inizialmente usato un oscilloscopio digitale a tre canali al posto dei tre ADC; nella versione industrializzata viene usata una scheda di acquisizione.
Il VI scritto in LabVIEW acquisisce le tre forme d’onda di corrente, analizza il contenuto armonico, e, come accennato, pilota i tre triac tramite il modulo FieldPoint. L’angolo di conduzione dei triac viene variato finchè la parte reale della componente a 50Hz risulta quella desiderata, entro una tolleranza prefissata. A questo punto le tre forme d’onda di corrente vengono di nuovo acquisite e analizzate; e le componenti armoniche, più la parte immaginaria della componente a 50Hz costituiscono il residuo spurio da eliminare. Esse vengono sottratte dallo spettro del segnale desiderato. La differenza così ottenuta rappresenta ciò che manca alla corrente fin qui ottenuta per ottenere quella desiderata. Tramite DFT inversa viene ottenuto il segnale periodico nel dominio del tempo. Tale segnale campionato viene quindi caricato nei generatori arbitrari via GPIB tramite la scheda NI PCI-GPIB/LP.
La forma d’onda così ottenuta sulla linea è la sintesi fedele di quella desiderata. Si è riscontrato che il compensatore di armoniche, essendo uno dispositivo piuttosto raffinato, non soffre di derive termiche; al contrario i parzializzatori a triac ed il resistore alimentato variano la corrente assorbita a causa della variazione della temperatura. Ciò ha reso necessario aggiungere un ciclo di controllo secondario, che usa come parametro di controllo la componente in fase a 50 Hz della corrente effettivamente assorbita, provvedendo a variare l’angolo di innesco dei triac per compensarne le variazioni. Questo consente anche la compensazione delle variazione di tensione di alimentazione del carico. Questo cicli di controllo viene eseguito periodicamente, ma non vi è l’esigenza di elaborazioni in real-time:Il VI NI LabVIEW gira senza problemi su un PC Pentium3 con sistema operativo Windows2000.
Per l’utilizzo, ArbLoad viene connesso direttamente alla linea (o generatore: UPS, Gruppo elettrogeno, ecc.) da testare. Se invece si intende testare un dispositivo (interruttore automatico, trasformatore, …) o una linea per prove EMC per disturbi irradiati, si può utilizzare la sezione Test Setup di fig.1.
ArbLoad è stato realizzato dapprima in forma prototipale, visibile in fig.2; la corrente sintetizzata viene visualizzata, tramite i trasformatori amperometrici, sull’oscilloscopio digitale; in figura 2 A si può notare la forma d’onda “acuminata” tipica da raddrizzatore. La sezione parzializzatori a triac è stata remotata grazie all’unità NI FieldPoint. Il carico resistivo non è riportato in figura.
Una versione industrializzata (e marchiata CE) di ArbLoad (fig.3) è stata realizzata, per Rai e sotto nostra licenza di brevetto, da un’azienda italiana.
Grazie a NI LabVIEW la realizzazione protitipale di ArbLoad è stata realizzata in tempi record, e tutto il software è stato riutilizzato con minimi adattamenti permettendo la realizzazione della versione industrializzata in soli tre mesi.

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