Die Integration von Steuerkreisen in elektrische Antriebsmotoren für industrielle Anwendungen hat zahlreiche Vorteile mit sich gebracht, z. B. einen weitaus geringeren Stromverbrauch und eine deutlich höhere Produktivität. Die erhöhte Komplexität führt jedoch dazu, dass im Entwicklungsprozess mehr Variablen berücksichtigt werden müssen. In diesem Artikel von Analog Devices erfahren Sie, wie Sie die Spannungsversorgung von drehzahlvariablen Antrieben schützen und nachgeschaltete Stromschienen ableiten können.
Ein drehzahlvariabler Antrieb (variable speed drive, VSD) benötigt spezielle vorgelagerte Schaltkreise, um die Spannungsversorgung für die Hauptsteuerung und die Spannungsversorgung für die Umrichterelektronik bereitzustellen – namentlich Gate-Treiber und Stromerkennungsschaltungen (siehe vorherigen Blogbeitrag in dieser Reihe). Diese sind in Abbildung 1 grafisch hervorgehoben. Sie zeigt eine verallgemeinerte Darstellung einer typischen VSD-Architektur.
Abbildung 1: Detaillierte Architektur eines drehzahlvariablen Antriebs
Dieser Blogbeitrag befasst sich mit zwei weiteren wichtigen Themen der Spannungsversorgung innerhalb des in Abbildung 1 hervorgehobenen VSD-Blocks:
- Absicherung der Spannungsversorgung der Hauptsteuerung
- Ableitung der nachgelagerten Niederspannungs-Point-of-Load-(POL)-Stromschienen
Schutz der Spannungsversorgung der Steuerung
Der Schutz der Spannungsversorgung der Hauptsteuerung (in der Regel 24 V) vor Transienten und Anomalien ist in einem VSD von großer Wichtigkeit. Der Grund dafür ist, dass es im Allgemeinen für diese Versorgungsschiene zwei Möglichkeiten gibt. Die erste Möglichkeit wurde im letzten Blogeintrag beschrieben. In diesem Fall wird die 24-V-Steuerspannung über eine isolierte Leistungsumwandlungsstufe aus dem Wechselstromnetz oder dem Hochspannungs-Gleichstrombus abgeleitet. In der Regel kann diese 24-Volt-Schiene jedoch auch direkt von einem an den VSD angeschlossenen Hilfsspannungseingang gespeist werden. In den meisten Automatisierungsanwendungen werden 24 V-Versorgungen für eine Reihe von Steuergeräten in den Schaltschränken verteilt, und der VSD zapft in der Regel diese Versorgung an. Dieser 24-V-Hilfseingang wird in der Regel über eine ODER-Diode mit der vom Wandler stammenden 24-V-Versorgung verbunden, um sicherzustellen, dass immer nur eine Spannungsquelle aktiv ist.
Dies hat den Vorteil, dass selbst bei einem Ausfall oder einer Störung des Wechselstromnetzes die 24-V-Hilfsspannung in der Regel weiterläuft, sodass die Steuerelektronik des VSD weiterhin mit Strom versorgt werden kann. Damit ist ein schneller Neustart des VSD möglich, ohne dass Kontextinformationen verloren gehen. Der Nachteil besteht darin, dass die Spannungsversorgungen des VSD nun allen Spannungstransienten ausgesetzt sind, die im werksweiten 24-V-Versorgungssystem auftreten. Solche Transienten entstehen durch schaltende Lasten, die Spannungsschwingungen auf den Verteilerkabeln auslösen, durch Blitzeinschläge, die sich im System ausbreiten, durch elektrostatische Entladungen aus nahegelegenen elektrischen Feldern oder durch menschlichen Kontakt sowie durch elektromagnetische Störungen, die von den Kabeln aufgenommen werden. Daher bedarf es eines soliden Schutzes für diesen Hilfsspannungseingang.
Die Norm zur funktionalen Sicherheit von VSDs, IEC 61800-5-2 Anhang A (Abschnitt B.3.2), zeigt ein empfohlenes Teilsystem für die Spannungsversorgung (PS) und die Spannungsüberwachung (VM) für eine solche 24-VDC-Schiene. Es bietet Schutz gegen eine Vielzahl häufiger Fehler wie Verpolung, Überstrom und Spannungstransienten.
Abbildung 2: Empfohlener Hilfsversorgungsschutz gemäß IEC 61800-5-2
Da die auftretenden Transienten in Energieniveau und Dauer variieren können, kann der Entwurf eines diskreten Schaltkreises zeitaufwändig und fehleranfällig sein und eine geringe langfristige Zuverlässigkeit aufweisen. Integrierte Lösungen wie die Surge-Stopper-Produktfamilie von Analog Devices erfüllen alle Anforderungen der IEC 61800, einschließlich der Erkennung und des Schutzes der Eingangsverpolung, Überstrom-, Kurzschluss- und Einschaltstromerkennung bzw. -schutz sowie der Abschaltung bei Hochspannungstransienten.
Abbildung 3: Implementierung der IEC 61800-5-2 durch die Surge-Stopper-Familie von Analog Devices
Abbildung 3 illustriert den Einsatz von Überspannungsschutzlösungen von Analog Devices als mögliche Umsetzung der Schutzempfehlungen der IEC 61800-5-2. Komponenten wie der LT4363 oder die Variante LTC4381 mit integriertem MOSFET stellen robuste und zuverlässige Schutzlösungen für die Spannungsversorgung der Hauptsteuerung dar.
Niederspannungs-Point-Of-Load-(POL) Stromschiene
Der Spannungsversorgung für die Hauptsteuerung nachgeschaltet sind die Niederspannungsstromschienen (<12 v). dabei="" handelt="" es="" sich="" im="" großen="" und="" ganzen="" um="" die="" point-of-load="" (pol)-versorgungen,="" die="" die="" wichtigsten="" steuergeräte="" (cpu,="" fpga),="" andere="" digitale="" komponenten="" (speicher,="" transceiver,="" schnittstellen),="" analoge="" schaltungen="" (a/d-w,="" d/a-w,="" operationsverstärker="" usw.)="" sowie="" e/a-geräte="" und="" anschlüsse="" direkt="" mit="" strom="" versorgen.="" das="" spezifische="" design="" dieser="" architekturen="" für="" die="" spannungsversorgung="" ist="" für="" jeden="" vsd="" einzigartig.="" es="" ist="" daher="" schwierig,="" verallgemeinernde="" aussagen="" zu="" treffen,="" aber="" die="" typischen="" ansätze="" für="" diese="" spannungsversorgungen="" sind="" in="" abbildung 4="" und="" abbildung 5="" dargestellt.="" in="" abbildung 4="" werden="" einstufige="" spannungsregler="" für="" einige="" wichtige="" niederspannungsschienen="" verwendet,="" wobei="" nachgeschaltete="" low-dropout-regler="" (ldo)="" für="" geräuschempfindliche="" analogschienen="" oder="" sehr="" niedrige="" stromschienen="" bei="" niedrigeren="" spannungsniveaus="" hinzugefügt="">
Abbildung 4: Ansatz mit einstufigem Spannungsregler
In Abbildung 5 wird eine einzelne Zwischenschiene erzeugt (in diesem Fall 5 V), die je nach Bedarf der POL-Geräte weiter auf einzelne Schienen heruntergestuft wird. Hier wird auch der potenzielle Bedarf an einer Startsequenzierung oder Nachverfolgung der Versorgungsschienen aufgezeigt, die in den komplexen Multireglersystemen, die in vielen VSDs verwendet werden, eine wichtige Rolle spielen können.
Abbildung 5: Ansatz mit mehrstufigem Spannungsregler
Das Design einer POL-Spannungsversorgungsarchitektur ist komplex und erfordert viele Kompromisse in Bezug auf Gesamtwirkungsgrad, Kosten, Platz und Rauschen. Mit Tools wie LTpowerCAD, LTpowerPlanner und LTSPICE von Analog Devices lässt sich die Herausforderung des Designs erheblich erleichtern.
Zusammenfassung
Mit diesem Blogbeitrag wurde das Thema Stromversorgungen innerhalb des VSD abgeschlossen. Die Bedeutung von Schutzschaltungen für die Hauptsteuerversorgung wurde hervorgehoben und die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Design der POL-Niederspannungsversorgung wurden angesprochen.