Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2007 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2007 год.Высоковольтные ИС для промышленного приводаМихаил Румянцев Компания International Rectifier, в рамках разработанной технологии HVIC для построения высоковольтных управляющих микросхем, выпускает ряд схем управления транзисторными ключами (СУТК) и схем для измерения тока. Эти схемы входят в структуру силовой части большинства современных электронных преобразователей. Статья предлагается вниманию всех разработчиков промышленного электропривода.     ВВЕДЕНИЕ

По различным оценкам, более половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии потребляется системами электропривода. При этом наиболее массовым является привод малой (до 5 кВт) и средней (до 50 кВт) мощности, причем на долю первого приходится до 75% рынка электроприводов. Этот класс приводов является основным для станочных приводов подачи, для приводов промышленных роботов, других агрегатов и систем автоматизации технологических процессов, для промышленных вентиляторов, насосов и т.д., а также для бытовой техники. Темпы роста рынка приводов малой и средней мощности составляют примерно 25% в год и имеют устойчивую тенденцию дальнейшего роста. По прогнозам, объем рынка этих приводов к 2010 г. должен достичь рубежа 3 млрд. долларов.

Постоянно возрастающие требования по регулированию параметров движения, по точностным характеристикам и быстродействию для промышленных приводов, с одной стороны, и по потребительским свойствам бытовой техники, с другой стороны, обуславливают ускоренное развитие регулируемых приводов. Расчеты показывают, что простая замена нерегулируемого привода на регулируемый, позволяет экономить до 60% электроэнергии, потребляемой бытовыми холодильниками и кондиционерами и до 64% - стиральными машинами.

Массовый характер распространения регулируемых приводов малой мощности, устойчивые темпы роста их производства и возрастающие требования по повышению их энергетической эффективности, вызывают необходимость совершенствования старых и разработки новых алгоритмов управления приводом, применения наиболее эффективных электродвигателей и схем управления ими. Реализация указанных тенденций привела к тому, что классический, наиболее распространенный ранее нерегулируемый асинхронный электропривод с питанием от общепромышленной сети 220/380 В, 50 Гц, постепенно вытесняется другими устройствами. Это асинхронный привод с частотным и векторным управлением, вентильный привод на основе индукторных двигателей и вентильный привод на основе бесконтактных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Как правило, при мощности более 100 Вт двигатели для всех типов перспективных приводов выполняются трехфазными.

Другой общей чертой этих современных приводов является то, что переменное трехфазное напряжение для электропитания обмоток электрических машин (ЭМ) вырабатывается специальным электронным преобразователем - инвертором (И), выполненным по мостовой схеме. Таким образом, вся система электропривода строится по так называемой схеме со звеном постоянного тока, при которой на вход инвертора подается постоянное напряжение Ud.

На рис. 1 представлена типовая функциональная схема электроприводов малой и средней мощности. Напряжение Ud вырабатывается блоком выпрямления В (мостовым выпрямителем или корректором коэффициента мощности). Обязательным элементом инвертора является входной фильтр Ф (в простейшем случае емкостной). Силовая часть (СЧ) инверторов выполняется в большинстве случаев на полевых транзисторах (MOSFET) или на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). Для электроприводов с напряжением Ud в шине постоянного тока свыше 300 В, на сегодняшний день наибольшее распространение получили системы, выполненные на IGBT-транзисторах. Для электроприводов с напряжением по цепи постоянного тока до 200 В предпочтительней использование полевых транзисторов.

Рис. 1. Типовая функциональная схема электроприводов малой и средней мощности

Обязательной функцией для всех современных электроприводов является регулирование (в простейшем случае - ограничение) тока, протекающего через силовые транзисторы и фазы ЭМ. Наиболее часто это регулирование осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) времени открытого состояния силовых транзисторов И. Для получения информации о величине тока служат датчики тока (ДТ), устанавливаемые либо непосредственно в фазы ЭМ (ДТФ1 и ДТФ2) или в шину постоянного тока (ДТ=).

В вентильных электроприводах часто необходимым функциональным элементом является датчик положения ротора (ДПР) или энкодер, устанавливаемый на валу ЭМ.

Информационно-управляющая подсистема (ИУП) предназначена для:

1. выработки сигналов управления транзисторами СЧ с целью формирования требуемых законов движения электропривода;
2. обеспечения необходимых защит, обратных связей;
3. индикации режимов и параметров работы привода;
4. сопряжения с внешними управляющими устройствами и датчиками.

Для построения ИУП могут использоваться как устройства жесткой логики и специализированные микросхемы управления приводами, так и программируемые микропроцессоры и цифровые сигнальные процессоры.

Для преобразования слаботочных сигналов, вырабатываемых ИУП, в сигналы управления затворами силовых транзисторов служат специальные схемы управления транзисторными ключами (СУТК), называемые в иностранной литературе драйверами.

Массовый характер производства электроприводов малой и средней мощности привел к изменению принципов проектирования электронных преобразователей. Раньше разработчики обеспечивали высокие технические характеристики устройств за счет специальных схемотехнических решений и использования дополнительных цепей и узлов, таких, например, как формирователи траектории переключения (снабберы). Теперь многочисленные функции защит, управления переключением силовых транзисторов, контроля параметров все в большей степени возлагаются на схемы драйверов. При этом упрощаются схемные решения, сокращается число элементов вспомогательных цепей. Элементы устройства становятся более компактными и, соответственно, снижается себестоимость производства изделий. Однако для реализации указанного подхода в современных микросхемах СУТК должен обеспечиваться определенный баланс между их стоимостью с одной стороны и функциональной полнотой и надежностью - с другой.

СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫМИ КЛЮЧАМИ

СУТК являются необходимым функциональным элементом электронного преобразователя для привода (рис. 1), поэтому ее выбор является важным этапом разработки.

Потенциал затвора силовых транзисторных ключей «верхней группы» в промышленном и бытовом приводе определяется величиной Ud и намного превышает потенциалы сигналов управления, вырабатываемых ИУП, поэтому в СУТК должна осуществляться либо гальваническая развязка входных и выходных цепей, либо должен обеспечиваться плавающий выходной потенциал (высоковольтный сдвиг уровня) выходного сигнала. Компания International Rectifier является одной из немногих, успешно реализующей разработку СУТК с плавающим потенциалом. Образно говоря, подобные решения являются фирменным знаком компании.

В последние годы инженеры компании разработали новую технологию построения высоковольтных микросхем (HVIC), в рамках которой удалось создать СУТК высокой степени интеграции для бытовых и промышленных приводов малой и средней мощности, работающих от общепромышленных однофазной 220 В, 50 Гц и трехфазной 220/380 В, 50 Гц сетей. Типичным представителем этого семейства являются приборы IR2114 (класс 600 В) и IR2214 (1200 В). Микросхемы предназначены для управления «верхним» и «нижнем» силовыми транзисторами полумостовой схемы, на рис. 2 показана типовая схема включения СУТК и отмечены ее характерные особенности.

  

Рис. 2. Cхема подключения IR2114

Основные характеристики микросхемы IR2114:

Гарантированная пауза между переключениями верхнего и нижнего транзисторов






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.