доклад Клокова на конф МГУ

УДК 621.313.323
Аппаратная
реализация
трехуровневого
преобразователя
мощностью 2 МВт для привода синхронного двигателя с
постоянными магнитами
Владислав Завгородний, Алексей Клоков, Виталий Червенков, Илья Юртайкин, ОАО
«Электровыпрямитель», г. Саранск, Российская Федерация
Приводятся структурная и силовая схемы и особенности схемотехники мощного
трехуровневого преобразователя. Описаны конкретные схемотехнические решения плат системы
управления.
Ключевые слова: синхронный электропривод, преобразователь частоты, система управления,
интерфейсная плата, драйвер транзистора.
Hardware implementation of three-level inverter 2 MW to drive a
synchronous motor with permanent magnets
Vladislav Zavgorodny, Alexey Klokov, Vitaly
«Electrovipryamitel», Saransk, Russian Federation.
Chervehkov,
Ilya
Yurtaykin,
JSC
Are structural and power circuits, and features a powerful three-level inverter circuitry. Describes the
specific circuit solutions management boards.
Keywords: synchronous electric drive, frequency inverter, control system interface board, the driver
transistor.
Структурная схема ПЧ приведена на рис. 1. Силовая схема представляет собой классический
трехуровневый инвертор с фиксирующими диодами и двумя тиристорными мостами на входе. Для
уменьшения коэффициента искажений выходных напряжений применен выходной LC – фильтр. Для
сброса энергии предусмотрены чопперные каскады и внешние резисторы. Все режимы работы
схемы были промоделированы с помощью программы PSIM 9.0.
В ПЧ применены транзисторные модули МТКИ 3600-12КН, диодные модули МДЧ 3600-12КН и
тиристоры Т273-2000-28 производства ОАО «Электровыпрямитель». Каждый из изображенных на
схеме приборов представлен двумя запараллеленными модулями. Все силовые приборы
размещены на охладителях, через которые прокачивается дистиллированная вода.
В схеме ПЧ действуют значительные токи с большими производными, создающие высокие
уровни наводок, поэтому было принято решение специально для таких сильноточных схем
разработать датчики напряжений, токов и других аналоговых сигналов с последовательным каналом
передачи по оптоволокну.
Такое решение позволило размещать сами датчики в любых местах преобразователя и
передавать информацию на любые расстояния без помех.
В рамках данного проекта были разработаны схемы канала преобразователя аналогового
сигнала в частоту с выходом на оптоволокно и канала преобразователя частоты сигнала в
оптоволокне в напряжение для подключения ко входу АЦП микроконтроллера.
В качестве основного кристалла для преобразователей U-F выбрана микросхема VFC110AG,
выпускаемая фирмой Burr Brown.
Входные токи тиристорных мостов измеряются соответствующими датчиками I1…I6. Сигналы с
датчиков тока поступают на шесть плат датчиков тока ДТ1, где преобразуются в оптические битовые
потоки (мгновенные токи преобразуются в частоту), по оптоволокнам приходят в плату
преобразователей F-U 1, и далее уже через медную связь поступают в плату интерфейсов 1.
Входные линейные напряжения поступают на платы датчиков напряжения ДН1, откуда по
оптоволокнам приходят на плату преобразователей F-U, и далее через медную связь попадают в
плату интерфейсов 1.
Рис. 1 Структурная схема преобразователя частоты
Аналогично обрабатываются сигналы с датчиков тока в положительной и отрицательной
шинах после выпрямителя I7 и I8, с датчиков напряжений на конденсаторах входного фильтра, с
датчика тока чоппера I9, датчиков выходных токов ПЧ I10…I12, датчиков выходных линейных
напряжений.
Драйверы тиристоров ДТИР выполнены также с оптоволоконным управлением, причем по
одному волокну сигналы на включение тиристоров поступают от платы Опто-1, а по другому волокну
от драйвера поступает информация о состоянии драйвера.
Аналогично устроены и драйверы транзисторов (группы ДТР1…ДТР4).
Все драйверы таким образом могут быть размещены вблизи управляемого прибора без риска
помех от наводок на передающую линию.
Для управления драйверами транзисторных модулей используются «быстрые» выходы с
микроконтроллерной платы. Сигналы, усиленные буфером после «ближних» развязок, поступают на
плату с оптопередатчиками, и после нее оптоволокна идут на свои драйверы транзисторов.
Таким образом, фронты сигналов, приходящих на затворы транзисторов, претерпевают
минимально возможные задержки, позволяя как можно точнее индивидуально, с конкретного пина
микроконтроллера, управлять фронтами включения и выключения транзисторов. Общий сдвиг
включающего сигнала в этом случае будет определяться фактически временем пробега напряжения
на затворе от выключенного состояния до точки перезаряда емкости Миллера (начало процесса
включения, которое протекает примерно за 100 нс). В таких мощных драйверах, которые применены
в данном ПЧ, при работе на огромные затворные емкости, задержка в драйвере оценивается
приблизительно в 450 нс, так что задержки в изоляторах, формирователях и оптопередатчиках с
оптоприемниками не играют существенной роли.
В драйверах транзисторов могут возникать состояния, которые опознаются как сверхток – если
за определенное время после поступления открывающего импульса напряжение коллектор –
эмиттер не опустится ниже установленного порога. Такое состояние считается аварийным, так как
свидетельствует о том, что в цепи, где стоит транзистор, развивается сверхток, нужно быстро, но
плавно попытаться выключить данный транзистор и передать информацию о возникновении
сверхтока в микроконтроллер. Драйвер выполняет эту функцию без вмешательства других схем и
вырабатывает сигнал для микроконтроллера об обнаружении аварии.
По обратным оптоволокнам с драйверов через плату с оптоприемниками сигналы поступают на
группу микросхем в интерфейсной плате, где собираются в один сигнал, и если хотя бы с одного
драйвера сигнал прервется, через опторазвязку произойдет прерывание программы, и контроллер с
помощью опроса регистров и развязок определит номер сработавшего драйвера. Таким же образом
происходит опрос «медленных» битовых сигналов, поступающих на регистр платы интерфейса.
Преобразователи F-U и платы Опто подключены к разъемам двух плат интерфейсов (1 и 2). На
каждой из этих плат установлены платы Control Card 28335 с запаянными микроконтроллерами
TMS320F28335.
Основные характеристики микроконтроллера:
- тактовая частота – до 150 МГц;
- наличие блока обработки чисел с плавающей точкой;
- 16 – канальный 12- битный АЦП с временем преобразования 80 нс.
- 512 кбайт FLASH;
- 34 кбайта ОЗУ.
На базе этого контроллера фирма Texas Instruments разработала и поставляет потребителям
модуль TMDSCNCD28335 с запаянным процессором TMS320F28335. Для данной разработки было
решено использовать именно этот готовый модуль.
Размеры модуля – 90 * 25 мм, он сочленяется со стандартным разъемом DIMM-100, требует 5
В питания, включает изолированный интерфейс RS-232. В ПЧ применены 2 таких модуля,
вставленные в разъемы, размещенные на двух интерфейсных платах.
Во избежание проблем с наводками от силовых токов с высокими значениями производных на
сравнительно чувствительные близкие к микроконтроллеру цепи при разработке была принята
идеология «двойного кольца» изоляции. Этот способ, хотя и требует некоторой схемной
избыточности, показал свою эффективность в нескольких разработках, где силовые токи в
конструкции достигали производных около 10 000 А/мкс при достаточно высокой частоте - около 16
кГц.
Идея заключается в том, чтобы максимально близко к микроконтроллеру создать «ближнее
кольцо» изоляции, запитать все внутренние схемы отдельным источником, тщательно отследить
пути прохождения возвратных токов слабых сигналов. Плата контроллера с окружающими
гальваническими цифровыми развязками вместе с внутренним источником питания и близко
расположенными проводниками возвратной земли образуют очень небольшой физический объем.
Фактически микроконтроллерное ядро не имеет кондуктивных связей с окружающими схемами,
поэтому вероятность наводок от силовых токов резко падает.
Для реализации такой гальванразвязки были выбраны микросхемы ISO7240MDW фирмы
Texas Instruments, в которых реализованы четыре цифровых канала передачи с емкостными
изоляторами на барьере из двуокиси кремния со скоростью до 150 Мбит/с с малым разбросом
выходных сигналов соседних каналов (менее 1 нс), малыми искажениями длительности
передаваемого сигнала (менее 2 нс), пиковым напряжением изоляции 4 кВ
Собственная проходная емкость этих микросхем очень мала.
Две интерфейсные платы обмениваются друг с другом по каналу RS-485. Плата интерфейсов
1 занята в основном управлением тиристорными мостами и поддержанием нужного уровня
напряжения на конденсаторах входного фильтра. Необходимый в данный момент уровень
напряжения задается от платы интерфейсов 2. Также плата интерфейсов 1 обслуживает некоторые
внешние сигналы, поступающие от платы расширения 1 (сигналы от датчиков температуры, от
датчиков закрытых дверей шкафов, от коммутации с местного пульта управления ПЧ).
Плата интерфейсов 2 обслуживает в основном инвертор, вырабатывает импульсы управления
для драйверов транзисторов, следит за заданиями, поступающими от управления верхнего уровня
или с местного пульта управления, следит за сигналами, поступающими от драйверов
транзисторных модулей, обрабатывает аналоговые сигналы, поступающие с датчиков токов и
напряжений.
В схеме платы интерфейсов введен компаратор, отслеживающий уровень питающего
напряжения +24 В. При понижении напряжения ниже 20 В компаратор прерывает процесс, при этом
легально выключаются все транзисторные модули в силовой схеме, запоминается состояние
основных регистров и причина отказа.
В схеме введены два гальванически развязанных канала RS-485, для них применены
надежные приемопередатчики ADM2483BRW фирмы Analog Devices. Выходы этих микросхем
запитаны отдельными источниками + 5 В. Для программирования микроконтроллера используется
стандартный протокол JTAG, для чего предусмотрен специальный разъем.
Все необходимые управляющие сигналы (например, выбирающие опрашиваемые регистры),
также развязаны вблизи контроллера.
В плате заложена микросхема памяти объемом 512 кбит, подключенная по интерфейсу IIC. В
ней хранятся все уставки, временные настройки, и т.д.
На 16 входов для АЦП контроллера поступают аналоговые сигналы с плат преобразователей
частота – напряжение. Внутри платы TMDSCNCD28335 смонтированы входные LC – фильтры,
поэтому в плате интерфейсов никакой обработки аналоговых сигналов не введено.
«Быстрые» сигналы, предназначенные для организации протокола SPI четырехканального
ЦАП, размещенного на плате расширения, подключены через гальванразвязки.
Кроме этих сигналов, необходимых для протокола SPI (SOMI, SIMO, CLK, LATCH), аналогично
обрабатываются и быстрые входные сигналы с энкодеров ( EN1, EN2, EN3).
В плате заложены 5 внутренних источников питания - преобразоватетели DC/DC фирмы
MornSun. Они имеют незначительные проходные емкости, амплитудное рабочее напряжение
изоляции – 1500 В. Таким образом, запитывая разные фрагменты от разных источников, мы
устраняем кондуктивные связи в системе управления. Внутренняя «земля» выведена на отдельную
внешнюю клемму и может быть соединена с оптимально выбранной точкой силовой схемы из
условия лучшей помехоустойчивости.
В платах расширения установлены по 8 реле, по 8 формирователей битовых сигналов, по 4
ЦАП для передачи аналоговых величин в ПЛК АСУ ТП. Платы расширения связаны с платами
интерфейсов также по оптоволокнам, что дает преимущества в помехоустойчивости передаваемых
сигналов.
Правая плата расширения, подключенная к плате интерфейсов 2, обслуживает связь ПЧ с ПЛК
АСУ ТП для дискретного управления с помощью выходных контактов реле и входных битовых
сигналов, а также выдает в ПЛК необходимые аналоговые сигналы.
Таким образом, вычислительное ядро, составленное из плат преобразователей частота –
напряжение, плат Опто (оптопередатчики и оптоприемники) и плат интерфейсов, фактически
отрезано от всей схемотехники ПЧ оптоволоконными связями.
Панель оператора MT4522TE фирмы Kinco связана с обеими платами интерфейсов по
каналам RS-485, она работает в режиме «master», а обе платы интерфейсов – в режиме «slave». По
этой линии панель оператора запрашивает и получает от плат интерфейсов необходимую
информацию – состояние переменных токов, напряжений, ключей, датчиков, и т.д., то есть
информацию, которая необходима для отображения на экране. Также панель оператора служит
интеллектуальным местным пультом управления, с которого поступают команды оператора.
Кроме этой связи, обе платы интерфейсов связаны еще одним каналом RS-485, плата
интерфейсов инвертора работает в режиме «master», а плата интерфейсов выпрямителя – в режиме
«slave». По этой линии платы обмениваются «внутренней» информацией, например, инвертор дает
задание выпрямителю на значение текущего необходимого напряжения на выходе фильтра звена
постоянного тока.
Панель оператора обменивается с ПЛК АСУ ТП по каналу MODBUS TCP, по нему в ПЧ
поступают управляющие команды от верхнего уровня, о от ПЧ передается содержимое регистров
ПЧ, определяющее состояние аппаратуры ПЧ, величины токов и напряжений, информация о
синхронизации, и т.д.
Еще одна линия RS-485 будет связывать панель оператора с внешним ПК.
Кроме всех перечисленных датчиков токов и напряжений, размещенных в шкафу инвертора и
шкафу выходного фильтра, в схеме представлены несколько датчиков, размещенных вдали от этих
шкафов. К ним относятся три датчика – энкодера, с которых поступают импульсы, связанные с
механическим положением валов разных устройств привода. Около каждого энкодера размещена
плата компаратора, формирующая битовый оптоволоконный сигнал, принимаемый платой
расширения.
Кроме того, с измерительных трансформаторов силовой схемы обвязки ПЧ с помощью
удаленных плат датчиков напряжений (группа ДН4) в плату интерфейсов 1 приходят сигналы,
необходимые для синхронизации выходного напряжения ПЧ с силовой сетью или выходным
напряжением двигателя в режиме, когда он отключен от питающих напряжений. Эти же сигналы
обрабатываются компараторами К2 и поступают по оптоволокнам в плату расширения 1. В эту же
плату приходит обобщенный сигнал нормальной работы шкафа водяного охлаждения,
сформированный компаратором К3.
Силовая часть ПЧ состоит из 11 блоков, размещенных на одинаковых охладителях, на каждом
из которых размещены по 4 силовых прибора. 9 блоков составляют мост инвертора, и 2 блока
реализуют чопперы, на каждую из половин конденсатора силового фильтра.
На каждом из охладителей установлен термодатчик, все сигналы с термодатчиков собираются
в одну цепь. На этом же охладителе размещены мощные резисторы и конденсаторы снабберов. Для
включения охладителя в контур с жидкостью решено применить быстроразъемные штуцеры и
муфты типа CBI фирмы Staubli. Эта технология позволяет при необходимости без протечек
отсоединить блок от жидкостного контура и извлечь его из шкафа.
В шкафу инвертора установлены датчики входных напряжений и токов, датчик тока Id, датчики
напряжений на конденсаторах входного фильтра.
Остальные датчики – выходных токов и напряжений инвертора, одного из чопперов –
установлены в шкафу выходного фильтра.
Питание системы управления ПЧ осуществляется от двух надежных сетевых источников DPR480-24 фирмы Mean Well.
Неотъемлемой и важнейшей частью описываемого ПЧ является шкаф системы охлаждения
При расчете гидросхемы шкафа закладывалась отводимая мощность 200 кВт при
прокачиваемом объеме во внутреннем контуре около 7 200 л/час (около 120 л/мин). Максимальная
температура воды, подаваемой на вход внешнего контура охлаждения, закладывалась равной 25 °С.
Гидравлическая схема шкафа охлаждения включает два контура, внешний, в котором
установлены на входе манометр, грязевой фильтр, теплообменник, расходомер. Во втором,
внутреннем чистом контуре с дистиллированной (деионизированной) водой после блоков инвертора
установлены датчик температуры воды, грязевой фильтр, теплообменник, две ветви с насосами
(продублированы для надежности) и обратными клапанами, расходомер, манометр, датчик
электропроводности воды, датчик температуры воды, подаваемой в инвертор.
При выборе подходящего теплообменника было решено остановиться на продукции компании
«Ридан» - крупнейшего производителя теплообменной аппаратуры в России.
Так как в системе имеются значительные перепады сечений водяных каналов, т.е. велика
вероятность возникновения кавитации на расширениях, было решено держать весь внутренний
контур под давлением около 1,5 бар. Для этого в систему встроен мембранный расширительный бак
InterVarem 20 емкостью 20 литров, в котором поддерживается давление 1,5 бара.
Для того, чтобы поддерживать низкую электропроводность воды во внутреннем контуре,
небольшая часть потока замыкается через картриджный деминерализатор Поток в этой ветви
регулируется вручную и контролируется расходомером. Деминерализатор оснащен собственным
измерителем электропроводности и позволяет контролировать время замены смол.
Выбранные насосы Grundfos CRN имеют заведомо большую производительность, поэтому для
регулировки потока во внутреннем контуре применен частотный преобразователь, в качестве
которого выбран надежный и малогабаритный ПЧ FR-D700 фирмы Мицубиши, мощностью 3,7 кВт.
Применение регулируемого потока позволяет избежать гидроударов в системе и экономить воду
внешнего контура.
Для всех шкафов в качестве оболочек выбраны конструктивы Риттал: шкаф водяного
охлаждения – 1200 * 800 * 2000; шкаф инвертора – два шкафа размерами 1200 * 800 * 2000; шкаф
выходных фильтров – 1200 * 600 * 2000; шкаф тормозных резисторов – 800 * 800 * 2000.