Letzte Schritte zum Einschalten Ihres elektrischen Motorantriebs

Frequenzumrichter (VSDs) erfordern spezifische Stromkreisdesigns für den Eingang, um sowohl die Hauptsteuerspannungsversorgung als auch die Stromversorgungen für die Elektronik des Wechselrichters bereitzustellen – nämlich Gate-Treiber und Strommessschaltungen, wie im vorherigen Blog der Serie beschrieben. Diese werden in grafischer Form in Abbildung 1 hervorgehoben, die eine allgemeine Darstellung einer typischen VSD-Architektur zeigt.

Dieser Blog behandelt zwei weitere wichtige Themen zur Stromversorgung innerhalb des hervorgehobenen Blocks des VSD in Abbildung 1:

Steuerungsleistungsschutz

Der Schutz der Hauptversorgungsleitung der Steuerung (normalerweise 24V) vor Spannungsspitzen und anomalen Bedingungen ist innerhalb eines VSD äußerst wichtig. Der Grund dafür ist, dass es im Allgemeinen zwei Wege für diese Versorgungsleitung gibt. Der erste Weg ist der, der im letzten Blog beschrieben wurde, bei dem die 24V-Steuerspannungsversorgung über ein isoliertes Leistungskonvertierungsstadium aus dem Wechselstromnetz oder vom Hochspannungs-Gleichstrombus abgeleitet wird. Allerdings kann diese 24V-Leitung normalerweise auch direkt über einen zusätzlichen Energieversorgungseingang, der mit dem VSD verbunden ist, eingespeist werden. Die meisten Automatisierungsumgebungen verteilen 24V-Versorgungen innerhalb der Steuerungsschränke für eine Vielzahl von Steuergeräten, und der VSD zapft diese Versorgung normalerweise an. Dieser zusätzliche 24-V-Eingang wird in der Regel per Diode mit der über den Konverter abgeleiteten 24-V-Versorgung verbunden, um sicherzustellen, dass nur eine Stromversorgungsquelle gleichzeitig aktiv ist.

Der Vorteil, dass dies verfügbar ist, liegt darin, dass selbst wenn die Netzstromversorgung ausfällt oder abgeschaltet wird, die Hilfsversorgung mit 24V in der Regel weiterhin läuft. Das bedeutet, dass die Steuerungselektronik des VSD weiterhin mit Strom versorgt wird, was wiederum dazu führt, dass der VSD schnell neu gestartet werden kann, ohne dass Kontextinformationen verloren gehen. Der Nachteil besteht darin, dass die Netzteile des VSD nun allen Spannungstransienten ausgesetzt sind, die im werkweiten 24V-Versorgungssystem existieren – diese können durch Schaltlasten, die Spannungsresonanz auf Verteilungskabeln verursachen, durch Blitzeinschläge, die sich im System ausbreiten, durch elektrostatische Entladungen aus nahegelegenen elektrischen Feldern oder durch menschlichen Kontakt sowie durch elektromagnetische Störungen, die von Kabeln aufgenommen werden, auftreten. Daher besteht die Notwendigkeit eines zuverlässigen Schutzes für diesen Eingangsanschluss der Hilfsversorgung.

Der VSD-Funktionale-Sicherheitsstandard IEC 61800-5-2 Anhang A (Abschnitt B.3.2) zeigt ein empfohlenes Untersystem für die Stromversorgung (PS) und Spannungsüberwachung (VM) für eine solche 24VDC-Schiene. Es umfasst Schutzmaßnahmen gegen eine Vielzahl von häufigen Fehlern wie Verpolung, Überstrom und Spannungsspitzen.

Da die auftretenden Transienten in Energielevel und Dauer variieren können, kann das Entwerfen eines diskreten Schaltkreises zeitaufwendig und fehleranfällig sein sowie eine schlechte Langzeitzuverlässigkeit aufweisen. Integrierte Lösungen wie die Surge Stopper-Familie von Analog Devices integrieren alle Anforderungen der IEC 61800, einschließlich Eingangsverpolungserkennung und -schutz, Überstrom-, Kurzschluss- und Einschaltstromerkennung sowie -schutz und Hochspannungstransient-Trennung.

Abbildung 3 zeigt die Verwendung von Überspannungsschutzlösungen von Analog Devices als potenzielle Umsetzung der Schutzempfehlungen gemäß IEC61800-5-2. Bauteile wie der LT4363 oder die integrierte MOSFET-Variante LTC4381 können robuste und zuverlässige Schutzlösungen für die Hauptsteuerstromversorgung bereitstellen.

Niederspannungs-Punktlast (POL)-Stromversorgung

Unterhalb der Hauptsteuerungsstromversorgung befinden sich die Niederspannungsstromschienen (<12V). Diese sind größtenteils die Point-of-Load (POL)-Versorgungen, die direkt die Hauptsteuergeräte (CPU, FPGA), andere digitale Komponenten (Speicher, Transceiver, Schnittstellen), analoge Schaltungen (ADC, DAC, Operationsverstärker usw.) sowie E/A-Geräte und -Terminals versorgen. Das spezifische Design dieser Stromversorgungsarchitekturen ist bei jeder VSD einzigartig, und es ist schwierig, allgemeine Aussagen zu treffen. Die typischen Ansätze für diese Stromversorgungen sind jedoch in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt. In Abbildung 4 werden einstufige Schaltregler für einige wichtige Niederspannungsschienen verwendet, wobei nachgeschaltete Low-Dropout (LDO)-Regler für rauschsensitive analoge Schienen oder sehr stromschwache Schienen bei niedrigeren Spannungspegeln hinzugefügt werden.

In Abbildung 5 wird eine einzelne Zwischenleitung erzeugt (in diesem Fall 5V), die anschließend von den POL-Geräten auf die einzelnen Leitungen heruntergeregelt wird, wie benötigt. Ebenfalls dargestellt ist die mögliche Notwendigkeit einer Startsequenzierung oder Nachverfolgung der Versorgungsleitungen, was in komplexen Multi-Controller-Systemen, die in vielen VSDs verwendet werden, wichtig sein kann.

Die Gestaltung der POL-Stromversorgungsarchitektur ist komplex und erfordert zahlreiche Abwägungen in Bezug auf Gesamtwirkungsgrad, Kosten, Platzbedarf und Störgeräusche. Werkzeuge wie LTpowerCAD, LTpowerPlanner und LTSPICE von Analog Devices können die Entwurfsherausforderung erheblich erleichtern.

Zusammenfassung

Dieser Blog hat das Thema Stromversorgungen innerhalb des VSD abgeschlossen, wobei die Bedeutung von Schutzschaltungen für die Hauptsteuerspannungsversorgung hervorgehoben und die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Gestaltung von POL-Niederspannungsversorgungen angesprochen werden.