Скачать PDF

Энергоэффективность электродвигателей находится в центре внимания органов регулирования энергетики во всем мире уже более двух десятилетий. Это часть глобальных усилий по минимизации выбросов углерода за счет сочетания повышения эффективности использования электроэнергии и преобразования части производства энергии с использованием возобновляемых источников. Ранние правила эффективности двигателя были добровольными, но вскоре они стали обязательными, при этом минимальный уровень эффективности повышался каждые пять-десять лет. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (SQIM) был рабочей лошадкой в ​​отрасли с тех пор, как электричество стало общедоступным, потому что он запускается и работает при прямом подключении к трехфазной сети переменного тока. Текущие стандарты IEC классифицируют эффективность этих двигателей по различным уровням в зависимости от номинальной мощности, которые варьируются от стандартной эффективности (IE1) до сверхвысокой эффективности (IE4). Сегодня уровни эффективности премиум-класса IE3 являются обязательными в крупнейших промышленных регионах мира, включая ЕС, США, Китай и Японию. Заводские операторы не сопротивлялись этому изменению, потому что капитальные затраты на двигатель составляют лишь небольшую часть стоимости электроэнергии в течение срока службы двигателя. Даже в случае замены двигателя премиум-класса на двигатель супер-премиум класса энергоэффективности IE4 мощностью 15 кВт дополнительные затраты могут быть возмещены за счет экономии энергии в течение двух лет. Эта тенденция в требованиях к эффективности двигателей отталкивает многих производителей оборудования от двигателей, работающих напрямую от сети, к решениям на основе инверторов. В этой статье рассматриваются различные архитектуры этих решений, а также их требования к изоляции привода и сигнала.

До сих пор производители

SQIM рассматривали более строгие правила эффективности как рыночную возможность. Двигатели премиум-класса и супер-премиум-класса стоят дороже с точки зрения материалов, конструкции и производства, чем двигатели со стандартным КПД, но они имеют более высокую рыночную цену. Однако разработка новых уровней классификации эффективности IEC IE5 и IE6 вызовет проблемы у производителей двигателей. Эксперты по двигателям считают, что будет очень сложно и дорого спроектировать SQIM, подключенные к линии, чтобы они соответствовали уровням эффективности выше IE4, особенно в более низких диапазонах мощности (де Алмейда). Наиболее вероятно, что только двигатели, подключенные к инвертору, будут соответствовать уровням эффективности IE5 и выше. Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) традиционно выбирались для приложений со сверхвысокой эффективностью, но стоимость и доступность магнитов ротора из редкоземельных металлов вызывают озабоченность. Новые конструкции осевых двигателей с использованием ферритовых магнитов или новых магнитных материалов, разработанных для поддержки растущего рынка электромобилей, могут решить некоторые из этих проблем. Синхронные реактивные двигатели (SRM) также серьезно рассматриваются в качестве приводов с уровнем эффективности IE5 (ABB). SRM не имеет ни роторных обмоток, ни магнитов, что обеспечивает высокую эффективность при меньшей стоимости и размере корпуса, чем эквивалентный SQIM с такой же номинальной мощностью.

Инверторы и изоляция

Эта тенденция к еще более эффективным двигателям увеличивает спрос на преобразователи частоты на основе IGBT, которые преобразуют выпрямленное входное напряжение сети в напряжения переменной частоты, приводящие в движение двигатель. Двигатели с инверторным управлением имеют выходной крутящий момент или скорость, оптимально соответствующие нагрузке на вал, чтобы минимизировать потребление энергии, снизить рабочие температуры двигателя и повысить его надежность. Дополнительные функции управления, такие как мониторинг состояния, измерение мощности и подключение к заводской сети, обеспечивают эффективность и надежность процесса. Технология изоляции является важнейшим элементом системы привода, поскольку она надежно изолирует пользовательские интерфейсы контроллера от опасного высокого напряжения, подаваемого на инвертор.

Несколько факторов высокого уровня влияют на требования к изоляции и архитектуру данного диска; к ним относятся уровень производительности электропривода, сложность коммуникационного интерфейса, архитектура контроллера и уровни напряжения, встречающиеся в системе, как показано на рис. 1.

&lt ;img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/gate-drivers-and-current-feedback-signal-isolation-in-industrial-motor -drives/figure1.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’&amp ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 1. Консолидированные архитектуры управления двигателем.

Во многих случаях ключевыми узлами изоляции являются драйверы затворов и цепи измерения тока фазы двигателя. Оба места включают контролируемые или измеряемые сигналы, которые привязаны к коммутируемым уровням высокого напряжения, и должны, как минимум, включать некоторую форму смещения уровня и, во многих случаях, изоляцию (либо функциональную, либо защитную) для подачи или извлечения сигналов, привязанных к земле.

Это проиллюстрировано на концептуальной схеме рис. 2, на которой изображена одна фаза инвертора, в которой указаны сдвиг уровня и требования к изоляции сигнала для сигнала драйвера затвора верхней стороны и сигнала измерения шунта фазного тока.

&lt ;img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/gate-drivers-and-current-feedback-signal-isolation-in-industrial-motor -drives/figure2.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 2’&amp ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 2. Привязка сигналов в ветви трехфазного инвертора.

Изолированные драйверы затвора

Основные требования к изолированному драйверу затвора также можно понять из рисунка 2. Они включают функциональную или защитную изоляцию сигнала переключения логического уровня, а также выходной драйвер, способный управлять напряжением затвора IGBT после включения и выключения. пороги для переключения IGBT в требуемые моменты времени, минимизирующие потери проводимости устройства, потери переключения и генерацию электромагнитных помех. В трехфазных инверторах IGBT управляются в противофазе, так что IGBT верхнего и нижнего плеча никогда не включаются одновременно, даже на короткое время. Это требует введения небольшого периода мертвого времени между сигналами переключения верхнего и нижнего плеча. Минимизация этого периода простоя имеет решающее значение как с точки зрения производительности системы, так и с точки зрения защиты IGBT (О’Салливан).

Включение IGBT требует, чтобы IGBT был переведен в область насыщения, где потери проводимости будут минимальными. Обычно это подразумевает напряжение включения> 12 В. Выключение IGBT требует, чтобы IGBT был переведен в область отсечки, чтобы он мог успешно блокировать обратное высокое напряжение на нем после включения IGBT на стороне высокого напряжения. В принципе, этого можно достичь, уменьшив напряжение эмиттера затвора IGBT до 0 В. Однако при включении транзистора верхнего плеча необходимо учитывать вторичный эффект. Быстрый переход напряжения в коммутационном узле вызывает переходный индуцированный ток, протекающий через паразитную емкость Миллера на нижней стороне IGBT (C _ГД на рисунке 3). Этот ток протекает через полное сопротивление выключения драйвера затвора нижнего плеча (Z _DRIVER на рис. 3), создавая скачки переходного напряжения на выводах эмиттера затвора IGBT нижнего плеча, как показано. Если это напряжение превысит пороговое напряжение IGBT, V _TH , это может привести к кратковременному включению нижнего плеча IGBT, что приведет к кратковременному проскоку ветви инвертора, увеличению рассеиваемой мощности и снижению надежности.

&lt ;img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/gate-drivers-and-current-feedback-signal-isolation-in-industrial-motor -drives/figure3.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 3’&amp ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 3. Эффект Миллера при переключении IGBT.

Обычно существует два подхода к решению проблемы индуцированного включения инверторных IGBT — использование биполярных источников питания и/или добавление клещей Миллера. Возможность подключения биполярного источника питания к изолированной стороне драйвера затвора обеспечивает дополнительный запас для наведенного переходного процесса напряжения. Например, отрицательная шина питания -7,5 В означает, что индуцированный переход напряжения >8,5 В обычно необходим для ложного включения. Обычно этого достаточно для предотвращения ложного включения. Дополнительный подход заключается в уменьшении импеданса выключения схемы драйвера затвора в течение периода времени после завершения перехода выключения. Это известно как схема зажима Миллера. Теперь емкостный ток протекает в цепи с более низким импедансом, что снижает величину переходного напряжения. Дополнительная гибкость в управлении скоростью переключения может быть обеспечена за счет использования асимметричных резисторов затвора для включения и выключения. Все эти функции драйвера затвора оказывают положительное влияние на общую надежность и эффективность системы.

Защита от перегрузки по току в электроприводах обычно реализуется на нескольких уровнях. В схему защиты привода может быть включено различие между длительными перегрузками по току и переходными перегрузками по току, и эти события перегрузки по току имеют разные уровни срабатывания и постоянные времени. Этот тип защиты от перегрузки по току обычно реализуется на основе измерения тока. Для очень быстрых и потенциально катастрофических событий перегрузки по току, таких как короткие замыкания на выходах инвертора, может быть выгодно иметь быстродействующий механизм защиты, встроенный в драйвер затвора. Защита от насыщения реализуется путем контроля напряжения коллектор-эмиттер IGBT, когда IGBT включен. Когда БТИЗ находится в состоянии насыщения, напряжение в открытом состоянии зависит от уровня тока внутри БТИЗ, и эта функция защиты может быть разработана для запуска отказа и быстрого отключения БТИЗ, как только напряжение в открытом состоянии превысит допустимый уровень. Существует короткое время гашения, в течение которого схема защиты не контролирует напряжение IGBT в открытом состоянии. Это включено для предотвращения ложного срабатывания при включении в результате перехода напряжения коллектор-эмиттер и/или переходного перегрузки по току во время включения.

Изолированный драйвер затвора ADUM4135 от Analog Devices включает возможность биполярного питания, зажим Миллера и асимметричные выходы включения и выключения. Кроме того, задержки распространения и, что более важно, перекос задержки распространения находятся на лучших в отрасли типичных значениях 50 нс и 15 нс соответственно. Влияние уменьшения времени простоя на систему показано на рис. 4, где выходное напряжение инвертора между линиями при низкой скорости двигателя изображено для двух разных уровней времени простоя. Увеличение времени простоя, связанное с технологией оптопар, приводит к увеличению напряжения двигателя и искажению тока. Это снижает производительность с точки зрения повышенных пульсаций крутящего момента и вибрации, а также снижает эффективность из-за увеличения гармонических потерь. Эти эффекты искажения особенно очевидны в инверторных приложениях, в которых контуры управления имеют относительно низкую производительность, однако даже в высокопроизводительных приводах с широкополосным управлением по току и скорости искажения, связанные с мертвым временем, могут быть ограничивающим фактором при работе на очень низких скоростях.

&lt ;img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/gate-drivers-and-current-feedback-signal-isolation-in-industrial-motor -drives/figure4.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 4’&amp ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 4. Измеренное линейное напряжение двигателя при (а) времени простоя 500 нс (б) времени простоя 1 мкс.

Изолированный датчик тока

Узлы измерения тока фазы двигателя подключены к тому же узлу схемы, что и выход драйвера затвора, как показано на рис. 2 для измерения на основе шунта. Следовательно, они испытывают одинаковые напряжения изоляции и переходные процессы переключения. Измерение фазного тока имеет решающее значение для высокопроизводительного управления двигателем с обратной связью, и реализация высокоточного измерения в этой жесткой среде с электрическими шумами не является тривиальной задачей. В системах с более высокой мощностью используются изолированные датчики тока, такие как трансформаторы тока или датчики на эффекте Холла, которым присуща изоляция, в то время как в системах с более низкой мощностью наблюдается тенденция к использованию шунтирующих резисторов с изолированными модуляторами Σ-Δ, такими как AD7403 от Analog Devices. . Первые системы обычно используют функцию драйвера затвора денасыщения для реализации защиты от короткого замыкания по току, как описано выше, в то время как последние схемы на основе изолированных модуляторов с измерением тока могут реализовывать это непосредственно через быстрый цифровой фильтр грубой очистки (O’Byrne). Это требует точной синхронизации как для изолированного отклика модулятора, так и для низких задержек распространения в драйвере затвора, которые Analog Devices 9Технология 0128 i Ответвитель ^® позволяет, в то время как традиционные решения на основе оптопары, как правило, страдают от более длительных задержек распространения.

Регуляторная среда

После разработки архитектуры привода для обеспечения требуемой производительности система должна быть спроектирована в соответствии с отраслевыми стандартами электробезопасности. Крайне важно понимать требования к изоляции, предъявляемые к драйверу затвора и узлам измерения тока, чтобы выбрать соответствующие компоненты изоляции. Каждый узел может быть защитным разделением (усиленным), основной изоляцией или функциональной изоляцией. Требованием к любому отдельному узлу может быть защитная изоляция для защиты от поражения электрическим током, или изоляция для защиты низковольтных цепей, или изоляция для обеспечения целостности данных и уменьшения шума, как показано на рисунке 1. Требование на уровне системы может быть достигнуто за счет наличия несколько изоляционных барьеров. IEC61800-5-1 — это давний стандарт электроприводов системного уровня, которому конструкция привода должна соответствовать для обеспечения изоляции системы.

Каким бы ни был стандарт, он не касается оценки компонентов. IEC61800-5-1 предлагает использовать стандарты на уровне компонентов, которые поддерживают стандартные требования системы. IEC60747-5-5 касается компонентов на основе оптопары, а VDE-0884-10, версия IEC60747-5-5 без оптоизолятора, касается цифровых изоляторов с 2006 года. С тех пор VDE-0884-11 был разработан и утвержден в 2014 году с дополнительными Требования к характеристикам срока службы. Это было представлено в IEC как IEC60747-17 для утверждения, которое обычно имеет трехлетний цикл. В течение промежуточного периода VDE-0884-11 доступен в качестве эквивалентного стандарта IEC, как показано на рис. 5.

&lt ;img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/gate-drivers-and-current-feedback-signal-isolation-in-industrial-motor -drives/figure5.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 5’&amp ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 5. Эволюция стандартов без оптоизоляторов.

Заключение

Новые международные нормы по энергоэффективности двигателей ускоряют переход от асинхронных двигателей с фиксированной скоростью и прямым подключением к машинам с инверторным управлением. Общим требованием является привод затвора IGBT и некоторая форма измерения тока, как минимум, для защиты в простых инверторах с разомкнутым контуром, вплоть до высокоточного управления током в приводах и сервоприводах. Технологические требования к этим схемам все больше сосредоточены на точности синхронизации и измерения, а также на надежности и надежности. Изоляция сигнала представляет собой ключевую проблему как при реализации, так и при проектировании системы в рамках нормативно-правовой базы.

использованная литература

АББ. «Новая технология двигателя SynRM ² от ABB обеспечит эффективность IE5 без редкоземельных магнитов». Пресс-релиз АББ. 3 апреля 2014 г.

де Алмейда, А.Т. FJTE Ferreira и G. Baoming. «Помимо асинхронных двигателей — технологические тенденции для повышения эффективности». IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 50, № 3. Май/июнь 2014 г.

О’Бирн, Н. «Методы измерения для промышленного управления движением». Аналоговые устройства, 2014.

О’Салливан, Д. и М. Морони. «Повышение эффективности управления промышленным двигателем с использованием технологии цифрового изолятора». Analog Devices, 2014.

Авторы

Дара О’Салливан

Дара О’Салливан — менеджер системных приложений в группе подключенных систем управления движением и робототехникой в ​​бизнес-подразделении автоматизации и энергетики компании Analog Devices. Его область знаний — преобразование энергии, управление и мониторинг в промышленных приложениях управления движением. Он получил степень бакалавра технических наук, степень магистра технических наук и докторскую степень.