Приёмка 5 для электропривода

Управление электродвигателем с помощью преобразователя частоты (ПЧ) на основе IGBT- или MOSFET-транзисторов – это, для сегодняшнего дня, обычное дело. Использование ПЧ даёт целый ряд преимуществ при управлении электродвигателем, а порою, как, например, для вентильный двигателей постоянного тока, он просто необходим. Благодаря такой необходимости, рынок ПЧ весьма обширен; здесь есть ПЧ для всех типов двигателей, с рядом напряжений от десятков, до тысяч Вольт и токами от долей Ампера до тысяч Ампер. В общем, есть из чего выбрать. Даже если есть необходимость в ПЧ работающим от собственной специализированной схемы управления, то и тут проблем не возникает; взять хотя бы интеллектуальные модули инверторов от «Mitsubishi». Но всё меняется, когда речь заходит об изделиях специального назначения. Здесь уже нет ни готовых преобразователей, ни специализированных модулей для их построения, а порою нет и элементарных силовых компонентов, необходимых для создания ПЧ. Однако, спрос требует предложения и в ответ на это требование АО «Электрум АВ» освоило производство специализированных модулей для построения полноценных преобразователей частоты применимых к большинству типов электродвигателей. Это интеллектуальный модуль инвертора 5МТИ и интеллектуальный модуль управления напряжением 5МККН; оба модуля «специального назначения». О этих модулях и пойдёт речь ниже.

Из чего состоит преобразователь частоты для управления электродвигателем? Это набор типовых узлов с типовыми функциями: выпрямительный мост, схема заряда конденсаторов фильтра питания, чоппер (и схема управления чоппером), инвертор, схемы защиты по току и температуре, схема управления электродвигателем и ряд пассивных компонентов, таких как фильтр питания или тормозной транзистор. В модулях 5МККН и 5МТИ эти обязанности распределены и во многом дублированы (для большей надёжности). Таким образом, указанные модули выполняют следующие функции:

Функции 5МККН:

- выпрямление трёх- или однофазного переменного напряжения;

- коммутация силового напряжения;

- отключение/подключение нагрузки по внешнему сигналу управления;

- контроль коммутируемого напряжения путём включения/выключения тормозного и зарядного транзисторов;

- плавный заряд ёмкости нагрузки импульсами накачки;

- регулировка эквивалентного тока заряда;

- регулировка порогов включения/выключения тормозного транзистора;

- регулировка длительности задержки срабатывания транзисторов;

- защита собственных транзисторов и нагрузки от КЗ;

- обеспечивает температурную защиту;

- защиту от пониженного напряжения питания;

- выдаёт индикацию режима работы и аварийных ситуаций.

Функции 5МТИ:

- управление двигателем в соответствии с управляющими сигналами;

- защита от токовых перегрузок и короткого замыкания;

- ограничение тока нагрузки на заданном уровне;

- регулировка порога срабатывания токовой защиты;

- защита от перегрева;

- защита от одновременного включения транзисторов верхнего и нижнего плеча;

- защита от пониженного напряжения питания;

- выдаёт индикацию режима работы и аварийных ситуаций.

Таким образом, функции модулей распределены: 5МККН обеспечивает управление питанием (силовая схема – выпрямительный мост, зарядный и тормозной транзисторы); 5МТИ управляет собственно электродвигателем в соответствии с логическими сигналами управления (силовая схема – трёхфазный инвертор). Ряд функций модулей, наиболее критичных для работы, дублированы: оба модуля обеспечивают температурную защиты, защиту от пониженного напряжения питания, защиту от КЗ в нагрузке.

Цепи управления обоих модулей гальванически развязаны от силовых цепей прочностью изоляции не менее 2000 В частотой 50 Гц. Модули предназначены для работы в электрических цепях переменного или постоянного тока со средним током нагрузки до 40 А и напряжением (выпрямленным) до 360 В. По конструктивному исполнению модули аналогичны: площадь основания каждого модуля 74 х 104 мм. Внешний вид модулей (на примере 5МККН) представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид 5МККН

Т.к. функциональное назначение модулей различно, то ниже пойдёт речь о каждом модуле в отдельности. Структурная схема модуля 5МККН представлена на рисунке 2; алгоритм работы данной схемы представлен на рисунке 3.

Рисунок 2 – Структурная схема 5МККН

где Uп – пороговое напряжения отключения защиты от недонапряжения;

Uком – коммутируемое силовое напряжение питания;

Uт – напряжение включения (выключения) тормозного транзистора;

Uн – напряжение на нагрузке;

Gз – сигнал на затворе зарядного транзистора;

Gт – сигнал на затворе тормозного транзистора.

Рисунок 3 – Алгоритм работы 5МККН

Модуль работает следующим образом:

После подачи напряжения питания схемы управления модуль анализирует выходное напряжение DC/DC-преобразователя и в случае соответствия напряжения норме выдаёт сигнал «Готовность».

При отсутствии силового напряжения питания зарядный транзистор закрыт и статусный выход «Ошибка» 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 этом выход «Ошибка» перейдёт в неактивное состояние); 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 (время блокировки настраивается внешним резистором «Rб»), тем самым осуществляя накачку ёмкости фильтра. При этом выход «Заряд» перейдёт в активное состояние. После того, как разница напряжения на коллекторе зарядного транзистора и его эмиттере станет меньше установленного порога (разница 5…20% между входным напряжением и напряжением на нагрузке) зарядный транзистор полностью откроется, тем самым подключив цепи питания к нагрузке; транзистор на выходе «Заряд» закроется.

При возникновении КЗ в нагрузке разница напряжений коллектор-эмиттер зарядного транзистора снова превысит установленный порог и зарядный транзистор закроется, включится генератор, обеспечивая возможность перезапуска в режиме аварии; тем самым обеспечивается защита от КЗ в нагрузке.

При превышении напряжением нагрузки установленного порога (настраивается внешним резистором Rт) в течении установленного времени (настраивается внешним конденсатором «Cз») 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 открывании тормозного транзистора выход «Торможение» переходит в активное состояние.

При перегреве модуля зарядный транзистор закроется (тормозной транзистор будет функционировать) и на статусном выходе «Ошибка» появится активный уровень, который будет удерживаться вплоть до отключения температурной защиты.

В том случае, если используется внешний сигнал разрешения (вывод «Разрешение»), внешний сигнал запрета имеет приоритет к внутренним сигналам; внутренний сигнал запрета имеет приоритет к внешним сигналам. Аналогично работает цепь управления тормозным транзистором (вывод «Тормоз»).

Алгоритм работы модуля 5МТИ проще и привычней. Структурная схема этого модуля приведена на рисунке 4; алгоритм работы – на рисунке 5.

Рисунок 4 – Структурная схема 5МТИ

где Упр. – любой управляющий сигнал;

G – сигнал на затворе соответствующего транзистора;

Iн – ток нагрузки;

Iср – порог срабатывания защиты по среднему току;

Iимп – порог срабатывания защиты по импульсному току.

Рисунок 5 – Алгоритм работы 5МТИ

Модуль работает следующим образом:

После подачи напряжения питания схемы управления модуль анализирует выходное напряжение DC/DC-преобразователя и в случае соответствия напряжения норме выдаёт сигнал «Готовность».

При подаче на входы управления ключом инвертора сигнала соответствующего «лог.1» откроется соответствующий ключ инвертора; если на управляющие входы обоих транзисторов одного полумоста поданы «лог.1», то транзисторы не откроются (блокировка одновременного включения транзисторов полумоста), при этом на выходе «Ошибка» появится активный уровень. При превышении средним током инвертора величины срабатывания защиты по среднему току транзисторы инвертора будут закрыты; модуль перейдёт в режим ограничения среднего тока инвертора, при этом откроется транзистор выхода «Ошибка» и транзистор выхода «Пред.ток». При превышении током инвертора величины тока соответствующего току срабатывания защиты по импульсному току транзисторы инвертора так же будут закрыты, откроется транзистор выхода «Ошибка». При превышении температуры радиатора модуля температуры срабатывания температурной защиты все транзисторы инвертора будут закрыты независимо от сигналов управления, откроется транзистор выхода «Ошибка», схема защиты разрешит работу инвертора при снижении температуры радиатора модуля до допустимого значения.

Модуль имеет четыре встроенные защиты: защита по среднему току, защита по импульсному току, защита по температуре, защита от одновременного включения верхнего и нижнего транзисторов одной фазы.

Защита по среднему току ограничивает средний ток протекающий через обмотки двигателя. Данная защита ограничивает ток на максимальном (если не установлен резистор на выводе «U_З») для модуля уровне. В названии модуля указан ток срабатывания защиты по среднему току; на данном пороге будет ограничиваться ток инвертора модуля с отклонением не более +20% (10…15% тип.) при увеличении тока нагрузки от 100% до 200 % от максимально допустимого значения. При дальнейшем увеличении тока нагрузки, ток инвертора начнёт падать за счёт подключения защиты по импульсному току (типичное падение до 50% от Iср при токе нагрузки 300…400% от Iср).

Защита по импульсному току выключает силовые транзисторы модуля при высоком импульсном токе двигателя. Быстродействие данной защиты – не более 3 мкс с током срабатывания в 4 раза (тип.) превышающим максимальный ток срабатывания защиты по среднему току. При штатной работе двигателя данная защита будет срабатывать только при разгоне и торможении при большой нагрузке, ограничивая пусковой и тормозной токи. В отличии от защиты по среднему току, порог срабатывания защиты по импульсному току не регулируется.

Защита по температуре блокирует управление силовыми транзисторами модуля при достижении температуры радиатора модуля 100…110 ⁰С и разрешает работу при температуре 60…70 ⁰С, обеспечивая гистерезис в 40 ⁰С (тип.). Во время срабатывания температурной защиты транзистор на выходе «Ошибка» будет открыт вплоть до снижения температуры корпуса модуля ниже установленного порога. При срабатывании температурной защиты выключение питания модуля не сбрасывает защиту; модуль запустится только после снижения температуры корпуса до допустимого уровня.

Защита от одновременного включения верхнего и нижнего плеча одной фазы исключает выход из строя модуля по сквозным токам.

При разработке модулей, в плане эксплуатации конечным потребителем, был сделан акцент на универсальность и гибкость в настройке. Почти все параметры, критичные для работы преобразователя, можно настроить под конкретную схему. Модули могут работать в сетях переменного однофазного или трёхфазного напряжения, в сетях постоянного напряжения; в качестве нагрузки могут выступать двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели, вентильные; так же нагрузкой могут служить мощные трансформаторы (мостовая схема включения при незадействованной одной фазе 5МТИ) и другие мощные нагрузки. Плюс к этому, модули могут эксплуатироваться как в паре, так и по отдельности, без потери своих присущих им функций. Всё это делает модули 5МККН и 5МТИ хорошей основой для построения преобразователей частоты специального назначения.