Quali sono i fattori che determinano la necessità di commutazioni ad alta tensione?
Sebbene relativamente nuovo, il settore dei veicoli elettrici (EV) ha già raggiunto una significativa penetrazione di mercato e volumi di vendita considerevoli. Inoltre, l'elettrificazione sta generando dibattiti sul futuro del trasporto privato e pubblico. Secondo Statista.com:
• Si prevede che il mercato dei veicoli elettrici raggiungerà l'impressionante cifra di 784,2 miliardi di dollari a livello mondiale entro il 2025.
• Si prevede che il mercato registrerà un tasso di crescita medio annuo del 6,01% tra il 2025 e il 2029, raggiungendo un valore di 990,4 miliardi di dollari nel 2029.
• Si prevede che le vendite di veicoli elettrici raggiungeranno circa 17,36 milioni di unità nel 2029.
Le attuali architetture bus per autoveicoli operano tipicamente a 400 V, ma si stanno introducendo sistemi bus a 800 V per aumentare la potenza e/o ridurre la corrente. Alcuni produttori di automobili stanno valutando l'utilizzo di tensioni ancora più elevate, così come i produttori di veicoli commerciali e di quelli destinati al trasporto pubblico. Sono in fase di progettazione anche sistemi di batterie che superano i 1000 V.
Anche altri mercati emergenti stanno spingendo verso tensioni di sistema più elevate. Ad esempio, l'energia rinnovabile proveniente da impianti solari richiede la capacità di gestire alte tensioni durante la conversione, la trasmissione e lo stoccaggio. Il settore medico si affida sempre più ad apparecchiature di diagnostica per immagini ad alta tensione, come tomografi computerizzati e apparecchi a raggi X. Inoltre, le applicazioni tradizionali ad alta tensione, come l'isolamento dei cavi, l'isolamento dei circuiti stampati e i tester per semiconduttori, continuano a richiedere elevate tensioni di esercizio.
Perché 500 V?
Il punto oltre il quale un sistema può essere considerato "ad alta tensione" sembra alquanto arbitrario. Tuttavia, i produttori di apparecchiature tendono a concordare sul fatto che sia almeno pari a 400 V. Perché questo valore? Il fatto è che i sistemi che operano a 250 V CA, lo standard del settore, raggiungono un picco di circa 350 V. I produttori di prodotti di commutazione modulari spesso richiedono che tutte le unità che superano i 500 V incorporino una funzione di interblocco hardware per garantire un funzionamento sicuro. A questi livelli, è necessario un circuito di soppressione ed è generalmente consigliabile utilizzare connettori ad alta tensione. Pertanto, sembra ragionevole classificare 500 V come "alta tensione".
All'estremità superiore della scala, i relè reed (che, come vedremo in dettaglio più avanti, sono molto adatti alla commutazione ad alta tensione) possono offrire tensioni di rottura fino a 15 kV e persino superiori in alcune configurazioni.
Vantaggi dei sistemi di test modulari per applicazioni ad alta tensione
Prima di addentrarci nella commutazione ad alta tensione, è opportuno ricordare perché la scelta di una piattaforma modulare basata su tecnologie e standard commerciali contribuirà a ridurre i costi di un sistema di test, ad accorciare i tempi di sviluppo e a fornire un sistema che soddisfi esattamente i requisiti di ogni specifica applicazione. Un sistema di questo tipo contribuirà anche a ridurre i tempi di test, poiché sia l'hardware che il software possono essere completamente integrati e automatizzati, ottimizzando i processi di test e consentendo l'esecuzione di più test in parallelo.
PXI è una piattaforma standard di test, misurazione e controllo basata su un'architettura aperta della PXI Systems Alliance (PXISA), supportata da oltre 60 fornitori che producono, vendono e integrano soluzioni hardware e software basate su PXI. Grazie alla presenza di così tanti fornitori che offrono apparecchiature compatibili, i progettisti di sistemi possono selezionare i blocchi funzionali più adatti da diverse aziende, a seconda dei requisiti dell'applicazione, anziché essere limitati all'utilizzo di prodotti di un singolo fornitore.
L'utilizzo di un'architettura standardizzata riduce anche il tempo necessario per configurare un sistema di test per prodotti e requisiti emergenti. Grazie alla natura flessibile e scalabile dei sistemi basati su PXI, sia a livello hardware che software, il sistema modulare può crescere di pari passo con la complessità del sistema stesso. Gli elementi modulari possono essere aggiunti secondo necessità per incrementare funzionalità o capacità, minimizzando l'investimento iniziale e preservandone il valore, poiché non andrà sprecato quando i requisiti di test aumenteranno.
Inoltre, i tecnici addetti ai test non sono limitati all'utilizzo di sistemi preconfigurati di un singolo fornitore. Tali soluzioni spesso non soddisfano tutti i requisiti di sistema, oppure risultano sovradimensionate e complesse, superando la capacità necessaria e comportando costi aggiuntivi. Al contrario, un sistema di test basato sullo standard PXI può essere flessibile senza essere complicato.
Sicurezza, affidabilità e ripetibilità.
Tornando al tema dell'alta tensione, sicurezza, affidabilità e ripetibilità sono i tre pilastri fondamentali su cui devono basarsi i sistemi di commutazione ad alta tensione. Analizziamoli nel dettaglio:
Sicurezza:
Quando le tensioni possono raggiungere livelli di kilovolt, la sicurezza deve essere prioritaria. Pertanto, i prodotti di commutazione ad alta tensione devono includere un interblocco hardware funzionale in grado di isolare le uscite del pannello frontale, garantendo la disattivazione di tutti i relè. Ad esempio, un interblocco hardware su un interruttore di porta può essere utilizzato per disabilitare un relè se la porta dell'armadio del sistema di prova è aperta. Esistono molte configurazioni possibili quando si utilizzano schede impilate una sull'altra: diverse schede possono essere interconnesse, con una che gestisce la linea di interruzione hardware, oppure possono essere installate separatamente. In genere, ciò prevede un interruttore sulla porta di un armadio: se la porta è aperta, le schede funzionano in modalità sicura, anche se viene applicata una tensione di 5 kV. Analogamente, quando la porta è aperta, e quindi l'operatore non può toccare nulla sotto tensione, le schede passano alla modalità attiva e il sistema può essere utilizzato normalmente.
La presenza di alta tensione implica anche che elementi parassiti, interferenze e picchi siano più dannosi, creando potenzialmente problemi di sicurezza e affidabilità. Pertanto, è necessario includere circuiti di soppressione. Approfondiremo questo argomento nella prossima sezione.
Naturalmente, tutte le apparecchiature progettate per alte tensioni devono essere conformi agli standard internazionali, come la norma IEC 62271-200 per i quadri elettrici ad alta tensione.
Affidabilità.
L'affidabilità dei sistemi di commutazione ad alta tensione dipende dalla qualità e dalla selezione dei componenti. L'interruttore stesso è l'elemento più importante da considerare; molto probabilmente si tratta di un relè. Sebbene esistano vari tipi di relè, i relè reed offrono diversi vantaggi che li rendono ideali per applicazioni ad alta tensione.
Nei relè elettromeccanici (EMR), i contatti sono esposti all'esterno. Ciò significa che polvere e altre particelle possono contaminare le superfici di contatto e comprometterne le prestazioni. Al contrario, i relè reed incorporano un interruttore ermeticamente sigillato i cui contatti operano sottovuoto. Pertanto, i contatti sono molto meno soggetti a degrado e le loro prestazioni saranno sempre superiori. Inoltre, la distanza di rilevamento può essere molto inferiore rispetto ai dispositivi EMR aperti all'aria. Infine, poiché i contatti si trovano in un ambiente sottovuoto ermeticamente sigillato, l'ionizzazione, che si verifica ad alte tensioni, non influisce sulle prestazioni dell'interruttore reed.
Figura 2. Relè elettromeccanico.
Figura 2b: Relè reed ad alta tensione
I relè reed ad alta tensione hanno una velocità di commutazione di 0,5-1 millisecondi, molto più veloce dei relè EMR, che hanno una velocità di commutazione di 3 millisecondi. Inoltre, i relè reed presentano una bassa usura meccanica poiché non contengono parti in movimento, ad eccezione di piccole lamelle di commutazione. Se utilizzati correttamente e entro i parametri specificati, i relè reed possono raggiungere una durata di oltre 1 miliardo di operazioni (a seconda del carico). Al contrario, i relè EMR hanno una durata di sole circa 10 milioni di operazioni.
Esistono, naturalmente, molti tipi di relè reed per applicazioni ad alta tensione; in generale, maggiore è la tensione, maggiori sono le dimensioni del dispositivo. I relè reed con una tensione di rottura (picco CC o CA) di 1500 V possono essere molto compatti, misurando, ad esempio, solo 12,5 x 3,7 x 6,6 mm. I relè reed di alta qualità per questi livelli di tensione incorporano contatti in rutenio in polvere per offrire prestazioni eccellenti a bassi livelli di corrente. I relè reed sono caratterizzati da tensioni di rottura fino a 15 kV. Questi dispositivi di dimensioni maggiori hanno contatti rivestiti in tungsteno che offrono resistenza al calore generato dalla commutazione ad alta potenza.
Diversi fattori influenzano le prestazioni e la durata del relè. Per risultati ottimali, è sempre preferibile la commutazione a freddo, ovvero l'attivazione dei contatti del relè senza applicare tensione. Quando è necessaria la commutazione a caldo, è fondamentale assicurarsi che il prodotto della tensione e della corrente all'interruttore non superi la potenza di commutazione massima specificata per il relè. La commutazione a caldo influirà negativamente sulla durata del relè e ridurrà la sua tensione di intervento, poiché si generano archi elettrici quando il rivestimento si degrada. Pertanto, le schede tecniche dei moduli di commutazione specificano una tensione di esercizio ridotta fino al
40-50% in caso di commutazione a caldo.
Anche se non viene applicata alcuna tensione ai contatti del relè, la commutazione potrebbe non essere "a freddo". La causa principale dei guasti nei relè ad alta tensione è che la capacità nel circuito non viene valutata correttamente.
Figura 3. Capacità transitoria nell'interruttore e schema del circuito.
Osserviamo la Figura 3. Se nel circuito è presente una capacità, questa può variare in presenza di un'alta tensione. Se la capacità si trova nell'interruttore senza un carico limitatore, si scaricherà istantaneamente attraverso l'interruttore quando questo si chiude. Molte applicazioni ad alta tensione utilizzano condensatori per immagazzinare tensioni. Anche i condensatori caricati a tensioni relativamente basse possono generare correnti transitorie dell'ordine di decine di ampere alla chiusura dell'interruttore, che possono danneggiare significativamente i contatti del relè. Pertanto, è necessario considerare la natura della capacità nel circuito e prevedere una protezione contro le scariche. Questo argomento è trattato in dettaglio nella "Short Technical Guide to Reed Relays" di Pickering.
I produttori classificano i relè in base a un determinato livello di prestazioni, ma soprattutto per componenti >10 kV, non è consigliabile far funzionare il dispositivo ai suoi limiti. Quando il dispositivo è nuovo, le sue prestazioni saranno conformi alle specifiche, ma nel corso della sua vita utile, soprattutto con commutazioni a caldo, si verificheranno archi elettrici e trasferimento di metallo tra i contatti. Questo può causare un accumulo su un contatto, riducendo così la distanza tra i contatti, il che a sua volta influisce sulla tensione di rottura. Se nelle specifiche operative è previsto un margine di almeno il 10%, il relè funzionerà in modo affidabile per tutta la sua vita utile.
Un altro vantaggio dei relè reed nelle applicazioni ad alta tensione è la loro elevata resistenza di isolamento e le correnti di dispersione molto più basse, dell'ordine dei nanoampere, diversi ordini di grandezza inferiori rispetto a quelle dei relè a stato solido (SSR). L'elevata corrente di dispersione degli SSR può rendere difficile la misurazione di valori di corrente dell'ordine dei milliampere.
Il connettore è un altro componente critico che richiede particolare attenzione nella valutazione dei prodotti di commutazione per alte tensioni. I connettori di tipo D per alta tensione, con una tensione nominale fino a 1000 V, sono facilmente reperibili ed economici. Tuttavia, per applicazioni superiori a 1000 V, è necessario utilizzare connettori speciali per alta tensione, come quelli forniti da Redel. Questi connettori Redel, contrariamente a quanto si potrebbe immaginare, sono più piccoli dei connettori di tipo D, pur potendo funzionare a tensioni più elevate, e utilizzano isolamento in plastica e lacca all'interno del connettore per fornire l'isolamento necessario a gestire tensioni estremamente elevate.
Figura 4. Modulo di commutazione Pickering PXI per 9 kV
Figura 4b: Connettore ad alta tensione Redel corrispondente (a destra).
Un altro fattore significativo per aumentare l'affidabilità e minimizzare gli effetti di picchi, transitori, sovracorrenti e sovratensioni sulle schede di commutazione modulari è l'utilizzo di sistemi di soppressione delle sovratensioni. Per le alte tensioni, si possono impiegare due tipi di circuiti di soppressione: uno per proteggere la bobina, che, se il relè è sufficientemente grande, può essere integrato nell'involucro del relè, e ulteriori dispositivi di soppressione montati sulle schede LXI/PXI per proteggere i contatti del relè da danni causati dai picchi.
Ripetibilità:
le migliori pratiche contribuiscono a garantire che i risultati dei test siano accurati e ripetibili. Ad esempio, è essenziale assicurarsi che il carico sia il più possibile puramente resistivo e non includa elementi capacitivi o induttivi dannosi. Entrambi possono danneggiare il rivestimento dei contatti del relè e ridurne le prestazioni fino al punto di guasto. Pertanto, è necessario evitare sovratensioni, induttanza generata dal cablaggio e capacità immagazzinata, poiché queste possono causare commutazioni a caldo anche quando l'alimentazione della scheda è scollegata. È
inoltre necessario evitare errori software. Il software di instradamento automatico del segnale può aiutare a gestire la temporizzazione e l'instradamento dei segnali nei sistemi di commutazione, tenendo conto del tempo di scarica, prevenendo così errori sequenziali difficili da rilevare e connessioni di segnale potenzialmente dannose.
Esistono, naturalmente, altre tecniche per migliorare le prestazioni di misurazione. La riduzione dei livelli di tensione a livelli gestibili mediante partitori di tensione è una pratica comune nel settore e i metodi di condizionamento del segnale possono essere applicati anche a sistemi più complessi.
Abstract:
Una comprensione approfondita dei fattori che influenzano la commutazione ad alta tensione è diventata cruciale a causa dell'aumento esponenziale della domanda, trainata principalmente dai veicoli elettrici (EV), ma anche dai sistemi di energia rinnovabile e dalle nuove generazioni di apparecchiature mediche, nonché da applicazioni ad alta tensione più tradizionali come il collaudo di semiconduttori, circuiti stampati e cavi. La sicurezza è sempre una priorità assoluta e i fornitori di sistemi di test includono in genere funzionalità di interblocco hardware nei loro prodotti. L'affidabilità è garantita dall'utilizzo dei componenti di alta qualità più appropriati e da processi di progettazione standard. La ripetibilità può essere ottenuta seguendo le migliori pratiche nella programmazione dei test. La tensione di rottura è un vantaggio significativo della tecnologia di commutazione a relè reed nelle applicazioni ad alta tensione. Poche applicazioni commutano ad alte tensioni se possono evitarlo e, se lo fanno, saranno a bassi livelli per proteggere la durata dell'interruttore. L'elevata tensione di rottura e la bassa resistenza di contatto rendono gli interruttori reed sempre più popolari nelle applicazioni in cui la funzione primaria è la trasmissione di corrente, in particolare per impulsi di corrente. L'utilizzo di tensioni più elevate può facilitare la generazione di correnti non influenzate dalle variazioni della resistenza del circuito e produrre impulsi più puliti, ovvero con una forma d'onda migliore.
