PIANI DI POTENZIAMENTO DELLA RETE DI RICERCA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA

 

 

Titolo: "Affidabilità, sicurezza e compatibilità nei sistemi di trasporto"

Ministero dell'Istruzione      dell'Università e della Ricerca

Relazione scientifica 2° anno di attività 

Dip. di Ing.Elettrica ed Elettronica  Università degli Studi di Cagliari 

Ente: Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica –Università di Cagliari

Titolo del Piano:         Compatibilità elettromagnetica

Titolo del Progetto:   Affidabilità, sicurezza e compatibilità nei sistemi di trasporto

Identificativo del Progetto: Cluster 13-P.3

Stato di avanzamento: dal   4/12/2000 al 3/02/2002

  

1.      NOTIZIE SULL’ANDAMENTO DEL PROGETTO

 

 1.1          Obiettivi realizzativi

 Il progetto in esame è articolato su quattro differenti workpakege, ciascuno dei quali, come riportato nel progetto esecutivo, è contraddistinto dal raggiungimento di un obiettivo.

 

Workpackage n° 3.1.

 Il primo workpackage, indicato nel progetto esecutivo con l’espressione Workpackage n° 3.1, ha come obiettivo la realizzazione di un laboratorio di compatibilità elettromagnetica. Il laboratorio consentirà di sperimentare e verificare i meccanismi di propagazione dei disturbi di origine elettromagnetica trasmessi per accoppiamenti da campo elettrico, magnetico, conduttivo e di impedenza comune. Per il raggiungimento di tale obiettivo sono state innanzitutto definite le caratteristiche della camera schermata da realizzare. A seguito di gara, alla quale sono state invitate le più importanti ditte costruttrici nazionali ed estere, si è pervenuti all’aggiudicazione ed alla successiva costruzione della camera schermata che è stata realizzata nel pieno rispetto delle specifiche richieste, così come dai documenti di gara. Le operazioni di collaudo della camera  sono state eseguite in data  6/06/2001. Le caratteristiche della camera sono riportate nel  punto 1.2.  Copie dei documenti certificanti la conformità alle specifiche di progetto sono riportate in allegato alla presente relazione (A.1). Considerate le caratteristiche della camera realizzata, e sulla base di una valutazione di spesa si è accertata la possibilità di giungere a parità di spesa ad una struttura con caratteristiche superiori a quelle previste nell’obiettivo. Per tal ragione è stata  avviata la procedure di modifica di obiettivo di progetto che ha richiesto per il suo completamento un periodo di sei mesi, durante il quale l’attività di realizzazione della camera è stata necessariamente interrotta.

 

Workpackage n° 3.2.

Il secondo Workpackage, denominato nel progetto esecutivo come  Workpackage n° 3.2, ha come obiettivo l’analisi delle cause e dei meccanismi di trasmissione dei disturbi di origine elettromagnetica finalizzata allo sviluppo di modelli matematici per la simulazione del comportamento emissivo dei dispositivi elettronici di potenza. In particolare l’analisi, la modellizzazione e la simulazione degli effetti di detti disturbi sarà indirizzata alla valutazione e alla risoluzione delle relative problematiche connesse al funzionamento dei sistemi elettronici di potenza  e dei sistemi di telecomunicazione a bordo e fuori bordo. A tal fine è stata eseguita una serie di studi preliminari atti a definire dei modelli generali sui quali condurre l’attività di ricerca. Utilizzando le competenze specifiche dei ricercatori afferenti al Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica, sono stati inizialmente affrontati aspetti particolari dei fenomeni oggetto dello  studio. In particolare, i ricercatori del gruppo di ricerca di Campi Elettromagnetici hanno condotto uno studio preliminare sulle caratteristiche del campo elettromagnetico in una cavità elettromagnetica con lo scopo di definire dei modelli che consentano di rappresentare l’insieme dei fenomeni che si manifestano in una camera anecoica. Questo consentirà di poter valutare i futuri risultati sperimentali tenendo conto anche degli effetti prodotti dalla geometria e dalle dimensioni della camera adottata. Il gruppo di Controlli Automatici ha focalizzato la propria attività di ricerca sulla sorgente di disturbo elettromagnetico, costituito dal convertitore elettronico di potenza. In particolare, partendo da una rappresentazione del convertitore in termini di sistema a struttura variabile, hanno effettuato uno studio atto a definire degli algoritmi di controllo a struttura variabile che, mantenendo le stesse proprietà di robustezza delle tecniche classiche, permettano di ottenere un’azione  di controllo con contenuto armonico più limitato. Lo studio effettuato ha portato alla definizione di diversi algoritmi di controllo a struttura variabile del secondo ordine e del terzo ordine. All’incremento nell’ordine dell’algoritmo di controllo corrisponde una riduzione del contenuto armonico del segnale di controllo con una conseguente riduzione del contenuto armonico della tensione e corrente erogata dal convertitore. Nel campo dell’Elettronica di Potenza sono stati condotti degli studi preliminari sulla definizione di tecniche di modulazione alternative che consentano di ridurre l’entità di disturbi elettromagnetici condotti dagli azionamenti elettrici. In particolare, è stata effettuata la simulazione e il confronto con i dati sperimentali del modello in alta frequenza di un’azionamento elettrico con motore di tipo asincrono.  Ciò ha consentito  di definire un modello ed uno strumento software di base per l’esecuzione degli studi successivi. Per quanto concerne le problematiche relative agli azionamenti elettrici asincroni in MT, è stata sviluppata una nuova logica di controllo DTC per azionamenti elettrici asincroni di tipo multilivello.  Tale tecnica consente di ridurre l’entità del contenuto armonico della tensione e della corrente in un azionamento elettrico industriale, consentendo una riduzione delle emissioni elettromagnetiche condotte da tali tipi di sistemi. Un altro obiettivo fondamentale del presente Workpackage è lo studio e la messa a punto di mezzi atti a rendere robusti i sistemi di telecomunicazione nei confronti dei disturbi prodotti dai sistemi di alimentazione elettronici di potenza presenti nei sistemi di trasporto. Quest’obiettivo è stato perseguito con lo studio di nuove tecniche per il mascheramento degli errori ed il recupero di qualità nelle trasmissioni di dati multimediali a seguito della perdita di pacchetti di dati. In tale campo è stata condotta dai ricercatori del gruppo di Telecomunicazioni del DIEE di Cagliari un’intensa attività di ricerca finalizzata allo sviluppo e alla messa a punto di strumenti softaware adatti a tale scopo. 

 

Workpackage n° 3.3.

Il terzo Workpackage, indicato nel progetto esecutivo con l’espressione Workpackage n° 3.3, ha come obiettivo la produzione di strumenti software e programmi di calcolo automatico per il progetto di apparecchiature e di sistemi caratterizzati da ridotta emissione ed elevata immunità rispetto ai disturbi. Come si può evincere dall’analisi del progetto esecutivo, questo workpackage è strettamente connesso al precedente e ne costituisce la naturale evoluzione. Alcuni argomenti precedentemente esposti hanno in questa sede trovato le loro applicazioni software. In particolare, gli studi condotti sugli algoritmi sliding mode di ordine superiore per la riduzione del contenuto armonico di tali tipi di sistemi hanno condotto allo sviluppo e all’applicazione di un nuovo algoritmo VSS del terzo ordine caratterizzato da un riduzione del fenomeno del chattering. I risultati di tale attività sono stati oggetto di pubblicazioni su riviste internazionali. Stesso discorso può esser fatto per quanto riguarda gli studi condotti sul mascheramento degli errori ed il recupero di qualità nelle trasmissioni di dati multimediali. Questi hanno permesso di sviluppare dei codici software dedicati al recupero di qualità nelle trasmissioni di dati multimediali. I risultati sono stati pubblicati su autorevoli riviste internazionali. Sono stati, inoltre, sviluppati e testati sulla base dei dati sperimentali ottenuti dei codici software di modellizazione in alta frequenza di azionamenti elettrici con motore asincrono. Inoltre è stato messo a punto un programma di simulazione e un nuovo algoritmo di controllo per azionamenti elettrici asincroni in MT alimentati da convertitori multilivello.

  

1.2          Attività svolte

 

Workpackage n° 3.1.

 Il Workpackage n° 3.1, ha come obiettivo la realizzazione di un laboratorio di compatibilità elettromagnetica. In questo contesto è stata completata la prima fase dei lavori che consiste nella realizzazione di una camera schermata. Le caratteristiche della camera in fase di realizzazione sono qui di seguito riportate.  La camera schermata è collocata all'interno del nuovo edificio del DIEE ( Facoltà di Ingegneria di Cagliari) in un Laboratorio riservato per Misure di Compatibilità Elettromagnetica;

Le dimensioni della camera sono:

 

lunghezza :

7,8 m

larghezza:

4,0 m

altezza:

3,6 m

 

Per gli aspetti attinenti l'immunità radiata la camera è risultata conforme alle normative di riferimento IEC 1000-4-3, first edition 1995-2 ed EN 61000-4-3, 1996.  La camera schermata è costituita da pannelli modulari d’acciaio zincato di spessore non inferiore ai 2 mm e struttura autoportante.  La camera ha un solo punto di collegamento elettrico a terra ed è predisposta per l’ anecoicizzazione.L'efficienza di schermatura garantisce  nei punti più critici i seguenti valori di attenuazione:

Componente del campo

Frequenza

Attenuazione della schermatura

Magnetico

10 kHz

³80 dB

100 kHz

³100 dB

Da 1 MHz a 10 MHz

³120 dB

Elettrico

da 100 kHz a 300 kHz

³120 dB

da 300 kHz a 100 MHz

³120 dB

Onda piana

Da 10 MHz a 18 GHz

³120 dB

 

Caratteristiche del pavimento della camera

Al proprio interno la camera è dotata di un idoneo piano di massa, con portata di almeno 1000 kg/m2. Tale piano di massa è montato su struttura sopraelevata e predisposto:

1) per il passaggio dei cavi di alimentazione, dei collegamenti in fibra ottica e quant'altro dovesse rendersi necessario installare

2) per il possibile futuro alloggiamento di una  tavola rotante.

Per una migliore pedonabilità e pulizia. questo piano è  ricoperto con materiale tipo linoleum o PVC. L'altezza dei pavimento è tale da non costituire dislivello con la soglia delle porte di accesso.

 

Caratteristiche delle griglie di aerazione

La camera è dotata di un sistema di aerazione in grado di garantire un ricambio d’aria sufficiente per l’uso a cui la stessa è adibita. Il sistema di aerazione è costituito da un certo numero di griglie a nido d’ape con frequenza di taglio inferiore a 18 GHz e relative ventole.

Caratteristiche delle porte d'accesso alla camera schermata

La camera è dotata di porta per l'accesso degli EUT e del personale di dimensioni nette di 1.5 m (larghezza) e 2,0 m (altezza). La porta è munita di contatti striscianti per la continuità elettrica con il resto della camera ed è dotata di un dispositivo di sicurezza ("interlock") per lo spegnimento automatico degli amplificatori utilizzati durante la misura in caso di apertura della stessa. La porta è predisposta per una futura anecoicizzazione (materiale radio-assorbente).

Caratteristiche dei pannelli tecnici

La camera è dotata di due pannelli tecnici per il funzionamento degli strumenti e dell’EUT. Il primo pannello tecnico mette in collegamento la camera schermata con la camera di controllo; l'altro pannello tecnico mette in collegamento la camera schermata con l'ambiente esterno. I due pannelli tecnici devono garantire il mantenimento delle prestazioni di schermatura anche nel caso di completa connessione ai connettori degli appositi cavi.

 Caratteristiche di illuminazione della camera

La camera è illuminata da  6 fari alogeni con una potenza totale di almeno 1200 W. Il sistema di illuminazione è dotato di filtro di rete con le seguenti caratteristiche minime:

 

Tipo

Tensione di esercizio [V]

Corrente di esercizio [A]

Frequenza di esercizio [Hz]

monofase

250

2 x 16

50/60

 

Gli interruttori sono posti all’interno della camera schermata in prossimità della porta d'accesso,

Caratteristiche del sistema di alimentazione elettrica

L'impianto elettrico interno per l'alimentazione degli EUT prevedere uno pannello, con in totale: 2 prese trifase interbloccate da 380 V, 32 A; 4 prese monofase italiane bipasso da 220 V 16 A; 4 prese Schuko 230 V, 16 A; 1 presa speciale multistandard 16 A.  Il quadro elettrico è dotato di interruttori magnetotermici per consentire l'abilitazione e la disabilitazione delle prese.  L'impianto di alimentazione è dotato di filtri di rete con le caratteristiche seguenti:

Tipo

Tensione di esercizio [V]

Corrente di esercizio [A]

Frequenza di esercizio [Hz]

Attenuazione

[dB]

Trifase

440/250 V

4 x 32 A

50/60 Hz

100 dB

tra 150 kHz e 10 GHz

Monofase

250 V

2 x 30 A

50/60 Hz

100 dB

tra 150 kHz e 10 GHz

 L'intero impianto elettrico è conforme alla legge 46/90 sulla sicurezza elettrica.

 

Accessori

La camera schermata è dotata dei seguenti accessori:

sistema di rilevazione fumo;

predisposizione per la tavola rotante;

predisposizione per il palo per antenna;

predisposizione per il controllore di movimento.

 Accanto alla camera schermata è stato realizzato un quadro elettrico, contenete oltre che i dispositivi di protezione (magneto-termico-differenziale), anche due trasformatori di isolamento. I due trasformatori, uno monofase dalla potenza di 7,5 KVA ed un altro trifase dalla potenza di 50 KVA (dotati di schermo elettrostatico connesso a terra) consentono di realizzare l’alimentazione, isolata dalla rete ENEL, della camera schermata (come da specifica).

 

Workpackage n° 3.2. & Workpackage n° 3.3.

 Le attività condotte nel Workpackage n° 3.2 hanno avuto il loro naturale proseguimento nel Workpackage n° 3.3. Per tal motivo si è ritenuto opportuno effettuare la descrizione contemporanea delle attività svolte nei due workpackage. Inoltre, vista la diversificazione tematica degli argomenti trattati, le attività svolte saranno descritte qui di seguito per temi, ciascuno caratterizzato da un titolo.

 

Modellizzazione di fenomeni elettromagnetici in camere anecoiche

In questo anno di attività si è proseguito nello studio della struttura di campo in una camera schermata di grandi dimensioni  in cui è presente un campo elettromagnetico stocastico. Questa situazione di campo è interessante sia per realizzare delle condizioni espositive di interesse per le telecomunicazioni e sia per testare i dispositivi elettronici in un ambiente elettromagneticamente verosimile rispett o a casi riscontrabili in realta'. Infatti è tipica la situazione in cui accanto ad una componente di campo deterministica ovvero  in linea di vista (LOS) si riscontri una componente additiva e tipicamente indipendente di fading. Di conseguenza il modello di campo è di tipo Rice così come anche cosigliato a mo' di riferimento normativo dalle raccomandazioni internazionali dell'ITU. Si è condotta perciò una modellizzazione teorica secondo Rice ed una validazione del modello di campo su dati resi disponibili dalla Litton. Si è poi impiegato questo modello anche per valutare l'efficenza di schermatura di alcuni cabinet da laboratorio e più recentemente si è avviato uno studio per la descrizione polarimetrica del campo elettromagnetico in ambienti propagativi complessi come quelli qui in questione.

 

Studio di canali di comunicazione reali per trasmissione di dati multimediali  e sviluppo di algoritmi di recupero dell'errore

La problematica dei disturbi elettromagnetici incide particolarmente sulla qualità delle trasmissione dei segnali. In particolare, i disturbi causano la perdita di informazione o l’introduzione di errori che pertanto risultano presenti nel segnale ricevuto. L'attivita' di ricerca e' stata incentrata sullo studio degli errori nella trasmissione di segnali multimediali (immagini e sequenze video in particolare) su canali reali e sulle tecniche che consentono la riduzione percettiva di tali errori. In particolare, in questo secondo periodo, l'Unita' di ricerca ha focalizzato l'attenzione sullo sviluppo di alcune delle metodiche per il mascheramento degli errori ed il recupero di qualità nelle trasmissioni di dati multimediali a seguito della perdita di pacchetti di dati già individuate come potenzialmente efficaci durante la precedente fase del progetto; e' stata quindi ipotizzata una trasmissione su reti a pacchetto, sia wireless che wired e costruito il relativo modello di simulazione. Inizialmente, e cioè nella prima fase della ricerca era stato affrontato il problema del recupero delle informazioni video per il caso di dati codificati mediante standard JPEG (immagini fisse) o MPEG-2 (video); sono state sviluppate opportune tecniche di interpolazione, sia nel dominio spaziale che in quello della trasformata coseno, che hanno consentito di ricostruire i blocchi di immagine persi. Nel dominio spaziale era stata utilizzata una tecnica di interpolazione mediante spline, che aveva fornito risultati migliori rispetto alle classiche procedure di interpolazione bilineare. In questa fase si è esteso lo studio al caso dei nuovi standard par codifica di immagini e video sequenze quali il JPEG 2000 e l’MPEG-4. Lo studio ed il relativo sviluppo delle tecniche è stato realizzato anche qui sia nel dominio spaziale sia in quello della trasformata Wavelet estendendo i concetti già acquisiti nella fase precedente. In particolare, nel caso di trasmissione di dati codificati JPEG 2000 si e' ricostruito il blocco perso/danneggiato nel dominio trasformato, interpolando opportunamente nelle diverse sottobande, consentendo di eliminare gli effetti fastidiosi dovuti ad un eccessivo appiattimento dell'immagine. La qualita' del segnale ricostruito, immagine o video, e' stata poi valutata mediante l'utilizzo di criteri sia soggettivi che oggettivi: in questo secondo caso e' stato impiegato, oltre alla classica misura basata su PSNR, un operatore innovativo in grado di misurare la distorsione a blocchi in una immagine/quadro. Le misure riportate hanno evidenziato un'ottima qualita' del segnale ricostruito, in particolare nel caso di immagini codificate con lo standard JPEG2000.

 

Modellizzazione in alta frequenza di un azionamento elettrico di tipo asincrono

L’elevata frequenza di commutazione oggi raggiunta dagli interruttori di potenza e l’elevata velocità di elaborazione dai moderni sistemi di controllo, ha reso possibile una notevole diffusione degli azionamenti elettrici ad elevate prestazioni dinamiche. I convertitori elettronici di potenza, costituiti generalmente da un sistema di conversione statica dell'energia e da un inverter, producono disturbi di natura elettromagnetica sia condotti sulla rete di alimentazione e verso terra sia irradiati nell’ambiente circostante la sorgente. Questi disturbi, sostanzialmente dovuti alla non linearità del raddrizzatore e dell'inverter ed agli elevati fronti di salita delle tensioni, propagandosi verso la rete di alimentazione e verso il motore, danno luogo ad alcuni fenomeni di emissione elettromagnetica (EMC). Il crescente aumento delle velocità di commutazione degli switches statici di potenza ha certamente consentito la realizzazione di azionamenti elettrici caratterizzati da migliori prestazioni dinamiche, ma conseguentemente ha determinato anche un aumento delle emissioni elettromagnetiche del sistema. La generazione di questi disturbi elettromagnetici, praticamente assenti quando il motore asincrono è alimentato mediante onda sinusoidale, è associata alla presenza di correnti parassite di modo comune e di modo differenziale. Le prime sono dovute agli accoppiamenti capacitivi verso terra che diventano tanto più rilevanti quanto più elevate sono le frequenze di commutazione degli switches, le seconde, invece sono dovute alle capacità parassite presenti tra i conduttori di fase (dipendono generalmente dalle caratteristiche dei cavi utilizzati e dalla frequenza delle tensioni applicate). Nel seguito saranno analizzati e descritti  solo i fenomeni associati al modo comune. Il modello matematico del motore asincrono in alta frequenza (a parametri concentrati) che è stato utilizzato per la modellizzazione in alta frequenza del macchina elettrica asincrona  ha validità solo per frequenze intermedie. Infatti, questo non rappresenta le oscillazioni in alta frequenza presenti sulla tensione “misurata sperimentalmente tra asse di rotore e la  massa del sistema di alimentazione del motore stesso.  Le problematiche EMC, sono state analizzate con l’ausilio di modelli matematici del motore asincrono in alta frequenza; tali modelli, implementati su programmi di simulazione (MATLAB PSPICE etc.), consentono l’analisi quantitativa e qualitativa delle correnti responsabili delle immissioni elettromagnetiche. Le misure sono state eseguite presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica di Cagliari, su un motore della potenza di 0.8 kW alimentato da un convertitore a frequenza variabile della potenza di 2 kW. Nei circuiti equivalenti rappresentativi dei fenomeni esaminati, alla capacità di cuscinetto, è stato posto in parallelo uno switch (controllato tramite un generatore random) che simula la rottura del dielettrico del condensatore ad esso associato. Infatti, durante il funzionamento del motore, il velo di grasso presente tra le sfere e le ghiere del cuscinetto, a causa di un elevato gradiente di tensione si può perforare. A questo, consegue un’elevata corrente di scarica verso terra, che oltre alle problematiche EMC, provoca una precoce usura del cuscinetto. In primo luogo, sono stati rilevati sperimentalmente mediante misure armoniche i parametri parassiti del motore (relativi al modello in alta frequenza). A tal scopo sono state eseguite alcune modifiche sul motore utilizzato:

1.      sono stati disposti due anelli sull’asse di rotore, con relativi contatti striscianti; questo ha consentito la misura della capacità parassita tra rotore e carcassa del motore. Tale misura è stata eseguita ponendo in rotazione il motore asincrono mediante un motore primo, e tramite un impedenzimetro è stata rilevata l’impedenza al variare della frequenza in un range compreso tra 10 ÷ 100kHz.

2.        inoltre, il due cuscinetti sono stati opportunamente isolati dalla carcassa di statore, per poter risalire alla corrente che attraversa il condensatore (Cg) associato del cuscinetto.

Mediante l’impedenzimetro, sempre nel range di frequenza (10¸100kHz), è stata inoltre rilevata la capacità di accoppiamento statore-rotore e l’impedenza di statore. I valori di impedenza misurati sono stati inseriti in un modello circuitale implementato con il software Pspice. I valori di corrente determinati attraverso la simulazione, sono stati poi confrontati con i corrispondenti valori misurati sperimentalmente sul motore onde verificare l’efficacia del modello circuitale utilizzato.

Maggiore attenzione è stata prestata all’analisi della corrente complessiva (di modo comune) che si richiude verso terra e della corrente che attraverso l’accoppiamento statore-rotore si richiude verso terra tramite il cuscinetto. Questo, come gia detto, oltre che a produrre inquinamento EMC produce anche una usura precoce dei cuscinetti. La simulazione è stata eseguita applicando, in ingresso al circuito equivalente in alta frequenza del motore asincrono, un tensione a gradino di ampiezza pari a 200 V. Questa tensione rappresenta la massima variazione della tensione di modo comune (condizione più critica per le emissioni EMC) prodotta dalle commutazioni della tensione che l’inverter applica al motore. Sono state eseguite numerose prove sperimentali che hanno sostanzialmente avvalorato i risultati ottenuti con le simulazioni. Pertanto si ha conferma della applicabilità dei codici software predisposti per le simulazioni di tali fenomeni.

 

 Sviluppo di tecniche di controllo avanzate per la riduzione dell’emissione elettromagnetica di azionamenti elettrici asincroni  per applicazioni industriali di grande potenza

 Gli azionamenti elettrici di grossa potenza sono caratterizzati da sistemi di condizionamento della tensione in cui la frequenza di commutazione dei componenti elettronici costituisce un vincolo esistenziale del sistema di conversione.  Per tal ragione  gli azionamenti elettrici di grossa potenza sono da considerarsi come una delle sorgenti principali di disturbo elettromagnetico condotto nei sistemi elettrici di potenza. Partendo da tali considerazioni è stata sviluppata una nuova logica di controllo DTC per azionamenti elettrici asincroni di tipo multilivello. Come è ben noto l’utilizzo di strutture multilivello consente di disporre di un numero di configurazioni vettoriali di tensione notevolmente superiore rispetto ai classici dispositivi di alimentazione ad un unico livello di tensione di bus. Ciò consente di migliorare la qualità della regolazione di coppia e di flusso nei sistemi di controllo DTC ma incrementa il grado di complessità della tabella di controllo, costringendo all’utilizzo di comparatori ad isteresi di tipo multilivello. L’analisi delle tabelle normalmente utilizzate e riportate in letteratura, ha evidenziato la presenza di una non ottimale gestione delle configurazioni vettoriali applicate durante i transitori di coppia elettromagnetica. La gradualità nella gestione del passaggio da un livello del comparatore ad isteresi al successivo determina, in alcuni casi, l’incremento dell’errore di coppia e/o di flusso invece che una sua riduzione, con un conseguente peggioramento nell’azione di controllo. In tali condizioni l’evoluzione della coppia elettromagnetica è caratterizzata da una più ampia banda di oscillazione e dall’introduzione di un ritardo nell’attuazione della coppia di riferimento. Per superare tale limitazione e produrre un miglioramento nella gestione degli stati vettoriali del convertitore durante i transitori di coppia, è stata elaborata una nuova logica di commutazione. Questa è basata sulla determinazione della componente di tensione in quadratura con il flusso di statore che consente di realizzare l’evoluzione di coppia desiderata. L’analisi del modello matematico della macchina elettrica asincrona nel riferimento di flusso statorico, mette in evidenza che la determinazione di tale componente della tensione è sempre possibile se è noto il valore della pulsazione elettrica istantanea. L’utilizzo delle grandezze di riferimento e di quelle normalmente utilizzate per l’esecuzione della tecnica di controllo DTC permettono di effettuare agevolmente l’identificazione della pulsazione elettrica istantanea. La conoscenza dell’ampiezza e del segno della componente di tensione in quadratura con il flusso permette di “predire” quale sia il livello del comparatore ad isteresi ottimale durante i transitori di coppia. Come già precedentemente menzionato tale azione di controllo sulla tabella di commutazione deve intervenire solo il presenza di transitori di coppia. Per tal ragione è stata sviluppata una logica di controllo che permette l’intervento dell’algoritmo sviluppato solo quando questo è necessario. Infatti tale algoritmo deve intervenire solo se la derivata della coppia di riferimento supera un determinato valore e se l’errore di coppia risulta essere esterno alla banda di variazione consentita.  La tecnica proposta è stata simulata in linguaggio C considerando un azionamento elettrico in media tensione caratterizzato dall’utilizzo di un convertitore NPC ad IGBT da 2,5 kV e 0.5 kA alimentato ad una tensione  di 3 kV e da un motore asincrono da 250 kW. I risultati ottenuti hanno sostanzialmente confermato le aspettative. Evidenziando una riduzione del contenuto armonico sia in tensione che in corrente del sistema. Studio e sviluppo di algoritmi di controllo Sliding Mode di ordine superiore per la riduzione del contenuto armonico dei segnali prodotti  da sistemi a struttura variabile. Facendo seguito all’attività di ricerca riguardante lo sviluppo di algoritmi di controllo robusto, con ridotto contenuto armonico, basati su sliding modes di ordine superiore, sono state sviluppate delle tecniche di adattamento in tempo reale che consentono di ridurre ulteriormente l’ampiezza del boundary-layer caratterizzante gli sliding modes reali. Infatti, nella pratica realizzativa, non è possibile ottenere frequenze di commutazione dei dispositivi di controllo superiori a qualche decina di kHz, e ciò comporta che il moto del sistema, quando stabile, sia caratterizzato da un moto in bassa frequenza, caratterizzato dalla scelta della superficie di sliding, a cui si sovrappone un moto in alta frequenza legato alle non idealità del sistema di misura e controllo (singularly perturbed systems). Negli sliding modes di ordine superiore l’ampiezza di tali perturbazioni singolari è proporzionale ad una potenza, il cui ordine dipende dall’ordine dello sliding mode che si instaura, del ritardo di commutazione equivalente. Nella pratica e senza far uso di dispositivi di differenziazione numerica, è possibile instaurare dei comportamenti sliding mode del secondo ordine, per i quali, detto d il ritardo di commutazione equivalente, la perturbazione rispetto allo sliding mode ideale è O(d2). Mediante tecniche di adattamento basate sul riconoscimento dello stato di sliding reale e sull’uso di stime del controllo continuo equivalente al controllo discontinuo, è stato possibile incrementare la precisione dello sliding mode a O(d3). In questo modo si è ridotto sensibilmente il contributo armonico in alta frequenza dovuto al controllore. E’ stato inoltre proposto l’utilizzo di tecniche di controllo robusto per il controllo della forza di contatto in pantografi ferroviari per treni ad alta velocità. Il garantire una forza di contatto pressoché costante, comporta come effetto collaterale la riduzione dello scintillio dovuto a micro-archi conseguenti a distacchi temporanei della scarpa del pantografo dal filo di alimentazione sulla catenaria. L’eliminazione degli archi garantisce un abbattimento significativo di una delle principali fonti di inquinamento elettromagnetico legate all’esercizio dei sistemi di trasporto ferroviario, ed in particolare in una delle componenti significative in alta frequenza.

  

Elenco Pubblicazioni Scientifiche

Ø       Levant, G. Bartolini, A. Pisano, E. Usai, "A Real-Sliding Criterion for Control Adaptation", Proc of the  2002  Workshop on Variable Structure Systems (VSS2002), Sarajevo, June 2002, to appear.

Ø       Piga-Carboni, A. Pisano, E. Usai, "VSC Applied to a Brecknell-Willis High-Speed Pantograph”, Proc of the  2002  Workshop on Variable Structure Systems (VSS2002), Sarajevo, June 2002, to appear.

Ø       Piga-Carboni, A. Pisano, E. Usai, “Robust control of the contact force of an asymmetric pantograph”, Proc. COMPRAIL 2002, Lemnos, Greece, June 2002, to appear

Ø       G. Bartolini, A. Levant, A. Pisano, E. Usai, "Higher-Order Sliding Modes for the Output-Feedback Control of Nonlinear Uncertain Systems", in Variable Structure Systems: Towards the 21th Century, X. Yu   and J, Xu eds., Lecture Notes in Control and Information Sciences, vol. LNCIS 274, pp. 83-108, Springer-Verlag, Berlin, 2002

Ø       Levant, A. Pisano, E. Usai, “Output-Feedback control of the contact-force in high-speed-train pantographs”, Proc. 40th Conf. on Decision and Control (CDC02), pp. 1831-1836, Orlando, FL, december 2001

Ø       G. Corriga, A. Pisano, E. Usai, “Controllo robusto della forza di contatto in pantografi ferroviari”, Convegno nazionale ANIPLA "Automazione 2001",  Ancona, Novembre 2001

Ø       G. Bartolini, A. Pisano, E. Usai, “Global stabilization for nonlinear uncertain systems with unmodeled actuator dynamics”, IEEE Trans. Automatic Control, ISSN 0018-9286, vol. 46, no. 11, pp. 1826-1832, november 2001, IEEE Inc., Piscataway, 2001

Ø      G. Bartolini, A. Pisano, E. Usai, "Chattering Reduction in the Variable Structure Control of Nonlinear Systems with Incomplete State Availability",  Proc. 2001 IEEE European Control  Conference (ECC2001), Porto (Portugal), September 2001.

Ø      A. Damiano, G. Gatto, I. Marongiu, A. Perfetto: “An Improved  Multilevel DTC Drive” Proceedings of Power Electronics Specialist Conference,  IEEE PESC 2001, Vancouver, Canada,

 

L’attività di ricerca sopra menzionata è stata condotta nel primo anno da personale dipendente a tempo indeterminato afferente Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica. L’elenco del personale impegnato nelle suddette attività di ricerca è qui di seguito riportato:

 Personale dipendente a tempo indeterminato afferente Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica-Università degli Studi di Cagliari: prof. Ignazio Marongiu, prof. Giorgio Corriga, prof. Giuseppe Mazzarella, prof. Daniele Giusto, prof. Mario Tosi, prof. Nicolino Locci, prof. Domenico Salimbeni, prof. Saverio Sanna, prof. Luigi Raffo, prof. Alfonso Damiano, prof. Fabrizio Pilo, prof. Carlo Muscas ing. Gianluca Gatto, ing. Gianni Celli.

Dall’analisi delle presenze del personale afferente al progetto è risultato, per il periodo in esame, un’impegno orario complessivo del personale pari a   2840  ore.

 

Nella tabella 1 viene riportato il quantitativo di ore dedicata a ciascuna attività.

Tabella 1 - Impegno di personale.

OBIETTIVI

ATTIVITÀ

ORE DI PERSONALE

Ea

Ec

E2,5b

NE

Ext

Totale

Workpackage  3.1

Realizzazione di un laboratorio di compatibilità elettromagnetica

Progettazione e realizzazione di un laboratorio costituito da una camera schermata compatta per prove di compatibilità elettromagnetica

0

0

0

0

0

0

Workpackage  3.2

.Studi di modellistica e simulazione con verifiche sperimentali sul campo ed in laboratorio

Attività di ricerca, simulazione  e sperimentazione riguardante le cause e i meccanismi di trasmissione dei disturbi  condotti e irradiati generati dalle apparecchiature elettroniche di potenza dei sistemi di trazione

1420

0

0

0

0

1420

Workpackage  3.3

Progettazione di strutture con ridotta emissione, trasmissione e ricezione

Attività di ricerca e di produzione di strumenti software e programmi di calcolo automatico per il progetto di apparecchiature e di sistemi caratterizzati da ridotta emissione ed elevata immunità rispetto ai disturbi

1420

0

0

0

0

1420

 

TOTALE

2840

0

0

0

0

2840

 

 1.3          Scostamenti

 Allo stato attuale, l’attività svolta non fa ritenere raggiungibili, nei tempi prefissati, gli obiettivi preposti relativamente al Workpackage 3.1. Si ritiene di poter raggiungere il completamento del laboratorio di compatibilità elettromagnetica entro il 2° semestre del 2002. Ciò comporterà inevitabili ritardi anche nelle attività di sperimentazione previste negli altri  Workpackage e  da eseguire nel costruendo laboratorio di compatibilità elettromagnetica.

 

1.4          Valutazione critica dell’iniziativa

             1.4.1   Prospettive di successo scientifico-tecnologico

La realizzazione di un laboratorio di compatibilità elettromagnetica nella Regione Sardegna costituisce sicuramente un indicatore di successo scientifico e tecnologico dell’iniziativa. Infatti, tale struttura sarà l’unica di tipo civile in grado di effettuare misure e studi di compatibilità elettromagnetica in Sardegna. Come è ben noto le problematiche EMC stanno assumendo oggigiorno un peso specifico sempre più rilevante e pertanto è auspicabile che la struttura in fieri assuma, come è anche previsto dal progetto, le connotazioni di polo tecnologico di supporto e di servizio alle aziende sarde operanti nel settore. Inoltre, i risultati ottenuti nei primi due  anni di ricerca fanno ritenere di poter proporre nel prossimo futuro la produzione di programmi di calcolo automatico per il progetto di apparecchiature e di sistemi caratterizzati da ridotta emissione ed elevata immunità rispetto ai disturbi e di assolvere quindi alla prevista funzione di divulgazione dei risultati ottenuti  alle PMI operanti nel settore.

1.4.2   Giudizio sull’opportunità di continuare il progetto

Quanto sopra esposto giustifica l’opportunità di continuare il progetto in esame.

 

2.                STATO DI AVANZAMENTO ECONOMICO DEL PROGETTO

 Il confronto tra la tabella di pianificazione economico temporale riportata nel precedente relazione scientifica intermedia (Tabella 2.1) e la tabella consuntiva economico temporale (Tabella 2.2) mette in evidenza la presenza di una  differenza tra le spese previste e quelle rendicontate alla fine di questo secondo anno. Come già riportato precedentemente, la richiesta al Comitato Tecnico Scientifico di una modifica di progetto ha sostanzialmente arrestato l’avanzamento dei lavori relativi alla realizzazione della camera semianecoica. Costituendo essa la principale voce di spesa del progetto, è chiara  la  differenza tra le spese previste e quelle rendicontate.    Ciò pone in luce l’esistenza di un marcato ritardo nella realizzazione della camera semianecoica e motiva la richiesta di una proroga per il raggiungimento degli obiettivi previsti. 

  

Tabella. 2.1 Tabella consuntiva

 

Pre consuntivo

Dal 5/12/’99 

 al 4/12/2000

Preventivo

annuale

Preventivo

a finire

Totale

aggiornato

Personale dipendente

422.298.000

150.000.000

160.000.000

732.298.000

Personale non dipendente

0

50.000.000

50.000.000

100.000.000

Pesonale distaccato

0

0

0

0

Attrezzature

0

20.000.000

250.000.000

270.000.000

Materiali durevoli

0

0

0

0

Materiali consumo

0

0

0

0

Viaggi e Missioni

0

5.000.000

30.000.000

35.000.000

Commesse interne

0

0

0

0

Commesse esterne

0

0

0

0

Consulenze

0

0

0

0

Prestazione di terzi

0

0

0

0

Opere edili

0

0

0

0

Acquis. Immobili

0

0

0

0

Costi specifici

0

200.000.000

350.000.000

550.000.000

Spese generali

169.428.000

80.240.000

84.250.000

333.918.000

Totale

591.726.000

505.240.000

924.250.000

2.021.216.000

 

Tabella 2.2 Rendicontazione annuale periodo 04/12/2000 03/02/2002

consuntivo

Dal 4/12/2000   al 3/02/2002

Personale dipendente

208.676.000

Personale non dipendente

0

Pesonale distaccato

0

Attrezzature

0

Materiali durevoli

1.984.000

Materiali consumo

0

Viaggi e Missioni

2.092.000

Commesse interne

0

Commesse esterne

0

Consulenze

0

Prestazione di terzi

0

Opere edili

0

Acquis. Immobili

0

Costi specifici

216.749.000

Spese generali

83.721.000

Totale

513.222.000

 

 Nella tabella 2.3 sono riportate le spese sostenute relative al periodo di rendicontazione ripartite per Workpackage.

  

Tabella 2.3 Ripartizione delle spese di progetto relative al periodo 4/12/2000 – 3/02/2002

 

 

2° anno di attività

Workpackage 3.1

Attività  1

218.841.000

Workpackage 3.2

Attività  1

148.182.000

Workpackage 3.3

Attività  1

146.199.000

 

TOTALE

513.222.000

Nella tabella 2.4 sono state riportate per ogni singola voce di spesa i risultati della  rendicontazione totale del progetto e delle previsioni di spesa per il prossimo anno.

 

Tabella. 2.3 Tabella consuntiva

Pre consuntivo Dal 5/12/’99   al 4/02/2002

Preventivo

annuale

Preventivo

a finire

Totale

aggiornato

Personale dipendente

630.974.000

101.324.000

101.324.000

732.298.000

Personale non dipendente

0

30.000.000

30.000.000

30.000.000

Pesonale distaccato

0

0

0

0

Attrezzature

0

0

0

0

Materiali durevoli

1.984.000

0

0

1.984.000

Materiali consumo

0

0

0

0

Viaggi e Missioni

2.092.000

40.792.000

40.792.000

42.884.000

Commesse interne

0

0

0

0

Commesse esterne

0

0

0

0

Consulenze

0

0

0

0

Prestazione di terzi

0

0

0

0

Opere edili

0

0

0

0

Acquis. Immobili

0

0

0

0

Costi specifici

216.749.000

693.251.000

693.251.000

910.000.000

Spese generali

253.149.000

52.685.000

52.685.000

305.834.000

Totale

1.104.948.000

918.052.000

918.052.000

2.023.000.000

NB: I costi specifici sono quelli relativi alla realizzazione della camera semianecoica.

 3.                AGGIORNAMENTO DELLE PREVISIONI DI PROGRAMMA E DI COSTO DEL PROGETTO

 Allo stato attuale, l’attività svolta non fa ritenere raggiungibili, nei tempi prefissati, gli obiettivi preposti relativamente al Workpackage 3.1. Si ritiene di poter raggiungere il completamento del laboratorio di compatibilità elettromagnetica entro la fine del  2° semestre del 2002. Ciò comporterà degli inevitabili ritardi anche nelle attività di sperimentazione in laboratorio previsti negli altri Workpackage.

 

Cagliari li ___________________

Il Responsabile Scientifico

   Prof. Ignazio Marongiu

 

 

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