Ridurre le perdite negli avvolgimenti è la chiave per migliorare l’efficienza dei sistemi WTP-Wireless Power Transfer.
HIOKI, rappresentata nel nostro paese da Asita, rende possibile la misura della perdita degli avvolgimenti, anche ad alte frequenze di commutazione, grazie a un analizzatore di potenza che può operare in diverse modalità.
di Patrizia Metta
L’incremento dell’utilizzo di semiconduttori SiC (Carburo di Silicio) e GaN (Nitruro di Gallio) nell’elettronica di potenza permette di aumentare la frequenza di commutazione. Di conseguenza, all’interno dei convertitori elettronici di potenza possono essere utilizzate avvolgimenti più piccoli e leggeri, e visto che gli strumenti di misura servono a migliorare l’efficienza ne consegue una grande sfida.
I tradizionali analizzatori di potenza forniscono risultati di misura imprecisi o errati, quando analizzano le perdite negli avvolgimenti alle alte frequenze di commutazione. La chiave per ottenere facilmente risultati accurati e ripetibili è la correzione dello sfasamento automatica. HIOKI, rappresentata in Italia da Asita, riesce a renderla possibile associando perfettamente l’analizzatore di potenza con i sensori di corrente e i divisori di alta tensione.
TECNOLOGIA DI RICARICA WIRELESS
In molti settori dell’industria elettrica, capita spesso di trovarsi davanti a un incremento della frequenza di commutazione, soprattutto riguardo alla mobilità elettrica. Un esempio è lo sviluppo di inverter basati su SiC. Un altro esempio è la ricerca nel campo della trasmissione di energia wireless (WPT-Wireless Power Transfer). In futuro, le batterie dei veicoli elettrici verranno caricate proprio come uno spazzolino elettrico o un cellulare, comodamente tramite bobine di ricarica installate nei parcheggi o addirittura sulle strade. Tecnologie di ricarica wireless come queste aumenteranno ulteriormente la comodità e, di conseguenza, il gradimento delle auto elettriche.
Questo sarà possibile grazie alle tecnologie di ricarica induttiva basate sulla risonanza magnetica o sull’induzione magnetica. Lo sviluppo di sistemi di ricarica wireless più efficienti è in pieno sviluppo presso i costruttori di automobili e batterie per i veicoli elettrici. Un’area cruciale per ottenere una maggiore efficienza è analizzare e ridurre le perdite negli avvolgimenti di questi sistemi WPT.
Le misure precise di parametri come tensione, corrente, fattore di potenza e distorsione armonica, permettono agli ingegneri di comprendere meglio le prestazioni degli avvolgimenti primari, che si trovano nel pannello della pavimentazione, e secondari, che si trovano sulla parte inferiore del veicolo in un sistema WPT, garantendo un trasferimento di energia efficiente e affidabile. Una valutazione accurata e rapida della potenza in ingresso e in uscita, così come delle perdite durante la trasmissione wireless, aumenta le prestazioni del sistema e accelera il processo di sviluppo.
Accurati ed efficienti: PW8001 e sensori di corrente allineati perfettamente.
MISURA IN POCHI SECONDI
Fino ad oggi, l’attenzione degli ingegneri di sviluppo nella progettazione dei sistemi WPT è stata concentrata sulla minimizzazione delle perdite di commutazione e conduzione dei semiconduttori nel sistema. Per aumentare ulteriormente l’efficienza del sistema, è importante anche utilizzare le bobine ottimali. Pertanto, è importante analizzare le perdite negli avvolgimenti in condizioni di esercizio. Un metodo comunemente utilizzato per misurare le perdite negli avvolgimenti è il calorimetro. Questo metodo è preciso, ma ha uno svantaggio: il test può richiedere fino a mezz’ora per essere completato. Al contrario, un analizzatore di potenza può essere utilizzato per determinare le perdite negli avvolgimenti in pochi secondi. Ma questo è più facile a dirsi che a farsi, poiché si tratta di una misurazione complessa.
Di seguito è riportato lo schema elettrico di base di un sistema WPT per veicoli elettrici, con le bobine del sistema cerchiate in rosso. Utilizzando l’analizzatore di potenza PW8001 insieme ai sensori di corrente HIOKI e ai divisori di tensione, l’efficienza complessiva del sistema e le perdite negli avvolgimenti possono essere determinate con precisione grazie a varie peculiari caratteristiche.
Test dell’efficienza WPT con un analizzatore di potenza: Frequenza di commutazione 85 kHz, Tensione di uscita 3.000 V.
LA MISURAZIONE DELLE PERDITE
Per determinare la perdita negli avvolgimenti si utilizza il cosiddetto “two coil loss”. Con questa misura, è possibile determinare la perdita totale negli avvolgimenti e la perdita del nucleo misurando la corrente che scorre attraverso la bobina e la tensione su entrambe le bobine, primaria e secondaria. I valori misurati per tensioni, corrente e angolo di fase, ecc. sono alla base del calcolo delle perdite. Il calcolo delle perdite negli avvolgimenti viene effettuato utilizzando le UDF-User Defined Calculation Functions, funzioni di calcolo definite dall’utente, che è uno standard all’interno di PW8001, sulla base delle quali è possibile calcolare la perdita totale e la perdita del nucleo.
La perdita del materiale conduttore può quindi essere facilmente determinata sottraendo la perdita della bobina dalla perdita totale.
Principio della misurazione two coil loss.
LE PERDITE NEGLI AVVOLGIMENTI
Misurare in modo accurato le perdite negli avvolgimenti è una vera sfida, per assicurare risultati utili si devono misurare le perdite nelle condizioni di lavoro effettive. Quindi, per quanto riguarda il WPT, significa effettuare i test con correnti fino a 500 A a una tensione alla bobina di ricezione di 3 kV. È necessario l’utilizzo di un divisore ad alta tensione per gestire queste alti voltaggi. Poiché il fattore di potenza delle bobine è estremamente basso, l’influenza dell’errore di fase sul risultato della misura è estremamente elevato, come mostrato nella figura qui sotto.
Con un angolo di fase di 88°, un errore di fase di soli 0,2° comporterà un errore del 10% nella potenza attiva!
OLTRE I 10 kHz
I risultati dei test degli analizzatori di potenza tradizionali con resistore shunt interno diventano inaffidabili per la misura delle perdite negli avvolgimenti oltre la soglia dei 10 kHz. gli errori di fase hanno un impatto minimo fino a frequenze di commutazione di circa 10 kHz, tuttavia, oltre questa soglia, molti analizzatori di potenza forniscono risultati imprecisi sulle perdite a causa di una inaccurata determinazione dell’angolo di fase tra la tensione e la corrente.
Inoltre, per le misure di correnti più elevate, vengono utilizzati anche sensori di corrente di terze parti che non sono stati specificamente progettati per la misurazione delle perdite negli avvolgimenti, il che contribuisce alla scarsa precisione e ripetibilità.
Misurazioni accurate fino a 5 kV. Divisore di Tensione ad Alta Tensione HIOKI VT1005 con un errore di fase noto.
Per superare questa sfida, il PW8001 compensa l’errore di fase dei sensori di corrente e dei divisori di tensione. Per i sensori di corrente, l’errore di fase viene compensato automaticamente dal PW8001; questa funzione esclusiva è denominata “Correzione automatica dell’errore di fase”.
CORREZIONE AUTOMATICA DELL’ERRORE DI FASE
Per correggere gli errori di misura nella differenza di fase a frequenze di commutazione elevate, HIOKI ha sviluppato una correzione dell’errore di fase particolarmente efficace per l’analizzatore di potenza PW8001. Poiché la correzione sia affidabile, è necessario soddisfare due condizioni:
- un analizzatore di potenza che esegue correttamente la correzione di fase;
- un sensore di corrente a flusso nullo con un ritardo temporale noto.
Ritardo temporale stabile dei sensori di corrente HIOKI CT68xxA.
La correzione dell’errore di fase è paragonabile alla funzione deskew nota negli oscilloscopi: Se due segnali diversi arrivano all’oscilloscopio con uno spostamento temporale dovuto a latenza, la funzione deskew elimina l’offset del segnale compensando la latenza con un valore temporale fisso. L’errore di fase è direttamente correlato al ritardo temporale del sensore di corrente. Per un sensore di corrente della serie CT68xxA di HIOKI, ad esempio, il ritardo è mostrato nella figura qui sotto. È possibile osservare il ritardo temporale in nanosecondi in base alla frequenza.
Ritardo di fase in gradi in funzione della frequenza.
È importante sapere che un ritardo di 100 ns a 100 Hz non ha lo stesso effetto di un ritardo di 100 ns a 1 MHz. Questo diventa chiaro quando il ritardo temporale viene convertito in ritardo di fase (espresso in gradi), come mostrato sopra.
IL PERCORSO IDEALE PER LA MASSIMA PRECISIONE
HIOKI ha sviluppato i suoi sensori di corrente a flusso nullo insieme ai suoi analizzatori di potenza per un valido motivo: È la soluzione per ottenere la massima precisione e affidabilità. Per compensare in modo efficace il ritardo di fase, il ritardo temporale del sensore di corrente deve rimanere costante indipendentemente dalla frequenza. Inoltre, i dati più importanti dei sensori di corrente vengono trasmessi automaticamente all’analizzatore di potenza non appena il sensore di corrente è collegato, e l’errore di fase del sensore di corrente viene automaticamente compensato. Ed ecco fatto! Misura delle perdite negli avvolgimenti, per una misura accurata in pochi secondi. ©TECNeLaB
Il PW8001 offre un’eccezionale precisione di misura non solo per 50/60 Hz, ma anche su un’ampia banda di frequenza, anche per c.c. fino a 50 kHz, oltre a una elevata resistenza al rumore.
