Преобразователь частоты MICROMASTER 440: Учебно-методическое пособие

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

MICROMASTER 440

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Новокузнецк 2010

Автор: Романов В. П., преподаватель высшей квалификационной категории НОУ «РЦПП «Евраз - Сибирь»

Рецензент: Зав. кафедрой «Автоматизированного электропривода и промышленной электроники» ФГОУ ВПО «СибГИУ» доктор технических наук, профессор Островлянчик В.Ю.

Учебно-методическое пособие включает описание общих принципов построения частотных преобразователей, основных приемов работы при подключении, конфигурировании частотного преобразователя MICROMASTER 440, как с помощью панели оператора (ВОР), так и с помощью специализированного программного обеспечения. Отдельно рассмотрены вопросы особенностей эксплуатации силовой части преобразователя (IGBT-модулей).

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Оглавление Основные теоретические положения ......................................................................................................4 Построение силовой части......................................................................................................................4 Принципы частотного управления асинхронным двигателем (АД)....................................................6 Особенности скалярного управления....................................................................................................8 Построение системы управления преобразователей частоты......................................................... 11 Внешняя тепловая защита двигателя от перегрузки ......................................................................... 14 Преобразователь частоты micromaster 440 .......................................................................................... 15 Подключение преобразователя .......................................................................................................... 16 Настройка и параметрирование преобразователя Micromaster 440............................................... 18 Принцип программирования частотного преобразователя............................................................. 18 Параметрирование привода ............................................................................................................... 21 Методика настройки параметров частотного преобразователя с помощью программного обеспечения DriveMon ......................................................................................................................... 22 Руководство по использованию приложения для работы с ММ440 по сети PROFIBUS “Starter” . 26 Силовая часть преобразователя ....................................................................................................30 Список литературы.................................................................................................................................... 42

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Основные теоретические положения Основным элементом современных электроприводов переменного тока является преобразователь частоты (ПЧ). Несмотря на многообразие существующих на данный момент алгоритмов управления и вариантов аппаратной реализации преобразователей частоты, можно говорить о типовых решениях, применяемых большинством производителей.

Построение силовой части Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, построенные по схеме выпрямитель — автономный инвертор. Базовыми элементами данного типа асинхронного частотно-регулируемого электропривода являются управляемый преобразователь частоты ПЧ (UZF), питающийся от промышленной сети напряжением Uс и частотой fс, и асинхронный двигатель АД (М), питающийся от ПЧ (рисунок 1).

Рисунок 1 - Состав силовой части системы ПЧ-АД

При необходимости согласования мощности и входных напряжений питания собственно ПЧ с сетью между ними может устанавливаться согласующий трансформатор TV1. Для ограничения токов короткого замыкания и перенапряжений на входе ПЧ могут устанавливаться токоограничивающие реакторы L1 и дополнительные RC-фильтры Ф1. При необходимости согласования выходного напряжения ПЧ и цепи питания М (например, для высоковольтных электрических машин) между ними могут устанавливаться согласующие трансформаторы TV2. При значительном удалении двигателя от преобразователя (при длине кабельной связи между ними более 50 м, а для ряда преобразователей допускается и более 200 м) на выходе ПЧ для ограничения перенапряжений на его силовых полупроводниковых элементах устанавливаются фильтрующие дроссели L2, а также помехоподавляющие RC-фильтры Ф2. Выходные частота f1 и фазное напряжение U1 (или ток I1) ПЧ определяются соответственно сигналами управления uf и uu. Регулирование частоты f1 и напряжения U1 (или тока I1) обеспечивает регулирование основных координат АД (тока, электромагнитного момента М, угловой скорости ω). Наибольшее распространение получили две группы управляемых полупроводниковых ПЧ:  преобразователи со звеном постоянного тока и автономным инвертором АИ (инвертором напряжения АИН или тока АИТ);  преобразователи с непосредственной связью питающей сети и нагрузки ПЧНС (без и с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения). Преобразователь по системе ПЧ-АИ состоит из трех силовых блоков: управляемого или неуправляемого выпрямителя UZ1, силового фильтра Ф (C или Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

LC типа) в звене постоянного тока и автономного инвертора UZ2 (рисунок 2,а). АИ может быть выполнен либо на основе тиристоров с искусственной их коммутацией, либо на запираемых (GTO) тиристорах, либо на полностью управляемых силовых транзисторах (чаще всего на базе IGBT-модулях, содержащих транзистор с изолированным затвором и шунтирующий его силовой диод).

Рисунок 2 - Схема силовой части АИН (а) и диаграммы его выходных напряжений при АИМ (б) и ШИМ (в)

АИН (см. рис. 2,а) является источником напряжения. Благодаря емкости С фильтра Ф и обратным диодам VD1-VD6, подключенным параллельно силовым ключам VT1-VT6, при работе АИН на активно-индуктивную нагрузку, к числу которой относится АД, обеспечивается обмен реактивной энергией между АД и звеном постоянного тока. Они обеспечивают непрерывность цепи тока в обмотках М при отключении их от источника питания в процессе коммутации и возврат запасенной магнитной энергии в конденсатор фильтра. Выходное напряжение АИН может регулироваться двумя способами: 1. при управляемом выпрямителе UZ1 – изменением напряжения в звене постоянного тока, когда инвертору отводится роль лишь коммутатора фаз, формирующего требуемую частоту (АИН с амплитудноимпульсной модуляцией АИМ); 2. при неуправляемом выпрямителе – широтно-импульсным регулированием напряжения в инверторе за счет модуляции напряжения несущей частоты (частоты коммутации силовых ключей) сигналом требуемой частоты (АИН с широтно-импульсной модуляцией ШИМ). Диаграммы выходных фазных напряжений U и первых их гармоник U1 для АИН с АИМ и с ШИМ показаны на рис. 2,б и рис. 2,в соответственно. В ПЧ с АИН отсутствует рекуперация энергии в питающую сеть. При необходимости возврата энергии в сеть питания входной выпрямитель в ПЧ с АИН должен быть реверсивным и управляемым (на рис. 2,а изображен пунктиром). При Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

отсутствии подобного выпрямителя для обеспечения режима динамического торможения АД параллельно фильтру Ф устанавливается узел сброса энергии на основе ключа VT7 и силового резистора R. При превышении допустимого напряжения на выходе фильтра ключ VT7 открывается и обеспечивает разряд конденсатора на резистор R. 

 

  



К достоинствам преобразователей по системе ПЧ-АИ относятся: высокий диапазон частот выходного напряжения АИН (практически от 0 до 1500 Гц), ограничиваемый лишь частотой коммутации и коммутационными потерями в силовых ключах автономного инвертора (для АИТ максимальная выходная частота тока – до 100–125 Гц); низкий уровень гармонических составляющих напряжения или тока статора двигателя и тока, потребляемого из сети питания; высокий коэффициент мощности (до 0,95–0,98) в преобразователях с неуправляемым выпрямителем. В случае применения управляемого выпрямителя коэффициент мощности меньше и близок коэффициенту мощности в системах тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока; относительно небольшое число силовых ключей преобразователя (по сравнению с ПЧНС) и более простая схема их управления, не требующая синхронизации с питающей сетью; для АИТ возможность рекуперации энергии в сеть и безаварийность режима короткого замыкания по выходу. К недостаткам подобных преобразователей следует отнести: двукратное преобразование энергии (с переменного напряжения питающей сети на постоянное выпрямителя, а затем с постоянного – на переменное выходное напряжение инвертора), снижающее результирующий КПД преобразователя частоты (до 0,94–0,96); для АИН отсутствие (без дополнительной управляемой инверторной группы в блоке выпрямителя UZ1) возврата энергии в питающую сеть преобразователя, ограничивающее быстродействие регулирования скорости АД в тормозных его режимах, высокие требуемые значения емкости фильтра Ф и, соответственно, большие габариты конденсаторной батареи;

Принципы частотного управления асинхронным двигателем (АД) С появлением в середине 90гг. надежных и эффективных полупроводниковых преобразователей частоты стало возможным плавное управление частотой вращения ротора асинхронного двигателя. Более того, с развитием процессоров, стало возможным т.н. векторное управление асинхронным двигателем, при котором двигатель при любой нагрузке и требуемой частоте вращения вала работает в оптимальном или близком к оптимальному режиме. Цель частотного управления – задание требуемой частоты вращения ротора посредством задания частоты и величины трехфазного питающего напряжения асинхронного двигателя с тем, чтобы он разгонялся и функционировал в режиме, близком к оптимальному. Степень оптимальности определяется законом регулирования и моделью двигателя, которая используется при выработке управляющих двигателем воздействий, частоты и напряжения. Существуют следующие виды управления асинхронным двигателем:

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

жесткое скалярное управление; скалярное управление с обратной связью по частоте; векторное управление. Изменение только частоты питающей сети, без изменения величины напряжения, приводит к пропорциональному изменению частоты вращения вала и обратно пропорциональному изменению критического вращающего момента Увеличение частоты питающего напряжения по отношению к номинальной приводит к пропорциональному увеличению частоты вращения вала и к уменьшению критического момента и наоборот, уменьшение частоты сети увеличивает момент вращения, но одновременно увеличивает и токи ротора, что может вывести двигатель из строя.   

Рисунок 3 - Естественные механические характеристики модели асинхронного двигателя при разных значениях частоты питающего напряжения и одинаковом, номинальном напряжении.

Как видно на рисунке 4, уменьшение частоты сети, а следовательно и частоты вращения вала, приводит к увеличению критического момента. Это было бы не так и плохо, если бы не сопровождалось значительным увеличением токов ротора и статора, которое может вывести двигатель из строя. Поэтому на пониженных частотах для сохранения значения критического момента вращения на двигатель подают пониженное напряжение. Простейший способ это понижать напряжение пропорционально уменьшению частоты, т.е. поддерживать соотношение напряжения и частоты постоянным, равным этому соотношению для номинальных значений. Это так называемое пропорциональное скалярное управление.

Рисунок 4 - Семейство механических характеристик модели асинхронного двигателя, снятое при различных частотах и напряжениях сети Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Для поддержания постоянной величины критического момента при частотах сети, меньших номинальной f = 50 Гц, необходимо уменьшать напряжение питания для уменьшения токов. При этом увеличивается пусковой момент, что, естественно, очень хорошо. Повышать напряжение с увеличением частоты выше номинальной нельзя во избежание перегрузки двигателя и поэтому критический момент уменьшается с ростом частоты, ограничивая тем самым величину этого роста. Для достаточно точного задания частоты вращения ротора, ввиду пологости рабочих участков механических характеристик, необходимо задавать частоту сети несколько большую, чем требуемая частота вращения, задавать соответствующее напряжение и учитывать величину момента сопротивления на валу. Из рисунка 5 следует, что возможности увеличения частоты вращения ротора выше номинального значения увеличением частоты напряжения весьма ограничены падением вращающего момента. Частоту вращения можно повысить не более чем вдвое по сравнению с номинальной. При этом невозможно одновременно повышать напряжение выше номинального. Т.о. диапазон управления частотой асинхронного двигателя может расширяться в основном лишь в сторону уменьшения частоты. Минимальная частота, на которой можно осуществить прямой запуск асинхронного двигателя, ограничена снизу величиной в 5 – 10% от номинальной для конкретного двигателя, поскольку при меньших частотах, несмотря на номинальные токи, пусковой вращающий момент очень мал и уменьшается с уменьшением частоты. Тем не менее, современные алгоритмы управления частотой асинхронного двигателя позволяют достигать диапазона 1 : 10, 1 : 100 и шире.

Особенности скалярного управления Управление называют скалярным (т.е. численным, не векторным) тогда, когда для определения значения напряжения при задаваемой частоте используется функциональная зависимость между напряжением и требуемой частотой. При изменении частоты питания f1 можно изменить скорость двигателя, однако следует учитывать, что ток намагничивания fμ также зависит от частоты питания из-за индуктивного характера сопротивления обмоток двигателя. Если рассмотреть упрощенную эквивалентную схему обмотки двигателя (Рисунок 5) можно записать:

Рисунок 5 - Эквивалентная схема обмотки двигателя, R1-активное сопротивление обмотки, Хh реактивное сопротивление обмотки

Учитывая, что в штатном режиме Хh>>R1 можно пренебречь значением R1 и записать данное выражение в виде: Задача при применении частотного регулирования состоит в том, чтобы, удержать ток намагничивания Iμ постоянным и равным номинальной величине Iμ n, чтобы Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

асинхронный двигатель всегда работал при номинальном потоке Фп, что позволит получить номинальный момент двигателя во всем диапазоне скоростей. Чтобы сохранить ток намагничивания постоянным, напряжение U1 должно изменяться обратно пропорционально частоте (согласно формуле). Если это не выполняется, то ток намагничивания становится либо меньше (ослабленное поле), либо больше (перенасыщение). По этой причине U/f-характеристика для инвертера обычно линейная в интервале до максимальной угловой частоте fmax (рисунок 6), либо для отдельных видов приводов с так называемой (вентиляторной механической характеристикой) меняется по закону U/f2

Рисунок 6 - U/f характеристики инвертора

Рассмотренная эквивалентная схема обмотки АД (рисунок 5) описывает работу ненагруженного двигателя. Если двигатель нагружен, то скольжение s ≠0 и вызывает ток ротора I2', как видно из эквивалентной схемы (рисунок 7). Этот дополнительный ток ротора, только активный ток, вызывает дополнительное падение напряжения на R1 поэтому его необходимо скомпенсировать, следовательно, необходимо дополнительное напряжения - называемое буст, чтобы удержать постоянным ток намагничивания Iμ . Строго говоря, это увеличение зависит от момента нагрузки (и/или от скольжения). Поскольку величина буста фиксированная, то необходимо выбирать компромисс между нагруженным и ненагруженным приводом.

Рисунок 7 - Эквивалентная схема обмотки нагруженного двигателя, R1-активное сопротивление обмотки, Хh - реактивное сопротивление обмотки

а б Рисунок 8 - Влияние величины буста на механическую характеристику двигателя а-буст слишком мал, б-буст слишком большой Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

 

Когда установка буста некорректна, может наблюдаться следующее: буст слишком мал (Рисунок 8,а). Максимальный момент уменьшается при низких частотах Наклон характеристик в рабочем диапазоне становится положе т.к. больше скольжение буст слишком большой (Рисунок 8,б) В некоторых случаях максимальный момент увеличивается при низких частотах. Наклон характеристик становится круче ==> меньше скольжение Машина становится перенасыщеной, т.е. ток намагничивания значительно возрастает и следовательно наступает перегрев.

Асинхронный электропривод со скалярным управлением является на сегодняшний день наиболее распространенным. Он применяется в составе приводов насосов, вентиляторов, компрессоров и других механизмов, для которых важно поддерживать либо скорость вращения вала двигателя (при этом используется датчик скорости), либо технологический параметр (например, давление в трубопроводе, при этом используется соответствующий датчик). Метод скалярного управления относительно прост в реализации, но обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, при отсутствии датчика скорости на валу двигателя невозможно регулировать скорость вращения вала, так как она зависит от нагрузки. Наличие датчика скорости решает эту проблему, однако остается второй существенный недостаток — нельзя регулировать момент на валу двигателя. С одной стороны, и эту проблему можно решить установкой датчика момента, однако такие датчики имеют очень высокую стоимость, зачастую превышающую стоимость всего электропривода. Но даже при наличии датчика управление моментом получается очень инерционным. Более того, при скалярном управлении нельзя регулировать одновременно и момент и скорость, поэтому приходится выбирать ту величину, которая является наиболее важной для данного технологического процесса. Для устранения недостатков, присущих скалярному управлению, фирмой SIEMENS еще в 1971 году был предложен метод векторного управления. Первые варианты электроприводов с векторным управлением требовали использования двигателей со встроенными датчиками потока. Это существенно ограничивало применение таких приводов. В современных электроприводах (рисунок 9) в систему управления закладывается математическая модель двигателя, которая позволяет рассчитывать момент на валу и скорость вращения вала. При этом необходимыми являются только датчики тока фаз статора двигателя. Благодаря специальной структуре системы управления обеспечивается независимое и практически безынерционное регулирование двух основных параметров — момента на валу и скорости вращения.

Рисунок 9 - Структурная схема векторного управления

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

На сегодняшний день сформировалось два основных класса систем векторного управления — бездатчиковые системы (без датчика скорости на валу двигателя) и системы с обратной связью по скорости. Применение того или иного метода векторного управления определяется областью применения электропривода. При небольших диапазонах изменения скорости (не более 1:100) и требованиях к точности ее поддержания не более ±0,5% применяют бездатчиковое векторное управление. Если же скорость вращения вала изменяется в широких пределах (до 1:10000 и более), имеются требования к высокой точности поддержания скорости вращения (до ±0,02% при частотах вращения менее 1 Гц) или есть необходимость позиционирования вала, а также при необходимости регулирования момента на валу двигателя на очень низких частотах вращения, применяют методы векторного управления с обратной связью по скорости. При использовании векторного управления достигаются следующие преимущества:  высокая точность регулирования скорости даже при отсутствии датчика скорости;  плавное, без рывков, вращение двигателя в области малых частот;  возможность обеспечения номинального момента на валу при нулевой скорости (при наличии датчика скорости);  быстрая реакция на изменение нагрузки: при резких скачках нагрузки практически не происходит скачков скорости;  обеспечение такого режима работы двигателя, при котором снижаются потери на нагрев и намагничивание, а следовательно, повышается КПД двигателя. Наряду с очевидными преимуществами, методу векторного управления присущи и некоторые недостатки, такие, как большая вычислительная сложность и необходимость знания параметров двигателя. Кроме того, при векторном управлении колебания скорости на постоянной нагрузке больше, чем при скалярном управлении. Следует отметить, что существуют области, в которых возможно использование только скалярного управления, например в групповом электроприводе, где от одного преобразователя питаются несколько двигателей.

Построение системы управления преобразователей частоты Основным элементом систем управления современных преобразователей частоты является специализированный микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор (DSP). Построение системы управления на базе DSP обусловлено необходимостью произведения большого объема сложных вычислений в режиме реального времени для реализации современных алгоритмов управления. В наибольшей степени это критично для бездатчиковых систем векторного управления. Система управления может быть одно или многопроцессорной. Однопроцессорные системы обладают рядом существенных недостатков: к микроконтроллеру предъявляются повышенные требования по наличию встроенных периферийных модулей и портов вводавывода, по быстродействию и объему памяти; значительно усложняется разработка программного обеспечения. Однако при решении задач управления невысокой сложности достоинством однопроцессорных систем является простота аппаратной и программной реализации.

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Рисунок 10 – Упрощенная структурная схема системы управления преобразователя частоты

В настоящее время большинство преобразователей строятся на двухпроцессорной основе (рисунок 10). Первый процессор (ЦП1) выполняет основные функции преобразователей частоты (реализация алгоритмов управления инвертором, выпрямителем, опрос датчиков и т. д.), второй (ЦП2) обеспечивает работу пульта управления, связь с системой верхнего уровня и другие сервисные функции. Следует отметить, что распределение функций между микроконтроллерами может быть произведено и другим способом. Достоинства двухпроцессорной системы по сравнению с однопроцессорной — снижение требований к ЦП1 и ЦП2 по встроенной периферии, быстродействию и объему памяти; возможность применения единого интерфейса для связи центрального контроллера с пультом управления и с системой автоматизации верхнего уровня; значительное упрощение разработки программного обеспечения для каждого из контроллеров. Управление драйверами инвертора осуществляется посредством формирования шестиканального ШИМ-сигнала с автоматическим добавлением «мертвого времени». В большинствемикроконтроллеров модуль ШИМ реализован аппаратно. Для получения формы выходного напряжения, близкой к синусоидальной (что особенно критично при скалярном управлении), может использоваться программная или аппаратная коррекция «мертвого времени». Также в большинстве случаев реализуется аппаратная блокировка сигналов ШИМ в случае аварии. Управление преобразователем может осуществляться с помощью пульта (возможно, удаленного), дискретных или аналоговых входов. Преобразователи конструктивно строятся по модульному принципу, позволяющему вводить в них дополнительные функциональные модули, которые в сочетании со встроенными программными средствами позволяют получить различную конфигурацию электропривода, отвечающего требованиям заказчика, — от простейших разомкнутых до точных замкнутых систем позиционирования. Как правило, такие модули Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

(платы) расширения содержат в своем составе аналоговые и дискретные входы и выходы, а также интерфейсы связи. Все аналоговые входы и выходы на платах расширения имеют встроенный источник питания и обычно выполняются гальванически развязанными от системы управления и дискретных входов и выходов. Функции, выполняемые аналоговыми входами и выходами, программируются с пульта управления. Наиболее часто аналоговые входы служат для подключения датчиков обратной связи по технологическим параметрам (для этих целей, как правило, предусматривается один вход напряжения и один вход тока). В большинстве преобразователей частоты имеется также вход для подключения потенциометра, используемого в качестве задатчика выходной частоты (для преобразователей частоты со скалярным управлением) или частоты вращения ротора электродвигателя (для преобразователей частоты с векторным управлением), при этом для питания задатчика частоты используется встроенный источник питания (как правило, 10 В). Возможно также наличие дополнительного входа для подключения датчика температуры двигателя (терморезистора). Аналоговые выходы служат для индикации одного из параметров состояния преобразователя частоты (например, текущей выходной частоты или расчетного значения момента на валу двигателя). Возможность подключения к выходам как вольтметров, так и амперметров достигается за счет наличия выхода напряжения и выхода тока. Выходные аналоговые сигналы формируются с помощью ЦАП (как правило, 10-битных); в отдельных случаях выходное напряжение формируется методом широтно-импульсной модуляции. Дискретные входы и выходы на платах расширения используются для подключения внешних управляющих сигналов, поступающих с электромагнитных реле, а также для формирования сигналов управления такими реле. Обычно в преобразователях частоты имеется от четырех до восьми дискретных входов типа «открытый коллектор», выполняющих следующие функции: выбор одной из трех выходных частот (или скоростей вращения ротора), управление отключением и реверсом, аварийное отключение преобразователей частоты. Все дискретные входы выполняют гальванически развязанными от системы управления. Дискретные выходы можно разделить на две категории: силовые («релейные») выходы для управления внешними электромагнитными реле и выходы типа «открытый коллектор» для работы с внешними логическими схемами. Платы расширения обычно содержат два релейных выхода, имеющих пару нормально замкнутых и пару нормально разомкнутых контактов, а также четыре выхода типа «открытый коллектор». Функции выходов можно запрограммировать с пульта управления; обычно это: готовность, перегрузка, авария, выход на заданную частоту. Все дискретные выходы гальванически развязаны от системы управления, при этом релейные выходы развязаны между собой, а выходы типа «открытый коллектор» имеют общий нулевой сигнал. Для построения систем с обратной связью по скорости в преобразователях частоты предусматривают входы для подключения датчика скорости типа «энкодер». Модуль сопряжения с датчиком скорости может входить в стандартную поставку преобразователей частоты или выполняться в виде платы расширения. Для питания дискретных входов и датчика скорости используется встроенный источник питания (обычно 24 В). Большинство преобразователей частоты комплектуется стандартным интерфейсом RS-422 или RS-485. При этом взаимодействие осуществляется с использованием протоколов Modbus или Profibus, или их упрощенных модификаций. При использовании модулей расширения доступны дополнительные интерфейсы (например, CAN) и протоколы (Interbus, CANOpen, DeviceNet). Как правило, преобразователи частоты в своем составе имеет пульт управления, который располагается на лицевой панели корпуса преобразователя. Пульт содержит несколько специализированных кнопок, в отдельных случаях может присутствовать Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

цифровая клавиатура. Вывод информации осуществляется посредством одно- или двухстрочного специализированного ЖКИ или нескольких семисегментных индикаторов, а также светодиодов, отображающих режимы работы. На этапе ввода преобразователей частоты в эксплуатацию пульт служит для конфигурирования преобразователя и настройки соответствующих параметров; во время работы — для наблюдения за параметрами рабочего режима. В процессе обслуживания на индикаторе отображается информация о возникших неисправностях, что обеспечивает возможность постоянного контроля состояния электропривода. Пульт управления, как правило, выполняется съемным, что позволяет подключать его к преобразователям частоты только при необходимости и использовать один пульт для нескольких преобразователей. Для хранения настроек системы, калибровочных параметров, журнала аварий и другой информации используется дополнительная энергонезависимая память. Часто она выполняется на основе микросхем Flash-памяти (как правило, с последовательным интерфейсом I2C или SPI). Кроме того, многие микроконтроллеры и DSP имеют возможность сохранения данных во внутренней энергонезависимой памяти.

Внешняя тепловая защита двигателя от перегрузки При работе привода с частотой вращения ниже номинальной, эффективность охлаждения с помощью вентилятора, установленного на валу двигателя снижается и возникает опасность перегрева и выхода двигателя из строя. Контроль температуры двигателя может осуществляется двумя способами:  I2t – контроль;  PTC – контроль. I2t – контроль основан на зависимости количества теплоты Q, от величины тока I протекающего через проводник сопротивлением R и продолжительности протекания тока t. Данная зависимость называется законом Джоуля-Ленца и имеет вид: Q = I2* t*R. Следовательно измеряя значение величины тока за фиксированные промежутки времени можно косвенно судить о величине температуры двигателя. Достоинства метода - не требует установки на двигатель дополнительных датчиков. Недостатки метода - метод контроля не предлагает полной защиты. Так как температура двигателя определяется косвенно. Если двигатель при включении уже горячий, то дополнительная перегрузка двигателя может быть вызвать его разрушение. PTC – контроль основан на использовании для измерении температуры двигателей специально установленных температурных датчиков – термисторов. Термистор — полупроводниковый резистор, изменяющие свое сопротивление в зависимости от температуры. Термистор относится к термочувствительным защитным устройства. Располагаются в специально предусмотренных для этой цели гнездах в лобовых частях электродвигателя (защита от заклинивания ротора) или в обмотках электродвигателя (защита от теплового перегруза). Термисторы в основном делятся на два класса: PTC-типа — полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления; NTC-типа — полупроводниковые резисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Для защиты электродвигателей используются в основном PTC-термисторы (позисторы Positive Temperature Coefficient), обладающие свойством резко увеличивать свое сопротивление, когда достигнута некоторая характеристическая температура. Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Три (для двухобмоточных двигателей — шесть) PTC-термистора соединены последовательно и подключены к входу электронного блока защиты. Преобразователь настроен таким образом, что при превышении суммарного сопротивления цепочки двигатель отключается или в зависимости от настройке системы выдается предупреждение. PTC защита предпочтительней в тех случаях, когда по току невозможно определить с достаточной точностью температуру двигателя. Это касается прежде всего двигателей с продолжительным периодом запуска, частыми операциями включения и отключения (повторно-кратковременным режимом) или двигателей с регулируемым числом оборотов (при помощи преобразователей частоты). Термисторная защита эффективна также при сильном загрязнении двигателей или выходе из строя системы принудительного охлаждения. Недостатком данного вида защиты является то, что с датчиками выпускаются далеко не все типы двигателей. Это особенно касается двигателей отечественного производства. Датчики могут устанавливаться только в условиях стационарных мастерских. Температурная характеристика термистора достаточно инерционна и сильно зависит от температуры окружающей среды и от условий эксплуатации самого двигателя.

Преобразователь частоты micromaster 440 Преобразователи MICROMASTER 440 являются серийными преобразователями для регулирования трехфазных электродвигателей. Отдельные поставляемые модели имеют диапазон мощностей 120 Вт при однофазном входе и до 75 кВт при трехфазном входе. Преобразователи оснащены микропроцессорной системой управления и используют самые современные технологии с IGBT модулями - транзисторами (Insulated Gate Bipolar Transistor = биполярный транзистор с изолированным затвором). Вследствие этого преобразователи надежны и разнообразны. Оригинальный способ широтноимпульсной модуляции с выбором частоты коммутации дает возможность бесшумной работы электродвигателя. Обширные функции защиты обеспечивают эффективную защиту преобразователя и электродвигателя. В преобразователе Micromaster 440 используется система с автономным инвертором напряжения (АИН), работающего по принципу широтно - импульсного преобразователя (ШИП). В преобразователе используется нереверсивный выпрямитель и режим торможения постоянным током предусмотрен. Применение тормозного резистора также предусмотрено. Возможность торможения только постоянным током накладывает ограничения на применение преобразователей. Такие преобразователи частоты необходимо применять в установках с нечастыми торможениями и где отсутствует нагрузка, способная переводить электродвигатель в генераторный режим, иначе возможен перегрев электродвигателя и его аварийное отключение. Частота ШИМ преобразователя Micromaster 440 может изменяться от 2 до 16 кГц и может задаваться принудительно. В общем случае частота ШИМ Микромастера зависит от нагрузки и температуры преобразователя, в случае его перегрева частота ШИМ снижается. Современные преобразователи частоты предлагают гибкий выбор законов регулирования частоты и напряжения на электродвигателе. Выбор конкретного закона регулирования зависит от типа нагрузки и требуемой точности, преобразователь Micromaster 440 поддерживает следующие способы задания зависимости напряжения (V) от частоты (f): Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Скалярные режимы  Линейная V/f (по умолчанию), может применяться для нагрузки с изменяемым и с постоянным моментом (насосы, конвейеры);  Линейное V/f-регулирование с FCC (Flux Current Control) (контролем потокосцепления) – поддерживает ток двигателя, создающий поток для улучшения эффективности, этот способ регулированияможет использоваться для увеличения КПД и динамических характеристик электропривода;  Квадратичная V/f2 – может применяться для нагрузок с изменяющимся моментом (компрессоры, насосы);  Многоточечная V/f – для особых случаев.  Линейное V/f-регулирование с режимом ЕСО - с этой функцией происходит автоматическое снижение или повышение напряжения для минимизации потерь мощности.  V/f-регулирование для применения в текстиле нет никакой компенсации и демпфирования. Регулятор макс, тока использует частоту вместо тока напряжение.  V/f-регулирование с FCC для применения в текстиле  V/f-регулирование с независимой уставкой напряжения - можно задавать напряжение в независимо от выходной частоты преобразователя (RFG). Векторные режимы:  Безсенсорное векторное регулирование - обеспечивает точное регулирование частоты вращения двигателя без применения датчика скорости. Обеспечивает высокий момент и динамические свойства привода.  Безсенсорное векторное управление моментом - обеспечивает векторное регулирование заданного момента на двигателе без датчика момента. Применяется в технологиях, требующих поддержание заданного значения момента на валу двигателя. Преобразователь может работать как с асинхронным электродвигателем, так и с синхронной машиной, при работе с синхронным электродвигателем допускается работа только при задании линейной зависимости V/f. Более подробно с работой преобразователей частоты и выбором законов управления вы можете ознакомиться в литературе [2].

Подключение преобразователя Подключение электродвигателя и сети к преобразователю поясняется схемой, изображенной на рисунке 11. Подключение цепей управления показано на рисунке 12.

Рисунок 11 - Подключение электродвигателя и сети Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Рисунок 12 - Подключение цепей управления

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Настройка и параметрирование преобразователя Micromaster 440 Настройка и параметрирование преобразователя частоты может осуществляться как посредством панели управления BOP (Basic Operator Panel), так и посредством персонального компьютера с использованием специального программного продукта, например DriveMonitor или Starter и адаптера интерфейса USB/RS-485. Описание функционального назначения клавиш приведено в таблице. Клавиши базовой панели обслуживания Поле / клавиша Функция Действие Индикация состояния LCD показывает установку, с которой преобразователь работает в данный момент Пуск преобразователя

При нажатии клавиши преобразователь пускается. Эта клавиша является по умолчанию пассивной. Клавишу активизируют установкой P0700 =1

AUS1 Нажатие клавиши приводит к остановке преобразователя по выбранной рампе скорости. По умолчанию пассивна, активизируется установкой P0700 = 1 AUS2 Двойное нажатие (или длительное удержание) вызывает свободный выбег электродвигателя до остановки Нажатие этой клавиши вызывает реверсирование Реверсирование электродвигателя. Обратное вращение отображается знаком минус (-) или мигающей десятичной точкой. По умолчанию пассивна, активизируется установкой P0700 = 1 Толчковый режим Нажатие этой клавиши при остановленном преобразователе вызывает пуск электродвигателя с заданной JOG-частотой. После отпускания клавиши преобразователь останавливается Остановка преобразователя

Функции

Эта клавиша может использоваться для отображения дополнительной информации. Клавиша должна нажиматься и удерживаться. Она указывает в зависимости от любого параметра при работе следующее: 1. Напряжение промежуточного контура постоянного тока. (Обозначено буквой d). 2. Выходной ток (A). 3. Выходная частота (Hz). 4. Выходное напряжение (o). 5. Величину (выбранную в P0005). Нажатие этой клавиши обеспечивает Доступ к параметрам доступ к параметрам Нажатие этой клавиши повышает Повышение значения отображаемое значение. Для изменения задания частоты с величины помощью BOP нужно установить P1000 = 1 Нажатие этой клавиши понижает Понижение значения отображаемое значение. Для изменения задания частоты с величины помощью BOP нужно установить P1000 = 1

Параметрирование преобразователя заключается в изменении его системных настроек с целью внедрения его в систему автоматизации и согласования преобразователя с электродвигателем и сетью.

Принцип программирования частотного преобразователя Система управления преобразователя работает по параметрам, доступ к контролю и изменению которых возможен по шине Profibus, а также, через базовую панель оператора. Это означает, что процессор частотного преобразователя уже имеет очень большой набор программ и подпрограмм, в которых наладчику достаточно лишь задать некоторые параметры (числа), чтобы процессор понимал и был готов выполнять требуемые функции по тому или иному способу управления выходным напряжением преобразователя, а, следовательно, и двигателя. Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Параметр это числовое значение, характеризующее физическую величину, некоторое свойство или команду управления. Параметр имеет имя (номер) в виде буквы и четырехзначного числа, и значение. Имя параметра выглядит следующим образом - индекс и четыре цифры, например Р0003. Индекс (буква) в имени параметра указывает на тип параметра, цифры - это порядковый номер в системе параметров. Для того чтобы узнать значение параметра - нужно зайти в него. Означает это, что если требуется узнать значение параметра, нужно вывести это значение пользуясь, например, кнопками базовой панели оператора, на индикатор. Любой параметр имеет свой разрешенный диапазон изменения и ему изначально присвоено какое-то значение, определенное на заводе-изготовителе. Частотный преобразователь Micromaster 440 имеет около 2000 всевозможных параметров, часть из которых предназначена только для контроля, другая часть может изменяться наладчиком оборудования. Параметры бывают двух видов:  параметры с индексом «r» - только для просмотра («r» - от английского read – читать);  параметры с индексом «Р» - для изменения.

Рисунок 13 - Пример изменяемого параметра с индексом «Р» (это группа допускает изменения)

Рисунок 14 - Пример читаемого параметра с индексом «г» (ток двигателя)

Изменяемые параметры предназначены для управления работой преобразователя, читаемые – для контроля состояния и процесса работы преобразователя и двигателя. Для удобства работы с обширным набором параметров они разбиты на 23 группы. Дело в том, что индикация и управление параметрами осуществляется с весьма примитивной Базовой панели оператора, которая позволяет просматривать параметры только последовательно, в порядке изменения их номеров. Для изменения имени (номера) параметра на единицу нужно нажать кнопку "больше" или кнопку "меньше" один раз. И для просмотра всего двух параметров, например Р0002 и Р0502 пришлось бы нажимать кнопку 500 раз. На самом деле при длительном нажатии на кнопки "больше" или "меньше" происходит быстрое пролистывание списка параметров. Но если выбрать некоторую группу параметров, например характеризующую работу асинхронного двигателя, то параметры будут индицироваться выборочно, только те, что относятся к конкретной группе. Возможны следующие варианты (неполная выборка, названия групп взяты из инструкции к преобразователю [1], стр. 52.):  0 - "Все параметры" - возможность контролировать и изменять все доступные параметры;  2 - "Преобразователь" - возможность контролировать и изменять параметры работы частотного преобразователя;  3 - "Двигатель" - возможность контролировать и изменять параметры, характеризующие асинхронный двигатель, на который подает напряжение Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

преобразователь. Обычно, для конкретного двигателя задаются один раз и требуют изменения при подключении другого двигателя;  7 - "Команды и бинарные входы/выходы" – параметры обработки дискретных сигналов, подаваемых на клеммы преобразователя;  8 - "Аналоговые входы выходы" - параметры обработки аналоговых сигналов, подаваемых на клеммы преобразователя;  10 - "Канал задания и формирователь рампы" – параметры, определяющие источник получения задания частоты и скорость изменения частоты на выходе преобразователя;  13 - "Управление двигателем" – скалярное или векторное управление, величина компенсации скольжения; Количество индицируемых при "перелистывании" параметров группы может быть изменено и выбором одного из пяти уровней доступа к параметрам группы Можно выбрать один из пяти уровней доступа в группе:  0 – “Список параметров, определенных пользователем” : набор параметров определяемый пользователем. Здесь наладчик может задать список тех параметров, к которым он обращается чаще всего. И это ускорит его работу по настройке частотного преобразователя.  1 - “Стандартный”: этот набор параметров позволяет настроить работу привода в технологическом процессе, обеспечить его связь с внешними системами управления через клеммы преобразователя.  2 - “Расширенный”: позволяет конфигурировать и подстраивать вход/выходы преобразователя, производить выбор функциональных свойств преобразователя, настройка связи по шине Profibus;  3 - “Экспертный”: предоставляет пользователю изменять все настройки преобразователя, влияющие на работу привода в технологическом процессе, осуществлять точную настройку, производить диагностику работы привода и его внутренних контуров регулирования и управления (для использования высококвалифицированным персоналом);  4 - “Сервисный”: этим набором параметров пользуются при диагностировании работы системы управления привода на предмет определения неисправностей и специальной перенастройки привода под специальные задачи привода. Обычному пользователю этот набор недоступен – может быть защищен паролем. Выбрав группу параметров и уровень доступа (что меняет количество доступных к просмотру или изменению параметров в группе) можно ограничить рабочее меню параметров только необходимым в данный момент набором.

Выбор уровня доступа и группы параметров в частотном преобразователе Уровень доступа задается в значении параметра с именем (номером) Р0003, группа параметров выбирается в параметре с именем Р0004. Например, вот как можно установить стандартный набор (1 - уровень доступа) параметров в группе «двигатель» (группа 3): Внимание! Для правильной работы привода важно не изменять уже установленные ранее параметры двигателя. Поэтому приводимый ниже порядок контроля параметров не должен сопровождаться изменением их значений.

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Т.о. зайдя в читаемый параметр можно только посмотреть его значение, в изменяемом параметре с помощью кнопок «больше» и «меньше» поменять это значение и после выхода из индикации параметра это значение запоминается и автоматически

Рисунок 15 - Некоторые имена (номера) и соответствующие им значения параметров. В данном случае r0000 = 26.5 Гц - выходная частота, т.е. частота выходного трехфазного напряжения преобразователя частоты, r0002 = 4 - означает, что преобразователь в работе, уровень доступа Р0003 может изменяться наладчиком от 0 до 4, группа параметров Р0004 может изменяться от 0 до 22

активируется, т.е. начинает работать. Но не все параметры можно изменять когда двигатель уже работает, поэтому изменять значение параметров следует только при остановленной работе привода!

Параметрирование привода После того, как схема собрана, необходимо подать питание на преобразователь, включив источник. Преобразователь включиться, теперь можно произвести параметрирование преобразователя при помощи BOP для работы с электродвигателем без изменения назначений кнопок управления с минимальным количеством вводимых данных (так называемый быстрый старт), проделав последовательно шаги, показанные на рисунке 16. Будьте внимательны при параметрировании преобразователя, в случае некорректного задания параметров электродвигателя возможен выход дорогостоящего оборудования из строя.

Рисунок 16 - Порядок параметрирования преобразователя при «быстром старте» Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Для выхода из параметрирования и возвращения панели к отображению частоты (или другого параметра) необходимо вернуться к параметру r0000 и нажать P или последовательно, находясь в режиме выбора параметров, нажать Fn и P.

Настройка параметров преобразователя с помощью специализированного программного обеспечения Методика настройки параметров частотного преобразователя с помощью программного обеспечения DriveMon Запускаем программное обеспечение DriveMon .

Рисунок 17 - Окно программы DriveMon

Выбираем закладку file  New  Based on factory setting

Рисунок 18 - Окно программы при создании нового проекта Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Выбираем из списка тип преобразователя

Рисунок 19 - Последовательность действий при выборе типа преобразователя

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Далее выбираем версию программного обеспечения (написана на шильдике преобразователя)

Далее щелкаем на иконку с надписью “Direct to parameter list”

Далее появляется окно, см. ниже

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

После этого надо выбрать режим online, для того, чтобы подключится к преобразователю.

Рисунок 20 - Вид окна программы с режиме online

Далее вы работаете в режиме online. В режиме online есть две памяти – RAM и EEPROM. Первая энергозависимая, вторая – энергонезависимая. При работе с первой при отключении питания все данные будут утеряны, При работе со второй памятью все вносимые Вами изменения и значения параметров будут сохранены во внутреннюю энергонезависимую память, также как и при работе с ВОР или АОР. С помощью кнопок On/Off Вы можете управлять преобразователем и перед вами открыт список параметров, которые Вы можете менять на необходимые для Вас значения. Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Руководство по использованию приложения для работы с ММ440 по сети PROFIBUS “Starter” Работа с пакетом «Starter» Создание проекта Загрузите Starter, выполнив команду «ПУСК/Simatic/Step 7/Starter». Создайте новый проект, выполнив команду «Project/NEW…». Введите имя проекта в поле NAME и путь сохранения в поле Storage location (path). Нажмите OK. Открытие и редактирование существующего проекта Загрузите Starter, выполнив команду «ПУСК/Simatic/Step 7/Starter». Для открытия существующего проекта выполните команду «Project/OPEN…». Выберите проект STEP7 "Kran_SUB"и нажмите кнопку ОК. В левой части экрана отображается текущий открытый проект.

Рисунок 21 - Окно Starter c открытым проектом

Редактирование проекта Для добавления нового преобразователя частоты необходимо два раза нажать на вкладке «Insert single drive». В появившемся окне необходимо выбрать Device type: MICROMASTER 440, Device version: версия программного обеспечения преобразователя частоты (можно посмотреть на преобразователе или прочитать параметр r0018); Bus addr.: адрес преобразователя в сети Profibus. Во вкладке General введите имя преобразователя и нажмите кнопку ОК. При неверном выборе версии преобразователя связь осуществляться не будет. Просмотр сохраненных на PG/PC параметров преобразователя в режиме Offline Для просмотра сохраненных параметров на PG/PC щелкните правой кнопкой мыши по вкладке «Имя привода/MICROMASTER_440» и выполните команду Expert/Expert list как показано на следующем рисунке.

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Рисунок 22 - Просмотр параметров сохраненных на PG/PC

В правой части экрана появится список всех параметров преобразователя и их значения. Для просмотра реальных значений параметров преобразователя необходимо переключится в режим Online или предварительно скачать параметры из преобразователя (описано ниже). Для поиска необходимого параметра можно использовать мастера поиска (Extended search). Находится на панели инструментов в верхней части списка параметров (иконка с биноклем

). При нажатии на нее появляется следующее окно.

Рисунок 23 - Окно поиска необходимых параметров

В поле «Search text» вводится искомый текст. Для выбора колонок, в которых будет производиться поиск, отметьте галочками необходимые поля в сегменте «In column». Здесь же выбирается по какому принципу будет произведен поиск, если необходимо найти не одно слово, а несколько (AND – “и”, OR – “или”). В верхней правой части расположена кнопка Display filter…. При ее нажатии появляется следующее окно.

Рисунок 24 - Окно фильтра параметров

В данном окне можно «отфильтровать» список параметров. На экране будут отображаться только те группы параметров, полях которых отмечены галочкой. Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

На данный экран можно перейти и из экрана списка параметров (самая правая иконка на панели инструментов списка параметров ). При нажатии на кнопку «Access level» («уровень доступа», находится на панели инструментов списка параметров ) можно изменить уровень доступа к параметрам преобразователя. При этом меняется параметр Р3. В окне можно произвести поиск параметра по его номеру или названию. При этом поиск производится только до первого совпадения. Сравнение параметров двух частотных преобразователей в режиме OFFLINE При нажатии на кнопку (Comparison) вы можете сравнить параметры двух и более преобразователей (смотри следующий рисунок). В появившемся окне отметьте частотные преобразователи с параметрами которых будет производиться сравнение. Нажмите кнопку “New comparison”. В средней части выводятся параметры сравниваемых преобразователей. В сегменте Filter parameters отметьте галочкой те поля, которые будут отображаться (Non-comparable parameters – не сравниваемые параметры, Parameters with the same values – параметры с совпадающими значениями, Parameters with different values – параметры с различающимися значениями). После добавления или удаления галочек следует нажать кнопку Update parameters. При нажатии на кнопку Display filter вы можете «отфильтровать» параметры по группам (описание смотри выше). В сегменте Visible columns вы можете отметить галочками те столбцы, которые будут отображаться в поле параметров. После изменения состояния галочек необходимо нажать на кнопку Update columns для обновления поля параметров.

Рисунок 25 - Окно сравнения параметров

В нижней части экрана отображено количество не сравниваемых параметров, параметров с совпадающими и различающимися значениями. Вы так же можете распечатать результаты сравнения и сохранить текущий лист как определяемый пользователем. Сравнение текущих параметров на PG/PC с параметрами, загруженными в преобразователь, производится в режиме online и описано ниже. Работа с проектом в режиме online Для перехода в режим online выполните команду Project/connect to target system. При этом в настройках карточки Set PG/PC interface должен быть установлен режим работы по сети Profibus. При этом произойдет подключение к преобразователям, связь с которыми установлена (о чем свидетельствует зеленый значок рядом с названием привода). Для просмотра текущих реальных параметров преобразователя выполните Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

команду Expert/Expert list, нажав правой кнопкой мыши по вкладке «Имя привода/MICROMASTER_440» как показано выше (рис.2). Для поиска или фильтрации необходимых параметров, смотри описание в режиме offline. Для сравнения параметров, сохраненных на PG/PC с параметрами, загруженными в преобразователь нажмите кнопку (Comparison) в режиме online. В появившемся окне сравнения поставьте галочки в строках для сравнения online и offline конфигураций.

Загрузка параметров из преобразователя на PG/PC Для выгрузки параметров из преобразователя переключитесь в режим online как описано выше. Убедитесь, что связь с преобразователем установлена. Нажмите правой кнопкой мыши по названию привода, из которого необходимо скачать параметры и выполните команду Target device/load to PG… как показано на следующем рисунке.

Рисунок 26 - Выгрузка параметров из преобразователя на PG/PC

При запросе на подтверждение сохранения параметров ответьте утвердительно. После успешного завершения процесса выгрузки на экране появляется соответствующее сообщение.

Изменение параметров в преобразователе по сети Profibus Для изменения параметров в преобразователе переключитесь в режим online как описано выше. Убедитесь, что связь с преобразователем установлена. Отобразите на экране список параметров как описано выше. При необходимости отфильтруйте ненужные параметры. Незакомментированные поля (доступные для изменения) отображаются на белом фоне. Выберите необходимый параметр для изменения и щелкните по нему левой кнопкой мыши. Введите измененное значение параметра и нажмите клавишу «Enter». При вводе параметра поле подсвечивается желтым цветом. При изменения параметра в преобразователе поле становится белым. При неправильном вводе появляется сообщение о том, что введенное значение выходит за границы возможного и значение параметра возвращается в исходное. Некоторые поля предоставляют список для выбора необходимого значения (например Р3 – уровень доступа). При изменении параметров таким образом, последние сохраняются только в RAM памяти преобразователя. То есть при выключении преобразователя данные изменения теряются. Для сохранения параметров в ROM памяти преобразователя нажмите правой Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

кнопкой мыши по названию привода, в котором необходимо переписать параметры из RAM в ROM и выполните команду Target device/copy RAM to ROM. При изменении параметров в преобразователе в режиме online на PG/PC параметры не сохраняются. При переходе из режима online в offline программа делает запрос на сохранение введенных параметров в различных областях памяти. Области памяти определяются пользователем путем установки галочек в соответствующие позиции. Load changes – сохранить параметры в RAM PG/PC. В дальнейшем при закрытии проекта будет возможным сохранить данные изменения или нет. Save changes – сохранить измененные параметры на PG/PC Copy RAM to ROM – сохранить измененные параметры в ROM преобразователя (параметры будут сохранены даже при выключении преобразователя).

Загрузка параметров с PG/PC в преобразователь Для загрузки параметров в преобразователь переключитесь в режим online как описано выше. Убедитесь, что связь с преобразователем установлена. Нажмите правой кнопкой мыши по названию привода, из которого необходимо скачать параметры и выполните команду Target device/Download to target device… как показано на следующем рисунке.

Рисунок 27 - Загрузка параметров в преобразователь

При запросе на подтверждение загрузки параметров ответьте утвердительно. После успешного завершения процесса загрузки на экране появляется соответствующее сообщение. После этого появляется окно запроса сохранения параметров в памяти ROM преобразователя. Если вы хотите, что бы загруженные параметры сохранились после выключения питания преобразователя, ответьте утвердительно.

Силовая часть преобразователя Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Устройство и особенности работы Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рисунке 27 приведено условное обозначение IGBT. Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Рисунок 28- Условное обозначение IGBT

Рисунок 29 - Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT

Коммерческое использование IGBT началось с 80-х годов и уже претерпела четыре стадии своего развития. I поколение IGBT (1985 г.): предельные коммутируемые напряжения 1000 В и токи 200 А в модульном и 25 А в дискретном исполнении, прямые падения напряжения в открытом состоянии 3,0-3,5 В, частоты коммутации до 5 кГц (время включения/выключения около 1 мкс). II поколение (1991 г.): коммутируемые напряжения до 1600 В, токи до 500 А в модульном и 50 А в дискретном исполнении; прямое падение напряжения 2,5-3,0 В, частота коммутации до 20 кГц ( время включения/ выключения около 0,5 мкс). III поколение (1994 г.): коммутируемое напряжение до 3500 В, токи 1200 А в модульном исполнении. Для приборов с напряжением до 1800 В и токов до 600 А прямое падение напряжения составляет 1,5-2,2 В, частоты коммутации до 50 кГц (времена около 200 нс). IV поколение (1998 г.): коммутируемое напряжение до 4500 В, токи до 1800 А в модульном исполнении; прямое падение напряжения 1,0-1,5 В, частота коммутации до 50 кГц (времена около 200 нс). IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFETMetal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рисунок 28. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор). Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии. Схематичный разрез структуры IGBT показан на рисунке 30,а. Биполярный транзистор образован слоями p+ (эмиттер), n (база), p (коллектор); полевой - слоями n (исток), n+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p+ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления. На рисунке 30,б изображена структура IGBT IV поколения, выполненного по технологии "утопленного" канала (trench-gate technology), позволяющей исключить сопротивление между p-базами и уменьшить размеры прибора в несколько раз.

а б Рисунок 30 - Схематичный разрез структуры IGBT: а-обычного (планарного); б-выполненого по "trenchgate technology" Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного. Для IGBT с номинальным напряжением в диапазоне 600-1200 В в полностью включённом состоянии прямое падение напряжения, так же как и для биполярных транзисторов, находится в диапазоне 1,5-3,5 В. Это значительно меньше, чем характерное падение напряжения на силовых MOSFET в проводящем состоянии с такими же номинальными напряжениями. С другой стороны, MOSFET c номинальными напряжениями 200 В и меньше имеют более низкое значение напряжения во включённом состоянии, чем IGBT , и остаются непревзойдёнными в этом отношении в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 50 А. По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значительно превосходят биполярные. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2-0,4 и 0,2-1,5 мкс, соответственно. Область безопасной работы IGBT позволяет успешно обеспечить его надёжную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц для модулей с номинальными токами в несколько сотен ампер. Такими качествами не обладают биполярные транзисторы, соединённые по схеме Дарлингтона. Так же как и дискретные, MOSFET вытеснили биполярные в ключевых источниках питания с напряжением до 500 В, так и дискретные IGBT делают то же самое в источниках с более высокими напряжениями (до 3500 В). IGBT-модули В настоящее время транзисторы IGBT выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением ("Mitsubishi", "Siemens", "Semikron" и др.) и таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением ("Toshiba Semiconductor Group"). Модули с односторонним охлаждением выполняются в прочном пластмассовом корпусе с паяными контактами и изолированным основанием. Все электрические контакты находятся в верхней части корпуса. Отвод тепла осуществляется через основание. Типовая конструкция модуля в прямоугольном корпусе показана на рисунке 31.

Рисунок 31 - Типовая конструкция IGBT-модуля: 1 - кристалл; 2 - слой керамики; 3 - спайка; 4 - нижнее тепловыводящее основание

Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления - драйвер конструктивно компактна. Наиболее целесообразно располагать цепи драйвера в непосредственной близости от силового ключа. В модулях IGBT драйверы непосредственно включены в их структуру. "Интеллектуальные" транзисторные модули (ИТМ), выполненные на IGBT, также содержат " интеллектуальные" устройства защиты от токов короткого замыкания, системы диагностирования, обеспечивающие защиту от исчезновения управляющего сигнала, одновременной проводимости в противоположных плечах силовой схемы, исчезновения напряжения источника питания и других аварийных явлений. В структуре Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ИТМ на IGBT предусматривается в ряде случаев система управления с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ) и однокристальная ЭВМ. Во многих модулях имеется схема активного фильтра для коррекции коэффициента мощности и уменьшения содержания высших гармонических в питающей сети. IGBT-модуль по внутренней электрической схеме может представлять собой единичный IGBT, двойной модуль (half-bridge), где два IGBT соединены последовательно (полумост), прерыватель (chopper), в котором единичный IGBT последовательно соединён с диодом, однофазный или трёхфазный мост. Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит параллельно каждому IGBT встроенный обратный диод. Наиболее распространённые схемы соединений IGBT- модулей приведены на рисунке 32.

Рисунок 32 - Схемы IGBT-модулей

Интенсивно развивается технология корпусирования паяной конструкции силовых модулей с целью дальнейшего снижения габаритов и массы, повышения надёжности, энерго- и термоциклоустойчивости, уменьшения теплового сопротивления и стоимости. Эти цели достигаются применением новых материалов и технологий сборки на тонкие и AlN керамические подложки в корпусах с малоиндуктивными выводами, разработкой специальных конструкций силовых модулей с интегрированным жидкостным охлаждением и созданием силовых модулей, включая "интеллектуальные", с использованием матричных композиционных материалов, имеющих хорошие теплопроводящие свойства и низкие, согласованные с кремнием и керамикой, коэффициенты теплового расширения (КТР). В модулях с интегральным жидкостным охлаждением почти в четыре раза удаётся увеличить отводимую рассеиваемую мощность по сравнению с сопоставимой по электрическим параметрам традиционной конструкцией силового модуля с воздушным охлаждением. Применение матричных композиционных материалов (MMC-Metal Matrix Composite) открывает новые перспективы в создании высокомощных, компактных, прочных, надёжных силовых модулей. MMC имеют высокую теплопроводность (MMC150 Вт/(м*К), Cu-370, Al-200, Si-80), низкий КТР (MMC-7, Cu-17, Al-23, Si-4, -7, AlN-7), что позволяет снизить до минимума напряжённости в конструкции модуля, особенно в чипах силовых приборов, обеспечивая хорошую электрическую изоляцию и эффективный отвод тепла. В настоящее время по этой концепции созданы "интелектуальные" силовые модули (выпрямитель-инвертор) мощностью до 100 кВт. Наряду с развитием технологии паяной конструкции силовых модулей с изолированным основанием (предельные параметры 1,2 кА, 3,5 кВ) продолжает интенсивно развиваться технология прижимной конструкции IGBT- модулей, подобная таблеточной конструкции SCR (Silicon Controlled Rectifier) и GTO - press-pack technology, в которой наряду с уменьшением более чем в 10 раз теплового сопротивления и габаритов значительно улучшены надёжность, термоциклоустойчивость. Наиболее высоких параметров IGBT- модулей прижимной конструкции достигла кампания "Toshiba"(PP HV IGBT-press pack high voltage IGBT).

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Некоторые вопросы эксплуатации IGBT-модулей Конструкция и параметры IGBT-модулей постоянно совершенствуются, повышается устойчивость и «живучесть» модулей при жестких условиях эксплуатации и в аварийных режимах. Во всех случаях, когда речь идет не о механическом или электростатическом повреждении IGBT, все выходы модулей из строя происходят из-за теплового воздействия, разными являются только причины такого воздействия. Чаще IGBT-модули используются в инверторах, где транзисторы соединены по схеме полумоста (рисунок 33), и импульсных источниках питания, где используются IGBT-модули, собранные по схеме чоппера (рисунок 34).

Рисунок 33 - Схема трехфазного инвертора

Рисунок 34 - Схема импульсного источника питания

Рассмотрим наиболее распространенные случаи выхода IGBT-модулей из строя в этих схемах. 1. «Жесткое» выключение сквозного тока (тока короткого замыкания) Самый распространенный и требующий наиболее тщательного рассмотрения случай — выход из строя модулей в результате воздействия сквозного тока в схеме полумоста инвертора. Как известно, сквозной ток (рис. 1) появляется вследствие несанкционированного одновременного включения обоих транзисторов полумоста. К появлению сквозного тока приводят следующие причины:  малое «мертвое» время;  сбой в системе управления или ложное включение драйвера в результате электромагнитной помехи;  неисправность драйверов;  ненадежные контакты в цепи управления (обрыв цепи управления). Режим сквозного тока является самым тяжелым для IGBT, так как в этом случае одновременно с приложенным высоким напряжением между коллектором и эмиттером через транзистор протекает большой ток. Например, для стандартных IGBT(NPT) с напряжением коллектор-эмиттер 1200 В при напряжении затвор-эмиттер + 15 В величина сквозного тока достигает пяти-, шестикратного значения относительно максимально допустимого постоянного тока коллектора. Из-за большой пиковой мощности, выделяющейся на транзисторе, длительность тока короткого замыкания должна быть ограничена и для большинства IGBT-модулей не должна превышать 10 мкс. Во многих преобразователях для диагностики тока перегрузки используется известный метод отслеживания напряжения насыщения транзистора: сигнал выключения поступает на затвор транзистора через 2–4 мкс после появления тока перегрузки. Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Следующий за этим процесс выключения играет большую роль для безопасного выхода транзистора из режима короткого замыкания. Зачастую конструкция силовой части схемы, а именно силовых шин между фильтром питания преобразователя и инвертором, имеет достаточно большую индуктивность. Силовая разводка изготавливается потребителями не в виде низкоиндуктивных плоскопараллельных шин, разделенных изолятором, а выполняется из стандартной медной полосы толщиной от 1 до 5 мм, индуктивность которой достигает 0,5–1 мкГн и более. С целью подавления перенапряжений при выключении IGBT-модулей в нормальном режиме работы используются RC- или RCD-снабберы, которые ограничивают напряжение коллектор-эмиттер и рассеивают часть энергии потерь при выключении модуля. Иная картина возникает при выключении тока короткого замыкания. В этом случае скорость спада тока при быстром запирании транзистора может достигать очень больших значений (более 1000 А/мкс), вследствие чего на шинах возникают индуктивные пики перенапряжений, от которых не спасают маломощные снабберные цепи. Как правило, IGBT-модули представляют собой два или более соединенных параллельно транзисторных элемента. При пробое модуля от перенапряжений в результате резкого выключения тока короткого замыкания в подавляющем большинстве случаев повреждаются все транзисторные кристаллы в обоих ключах полумоста (рисунок 35). При этом ток увеличивается до такого значения, когда начинает разрушаться алюминиевая металлизация чипов, алюминиевая проволока, с помощью которой производилась разводка силовых и управляющих цепей внутри модуля, расплавляется, и окончательно разрушается эмиттерный контакт.

Рисунок 35 - Повреждение кристаллов IGBT в результате воздействия сквозного тока

В месте разрыва цепи возникает электрическая дуга, которая испаряет часть защитного компаунда, покрывающего кристаллы и металлизацию металлокерамических плат. Величины паразитной индуктивности силовой части ПЧ, а также емкости фильтра питания прямо пропорционально влияют на продолжительность горения электрической дуги. За это время в модуле накапливаются продукты горения, и в итоге разрушается корпуса прибора. Как правило, этот процесс сопровождается выбросом плазмы наружу, что зачастую приводит к повреждению других элементов схемы. Для модулей, пробитых сквозным током, характерны следующие признаки:  повреждение верхней поверхности кристаллов транзисторов или выгорание почти всех транзисторных чипов в обоих ключах полумоста;  большинство диодных кристаллов остаются неповрежденными, диоды повреждаются только из-за воздействия электрической дуги от соседних транзисторов;  частичное или полное разрушение корпуса модуля. Так как вероятность возникновения тока короткого замыкания в реальной эксплуатации существует всегда, для обеспечения надежной работы IGBT-модулей при разработке преобразователей необходимо учитывать ряд обязательных требований: Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ограничение напряжения «затвор-эмиттер» в любых режимах работы модуля (не более +15 В);  минимизация паразитных индуктивностей силовых шин;  организация «плавного» выключения тока короткого замыкания (ограничение di/dtспада тока при выключении) с помощью схемотехнических решений драйвера;  максимальное сокращение времени от появления тока короткого замыкания до начала выключения модулей. 

2. Перегрев IGBT-модулей рабочим током Основным признаком перегрева IGBT-модуля рабочим током в результате, например плохого охлаждения, является расплавление припоя под кристаллами транзистора или диода. Иногда перегрев сопровождается растрескиванием кристалла и смещением последнего от первоначального положения. Но во всех случаях в модулях сохраняется неповрежденной верхняя часть кристаллов с приваренной алюминиевой проволокой (рисунок 36). Подобная картина обусловлена тем, что процесс перегрева развивается медленно (от нескольких секунд до десятков минут в зависимости от условий охлаждения и режима работы). Мощность, выделяющаяся в кристаллах, значительно меньше по сравнению с мощностью, выделяемой в режиме тока короткого замыкания и не приводит к столь разрушительным последствиям.

Рисунок 36 - Повреждение кристаллов IGBT в результате перегрева

Пробой в результате перегрева наблюдается как правило на всех параллельно соединенных кристаллах поврежденных транзисторов и диодов, так как температура на поверхности медного основания распределена достаточно равномерно. Основные причины перегрева модулей:  ошибки в расчете полной мощности потерь в модулях;  неправильный выбор охладителя или условий охлаждения;  неправильное расположение термодатчика или ошибки при согласовании показаний термодатчика с температурой кристаллов;  неправильное взаимное расположение модулей на охладителе;  некачественная теплопроводящая паста (высокая вязкость, ухудшение свойств со временем, низкая теплопроводность);  некачественная обработка поверхности охладителя;  недостаточное усилие затяжки или ослабление винтов крепления модуля к охладителю. 3. Выход из строя быстродействующих диодов IGBT-модулей Выход из строя обратных диодов модулей происходит, как правило, из-за перегрузки прямым током. Если на выходной вольт-амперной характеристике транзистора имеется участок стабилизации тока, а на прямой ВАХ диода такой участок отсутствует, то в одинаковых условиях ток перегрузки через диод может быть в несколько раз больше, чем через транзистор. Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Возможны два случая повреждения диодов током перегрузки: 1. Относительно невысокая амплитуда тока (трех-, четырех-, пятикратная перегрузка относительно номинального тока) и большая длительность воздействия (несколько секунд); 2. Высокая амплитуда тока (15–20-тикратная перегрузка и более) и малое время (десятки-сотни микросекунд). В первом случае, при относительно невысоком значении тока перегрузки, основная мощность рассеивается в высокоомной базе диода и ситуация развивается примерно так же, как и в случае перегрева из-за плохого охлаждения. Рассеиваемая в кремниевой структуре мощность не успевает отводиться через металлокерамическую подложку. В результате происходит расплавление припоя и разрушение нижней части диодного кристалла (рисунок 37).

Рисунок 37 - Повреждение диода при протекании длительного тока перегрузки

Подобные повреждения встречались при ошибках монтажа модулей, когда потребитель, перепутав коллекторный и эмиттерный выводы модуля, включал питание. Через диод в этом случае длительно протекал прямой ток значительной величины, что и приводило к выходу устройства из строя. Иная ситуация развивается, например, при быстром разряде через диод заряженного конденсатора большой емкости. Из-за высокой плотности тока происходит быстрое тепловыделение в точках присоединения алюминиевых выводов к анодной металлизации диода, где и наблюдается проплавление структуры (рисунок 39). Расплавления припоя под кристаллом при этом не происходит.

Рисунок 38 - Повреждение диодной структуры в точках присоединения выводов при прохождении короткого импульса сверхтока

Выход из строя обратных диодов может произойти также из-за шнурования прямого тока. Данный вид пробоя был зафиксирован при использовании высоковольтных IGBT-модулей на высокой для этих приборов частоте коммутации. Как известно, чем выше класс прибора, тем хуже его частотные свойства и выше коммутационные потери. Для модулей на напряжение 3300 В оптимальными являются частоты коммутации от 500 до 1000 Гц при условии равенства статических и динамических потерь. При увеличении рабочей частоты и неизменных условиях охлаждения во избежание превышения допустимой мощности потерь некоторые потребители пытаются сильно снизить величину коммутируемого тока. Например в одном из импульсных источников питания с частотой коммутации 8-10 кГц были использованы IGBT-модули с обратными диодами на токи 200А, напряжение 3300 В. Амплитуда коммутируемого тока была значительно ниже величины номинального тока диода. В этих условиях после постепенного увеличения Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

амплитуды тока от нуля до 10–15% номинального значения неоднократно происходил выход из строя диодов, хотя температура корпуса модуля при этом практически не отличалась от температуры окружающего воздуха. Анализ этих диодов показал, что все они пробивались точно по центру кристалла (рис. 7).

Рисунок 39 - Повреждение высоковольтного диода при высокой частоте коммутации

В данном случае пробой диода может развиваться следующим образом. На прямой вольт-амперной характеристике диодов имеется точка инверсии (рисунок 40), в которой меняется знак температурного коэффициента прямого падения напряжения (ТКН). При значениях прямого тока выше точки инверсии значение ТКН имеет положительную величину, если значение тока ниже точки инверсии отрицательную. Причем величина коэффициента тем больше, чем меньше плотность тока. Высокочастотные диоды, используемые в IGBT-модулях, практически всегда работают при плотностях прямого тока, близких к точке инверсии. Однако при малой величине прямого тока ТКН отрицателен и имеет большее значение, поэтому плотность тока будет максимальной в наиболее нагретой области кристалла (как правило, она расположена в центре кристалла — из-за худших условий охлаждения этой части кристалла диода).

Рисунок 40 - Прямые вольт-амперные характеристики высоковольтного SFRD

Кроме большого отрицательного ТКН, локализации тока способствует также увеличение плотности заряда обратного восстановления в центральной части кристалла, что приводит к повышению коммутационных потерь и к дальнейшему увеличению температуры в наиболее нагретых точках диода. В итоге лавинообразный процесс локального разогрева приводит к повреждению диодного кристалла. Поэтому применение высоковольтных IGBT-модулей при повышенных частотах коммутации и низких рабочих токах всегда требует дополнительных исследований в реальных режимах эксплуатации. 4. Пробой затвора Затвор является самым чувствительным элементом IGBT-модуля, поэтому должны быть приняты соответствующие меры предосторожности. Пробой затвора связан с разрушением тонкого подзатворного диэлектрика и происходит при напряжении на затворе 70–80 В. Максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер при эксплуатации Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ограничено значением ± 20 В. Тем не менее пробой затвора остается достаточно распространенным видом повреждений, который встречается даже у опытных потребителей. Очень часто для монтажа IGBT-модулей применяют паяльники, работающие от сети 220 В. В этом случае всегда есть вероятность пробоя изоляции в паяльнике и попадания на затвор модуля недопустимо высокого напряжения, которое приведет к пробою затвора. Еще одна причина повреждения затвора — ненадежные контакты к управляющим выводам. Если в готовом устройстве при наличии высокого напряжения «коллекторэмиттер» произойдет нарушение контакта или обрыв эмиттерного управляющего вывода, то могут возникнуть осцилляция напряжения в управляющей цепи и высокочастотные колебания тока коллектора, которые в свою очередь через емкость между коллектором и затвором вызывают увеличение напряжения в цепи затвора выше предельно допустимого значения. Чтобы избежать подобных неприятностей, необходимо соблюдение следующих требований:  наличие антистатического покрытия на рабочих местах;  обязательное наличие у персонала подключенных к заземлению антистатических браслетов;  наличие гальванически развязанных от сети и заземленных паяльников;  обеспечение надежного соединения управляющих выводов с модулями. 5. Пробой при измерениях параметров IGBT-модулей в условиях потребителей В IGBT между коллектором и затвором имеется паразитная емкость Миллера, которая при отсутствии предупредительных мер оказывает сильное влияние на затвор. Поэтому при контроле напряжения пробоя и тока утечки в цепи коллектор-эмиттер затвор должен быть закорочен с эмиттером. Если этого не сделать, то при приложении напряжения к коллектору на затвор через указанную емкость наводится напряжение, которое при достижении порогового значения включает транзистор (при этом он открывается не полностью и остается в активном режиме). IGBT-ключи не предназначены для работы в активном режиме, так как в этом случае они имеют сильную положительную температурную зависимость тока коллектора. Подобный эффект приводит к шнурованию тока через транзистор и локальному тепловому пробою. Если в цепь «затвор-эмиттер» подключен резистор с высоким сопротивлением, он также не может компенсировать наведенный емкостной ток. Поэтому измерение обратного напряжения и тока утечки цепи «коллектор-эмиттер» необходимо проводить только при закороченной металлической перемычкой цепи «затвор-эмиттер». Еще один вид выхода из строя при входном контроле — перегрев модулей при измерении напряжения насыщения и прямого падения напряжения на диоде. Во избежание этого контроль параметров, связанных с большими токами, должен производиться импульсными методами. 6. Механические повреждения модулей а) Монтаж модуля на охладитель IGBT-модуль имеет паяные соединения между полупроводниковыми кристаллами, платами и основанием. В связи с этим значительное механическое воздействие на корпус или основание модуля может привести к появлению трещин в кристаллах транзисторов и диодов. Кроме того, в конструкции модулей применяются детали из хрупких материалов (керамика Al2O3 или AlN, композиционный материал AlSiC), поэтому с модулями необходимо обращаться осторожно, особенно после распаковки из транспортной тары. Запрещается ронять модули, наносить какие-либо удары по корпусу и основанию. Особенно опасны концентрированные удары по основанию модуля и по охладителю с Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

закрепленными на нем модулями. Ударная волна передается от охладителя на основание, в результате чего создаются условия для появления трещин в кристаллах и платах модуля. Для снижения переходного теплового сопротивления модули-охладители оснований модулей многих производителей имеют выпуклую форму. Перед креплением модуля к охладителю на основание наносится тонкий слой теплопроводящей пасты, которая заполняет пустоты, вытесняя при этом воздух. Слой пасты должен иметь минимальную толщину, так как ее теплопроводность все же относительна. При креплении модуля к охладителю с помощью винтов основание прижимается к охладителю со значительным усилием, поэтому вся лишняя нанесенная паста выдавливается наружу. Применение паст с очень высокой вязкостью может привести при монтаже модуля к охладителю к недопустимому изгибу медного основания и появлению трещин в металлокерамических платах и кристаллах. На фотографии (рисунок 41) показана трещина на кристалле IGBT, которая появилась в результате монтажа модуля на охладитель с применением теплопроводящей пасты КПТ-8. Паста имела густую консистенцию, была нанесена толстым слоем и при монтаже практически не выдавливалась из-под модуля, вследствие чего произошла недопустимая деформация основания и механическое разрушение одного из кристаллов. При последующем приложении к модулю напряжения по трещине произошел точечный пробой, место которого также хорошо видно на фотографии.

Рисунок 41 - Трещина в кристалле IGBT, появившаяся в результате излома модуля при применении теплопроводящей пасты с высокой вязкостью

б) Монтаж силовых шин Монтаж силовых шин к IGBT-модулям должен производиться с точным соблюдением технологии сборки, а также с учетом требований к конструкции и свойствам силовых шин. Силовые выводы модулей имеют внутренние демпферы, которые предназначены для компенсации различий в температурных коэффициентах расширения деталей и практически исключают механические нагрузки в паянных контактах, возникающие при монтаже внешних шин. Тем не менее превышение допустимых механических нагрузок к выводы в процессе монтажа может привести к повреждению прибора. Внешние силовые шины сделаны, как правило, из твердой меди и имеют высокую жесткость. При больших (≥1мм) зазорах между выводами модуля и шиной существует вероятность сильной деформации выводов и нарушения внутреннего контакта в модуле (рисунок 42).

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Рисунок 42 - Пример неправильного монтажа, приводящего к отрыву силового вывода модуля 2

В этом случае при завертывании крепежных винтов одновременно с упругим изгибом силовой шины происходит вытягивание вывода из корпуса у модуля 2, что приводит обрыву силового вывода внутри модуля. Также модули не должны использоваться в качестве опор для крепления массивных силовых шин, особенно с учетом ударных и вибрационных нагрузок. Наилучшим решением будет крепление силовых шин на специальные опоры-изоляторы, которые принимают на себя основную механическую нагрузку.

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Список литературы 1. Micromaster 440. Руководство по эксплуатации. Издание А1. (6SE6400-5AA000AP00). 2. MICROMASTER 440/420. Перечень параметров. Документация для специалистов (6SE6400-5BB00-0BP0) 3. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями/Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, - 94 с. 4. Фираго, Б. И. Регулируемые электроприводы переменного тока - Мн.: Техноперспектива. 2006. - 363 с.

5. Основы силовой электроники: учеб. пособие / Г.С. Зиновьев – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003, - 243с. 6. Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. — М.: СОЛОНПрссс, 2005. — 416 с: ил. (Серия «Библиотека инженера).

Романов В. П. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ MICROMASTER 440 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ