Sviluppo e miglioramento di una camera magnetica ad effetto hall per la diagnostica di interruttori magnetotermici a bassa tensione

This thesis addresses the development of a PCB for the upgrade and improvement of a magnetic camera system, a diagnostic instrument for electric arcs in Low-Voltage Circuit Breakers (LVCB). Particular attention was given to improving the practicality of the measuring setup, to be integrated within the short-circuit testing laboratory. LVCBs are safety devices, designed to open the circuit in case of fault conditions, such as short circuits and overcurrents. The circuit breaker is tested under extreme conditions, to verify the device reliability. When the contacts open, an electric arc is formed and it has to be extinguished as fast as possible, to minimize damage on the circuit and on the structure of the breaker itself. Understanding arc dynamics is essential for optimizing LVCB design and performance; knowing its position, motion and extinction provides essential information for prototype optimization and product validation. Traditional methods rely on indirect measurements, providing a limited insight into arc behaviour. A novel approach on arc diagnostics was introduced by D’Antona et al, by reconstructing arc trajectories by measuring the magnetic field generated during a short-circuit test. They developed a magnetic camera, based on a Hall-effect sensor array arranged on an 8x8 grid, enabling spatial mapping of the magnetic field intensity. The original implementation of this instrument required a complex and bulky setup to acquire the 64 analog signals coming from the transducers, limiting its portability and requiring expert personnell to operate the magnetic camera. Thiswork proposes a solution aimed at simplifying the hardware needed for the acquisition of the magnetic signals, developing a modulating interface capable of channeling multiple signals into a single acquisition input already available inside the testing laboratory. APrinted Circuit Board(PCB)was realized to interface the camera with the ADC, through a mixed-signal approach based on fast analog multiplexing of the 64 inputs. A7-bit asynchronous counter autonomously drives the multiplexers and generates a synchronization pulse for the correct demultiplexing of the signal, which is implemented digitally. The design process involved detailed analysis of the switching dynamics and settling times, to minimize dynamic and static errors, while keeping the signal bandwidth within the camera requirements. A 4-layer PCB architecture was modelled, with particular attention on analog signal integrity and grounding. Best practices were followed for the design of the board, including isolation between analog and digital domains, clear return paths and crosstalk minimization. The PCB includes all the significant test points for precise testing and validation. A casing was finally modelled and 3D-printed to hold the board, together with its selectors which allow for fast and intuitive user interface. Experimental validation included bench testing and measurements of dynamic behaviour and gain accuracy, followed by measurements on a controlled shortcircuit test on Miniature Circuit Breaker (MCB) devices, through the DAQ of the laboratory. Results confirmed the feasibility of the proposed approach and showed promising results. Although the maximum multiplexing frequency turned out to be lower than expected due to underestimated parasitic effects, the board was capable of providing meaningful data during its operation. The work to be presented in the next chapters could be a helpful improvement for future implementations of the magnetic camera, supporting the design and testing phases of new products and allowing for a fast and intuitive setup of the measuring instrument.

Questa tesi racchiude il lavoro svolto sullo sviluppo e il miglioramento dell’acquisizione dei segnali misurati dalla camera magnetica, uno strumento per la diagnosi dell’arco elettrico negli interruttori di bassa tensione magnetotermici MCB e RCBO. I principali aspetti sui quali si sofferma il lavoro sono la praticità del setup di misura e l’integrazione dello strumento nel laboratorio di testing per le prove di cortocircuito. Gli interruttori MCB e RCBO sono dispositivi progettati per aprire il circuito in caso di guasto, come ad esempio un cortocircuito o un sovraccarico. L’interruttore è testato in condizioni estreme per verificarne l’affidabilità. Quando i contatti all’interno iniziano ad aprirsi, si crea un arco elettrico, che deve essere estinto nel minor tempo possibile per non rischiare di danneggiare il circuito o la struttura dell’interruttore stesso. Riuscire a ricostruire la dinamica dell’arco può essere essenziale per ottimizzare la progettazione e la performance di un breaker. I metodi tradizionali si basano su segnali indiretti per ricostruire il comportamento dell’arco, risultando quindi limitati. Un approccio innovativo è stato introdotto da D’Antona et al, proponendo un metodo di ricostruzione della traiettoria d’arco basato sulla misura del campo magnetico generato dall’arco durante un cortocircuito. Questa misura viene fatta con la camera magnetica, uno strumento basato su sensori ad effetto Hall, disposti a matrice su una griglia 8x8, permettendo così di effettuare una misura planare di intensità di campo magnetico. L’implementazione originale del sistema di misura richiedeva un setup complesso ed ingombrante, limitando la sua portatilità e necessitando di personale esperto per poter mettere in funzione la camera magnetica. Il progetto presentato nei prossimi capitoli propone una soluzione volta a semplificare l’hardware necessario all’acquisizione della camera magnetica, sviluppando un’interfaccia di modulazione analogica capace di incanalare i 64 segnali di input in un singolo canale di output. Una PCB è stata progettata e realizzata, implementando un approccio a segnali misti basato sulla multiplessione analogica. Un contatore asincrono a 7 bit pilota autonomamente i multiplexer e genera ciclicamente un impulso di sincronizzazione per la corretta ricostruzione del segnale, implementata digitalmente. La discussione sul design della scheda inizia da una dettagliata analisi sulle dinamiche di switching e i tempi di transizione, per minimizzare gli errori statici e dinamici pur mantenendo un’alta frequenza di multiplexing, per mantenere una larghezza di banda sufficiente. L’architettura a 4-strati permette di garantire buon grounding, separando la parte analogica da quella digitale, mantenendo sempre integri i percorsi di ritorno sul ground e minimizzando il crosstalk. La fase di validazione sperimentale include prove su banco, misure sul comportamento dinamico e accuratezza di guadagno, seguita da prove di cortocircuito su dispositivi magnetotermici, utilizzando l’acquisitore del laboratorio. I risultati hanno confermando la corretta funzionalità della soluzione proposta. Nonostante il massimo frame rate raggiunto fosse più basso delle aspettative, a causa di effetti parassiti sottostimati, l’interfaccia di multiplexing è stata capace di fornire dati significativi durante queste prove preliminari. Il lavoro presentato in questa tesi può essere un miglioramento significativo per le future implementazioni della camera magnetica, supportando le fasi di design e testing di nuovi prodotti e permettendo di avere un setup veloce ed intuitivo per questo strumento di misura.