Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №11

Ограничение пусковых токов в устройствах коррекции коэффициента мощности

Алиберти Джеймс


Принятие в Европе требований коррекции коэффициента мощности (ККМ) электрической нагрузки, равной или превышающей 80 Вт, очень важно для защиты окружающей среды и ее рационального использования. Это требование распространяется на множество товаров широкого потребления, в том числе на крупные бытовые электроприборы. Многие из предметов бытовой техники, такие как кондиционеры, холодильники, стиральные и сушильные машины, имеют комплексную нагрузку из-за наличия в них инвертора для электропривода. В целом нагрузки с комплексным импедансом характеризуются низким коэффициентом мощности. Обязательная коррекция коэффициента мощности этих устройств позволяет эффективнее использовать линии электропередачи и экономить электроэнергию при одновременном снижении ее стоимости, а также уменьшать объем выбросов соединений углерода в результате сжигания топлива. В настоящее время во всем мире многие органы государственного регулирования санкционировали аналогичные требования для коррекции коэффициента мощности в подобных приложениях.

Входной каскад цепи электропривода без ККМ очень похож на импульсный источник питания с конденсатором большой емкости, сглаживающим выпрямленный постоянный ток из электросети. При первоначальной подаче питания на цепь электропривода сетевое входное напряжение в целом ведет себя как при коротком замыкании, поскольку на конденсаторах большой емкости отсутствует заряд. При подаче мощности эта ситуация приводит к большим пусковым токам для зарядки конденсатора. Если такой бросок пускового тока не контролируется и не ограничивается, то потребление тока из сети поднимется до величин, превышающих нормальное среднеквадратичное значение рабочего тока (рис. 1). Этот избыточный ток может повредить или подвергнуть чрезмерной нагрузке механические и электрические элементы, например предохранители, паяные соединения и электронные компоненты.


Рис. 1. Типичный график броска пускового тока при переменном напряжении 120 В

Большинство производителей электродвигателей для крупных бытовых приборов применяет для ограничения бросков пускового тока терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом (negative temperature coefficient, NTC). Резистор NTC работает очень просто. В условиях холодного или первичного запуска он представляет собой устройство с высоким сопротивлением и ограничивает величину тока достаточно хорошо. После запуска или через некоторое время после достижения нормальных рабочих условий резистор NTC нагревается из-за рассеяния мощности. По мере нагрева его сопротивление снижается, что делает резистор более эффективным трактом для прохождения тока. В большинстве встроенных цепей электропривода резистор NTC устанавливается в сильноточной цепи, либо на стороне переменного тока, либо после мостикового выпрямителя (рис. 2).


Рис. 2. Типичная цепь для защиты от бросков пускового тока

Но использование резистора NTC имеет ряд недостатков, которые могут отрицательно повлиять на надежность встроенного электропривода. Как было упомянуто ранее, эффективность резистора NTC зависит от температуры. Чем сильнее он нагревается, тем эффективнее проводит ток. Резистор NTC нельзя охлаждать с помощью радиатора для отвода тепла, поскольку в этом случае он не будет работать должным образом. Это рассеяние мощности приводит к нагреву близлежащей области, где могут находиться другие полупроводниковые компоненты. Повышение температуры всего на 10 °C может сократить предполагаемый срок службы полупроводников или среднее время безотказной работы (mean time between failures, MTBF) в два раза, что значительно снижает надежность привода.

Другая серьезная проблема, связанная с резистором NTC, — это его тепловая инерция или время реакции. Проблема может возникать в том случае, когда напряжение электросети резко падает или сильно понижается на достаточно продолжительное время, так что заряд конденсаторов высокой емкости существенно расходуется. Когда сетевое напряжение восстанавливается, резистор NTC может не успеть охладиться и остается в состоянии низкого сопротивления. Броски пускового тока, связанные с восстановлением сетевого напряжения в этом случае, приводят к более сильным токам перегрузки, чем обычно. Эти токи оказываются даже больше бросков пускового тока при первоначальном запуске. В данном случае защита отсутствует. Эти необычно сильные токи могут повредить такие элементы силовой цепи, как предохранители, паяные соединения, проводники на печатной плате, или даже все элементы в линии.


Рис. 3. Функция управления пусковым током в контроллере ККМ

На рис. 3 показана реализация схемы, в которой решены многие проблемы, связанные с резистором NTC. В этом альтернативном методе может применяться резистор с постоянной величиной сопротивления или NTC в качестве резистора, ограничивающего броски пускового тока. Описанная здесь цепь для защиты от бросков пускового тока имеет два дополнительных кремниевых управляемых тринистора и нерегулируемый источник напряжения от небольшой вспомогательной обмотки повышающего индуктора ККМ.

При первоначальной подаче питания в цепь электродвигателя ток течет по мостиковому выпрямителю через пусковой резистор на конденсаторы большой емкости, где величина тока ограничивается пусковым резистором. Через некоторое время, обычно определяемое схемой контроллера ККМ, этот контроллер начинает работать. После запуска контроллер ККМ начинает коммутировать питание для полевого МОП-транзистора, который в свою очередь подает импульсный ток на повышающий индуктор. Этот импульсный ток создает нерегулируемое плавающее напряжение во вспомогательной обмотке, которое используется для включения затворов двух тринисторов. Они расположены в схеме таким образом, чтобы обеспечить токовую цепь в обход двух выпрямителей в мостике вместе с пусковым резистором. Этот альтернативный контур служит очень эффективным трактом для прохождения тока без добавления в схему дополнительных элементов, подключаемых последовательно. Несмотря на то, что тринисторы имеют несколько большее падение напряжения в режиме прямого тока (Vf), чем диоды выпрямителя, падение напряжения на токоограничивающем элементе, например, на постоянном резисторе или резисторе NTC, таким образом устраняется. Более того, рассеиваемое тринисторами тепло радиаторы могут отводить на шасси, чего нельзя было сделать для резистора NTC. Эта возможность обеспечить теплоотвод позволяет схеме работать при пониженной температуре, что приводит к повышению надежности системы или численных значений MTBF.

Коэффициент трансформации вспомогательной обмотки следует выбирать так, чтобы создавалось достаточное напряжение для включения затворов тринисторов при любых заданных пределах изменения сетевого напряжения. Синхронизация включения затвора не имеет существенного значения, поскольку частота коммутации схемы ККМ, как правило, намного выше частоты электросети. Схема ККМ, работающая на частоте всего лишь 40 кГц, наверняка обеспечит коммутацию тринисторов с пересечением нуля, заставляя их работать подобно простым выпрямителям в схеме.

На рис. 3 показана упрощенная схема первого в отрасли двухфазного предрегулятора ККМ на одном кристалле — UCC28070 производства компании Texas Instruments. Чередование двух фаз со сдвигом 180° обеспечивает подавление пульсирующего компонента тока. Это позволяет использовать меньший фильтр электромагнитных помех наряду с выходными конденсаторами ККМ, имеющими физически меньшие размеры. Такое уменьшение размеров элементов в топологии с чередованием двух фаз делает эту топологию идеальным решением для встроенных схем электропривода. Многофазный контроллер ККМ способен выполнять очень высокие требования к плотности мощности, в том числе обеспечивать низкие пиковые значения.

Другое преимущество многофазности — упрощенный теплообмен, поскольку мощность рассеивается по двум фазам. Общая стоимость системы снижается благодаря меньшему фильтру электромагнитных помех, меньшему размеру выходного конденсатора ККМ, а также меньшему количеству магнитного материала, потому что общий объем индуктора при двух фазах существенно меньше, нежели в однофазной схеме (рис. 4). Номинальные токи полевого МОП-транзистора и диода также можно сократить, по меньшей мере, на 50%. Транзисторы МОП меньшего размера обладают более высоким быстродействием, что дополнительно снижает потери на переключение транзистора МОП. И, наконец, экономия от эффекта масштаба повышает покупательную способность в отношении одинаковых устройств для каждой фазы, поскольку количество этих устройств удваивается.


Рис. 4. UCC28070 — предрегулятор ККМ с чередованием двух фаз

Устройство UCC28070 работает в режиме непрерывной проводимости. Также поставляется устройство UCC28060 с управлением по переходному режиму. Последнее устройство имеет аналогичные преимущества наряду с подавлением пульсирующего компонента тока, а также позволяет снизить общую стоимость схемы. В основном это относится к использованию недорогих вольтодобавочных диодов, поскольку при работе с управлением по переходному режиму отсутствует состояние обратного восстановления.

Чтобы включить контроль пусковых токов в устройство UCC28070 или в схему с его использованием, следует просто добавить компоненты для ограничения бросков пускового тока, изображенные на рис. 3, в любой из индукторов фазы.

Планы разработок Texas Instruments в области контроллеров ККМ включают в себя такие модели, как многофазные контроллеры UCC28070 или UCC28060, имеющие дополнительный функциональный блок. Этот блок осуществляет мониторинг входа и выхода контроллера ККМ. В ситуации броска пускового тока, например, в случае резкого падения сетевого напряжения, этот функциональный блок переопределит выходной сигнал управления затвором, остановив коммутацию полевого МОП-транзистора и отключив питание в цепи управления затворами тринисторов. В результате элемент, ограничивающий броски пускового тока, естественным образом автоматически включится в сильноточную цепь.

Заключение

Когда речь идет об интеграции систем для применений в области крупных бытовых электроприборов, многие разработчики выбирают нестандартные решения. Некоторые из них используют устройства, способные выполнять многочисленные прикладные функции, чтобы уменьшить сложность системы и время выхода изделия на рынок. Например, цифровой сигнальный контроллер C2000 компании TI может заменить микроконтроллер, традиционно применяемый для управления перемещениями, если к нему добавляется такой улучшенный алгоритм управления электродвигателем, как оперативное управление. При этом возрастает эффективность, поскольку применяются силовые электронные компоненты меньшего размера. Помимо возможностей адаптации к различным топологиям ККМ, в том числе многофазным, цифровые сигнальные контроллеры C2000 способны реализовать все необходимые функции управления трехфазными электродвигателями, поддерживать внутрисистемную коммуникацию, обеспечивать пользовательский интерфейс, а также описанное здесь ограничение бросков пускового тока. Все это объединено в одном цифровом сигнальном процессоре C2000.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке