Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №4

Электропривод – просто, как «раз, два, три». Часть 1.1. Электродвигатели постоянного тока - коллекторные и вентильные

Волошин Сергей


Промышленностью выпускается большое количество типов двигателей различной конструкции и мощности, отличающихся по принципам функционирования и областям применения. Широко распространены асинхронные, коллекторные, вентильные, шаговые и другие типы двигателей, работающие или на переменном, или на постоянном токе. Успехи микроэлектроники в последние 10-15 лет позволили создать качественно новые подходы к реализации приводных систем. Крупнейшими зарубежными фирмами развивается специализированная элементная база для реализации приводных задач. Решается эта задача и отечественными предприятиями.

Все статьи цикла:

Полный набор полупроводниковых модулей для решения любой приводной задачи освоен фирмой «Электрум АВ». Этот набор включает полностью законченные приводы модульной конструкции для вентильных, коллекторных, шаговых и асинхронных двигателей, отличающиеся предельно малыми габаритами и высокой объемной плотностью мощности. На рис. 1 представлен модуль управления вентильным двигателем мощностью 3 кВт. Модуль является высоко интегрированной гибридной схемой, включающей монолитную цифро-аналоговую схему управления, схему электронного тахометра, встроенный источник питания, а также мощные выходные ключи на полевых транзисторах, включенные по схеме трехфазного инвертора. Модуль позволяет управлять трехфазным двигателем постоянного тока с датчиками положения ротора, обеспечивая регулирование и стабилизацию скорости вращения двигателя, торможение двигателя, измерение и ограничение уровня тока, потребляемого обмотками двигателя от внешнего источника, выдачу сигнала «/ошибка» в критических режимах.

Помимо функционально законченных модулей освоен и поставляется набор модулей, позволяющий создать привод любой мощности для любого типа двигателя. Эта статья посвящена реализации приводов коллекторных и вентильных двигателей на базе элементной базы, выпускающейся компанией «Электрум АВ». К сожалению, объем статьи не позволяет в этом же материале остановиться на системах асинхронного и шагового привода. Этому будут посвящены последующие статьи.

Рис. 1. Модуль управления трехфазным вентильным двигателем с датчиками Холла
Рис. 1. Модуль управления трехфазным вентильным двигателем с датчиками Холла

В общем случае приводную систему любого типа можно представить в виде трех основных узлов:

  1. — выпрямитель, преобразующий переменное напряжение сети в постоянное напряжение с уровнем, необходимым для работы того или иного двигателя;
  2. — коммутатор тока в обмотках двигателя, который выполняется на силовых элементах различных типов (биполярных, полевых — MOSFET-и IGBT-транзисторах, тиристорах или симисто-рах) в зависимости от типа и мощности двигателя и решаемой задачи управления, причем эти элементы могут коммутировать каждую обмотку отдельно или быть включенными по схеме Н-моста или трехфазного инвертора;
  3. — система управления, определяющая режим коммутации силовых ключей, а следовательно, и обмоток двигателя, контроль параметров и режимов работы всей преобразовательной системы в целом, защиту двигателя и самого преобразователя от аварий.

Для всех трех составляющих привода фирмой «Электрум АВ» предлагаются элементы, позволяющие создать необходимую приводную систему в короткие сроки с высокой технической и, самое главное, экономической эффективностью. Остановимся на каждой группе приборов подробнее.

Выпрямительный узел

Для реализации выпрямительного узла предлагаются монолитные модули одно- и трехфазных выпрямительных устройств, неуправляемых и управляемых, в том числе и с оптоэлектронной развязкой. Эти модули позволяют получить постоянное выпрямленное напряжение с рабочим током до 750 А при реализации на дискретных модулях М1-М4, МО1-МО3 и до 250 А при использовании выпрямительных мостов М5 (рис. 2-4).

Рис. 2. Тиристорно-диодные модули
Рис. 2. Тиристорно-диодные модули
Рис. 3. Однофазные тиристорно-диодные мосты
Рис. 3. Однофазные тиристорно-диодные мосты
Рис. 4. Трехфазные тиристорно-диодные мосты
Рис. 4. Трехфазные тиристорно-диодные мосты

Коммутаторы тока

Коммутация токов в обмотках двигателя осуществляется полупроводниковыми ключами на биполярных, полевых транзисторах или IGBT. Фирмой «Электрум АВ» производятся и поставляются стандартные MOSFET-и IGBT-модули до 500 А, 1200 В. Выпускаются модули с различной структурой: одиночный транзистор, полумост, верхний и нижний чопер. Эти модули выполнены на высокоэффективных кристаллах, обеспечивающих малые потери как в активном, так и ключевом режиме, расширенную область безопасной работы, высокие частоты коммутации (до 100 кГц). По своей конструкции эти модули идентичны стандартным приборам, предлагаемым сегодня на рынке, поэтому в этом материале подробно на них мы останавливаться не будем. Помимо этих модулей «Электрум АВ» предлагает трехфазные тиристорные модули для привода — как со встроенными оптронными развязками, так и без них (рис. 5).

Рис. 5. Тиристорно-тиристорные модули со встречно-параллельными тиристорами с оптронной развязкой
Рис. 5. Тиристорно-тиристорные модули со встречно-параллельными тиристорами с оптронной развязкой

Система управления

Важным элементом системы управления являются драйверы, надежно и безотказно управляющие работой силовых ключей коммутатора.

В драйверах используются высокие рабочие частоты, что позволяет обеспечить форму преобразованного напряжения, подаваемого на двигатель, близкую к идеальной. Драйвер позволяет контролировать значение напряжения насыщения на IGBT или падение напряжения на MOSFET, плавно выключая транзистор при превышении опасного порога, блокирует на заданное время схему защиты при активном состоянии транзистора в моменты переключения. За счет большой мощности встроенных изолированных DC/DC-преобразователей драйвер определяет предельно короткое время включения и выключения управляемых транзисторов, что обеспечивает минимизацию динамических потерь в преобразователе. Драйвер формирует необходимое «мертвое» время между переключениями транзисторов верхнего и нижнего плеча инвертора или H-моста. Такие драйверы выпускаются и в виде отдельных монолитных модулей.

Таблица 1. Модули драйвера мощных транзисторов с полевым управлением
Таблица 1. Модули драйвера мощных транзисторов с полевым управлением
Примечания: МД — модуль драйвера, выполненный в герметичном пластмассовом корпусе; ДР — модуль МД, установленный на печатную плату, на которой размещены необходимые настроечные элементы и разъемы для подключения управляемых транзисторов и сигналов управления
Модуль драйвера мощных транзисторов с полевым управлением (MOSFET и IGBT)

Драйвер мощных транзисторов с полевым управлением предназначен для управления транзисторами MOSFET или IGBT и является усилителем-формирователем сигналов управления затворами транзисторов с частотой до 100 кГц. Драйвер содержит гальванически развязанный DC/DC-преобразователь, формирующий необходимые уровни отпирающих и запирающих напряжений на затворах транзисторов, а также гальванически развязанный выход, индицирующий аварийное состояние силового ключа.

Драйвер обеспечивает следующие функции контроля и защиты транзисторов:

  1. Контроль напряжения насыщения на коллекторе управляемого транзистора.
  2. Плавное «аварийное» выключение управляемого транзистора. Характер спада экспоненциальный, время спада регулируется только в ДР1180П-А от 0 до 17 мкс (для прочих — 17мкс).
  3. Регулировка времени отключения контроля напряжения насыщения на силовом транзисторе при активном управляющем сигнале.
  4. «Аварийный» уровень напряжения насыщения может быть снижен подключением добавочных диодов или стабилитронов.
  5. Регулировка времени включения и выключения управляемых транзисторов.
  6. Контроль уровня питающих напряжений (встроенный компаратор с порогом 11 В) и запирание транзисторов при недостаточном уровне питания.
  7. Формирование «мертвого» времени для 2-ка-нальных типов драйвера.
  8. Блокировка управления на время аварии. Драйверы с питанием 15 В и 5 В различаются алгоритмом обработки сигнала аварии.

Рис. 6. Габариты и структурная схема модуля драйвера МД2 (точка на корпусе — условное обозначение первого вывода)
Рис. 6. Габариты и структурная схема модуля драйвера МД2 (точка на корпусе — условное обозначение первого вывода)

При поступлении сигнала аварии происходит плавное выключение управляемого транзистора и блокировка работы драйвера. Разблокирование драйвера на 5 В происходит при поступлении нулевого уровня на вход драйвера. Для выхода из заблокированного состояния драйвера на 15 В необходимо выполнение двух условий: окончание времени блокировки, задаваемого внутренним таймером, и поступление нулевого уровня на вход драйвера. Время блокировки, задаваемое внутренним таймером, может регулироваться только в ДР1180П-А от 1 до 300 мс (для прочих — 100 мс).

Модули драйвера МД215, МД250, МД280, МД215П, МД250П, МД280П — универсальные модули управления, предназначенные для переключения IGBT и мощных полевых транзисторов (рис. 6, табл. 2).

Таблица 2. Назначение выводов модуля драйвера МД2
Таблица 2. Назначение выводов модуля драйвера МД2

Все типы МД2 имеют взаимно совместимые контакты и отличаются только уровнем максимального импульсного тока.

Типы МД с более высокими мощностями (МД250, МД280, МД250П, МД280П) хорошо подходят для большинства модулей или нескольких параллельно соединенных транзисторов, используемых на высоких частотах.

Модули драйвера ряда МД2 представляют собой полное решение проблем управления и защиты для IGBT и мощных полевых транзисторов. Фактически никакие дополнительные компоненты не требуются ни во входной, ни в выходной части.

Изменение выходного напряжения драйвера от +18 до -5 В в зависимости от управляющего сигнала позволяет надежно управлять IGBT-модулями любой мощности и от любого производителя. Благодаря большой устойчивости к помехам, достигнутой использованием отрицательного управляющего напряжения, несколько полевых или IGBT-модулей могут соединяться параллельно, без риска появления паразитного действия переключений и колебаний.

Рис. 7. Схемы включения драйверов
Рис. 7. Схемы включения драйверов

Модули драйвера МД215, МД250, МД280, МД215П, МД250П, МД280П для каждого из двух каналов содержат:

  • входную схему, обеспечивающую согласование уровней сигналов и защитную задержку переключения;
  • электрическую изоляцию между входной схемой и силовой (выходной) частью;
  • схему управления затвором транзистора;
  • схему контроля напряжения насыщения на открытом транзисторе;
  • схему контроля уровня напряжения питания силовой части драйвера;
  • усилитель мощности;
  • защиту от выбросов напряжения в выходной части драйвера;
  • электрически изолированный источник напряжения — конвертер DC/DC (только для модулей с индексом П).

Оба канала драйвера работают независимо друг от друга.

Благодаря электрической изоляции, осуществляемой с помощью трансформаторов и оп-тронов (подвергаемых испытательному напряжению 2650 В переменного напряжения с частотой 50 Гц в течение 1 мин) между входной схемой и силовой частью, а также чрезвычайно высокой скоростью нарастания напряжения — 30 кВ/мкс, модули драйверов могут применяться в схемах с большими потенциальными напряжениями и большими потенциальными скачками, происходящими между силовой частью и схемой контроля (управления).

Одна из основных функций драйверов ряда МД2 — гарантия надежной защиты управляемых силовых транзисторов от короткого замыкания и перегрузки. Аварийное состояние транзистора определяется с помощью напряжения на коллекторе силового транзистора в открытом состоянии. Если порог, определенный пользователем, превышен, силовой транзистор выключается и остается заблокированным до исчезновения активного уровня сигнала на управляющем входе. После этого транзистор может быть снова включен подачей активного уровня на управляющий вход. Эта концепция защиты широко используется для надежной защиты IGBT-транзисторов.

Рассмотрим работу драйвера.

Выводы 11 (Вх1+), 10 (Вх1-)

Выводы 11, 10 являются управляющими входами драйвера первого канала. Управление осуществляется подачей на них логических уровней ТТЛ. Вход Вх1+ является прямым, то есть при подаче на него логической 1 происходит открытие силового транзистора, а при подаче 0 — его закрытие. Вход Вх1- является инверсным, то есть при подаче на него логической 1 происходит закрытие силового транзистора, а при подаче 0 — открытие. Обычно Вх1- подключается к общему проводнику входной части драйвера, а по входу Вх1+ производится управление им. Инвертирующее и не инвертирующее включение драйвера представлено на рис. 7.

Таблица 3. Диаграмма состояний одного канала драйвера
Таблица 3. Диаграмма состояний одного канала драйвера

Электрическая изоляция между входной и выходной частью драйвера на этих выводах осуществляется с помощью оптронов. Благодаря их применению исключается возможность воздействия переходных процессов, возникающих на силовом транзисторе в схему управления.

Рис. 8. Временная диаграмма работы 2-канального драйвера и силовых транзисторов при одном совместном управлении каналами одним управляющим сигналом
Рис. 8. Временная диаграмма работы 2-канального драйвера и силовых транзисторов при одном совместном управлении каналами одним управляющим сигналом

Входная схема имеет встроенную защиту, исключающую открытие обоих силовых транзисторов полумоста одновременно. Если на управляющие входы обоих каналов подать активный управляющий сигнал, то произойдет блокирование схемы и оба силовых транзистора будут закрыты (рис. 8).

Модули драйвера должны располагаться как можно ближе к силовым транзисторам и соединяться с ними максимально короткими проводниками. Входы Вх1+, Вх1- могут быть соединены со схемой управления и контроля проводниками длиной до 25 см. Причем проводники должны идти параллельно. Так же входы Вх1+, Вх1- можно соединить со схемой управления и контроля с помощью витой пары. Для обеспечения надежной передачи управляющих импульсов общий проводник должен всегда подводиться отдельно для обоих каналов к входной схеме.

Принимая во внимание, что надежная передача управляющих импульсов происходит в случае очень длинного импульса, полная конфигурация должна быть проверена в случае минимально короткого управляющего импульса.

Вывод 9 (Сз1)

К выводу 9 подключается дополнительный конденсатор, увеличивающий время задержки между входным и выходным импульсом 1вкл на драйвере. По умолчанию (без дополнительного конденсатора) это время равно 1 мкс, благодаря чему на импульсы короче 1 мкс драйвер не реагирует (защита от импульсных помех). Основным назначением этой задержки является исключение возникновения сквозных токов, возникающих в полумостах. Сквозные токи вызывают разогрев силовых транзисторов, срабатывание аварийной защиты, увеличивают потребляемый ток, ухудшают КПД схемы. Благодаря введению этой задержки обоими каналами драйвера, нагруженного на полумост, можно управлять одним сигналом в форме меандра (табл. 4, рис. 9).

Рис. 9. Временная диаграмма работы двухканального драйвера при раздельном управлении каналами
Рис. 9. Временная диаграмма работы двухканального драйвера при раздельном управлении каналами
Таблица 4. Рекомендуемые времена защитных задержек между включением каналов драйвера
Таблица 4. Рекомендуемые времена защитных задержек между включением каналов драйвера

Вывод 8 (СТ1)

Вывод 8 является статусным выходом аварии на силовом транзисторе первого канала. Высокому логическому уровню на выходе соответствует нормальная работа драйвера, а низкому уровню — авария. Авария возникает в случае превышения напряжения насыщения на силовом транзисторе порогового уровня. Выбор уровня и времени задержки срабатывания защиты описан в пункте описания выводов 12, 13. Максимальный ток, протекающий по выходу, составляет 10 мА.

Вывод 7 (БЛОК)

Вывод 7 является управляющим входом драйвера. При подаче на него логической единицы происходит блокировка работы драйвера и подача запирающего напряжения на силовые транзисторы. Вход блокировки является общим для обоих каналов. Для нормальной работы драйвера надо подать на этот вход логический ноль.

Вывод 6 (+5 В), 5 (общий)

Выводы 6, 5 являются входами для подключения питания к драйверу. Питание осуществляется от источника мощностью 8 Вт и выходным напряжением 5±0,5 В. Питание необходимо подключить к драйверу проводниками небольшой длины (для уменьшения потерь и увеличения помехозащищенности). В случае если соединяющие проводники имеют длину более 25 см, необходимо между ними как можно ближе к драйверу поставить помехоподавляющие емкости (керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ).

Вывод 12 (ИК1)

Вывод 12 (измерительный коллектор) подключается к коллектору силового транзистора. Через него осуществляется контроль напряжения на открытом транзисторе. В случае КЗ или перегрузки напряжение насыщения на открытом транзисторе резко возрастает. При превышении напряжения на коллекторе транзистора порогового значения происходит запирание силового транзистора и выдается статус аварии СТ. После перехода управляющего сигнала в неактивное состояние происходит автоматический сброс системы защиты. Временные диаграммы процессов, протекающих в драйвере при срабатывании защиты, приведены на рис. 11. Порог срабатывания защиты можно снизить подключением последовательно соединенных между собой диодов, причем пороговая величина напряжения насыщения Инас.пор. = 7 - их ипр VD, где n — количество диодов, ипр VD — падение напряжения на открытом диоде. В случае если питание силового транзистора осуществляется от источника 1700 В, необходимо установить дополнительный диод с напряжением пробоя не ниже 1000 В. Катод диода подключается к коллектору силового транзистора. Время срабатывания защиты можно регулировать с помощью вывода 13 — ИКнастр1.

Вывод 13 (ИКнастр1)

Вывод 13 (измерительный коллектор) в отличие от вывода 12 не имеет встроенного диода и ограничительного резистора. Он необходим для подключения конденсатора, который определяет время срабатывания защиты по напряжению насыщения на открытом транзисторе. Эта задержка необходима для того, чтобы исключить влияние на схему защиты (по напряжению насыщения) помехи или импульсной перегрузки. Благодаря подключению конденсатора время срабатывания защиты увеличивается пропорционально емкости ^блокировки = 4хСхинас.пор.' где C — емкость конденсатора (пФ). Это время суммируется со временем внутренней задержки драйвера 1выкл(ю%) = 3 мкс. По умолчанию в драйвере стоит емкость С = 100 пФ, следовательно, задержка срабатывания защиты составляет t = 4х100х6,3+1выкл(10) = = 5,5 мкс. В случае необходимости это время можно увеличивать, подключая емкость между 13 выводом и общим проводом питания силовой части.

Выводы 14 (Вых1-), 15 (Вых1+) Выводы 14, 15 являются выходами драйвера. Они предназначены для подключения силовых транзисторов и регулировки времени их включения-выключения. По выводу 15

Рис. 10. Подключение затвора транзистора к драйверу
Рис. 10. Подключение затвора транзистора к драйверу

(Вых1+) происходит подача положительного потенциала (+18 В) на затвор управляемого модуля, а по выводу 14 (Вых1-) — отрицательного потенциала (-5 В). В случае необходимости обеспечения крутых фронтов управления (порядка 1 мкс) и не очень большой мощности нагрузки (два модуля 2MBI 150, включенных параллельно) допустимо прямое соединение этих выходов с управляющими выводами модулей. Если нужно затянуть фронты или ограничить ток управления (в случае большой нагрузки, если нагружать на несколько модулей, управляющие входы которых соединены параллельно), то модули необходимо подключать к выводам 14, 15 через ограничивающие резисторы (рис. 10).

В случае превышения напряжения насыщения порогового уровня происходит защитное плавное снижение напряжения на затворе управляющего транзистора. Время снижения напряжения на затворе транзистора до уровня 90<% ^Ь1кл(90%) = 0,5 до уровня 10% — ^ыкл(10%) = 3 мкс. Плавное снижение выходного напряжения необходимо для того, чтобы исключить возможность возникновения скачка напряжения.

Выводы 16 (-Епит1), 17 (Общ1), 18 (+Епит1)

Выводы 16, 17, 18 являются выходами питания силовой части драйвера. На эти выводы поступает напряжение с DC/DC-преобра-зователя драйвера. В случае использования драйверов типа МД215, МД250, МД280 без встроенных DC/DC сюда подключаются внешние источники питания: 16 вывод — -5 В, 17 вывод — общий, 18 вывод — +18 В на ток до 0,2 А. В случае использования приборов с DC/DC к этим выводам рекомендуется подключать с учетом полярности дополнительные сглаживающие конденсаторы. Их емкость прямо пропорциональна суммарному заряду затвора, подключаемого к драйверу, а также требуемой крутизне фронтов управляющих сигналов на затворе.

Расчет и выбор драйвера

Исходными данными для расчета является входная емкость модуля Свх или эквивалентный заряд С)вх, входное сопротивление модуля Рвх, размах напряжения на входе модуля ЛИ = 30 В (приводятся в справочной информации по модулю), а также максимальная рабочая частота fmax, на которой работает модуль.

Рис. 11. Временная диаграмма работы драйвера при срабатывании защиты по напряжению насыщения на транзисторе
Рис. 11. Временная диаграмма работы драйвера при срабатывании защиты по напряжению насыщения на транзисторе

Необходимо найти импульсный ток, протекающий через управляющий вход модуля Imax, и максимальную мощность DC/DC преобразователя P.

На рис. 12 приведена эквивалентная схема входа модуля, которая состоит из емкости затвора Сзатвора, ограничивающего резистора на затворе модуля Рзатвора и внешнего ограничивающего резистора Рогр. Общий резистор, ограничивающий ток затвора, состоит

из Рогр и Рзатвор^ то есть Робщ = Ро:р + Рзатвора.

Если в исходных данных задан заряд С)вх, то необходимо пересчитать его в эквивалентную входную емкость Свх = Qвх/ДU.

Реактивная мощность, выделяемая на входной емкости модуля, рассчитывается по формуле Рс = fmax xQвх х AU. Общая мощность Р DC/DC-преобразователя драйвера складывается из мощности Рвых, потребляемой выходным каскадом драйвера, и реактивной мощности Рс, выделяемой на входной емкости модуля: Р = Рвых + Рс.

Рис. 12. Эквивалентная схема входа модуля
Рис. 12. Эквивалентная схема входа модуля

Рабочая частота и размах напряжения на входе модуля при расчетах взяты максимальными, следовательно, получена максимально возможная при нормальной работе драйвера мощность DC/DC-преобразователя.

Зная сопротивление ограничивающего резистора Робщ, можно найти импульсный ток, протекающий через драйвер: Imax = AU/ Робщ.

Учитывая результаты расчетов, можно произвести выбор драйвера, необходимого для управления данным модулем.

Мощность, выделяемая на ограничивающем резисторе Рогр, рассчитывается по формуле:

Где Iсред - средний ток затвора, который можно найти по формуле:

Iсред = fmax × Qbx

Все статьи цикла:

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке