Pasos Finales para Alimentar su Accionamiento de Motor Eléctrico
La introducción de circuitos de control en los motores de accionamiento eléctrico para aplicaciones industriales ha tenido numerosos beneficios, incluyendo un consumo de energía mucho menor y una productividad significativamente mayor. Sin embargo, esta mayor complejidad implica la necesidad de considerar más variables en el proceso de diseño. En este artículo de Analog Devices, aprenda cómo proteger el suministro de energía de los accionamientos de velocidad variable, así como cómo derivar rieles de energía aguas abajo.
Los variadores de velocidad (VSDs) requieren diseños de circuitos específicos aguas arriba para proporcionar la fuente principal de alimentación de control y las fuentes de alimentación para la electrónica del inversor, como los controladores de compuertas y los circuitos de detección de corriente mencionados en el blog anterior de la serie. Estos se destacan en forma gráfica en la Figura 1, que muestra una vista generalizada de una arquitectura típica de VSD.
Arquitectura detallada de variador de velocidad
Figura 1
Este blog aborda dos temas más importantes relacionados con la fuente de alimentación dentro del bloque destacado del VSD en la Figura 1:
Protegiendo el suministro de energía del control principal
Derivación de los rieles de alimentación de punto de carga (POL) de bajo voltaje aguas abajo
Protección de Control de Energía
La protección de la fuente de alimentación principal de control (generalmente 24V) contra transitorios y condiciones anómalas es extremadamente importante dentro de un VSD. La razón de esto es que generalmente existen dos rutas para este riel de alimentación. La primera ruta es la descrita en el último blog, en la cual la fuente de alimentación de control de 24V se deriva de la red de CA o del bus de CC de alta tensión mediante una etapa de conversión de energía aislada. Sin embargo, este riel de 24V también suele ser suministrado directamente desde una entrada de alimentación auxiliar conectada al VSD. La mayoría de los entornos de automatización distribuyen fuentes de 24V alrededor de los gabinetes de control para una variedad de equipos de control, y el VSD generalmente aprovecha esta fuente de alimentación. Esta entrada auxiliar de 24V suele estar combinada mediante diodos con la fuente de alimentación derivada del convertidor, para garantizar que solo una fuente de alimentación esté activa en un momento dado.
La ventaja de tener esto disponible es que, incluso si la red de CA se interrumpe o se dispara, generalmente el suministro auxiliar de 24V seguirá funcionando, lo que significa que la electrónica de control del VSD puede permanecer energizada, lo que permite reiniciar rápidamente el VSD sin perder ninguna información de contexto. La desventaja es que las fuentes de alimentación del VSD ahora están expuestas a todas las transientes de voltaje existentes en el sistema de suministro de 24V en toda la fábrica; estas pueden ocurrir debido a la conmutación de cargas que excitan el repique de voltaje en los cables de distribución, eventos de rayos que se propagan a través del sistema, descargas electrostáticas provenientes de campos eléctricos cercanos o contacto humano, así como interferencias electromagnéticas captadas por los cables. De ahí la necesidad de una protección sólida en esta entrada de suministro auxiliar.
El estándar de seguridad funcional de VSD IEC 61800-5-2 Anexo A (Sección B.3.2) muestra un subsistema recomendado de Fuente de Alimentación (PS) y Monitor de Voltaje (VM) para un riel de 24VDC de este tipo. Consiste en protección contra una variedad de fallos comunes, como polaridad inversa, sobrecorriente y transitorios de voltaje.
Protección recomendada de suministro auxiliar según IEC 61800-5-2
Figura 2
As the transients involved can vary in energy level and duration, designing a discrete circuit can be time-consuming and prone to error, and may have poor long-term reliability. Integrated solutions such as Analog Devices Surge Stopper family integrate all of the IEC 61800 requirements, including input reverse polarity detection and protection, overcurrent, short circuit and inrush current detection and protection, and high voltage transient disconnect.
Implementación de Surge Stopper de Analog Devices según IEC 61800-5-2
Figura 3
La Figura 3 muestra el uso de soluciones limitadoras de picos de Analog Devices como una posible implementación de las recomendaciones de protección de la norma IEC61800-5-2. Componentes como el LT4363 o la variante con MOSFET integrado LTC4381 pueden ofrecer soluciones de protección robustas y confiables para la fuente de alimentación principal de control.
Punto de carga (POL) de potencia de bajo voltaje
En la etapa posterior de la fuente de alimentación principal de control se encuentran los rieles de alimentación de bajo voltaje (<12V). Estos son, en gran medida, las fuentes punto de carga (POL, por sus siglas en inglés) que alimentan directamente los dispositivos principales del controlador (CPU, FPGA), otros componentes digitales (memoria, transceptores, interfaces), circuitos analógicos (ADC, DAC, amplificadores operacionales, etc.), y los dispositivos y terminales de E/S. El diseño específico de estas arquitecturas de alimentación es único para cada VSD, y es difícil hablar en términos generales, pero los enfoques típicos de estas fuentes de alimentación se ilustran en la Figura 4 y Figura 5. En la Figura 4 se utilizan reguladores de conmutación de una sola etapa para algunos rieles clave de bajo voltaje, añadiendo reguladores LDO (low-dropout) en la etapa posterior para los rieles analógicos sensibles al ruido o rieles de muy baja corriente en niveles de voltaje más bajos.
Enfoque de conmutador de una sola etapa
Figura 4
En la Figura 5, se genera un único riel intermedio (en este caso, 5V) y este se reduce aún más a rieles individuales según sea necesario por los dispositivos POL. También se muestra aquí la posible necesidad de secuenciación de arranque o seguimiento de los rieles de suministro, lo cual puede ser importante en los complejos sistemas de múltiples controladores utilizados en muchos VSD.
Enfoque de conmutador de múltiples etapas
Figura 5
El diseño de la arquitectura de suministro de energía POL es complejo y implica numerosos compromisos relacionados con la eficiencia general, el costo, el espacio y el ruido. Herramientas como LTpowerCAD, LTpowerPlanner y LTSPICE de Analog Devices pueden facilitar considerablemente el desafío de diseño.
Resumen
Este blog ha completado el tema de las fuentes de alimentación dentro del VSD, destacando la importancia de los circuitos de protección para la fuente de alimentación principal de control y abordando los desafíos relacionados con el diseño de la fuente de alimentación de baja tensión POL.
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