Hvordan bygge kraftomformere for industrielle motorstyringssystemer: Beskyttelseskretser, sensorer og tilkoblinger

En av de viktigste funksjonene i et industrielt motorstyringssystem er beskyttelseskretsene. Beskyttelsen mot overspenning, overstrøm og overtemperatur, samt beskyttelse mot feil i gate driverne, er avgjørende for pålitelig drift. I tillegg er beskyttelse på systemnivå, som sikringer på inngangs- og utgangssiden, essensielt for å sikre at hele systemet fungerer trygt. Dette er grundig behandlet i kapittel 8.

Koblingen mellom motoren og omformeren er også en kritisk del av systemet. Storskala industrielle motorstyringer benytter motorviklinger som tillater drift og kontroll av motoren langt fra selve motorstyringssystemet. For eksempel er standardavstanden for en Danfoss-drive 300 meter (uten skjermet kabel) eller 150 meter (med skjermet kabel). Hvis disse viklingene ikke benyttes, er den standard avstanden mellom drive-enheten og motoren kun 50 meter.

I et industrielt motorstyringssystem blir alle disse enhetene overvåket og kontrollert av en sentral kontrollmodul. Denne modulen er vanligvis implementert på et digitalt kretskort, bygget rundt en mikrocontroller, DSP, PLC, FPGA, eller ASIC. Et slikt system må inkludere flere funksjoner for å sikre korrekt drift:

• Systemkommandoer og initialisering

• Automatiske tester og start/stopp-funksjoner

• Akselerasjon og retardasjon

• Styring av rotasjonsretning

• Brukergrensesnitt og dataoverføring

• Kontroll- og reguleringsalgoritmer

• Datafangst og digital behandling

• PWM-generering og inverterkontroll

• Supervision og diagnostikk

Disse funksjonene krever sofistikerte mikrocontroller-systemer som kan håndtere et bredt spekter av operasjoner samtidig.

I tillegg til de industrielle motorstyringene er det i økende grad behov for effektive løsninger for tilkobling til strømnettet, spesielt i forhold til distribuerte energikilder. HVDC-teknologi (høyspent likestrøm) er allerede i bruk for å overføre store mengder energi over lange avstander, som for eksempel Changji-Guquan Ultra-HVDC-linjen i Kina, som har en kapasitet på 12 gigawatt. Mange strømforsyningsselskaper har allerede integrert løsninger for strømkvalitet på anleggssiden av måleren.

Distribuert energiproduksjon er også et voksende område, der alternative energikilder som solenergi, vindkraft, brenselceller og mikroturbiner har fått økt betydning. Brenselceller, som produserer elektrisitet ved å kombinere hydrogen med oksygen, er et godt eksempel på hvordan denne utviklingen skjer. Et interessant aspekt av brenselcelle-teknologien er at det krever spesialiserte kraftomformere som kan konvertere vekselstrøm (AC) fra strømnettet til jevn likestrøm (DC) som er nødvendig for elektrolyseprosessen, som produserer hydrogen.

En annen interessant utvikling er veksten av prosumeren, som både er en energiforbruker og -produsent. Disse aktørene kan bidra til spissbelastningshåndtering i smarte strømnett, ettersom de kan dele overskuddsenergi med strømnettet. Dette skaper et nytt dynamisk forhold mellom energiprodusenter og forbrukere, hvor begge parter kan dra nytte av strømnettets tilgjengelighet.

Kraftomformernes kontroller har spesifikasjoner som sikrer at energi kan overføres til eller fra nettet. De to mest brukte driftsmodiene i denne sammenheng er grid-parallel, hvor omformeren synkroniseres med strømnettet for å bytte energi, og stand-alone, hvor omformeren opprettholder en trefaset spenning selv om strømnettet er koblet fra. Kontrollenhetene må kunne bytte mellom disse modusene på et øyeblikk dersom nettet plutselig kobles bort eller gjenopprettes.

Hvordan fungerer aktiv portkontroll og hva er utfordringene ved styring av IGBT?

Kontrollen av kollektor-spenningen i en IGBT skjer i en analog hurtigtilbakemeldingssløyfe, der stabilitetskravene krever at kontrollkretsen har poler ved frekvenser høyere enn portkretsens, typisk i området 1–10 MHz. Med høyytelses operasjonsforsterkere oppnås båndbredder på 50–90 MHz. En betydelig reduksjon i tap kan oppnås ved å kontrollere IGBT-spenningen i lukket sløyfe kun nær maksimal belastning, mens åpen sløyfe kan benyttes i resten av driftsområdet. Dette kompliserer naturligvis kontrollkretsen.

Ulempen med denne tilnærmingen kommer tydelig fram ved induktive laster. IGBT-spenningen kan ikke respondere på portspenningens påslag før den frikjørende dioden er av. Lukket sløyfe-kontroll lader porten raskt og skaper dermed en meget høy strømendring (di/dt). Historisk har neste steg i aktiv portkontroll vært kortslutningsbeskyttelse. Ved kortslutning forsøker beskyttelseskretsen å slå av porten for å kutte strømmen, noe som kan føre til store strøm- og spenningsoversving. Ved å øke portmotstanden i beskyttelsesfasen oppnås en myk avstengning som unngår store oversving.

Overspenningsbeskyttelse realiseres ofte ved å inkludere en ekstra transistor i portdriveren. Når transistoren aktiveres ved avslag, lades porten ut gjennom denne. Når kollektorspenningen når Zener-diodens brytespenning, slås transistoren av, og gjenværende strøm går gjennom en portmotstand som reduserer spenningsendringen (dv/dt). Moderne portdrivere kan justere di/dt og dv/dt uavhengig for å balansere krav til elektromagnetisk interferens (EMI) og effektivitet, for eksempel ved å optimalisere portmotstanden for lavest mulig EMI.

Metodene for aktiv kontroll av di/dt og dv/dt inkluderer tilbakemeldingskontroll basert på strømsløyfer eller spenningsfall, der sensorinformasjon ofte hentes via shuntmotstander eller Miller-effekt-sensorer. Imidlertid er aktiv portkontroll krevende å implementere på grunn av raske tidskonstanter og behovet for tilpasning til IGBT-enhetens karakteristika, som blant annet inkluderer det ikke-lineære Miller-platået.

Forskning på aktiv portkontroll har pågått siden 1990-tallet, men krever enhetsspesifikk tilpasning, noe som har begrenset utbredelsen i integrerte kretser. Likevel har nyere integrerte moduler (IPM) begynt å dra nytte av dynamisk portdriverkontroll.

Når det gjelder portslått-avslagsthyristorer (GTO), benyttes de ved høye strømmer og spenninger og er basert på en p–n–p–n-struktur som gjør det mulig å kontrollere både på- og avslagsprosessen. Ulempen er det store portstrømkravet ved avslåing og en lav forsterkning, som medfører kostbare og komplekse portdriverkretsløp, samt en "hale-effekt" hvor enheten fortsetter å lede inntil minoritetsladningene rekombinerer naturlig.

Innenfor kraftelektronikk skjer kontinuerlig utvikling av eksisterende komponenter som MOSFET og IGBT, med forbedringer i produksjonsteknologi og designregler. I tillegg utvikles helt nye typer halvledere, som kan deles inn i tre kategorier: spesialiserte enheter for spesifikke bruksområder (som IGCT og IGBT-RC), høyfrekvente høyspenningskomponenter for økt operasjonsfrekvens, og enheter basert på nye substratmaterialer som kan gi betydelig effektivitetsforbedring, men som krever nye tilnærminger til port- og beskyttelseskretser.

IGCT (integrert port-kommutert thyristor) kombinerer fordelene fra IGBT og GTO, og er egnet for mellom- og høyspenningsapplikasjoner med spenningsnivåer fra 2 til 6,9 kV og strømmer opp til 4 000 A. Denne arkitekturen muliggjør design som tidligere var urealistiske, uten å måtte kompromisse på startmoment eller regenerasjonsevne i motorstyringer.

Forståelsen av disse avanserte teknologiene krever innsikt i hvordan raske elektriske hendelser og ikke-lineære effekter påvirker kontrollkretsene, samt hvordan trade-offs mellom effektivitet, EMI og pålitelighet håndteres i design. Leseren bør også være oppmerksom på at implementering av aktive portkontroller fordrer svært nøye tilpasning til de spesifikke halvlederkomponentenes karakteristikker og driftsforhold. Videre må utfordringer knyttet til høyfrekvent styring og beskyttelse vurderes parallelt med utviklingen av nye materialer og enheter, som kan føre til fundamentale endringer i kraftkonverteringsarkitekturer.

Hvordan reduseres antall komponenter i trefase-effektomformere uten å ofre ytelse?

Utviklingen av moderne kraftomformere for trefase-systemer er i økende grad preget av behovet for å redusere antall komponenter uten å kompromittere systemets ytelse, pålitelighet eller fleksibilitet. Dette gjelder spesielt i applikasjoner der vekt, volum og kostnad spiller en avgjørende rolle – som innenfor transportsektoren, fornybar energi og kompakte industrielle drivsystemer. I denne konteksten har flere tilnærminger til topologisk forenkling blitt foreslått og implementert, blant annet nye invertertopologier, direkte omformere og spesialiserte implementasjoner som B4-inverteren og Z-kilde-omformere.

Reduksjonen av komponenter skjer primært gjennom to hovedstrategier: en systematisk endring av omformerens topologi og implementasjon av kontrollalgoritmer som tillater effektiv drift med færre aktive og passive elementer. For eksempel kan en typisk trefase-inverter (B6) bestående av seks brytere erstattes med en B4-topologi, som bare bruker fire brytere og én felles mellomspenningsledning. Dette muliggjør en betydelig komponentbesparelse, men forutsetter samtidig avansert kontroll av vektorstrømmer og spenningsforløp. Det krever også nøye koordinering mellom de to invertergrenene som nå må arbeide med høyere grad av kobling og vekselvirkning.

I tillegg introduseres metoder for å kompensere for variasjoner i likespenningen, som oppstår ved svingninger i last eller tilførsel. Dette er avgjørende i systemer som opererer uten energilagring eller med begrensede filterkomponenter. Her brukes dynamiske reguleringssløyfer og modellbasert kompensering som overvåker og tilpasser inverterens utgang i sanntid.

Et annet eksempel på en komponenteffektiv løsning er to-bens konverteren for tofaset asynkronmaskin. Denne benytter en minimert struktur for motorstyring i applikasjoner hvor det er ønskelig å bruke to-fase i stedet for full trefase-drift. I slike systemer oppnås likevel tilstrekkelig dreiemoment og kontrollfleksibilitet, spesielt i kombinasjon med egnet sensorikk og digital strømregulering.

Z-kilde-inverteren representerer en annen banebrytende arkitektur, hvor en enkel, men effektiv spenningsbooster integreres i en kompakt struktur. Ved hjelp av en spesiell kobling av induktanser og kondensatorer i en Z-formet kilde, kan inverteren både øke og redusere spenningen, noe som eliminerer behovet for separate DC-DC-trinn. Dette muliggjør større fleksibilitet i systemer med variable innganger, som solcelleanlegg eller varierende nettforsyning.

I tillegg til selve krafttopologien må hele kontrollarkitekturen tilpasses. Algoritmer for spenning- og strømstyring, harmonisk reduksjon og maksimal utnyttelse av likespenningen må optimaliseres og i mange tilfeller implementeres i sanntids systemer med høy oppdateringsfrekvens. Tilgjengeligheten av digitale signalprosessorer og feltprogrammerbare gate-arrays (FPGA) har derfor blitt en muliggjørende teknologi for disse avanserte løsningene.

Et viktig aspekt som bør vurderes av leseren, er at komponentminimering ikke bare handler om å redusere fysisk antall elementer, men også om å redusere systemkompleksitet, produksjonskostnader og vedlikeholdsrutiner over systemets levetid. I denne sammenhengen blir pålitelighet og robusthet avgjørende vurderingskriterier, og de reduserte løsningene må evalueres i lys av både normal drift og potensielle feilsituasjoner.

Det er også avgjørende å forstå hvordan termisk belastning fordeler seg i redusert topologi, og hvordan denne påvirker systemets levetid. Reduksjonen av aktive komponenter kan føre til høyere strøm- og spenningsstress per enhet, som igjen kan akselerere aldringsprosesser og øke kravene til kjøleløsninger. Derfor bør varmehåndtering, inkludert bruk av termisk modellering og overvåking, integreres tidlig i designprosessen.

Hvordan takle forsinkelse og ustabilitet i strømstyringssystemer for effektomformere

For å oppnå optimal kontroll av strøm eller spenning i effektomformere, er det flere praktiske utfordringer som må adresseres. Dette inkluderer blant annet tidsforsinkelser i systemet, risikoen for akkumulering i integratordelen av regulatoren, samt utfordringer knyttet til passende begrensning og definisjon av inn- og utgangsverdier.

Når det gjelder PID-regulatorer, har det blitt utviklet flere metoder for å finjustere parametrene for å minimere steady-state feil. En velkjent metode er den som ble introdusert av Ziegler og Nichols, som foreslår å tune kontrollparameterne for å oppnå et dødsfallforhold på 25 % i step-response-transienten. Dette innebærer at transientresponsen reduseres til en fjerdedel av sin opprinnelige verdi etter ett overshoot. Ved å bruke deres metoder kan PI-regulatorene kalibreres slik at gevinsten (Kp) og tidskonstanten (TI) er i samsvar med de fysiske egenskapene til systemet, for eksempel motstand (R) og induktans (L).

Det er imidlertid viktig å være klar over at implementeringen av slike regulatorer ikke er uten utfordringer. En vanlig kilde til problemer i praktiske systemer er forsinkelser som introduseres av filtre eller A/D-konvertering på målebanen. Selv små forsinkelser kan ha betydelig innvirkning på systemets stabilitet ved å redusere fasemarginen. I systemer med høy vekslingsfrekvens er det derfor nødvendig å vurdere forsinkelsens effekt på systemets ytelse. En vanlig tilnærming til modellering av slike forsinkelser er å bruke Laplace-transformasjon, som gir en eksponentiell funksjon som kan approksimeres ved hjelp av Pade- eller McLauren-representasjon.

En annen praktisk utfordring oppstår ved bruk av integratorer i regulatorene. Når feilsignalet fortsetter å bli påført etter at systemet har nådd metning, kan integratoren "saturere", og dermed gjøre regulatoren til et åpent kretsystem. Dette kan føre til instabilitet. Løsningen på dette problemet er å implementere et antiwindup-system, som deaktiverer integratordelen når systemet har nådd metning. Dette hindrer at integratoren akkumulerer feil videre, og dermed reduseres risikoen for systeminstabilitet.

I tillegg til disse tekniske hensynene er det viktig å forstå hvordan forstyrrelser og støy kan påvirke strøm- og spenningsmålinger, spesielt i systemer med store svingninger (rippler). For disse applikasjonene er det nødvendig med ekstra filtrering for å sikre pålitelige målinger. I tilfelle digital strømstyring er det relativt enkelt å implementere grunnleggende PI-regulatorer, som kan redusere steady-state feil betydelig. For systemer med variable referanser kreves mer avansert kompensering, som kan inkludere led-lag-kompensasjon for å håndtere endringer i systemparametrene over tid.

Det er også viktig å merke seg at i alle disse systemene, der vi jobber med kontroll og regulering av elektriske kretser, kan implementeringsdetaljer som resistorer for strømfølsomhet eller nøyaktige målesystemer spille en avgjørende rolle for nøyaktigheten og stabiliteten i det endelige resultatet. Bruken av spesialiserte komponenter som integrerte kretskort for høyeffektsmålinger kan bidra til å forbedre påliteligheten til systemene.