Рубрики
Составляющие силовой электроники

Новое поколение модулей управления электродвигателями компании «Электрум АВ»

Новое поколение модулей управления электродвигателями компании «Электрум АВ» Павел Новиков Компания «Электрум АВ» уже довольно издавна работает на российском рынке силовой электроники

Новое поколение модулей управления электродвигателями компании «Электрум АВ» Павел Новиков

Компания «Электрум АВ» уже довольно издавна работает на российском рынке силовой электроники, выпуская широкую номенклатуру различного рода силовых модулей и схем управления электродвигателями. При разработке последнего поколения устройств был учтен опыт в сфере разработки драйверов и, естественно, в сфере технологий производства. Выставленные модули сделаны на одной базе, конструктивно близки друг к другу, но созданы для управления разными типами движков.

Компания «Электрум АВ» уже довольно издавна работает на российском рынке силовой электроники, выпуская широкую номенклатуру различного рода силовых модулей и схем управления электродвигателями. При разработке последнего поколения устройств был учтен опыт в сфере разработки драйверов и, естественно, в сфере технологий производства. Выставленные модули сделаны на одной базе, конструктивно близки друг к другу, но созданы для управления разными типами движков.

В чем все-таки особенности последнего поколения?

Хоть какой модуль управления движком можно представить как ряд составляющих: силовые транзисторы (инвертор), драйверы управления этими транзисторами, схемы защиты транзисторов инвертора и нагрузки от различного рода «проблем» и схемы управления, формирующие логические сигналы управления инвертором. При всем этом независимо от схемы управления, формирующей логику работы модуля («активная» схема), конкретно схема управления инвертором («пассивная») остается постоянной фактически для всех типов движков, изменяется только количество фаз. «Пассивная» схема управления плюс инвертор — это та база, на которой строится весь ряд модулей управления движками от «Электрум АВ». И эта база представлена модулем М31 (рис. 1).

Новое поколение модулей управления электродвигателями компании «Электрум АВ»

Рис. 1. Внешний облик модуля М31 со интегрированной схемой управления

Существует огромное количество подобных по структуре модулей, но всем им присущ суровый недочет: они выполняются забугорными компаниями. Из этого следуют высочайшая стоимость, трудности с поставками, невозможность опции модуля под определенные требования заказчика и невозможность поставки с приемкой «5». Модуль М31 лишен всех этих недочетов. Вобщем, разработчика заинтересовывают сначала способности изделия. Модуль М31 обладает последующими функциями:

  • управление хоть каким типом нагрузки в согласовании с управляющими сигналами;
  • коммутация напряжения до 1200 В и тока до 100 А;
  • защита от:
    • токовых перегрузок;
    • недлинного замыкания;
    • перегрева;
    • бросков импульсного тока;
    • одновременного включения транзисторов верхнего и нижнего плеча инвертора;
    • перенапряжения в силовых цепях инвертора;
  • регулировка порога срабатывания токовой защиты;
  • наружняя сигнализация о появлении аварии;
  • контроль за внутренним напряжением питания;
  • питание модуля конкретно от силовой цепи;
  • возможность запитывать наружные схемы своим стабилизированным напряжением +15 В c защитой от перегрузки по току.

Новое поколение модулей управления электродвигателями компании «Электрум АВ»

Рис. 2. Структурная схема модуля М31

Структурная схема модуля М31 приведена на рис. 2. Из приведенного перечня способностей модуля М31 видно, что повышенное внимание при его разработке было уделено защите нагрузки и транзисторов инвертора от различного рода перегрузок, что, непременно, положительно сказалось на надежности модуля. И если управление как таковое (т. е. логика и драйверы транзисторов) есть вещь не очень увлекательная, то на защитах следует тормознуть более тщательно.

Перегрузка по току, пожалуй, более частая причина выхода из строя инвертора и мотора, потому данной защите было уделено повышенное внимание. Защита по току модуля М31 отличается от подавляющего большинства защит, реализованных в других подобных модулях, наличием 2-ух уровней: по импульсному и по среднему току. Разъясняется это тем, что, как указывает практика, в большинстве случаев инверторы выходят из строя при запуске либо реверсе мотора, т. е. в те моменты, когда ток мотора неоднократно превосходит средний потребляемый им ток. Чтоб с этими бросками управлялась токовая защита, нужно быстродействие в несколько микросекунд, в неприятном случае транзисторы могут выйти из строя. Но высочайшее быстродействие защиты имеет оборотную сторону: большая частота срабатывания и, как следствие, огромные динамические утраты. В свою очередь, при плавном превышении током допустимого значения высочайшее быстродействие не требуется, довольно 10-ов, а порою и сотен микросекунд, что не приводит к какому-либо существенному перегреву из-за динамических утрат и, плюс к этому, существенно миниатюризируется возможность неверных срабатываний защиты по краткосрочным одиночным выбросам тока либо напряжения. Отсюда навязывается тот вывод, что для более надежной работы инвертора требуется быстродействующая защита от пускового тока, настроенная на ток, в пару раз превосходящий средний, и неспешная защита, не приводящая к повышению динамических утрат и ограничивающая ток мотора на допустимом уровне сколь угодно длительное время (либо прямо до перегрева модуля, когда вступает температурная защита). Эта самая логика и была реализована в модуле М31. Следствием такового подхода стала возможность неопасного использования модуля в системах, где требуется высочайшее быстродействие (следящие приводы, управление различного рода рулями и т. п.) без утраты момента на запуске и реверсах.

Новое поколение модулей управления электродвигателями компании «Электрум АВ»

Рис. 3. Осциллограмма формы тока при запуске коллекторного мотора с отключенными схемами защиты

На рис. 3 и 4 приведены осциллограммы формы тока (выход усилителя тока инвертора Uоу модуля М31) при запуске коллекторного мотора с отключенными и включенными защитами по току.

Новое поколение модулей управления электродвигателями компании «Электрум АВ»

Рис. 4. Осциллограмма формы тока при запуске коллекторного мотора с включенными схемами защиты

Другой, более редчайшей, предпосылкой выхода из строя транзисторов инвертора является перенапряжение в цепях сток-исток (коллекторэмиттер). Данное событие нередко недооценивается, но на реверсах в быстродействующих приводах это основная неувязка. Для защиты от перенапряжения в модуле М31 служит снабберный конденсатор и мощнейший ограничитель напряжения. Такое сочетание дает возможность значительно понизить выбросы напряжения и противостоять dU/dt со значениями до 50 кВ/мкс (для модулей 12-го класса), что снова же положительно сказывается на надежности в моменты реверса и при торможении.

Температурная защита создана для защиты модуля от перегрева. Защита настроена на порог срабатывания +90…+100 °С, с отключением при понижении температуры до +60…+70 °С. При этом схема температурной защиты изготовлена таким макаром, что при снятии питания защита не сбрасывается, что исключает выход из строя модуля вследствие перегрева как при случайном пропадании питания, так и при предумышленном выключении с следующим включением.

Кроме вышеозначенных предохранительных мер, модуль также обладает защитами от: одновременного включения транзисторов одной фазы; недонапряжения цепей управления; токовой перегрузки по цепям управления при питании наружных схем от внутреннего стабилизатора модуля. Все это делает вероятным внедрение М31 для управления разными типами нагрузок и в разных режимах. Вот поэтому вся линейка модулей управления движками строится на нем.

Более близкими аналогами модуля М31 — из реально представленных на российском рынке — являются умственные модули Митсубиши (к примеру, модуль PM50CSA120 серии PM, в некой степени аналог М31-50-12А4). Как и М31, умственные модули Митсубиши данной серии владеют токовыми и температурными защитами, защитами от одновременного включения транзисторов одной фазы, от пониженного напряжения питания и т. д. Но модули Митсубиши, невзирая на фактически однообразные динамические характеристики и нагрузочную способность, имеют ряд существенных различий, заключающихся, сначала, в организации токовых защит и организации питания схемы управления. По токовым защитам у Митсубиши также реализован двухступенчатый метод (защита по среднему току и защита от КЗ), но более «человечно»; ток модулей серии PM не ограничивается на данном уровне, держа транзисторы у границ ОБР, схема управления просто отключает транзисторы при перегрузках. Это, непременно, можно расценить как плюс в смысле надежности, но это и очень большой минус в смысле завала момента мотора при перегрузках, в т.ч. на пуске либо реверсе. Если М31 позволяет работать движку в жестких режимах (к примеру, пуск на токе, ограниченном только схемой защиты), обеспечивая, тем, требуемый момент и требуемое быстродействие привода, то модули Митсубиши этого не допустят: только плавный разгон, никакой резкой смены нагрузки на валу и т. п. Естественно, можно прирастить мощность модуля, тем избежав срабатываний защиты на допустимой для мотора нагрузке, но это, во-1-х, стоимость, а во-2-х, опасность для мотора, который может перегреться и выйти из строя при превышении током допустимого для него значения, но недостающего для срабатывания токовой защиты инвертора.

Еще огромные различия заключаются в организации питания. Модули Митсубиши требуют наружного питания схемы управления и гальванически-развязанного питания верхних ключей, что, естественно, существенно усложняет включение модуля. Для этих целей есть микросхемы M57120L-1 и M57140-01, упрощающие задачку, но, все же, это дополнительная работа и дополнительные трудности. В свою очередь, М31 не просит наружного источника питания и, более того, может запитывать своим стабилизированным напряжением (с защитой от перегрузки по току) наружные схемы управления с током употребления до 50 мА. В модуле М31 установлен DC/DC-преобразователь, формирующий все нужные для работы модуля напряжения и питающийся конкретно от силовой цепи.

М31 является универсальным модулем, созданным для коммутации хоть какой нагрузки; он не имеет интегрированных схем управления определенными типами движков. Но конструктивно данный модуль выполнен таким макаром, что конкретно в него может быть установлена спец плата управления и, в конечном итоге, может быть получен модуль управления, к примеру, асинхронным движком. На реальный момент есть модули управления асинхронными, коллекторными и вентильными движками с ДПР; в ближнем будущем планируется освоение модулей управления однофазовыми асинхронными движками и вентильными движк
ами без ДПР. Все эти модули имеют в собственной базе инвертор М31, обеспечивающий конкретную коммутацию тока обмоток мотора.

Модуль управления асинхронным движком (МУАДМ) обладает последующими функциями и способностями (тут и дальше — без учета функций М31):

  • контролируемый старт/стоп мотора;
  • изменение направления вращения мотора с плавным остановом при резкой смене направления вращения;
  • режим мягенького запуска и останова мотора с контролируемым ускорением и торможением;
  • регулирование скорости (скалярный метод U/f) в спектре 1–128 Гц;
  • регулирование продолжительности разгона и торможения в спектре 0,5–128 Гц/с.

Таким макаром, МУАДМ обеспечивает работу мотора в неопасных для него режимах, предотвращая ударные механические и электронные нагрузки и ограничивая потребляемый ток. При всем этом скорость разгона и пусковой момент могут быть отрегулированы независимо друг от друга. 1-ое регулируется схемой управления, 2-ое — установленным током ограничения модуля М31. Все это положительно сказывается на надежности привода, но имеет тот недочет, что на запуске момент, создаваемый на валу, ниже, чем в режиме пуска конкретно от сети. Вобщем, при проектировании хоть какого привода приходится выбирать: или ударные нагрузки, но высочайший момент, или более мягенький режим работы, но, как следствие, понижение момента. Эта кандидатура находится всегда и для хоть какого ПЧ.

МУАДМ имеет три варианта управления: стандартное цифро-аналоговое (величины скорости и ускорения задаются аналоговым сигналом либо резистивными делителями); цифро-аналоговое с общим тумблером, что комфортно при использовании модуля в подъемно-тяговых механизмах; двуполярное. В последнем варианте сигнал управления представляет собой двуполярный аналоговый сигнал с амплитудой от –10 до +10 В, где амплитуда напряжения определяет скорость вращения вала, а полярность – направление вращения. Напряжение в спектре от –0,5 до +0,5 В соответствует останову мотора.

Модуль управления вентильным движком (МУВДМ), в отличие от МУАДМ, не имеет способности регулировки продолжительности разгона и торможения, но обладает и рядом особенностей.

Во-1-х, скорость разгона вентильного мотора определяется только ограничиваемым током. Такие различные подходы (в сопоставлении с МУАДМ) обоснованы специфичностью пуска, и, а именно, формой пускового тока, вентильного и асинхронного движков. Плюс к этому, область использования вентильных движков просит более высочайшего быстродействия, где плавность разгона не критична, но критичен вращающий момент. Ведь если асинхронные движки употребляются в вентиляторах, насосах, тяговых механизмах (т. е. там, где не требуется резвый разгон и нередкое изменение направления вращения вала мотора), то вентильные движки почаще употребляются в следящих приводах, в приводах, связанных с управлением движением либо потоками, т. е. там, где требуются нередкие, резвые и массивные реверсы.

Во-2-х, для асинхронного и вентильного движков реализованы разные принципы останова и реверса. Если можно так сказать, реверс асинхронного мотора управляем, но пассивен, в то время как реверс вентильного мотора неуправляем, но активен. По другому говоря, для асинхронного мотора можно настроить продолжительность торможения и следующего разгона, но при всем этом модуль управления не знает, тормознул ли движок либо еще как бы нет; управление не подстраивается под движок. Для вентильного мотора продолжительность торможения и разгона не регулируется (не считая косвенного ограничения током), но модуль управления «знает» (по сигналам ДПР), когда движок тормознул и когда можно начинать вращение в обратную сторону. Тем модуль подстраивается под движок и режим его работы. Такое «умственное» поведение МУВДМ обосновано наличием оборотных связей по сигналам ДПР, что, естественно, положительно сказывается на безопасности работы мотора и на КПД привода в целом.

В-3-х, благодаря оборотной связи МУВДМ позволяет со значимой степенью точности стабилизировать скорость вращения вала мотора при изменении нагрузки на валу и при изменении напряжения питания. Эта особенность схемы управления МУВДМ может быть полезна в тех случаях, когда требуется высочайшая стабильность ско- рости вращения вала мотора либо когда напряжение питания неустойчиво, в т.ч. при питании мотора от аккумуляторной батареи. К примеру, при данной скорости в половину от наибольшей и при просадке напряжения на 50% от изначальной амплитуды скорость вращения изменяется менее чем на
10% от установленной.

МУВДМ имеет четыре варианта управления: стандартное цифро-аналоговое (сигналы разрешения, тормоза и реверса — цифровые, сигнал скорости — аналоговый); стандартное с управлением общим тумблером; аналоговое и цифровое. Аналоговое управление — это управление по одному входу при помощи двуполярного сигнала. Тут, как и для МУАДМ, скорость вращения определяется амплитудой (0–10 В по модулю), а направление вращения — полярностью. Цифровое управление отличается от стандартного тем, что скорость вращения задается четырехзначным цифровым кодом. Таким макаром, цифровое управление позволяет обойтись без дополнительных схем согласования и преобразования кода в напряженияе, т. е. позволяет управлять модулем конкретно с контроллера либо с цифровых выходов компьютера. Все эти четыре варианта управления могут включать в себя внутренний ШИМ-генератор либо могут управляться с наружных цепей ШИМ и наружных оборотных связей.

Модуль управления коллекторным движком (МУКДМ) конструктивно близок к МУВДМ за тем исключением, что не имеет интегрированной оборотной связи. Но оборотная связь по скорости может быть получена методом подключения наружного датчика скорости либо вообщем хоть какого датчика, сигнал которого эквивалентен скорости вращения вала мотора (оптический датчик, датчик Холла и т. п.). Так же, как и МУВДМ, модуль управления коллекторным движком имеет восемь вариантов управления: четыре с наружным ШИМ и четыре с внутренним, методы работы которых схожи методам, применяемым для управления МУВДМ.

Если гласить об аналогах модулей МУАДМ, МУВДМ и МУКДМ, то их, на самом деле, нет. Безусловно, многофункциональные (т. е. фактически ПЧ) аналоги данных модулей создают многие компании, к примеру «Веспер», Baldor либо Lenze, но даже невооруженного взора на их довольно, чтоб узреть, что это всетаки различные приборы, в особенности по части конструктива и подхода к управлению. Плюс к этому, для корректной работы МУАДМ, МУВДМ и МУКДМ нужны наружные схемы (выпрямительный мост, фильтр, настроечные и управляющие элементы), потому их нельзя именовать законченными ПЧ, в отличие от устройств вышеупомянутых забугорных производителей. С другой стороны, аналогами являются те же умственные модули (к примеру, серия PM от Митсубиши либо Skiip4 от Semikron) плюс наружные спец контроллеры, такие как MC3PH либо MC33035, но данная конструкция не есть законченное изделие, а поэтому и не совершенно аналог.

Более близки по «идеологии» рассматриваемым модулям «Электрум АВ» модули управления движками таких компаний, как Aeroflex, Leach International и International Rectifier, при этом продукция последней, пожалуй, у нас более популярна. К примеру, модуль управления вентильным движком OM9369 от IR на напряжение до 300 В и ток до 25 А, функционально близкий МУВДМ-30-6А4. Да и тут сопоставление может быть только условным. Во-1-х, различные конструктивы, созданные для различных типов монтажа и, в общем-то, для различных критерий. Во-2-х, МУВДМ является более законченным изделием, не требующим, в отличие от OM9369, наружного питания либо наружных датчиков тока. И, в-3-х, данные типы устройств от IR, непременно, созданы для работы на еще наименьших нагрузках.

Таким макаром, можно сказать, что модули МУАДМ, МУВДМ и МУКДМ не имеют прямых аналогов и находятся на соединениях разных устройств и разных подходов к конструированию. Зависимо от намеченной цели и требований разработчика выбор может быть изготовлен меж совершенно различными типами схем, но, в сути, предназначенными фактически для 1-го и такого же. Вобщем, это уже вопрос очень личный.

Конструкция модулей управления движками компании «Электрум АВ» отличается своею гибкостью. На одном базисном М31 могут быть сделаны модули для управления разными движками, при всем этом трудовые затраты на новейшую разработку оказываются наименьшими. Последнее в особенности принципиально для кошелька заказчика, которому требуется специфичный модуль управления. Еще больше обычный является задачка перенастройки стандартного управления под определенные требования; при разработке схем управления предусматривалась возможность их значимого конфигурации без утраты главных свойств. И если добавить к этой гибкости функциональность, уже зарекомендовавшую себя надежность М31 и геополитическое положение производителя, то стоит задуматься: а может, все-же есть пророк и в собственном отечестве?