L'integrazione dei circuiti di controllo nei motori elettrici per applicazioni industriali ha prodotto numerosi vantaggi, tra cui un consumo di corrente nettamente inferiore e una maggiore produttività. La crescente complessità, tuttavia, impone di tener conto di un maggior numero di variabili durante il processo di progettazione. In questo articolo di Analog Devices, scopriremo come proteggere l'alimentazione di controllo delle attivazioni a velocità variabile e come derivare le linee di alimentazione a valle.
Le soluzioni di attivazione a velocità variabile (VSD) necessitano di circuiti specifici a monte per fornire l'alimentazione principale di controllo e gli alimentatori per i componenti elettronici dell'inverter, ovvero i gate driver e i circuiti di rilevamento della corrente di cui si è parlato nel precedente blog della serie. Questi sono evidenziati in forma grafica nella Figura 1, che mostra una panoramica generalizzata di una tipica architettura VSD.
Figura 1: Architettura dettagliata dell'azionamento a velocità variabile
Questo blog tratta altri due importanti argomenti relativi all'alimentazione all'interno del blocco del VSD evidenziato nella Figura 1:
- La protezione dell'alimentazione di controllo principale
- La derivazione delle linee di alimentazione a bassa tensione del punto di carico (POL) a valle
Protezione dell'alimentazione di controllo
La protezione dell'alimentazione di controllo principale (solitamente 24 V) da transienti e condizioni anomale è di estrema importanza in un VSD. Questo perché in genere esistono due percorsi per questa linea di alimentazione. Il primo percorso è quello descritto nel blog precedente, in cui l'alimentazione di controllo a 24 V è derivata dalla rete CA o dal bus CC ad alta tensione tramite uno stadio di conversione di potenza isolato. Questa linea a 24 V può tuttavia essere alimentata direttamente da un ingresso di alimentazione ausiliario collegato al VSD. La maggior parte degli ambienti di automazione distribuisce alimentazioni a 24 V nei quadri di controllo per una serie di apparecchiature di controllo, e in genere il VSD si collega a questa linea di alimentazione. Questo ingresso ausiliario da 24 V è tipicamente collegato in OR a diodi con l'alimentazione a 24 V derivata dal convertitore, per garantire che solo una delle due fonti di alimentazione sia attiva in un determinato momento.
Il vantaggio di avere a disposizione un'alimentazione ausiliaria è che, anche in caso di interruzione o anomalia nella rete CA principale, l'alimentazione ausiliaria a 24 V rimane generalmente attiva, il che significa che il sistema elettronico di controllo del VSD può rimanere sotto tensione, consentendo di riavviarlo rapidamente senza perdere le informazioni sul contesto del sistema. Lo svantaggio è che gli alimentatori VSD sono ora esposti a tutti i transienti di tensione presenti nel sistema di alimentazione a 24 V dell'intero impianto, che possono verificarsi attraverso carichi di commutazione che generano oscillazioni di tensione sui cavi di distribuzione, fulmini che si propagano attraverso il sistema, scariche elettrostatiche provenienti da campi elettrici circostanti o dal contatto umano, nonché interferenze elettromagnetiche captate sui cavi. Da qui la necessità di disporre di una protezione solida su questo ingresso di alimentazione ausiliario.
Lo standard di sicurezza funzionale VSD IEC 61800-5-2 Allegato A (Sezione B.3.2) mostra un sottosistema di alimentazione (Power Supply, PS) e monitoraggio della tensione (Voltage Monitor, VM) per tale linea a 24 VDC. Questo sottosistema fornisce una protezione contro una serie di guasti comuni come l'inversione di polarità, la sovracorrente e i transienti di tensione.
Figura 2: Protezione dell'alimentazione ausiliaria consigliata secondo IEC 61800-5-2
Poiché i transienti coinvolti possono variare per livello di energia e durata, la progettazione di un circuito discreto può rivelarsi un processo lungo e suscettibile di errori, oltre a potersi rivelare scarsamente affidabile nel lungo termine. Tuttavia, soluzioni integrate come la gamma di limitatori di sovraccarico di Analog Devices integrano tutti i requisiti dello standard IEC 61800, tra cui rilevamento e protezione dell'inversione di polarità dell'ingresso, rilevamento e protezione da sovracorrente, cortocircuiti e correnti di inrush e disconnessione dai transienti ad alta tensione.
Figura 3: Implementazione dello standard IEC 61800-5-2 tramite i limitatori di sovraccarico di Analog Devices
La Figura 3 illustra l'uso delle soluzioni di protezione da sovratensione di Analog Devices come possibile implementazione delle raccomandazioni specificate nell'IEC61800-5-2. Componenti come l'LT4363 o la variante MOSFET integrata LTC4381 possono fornire soluzioni di protezione robuste e affidabili per l'alimentazione di controllo principale.
Alimentazione del punto di carico (POL) a bassa tensione
A valle dell'alimentazione di controllo principale si trovano le linee di alimentazione a bassa tensione (<12 V). Si tratta in generale di alimentatori del punto di carico (POL) che alimentano direttamente i controller principali (CPU, FPGA), altri componenti digitali (memoria, ricetrasmettitori, interfacce), circuiti analogici (ADC, DAC, amplificatori operazionali, ecc.), dispositivi di I/O e terminali. La progettazione specifica di queste architetture di alimentazione è unica per ogni VSD ed è difficile generalizzare, ma gli approcci tipici a questi alimentatori sono illustrati nella Figura 4 e nella Figura 5. Nella Figura 4, i regolatori di commutazione monostadio sono utilizzati per alcune linee chiave a bassa tensione, con l'aggiunta di un regolatore a basso dropout (LDO) a valle per le linee analogiche sensibili al rumore o per le linee a corrente molto bassa a livelli di tensione inferiori.
Figura 4: Approccio con commutatore monostadio
Nella Figura 5, viene generato una singola linea intermedia (in questo caso 5 V), che viene ulteriormente scalata verso le singole linee secondo le necessità dei dispositivi POL. Inoltre, viene illustrata la potenziale necessità di sequenziamento dell'avvio o di tracciamento delle linee di alimentazione, che può rivelarsi importante nei complessi sistemi multi-controller utilizzati in molti VSD.
Figura 5: Approccio con commutatore multistadio
La progettazione dell'architettura degli alimentatori POL è complessa e comporta numerosi compromessi in termini di efficienza complessiva, costi, spazio e rumore. Strumenti come LTpowerCAD, LTpowerPlanner e LTSPICE di Analog Devices possono semplificare notevolmente il compito.
Riepilogo
In questo blog abbiamo trattato l'argomento degli alimentatori all'interno del VSD, sottolineando l'importanza dei circuiti di protezione per l'alimentazione di controllo principale e accennando anche alle sfide legate alla progettazione dell'alimentazione POL a bassa tensione.