L'attività di ricerca del Settore Elettromagnetismo Applicato è incentrata principalmente sulla generazione di modelli numerici e strumenti di calcolo per l'analisi dei materiali magnetici e dei sistemi elettromeccanici e sullo sviluppo di riferimenti e tecniche di misura di campi elettromagnetici, alte tensioni e forti correnti.
Il problema della diagnostica, di notevole interesse nell'analisi del funzionamento delle macchine elettriche, è stato affrontato in collaborazione con le Università di Parma e Modena e con il Dipartimento di Ingegneria Elettrica del Politecnico di Torino. La realizzazione di un motore specifico, presso il laboratorio dell'INRIM, e il relativo studio con un modello numerico agli Elementi Finiti hanno permesso di analizzare lo spettro armonico delle correnti di rotore. I diagrammi, misurati e calcolati, consentono di evidenziare l'effetto delle anisotropie di cava e la presenza di asimmetrie magnetiche ed elettriche, eventuali eccentricità e armoniche spaziali nella forma d'onda della forza magnetomotrice, il cui contributo deve essere distinto dalle effettive condizioni di guasto.
Spettro armonico della corrente di rotore calcolato e misurato.
L'attività relativa all'analisi del funzionamento di motori bearingless è stata sviluppata in collaborazione con l'Università Federale di Rio Grande del Nord (Brasile), con la finalità di definire un modello da impiegare nel controllo di posizione. In particolare, l'attenzione è stata incentrata su un motore a induzione trifase con avvolgimenti separati e controllati in modo indipendente per generare forze radiali e rotazionali. L'applicazione di un modello numerico agli Elementi Finiti, validato mediante il confronto con i rilievi sperimentali effettuati dal gruppo di ricerca brasiliano, ha permesso un'approfondita analisi parametrica, che consentirà un miglioramento delle prestazioni del controllo.
Schema del controllo di corrente per il posizionamento del rotore.
Il fenomeno della risonanza ferromagnetica in circuiti RLC è stato studiato focalizzando l'attenzione sull'influenza dell'isteresi dinamica e delle perdite classiche sui diagrammi di biforcazione e sulla regione di stabilità della risonanza subarmonica. L'analisi modellistica ha permesso di evidenziare e quantificare da un lato il ruolo degli effetti dissipativi, che riducono sensibilmente l'entità della ferrorisonanza, e dall'altro l'influenza dello stato di magnetizzazione iniziale del materiale ferromagnetico, responsabile della comparsa di subarmoniche nella forma d'onda delle correnti circuitali.
Comparsa di fenomeni di ferrorisonanza al diminuire della
conducibilità elettrica del nucleo ferromagnetico.
L'attività inerente lo studio di problemi finemente periodici nell'elettromagnetismo, svolta in collaborazione con i Dipartimenti di Matematica e Ingegneria Elettrica del Politecnico di Torino, è stata estesa all'analisi di problemi di schermatura del campo magnetico. In particolare in tale ambito è possibile trovare schermi a griglia, per consentire la dissipazione termica, e lastre in materiale magnetico composito. L'analisi di queste strutture finemente periodiche ha richiesto lo sviluppo di un modello numerico basato sull'accoppiamento della formulazione degli schermi sottili e del metodo delle scale multiple. Tale approccio consente di trasformare lo schermo eterogeneo in uno schermo avente proprietà costitutive omogenee, garantendo una notevole riduzione dei tempi di calcolo.
Schema dello schermo a griglia e andamento del campo magnetico lungo la direzione
trasversale alle sorgenti per differenti valori della distanza h dallo schermo.
Per quanto concerne l'attività relativa allo sviluppo di tecniche di misura dei campi elettromagnetici, si è estesa la riferibilità nella gamma della media frequenza, d'interesse per le misure in ambiente industriale, e della radiofrequenza e microonda, d'interesse nel settore delle comunicazioni e della radiodiffusione. A questo proposito è stato realizzato un sistema di generazione di campi magnetici di riferimento nella gamma di frequenze da 1 kHz a 100 kHz, costituito da una coppia di bobine di Helmholtz. Tale sistema permette la generazione di induzioni magnetiche fino a 100 μT a 1 kHz e fino a 15 μT a 100 kHz con incertezze relative comprese tra 2 • 10-3 e 1 • 10-2. E' proseguita la caratterizzazione dei sistemi che usano le celle TEM e GTEM per generare campi elettromagnetici di riferimento da 100 kHz a 1 GHz, completando la valutazione dell'incertezza ad essi associata. In particolare, una cella GTEM è stata utilizzata per sviluppare un metodo di taratura per sensori di campo e antenne di piccole dimensioni. Per quanto riguarda la camera anecoica, sono state condotte misure sia di Free-Space Normalised Site Attenuation (attenuazione di spazio libero) sia di omogeneità di campo al fine di valutarne le prestazioni e definire un volume utile di prova. Si è iniziato, inoltre, a generare campi elettromagnetici di riferimento all'interno di tale volume in una gamma di frequenze compresa tra 450 MHz e 3 GHz circa mediante l'impiego di antenne OEG (Open-Ended Guide) e standard-gain horn.
Per quanto riguarda la riferibilità degli strumenti usati nelle misure EMC, è continuata l'attività di studio e preparazione di procedure per la taratura di alcuni di questi strumenti, concentrandosi in particolare su quelli impiegati nelle prove di emissione di disturbi a radiofrequenza.
La camera anecoica dell'I.N.RI.M.
Nell'ambito dell'attività relativa allo studio delle tecniche di mitigazione delle emissioni elettromagnetiche è stato completato un nuovo sistema di misura per la caratterizzazione delle proprietà schermanti di lastre ferromagnetiche e conduttive. Tale sistema, abbinato ai risultati della relativa modellazione numerica, ha consentito l'approfondimento del comportamento fisico dei materiali nel campo di frequenze (20-100) kHz. Contemporaneamente sono state sviluppate tecniche numeriche per la previsione e la mitigazione delle emissioni elettromagnetiche in bassa e media frequenza e in regime pulsato. Tali modelli hanno consentito lo studio e la progettazione di sistemi di mitigazione per linee ad alta tensione e per sorgenti industriali di potenza. In questo ambito si inseriscono i contratti di ricerca con AEM S.p.A, per la mitigazione del campo magnetico generato dalla linea di potenza "Urban 2" in Torino, e con il Centro di Ricerche FIAT (CRF).
Sistema per la misura e la mitigazione del campo magnetico: A) generatore, oscillatore e scambiatore refrigerante, B) bobina, C) schermo magnetico, D-E) sonda e plotter di posizionamento.
L'attività inerente lo sviluppo di tecniche di misura di correnti alternate e impulsive è stata svolta in collaborazione con il Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano (CESI) e con TERNA S.p.A., nell'ambito del contratto finanziato con il Fondo Ricerca di Sistema per il settore elettrico nazionale istituito dal Ministero delle Attività Produttive (MAP, Decreto del 28 Febbraio 2003). In particolare, sono state definite e sperimentate le procedure di caratterizzazione di un sistema di misura di forti correnti alternate, per la verifica in campo dei trasformatori di corrente usati per le misure di energia nei punti di interscambio della rete di trasporto nazionale. Il sistema di misura è costituito da una bobina di Rogowski, avente la funzione di trasduttore di corrente, da un digitalizzatore, da un sistema di disaccoppiamento in fibra ottica e da un'unità di acquisizione e analisi dati sviluppata appositamente per tener conto della possibile presenza di disturbi e armoniche in esercizio. Gli errori di rapporto e di fase del sistema di misura sono stati valutati fino a 4000 A mediante il confronto con un trasformatore di corrente campione. Inoltre, con riferimento alle condizioni ambientali, l'effetto di temperatura sulla bobina di Rogowski e sull'unità remota associata è stato valutato in un campo di temperature da 5 °C a 35 °C.
Influenza della variazione di temperatura sull'errore di rapporto della bobina di Rogowski e dell'unità remota associata con una temperatura di riferimento di 25 °C.
Per quanto riguarda l'attività di realizzazione di trasduttori per alte tensioni continue, si è proseguito lo sviluppo di un partitore fino a 300 kV con la progettazione di un secondo modulo da 50 kV. Nel campo delle misure di tensioni alternate, si è realizzato un partitore capacitivo compensato per la misura fino a 100 kV. La caratterizzazione del dispositivo ne ha evidenziato l'idoneità ad essere utilizzato in un sistema di riferimento per la realizzazione di tarature in sito. Inoltre, nell'ambito di un contratto di ricerca con il CESI di Milano si sono messe a punto le procedure di caratterizzazione di un sistema di misura per la verifica in campo di trasformatori di tensione nei punti di interscambio della rete elettrica in alta tensione.
Nell'ambito dell'attività di sviluppo di trasduttori per alte tensioni impulsive sono state definite le caratteristiche di un partitore di tensione capacitivo compensato con tensione nominale di 400 kV, realizzato utilizzando elementi capacitivi ceramici, le cui caratteristiche di precisione e stabilità permettono la realizzazione di un sistema di riferimento per la misura di impulsi di manovra. Le prime verifiche su di un prototipo da 100 kV hanno confermato la validità dei dati di progetto. Inoltre, sono state definite le caratteristiche di un partitore capacitivo-resistivo, caratterizzato da un'ampia banda passante, per la misura della tensione durante le prove di corto circuito. Un complesso di 4 partitori di questo tipo, abbinati ad una scheda di acquisizione A/D, sarà installato presso il laboratorio forti correnti dell' I.N.RI.M.
In collaborazione con l'Università di Bologna e lo spin-off Techimp si è proceduto alla caratterizzazione di un sistema di misura di scariche parziali con caratteristiche innovative, allo scopo di verificarne l'idoneità alla realizzazione di misure secondo quanto previsto dalla normativa internazionale.