Контроль напряжения ПЧ - проблемы и решения
Надёжный преобразователь частоты для электродвигателя – это не только инвертор и схема управления к нему, но и схема контроля напряжения питания, защищающая силовые цепи от провалов и набросов напряжения, возникающих при работе двигателя. Именно о такой схеме производства «Электрум АВ» и пойдёт речь в данной статье.
Зачастую разработчик преобразователя частоты (ПЧ), с целью защиты силовой схемы от выхода из строя, вводит в схему управления множество защит по току, но в то же время уделяет недостаточно внимания защите по напряжению питания. Бытует мнение, что самая страшная и основная причина выхода из строя какого-либо элемента силовой цепи – это ток, однако, как показывает практика, основная причина выхода из строя – не ток, а напряжение. Выход из строя силовой цепи по току, как правило, имеет место быть либо на этапе отладки, когда ещё не подобран тепловой баланс, либо по причине сбоев в управлении, либо из-за КЗ в нагрузке. При чём последнее, при правильно собранной и отлаженной схеме защиты по току, вовсе не обязательно приводит к выходу из строя преобразователя. В штатном же режиме работы электродвигателя выход из строя по току и вовсе явление довольно редкое. Плюс к этому, современные IGBT и MOSFET транзисторы устойчивы к КЗ в течении нескольких десятков мкс (гарантированно 10 мкс), не говоря уже о тиристорах, способных работать на КЗ в течении десятков мс, а значит для защиты по току есть время, следовательно есть и возможности; с током можно бороться «по факту», не особо заботясь об упреждении. С напряжением же всё не так просто. Выброс напряжения выше предельно допустимого значения для силового элемента длительностью более нескольких нс (максимум – десятков нс) со 100% вероятностью приведёт к выходу из строя этого элемента. И с напряжением, в отличие от тока, времени на ответное реагирование нет; с напряжением следует бороться только упреждением. А опасных моментов, в смысле перенапряжения, при работе ПЧ существует множество.
Работу любого ПЧ при управлении электродвигателем можно разбить на несколько этапов и для каждого этапа есть свои наиболее опасные моменты:
1. Подача силового питания, заряд ёмкости фильтра
Большой ток заряда, способный вывести из строя выпрямительные диоды (тиристоры), источник питания или, что вероятнее всего, рано или поздно приведёт к выходу из строя фильтрующего конденсатора, т.к. последние при больших значениях dI/dt при заряде и разряде имеют склонность к деградации.
2. Запуск двигателя
Большие пусковые токи, особенно в начальный момент времени, когда нагрузка, по сути, носит чисто активный характер. Проблема этого этапа в том, что здесь нельзя полноценно использовать защиту по току, т.к. в этом случае двигатель может просто не запуститься, и в то же время ток нужно ограничивать, иначе инвертор перегреется и выйдет из строя. Желательно использовать защиту от КЗ на тот случай, если нагрузка на валу в момент запуска значительно превышает расчётную, или если и вовсе вал заклинило.
3. Штатный режим работы двигателя
Самый безопасный режим работы, но и здесь, в случае, если нагрузка на валу двигателя нестабильна (рывки), могут возникать провалы или выбросы тока и напряжения и, как следствие, сбои в управлении.
4. Динамический тормоз, реверс
Наиболее опасный режим в плане перенапряжения. Особенно этот режим проявляет себя при торможении высокоинерционной нагрузкой (например, вентилятор) или при реверсе противовключением. Но даже если нагрузка неинерционна, в момент динамического торможения или реверса двигатель всё равно будет находиться в генераторном режиме и всю свою запасённую мощность обязательно отдаст в сеть и в нагрев.
Для решения вышеозначенных проблем и предназначен модуль контроля коммутируемого напряжения (МККНМ) от «Электрум АВ» (рисунок 1).
Рисунок 1 – Внешний вид МККНМ
МККНМ выполняет следующие функции:
- выпрямление переменного напряжения (тип силовой сборки «Б»)
- коммутацию силового напряжения;
- защиту нагрузки от пониженного напряжения питания;
- защиту нагрузки от повышенного напряжения питания;
- защиту нагрузки в режиме КЗ;
- собственную защиту от перегрева;
- регулировку порога включения/выключения тормозного транзистора;
- регулировку длительности задержки срабатывания тормозного транзистора;
- сигнализацию о запрете работы зарядного транзистора;
- сигнализацию о перегреве модуля;
- внешнее управление включением/выключением зарядного транзистора.
МККНМ обеспечивает работу и защиту нагрузки мощностью до 15 кВт на токи до 100 А на напряжение до 1200 В (предельно допустимое значение). МККНМ выпускается с различными типами радиаторов, что позволяет применять модуль, как для решения общепромышленных задач, так и для решения частных случаев. Цепи питания и цепи управления МККНМ гальванически развязаны друг от друга и от цепей управления силовыми транзисторами прочностью изоляции не менее 4000 В по постоянному току.
Структурная схема и схема включения модуля приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 – Структурная схема и схема включения силовых цепей МККНМ
Модуль работает следующим образом (см. рисунок 3). При отсутствии силового напряжения питания зарядный транзистор закрыт и статусный выход «Запрет» находится в активном состоянии; напряжение в нагрузке отсутствует. При подаче силового напряжения питания схема управления разрешит работу модуля по достижению напряжением питания порога выключения защиты от недонапряжения; при снижении питания ниже этого порога схема управления вновь закроет зарядный транзистор (таким образом осуществляется защита от пониженного напряжения питания). После того, как схема защиты от недонапряжения разрешит работу модуля запустится генератор, который будет кратковременно открывать зарядный транзистор через относительно большие промежутки времени, тем самым осуществляя накачку ёмкости фильтра. После того, как разница напряжения на коллекторе зарядного транзистора и его эмиттере станет меньше установленного порога (зависит от класса прибора и составляет порядка десятков Вольт) зарядный транзистор полностью откроется, тем самым подключив цепи питания к нагрузке; транзистор на выходе «Запрет» закроется. При возникновении КЗ в нагрузке разница напряжений коллектор-эмиттер зарядного транзистора снова превысит установленный порог и зарядный транзистор закроется, включится генератор, тем самым обеспечивая возможность перезапуска в режиме аварии. При превышении напряжением нагрузки установленного порога (настраивается внешним резистором) в течении установленного времени (настраивается внешним конденсатором) зарядный транзистор закроется и откроется тормозной транзистор, подключив разрядный резистор к цепи нагрузки. При снижении напряжения питания ниже допустимого предела для срабатывания защиты от перенапряжения тормозной транзистор закроется и откроется зарядный. При перегреве модуля зарядный транзистор закроется (тормозной транзистор будет функционировать) и на статусном выходе «Перегрев» появится активный уровень. В том случае, если используется внешний сигнал разрешения (вывод «Упр»), внешний сигнал запрета имеет приоритет к внутренним сигналам; внутренний сигнал запрета имеет приоритет к внешним сигналам.
где Uком – коммутируемое силовое напряжение питания;
Uп – напряжение отключения защиты от пониженного напряжения питания;
Uн – напряжение на нагрузке;
Uт вкл(выкл) – напряжение включения (выключения) тормоза;
Gз – сигнал на затворе зарядного транзистора;
Gт – сигнал на затворе тормозного транзистора;
tвкл(выкл) – температура включения (выключения) защиты по перегреву.
Рисунок 3 – Графики работы МККНМ
Как видно из структурной схемы и из описания, вся схема коммутации МККНМ построена на транзисторах, хотя зачастую для управления напряжением нагрузки используются тиристоры выпрямительного моста. Выбор в пользу транзисторов был сделан по нескольким причинам, а именно:
1. Тиристорами довольно проблематично обеспечить такое же кратковременное отпирание при плавном заряде ёмкости, как транзистором, а это, в свою очередь, увеличивает импульсную нагрузку на силовой источник питания и тем это страшнее, чем больше ёмкость фильтра.
2. Тиристорами практически невозможно работать при осуществлении питания от источника постоянного напряжения, тем более если его требуется закрыть в произвольный момент времени, что, в свою очередь, чревато очень печальными последствиями.
3. Тиристоры плохо «дружат» с транзисторами в плане осуществления защиты последних. Если возникло КЗ, тиристор не закроется, пока не пройдёт полуволна, а это долгие мс, в то время как для транзистора достаточно и десятой доли мс для выхода из строя; защита на тиристорах обладает совершенно неудовлетворительным быстродействием для работы с транзисторами.
4. Адекватный контроль тока в цепи нагрузки с помощью тиристоров относительно сложнее осуществить, нежели чем на транзисторе, что, в свою очередь, сказывается на стабильности работы модуля в целом.
Так же нельзя не отметить ряд нюансов связанных с контролем силового напряжения питания, которые следует учитывать при разработке ПЧ. К этим возможным проблемам относятся следующие:
1. Ёмкость фильтра следует выбирать не исходя из коэффициента сглаживания пульсирующего постоянного напряжения, а исходя из тормозного момента. Например, для трёхфазной сети, для сглаживания напряжения, вполне достаточно значения ёмкости 100 мкФ/1 кВт, однако, как показывает практика, при осуществлении быстрого реверса ёмкость фильтра должна быть не менее 400 мкФ/1 кВт и в некоторых случаях может доходить до 600…700 мкФ/1 кВт. Более того, даже при осуществлении питания от источника постоянного напряжения, фильтрующий конденсатор указанного порядка всё равно должен быть установлен. Связано это с тем, что для того, чтобы защита по перенапряжению успела отработать, значения dU/dt возникающей противо-ЭДС должно быть относительно небольшим, не более 1 кВ/мкс и именно для его уменьшения и необходимо увеличивать ёмкость фильтра. Отсюда увеличение габаритов, более жёсткие условия накачки ёмкости и т.д., но это уже другая история. В свою очередь, если повысить время отклика защиты по перенапряжению, то устойчивость к dU/dt может быть и большим, но тогда возрастает риск ложных срабатываний защиты при коммутационных выбросах.
2. По цепям питания инвертора обязательно должен быть установлен ограничитель напряжения на пробивное напряжение порядка 120…130% от номинального значения напряжения срабатывания защиты по перенапряжению. В этом случае с кратковременными выбросами с большим значением dU/dt (до 10 кВ/мкс) будет бороться ограничитель, а с длительными выбросами – тормозной транзистор; так и ограничитель не перегреется, и транзисторы инвертора будут защищены.
3. При питании силовой цепи от источника постоянного напряжения, критичному к обратному напряжению, следует устанавливать последовательно шине «+» диод анодом к источнику, запирая тем самым обратное напряжение. Особенно эта рекомендация относится к аккумуляторам, к источнику, от которого запитаны другие потребители энергии и особенно к тем схемам, где питание схемы управления осуществляться так же от источника силового напряжения. В этом случае, при возникновении противо-ЭДС даже линейный стабилизатор спасает мало. Например, силовое питание осуществляется от источника 24 В и с этого же источника запитана схема управления через стабилизатор 15 В. При возникновении обратного наброса напряжения помехи по «земле» способны обойти любой стабилизатор и сбить всё, что угодно. В нашей практике был потребитель, у которого при возникновении КЗ в нагрузке (заклинивало вал двигателя) силовая схема всегда оставалась целой и невредимой, а вот схема управления сгорала почти наверняка.
Ещё один момент, который нельзя не отметить при описании МККНМ – это его совместимость с интеллектуальными модулями инвертора М31 и модулями управления двигателями на его основе; при чём совместимость не только функциональная, но и конструктивная. При совмещении МККНМ и М31 можно получить полностью законченный ПЧ для управления конкретным типом двигателя с сетевым напряжением на входе и ШИМ-сигналом на фазных выходах инвертора. Такая схема обладает тремя уровнями защиты по току и двумя уровнями защиты по напряжению. По току: защита по среднему току, защита по импульсному току и защита от КЗ (осуществляет МККНМ). По напряжению: быстродействующая защита от кратковременных выбросов с большим значением dU/dt на ограничителях напряжения М31 и защита по среднему напряжению МККНМ. Пороги срабатывания защит можно настроить под конкретные особенности нагрузки.
Если уж зашла речь о М31, то следует сказать, что данный модуль обзавёлся модернизацией. Во-первых, к линейке модулей управления вентильным, коллекторным и асинхронным двигателем добавился модуль управления однофазным двигателем. Во-вторых, расширен диапазон входного напряжения питания до 11…27 В. В-третьих, теперь на токи до 20 А модуль М31 имеет собственные схемы контроля коммутируемого напряжения (управляемый выпрямительный мост и активный чоппер). И главное, в-четвёртых, теперь цепи управления гальванически развязаны от силовых цепей с прочностью изоляции не менее 4000 В по постоянному току. Впрочем, это в качестве отступления.
Таким образом, МККНМ позволяет решить целый список задач, возникающих при разработке ПЧ, для решения которых у разработчика зачастую не остаётся ни времени, ни нервов. Выпрямление напряжения, осуществление подачи питания внешним сигналом, контроль напряжения питания, защиту нагрузки от КЗ и т.д. Более того, МККНМ не имеет не только прямых аналогов, но и даже близких по функциональному назначению, что, конечно, значительно упрощает выбор комплектации при разработке. Разумеется, МККНМ можно использовать не только в ПЧ и схемах управления электродвигателями, но и вообще везде, где требуется управление напряжением амплитудой от 10 до 650 В с током до 100 А. Но даже если ток больше – можно использовать схему управления (СККН), которая, в частности, установлена в МККНМ, в качестве специализированного драйвера для управления мощными транзисторными модулями. В общем, всякое возможно; была бы потребность.
