Что заставляет их двигаться? Двигатель
С самого начала это может быть связано с колесами, как в случае с автомобилем. Однако на самом деле эти движения движутся. Кроме того, многие бытовые приборы, такие как холодильники, кондиционеры, вентиляторы, стиральные машины, сушилки и многие другие, требуют электромоторов.
Да, это двигатель, который делает системы в движении вокруг нас (фото: Texas Instruments)
Можно видеть, что двигатели являются частью нашей повседневной жизни. Цель этой технической статьи - обсудить двигатели и их силовую электронику - различные компоненты и требования с помощью приложений, которые мы используем и встречаем в бытовых и промышленных условиях.
Электродвигатель - это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Его также можно рассматривать как устройство, которое передает энергию от электрического источника к механической нагрузке. Система, в которой расположен двигатель и заставляет его вращаться, называется приводом, также называемым электроприводом или двигателем.
Функция привода электродвигателя состоит в том, чтобы отводить электрическую энергию от электросети и подавать электрическую энергию на двигатель, чтобы обеспечить требуемую механическую мощность.
Как правило, это скорость двигателя, крутящий момент и положение вала двигателя. На рисунке 1 показана блок-схема двигателя.
Рисунок 1 - Блок-схема системы привода двигателя
Функции схемы преобразователя мощности в приводном двигателе:
- Передайте электрическую энергию от источника, который может иметь заданное напряжение, ток на определенной частоте и фазе в качестве входного
- К электрическому выходу желаемого напряжения, тока, частоты и фазы к двигателю, чтобы обеспечить требуемую механическую мощность двигателя для управления нагрузкой
- Контроллер регулирует энергию через обратную связь, поступающую от блока датчика
- Сигналы, измеренные датчиками от двигателя, являются маломощными, которые затем отправляются на контроллер
-
Контроллер сообщает конвертеру, что ему нужно делать. Система обратной связи с обратной связью представляет собой метод сравнения того, что на самом деле происходит с тем, что двигатель должен
выводить, затем корректировать выход соответственно для поддержания целевого выхода
Эффективность двигателя
Электрические двигатели составляют 45 процентов от общего потребления электроэнергии во всех приложениях. Повышение эффективности моторных систем может привести к значительному сокращению мирового потребления электроэнергии.
С ростом спроса на электроэнергию наряду с индустриализацией и урбанизацией по всему миру способность поставлять энергию становится еще более сложной. В рамках глобальных усилий по сокращению потребления энергии и выбросов углекислого газа в окружающую среду различные правила во многих странах выдвинули и постоянно работают над правительственными мандатами для повышения эффективности двигателей.
Все эти требования вынуждают иметь эффективную систему преобразователей мощности с использованием источников питания с включенным режимом работы (SMPS). SMPS использует полупроводниковые выключатели питания (также называемые силовыми электронными переключателями) только в режиме переключения и состояния включения и выключения, что обеспечивает 100-процентную эффективность в идеальной ситуации.
Системы силовой электроники в первую очередь разработаны с использованием кремниевого управления мощностью с силовыми полупроводниковыми переключателями. Эти переключатели представляют собой силовые MOSFET, биполярные переходные транзисторы (BJT) и изолированные биполярные транзисторы (IGBT), которые значительно улучшили свои характеристики. Примеры включают более низкое сопротивление в состоянии, повышенное напряжение блокировки и более высокие токи привода.
Кроме того, много разработок происходит с использованием широкозонных полупроводников, таких как карбид кремния (SiC). SiC представляет особый интерес для двигателей, которые передают очень высокую мощность на высоковольтных уровнях.
Классификация двигателей
Прежде чем мы углубимся в приложения для двигателей и роль силовой электроники в этих системах, кратко рассмотрим, как классифицируются двигатели (рисунок 2).
Рисунок 2 - Классификация двигателей (* PMSM = синхронные двигатели с постоянными магнитами)
В таблице 1 приведены данные о том, где используются двигатели переменного тока (индукционный) и постоянного тока (щетки и бесщеточные) с точки зрения уровней напряжения и мощности, а также плюсы и минусы каждого из них.
Таблица 1 - Сравнительный анализ двигателей
Преобразователь мощности в двигателях
Конфигурация привода для двигателей, суммированных в таблице 1 выше, как правило, одинакова. Однако, чем отличается топология преобразователя мощности в цепи преобразователя мощности. Поскольку основная часть этих приложений движется в направлении бесщеточных DC (BLDC) или асинхронных двигателей, основное внимание будет уделено приложениям, использующим эти два типа двигателей.
В общем случае выбор двигателя может потребовать изучения уровней мощности и напряжения при решении вопросов, зависящих от приложения.
Примерами могут быть начальный момент, инерция нагрузки, схема работы, условия окружающей среды или способность двигателя регенерировать.
Приводы переменного тока
Привод переменного тока, как следует из названия, требует входа переменного тока для асинхронного двигателя, используемого для привода больших промышленных нагрузок, таких как HVAC для коммерческих зданий - насосы и компрессоры, автоматизация производства, промышленное оборудование, которое требует условий для регулировки скорости, таких как конвейерные ленты, туннельные буровые, горные, бумажные фабрики и многие другие.
Привод переменного тока потребляет источник энергии переменного тока, выпрямляет его на напряжение шины постоянного тока и, реализуя сложные алгоритмы управления, инвертирует DC обратно в AC в двигатель с использованием сложных алгоритмов управления, основанных на потреблении нагрузки.
На рисунке 3 ниже показана блок-схема привода переменного тока. Силовая ступень и источники питания отмечены в тиале.
Силовая ступень
Топология силового преобразователя, используемая на этапе питания, представляет собой трехфазный инвертор, который передает мощность в диапазоне от кВт до МВт. Инверторы преобразуют DC в переменную мощность. Типичные уровни напряжения шины постоянного тока - 600-1200 В. Учитывая высокие уровни мощности и напряжения, трехфазный инвертор использует шесть изолированных драйверов ворот (рис. 3).
На каждой фазе используется переключатель с биполярным транзистором (IGBT) с высокой и низкой стороны.
Обычно в диапазоне 20-30 кГц на каждой фазе применяются положительные и отрицательные высоковольтные импульсы постоянного тока к обмоткам двигателя в переменном режиме.
Мощный IGBT требует изолированных драйверов ворот для управления их операциями. Каждый IGBT управляется одним изолированным драйвером ворот. Изоляция гальванизирована между высоковольтным выходом драйвера затвора и входами управления низкого напряжения, которые поступают от контроллера.
Рисунок 3 - Блок-схема привода переменного тока
Эмиттер верхнего IGBT плавает, что требует использования изолированного драйвера ворот. Чтобы изолировать высоковольтную цепь с цепью низкого напряжения, изолированные управляющие вентили используются для управления нижними IGBT.
Драйверы ворот преобразуют сигналы широтно-импульсной модуляции (PWM) от контроллера в импульсы затвора для полевых транзисторов или IGBT. Кроме того, эти драйверы ворот должны иметь встроенные функции защиты, такие как десатурация, активный зажим Miller, мягкое отключение и т. Д.
Эти изолированные драйверы ворот обычно страдают от низкой прочности привода, особенно когда мощность тока привода ниже диапазона 2А. Традиционно эти накопители используют дискретные схемы для увеличения тока привода. В последнее время для замены дискретного решения было разработано несколько ИС драйвера ворот.
Рисунок 4 иллюстрирует эту тенденцию.
Рисунок 4 - Топология трехфазного инвертора с источниками питания драйвера ускорителя для драйверов IGBT-ворот на этапе питания
Чтобы воспользоваться преимуществами низких потерь проводимости в IGBT, драйверы затворов должны работать при напряжениях, намного превышающих их пороговое напряжение в диапазоне 15-18 В. Кроме того, IGBT представляет собой устройство с несущей несущей с высоким входным импедансом и большой биполярной токопроводящей способностью. Коммутационные характеристики IGBT аналогичны характеристикам силового MOSFET.
Для данного состояния при включении IGBT ведет себя так же, как и силовой MOSFET, демонстрируя аналогичные времена нарастания тока и напряжения. Однако ток переключения во время выключения отличается.
В конце события переключения IGBT имеет «хвостовой ток», который не существует для MOSFET. Этот хвост вызван неосновными носителями, попавшими в «базу» биполярного выходного участка IGBT. Это заставляет IGBT оставаться включенным.
В отличие от биполярного транзистора невозможно извлечь эти несущие для ускорения переключения, так как нет внешнего подключения к базовой секции. Поэтому устройство остается включенным до тех пор, пока несущие не рекомбинируют. Этот хвостовой ток увеличивает потерю выключения, что требует увеличения времени простоя между проводимостью двух устройств для данной фазы полумостовой схемы.
Наличие отрицательного напряжения (от -5 В до -10 В) на воротах помогает уменьшить время выключения, помогая рекомбинировать захваченные носители. Когда IGBT включен, высокая dv / dt и паразитная емкость между затвором и эмиттером генерируют всплески напряжения на клемме затвора. Эти шипы могут привести к ложному включению нижнего IGBT. Наличие отрицательного напряжения на воротах помогает избежать этого ложного включения включения.
Обычно от 15 до 18 В подаются на затвор для включения устройства, а для отключения IGBT применяется отрицательное напряжение от -5 В до -8 В. Это требование является ключевым для определения рейтинга источника питания для драйвера IGBT.
Как правило, такой источник питания представляет собой контроллер PWM с топологией, которая имеет возможность масштабировать выходную мощность при управлении этими мощными IGBT. Типичные входы для этих источников питания регулируются до 24 В (что будет объяснено в ближайшее время).
Одним из примеров классической топологии, используемой для этого источника питания, является двухтактный изолированный преобразователь. Эта топология подобна прямому преобразователю с двумя первичными обмотками. Преимущество, заключающееся в том, что двухтактные преобразователи имеют более конвертеры y-back и forward, они могут быть увеличены до более высоких мощностей в дополнение к более высокой эффективности.
Другие источники питания
На рисунке 3 показан автономный источник питания, который потребляет энергию от трехфазной универсальной линии переменного тока до регулируемого выходного напряжения 24 В постоянного тока. Из-за низкого уровня мощности (ниже 75 Вт) коррекция коэффициента мощности (PFC) не требуется.
Эти автономные источники питания, как правило, представляют собой интегральные преобразователи топологии инверсии, которые могут быть контроллером с внешним MOSFET или интегрированным контроллером или коммутатором MOSFET.
Выбор ИС питания является гибким и зависит от уровня мощности, количества выходов и точности регулирования. Этот автономный источник питания обычно представляет собой отдельный модуль.
Выход 24 В постоянного тока представляет собой системную шину питания в системе привода переменного тока, которая вводится в источник питания смещения для ступени питания и неизолированного преобразователя постоянного / постоянного тока. Этот неизолированный регулятор постоянного / постоянного тока от системы 24 В обеспечивает питание контроллера, коммуникационных и защитных микроконтроллеров, интерфейсных приемопередатчиков и преобразователей данных.
Приводы BLDC
Бесщеточный DC (BLDC) является тенденцией к тому, чтобы стать самым популярным выбором, заменив мостовые двигатели постоянного тока и переменного тока на таких рынках, как HVAC, особенно для его более высокой эффективности и высокой надежности. Особый интерес представляют электроинструменты и бытовые приборы, такие как холодильники, кондиционеры, пылесосы и другие подобные товары.
Использование BLDC в этих рыночных пространствах снижает общий вес системы.
На рисунке 5 показана блок-схема привода BLDC-мотора в беспроводном (с батарейным питанием) электроинструменте, таком как электрическая дрель. Силовые блоки показаны синим цветом.
Рисунок 5 - Блок-схема беспроводного привода BLDC
Силовая ступень
Силовая ступень BLDC также является инвертором, подобным двигателю переменного тока, за исключением того, что вход может быть одно- или трехфазным. Напряжения постоянного тока обычно составляют 48-600 В, в зависимости от уровня мощности. Коммутатор обычно представляет собой переключение МОП-транзистора мощностью около 100 кГц. Драйверы ворот - это драйверы с высоким, низким или полумостовым мостом на инверторную фазу без требования изоляции.
Защитные функции не так важны, как те, которые необходимы для привода переменного тока, за исключением управления временем, чтобы избежать съемок, поскольку драйверы с высокой и низкой стороны работают от одной ИС.
Источники питания
Сила смещения к контроллеру и драйверам ворот отключается от источника питания от батареи. Типичной батареей, используемой в этом пространстве, является номинальная литиево-ионная (литий-ионная) батарея 18 В с пятью ячейками. Поскольку это беспроводные инструменты, для зарядки бурового дозатора требуется зарядное устройство.
Как правило, зарядка в диапазоне 50-1000 Вт выполняется с использованием изолированного контроллера, который зависит от топологии, в зависимости от уровня мощности.
Кроме того, PFC, как правило, не требуется, если уровень мощности не составляет нескольких сотен W. Типичные контроллеры зарядки основаны на обратных, чередующихся y-back или push-pull топологиях.
Обобщить
,Приводы двигателей становятся все более эффективными, поскольку включаются силовые электронные устройства, такие как выключатели питания (IGBT и MOSFET), драйверы ворот и устройства смещения. Мы обсудили две ключевые и популярные двигатели: AC и BLDC, а также рассмотрели функции и роль схем привода затвора и связанных с ними источников смещения.
Были выделены ключевые области, такие как изоляция, уровни напряжения и функции защиты.
Ссылка // Силовая электроника в двигателях: где это? Nagarajan Sridhar (менеджер по маркетингу продуктов с высокой производительностью, изолированные решения для управления энергопотреблением Texas Instruments)