Il ruolo delle misure nel power

MISURE DI POTENZA –

L’attività industriale non potrebbe esistere senza un sistema di misura consolidato, un insieme di norme che definisca le grandezze misurabili, le modalità per effettuare le misurazioni e indichi i valori e le tolleranze in campi applicativi specifici.

Due scienziati, specialisti nel campo metrologico, scrivono che “non appare azzardato affermare che in Italia vengono compiute ogni giorno circa due miliardi di misure: ciò significa valutare a qualche decina al giorno il numero medio di misure eseguite da ciascun abitante di un paese industrializzato”. In effetti non ci rendiamo conto quanto la misurazione sia un atto comune nella vita di tutti i giorni: il fornaio che pesa un chilogrammo di pane, l'automobilista che fa il pieno di benzina, o anche solo uno che guarda l'orologio compie una misurazione. Nell'attività scientifica la metrologia è la scienza interdisciplinare che si occupa di tutti gli aspetti relativi alle misure di grandezze fisiche; essa ha enormi ripercussioni su tutta l'attività dell'uomo: come disse il famoso fisico inglese Lord Kelvin nel 1883 “possiamo conoscere qualcosa dell'oggetto di cui stiamo parlando, solo quando possiamo compiere su di esso misure al fine di descriverlo mediante numeri; in caso contrario la nostra conoscenza è scarsa e insoddisfacente”.
L'attività industriale moderna non potrebbe esistere senza un sistema di misura consolidato e un insieme di norme che definisca le grandezze misurabili, stabilisca le modalità per effettuare le misurazioni e indichi eventualmente i valori e le tolleranze per alcune misure in campi applicativi specifici. L'elettronica di potenza è un'attività che fa parte dell'elettronica industriale ed è attualmente in notevole sviluppo e con buone prospettive di proseguire il trend positivo. Si tratta di un'attività interdisciplinare, con stretti legami con la ricerca scientifica avanzata, lo sviluppo di moderne tecnologie produttive e per la quale il sistema di misure da effettuare, sia in sede di R&S, sia in sede produttiva, è complesso, costoso, ma essenziale.

Misurazioni e misure

Attualmente nel mondo le attività scientifiche e gran parte delle attività tecniche adottano il Sistema Internazionale di Unità, simbolo SI, anche se in campo tecnico e industriale alcuni paesi di lingua inglese continuano ad adottare (spesso in parallelo al SI) tradizionali unità di misura. Il Sistema Internazionale di Unità è un corpo di definizioni e di regole, che fornisce, in forma organica e coerente, il modo per ottenere le unità per tutte le misure della fisica e della tecnica in generale. SI si fonda su due ipotesi:
a) il sistema è razionalizzato, cioè nelle equazioni che descrivono i fenomeni elettromagnetici non appare il fattore 4π;
b) il sistema si fonda su sette unità di misura scelte come fondamentali e su due scelte come supplementari.
Quando si usa SI, nel calcolo numerico delle grandezze riportate in una formula, non vi sono coefficienti. Per esempio la potenza meccanica in unità SI è data dalla formula
P = M·ω, dove: P potenza [W], M coppia [Nm], ω [rad/s]. Nel caso di unità U.S. la formula è: P = (T·rpm) / 5250, dove: P potenza [HP], T coppia [ft-lbs], rpm [rpm] e il numero 5250 è un coefficiente variabile a seconda delle unità di misura adottate.

Si intende in generale come “grandezza” ogni proprietà o condizione usata per descrivere un oggetto o un fenomeno. La metrologia si occupa solo delle grandezze per le quali è possibile compiere la misurazione; restringendo ancor più il campo: si utilizza la descrizione delle operazioni necessarie ad eseguire la misurazione di una grandezza per definirla, per darle cioè significato. La misurazione è l'azione di effettuare una misura. Il prodotto del processo di misurazione viene detto “misura”. La misura è il rapporto tra una grandezza e un'altra, della stessa specie, convenzionalmente scelta come unitaria; misura è anche il numero che esprime l'estensione di una quantità rispetto all'unità di misura fissata. Per definire completamente una misura non è sufficiente fornire il numero, ma è necessario definirla con l'insieme di tre dati: un numero, una unità di misura e una incertezza. Si può dire che l'insieme di questi tre dati è la misura di un parametro (grandezza), in uno stato definito. Ogni misura è condizionata inevitabilmente da diversi fattori di indeterminazione o errore (intrinseca della grandezza, dello strumento, dell'operatore, ecc.); essa pertanto è rappresentata da una fascia di numeri, definita appunto incertezza della misura.
La teoria degli errori cerca di calcolare la qualità di una misura prodotta, che può essere sintetizzata dal valore dell'incertezza, poiché è teoricamente impossibile definire un “valore vero” di una misura. L'incertezza assoluta En ha le dimensioni del misurando: per esempio se misuriamo una corrente In essa si misura in ampere [A]; è tuttavia molto più indicativa, ai fini pratici, indicare l'incertezza relativa en, che è espressa in percentuale [%];

en = En / In (f01)

ad esempio, se In = 243 A, ed En = 1,5 A , si ha:
en = 2,5 /143 = 0,017 = 1,7% (f02)

La misurazione richiede due passaggi intermedi: il primo consiste nell'acquisizione da parte dell'operatore delle informazioni direttamente fornite dagli strumenti: è questa l'operazione di “lettura” degli strumenti. In molti processi di misurazione industriale l'operatore uomo è sostituito dall'operatore strumento, che fornisce spesso direttamente il valore della misura in formato numerico ed esegue la misura “in tempo reale”, guadagnando in precisione, affidabilità e oggettività. Ogni strumento di misura, prima di poter essere impiegato, deve essere sottoposto al procedimento di “taratura” che deve fornire tutte le informazioni capaci di tradurre le letture in misure, ad esempio quale incertezza si deve associare alla misura, in quali condizioni dello strumento il costruttore garantisce l'incertezza dichiarata, per quanto tempo essa è garantita e quindi qual è l'intervallo di tempo dopo il quale occorre ripetere l'operazione di taratura.

Le misure nell'elettronica di potenza

Le apparecchiature che possono essere classificate come appartenenti all'elettronica di potenza gestiscono potenze da pochi watt fino ai megawatt, sono a bassa tensione (per esempio 400 V trifase 50 Hz) o a media tensione (valori normalizzati 15 kV e 20 kV trifase 50 Hz) e hanno caratteristiche funzionali ed applicative molto diverse. Tuttavia esistono alcune caratteristiche tecniche comuni:

  • l'impiego di componentistica elettronica di potenza (come transistori, Scr, Igbt, ecc.);
  • le grandezze elettriche (tensione e corrente) sono di forma d'onda molto varia e contengono generalmente armoniche;
  • il campo delle frequenze presenti nei circuiti è molto ampio (dalle frequenze delle reti di distribuzione a frequenze di megahertz).

Una caratteristica comune è anche quella che, salvo casi molto rari, le apparecchiature prodotte sono destinate ad essere messe sul mercato e quindi devono rispettare determinate norme; come quella di apporre una targa o fornire una adeguata documentazione tecnica, che riporti le caratteristiche del prodotto; in molti casi è prescritta anche l'applicazione di una marcatura.
Il fabbricante deve disporre quindi di adeguata struttura, corredata di adeguata strumentazione, per effettuare tutte le prove e le misurazioni dei propri prodotti. Le prove a cui può essere sottoposta un'apparecchiatura sono di vario tipo: prova di tipo, prova di serie, prova a campione, ecc. La prova di tipo viene effettuata su uno o più esemplari del prodotto, con una serie di misurazioni complete ed esaustive, per determinare le specifiche e le prestazioni del prodotto; di regola viene effettuata una sola volta ed eventualmente controllata nel tempo. La prova di serie viene invece effettuata di regola sul 100% della produzione; essa ha lo scopo di misurare il valore di alcune grandezze fondamentali, in particolare di quelle che hanno attinenza con la sicurezza delle persone (per esempio prova di tensione applicata). Il numero delle misurazioni è il più limitato possibile, per motivi di costo, spesso eseguito con macchine di collaudo automatico con stampa del foglio di collaudo.
Data l'enorme varietà di apparecchiature di elettronica di potenza, per esemplificare i problemi di misurazione che possono nascere a causa delle forme d'onda delle grandezze da misurare (essenzialmente tensione e corrente) in relazione al tipo di misurazioni richieste, si farà di seguito riferimento a un convertitore AC/DC, qui denominato CINP, che normalmente è il primo stadio di un convertitore elettronico (CDM Complete Drive Module) con bus intermedio DC di un azionamento elettrico (PDS). Tipicamente i PDS sono alimentati da una rete trifase a frequenza industriale e la topologia più semplice per CINP è il raddrizzatore.
ll collegamento di un CDM alla rete di alimentazione produce un impatto nel punto di collegamento P0 che si riflette sull'intera rete, inoltre il convertitore costituisce un carico di tipo non-lineare, per esempio le forme d'onda della tensione e della corrente sono differenti. Il residuo armonico di una funzione periodica non sinusoidale in P0, denominato anche contenuto armonico, è per la tensione:

UHn = ( Σ Uh2)1/2 (f03)

dove Uh è il valore efficace di ciascuna componente armonica e la sommatoria va estesa, partendo da h = 2, a tutte le componenti armoniche di ampiezza significativa presenti nel segnale di tensione.
Analogamente si ha per la corrente:
IHn = ( Σ Ih2)1/2 (f04)

Il residuo armonico relativo THF total armonic factor (contenuto armonico relativo o tasso d'armoniche) è il rapporto fra il valore efficace del residuo armonico ed il valore efficace della grandezza periodica; per la tensione:
THFU = UHn /U (f05)
Il tasso di fondamentale FC è il rapporto tra il valore efficace della componente fondamentale e il valore efficace della grandezza alternata; per la tensione
FCU = U1 / U (f06)
E inoltre facile verificare che:
THFU2 + FC.U2 = 1 (f07)
La distorsione armonica totale THD total harmonic distorsion è il rapporto tra il valore efficace del residuo armonico ed il valore efficace della componente fondamentale della grandezza alternata; per la tensione:
THDU = UHn /U1 (f08)

Relazioni analoghe alle (f05), (f06), (f07) e (f08) possono essere scritte anche per le correnti; p.e. il tasso di fondamentale le correnti è:
FCI = I1 / I (f09)

Il fattore di sfasamento (cosΦ1) è il coseno dell'angolo di fase tra le componenti fondamentali della tensione di fase e della corrente di fase in P0; esso può essere definito anche come il rapporto tra la potenza attiva dovuta alle componenti fondamentali della tensione e della corrente e la loro potenza apparente.

Il fattore di potenza (λ) è il rapporto fra la potenza attiva P e la potenza apparente S; nel caso che abbiamo preso come esempio, se si suppone che la tensione di alimentazione trifase sia perfettamente sinusoidale (e quindi FCU = 1) si ha:

λ = P / S = (30,5 UI1 cos Φ1) / (30,5 UI) = (I1 / I) cos Φ1 = FCI cos Φ1 (f10)

La relazione (f10) è importante in EP e definisce la differenza tra fattore di potenza e fattore di sfasamento.

Gli strumenti di misura

Gli strumenti che vengono impiegati nelle misurazioni di elettronica di potenza sono essenzialmente quelli utilizzati in elettrotecnica e in elettronica di segnale, con la opportuna scelta delle portate; è importante notare tuttavia che in questo settore occorre tenere sempre conto della presenza delle armoniche; pertanto, per esempio, per le misure di tensione e di corrente, sono disponibili sul mercato strumenti elettronici che forniscono, con determinate limitazioni, il vero valore efficace (true rms). La misura delle potenze elettriche - attiva P [W], apparente S [VA], reattiva Q [var] - non è frequente in elettronica di segnale ed in elettrotecnica, dove è comune, le grandezze considerate sono di solito praticamente sinusoidali; in elettronica di potenza la misura di queste grandezze è particolarmente importante ma esse sono di regola con forme d'onda con notevole contenuto armonico; pertanto per questo scopo, sono stati sviluppati particolari strumenti di misura.

Yokogawa - Yokogawa costruisce una vastissima gamma di misuratori di potenza e analizzatori di potenza digitali, con la comune caratteristica di permettere all'utente una immediata lettura diretta numerica delle misure richieste e una facile connessione all'apparecchio in misura; essi sono particolarmente indicati per uso nel campo industriale. Ad esempio, la serie di Digital Power Meter WT210/WT230 presenta le seguenti caratteristiche: precisione sulla potenza: 0,1%; misure in DC, 0,5 Hz÷100 kHz; aggiornamento ad alta velocità (10 letture per secondo); misura delle armoniche; tensione fino a 600 Vrms, monofase e trifase; corrente 30 A (con opzione esterna 1000 A); misure: potenza attiva, potenza reattiva, potenza apparente, tensione, corrente, fattore di potenza, angolo di fase, tensione di picco, corrente di picco, frequenza, rendimento, potenza integrata. Gli strumenti della serie WT2010/WT2030 sono costruiti per assicurare una precisione di 0,04%, con misura di basso fattore di potenza.

Tektronix - In una sua pubblicazione Tektronix indica una serie di misure che possono essere eseguite dagli oscilloscopi della serie 4000 Digital Phosphor Oscilloscope, sugli alimentatori di potenza. La serie 4000 ha modelli con larghezza di banda di 1 GHz, 500 MHz, 350 MHz, fino a 16 canali digitali, sample rate fino a 5GS/s.

LeCroy - Per particolari operazioni su forme d'onda del tipo di quelle che si trovano in elettronica di potenza, la serie di oscilloscopi digitali WaveJet di LeCroy fornisce strumenti nel menù Math, nel quale sono possibili funzioni matematiche standard, quali addizione, sottrazione, moltiplicazione e FTT.

Agilent - La società produce una gamma di misuratori di potenza e relativi sensori; la Serie P, con larghezza di banda video di 30 Mhz, permette di effettuare misure di picco, valore medio, rapporto tra valore di picco e valore medio, potenza massima, potenza minima, tempi di salita e discesa, valori statistici (CCDF, PDF).

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