Ottenere le Migliori Prestazioni dagli Alimentatori AC/DC in Ambienti Gravosi

Introduzione

Gli alimentatori AC/DC trovano impiego in applicazioni dove è necessario convertire l'energia dalla rete elettrica AC a carichi che richiedono una tensione o corrente DC fissa o variabile. Sebbene tali apparecchiature dispongano di poche connessioni di ingresso e uscita, gli ingegneri incontrano frequentemente difficoltà nell'ottenere prestazioni affidabili nei loro specifici ambienti operativi. Le problematiche possono spaziare dalla qualità della sorgente AC, ai vincoli di raffreddamento, al cablaggio di controllo, alla qualità dell'aria o alla comprensione del prodotto di conversione di potenza da parte dell'utente. Questo articolo descrive alcune insidie comuni e fornisce indicazioni su come ottenere le massime prestazioni per applicazioni specifiche.

Qualità della Linea Elettrica

Rete AC

Collegare un alimentatore AC/DC alla rete elettrica è, sorprendentemente, una fonte comune di problemi. Le tensioni di rete nel mondo variano nelle diverse aree geografiche, dai 200 VAC in Giappone ai 696 VAC nei Paesi Bassi. Anche la frequenza di linea varia tra 50 e 60 Hz, ma con gli odierni alimentatori switching, la frequenza ha generalmente scarsa influenza sulle prestazioni.

Ogni anno Magna-Power Electronics riceve richieste di assistenza per guasti di alimentatori causati dal collegamento alla tensione di rete errata. Leggere l'etichetta delle specifiche sul pannello posteriore dell'alimentatore e misurare la tensione applicata può prevenire guasti catastrofici e costosi.

La qualità dell'alimentazione, ovvero la purezza della tensione applicata all'alimentatore, può essere fonte di comportamenti inattesi. I sistemi di distribuzione elettrica, con i relativi trasformatori e le impedenze di distribuzione, possono produrre cadute o sovratensioni in presenza di altri carichi sulla rete; tali carichi possono far circolare correnti armoniche ed eccitare risonanze tra componenti induttivi e capacitivi. Gli alimentatori industriali con forme d'onda a 6 impulsi presentano forti componenti armoniche di 5° e 7° ordine. Le fonti di energia rinnovabile con le relative apparecchiature di conversione possono anch'esse influire sulla tensione applicata a un alimentatore.

Le armoniche, come descritto sopra, e i transitori di tensione sulla rete AC possono danneggiare lo stadio di ingresso del circuito di conversione. I transitori di tensione possono essere soppressi con varistori o altri dispositivi di limitazione della tensione, ma anche questi dispositivi hanno i loro limiti: possono assorbire solo quantità limitate di energia. Le armoniche di rete possono essere più distruttive perché queste escursioni di tensione si verificano per periodi di tempo più lunghi. Per superare questi tipi di problemi, Magna-Power Electronics utilizza componenti di ingresso con tensione nominale di 1600V. Questa tensione nominale è sufficiente per gestire la maggior parte delle condizioni di rete, ad eccezione dei fulmini.

La rotazione di fase è la relazione di fase della tensione di linea di una sorgente trifase. Sebbene esistano degli standard, le relazioni di fase negli impianti industriali possono variare. Con una fasatura errata, i motori possono girare al contrario e gli alimentatori che utilizzano SCR possono avere mancate accensioni. Le moderne apparecchiature di elaborazione della potenza a SCR aggirano i problemi del circuito di accensione degli SCR rilevando e correggendo le variazioni della rotazione di fase.

Messa a Terra

I problemi di messa a terra si riscontrano frequentemente nelle installazioni industriali. Una corretta messa a terra è poco compresa da molti elettricisti e, in molti casi, si possono trovare frequentemente connessioni di terra non continue. Lo scopo principale della messa a terra dell'alimentatore è la sicurezza e la soppressione delle EMI. La messa a terra porta l'involucro protettivo a un differenziale di tensione sicuro, o prossimo allo zero, rispetto a qualsiasi apparecchiatura circostante. All'interno dell'alimentatore, la connessione di terra viene utilizzata con i filtri EMI per convogliare le componenti ad alta frequenza della corrente lontano dalle connessioni di ingresso e uscita, mantenendole all'interno dell'involucro dell'alimentatore.

Secondo le normative elettriche e dal punto di vista della sicurezza, dovrebbe esserci un'unica connessione alla terra; il collegamento di terra dovrebbe essere effettuato all'ingresso elettrico dell'edificio, in corrispondenza dell'apparecchiatura di misura. È in questo punto che terra e neutro vengono collegati insieme e un dispersore di terra viene infisso nel terreno. Se l'impianto è correttamente cablato, dovrebbe fluire solo una piccola corrente nel percorso di terra. In caso di fulmine, l'intero impianto si porta allo stesso potenziale di tensione, proteggendo così oggetti e personale da differenziali di tensione pericolosi.

Purtroppo, non tutti gli impianti elettrici sono cablati a norma e un problema comune è che le terre utilizzate per computer e strumentazione non si trovano allo stesso potenziale di tensione delle apparecchiature di potenza. Sebbene gli alimentatori Magna-Power Electronics tentino di compensare tali condizioni, a volte una connessione di terra scadente tra le apparecchiature dell'utente e quelle di potenza può causare comportamenti anomali dell'alimentatore. Il problema più comune è la perdita di comunicazione tra l'alimentatore e le apparecchiature informatiche. Nella maggior parte dei casi, l'equipotenzializzazione delle terre tra le apparecchiature dell'interfaccia utente e l'alimentatore risolve questo problema.

Alcune applicazioni richiedono il collegamento a circuiti esterni di monitoraggio o controllo. Molti, se non la maggior parte, degli alimentatori hanno circuiti di errore e retroazione riferiti ai morsetti di uscita. Senza un adeguato isolamento, come gli isolatori ottici, possono svilupparsi anelli di massa se i circuiti esterni e il carico dell'alimentatore sono collegati a terra. Possono verificarsi errori di controllo se i circuiti esterni sono collegati a terra e il carico dell'alimentatore è lasciato flottante. In questo caso, le EMI condotte vengono indirizzate verso i conduttori di terra dei circuiti esterni.

Magna-Power Electronics ha aggirato molti problemi di messa a terra posizionando tutto il proprio controllo a un potenziale prossimo a quello di terra. Il riferimento di terra è stabilito attraverso la connessione di una resistenza e un condensatore collegato in parallelo. Questi componenti consentono all'alimentatore e ai circuiti esterni collegati di essere protetti contro ambienti con messa a terra scadente, fornendo al contempo un'impedenza adeguata per la soppressione delle EMI.

Anche con un impianto elettrico correttamente messo a terra, possono insorgere problemi da una sorgente di EMI che crea un potenziale di tensione nel circuito di terra. L'impedenza del circuito di terra aumenta con la frequenza e la sorgente di EMI, a seconda della sua posizione nell'impianto elettrico, può introdurre tensioni tra i circuiti esterni di monitoraggio e controllo. Come nel caso di condizioni di messa a terra scadenti, l'equipotenzializzazione delle apparecchiature esterne con l'alimentatore attenua tali problemi di rumore elettrico.

Ambiente

Gli alimentatori contengono componenti che generano calore: trasformatori, induttori, semiconduttori di potenza e simili. Indipendentemente dall'efficienza, tutti questi componenti richiedono raffreddamento. Gli alimentatori più piccoli si affidano talvolta alla convezione naturale, ma le apparecchiature più grandi richiedono raffreddamento ad aria forzata o ad acqua. Le unità raffreddate ad acqua sono ideali per applicazioni con scarsa qualità dell'aria o per installazioni rack ad alta densità che non possono soddisfare i requisiti di flusso d'aria. I problemi di raffreddamento introdotti dall'utente sono la causa predominante dei resi per guasto sul campo presso Magna-Power Electronics.

Raffreddamento ad Aria

Per gli alimentatori che richiedono raffreddamento ad aria forzata, i problemi termici possono derivare dall'ostruzione delle aperture di ventilazione, dalla scarsa qualità dell'aria e dalle restrizioni del flusso d'aria negli armadi. L'ostruzione delle aperture di ventilazione può ovviamente causare guasti alle apparecchiature. Il posizionamento di sensori termici sui componenti critici può aiutare a rilevare questo tipo di abuso, ma c'è un limite a ciò che è praticamente possibile. Evitare le ostruzioni della ventilazione dell'involucro garantisce la durata dell'apparecchiatura prevista dal produttore.

L'installazione di un alimentatore in un armadio per apparecchiature può anch'essa causare problemi termici. Il flusso d'aria interno all'alimentatore richiede lo stesso flusso d'aria all'interno dell'armadio. L'auto-riscaldamento degli armadi è un problema comune. Un posizionamento inadeguato delle prese d'aria e degli scarichi può far sì che l'aria calda venga riscaldata nuovamente senza mai essere espulsa verso l'esterno. Un approccio conservativo al raffreddamento degli armadi consiste nel posizionare le prese d'aria nella parte inferiore dell'armadio e installare ventilatori, con la stessa portata in piedi cubi al minuto, nella parte superiore. Per ridurre al minimo la pressione dei ventilatori e le restrizioni del flusso d'aria, le aperture di ventilazione nella parte inferiore dell'armadio dovrebbero essere uguali a quelle nella parte superiore.

Un ambiente con scarsa qualità dell'aria trova solitamente la sua strada verso l'interno dell'involucro dell'alimentatore. I circuiti stampati sono progettati per supportare tensioni talvolta nell'ordine di diverse migliaia di volt. Strati di polvere, vernice e altre particelle possono causare scariche elettriche. L'installazione di filtri dell'aria all'interno dell'involucro per purificare l'aria in ingresso può ridurre questo problema, ma una pulizia inadeguata di tali filtri ne presenta un altro. Non esiste praticamente un buon compromesso tra scarsa qualità dell'aria e problemi di filtrazione. In condizioni ambientali estremamente critiche, sigillare l'alimentatore e utilizzare il raffreddamento ad acqua è la migliore alternativa per la gestione termica e per ottenere un funzionamento affidabile.

Raffreddamento ad Acqua

Il raffreddamento ad acqua in ambienti gravosi può risolvere molti problemi applicativi. Magna-Power Electronics utilizza sensori termici per controllare il flusso d'acqua e prevenire la condensa negli assemblaggi dei dissipatori di calore. Il rispetto delle specifiche del produttore per temperatura dell'acqua, portata e pressione è fondamentale per il corretto funzionamento delle apparecchiature raffreddate ad acqua.

L'acqua riscaldata in uscita può essere raffreddata con scambiatori di calore, acqua-aria o acqua-acqua, in un sistema a circuito chiuso oppure smaltita in un sistema a circuito aperto.

Connessioni dell'Utente

Connessioni di Controllo e Monitoraggio

Molte applicazioni richiedono apparecchiature esterne per il monitoraggio e il controllo dei parametri dell'alimentatore. Oltre ad assicurarsi che le connessioni elettriche non superino le specifiche nominali del produttore, il posizionamento dei cavi può essere critico. Tensioni e correnti, presenti ai morsetti di ingresso e uscita degli alimentatori AC/DC, contengono componenti a frequenza più elevata sotto forma di transitori, EMI e armoniche. Il posizionamento dei cavi di controllo e monitoraggio in parallelo con i cavi di potenza può produrre risultati imprevedibili. Si raccomanda che tutti i cavi di controllo o monitoraggio siano instradati separatamente, in un proprio condotto metallico, se possibile.

Connessioni di Rilevamento Remoto

La regolazione della tensione o corrente di uscita dipende dal campionamento del parametro di uscita desiderato e dal suo adeguamento a un riferimento comparativo. Sia il riferimento che i parametri di campionamento dell'uscita possono essere esterni all'alimentatore. Il rilevamento remoto della tensione di uscita viene comunemente impiegato per ridurre al minimo la caduta di tensione nei conduttori collegati al carico. Se utilizzato correttamente, il rilevamento remoto fornisce una regolazione superiore nel punto di carico.

La commutazione delle connessioni di rilevamento remoto o la configurazione dell'alimentatore per il rilevamento remoto senza collegare i cavi di rilevamento è una configurazione comune, ma erroneamente applicata. Un alimentatore che opera senza campionare un parametro di uscita può danneggiare i componenti di uscita dell'alimentatore stesso o il carico. Senza un parametro di uscita da controllare, il circuito di retroazione porta la tensione o la corrente di uscita al suo massimo. L'uscita massima non regolata può superare i valori nominali sicuri dei componenti dell'alimentatore.

Un metodo comune per affrontare questo potenziale problema è aggiungere resistenze tra i morsetti di uscita e i morsetti di rilevamento remoto. Configurare un alimentatore per il rilevamento remoto e rimuovere i cavi di rilevamento fa sì che la tensione di uscita salga leggermente al di sopra delle condizioni nominali. La deviazione rispetto alle condizioni nominali è funzione delle resistenze di rilevamento locale interne all'alimentatore.

Complicazioni del rilevamento remoto possono sorgere quando i cavi di rilevamento remoto e di potenza vengono invertiti. La Figura 1 mostra un'applicazione di sistema comune ma erroneamente configurata; i morsetti di uscita sono definiti come VO+ e VO- e i morsetti di rilevamento della tensione sono definiti come VS+ e VS-. Questa configurazione viene impiegata per commutare i cavi di potenza e di rilevamento remoto su diversi carichi utilizzando lo stesso alimentatore. I circuiti di retroazione elettronica sono solitamente più veloci della commutazione di relè e contattori meccanici e durante l'istante di commutazione, l'alimentatore opera senza rilevare l'uscita. Un altro problema con questa configurazione è il funzionamento dell'alimentatore con solo il circuito di rilevamento collegato, relè K2 attivato e relè K1 disattivato. Questo cortocircuita virtualmente le connessioni dei cavi di rilevamento attraverso il carico. Ciò fa sì che le resistenze di protezione, R1 e R2, vengano poste in serie con il carico quando l'alimentatore opera alla massima potenza.

Magna-Power Electronics utilizza un approccio alternativo per la protezione del rilevamento remoto, che presenta anch'esso alcuni svantaggi. Come mostrato nella Figura 2, la tensione di rilevamento remoto, VSX+ meno VSX-, viene verificata all'inizio del ciclo di accensione attraverso una commutazione elettronica interna all'alimentatore. L'alimentatore utilizza il rilevamento locale durante l'inizio del ciclo di accensione. Viene poi commutato rapidamente, più velocemente della risposta del sistema di retroazione, sui morsetti di rilevamento remoto per determinare se i cavi di rilevamento remoto sono collegati al carico. Se è presente una tensione, l'alimentatore rimane nella configurazione di rilevamento remoto; in caso contrario, viene ristabilita la connessione di rilevamento locale. Lo schema funziona bene, tranne nel caso in cui l'utente commuti o rimuova le connessioni di rilevamento remoto dopo il ciclo di accensione.

Condizioni di Carico Gravose

Ripple della Corrente di Uscita

Gli alimentatori AC/DC hanno normalmente condensatori collegati tra i morsetti di uscita. Questi condensatori forniscono un percorso di derivazione per ridurre le correnti AC indesiderate prodotte durante il processo di conversione di potenza. Questi condensatori hanno una resistenza serie interna e, quando sottoposti a correnti AC, producono perdite di potenza che generano calore.

Mantenere le correnti nei condensatori entro limiti tollerabili può diventare un problema se le correnti AC provenienti dal carico si sommano a quelle generate dall'alimentatore. Tali condizioni possono essere create con un carico di tipo switching, come un convertitore buck, collegato ai morsetti di uscita dell'alimentatore. Come mostrato nella Figura 3, l'alimentatore assorbirà una componente di corrente AC dal carico in funzione del rapporto della resistenza serie interna, R1 e R2, dei condensatori C1 e C2.

Funzionamento Ripetitivo in Cortocircuito

Come nel caso del ripple eccessivo della corrente di uscita, i condensatori di uscita, specialmente quelli elettrolitici in alluminio, possono essere danneggiati dal cortocircuito dei morsetti di uscita dell'alimentatore. La corrente di picco è limitata solo dalla resistenza serie interna dei condensatori di uscita più l'impedenza dei cavi di collegamento. L'energia immagazzinata nel condensatore viene rilasciata sotto forma di calore nel condensatore stesso; il cortocircuito ripetitivo dei morsetti di uscita può causare degradazione o guasto catastrofico. I condensatori a film, come quelli che impiegano film in polipropilene, hanno fattori di dissipazione inferiori e possono tollerare maggiori sollecitazioni rispetto ai condensatori elettrolitici in alluminio, ma questi condensatori hanno valori di capacità inferiori a parità di dimensioni, il che compromette le prestazioni di filtraggio. Il compromesso tra prestazioni del ripple di uscita e funzionamento affidabile in cortocircuito ripetitivo è un vincolo di progettazione.

Tensione di Ritorno

Gli alimentatori DC sono frequentemente collegati a carichi che hanno una propria sorgente di energia o a carichi che producono tensioni e correnti che superano i valori nominali dell'alimentatore. Esempi tipici sono carichi con batterie, motori DC e controllori di motori; questi carichi sono capaci di flusso bidirezionale.

Il collegamento di una batteria ai morsetti di uscita dell'alimentatore può causare una carica rapida dei condensatori di uscita e produrre correnti di uscita eccessive. Come mostrato nella Figura 4, l'inserimento di un diodo in serie, D1, tra l'uscita dell'alimentatore e la batteria impedisce alla tensione di essere riportata ai morsetti di uscita dell'alimentatore. La configurazione dell'alimentatore per il rilevamento remoto al carico elimina l'offset di tensione del diodo. Inoltre, il diodo impedisce la scarica della batteria attraverso l'alimentatore quando quest'ultimo è spento. Gli alimentatori AC/DC hanno tipicamente resistenze di scarica sui condensatori di uscita per dissipare qualsiasi carica residua quando l'alimentatore è spento.

Le combinazioni di motori DC e controllori di motori possono riportare tensioni durante il tentativo di rigenerare energia. Se l'alimentatore non è in grado di dissipare l'energia, la sua tensione di uscita fluttua alla tensione prodotta dal motore o dal controllore. L'inserimento di un diodo, come descritto in precedenza, protegge l'uscita dell'alimentatore dal superamento del suo valore nominale di tensione.

Tensione Inversa

La maggior parte degli alimentatori AC/DC utilizza un diodo o un circuito raddrizzatore sincrono nello stadio finale di elaborazione della potenza di uscita. Questi componenti limitano la tensione di uscita a pochi volt nella direzione inversa. Il caricamento di un alimentatore per produrre una tensione inversa generalmente non presenta problemi di affidabilità per lo stadio di uscita, inclusi i condensatori elettrolitici in alluminio, purché le correnti di uscita rimangano entro i valori nominali dell'alimentatore. L'applicazione di una sorgente di tensione inversa, come una batteria, può danneggiare i semiconduttori di potenza di uscita se le correnti superano i valori nominali. Come mostrato nella Figura 5, la protezione dalla tensione inversa può essere realizzata con un fusibile DC ad azione rapida collegato in serie, F1, e un diodo, D1, con un valore di sovracorrente nominale superiore all'i²t del fusibile. Con questo schema di protezione, una connessione a tensione inversa fa intervenire il fusibile forzando la corrente attraverso il diodo di protezione.