Háromfázisú indukciós motorok hatékony vezérlése megbízhatóan elszigetelt AD átalakítókkal

Az ipari alkalmazások csaknem 80%-a háromfázisú indukciós váltakozó áramú motorokat használ mechanikai energia létrehozására, amelyek hatásfoka rendkívül magas és jól tűrik a környezeti változásokat. Ezeknek a motoroknak hatékony vezérlésre van szükségük a nagyobb terhelési problémák kezelésére, például vízszivattyúk, kazánszivattyúk, csiszológépek és kompresszorok esetében, amelyek nagyobb indítónyomatékot, jó fordulatszám-szabályozást és ésszerű túlvezérelhetőséget igényelnek.

Ez a vezérlés kihívást jelent a tervezők számára, mivel a nagyfeszültségű, közös módusú jelekből a háromfázisú motor elektronikájához elszigetelt analóg jelet kell az áramsöntökön keresztül visszacsatolással eljuttatni. Ezen túlmenően, a nagy dinamikájú szigetelési feszültségeket is széles hőmérsékleti tartományban kell fenntartani.

A háromfázisú indukciós váltóáramú motorok precíz vezérlésének megoldása számos esetben az, ha áramérzékelő áramköröket és egy elszigetelt analóg-digitális átalakító (ADC) funkcióját, például egy szigetelt modulátort alkalmazunk. Ez az ADC funkció egy áramsönt-ellenállás segítségével hozza létre azt az érzékelő mechanizmust, amellyel a nagy teljesítményű kapcsolóüzemű inverter nagyfeszültségű jele felhasználható a váltóáramú motorvezérlő alkalmazásoknál.

Ez a cikk a váltakozó áramú motorok precíz vezérlésével kapcsolatos kérdéseket tárgyalja, illetve azt, hogy a szigetelt analóg visszacsatolás miért jó megoldás az ilyen típusú rendszereknél. Ezután bemutat egy Analog Devices gyártmányú szigetelt szigma-delta modulátort, illetve egy sin px/px vagy sinc digitális szűrőt a modulátor kimenő jele számára egy 16 bites ADC szó létrehozásához, kihasználva a modulátorba épített galvanikus elválasztást.

A háromfázisú indukciós váltóáramú motorok bemutatása

A nagy teljesítményű szervomotorok elsődleges jellemzői azok, hogy egyenletes forognak a teljes leállásig, a nyomatékuk nyugalmi helyzetben teljesen szabályozható, illetve gyorsan lassíthatók és gyorsíthatók. A nagy teljesítményű motoros hajtásoknál általában háromfázisú váltóáramú motorokat használnak (1. ábra). Ezeket a gépeket alacsony tehetetlenségük, magas kimenőteljesítmény-súly arányuk, robusztus felépítésük és kedvező nagy sebességű forgási teljesítményük miatt választják az egyenáramú motorok helyett.

1. ábra: Egy nagy teljesítményű ipari háromfázisú indukciós váltakozó áramú motor, bal oldalon a kimeneti forgó tengellyel és felül az elektromos kapocsdobozzal. (Kép: Leroy-Somer)

Ezeket a motorokat a vektorszabályozás (más néven mezőorientált szabályozás) elve alapján szabályozzák. A legmodernebb nagy teljesítményű hajtások digitálisan megvalósított zárt hurkú áramszabályozással működnek. Ebben a rendszerben az elérhető zárt hurkú sávszélesség a nagy számítási igényű vektoros vezérlő algoritmusok végrehajtási sebességétől és a kapcsolódó vektoros forgatások valós idejű megvalósításától függ. Ez a számítási terhelés digitális jelfeldolgozó processzorokat (DSP) igényel egy sinc digitális szűrő, illetve a beágyazott motor- és vektorszabályozási sémák megvalósításához. A DSP számítási teljesítménye gyors ciklusidőket és zárt hurkú áramszabályozási sávszélességeket tesz lehetővé.

Az ilyen gépek teljes áramszabályozási rendszere impulzusszélesség-modulációs (PWM) nagyfeszültség-előállító egységet, és a motoráramok mérésére nagy felbontású ADC-t is igényel. A nyomaték nulla fordulatszámig történő finom szabályozása, a forgórész-pozíció visszacsatolásának fenntartása mind olyan funkciók, amelyek nélkül a modern vektorszabályozás elképzelhetetlen. A következőkben ismertetjük a háromfázisú váltóáramú motoroknál alkalmazott nagy teljesítményű ADC-k megvalósításának alapelveit. Ez egy 16 bites szigetelt analóg-digitális modulátor és egy erős DSP maggal rendelkező integrált DSP vezérlő kombinációja, kiegészítve egy rugalmas digitális sinc szűrővel.

Szigetelési stratégia

A nagy teljesítményű háromfázisú váltóáramú motoroknak finoman kell forogniuk a teljes leállásig, a nyomatéknak teljesen szabályozhatónak kell lennie nyugalmi helyzetben, gyors gyorsítási, illetve lassítási képesség mellett. A szigetelt kapus meghajtó fokozatok közvetlen vezérlése a motor fordulatszámának átalakítókkal, nyomatékának pedig a fázisáramokkal történő mérésével valósul meg (2. ábra).

2. ábra: Ez a háromfázisú motorral felépített hajtásrendszer (U, V és W) térvezérlésű inverter tranzisztorokat (FET) használ a motor hajtására, illetve az R_S árammérő ellenállásokat az áramok mérésére (Kép: Analog Devices)

A 2. ábrán látható R_S áramérzékelő ellenállások érzékelik a motortekercsek áramát. Ezeket a jeleket egy 16 bites átalakító használja a motor nyomatékának dinamikus mérésére. A motor pozícióját a Hall-hatás elvén működő szenzor érzékeli. Ez a rendszer az idő függvényében érzékeli a nyomatékot és a pozíciót is.

Egy háromfázisú motor szabályozórendszerének táplálásánál a feszültségreferenciát tekintve jelentős problémák merülnek fel. A teljesítménypanelen levő inverterfokozat és a szabályozópanelen levő processzor miatt a megfelelő galvanikus elválasztás biztosítása alapvető kihívást jelent. Ennek a két panelnek a földreferenciái eltérnek egymástól, így szigetelő eszközökre van szükség, hogy védeni lehessen az eszközöket és a kezelőiket a lehetséges károsodástól illetve sérüléstől.

Egy háromfázisú motor közös módusú kapumeghajtó feszültsége akár 600 V is lehet, 20 kHz feletti kapcsolási frekvenciájú impulzusszélesség-modulációval (PWM), és 25 V/ns meredekséggel az IGBT invertereken. Az ilyen feszültség- és meredekségi jelleggörbék miatt szigetelő eszközökre van szükség az érzékeny áramkörök védelmére ebben a mostoha környezetben. A motorhoz menő áramok minimális rendszerinterferenciával való érzékelése kritikus fontosságú. A háromfázisú motorhoz választott érzékelő egy rendkívül kis értékű érzékelő ellenállás (R_S). A szigetelt rendszer javítja a motor szabályozórendszerén belüli zajvédettséget is.

A szigetelt rendszerek két fő területen jelentenek tervezési problémát: a rendkívül magas közös módusú feszültségek a hidaknál, és a motoráramok (I_U, I_V és I_W) érzékelése. Az Analog Devices 3. ábrán látható ADuM7701 szigma-delta szigetelt ±250 mV bemenetű modulátora a primer oldalon bocsátja rendelkezésre a szekunder oldalról származó digitális jelet.

3. ábra: Ez a háromfázisú váltakozó áramú motoráramkör az ADuM7701 mágneses elvű szigetelt szigma-delta modulátort használja a motoráram erősségének érzékelésére és az ADSP-CM408F DSP-t a sinc szűrők megvalósítására, illetve a motor állapotának kiértékelésére (Kép: Analog Devices)

Működési hőmérséklete -40°C és 125°C, között van, és magas, mikroszekundumonként 10 kV-os közös módusú tranziensvédelemmel rendelkezik az elválasztó határon. Az ADuM7701 szigetelt oldali tápfeszültsége 4,5...5,5 V, míg az ADSP-CM408F DSP chip 3,3 V-on működik. Ez a rendszer kiküszöböli a nagy teljesítményű analóg kapcsolóüzemű inverter söntellenállásain (R_S) megjelenő nagyfeszültségű közös módusú jel elszigetelésének problémáját.

A 3. ábrán látható I_V és I_W söntellenállás (R_S) értéke az adott feszültség-, áram- és teljesítményigénytől függ. Kis értékű ellenállások esetén a teljesítményveszteség minimális, de előfordulhat, hogy nem fedik le az ADuM7701 teljes bemeneti tartományát. Nagyobb értékű ellenállásokkal érhető el a legjobb jel-zaj viszony (SNR) az ADC teljes bemeneti teljesítménytartományának kihasználásával. Az, hogy milyenek lesznek a választott végleges értékek, a pontosság és az alacsony teljesítményveszteség között meghozott kompromisszumtól függ.

Az ADuM7701 modulátor megadott névleges maximális bemeneti feszültsége ±250 mV. Az R_S értékének kisebbnek kell lennie a V_{MOD_PEAK}/I_{CC_PEAK}-től ahhoz, hogy ezek a feltételek teljesüljenek. A 3. ábrán, ha a teljesítményfokozat névleges csúcsárama például 8,5 A, akkor a maximális söntellenállás értéke 29,4 mΩ.

A szigma-delta modulátor működése

Az ADuM7701 első fokozata egy másodrendű modulátor, amelynek bemeneti közös módusú tartománya -0,2 V és +0,8 V között van. A másodrendű szigma-delta modulátor áramkör két analóg szigma (integrátor) fokozatból áll, két analóg delta (kivonó) fokozattal ellátva. Ennek a kombinációnak a kimenetét egy referenciafeszültséggel, pl. a földdel összehasonlítva hoznak létre egy egybites digitális kimeneti órajelet (4. ábra).

4. ábra: Az ADuM7701 előfeldolgozó áramköre egy másodrendű szigma-delta modulátor, amely két analóg szigma (integrátor) fokozatból áll, két analóg delta (kivonó) fokozattal ellátva. (Kép: Analog Devices)

A szinkronizált 1 bites adatfolyam egy digitális/decimátor szűrőre kerül, illetve visszacsatolódik egy digitális-analóg konverterre, majd az analóg kivonó fokozatokra. Az ADC legelőnyöebb működéséhez a jelet az ADSP-CM408F szűrővel kombinálva létrejön egy sinc szűrő, amely egy teljesen használható 16 bites szóvá konvertálja a modulátor jelét. A modulátor 1 bites kódja által adott közvetlenség instant túlvezérlés-állóságot biztosít. A teljes rendszer átalakítja a motorágak ellenállásokkal érzékelt áramait a megfelelő motornyomaték-információk szolgáltatása céljából.

Digitális szűrő

Az ADuM7701 modulátor kimenete az ADSP-CM408F digitális szűrő elsődleges, másodlagos és órabemeneteihez csatlakozik. Az elsődleges jelútvonal a sinc/decimátor szűrőmodulhoz vezet. A másodlagos jelútvonal túlvezérlési komparátorokkal rendelkezik a rendszer hibaállapotának gyors felismeréséhez.

A sinc szűrő teljesítményét a modulátor 5 MHz ... 21 MHz közötti órajel frekvenciája (f_M) és a decimációs arány (D) határozzák meg. A sinc szűrő rendje (O) eggyel magasabb, mint a modulátoré. Így az ADuM7701 eszközzel együtt a sinc szűrő egy harmadrendű egységet alkot. Az 1. egyenlet a szűrő frekvencia-jelleggörbéjét mutatja.

 1. egyenlet

A decimációs frekvenciának a motor PWM kapcsolási frekvenciájához való igazítása jelentősen csökkenti a PWM kapcsolási harmonikusait. Az 5. ábrán a frekvencia-jelleggörbe értéke nulla a decimációs frekvencia páros egész számú többszöröseinél (f_M/D).

5. Ábra: Harmadrendű sinc digitális szűrő amplitúdó jelleggörbéje. (Kép: Analog Devices)

Összegzés

A nagy teljesítményű háromfázisú váltóáramú motoroknak egyenletes forgást kell biztosítaniuk a teljes leállásig, teljesen szabályozható nyomatékkal kell rendelkezniük álló helyzetben, illetve gyors lassításokra és gyorsításokra kell képesnek lenniük. Ennek a motorszabályozási feladatnak a teljesítéséhez a motor nyomatékának, pozíciójának és hibaállapotainak valós idejű mérése szükséges. A tervezők számára a kihívást a váltóáramú motorral szembeni precíziós követelmények, a szigetelési stratégia kiválasztása, a megfelelő szigma-delta útvonal kiválasztása és a sinc digitális szűrő megvalósítása jelentik.

Szigetelt modulátor és egy kevert jelű szabályozó processzor, pl. az Analog Devices gyártmányú ADuM7701 és ADSP-CM408 segítségével a tervezők nagy pontosságú és robusztus motorszabályozó rendszereket hozhatnak létre vízszivattyúk, kazánszivattyúk, csiszológépek és kompresszorok számára.