Nei laboratori di prova si possono simulare tutte le condizioni della rete elettrica, dall'alimentazione perfettamente sinusoidale necessaria per ottenere le migliori prestazioni di efficienza in alcune apparecchiature, all'alimentazione con corrente distorta a piacere, con qualsiasi forma d'onda e frequenza. Per ottenere queste prestazioni si usa un doppio inverter multilivello, controllato in modo digitale, e quindi totalmente programmabile.

L'apparecchiatura che mancava nei laboratori

I simulatori di rete TC.ACS rappresentano la soluzione più flessibile per i laboratori che devono verificare le caratteristiche del funzionamento delle apparecchiature di loro produzione quando ci sono anomalie sulla tensione di rete. Grazie alla notevole flessibilità di programmazione, si possono riprodurre praticamente tutte le situazioni che si possono incontrare nelle reti ed anche eventi particolari praticamente impossibili da rilevare nella realtà.

Le prestazioni richieste ai simulatori diventano sempre più impegnative, per questo il produttore ha previsto una struttura modulare con la possibilità di aggiungere nuove estensioni in futuro e di sfruttare nuove funzioni che saranno permesse dall'evoluzione del firmware e del software applicativo.

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La svizzera Regatron AG, produttore di alimentatori di elevata potenza apprezzati in tutto il mondo, nella progettazione dei simulatori di rete trifase denominati TC.ACS ha scelto la tipologia più innovativa che garantisce alta affidabilità e che impiega inverter multilivello con PWM veloce, in grado di funzionare sui quattro quadranti. Si ottiene così un elevato rapporto potenza/volume, grazie anche all'assenza del trasformatore che peraltro limiterebbe le prestazioni.
Compatto e leggero, un TC.ACS da 50 kVA pesa 135 kg e occupa un volume di soli 170 dm3 mentre un simulatore della concorrenza da 45 kVA pesa ben 550 kg e richiede 850 dm3 di spazio.

Apparecchiatura complessa, ma modulare

Un simulatore trifase programmabile è certamente una delle apparecchiature elettroniche più complesse da realizzare, dove si devono concentrare in poco spazio molti semiconduttori di potenza veloci che lavorano con alti dV/dt, piu' sistemi di raffreddamento a liquido e ad aria, e molti circuiti digitali con diversi DSP collocati necessariamente vicino alle parti di potenza.
La complessita di questi simulatori la si evince guardandoli all'interno, e si puo' capire perche' il loro prezzo sia abbastanza alto.

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I simulatori TC.ACS sono stati progettati in modo da essere il più possibile modulari, sia all'interno negli stadi di potenza e sulle schede di controllo, che rispetto all'esterno: all'interno sono previste diverse possibilità di montaggio di schede opzionali; all'esterno è stata mantenuta la classica filosofia di Regatron che prevede la possibilità per due o più simulatori di rete da 50 kVA di poter essere collegati in parallelo, mediante una interfaccia veloce, per aumentare la potenza gestibile dal sistema fino ad 1 MVA ed anche oltre, con un apposito controllore.
Il sistema modulare, realizzato per rack da 19”, può venire ampliato in qualsiasi momento per adattarsi alle nuove esigenze, in configurazione master-slave.
Questi AC sources prevedono un'alimentazione da rete trifase da 400 VAC nominali fino a 480 VAC nominali, con un'uscita trifase fino a 3x528 VAC con neutro. Poichè gli angoli fra le tre fasi possono essere variati da +360° a -360°, risulta possibile anche sovrapporre le tre fasi, ottenendo quindi di fatto un sistema monofase. La possibilità di alimentazione diretta alla tensione di 3x480 VAC ha facilitato la vendita sul mercato americano.
Con i simulatori TC.ACS, i laboratori di prova possono simulare qualsiasi condizione di rete, dall'alimentazione perfettamente sinusoidale necessaria per ottenere le migliori prestazioni di efficienza in alcune apparecchiature, all'alimentazione con corrente distorta a piacere, con qualsiasi forma d'onda. La generazione di armoniche può essere personalizzata, per permettere la ricerca di punti di lavoro critici del dispositivo in prova.
Si possono creare picchi e buchi di tensione, oltre a flicker e a qualsiasi altra anomalia, compresa l'iniezione di corrente continua. E' anche possibile creare situazioni anomale, come per esempio avere in uscita due fasi ad una frequenza e la terza fase ad una frequenza diversa, come potrebbe essere possibile su sistemi con doppio generatore in caso di guasto grave accidentale.

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Raffreddamento del simulatore

Normalmente il raffreddamento di queste apparecchiature è effettuato a liquido, impiegando una miscela di acqua e di glicole raffreddati in un refrigeratore esterno al sistema, oppure in uno scambiatore di calore liquido/acqua industriale se disponibile in abbondanza. Il liquido permette di non avere un fastidioso riscaldamento dell'aria del laboratorio, non gradito in estate, quando l'apparecchiatura eroga molta potenza e lavora in condizioni molto impegnative, con maggiori perdite sui semiconduttori di potenza. Se il refrigeratore è esterno, il calore verrà ceduto in una zona distante dal simulatore. In alternativa è possibile acquistare da Regatron uno scambiatore a rack liquido/aria, progettato per essere collocato nello stesso rack sopra il simulatore. Questa soluzione è particolarmente raccomandabile quando si desidera spostare spesso il simulatore, per esempio dal laboratorio alla linea di produzione e viceversa, in quanto non richiede collegamenti al circuito idraulico esterno; i corti tubi sono presenti solo all'interno del rack, che può quindi essere montato anche su ruote piroettanti per facilitare gli spostamenti. Le ventole dello scambiatore a rack - denominato TC.LAE - adeguano la propria velocità alle esigenze di raffreddamento, quindi mediamente lavorano ad una velocità inferiore alla massima, ed anche la silenziosità risulta migliorata.

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Poiché il simulatore ha una struttura con uscita trifase, dove gli angoli tra le fasi possono essere variati a piacimento, è possibile far coincidere le tre fasi in modo da avere in pratica una sola uscita monofase. Per aumentare la potenza disponibile è possibile mettere in parallelo più unità TC.ACS purchè siano dotate della scheda dedicata a questa funzione. E' possibile collegare semplicemente in parallelo fino a 8 unità, per una potenza fino a 400 kVA. Aggiungendo un'apparecchiatura con un sistema di controllo dedicato è possibile aumentare il numero di unità parallelabili, in modo da poter raggiungere una potenza massima fino ad 1 MVA o anche di più. Si possono ottenere in uscita anche tensioni continue, per esempio 3 tensioni fino a 400 VDC con un polo in comune. Quindi si può avere un sistema 0... 800 VDC, dove dal punto centrale può essere sommata o sottratta una ulteriore tensione 0....400 VDC.

Modalità di funzionamento

E' interessante notare la tripla modalità di funzionamento di questi simulatori. La prima prevede il funzionamento come amplificatore a quattro quadranti, come HIL (Hardware In the Loop); i tre segnali in ingresso che rappresentano le forme d'onda desiderate sulle tre fasi vengono semplicemente amplificati in uscita. La seconda modalità prevede l'utilizzo di un potente software generatore di forme d'onda opzionale denominato GridSim, residente sul PC con schermo da almeno 15” che funziona come HMI. Anche in modalità GridSim il funzionamento è sempre a quattro quadranti. La terza modalità è la simulazione di una impedenza trifase, composta da elementi R, L e C, dove ciascuna impedenza può essere simulata digitalmente. Il vantaggio è quello di non dover acquistare e cablare tanti diversi componenti resistivi, induttivi e capacitivi. Ovviamente è possibile utilizzare una sola modalità per volta.

Software a corredo standard e opzionale

La dotazione standard prevede la fornitura del software ACSControl che consente di effettuare tutte le configurazioni da PC, anche da remoto. GridSim è un pacchetto software opzionale sviluppato da Regatron che permette di eseguire un'ampia gamma di operazioni utili durante le fasi di test. E' possibile costruire digitalmente dei blocchi di curve riferite alle tre fasi più neutro, che possono poi essere eseguiti in sequenze programmabili. Più sequenze possono essere combinate per ottenere un file destinato ai collaudi, inserendo al loro interno anche alcuni elementi di deviazione, attivati da eventi. Si possono eseguire anche test con sistemi di ricarica per veicoli elettrici con modalità V2G.
Un software intuitivo, basato sull'applicazione, permette il funzionamento manuale, la programmazione e l'esecuzione di test automatici. E' gestita l'acquisizione di dati, la loro memorizzazione e la visualizzazione nel sistema. Il software offre anche la documentazione sui risultati delle prove.

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Tra le particolarità di questo simulatore si evidenzia la possibilità di programmare individualmente le quattro uscite di potenza con una gamma di modulazione da 0 a 3 kHz, con frequenze da 0 a 1000 Hz (estendibile fino a 5000 Hz, con diversa modulazione), e con la possibilità di erogare ed assorbire anche corrente continua. La corrente di uscita può essere impostata anche indipendentemente dalla tensione.
Le modalità operative dei TC.ACS sono tre: la modalità Function Engine controllata dal software applicativo opzionale GridSim, la modalità amplificatore, con controllo da segnali esterni, con l'hardware inserito nell'anello di regolazione, e la modalità di simulazione RLC.
L'ACS Function Engine ha memorizzato alcune forme d'onda standard, come le sinusoidi, le onde quadre e triangolari, i denti di sega con dente positivo o negativo, le sinusoidi tagliate, le curve con rampa, la corrente continua positiva o negativa.

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Si possono comporre curve usando quelle preimpostate oppure basate su tabelle; è possibile modulare curve in modo additivo: modulazione di ampiezza, forma d'onda base più modulazione di frequenza o curve addizionali, modulazione di fase e/o aggiunta di contenuto armonico. E' inoltre prevista la possibilità di introdurre degli elementi di deviazione, attivati da eventi. Una sequenza consiste in parecchi blocchi, per esempio può contenere variazioni di frequenza e di ampiezza, e curve preimpostate per tempi definiti. Con più sequenze, completate da elementi programmabili di deviazione, si ottengono TestFiles di GridSim che possono avere qualsiasi lunghezza e qualsiasi combinazione di sequenze ed elementi di deviazione.
Il sistema TC.ACS permette di eseguire tutti i test rilevanti secondo le normative relative alla rete elettrica (CENELEC, DIN, IEC, CEI). Sono possibili entrambi i funzionamenti come simulatore di rete o come amplificatore di tensione trifase più neutro a quattro quadranti. Si ottiene quindi una maggior flessibilità, maggior potenza specifica, rendimento più alto, maggiore comfort nell'utilizzo durante l'effettuazione di prove secondo le IEC 61000-4-11, IEC61000-4-13, IEC61000-4-14, IEC61000-4-27 e IEC61000-4-28.

Potenza sempre maggiore, modulare

Mettendo in parallelo più simulatori si possono ottenere sistemi di potenza elevata. Nella foto si vede una sezione da 500 kVA che può essere usata indipendentemente oppure parallelata ad un'altra da 300 kVA per ottenere un simulatore da 800 kVA. La tensione di uscita può raggiungere i 528 VAC, la frequenza massima utilizzabile in uscita raggiunge ora i 5000 Hz. La forma d'onda di ogni singola fase viene sintetizzata, grazie allo sfasamento dell'inverter multilivello, con una frequenza di 80 kHz che rappresenta una assoluta eccellenza a questo livello di potenza.
La particolare configurazione di questo simulatore permette di ottenere prestazioni impensabili con altri sistemi, per esempio ogni fase può avere una frequenza diversa dalle altre ed una forma d'onda diversa; lo sfasamento tra le tre fasi può essere di qualsiasi valore.
Ecco il sottoscritto mentre esce dal simulatore di rete appena collaudato:

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Simulazione RLC con controllo in corrente

La simulazione di impedenze con carichi R,L e C è ora possibile con questi convertitori AC/AC multilivello che consentono sia la simulazione della rete che il funzionamento con controllo completo in corrente. Questa caratteristica apre la possibilità di simulare varie tipologie di impedenze. Dopo aver misurato la tensione alla porta di simulazione, la corrente di riferimento può essere calcolata e controllata con i valori R-L-C programmati. A questo punto l'impedenza desiderata diventa visibile sulla porta di simulazione. Questa nuova opzione è denominata "RLC load mode". Impiegando il software ACSControl si possono definire 12 diverse topologie di combinazioni RLC regolate anche indipendentemente per ciascuna fase. La larghezza di banda del controllo è 1 kHz.Un esempio pratico di un test realizzabile con questa funzione è l'anti-islanding, che è solo uno dei tanti possibili esempi di applicazioni. Utilizzando la "RLC load mode" è stato eseguito con successo il test di conformità standard.Poiché spesso per questi tipi di test si usano componenti passivi, sia la configurazione dell'hardware ed i tempi di configurazione sono enormemente ridotti dall'utilizzo della simulazione dei componenti R, L e C.

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Le diverse tipologie di impedenze definibili via software

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Basta programmare digitalmente le impedenze richieste, ed il simulatore TC.ACS si configurerà come richiesto, senza dover modificare cablaggi e sostituire condensatori, induttori e resistori

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