Étapes finales pour alimenter votre variateur de moteur électrique

Les variateurs de vitesse (VSD) nécessitent des conceptions spécifiques de circuits en amont pour fournir l'alimentation principale de commande ainsi que les alimentations pour l'électronique de l'onduleur – à savoir les pilotes de grille et les circuits de détection de courant évoqués dans le précédent billet de blog de la série. Ceux-ci sont mis en évidence de manière graphique dans la Figure 1, qui présente une vue généralisée de l'architecture typique d'un VSD.

Ce blog aborde deux autres sujets importants concernant l'alimentation électrique dans le bloc mis en évidence du VSD dans la Figure 1 :

Protection de l'alimentation de contrôle

La protection de l'alimentation principale de contrôle (généralement 24V) contre les transitoires et les conditions anormales est extrêmement importante au sein d'un VSD. La raison en est qu'il existe généralement deux chemins pour cette alimentation. Le premier chemin est celui décrit dans le dernier blog, où l'alimentation de contrôle 24V est dérivée du secteur en courant alternatif, ou d'un bus DC haute tension via une étape de conversion d'énergie isolée. Cependant, ce rail 24V peut également être généralement fourni directement à partir d'une entrée d'alimentation auxiliaire connectée au VSD. La plupart des environnements d'automatisation distribuent des alimentations 24V autour des armoires de contrôle pour une gamme d'équipements de contrôle, et le VSD utilise généralement cette alimentation. Cette entrée auxiliaire 24V est généralement branchée en diode OU avec l'alimentation 24V dérivée du convertisseur, pour garantir qu'une seule source d'alimentation soit active à la fois.

L'avantage de disposer de cette fonctionnalité est que même si l'alimentation secteur en AC se coupe ou se déclenche, l'alimentation auxiliaire 24V continue généralement de fonctionner, ce qui permet à l'électronique de contrôle du VSD de rester alimentée, offrant ainsi la possibilité de redémarrer rapidement le VSD sans perdre les informations contextuelles. L'inconvénient est que les alimentations de puissance du VSD sont désormais exposées à tous les transitoires de tension présents sur le système d'alimentation 24V à l'échelle de l'usine – ces transitoires peuvent survenir suite à des charges de commutation qui excitent des oscillations de tension sur les câbles de distribution, des événements de foudre qui se propagent dans le système, des décharges électrostatiques provenant de champs électriques proches ou du contact humain, ainsi qu'à des interférences électromagnétiques captées par les câbles. D'où la nécessité d'une protection solide sur cette entrée d'alimentation auxiliaire.

La norme de sécurité fonctionnelle VSD IEC 61800-5-2 Annexe A (Section B.3.2) présente un sous-système d'Alimentation Électrique (PS) et de Moniteur de Tension (VM) recommandé pour un rail de 24VDC de ce type. Il inclut une protection contre divers défauts courants tels que la polarité inversée, les surintensités et les transitoires de tension.

Étant donné que les transitoires en jeu peuvent varier en niveau d'énergie et en durée, la conception d'un circuit discret peut être chronophage, sujette à des erreurs et présenter une fiabilité à long terme médiocre. Les solutions intégrées telles que la famille Analog Devices Surge Stopper intègrent toutes les exigences de la norme IEC 61800, y compris la détection et la protection contre la polarité inverse de l'entrée, les surtensions, les courts-circuits, la détection et la protection contre les courants d'appel, ainsi que la déconnexion des transitoires haute tension.

La figure 3 illustre l'utilisation des solutions de protection contre les surtensions d'Analog Devices comme une mise en œuvre potentielle des recommandations de protection IEC61800-5-2. Des composants tels que le LT4363 ou la variante intégrée avec MOSFET LTC4381 peuvent offrir des solutions de protection robustes et fiables pour l'alimentation électrique principale de contrôle.

Alimentation point de charge (POL) basse tension

En aval de l'alimentation principale de contrôle se trouvent les rails d'alimentation basse tension (<12V). Il s'agit essentiellement des alimentations point de charge (POL) qui alimentent directement les principaux dispositifs contrôleurs (CPU, FPGA), d'autres composants numériques (mémoire, émetteurs-récepteurs, interfaces), les circuits analogiques (ADC, DAC, amplis opérationnels, etc.), ainsi que les dispositifs et terminaux d'E/S. La conception spécifique de ces architectures d'alimentation est propre à chaque VSD et il est difficile d'en parler de manière générale, mais les approches typiques de ces alimentations sont illustrées dans la Figure 4 et la Figure 5. Dans la Figure 4, des régulateurs de commutation monobloc sont utilisés pour certains rails basse tension clés, avec l'ajout en aval de régulateurs faible chute (LDO) pour les rails analogiques sensibles au bruit ou les rails très basse intensité à des niveaux de tension inférieurs.

Dans la Figure 5, un rail intermédiaire unique est généré (dans ce cas 5V) et est ensuite abaissé aux rails individuels selon les besoins des dispositifs POL. Il est également indiqué ici, le besoin potentiel de séquencement de démarrage ou de suivi des rails d'alimentation, ce qui peut être important dans les systèmes multi-contrôleurs complexes utilisés dans de nombreux VSD.

La conception de l'architecture d'alimentation POL est complexe et implique de nombreux compromis liés à l'efficacité globale, au coût, à l'espace et au bruit. Des outils tels que LTpowerCAD, LTpowerPlanner et LTSPICE, d'Analog Devices, peuvent considérablement simplifier le défi de conception.

Résumé

Ce blog a terminé le sujet des alimentations électriques dans le VSD, en soulignant l'importance des circuits de protection pour l'alimentation électrique du contrôle principal, et en abordant les défis liés à la conception de l'alimentation basse tension POL.