Третье поколение интеллектуальных инверторов
Для «Электрум АВ» 2020 год стал очень результативным по части разработок в области интеллектуальных инверторов. Наконец разработаны и освоены в производстве целая серия модулей типа М32 и мощных блоков инверторов типа Б31. Разработки, вобравшие в себя многолетний опыт и самую современную элементную базу, в т.ч. микросхемы драйверов с трансформаторной развязкой от Infineon, датчики тока на эффекте Холла, силовые транзисторы последних поколений… Все эти изделия представляют собой третьей поколение интеллектуальных инверторов, о котором и пойдёт речь в настоящей статье.
Предпосылки
Модули интеллектуальных инверторов серии М31 и модули управления электродвигателями на его основе (МУАДМ, МУВДМ, МУКДМ) производятся уже достаточно долго, почти 10 лет. За это время модули зарекомендовали себя во множестве преобразователей. Однако, опыт эксплуатации показал и некоторые особенности модулей, которые не позволяют использовать их в ряде специализированных схем. К таким особенностям относится следующее:
- Отсутствие гальванической развязки, что делает проблематичной эксплуатацию модулей в сетях 380 В, в частности – для управления асинхронных электродвигателей. Либо требует от потребителя разработки дополнительной схемы изоляции управления, т.е. привносит сложности в разработку преобразователя.
- Работа токовой защиты по принципу ограничения, что усложняет применение модулей для управления трансформаторами и значительно влияет на отработку модулем сигналов управления (модуляция токовой защитой).
- Неудовлетворительные конструктивные характеристики для низковольтных модулей, а именно низкое соотношение габариты-мощность и наличие только конструктива «ДМ».
- Относительная «капризность» в жёстких режимах эксплуатации, при наличии ошибок в схеме и топологии включения, особенно на стадии отладки, обусловленная схемно-функциональными особенностями модуля.
Всё это указывает на некоторую неполноценность модулей в их отдельных характеристиках и сужает область применения, что и явилось предпосылками к разработке интеллектуальных модулей третьего поколения.
Общее в поколении 3
В модулях третьего поколения были учтены вышеуказанные недостатки и, таким образом, М32 имеют следующие конструктивно-функциональные преимущества:
- больший предельно-допустимый ток (до 100/75 А для 6/12-го классов против 50/50 А для М31)
- наличие нескольких конструктивных исполнений, гораздо лучшее отношение габариты-мощность;
- наличие полной гальванической развязки;
- большая помехоустойчивость, меньшая критичность к топологии включения;
- работа токовой защиты по принципу отсечки, без активного ограничения тока;
- наличие контроля тока инвертора и токов фаз;
- формирование «мёртвого» времени на переключение;
- защита от пониженного напряжения питания со статусным сигналом;
- потенциальная возможность введения в модуль специализированных схем управления без переделки базового модуля.
При этом в части модулей (о блоке Б31 будет сказано ниже) наиболее функционально наполненным модулем является М32 конструктива «ДМ», структурная схема которого приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структурная схема М32 (конструктив «ДМ»)
Структурная схема рисунка 1, фактически, является базовой для всех инверторов третьего поколения; начиная от малогабаритного М32М и закачивая блоком инвертора Б31. Разумеется, с определёнными ограничениями или дополнениями, обусловленными габаритными размерами конечного изделия.
Для М32 конструктива «М» структурная схема идентична схеме рисунка 1, за исключением отсутствующих фазных датчиков тока.
Для малогабаритного М32М изменения наиболее радикальны: от указанной структурной схемы остаются только входная логика, драйверы (без гальванической развязки для нижних ключей), силовой инвертор и терморезистор.
Для блока инвертора Б31 добавляется узел контроля напряжения инвертора (с функцией защиты от перенапряжения), защиты по ненасыщению силовых транзисторов, а так же конструктивные блок охлаждения и блок электролитических конденсаторов.
Частное в поколении 3
Таким образом, обладая единым идеологическим подходом, но имея различные конструктивные исполнения (а значит мощностные и схемные ограничения), модули и блоки инверторов третьего поколения обладают и различными функциональными возможностями, сравнение которых приведено в таблице 1.
Таблица 1 – Сравнение функциональных возможностей инверторов
Как следует из указанных в таблице 1 отношений максимальный ток / класс инвертора, модули предназначены для эксплуатации в преобразователях различной мощности. На рисунке 2 приведено сравнение инверторов по критерию средней коммутируемой мощности, при этом максимальная мощность ограничена характеристиками изделия, а минимальная мощность выбрана исходя из целесообразности применения данного конструктива.
Рисунок 2 – Коммутируемая средняя мощность инверторов
Исходя из таблицы 1 и рисунка 2 можно выделить ключевые особенности каждого конструктивного исполнения, его базовые характеристики, а значит уже можно рассмотреть каждый конструктив более пристально.
М32М (рисунок 3)
Малогабаритный инвертор с размерами основания всего 39х34 мм. Характерной особенностью модуля является возможность эксплуатации без охладителя на максимальной мощности. Т.е. можно просто установить модуль в печатную плату и управлять трансформатором или двигателем мощностью несколько сот Ватт.
В части структуры и функций модуль очень прост: три микросхемы драйвера полумоста, бутстрепное питание, силовой инвертор на MOSFET-транзисторах (в т.ч. для 6-го класса) и терморезистор для контроля температуры. Не сложно, но для указанных мощностей вполне достаточно.
М32 конструктива «М» (рисунок 4)
Инвертор обладающий для своих габаритных размеров (основание 80х44 мм) очень большим функционалом. В частности, наличие полной гальванической развязки, контроль тока инвертора с выдачей аналогового сигнала текущего значения тока (так же с гальванической изоляцией от силовых цепей), полноценный DC/DC-преобразователь, все необходимые защиты и коммутируемая мощность до 7 кВт.
Относительно конструктивного исполнения «ДМ» данные модули обладают только двумя недостатками: отсутствие контроля тока фаз и отсутствие исполнений инвертора 12-го класса, что ограничивает область применения модулей сетями 220 В или 240 В переменного напряжения.
М32 конструктива «ДМ» (рисунок 5)
Наиболее функционально насыщенный инвертор, о чём уже говорилось выше. Гальваническая изоляция, DC/DC-преобразователь, защиты… И, в частности, наличие в фазах датчиков тока (Холла), что делает данный инвертор очень удобным для векторного и/или любого бездатчикового управления электродвигателями.
Максимальная средняя коммутируемая мощность модуля от 6 кВт до 30 кВт для 1-го и 12-го классов; кратковременная (пусковая) мощность до 12 и 75 кВт соответственно. Эти показатели хоть и не уникальны для данного класса изделий, но, тем не менее, на уровне лучших импортных образцов.
Б31 (рисунок 6)
Изделие, стояще особняком от всех прочих представителей инверторов третьего поколения. Прежде всего, потому что это не модуль, а блок, т.е. более функционально законченное изделие. Уже есть каркас, охладитель (система охлаждения), блок электролитических конденсаторов, шины подключения внешних силовых цепей. Плюс к этому, это единственный представитель инверторов, обладающий двумя типоразмерами: 481х350х245 мм для исполнения 300 А и 481х616х245 мм для исполнения 500 А. При этом, функциональные отличия для данных исполнений отсутствуют.
В блоке предусмотрены все возможные защиты схемы управления, инвертора в целом и каждого силового модуля (полумоста) в отдельности. Блок выдают ведущему устройству показания текущих токов каждой фазы, напряжения, температуры. Управления может осуществляться как по проводной связи, так и по ВОЛС, в т.ч. обеспечивается выдача статусов (6 статусных состояний) по ВОЛС на расстояние до 35 метров.
Заключение
Как следует из вышесказанного, инверторы третьего поколения являются дальнейшим развитием инверторов серии М31, основываясь на многолетнем опыте их эксплуатации. Множество конструктивных исполнений делает модули М32 и блоки Б31 удобными для применения в преобразователях мощностью от 50 Вт до 250 кВт, при чём как в системах управления электродвигателями, так и в импульсных трансформаторах, в индукционном нагреве, в понижающих/повышающих преобразователях… По крайней мере, при разработке, требование универсальности было едва ли ни основным.
В общем, более чем достойное завершение 15-летнего опыта разработок, производства и эксплуатации интеллектуальных инверторов в самых разных преобразователях десятков и десятков потребителей.
