Gestire l’elettricità dai microwatt ai Megawatt

ENERGIE RINNOVABILI –

All’interno di un’entità complessa come un moderno aerogeneratore, la gestione dell’elettricità in una gamma veramente ampia di livelli di potenza è una sfida costante.

Quando si parla di aerogeneratori, si pensa solitamente a un'applicazione in cui le potenze in gioco sono dell'ordine del Megawatt, trascurando il fatto che essi possano funzionare solo grazie all'interazione di un gran numero di componenti elettronici. Un'analisi dettagliata della procedura di avviamento mette in luce il coinvolgimento di componenti elettronici di qualsiasi livello di potenza ancor prima che il rotore inizia la rotazione.

Dal microvolt al milliWatt - In questo intervallo di potenza operano parecchi tipi di sensori. Oltre ai parametri elettrici che devono essere misurati, i dati necessari per far funzionare il mulino a vento includono misura dell'angolo, temperatura, umidità e pressione. Un parametro fondamentale è la temperatura all'interno della navicella dell'aerogeneratore: essa viene misurata e, in funzione del sito di installazione, regolata al livello desiderato. Mentre un aerogeneratore mulino posto nelle regioni più fredde deve essere riscaldato fino alla temperatura di funzionamento, un aerogeneratore posto in altri siti può non richiedere alcun trattamento termico, una semplice ventilazione o perfino un raffreddamento mediante sistemi per il condizionamento dell'aria. Oltre alla temperatura della navicella, è necessario monitorare le condizioni termiche del generatore, dei moltiplicatori di giri, dei sistemi di raffreddamento a liquido e dei sottosistemi elettronici di potenza. Direzione e velocità del vento sono rilevati mediante un anemometro e una banderuola.

Dai milliwatt ai Watt - L'intervallo che va dai milliwatt ad alcuni Watt interessa la trasmissione dati. Parecchi aerogeneratori sono connessi a reti che consentono l'accesso remoto per l'acquisizione e il monitoraggio dei dati durante il funzionamento. Le comunicazioni attraverso D-Net, Gsm o Umts richiedono di solito una potenza inferiore a 10 W per operare in modo corretto.

Dai Watt alle centinaia da Watt - In questa fascia di potenza, i sistemi interessati sono le pompe per i sistemi idraulici e i sistemi di raffreddamento a liquido, i compressori per il condizionamento dell'aria e alcuni assemblaggi per la ventilazione di piccole dimensioni. Gli azionamenti ausiliari devono essere alimentati per coprire il loro consumo, solitamente tramite alimentatori a commutazione che operano in un range di potenza inferiore a 100 W. In questo intervallo di potenza si utilizzano dispositivi quali circuiti ASIC, componenti di potenza incapsulati (molded) o dispositivi elettronici di potenza discreti.

Nel range dei Kilowatt - L'area di potenza dei kilowatt riguarda il controllo delle parti meccaniche dell'aerogeneratore. Due sono i parametri critici da tenere in considerazione prima che il generatore dell'aerogeneratore inizi la rotazione: velocità e direzione del vento. Dapprima la navicella deve essere allineata con la direzione del vento e successivamente l'orientamento delle pale deve essere regolata in modo opportuno per generare la coppia di avviamento. Poiché il controllo delle pale contribuisce alla sicurezza dell'aerogeneratore e consente un arresto di emergenza, gli azionamenti per il controllo del passo dispongono di un alimentatore indipendente in modo da poter operare in modo sicuro in caso di disconnessione o guasto della rete di distribuzione. Durante il funzionamento dell'aerogeneratore, è necessaria la ventilazione per dissipare verso l'ambiente le perdite del generatore mediante ventole che richiedono anch'esse parecchi kilowatt.

Fino al MW - In funzione dell'aerogeneratore o della disposizione del parco eolico, la generazione e la trasmissione dell'energia coinvolge potenze a partire da alcune centinaia di kilowatt: al momento attuale l'aerogeneratore più potente è caratterizzato da un'uscita massima di 6 MW. Nel caso di “fattorie del vento” (wind farm), l'ordine di grandezza può passare facilmente da 106 a 108: la più grande fattoria in Europa è in grado di erogare 500 MW. Per quanto concerne l'elettronica di potenza, le sezioni senza dubbio più interessanti sono quelle relative al controllo del passo (Pitch-Control), controllo dell'imbardata (Yaw-Control) e generazione dell'energia.

Il controllo del passo
Il controllo del passo per una singola pala prevede un motore a ingranaggi che aziona una ruota dentata per far ruotare la pala lungo il suo asse longitudinale. Dal punto di vista elettrico il sistema è collegato alla rete di distribuzione e la sua disposizione (setup) è simile a quella di un sistema Ups. Rispetto a un Ups per applicazioni industriali, il controllo del passo è molto più critico sotto il profilo meccanico, elettrico e termico. Le sollecitazioni meccaniche aggiuntive sono una conseguenza della sede di montaggio. Ruotando insieme al mozzo dell'aerogeneratore, l'azionamento è sottoposto a forze centrifughe e a vibrazioni di intensità notevolmente superiore rispetto a quelle cui sarebbe soggetto un sistema stazionario. Per far ruotare la pala, l'azionamento deve fornire la coppia di spunto iniziale. In condizioni di quiete non si tratta di un compito particolarmente arduo. Nel caso invece il controllo del passo debba riallineare la pala durante il funzionamento, è necessario aggiungere le forze che il vento esercita sulla pala. Tenendo conto del fatto che una singola pala in un aerogeneratore da parecchi Megawatt pesa diverse tonnellate, l'inerzia da contrastare è enorme. Dal punto di vista elettrico, la modalità di funzionamento è caratterizzata da brevi raffiche (“burst”) di massima potenza che comporta requisiti abbastanza onerosi per quanto concerne i cicli di potenza (power cycling). Durante il funzionamento normale la velocità di rotazione della pala raggiunge 3°/s mentre in caso di arresto d'emergenza sono richieste velocità fino a 12°/s in funzione delle condizioni di sovraccarico. Quindi è necessario prevedere il dimensionamento di un azionamento adeguato, poiché la tensione della batteria è solitamente inferiore alla tensione del collegamento in continua (DC-link) pilotato dalla rete di distribuzione. Per ottenere la stessa potenza in uscita che si avrebbe in condizioni di connessione alla rete di distribuzione è necessario prendere in considerazione correnti di valore anche più elevato nel caso di disconnessione dalla rete di distribuzione. Dal punto di vista termico, un azionamento può operare a temperature ambiente che vanno da -30 a +70 °C. Per soddisfare tutte queste esigenze, Infineon ha cooperato con i principali costruttori di azionamenti e condotto esaustive ricerche soprattutto per quel che concerne le vibrazioni. I test prevedevano anche quelli relativi alla vibrazione su più assi dell'intero inverter allo scopo di aiutare gli sviluppatori a identificare le carenze costruttive dell'inverter e migliorare la capacità di resistenza complessiva del progetto rispetto alle sollecitazioni meccaniche. I livelli di ampiezza, spettro di frequenza e accelerazione utilizzati nei test erano di gran lunga superiori rispetto a quelli richiesti dagli standard in vigore in ambito industriale. I nuovi moduli di potenza come SmartPack o EconoPack 4 sono stati sviluppati sfruttando i risultati di questi test. Un risultato di rilievo è stato l'utilizzo di nuove tecnologie di interconnessione. Le tecniche di saldatura a ultrasuoni per collegare i terminali elettrici permettono di incrementare sensibilmente la capacità di gestione di sollecitazioni meccaniche e termo-meccaniche. Per quanto riguarda le interconnessioni, ulteriori miglioramenti sono stati ottenuti utilizzando le connessioni PressFIT. Infineon è stata la prima azienda a introdurre questo connettore estremamente affidabile e che non richiede saldatura nei moduli di bassa potenza come le serie Easy e Smart: questo approccio è stato successivamente utilizzato per la famiglia EconoPack 3 e per i dispositivi di media potenza come EconoPack 4.

Il controllo dell'imbardata
Il controllo azimutale o dell'imbardata è molto simile al controllo del passo. I livelli di potenza sono comunque superiori di un ordine di grandezza. Se si somma il peso del mozzo, delle pale, del generatore e dell'alloggiamento, le navicelle degli attuali aerogeneratori di grandi dimensioni hanno una massa superiore a 600 tonnellate metriche. Di solito sono necessarie centinaia di Kilowatt per far girare la navicella: questa potenza è richiesta semplicemente per vincere l'enorme inerzia di quest'ultima e il momento angolare del rotore. Poiché lo spazio all'interno della navicella è limitato, le dimensioni dell'inverter devono essere le più piccole possibili. Alla riduzione delle dimensioni dell'inverter corrisponde la necessità di incrementare la densità di potenza dei dispositivi elettronici di potenza. Per soddisfare questa esigenza Infineon ha di recente introdotto FF600R12ME4, un modulo a semiponte da 600A/1200V ospitato nel collaudato packake EconoDual 3. Progettato per garantire elevate densità di potenza, questo package è caratterizzato dalla presenza di substrati ceramici ottimizzati dal punto di vista termico e garantisce il trasporto di correnti elevate grazie all'uso della giunzione a filo di rame. Qualora fossero presenti parecchi azionamenti, essi possono essere utilizzati per ridurre il gioco dei componenti meccanici mediante l'applicazione di coppie in direzioni opposte: solitamente tale funzionalità è implementata da freni meccanici per cui non si verifica la condizione di funzionamento continuo a velocità rotazionale nulla. L'allineamento della navicella con la direzione del vento è un evento meno probabile rispetto all'azionamento del controllo del passo. Inoltre lo spostamento della navicella non è una procedura che deve essere eseguita a velocità elevata. Di conseguenza il controllo dell'imbardata è un'applicazione meno critica per quanto concerne i cicli termici e di potenza.

La generazione dell'energia
La generazione dell'energia negli ultimi anni è evoluta dando luogo a differenti topologie di dispositivi elettronici di potenza per il trasferimento di energia dal generatore alla rete. Gli inverter sui generatori sincroni coesistono con gli apparati a induzione a doppia alimentazione. Mentre negli inverter sono usati solitamente moduli di elevata potenza come PrimePack, per gli inverter che azionano il rotore di un generatore a induzione a doppia alimentazione spesso si ricorre a dispositivi di media potenza. EconoPack + è stato introdotto nel 2000 insieme a Igbt3. La versione a 1700 è ben presto divenuto lo standard “de facto” per questo tipo di applicazione. Nel corso degli anni sono state apportare numerose migliorie atte a “irrobustire” il progetto. Il nuovo EconoPack + ora dispone di terminali di controllo di tipo PressFIT e di terminali di potenza saldati tramite ultrasuoni. Inoltre i nuovi terminali di potenza sono stampati a iniezione per incrementare la robustezza meccanica. Nonostante tali cambiamenti, le connessioni del modulo rimangono compatibili con i loro predecessori dal punto di vista sia meccanico sia elettrico. Per soddisfare al meglio le esigenze degli inverter collegati alla rete di distribuzione dove sono in gioco potenze dell'ordine di parecchi Megawatt, Infineon ha sviluppato PrimePack, un modulo destinato espressamente ad applicazioni in cui sono richiesti tempi di vita maggiori. PrimePack è stato il primo modulo a elevata potenza a utilizzare la saldatura a ultrasuoni per i terminali di potenza. Di concezione modulare, esso offre la possibilità di montare moduli in configurazione a semiponte con potenze comprese tra 600 e 1400 A sfruttando un footprint comune. I moduli,  sono caratterizzati da una distanza superficiale (creepage distance) maggiore come richiesto nel caso di progetti a 3,3 kV. I moduli equipaggiati con Igbt da 1.700 V sono quindi destinati all'uso in ambienti particolarmente gravosi. Nei parchi eolici offshore, in special modo, la combinazione di condizioni atmosferiche, temperatura, umidità e profilo del carico dà vita a un ambiente particolarmente ostile per i progettisti di dispositivi elettronici di potenza. Conscia di queste problematiche, Infineon ha sviluppato un nuovo insieme di tecnologie di interconnessione, denominate .XT, con l'obbiettivo di migliorare qualsiasi collegamento presente in un modulo elettronico di potenza. In funzione del profilo del carico, vi sono tre principali meccanismi di guasto che limitano la durata dei dispositivi elettronici di potenza:
- I cicli di potenza causano guasti nella giunzione a filo;
- Nei cicli lunghi i giunti di saldatura tra i chip di silicio e il substrato Dcb rappresentano il fattore critico;
- I cicli termici portano alla delaminazione dei giunti saldati tra la ceramica e i basamenti (base plate).

L'attuale tendenza che prevede un incremento della densità di potenza, accompagnata da un aumento delle temperature di giunzione, sarà ulteriormente consolidata dall'uso di materiali ad ampio bandgap come il carburo di silicio. Ciò rende pressoché inevitabile lo sviluppo di nuove tecnologie di interconnessione poiché gli odierni processi di saldatura non possono supportare i livelli di temperatura che sono previsti in un prossimo futuro. Nella tecnologia .XT sono state previste tre modifiche essenziali che ne consente l'impiego nei moduli di potenza della prossima generazione.
Per quando riguarda la saldatura dei substrati ceramici si è passati alla cosiddetta connessione saldata ad alta affidabilità per ottenere migliori risultati per quanto riguarda i cicli termici. Il secondo miglioramento è stato apportato a livello di giunto di saldatura del chip, sostituendo la saldatura a dolce (soft soldering) con la saldatura a diffusione. Infine le modifiche apportate alla superficie del chip consentono l'uso della giunzione a filo di rame. La combinazione di queste modifiche comporta un aumento di un fattore pari a 10 della durata rispetto a quella ottenibile con i progetti attuali. La giunzione a filo di rame utilizzata per il modulo FF600R12ME4 segna in pratica l'inizio dell'utilizzo della tecnologia .XT. Il primo modulo realizzato sfruttando appieno questa tecnologia sarà il PrimePack FF900R12IP4LD da 900A/1200V. Sebbene attualmente il modello di punta è un modulo da 1200 V, questa tecnologia sarà trasferita sui moduli a 1700 V. In futuro la tecnologia .XT sarà utilizzata in un'ampia gamma di tipo di moduli. La richiesta ricorrente di sottosistema ad alta potenza già assemblata ha spinto Infineon a realizzare i cosiddetti Stack-Assemblies. Costituiti dal semiconduttore di potenza, dall'elettronica di pilotaggio e dai componenti per la gestione del trasferimento di calore, blocchi base come ModStack HD sono stati progettati per aiutare i clienti a risolvere problemi specifici. Poiché essi non hanno un'elettronica di controllo o un processore connesso, non sono degli inverter completi. Questi Stack sono invece sottosistemi completi che consentono all'utente di collegare l'unità di controllo desiderata. L'uso di questi stack - che integrano elettronica di pilotaggio, meccanismi di protezione, funzioni di gestione termica e Dc-Bus - come sezioni di potenza contribuisce ad accelerare lo sviluppo e ridurre di conseguenza il time to market. ModStack HD è un sottosistema già pronto per l'uso in grado di operare con tensioni del collegamento in continua fino a 110 V e fornire una potenza di uscita di 2 MW. Grazie alla loro concezione modulare, questi Stack possono essere combinati con estrema facilità per dar vita alla topologia più adatta per uno specifico aerogeneratore. Nel caso una potenza di 2 MW non sia sufficiente, è possibile porre più sottosistemi in parallelo. Sono anche previste personalizzazioni “ad hoc” in funzione delle richieste dell'utilizzatore.

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