Inverter do silnikow asynchronicznych z HEF4752

Inverter do silnikow asynchronicznych z HEF4752

Tekst z 1981 roku.

W numerze November 1980, "Electronic components and application" Vol 3, No1 omowiono aplikacje ukladu LSI, HEF4752 wytwarzajacego trojfazowy sygnal PWM do sterowania tranzystorowych lub tyrystorowych inverterow mocy.

www.fortyy.w.interia.pl/ECaA/ECaA vol3No1.pdf


 Nie sa to uklady VLSI. Uklad omowiono szczegolowo w poprzednich numerach ale sa one niedostepne autorowi bowiem numer Nov 1980 dotarl do autora przypadkiem. Takze we wczesniejszym numerze omowiono konstrukcje invertera mocy oraz sensora pradu DCCT czyli Direct Current Current Transformer.
Philips uklady serii CMOS 4000 znakuje jako HEF4000 a seria 475X zawiera zlozone uklady licznikowe. W numerze Nov 1980 omowiono takze aplikacje w syntezerze czestotliwosci do radiotelefonu, pary ukladow LSI typu HEF4751, Uniwersal divider i HEF4750 Frequency Synthetiser. Gdyby Philips mogl fukcjonalnosci obu tych ukladow scalic to z pewnoscia by to zrobil z czego wynika ze oplacalna do uzysku ilosc scalonych tranzystorow w technologi Local Oxidated CMOS nie jest wielka.
W tym samym numerze omowiono aplikacje diody laserowej oraz budowe i programowanie super-portu szeregowego w mikrokontrollerach rodziny MAB8400 na bazie licencyjnych mikrokontrollerow Intel 8048 i 8021. Zawiera on az do 4K pamieci ROM z czego wniosek ze Philips ma technologie VLSI nMOS niewiele gorsza (jesli w ogole gorsza) od Intela skoro oplacalnie potrafi scalic 50 tysiecy tranzystorow.

Z innego zrodla wiadomo ze parametry sygnalu PWM zadaje sie ukladowi HEF4752 podawaniem 4 czestotliwosci.
Na wejscie FCT ukladu HEF4752 nalezy podac czestotliwosc 3360 razy wieksza niz ma miec sinusoidalny sygnal wyjsciowy
Na wejscie RCT nalezy podac czestotliwosc 280 razy wieksza (app 300kHz) niz czestotliwosc komutacji
Na wejscie VCT nalezy podac czestotliwosc (app 300kHz) okreslajaca stosunek F/V generowanego sygnalu
Na wejscie OCT nalezy podac czestotliwosc (app 600kHz) okreslajaca minimalny czas trwania impulsu PWM

Czestotliwosci FCT i VCT pochodza z generatorow V/F sterowanych napieciowo choc w najprostszym razie VCT moze byc stala.

Uklad na szesciu wyjsciach wytwarza sygnal do sterowania tranzystorow mocy invertera lub szesciu tyrystorow mocy (dla tyrystorow wypelnienie impulsu wynosi 1/3) a kolejne szesc wyjsc steruje wtedy tyrystory komutacyjne. Do wyboru funkcji sluzy wejscie "I" ukladu.

Publikacje Philipsa sa czyms zupelnie wyjatkowym bowiem szczegolowe rozwiazania ukladow sterujacych w energoelektronice nie sa nigdy podawane.
Analogowy uklad sterujacy mozna uzyc tez w innym inverterze.

Jednak jaki jest algorytm pracy, ile bramek czy tranzystorow HEF4752 ma, tego nie wiadomo. W polskiej literaturze opisano przykladowo wykonanie na licznikach ukladow mnozacych czy dzielacych. HEF4752 ma ponoc tylko trzy liczniki i dosc zlozony uklad wypracowujacy sygnal PWM. Mozliwe jednak ze uzyto pamieci ROM do oszczednego stablicowania sygnalu PWM. Parametry sygnalu PWM zadaje sie podawaniem 4 czestotliwosci. Tak wiec proste sprzezenie HEF4752 z mikrokontrollerem czy mikrokomputerem portem rownoleglym nie jest mozliwe. Komputer moze miec przetwornik D/A sterujacy przetwornikiem (przetwornikami) V/F. Moze tez napiecie do sterowania przetwornikiem V/F wytwarzac poprzez podanie impulsow (w strone plus i minus) o zmiennym czasie do integratora. To rozwiazanie wydaje sie optymalne bowiem doskonale laczy sie z funkcja rampingu

Uklad mozna wykorzystac do budowy invertera typu V/F=const. Naped V/F=const stosuje sie do napedow regulowanych i do budowy serwonapedow o malych wymaganiach. Zaleta jest brak koniecznosci uzycia Tacho i czujnika polozenia choc ten drugi dla serwo polozeniowego jest konieczny. Sztywnosc i stabilnosc napedu poprawia sie stosujac kompensacje I x R oraz podnoszac napiecie dla malych czestotliwosci co zapobiega bardzo zlemu rozmagnesowaniu rotora silnika asynchronicznego.
Invertery do sterowania silnikow asynchronicznych zarowno jako regulowane napedy silnikow jak i servonapedy sa komercyjnie dostepne w USA i europie zachodniej od polowy ubieglej dekady. Sa objete zakazami eksportu do krajow RWPG z czego nalezy wnioskowac ze sa to urzadzenia ktore beda odgrywac w przyszlosci duza role. Mowa przeciez o maszynach CNC i robotach. Sa projektowane i produkowane tylko przez potezne koncerny. Zakres mocy wynosi 1-500KW. W krajach RWPG nie uruchomiono normalnej produkcji inverterow PWM mimo iz w ZSRR zaawansowane prace trwaja od dosc dawna.
Robot firmy ASEA z napedami elektycznymi PWM (invertery tranzystorowe ale silniki sa jeszcze pradu stalego) z 1975 roku stanowi jeszcze nowosc ale zastosowanie silnikow AC nastapi niedlugo. .

Uklad HEF4752 jest oczywiscie niedostepny. Totez komentarz do artykulu jest czysto teoretyczny.

Na schemacie pokazano ze predkosc napedu zadawana jest potencjometrem. Moze tak byc w ukladzie demonstracyjnym czy testowym. W rzeczywistosci to sterownik lini produkcyjnej z regulowanymi napedami lub robota dyktuje napedowi z jaka predkoscia ma pracowac. Przykladowo mozna synchronizowac linie produkujace dwa proste podzespoly, ktore sa nastepnie laczone. Maszyny na lini A odcinaja paski blachy, wytlacza i wycinaja ja. Maszyny na lini A odcinaja kawalki rurki i wyginaja ja. Czesci z lini A i B wpadaja do szablonu montazowego gdzie sa automatycznie pneumatycznie wypozycjonowane i sprasowane.

Dla poprawnego sterowania silnika asynchronicznego trzeba dbac o to aby namagnesowanie rotora silnika  pozostawalo caly czas w miare stale. Idea V/F='const' wymaga wiec podniesienia napiecia przy malych czestotliwosciach. Szybkosc narastania czestotliwosci invertera musi byc ograniczona zarowno dla pracy silnikowej jak i generatorowej. Przy zbyt duzej szybkosci narastania - opadania czestotliwosci nastapi bowiem nienadazanie rotora za polem statora i rozmagnesowanie rotora co poskutkuje spadkiem momentu mechanicznego a zarazem wielkim wzrostem pradu silnika. W najlepszym razie zadzialaja uklady bezpieczenstwa a naped przerwie prace i zakloci caly proces technologiczny. Szybkosc zmian powinna byc taka aby ze spodziewanym maksymalnym obciazeniem prad silnika nie przekroczyl 100-150% In.
Samodzielny uklad Ramping jest prosty. Wzmacniacz sygnalu bledu (roznica miedzy wejsciem a wyjsciem) o wzmocnieniu ca >100 razy steruje integrator. Poziom wyjsciowy sygnalu podany do wejscia integratora jest nastawiany niezaleznie dla kierunku narastania i opadania. Tak wiec juz przy niewielkiej roznicy In-Out wzmacniacz sygnalu bledu sie nasyca i wyjscie integratora narasta liniowo z ustawionymi szybkosciami.
Ograniczenie szybkosci zmian sygnalu zadanego systemowi regulacji nazywane jest po angielsku Ramping. Charakterystyczne jest to ze pasmo ukladu Ramping spada wraz z amplituda sygnalu. Efekt Slow Rate wystepujacy we wzmacniaczach operacyjnych to w istocie szkodliwy i niechciany Ramping. Stopien napieciowy z kompensacja Millera to odpowiednik integratora. W automatyce przemyslowej czasem celowe jest ograniczanie szybkosci zmian sygnalu zadanego podanego do regulatorow PI i PID aby uniknac zbyt gwaltownych, nieporzadanych zmian sygnalu sterujacego organy wykonawcze. Najlepszym rozwiazaniem tego problemu jest podawanie sygnalu zadanego tylko do integratora. Nie jest on podawany ani do czlonu proporcjonalnego ani tym bardziej do rozniczkowania w takim zmodyfikowanym regulatorze. Natomiast norma jest niepodawanie sygnalu zadanego do rozniczkowania. Zwazyc nalezy ze jest to dzialanie odwrotne do sprzezenia w przod FeedForward ktore rowniez moze byc stosowane z regulatorami PID, zwlaszcza gdy mozliwe z uwagi na stabilnosc petli wzmocnienie regulatora jest bardzo male.

Innym zagadnieniem jest ograniczenie pradu silnika na skutek mechanicznego przeciazenia. W ukladach automatycznych napedow przeciazenie powinno byc sygnalizowane sterownikowi bowiem naped faktycznie zwalnia i przestaje wlasciwie synchronicznie pracowac i realizowac rozkazy. Komputer czy sterownik musi odpowiednio zareagowac na sygnal bledu czy Alarmu. Inna sprawa jest ochrona przed uszkodzeniem samego napedu. Regulowany naped dzwigu czy suwnicy w momencie proby podniesienia zbyt ciezkiego ladunku musi blokowac kierunek ruchu podnoszenia.
Regula jest w zlozonej automatyce stosowanie czegos co nazywam dalej regulacja wariantowa. Otoz normalnie petla regulacji pracuje z przewidzianym dla niej zadajacym wejsciem glownym i sensorem ale w momencie gdy sygnaly z sensorow ktore sa "pilnowane" przekraczaja dopuszczalne zadane wartosci (lub ich kombinacje) one staja sie dla petli regulatora PI sygnalami regulowanymi. Budowa systemu regulacji wariantowej jest stosunkowo prosta. Najprostszym, trywialnym przykladem jest zasilacz krzyzowy z ograniczeniem pradu. Wypracowane sygnaly bledow podajemy do wybieraka ekstremum (czyli minimum lub maksimum) i dalej do regulatora PI. Wybieraki mozna laczyc kaskadowo i z polozenia wybierakow wynika priorytet sygnalow regulowanych. Aktywne wejscie - sensor - sygnal jest sygnalizowane lampka.
W systemie jest tylko jeden regulator PI / PID natomiast wzmocnienia (i ewentualnie akcja rozniczkujaca D) poszczegolnych petli sa optymalizowane dla konkretnej petli wariantowej. Regulator wariantowy znakomicie ulatwia automatyzacje rozruchu. Regulator pompy ktory normalnie ustala zadany przeplyw pilnuje takze aby cisnienie nie wzroslo zbyt mocno i pilnuje kombinacji cisnienia i przeplywu (bezpieczny obszar pracy pompy) chroniac pompe przed niszczaca kawitacja.
Wybieraki ekstermum sa prostymi ukladami ze wzmacniaczami operacyjnym a nawet tranzystorami.
Alternatywnym rozwiazaniem jest tyle regulatorow ile jest sensorow i laczenie wyjsc regulatorow PI-PID co okazuje sie nadwyraz klopotliwe bowiem petle dominujace musza miec wiekszy zakres sygnalow wyjsciowych aby zdominiowac normalna petle. Zdecydowanie nie jest to polecane. Powstaje problem zapanowaniem nad nasycaniem calkowania w regulatorach oraz duzych czasow martwych kiedy aktywujace sie regulatory musza nacalkowac az do poziomu "przejecia" regulatorow o nizszym priorytecie. .

Pomiar trojfazowego pradu inwertera DCCT jest trudny jako ze nie mozna z uwagi na wystepujaca wolnozmiennosc pradu uzyc do pomiaru transformatorkow, przekladnikow pradowych. Mozna uzyc czujnikow Halla lub sygnal z rezystora pomiarowego w kazdej fazie przeslac wzmacniaczem izolacyjnym z transformatorkiem sredniej czestotliwosci (ca 10-500 Khz) lub bariera transoptorowa. Nie wiemy jakie rozwiazanie zastosowal Philips (odpowiedz jest w Vol 2 no 2) ale z calego ukladu pomiarowego otrzymujemy odfitrowany modul pradu trojfazowego silnika bez znaku.
Do systemu potrzebna jest jednak informacja o pradzie pracy silnikowej i generatorowej invertera. Znak odfiltrowanego ze skladowej zmiennej pradu stalego pobieranego z zasilacza przez inverter jest ta informacja "dodana" do modulu pradu.
Informacji z artykulu Philipsa nie powtarzam. W systemie brak sterowania hamulca, ktory stosowany jest bardzo czesto. W momencie gdy silnik nie jest sterowany hamulec normalnie hamuje silnik i zapobiega niekontrolowanym ruchom.


Po pierwsze schemat jest uproszczony i brak jest wartosci elementow i typow uzytych ukladow scalonych. Wzmacniacze operacyjne sa zasilane napieciem +/- 12V a uklad IC5 z pewnoscia nie jest typowym wzmacniaczem. Klucze S1,2,3 nie sa typu CD4016 bowiem nie zgadza sie faza sygnalu sterujacego i wymagaja one w tym zastosowaniu konwertera poziomow. Brak jest takze wlasciwego dla nich zasilania
Przykladowo na Fig 5 "Speed reference signal" widac ze niezalaczony klucz S1 powoduje ze wejscie minus wzmacniacza operacyjnego IC7 jest do niczego nie dolaczone ! Uklad na pewno nie bedzie pracowal. Prawa koncowka rezystora R7 musi isc do wyjscia czyli prawej okladziny C4 a nie lewej bowiem uklad Ramping traci sens.
Na Fig 8 "Current and voltage control circuit" widac ze brakuje rezystora miedzy wejsciem minus IC1 a GND. Dopiero z tym rezystorem uklad jest wzmacniaczem i filtrem pulsacji sygnalu o czym mowa w tekscie.

W stosunku do wspomnianego najprostszego ukladu samodzielnego Rampingu skladajacego sie ze wzmacniacza o duzym wzmocnieniu i integratora nie mamy tu integratora ale regulator PI z elementami R15 i C4 wyznaczajacymi stala czasowa, na wzmacniaczu IC16. Poprzedzony jest on kasujacym zero regulatora PI biegunem na R9 i R11 i C2. Generalnie niedokladne kasowanie pary bieguna i zera prowadzi do dlugotrwalych procesow przejsciowych i nalezy takiego rozwiazania unikac. Elementy R15 i C3 w regulatorze PI to biegun wysokoczestotliwosciowy zapewniajacy stabilnosc wzmacniacza operacyjnego oraz filtrowanie zaklocen. Aby petla Rampingu byla stabilna wprowadzono przyspieszenie fazy rozniczkujacym kondensatorem C1. Z kolei wzmacniacz o duzym wzmocnieniu IC7 musi miec lokalne sprzezenie zwrotne aby system pracowal poprawnie w postaci rezystora od wyjscia do wejscia ujemnego.
Uklad Rampingu wykorzystuje zarowno wejscie dodatnie jak i ujemne wzmacniacza poprzez klucze S1 i S2..
Regulator PI zamiast integratora zastosowano aby mozliwe bylo wprowadzenie do niego sygnalow ograniczenia pradu silnika i sygnalu regulatora napiecia kondensatora prostownika ladowanego zwracana energia w modzie generatorowym. Oczywiscie w danym momencie jest aktywne tylko ograniczenie pracy silnikowej lub generatorowej
Regulator ograniczenia pradu pracy silnikowej jest typu kaskadowo polaczonych regulatorow PID (Fig 8 ) i PI !
Regulator ograniczenia pradu pracy generatorowej jest kaskadowym polaczeniem regulatorow PI i PI.
Regulator ograniczenia napiecia na kondensatorze prostownika jest typu kaskadowo polaczonych regulatorow PID + PI + PI !

Regulatory dzialaja faktycznie ze szkodliwa zwloka bowiem przy sumowaniu na wejsciu ujemnym regulatora PI na IC16 aktywny regulator ograniczenia wpierw musi "pokonac" akcje wzmacniacza petli Rampingu IC7 i dopiero dziala wlasciwe ograniczenie. Rozwiazanie jest wiec prymitywne mimo swojej komplikacji.

Mozna sie domyslec ze autorzy zroznicowali dynamike regulatorow pradu silnikowego i generatorowego uwazajac ze chodzi przy pracy silnikowej o mozliwosc sztywnego lub pol sztywnego utyku a przy pracy generatorowej takiego twardego oporu nigdy raczej nie ma.
Te dziwaczne kombinacje regulatorow wyniknely prawdopodobnie z nieznajomosci idei regulacji wariantowej z ktora tu mamy faktycznie do czynienia i laczeniem na sile wyjsc roznych sygnalow regulatorow.
Zoptymalizowanie stalych czasowych wszystkich regulatorow z pewnosci jest trudne jesli w ogole jest mozliwe. Zadanie nalezy wykonac teoretycznie bowiem nastawienie takiej ilosci parametrow jest calkowicie niemozliwe.

W artykule nie podano na jakich ukladach scalonych wykonane sa sterowane przetworniki V/F. Autor stworzyl prosciutki przetwornik o wzglednie duzej mozliwej czestotliwosci bedacy wariacja generatora RC na trzech inverterach TTL (rownie dobrze CMOS) Pierwszy inverter zostal zastapiony tranzystorem NPN o duzym wzmocnieniu a opornik stalej czasowej sterowanym i kluczowanym dioda zrodlem pradowym z tranzystorem. Dziala znakomicie w zakresie czestotliwosci ponad 300 razy. W dokladnym serwonapedzie wymagana jest jednak wieksza dynamika czestotliwosci. Jednak przetworniki U/F ze wzmacniaczami operacyjnymi nie wchodza w rachube dla stosowanych dla HEF4752 czestotliwosci.

Dzialanie ukladu z Fig 10, "IR-compensation circuit" jest oczywiste. Jak wynika z wykresu podnosi on napiecie silnika przy malych czestotliwosciach co pozwala na utrzymanie caly czas namagnesowanego rotora i niezawodna prace napedu. Jednak przy czestotliwosci badzo malej i zerowej napiecie jest zerowe. Jest to niedobre bowiem nieruchomy naped jest rozmagnesowany i nie jest momentalnie dyspozycyjny co jest bezwglednie wymagane w serwonapedach. Wada ta nalezaloby usunac jesli naped ma byc uzyty w prostym serwomechanizmie.
Z drugiej strony w regulowanych napedach silnik nie-serwomechanizmowy nie moze byc na postoju dlugo zasilany pradem bowiem nie pracuje chlodzacy silnik wentylator.

Podsumowujac, zdaniem autora :
- Nalezy zastosowac regulacje wariantowa co uprosci uklad i polepszy prace
- Nalezy zwiekszyc napiecie silnika dla bardzo malych czestotliwosci co umozliwi prace jako pelnowartosciowe serwo. Funkcjonalnosc ta powinna byc latwo blokowana dla pracy jako regulowany naped
- Sygnal Alarm wskazujacy na ograniczenie pradowe M/G lub niebezpieczne napiecia zasilacza musi byc wyprowadzony do nadrzednego sterownika. Sygnal moga podac styki przekaznika, transoptor lub przy polaczeniu galwanicznym odporne na zwarcie wyjscie tranzystorowe.
- Napieciowy sygnal sterujacy musi byc symetryczny co ogromnie polepszy odpornosc na zaklocenia i umozliwi nie-stosowanie bardzo drogiej izolacji sygnalu analogowego. Osiagniecie tłumienia zaklocen rzedu 60 dB jest mozliwe. W systemie automatyki inverter jest przeciez tylko jednym z wielu urzadzen na pewnej przestrzeni. Wyjscie analogowe sterownika nie musi byc bynajmniej symetryczne. Wtedy na drugi symetryczny przewod sygnalowy podajemy GND sterownika przez opornik taki jak opornosc wyjsciowa asymetrycznego wyjscia. Natomiast kable i wejscie musza byc symetryczne.

W duzym systemie bez izolacji galwanicznej GND calego systemu nie jest do niczego dolaczony (dla RF GND jest uziemiona) a izolacja systemu jest caly czas monitorowana aby wszczac wczesny Alarm, kiedy system ma juz uszkodzona izolacje lub co gorsza przebicie do napiec sieciowych ale jeszcze normalnie pracuje.

Tak wiec dobrze jest obejrzec uklad Philipsa aby upewnic sie co do idei sterowania i ja zrozumiec.

Bez opanowania technologi VLSI szanse Polski nie wygladaja dobrze.