산업 분야용 전기 구동 모터에 제어 회로를 도입하면 전력 소비가 훨씬 줄어들고 생산성이 향상되는 등 여러 이점이 있습니다. 단, 복잡성이 늘어나면서 설계 프로세스에서 고려해야 할 변수가 더 많아집니다. Analog Devices의 기사에서는 가변 속도 구동 장치의 전원 공급 장치를 보호하는 방법과 다운스트림 전력 레일을 파악하는 방법에 대해 알아보겠습니다.
가변 속도 구동 장치(VSD)에는 기본 제어 전원 공급 장치 및 인버터 전자 장치용 전력 공급 장치(이전 블로그 시리즈의 게이트 드라이버 및 전류 감지 회로)를 제공하기 위한 특정 업스트림 회로 설계가 필요합니다. 이러한 사항은 일반적인 VSD 아키텍처의 일반화된 보기를 보여 주는 그림 1에 그래픽 형식으로 강조되어 있습니다.
그림 1: 가변 속도 드라이브 아키텍처의 세부 사항
이 블로그에서는 그림 1에서 강조 표시된 VSD 블록 내에서 중요한 전원 공급 장치의 두 가지 주제를 다룹니다.
- 기본 제어 전원 공급 장치 보호
- 다운스트림 저전압 부하 지점(POL) 전력 레일 파악
제어 전원 보호
VSD에서는 과도현상 및 이상 조건으로부터 기본 제어 전원 공급 장치(일반적으로 24V)를 보호하는 것은 매우 중요합니다. 일반적으로 이러한 공급 레일에는 두 가지 경로가 있기 때문입니다. 첫 번째 경로는 24V 제어 전원 공급 장치가 절연형 전력 변환 단계를 통해 AC 메인 전원 또는 고전압 DC 버스에서 파생되는 경로(지난 블로그에서 설명)입니다. 단, 이 24V 레일은 일반적으로 VSD에 연결된 보조 전원 입력에서 직접 공급될 수도 있습니다. 대부분의 자동화 환경은 다양한 제어 장비를 위해 제어 캐비닛 주위에 24V 공급 장치를 배포하며, 일반적으로 VSD는 이 공급 장치를 활용합니다. 이러한 보조 24V 입력은 일반적으로 컨버터에서 파생된 24V 공급 장치와 다이오드-OR 처리되어, 한 번에 하나의 공급원만 활성화됩니다.
이 기능을 사용하면 AC 메인 전원이 끊기더라도 일반적으로 보조 24V 공급 장치가 계속 작동하며, VSD의 제어 전자 장치에 전원이 계속 공급되어 VSD를 신속하게 다시 시작하고 계속 작동이 진행될 수 있습니다. 단점은 이제 VSD 전력 공급 장치가 공장 전체의 24V 공급 시스템에 있는 모든 전압 과도현상에 노출된다는 것입니다. 그 예로는 배선 케이블의 전압 고리를 자극하는 전환 부하, 시스템을 통해 전파되는 낙뢰, 인근 전기장이나 사람과의 접촉으로 인한 정전 방전, 케이블에서 수신된 전자기 간섭 등이 있습니다. 따라서 이 보조 공급 입력을 견고하게 보호해야 합니다.
VSD 기능 안전 표준 IEC 61800-5-2 부록 A(섹션 B.3.2)에서는 이러한 24VDC 레일에 권장되는 전원 공급 장치(PS) 및 전압 모니터(VM) 하위 시스템을 보여 줍니다. 극성 반전, 과전류 및 전압 과도현상과 같은 다양한 일반적인 결함에 대한 보호로 구성됩니다.
그림 2: IEC 61800-5-2에 따라 권장되는 보조 공급 전원 보호
관련된 과도현상의 에너지 수준과 기간은 다양할 수 있으므로, 개별 회로의 설계는 시간이 많이 걸리고 오류가 발생하기 쉬우며 장기적인 신뢰성이 낮을 수 있습니다. Analog Devices 서지 스토퍼 제품군과 같은 통합 솔루션은 입력 반전 극성 감지 및 보호, 과전류, 단락 및 돌입 전류 감지 및 보호, 고전압 과도 차단 등의 모든 IEC 61800 요구 사항을 통합합니다.
그림 3: Analog Devices의 IEC 61800-5-2의 서지 스토퍼 구현
그림 3은 IEC61800-5-2 보호 권장 사항을 잠재적으로 구현하여 Analog Devices의 서지 스토퍼 솔루션 사용을 보여 줍니다. LT4363 또는 통합형 MOSFET 모델 LTC4381과 같은 부품은 기본 제어 전원 공급 장치를 위한 강력하고 안정적인 보호 솔루션을 제공할 수 있습니다.
저전압 부하 지점(POL) 전원
기본 제어 전원 공급 장치의 다운스트림에는 저전압(12V 미만) 전원 레일이 있습니다. 대체로 메인 컨트롤러 장치(CPU, FPGA), 기타 디지털 구성 요소(메모리, 송수신기, 인터페이스), 아날로그 회로(ADC, DAC, 연산 증폭기 등) 및 I/O 장치와 터미널에 전원을 직접 공급하는 부하 지점(POL) 공급 장치가 있습니다. 이러한 전원 아키텍처의 구체적인 설계는 VSD마다 고유하며, 일반화하기는 어렵지만 이러한 전력 공급 장치에 대한 일반적인 접근 방식은 그림 4와 그림 5에 나와 있습니다. 그림 4에서는 단일 스테이지 전환 조정기가 사용되며, 일부 주요 저전압 레일의 경우 소음에 민감한 아날로그 레일 또는 낮은 전압 수준의 매우 낮은 전류 레일을 위한 다운스트림 저드롭아웃(LDO) 조정기가 포함됩니다.
그림 4: 단일 스테이지 스위처 방식
그림 5에서는 단일 완충 레일이 생성되고(이 경우 5V) POL 장치의 필요성에 따라 개별 레일로 더욱 낮아집니다. 또한 여기에는 많은 VSD에 사용되는 복잡한 다중 컨트롤러 시스템에서 중요할 수 있는 시작 순서 지정 또는 공급 레일 추적에 대한 잠재적인 필요성이 나와 있습니다.
그림 5: 다단계 스위처 방식
POL 전원 공급 장치의 아키텍처 설계는 복잡하며 전반적인 효율성, 비용, 공간 및 소음과 관련된 여러 단점이 포함됩니다. Analog Devices의 LTpowerCAD, LTpowerPlanner, LTSPICE와 같은 도구를 사용하면 설계 문제를 대폭 줄일 수 있습니다.
요약
이 블로그에서는 VSD 내의 전력 공급 장치에 대한 주제를 통해 기본 제어 전력 공급 장치에 대한 보호 회로의 중요성을 강조하고 POL 저전압 공급 장치 설계와 관련된 과제를 다루었습니다.