Cu sistemul de comanda cu microprocesor si convertizor static in tehnologie IGBT putem realiza optimizarea functionarii a o serie de echipamente industriale, prin corelarea optima a regimului de lucru cu consumurile energetice in flux continuu si cu posibilitatea integrarii in eventuale sisteme de dispecerizare.
Aparatul contine o punte redresoare monofazata necomandata cu diode, un circuitul intermediar de tensiune continua, circuit realizat cu condensatoare de filtrare si temporizator de preincarcare, un invertor trifazat de tensiune in tehnologie IGBT si un circuit cu microcontroller dedicat, preprogramat.
Realizarea echipamentului face posibila alimentarea unui motor asincron trifazat, de la reteaua monofazata de alimentare cu energie electrica cu facilitatea reglajului continuu al turatiei si acceleratiei. Un alt deziderat este de a obtine un coeficient de utilizare maxim in conditiile unui consum specific de energie minim.
Caracteristici functionale :

• Tensiunea nominala de alimentare : max.230 Vc.a
• Frecventa tensiunii de alimentare : 50 Hz
• Puterea nominala de iesire : 0.63 KW
• Capacitate de suprasarcina : 2 Pn / 1 min.
• Tensiunea de iesire : 3x200Vc.a
• Frecventa de iesire : max 50Hz
• Sistem de racire : ventilatie fortata

Comenzi de la distanta:

• pornit/oprit
• schimbare sens
• reglare turatie (continua)
• reglare acceleratie (continua)

Semnalizari:

• pornit/oprit (led)
• prezenta tensiune in circuitul intermediar pana la descarcarea condensatoarelor de filtraj la o valoare de tensiune nepericuloasa (led)

Echipamentul este protejat la aparitia accidentala a urmatoarelor situatii:

scurtcircuit

supratensiune in circ. intermediar

supratemperatura

La aparitia oricarei situatii de defect, invertorul se blocheaza, impulsurile de comanda la tranzistoarele IGBT fiind blocate, alimentarea motorului este intrerupta.
Introdus in echipamente de actionari industriale specifice, sistemul asigura :

• cresterea in mod natural a factorului de putere;
• cresterea randamentului motorului;
• cresterea coeficientului de utilizare;
• reducerea sensibila a costurilor specifice;
• reducerea uzurii elementelor in si marirea duratei de viata.

Solutia aleasa pentru partea de putere a invertorului PWM este bazata pe componente discrete, tranzistoare MOSFET sau IGBT, cu drivere separate pentru fiecare din cele 3 canale.

Conform schemei de mai sus, care este tipica pentru fiecare din cele 3 canale, se executa placile de circuit imprimat, circuitele fiind proiectate pe un singur layer petru a putea fi abordate si de catre cei cu dotare mai modesta. Configuratia cablajului e identica pentru cele 3 placi, dar numai una se implanteaza integral, de pe celelalte doua lipsind componentele U4, C6, C7, R9, R12, JP1, JP2 si J3, corespunzatoare circuitului de shut-down care e comun celor 3 canale. Proiectarea a avut in vedere o tensiune de lucru de peste 300V, tranzistoarele alegandu-se la 500-600V. curentii vehiculati corespund unei puteri a motorului de max 1KW, cat are in vedere prototipul.

Alimentarea se face de la reteaua monofazata de curent alternativ de 230V/50Hz. Tensiunea se redreseaza cu o punte redresoare corespunzatoare si este apoi bine filtrata cu ajutorul unor condensatoare electrolitice de mare capacitate, avand un ESR redus. Pe durata catorva secunde de la conectare, curentul de incarcare al condensatoarelor electrolitice este limitat de catre o rezistenta serie (R3), care apoi este suntata de contactele unui releu lucrand ca timer de preincarcare.
Blocul redresor filtrat livreaza o tensiune de circa 320V. Un divizor rezistiv format din rezistoarele R6-R10 costituie senzorul de tensiune care furnizeaza microcontrollerului o fractiune din tensiunea continua de pe bara BUS+ a redresorului de putere. Informatia de tensiune se obtine pe rezistorul R6, fiind disponibila pe conectorul J5.
Rezistoarele R4 si R5 asigura descarcarea condensatoarelor la deconectare, LED-ul inseriat cu acestea semnalizand prezenta tensiunii periculoase pana la descarcarea completa a condensatoarelor de filtraj C4-C5.
Schema se prezinta mai jos, si se executa practic conform desen PCB No.4 - Redresor filtrat, prezentat in continuare.

Dupa executia si asamblarea celor 3 module care compun etajele finale ale invertorului, precum si a modulului redresor filtrat, testat in prealabil separat, se pot face primele teste cu sarcina la iesire. Pentru inceput, se monteaza la iesire sarcini rezistive. Impulsurile se aplica la cele 6 intrari de semnal PWM.
Pentru evitarea deschiderii simultane a doua tranzistoare de pe acelasi brat, montajul se completeaza cu un circuit de interblocare a semnalelor de comanda, care asigura o protectie hardware eficienta. Circuitul de interblocare este esential pe durata testelor in aceasta etapa, iar optional, poate fi inclus si in varianta definitiva, ca o masura suplimentara de protectie, desi semnalul furnizat de microcontroller asigura interblocarea mentionata prin software.
Un astfel de circuit este prezentat in cele ce urmeaza:

Circuitul e gandit ca un modul universal pentru montaje de acest gen, asa ca a fost prevazut atat cu iesiri la care semnalele livrate sunt in faza cu cele aplicate pe intrari, cat si cu semnale in antifaza. Semnalele de intrare se aplica prin conectoarele J1-J2-J3, semnalele de iesire fiind disponibile la conectoarele J4-J5-J6, respectiv J7-J8-J9.
Placa de circuit imprimat cu logica de interblocare a fost proiectata pe 2 layere:

Dezvoltarile relativ recente in domeniul comenzii motoarelor asincrone au dus la crearea unui controller, MC3PHAC, care are implementati algorimti de comanda a motoarelor asincrone. Este o solutie ieftina si usor de implementat in diferite aplicatii.
Controllerul este preprogramat, dar utilizatorul il poate configura si programa in functie de necesitatile si aplicatiile in care va fi folosit. O atentie sporita a fost data sigurantei si diferitelor protectii.
La baza functionarii MC3PHAC sta un modul avansat PWM creat special pentru a indeplini cele mai riguroase cerinte in comanda motoarelor asincrone. Ceasul modulului este la 8MHz (125 ns intre 2 fronturi crescatoare ) si genereaza sase semnale modulate in latime in grupuri de cate trei semnale complementare. Acest lucru permite conectarea lui MC3PHAC direct la invertoare pentru cele trei faze. Polaritatea partii inalte a semnalelor PWM poate fi specificata separat de polaritatea partii joase. Timpul mort este introdus intre timpul de pornire a perechii de semnale complementare si poate fi setat pentru orice valoare cuprinsa intre 0 si 32 microsecunde, cu pasul de 125 ns.

Frecventa PWM poate avea una din valorile de mai jos, cu rezolutia aferenta.
Tensiunea de intrare
( MUX_IN ) [V] --- Frecventa PWM [KHz] --- Rezolutia PWM [biti]
0 la 1 V ---------------- 5,291 KHz --------- 9,6 biti
1,5 la 2,25 V --------- 10,5821 KHz -------- 8,6 biti
2,75 la 3,5 V --------- 15,873 KHz --------- 8 biti
4 la 5 V --------------- 21,164 KHz --------- 7,6 biti

MC3PHAC este diponibil, printre altele, si in capsula PDIP cu 28 de pini, versiune in care a fost utilizat in prezenta aplicatie.

MC3PHAC poate functiona in unul din doua moduri: independent sau integrat (host). Selectia modului de operare are loc la pornire si este specificata de starea pinului 20.



Descriere succinta a fiecarui pin: (Nr pinului - Numele pinului - Descriere

1 - VREF ADC VREF High = intrarea tensiunii de referinta pentru placa ADC. Pentru un semnal cat mai bun acest pin trebuie legat la VDDA.

2 - RESET “0” pe acest pin reseteaza MC3PHAC. Toate iesirile PWM sunt setate pe inalta impedanta. Acest pin este unul bidirectional ce permite resetarea intregului sistem. Se muta in “0” atunci cand este detectat un reset in sistem (ex. pierderea ceasului).

3 - VDDA VDD (Analogic) = alimenteaza portiunile analogice ale MC3PHAC, care includ si circuitul de generare al semnalului de tact (PLL) si ADC.

4 - VSSA VSS (Analogic) = alimentarea (masa) portiunilor analogice ale MC3PHAC, care includ si circuitul de generare al semnalului de tact (PLL) si ADC.

5 - OSC2 Osc Out – iesirea oscilatorului cu cristalul de cuart (a circuitului de ceas). Corectitudinea ceasului este data de oscilatorul de 4 MHz.

6 - OSC1 Osc In – intrarea oscilatorului cu cristalul de cuart (a circuitului de ceas). Poate accepta si un semnal extern. Corectitudinea ceasului este data de oscilatorul de 4 MHz.

7 - PLLCAP PLL Damp – un condensator legat de la acest pin la masa afecteaza stabilitatea si timpul de reactie al circuitului de ceas PLL. Valori mari dau o stabilitate mai buna. O valoare tipica este de 0.1 microFarad.

8 - PWMPOL_BASEFREQ PWM Pol/Base Speed – intrare specifica initializarii care determina polaritatea PWM si viteza de baza (50 sau 60 Hz)

9 - PWM_U_TOP PWM U Top – semnalul de iesire PWM pentru comanda tranzistorului de sus pentru faza U

10 - PWM_U_BOT PWM U Bottom - semnalul de iesire PWM pentru comanda tranzistorului de jos pentru faza U

11 - PWM_V_TOP PWM V Top - semnalul de iesire PWM pentru comanda tranzistorului de sus pentru faza V

12 - PWM_V_BOT PWM V Bottom - semnalul de iesire PWM pentru comanda tranzistorului de jos pentru faza V

13 - PWM_W_TOP PWM W Top - semnalul de iesire PWM pentru comanda tranzistorului de sus pentru faza W

14 - PWM_W_BOT PWM W Bottom - semnalul de iesire PWM pentru comanda tranzistorului de jos pentru faza W

15 - FAULTIN Fault In – “1” pe aceasta intrare dezactiveaza imediat iesirile PWM. Cand pinul va trece in starea “0” se va reincerca activarea.

16 - PWMFREQ_RxD PWM Freq/Rx Data – in modul independent acest pin este o iesire care trece în “0” pentru a indica faptul ca pinul MUX_IN citeste o tensiune analogica pentru a determina o frecventa PWM dorita. In modul integrat (host) acest pin este o intrare ce primeste date serial (SCI).

17 - RETRY_Tx Retry Time/Tx Data – in modul independent acest pin este o iesire care trece în “0” pentru a indica faptul ca pinul MUX_IN citeste o tensiune analogica pentru a specifica un timp de pauza dupa o eroare inainte de a reactiva iesirile PWM. In modul integrat acest pin este o intrare ce primeste date serial.

18 - RBRAKE R Brake – acest pin este o iesire care trece în starea “1” de fiecare data cand tensiunea de alimentare depaseste o valoare prestabilita. Acest semnal se doreste sa conecteze un rezistor in paralel pe capacitatea de filtraj a alimentarii pentru a preveni cresterea tensiunii.

19 - DT_FAULTOUT Dead-Time/Fault Out – in modul independent acest pin este este o iesire care trece în “0” pentru a indica faptul ca pinul MUX_IN citeste o tensiune analogica pentru a specifica timpul mort intre starile de pornire ale semnalelor PWM de sus si jos pentru o faza data. In modul integrat este un pin care trece în “0” de fiecare data cand apare o eroare.

20 - VBOOST_MODE Vboost/Mode Select – la pornire daca acest pin se afla în starea “1” rezulta modul independent de functionare, daca “0” – modul integrat. In modul independent este folosit si ca o iesire care daca trece în starea “0” indica faptul ca pinul MUX_IN detecteaza o tensiune analogica ce specifica valoare tensiunii de boost a motorului.

21 - VDD +5 V alimentare pentru MC3PHAC

22 - VSS masa pt alimentarea de +5 V pentru MC3PHAC

23 - FWD Forward/Reverse – acest pin este o intrare care stabileste în ce sens se va roti motorul.

24 - START Start/Stop – acest pin este o intrare care stabileste daca motorul se roteste sau nu.

25 - MUX_IN Mux In – In modul independent, in timpul initializarii, este un pin care determina polaritatea PWM si viteza de baza. Altfel, este o intrare analogica ce citeste anumite nivele de tensiune corespunzatoare parametrilor sistemului MC3PHAC.

26 - SPEED Speed In - In modul independent, in timpul initializarii, este un pin care determina polaritatea PWM si viteza de baza. Altfel, este o intrare analogica ce citeste nivelul tensiunii corespunzator vitezei motorului.

27 - ACCEL Acceleration In - In modul independent, in timpul initializarii, este un pin care determina polaritatea PWM si viteza de baza. Altfel, este o intrare analogica ce citeste nivelul tensiunii corespunzator acceleratiei motorului.

28 - DC_BUS Dc Bus In - In modul independent, in timpul initializarii, este un pin care determina polaritatea PWM si viteza de baza. Altfel, este o intrare analogica ce citeste nivelul de tensiune proportional cu tensiunea de alimentare.

Daca pinul VBOOST_MODE este in starea „1” cand MC3PHAC este pornit, sau dupa ce este resetat, MC3PHAC trece in modul independent. In acest mod functionalitatea unor pini se schimba in sensul ca dispozitivul poate controla un motor fara sa astepte informatii de la o componenta externa (PC). Controllerul va comanda diferiti pini chiar in timp ce monitorizeaza starea altora.
In multe cazuri, parametrul care trebuie specificat este reprezentat de o tensiune analogica data pe pinul MUX_IN in timp ce alti pini sunt in starea „0”. In acest fel MC3PHAC se poate conecta la un mux analogic care va comuta semnalele de la intrarea MUX_IN, atunci cand semnalul selectat va trece in starea „0”.
Toate semnalele trebuie sa fie cuprinse in intervalul 0 V si valoarea maxima ADCVREF. Ca o alternativa economica, poate fi conectata o retea pasiva pentru fiecare parametru de iesire si intrarea MUX_IN ca in figura de mai jos.
Impedanta echivalenta a acestei retele pasive, vazuta de pinul MUX_IN este foarte importanta si va trebui sa se afle in intervalul ( 5-10 ) kiloohmi. Daca rezistenta este prea mare, cresterea curentului prin pinii de intrare/iesire va cauza o tensiune de offset care va afecta citirea corecta a starilor.

Pinul de intrare START este intotdeauna urmarit. Intrarea este sensibila, dar pinul trebuie sa fie in starea „1” inainte ca „0” sa fie recunoscut ca un semnal de start. Aceasta este o masura de prevenire a pornirii accidentale a motorului in cazul in care MC3PHAC este alimentat iar comutatorul este in pozitia de start.

Din moment ce MC3PHAC este folosit pentru controlul invertoarelor de putere care lucreaza cu tensiuni si curenti mari, are implementat un sistem de monitorizare si protectie. Uneori, cand o problema este detectata MC3PHAC raspunde imediat incercand sa restabilizeze situatia. In alte cazuri, sistemul PWM este imediat oprit pana cand problema in cauza este rezolvata. Pentru doua din erorile ce ar putea aparea (VDD mica si semnalul de ceas pierdut), controllerul se va restarta ducand PWM in starea de inalta impedanta si fortand in acest fel resetarea ansamblului hardware extern conectat la pinul de reset. Fiecare protectie este detaliata pe larg in cele ce urmeaza:

• Tensiune inalta de alimentare – din moment ce PWM este comandat de MC3PHAC este posibil ca energia sa fie transferata de la motor catre sursa de alimentare in procesul de decelerare brusca. De multe ori, se previne aceasta situatie inmagazinandu-se aceasta energie intr-un condensator. Daca tensiunea de alimentare depaseste limita “Vbus Decel Value” descrisa in tabelul ce compara modurile de functionare, MC3PHAC va reduce deceleratia in incercarea de a restabili regenerarea. De asemenea, daca se depaseste valoarea “Vbus Rbrake Value” controllerul va activa pinul RBRAKE care va pune in paralel o rezistenta pe care se va descarca condensatorul in schimbul mentinerii energiei.
• Supratensiune de alimentare – daca tehnica descrisa anterior nu da rezultate in limitarea corecta a tensiunii, iar tensiunea depaseste “Vbus Overvoltage Value” descrisa in acelasi tabel ca precedenta, iesirile PWM sunt blocate imediat si vor ramane asa pana cand tensiunea va scadea la o valoare acceptata si va trece pauza ce va indica siguranta repornirii invertorului.
• Tensiune scazuta de alimentare – daca tensiunea de alimentare scade prea mult unele etaje vor functiona incorect cauzand probleme altora. Daca tensiunea scade sub valoarea “Vbus Undervoltage Value” iesirile PWM vor fi dezactivate si reactivate in aceleasi conditii ca si mai sus.
• Eroare externa – MC3PHAC contine o intrare numita FAULT IN care permite sesizarea erorilor altor sisteme. Utilizatorul are posibilitatea sa determine ce parametru va fi monitorizat pe acest pin. Fata de erorile tratate anterior in care era vorba de pinul DC BUS IN, acesta este o intrare digitala care duce la inchiderea imediata a PWM. In momentul cand intrarea isi schimba starea PWM se va reactiva, bineinteles dupa ce va trece pauza care inseamna ca poare fi realimentat invertorul.
• detectia tactului pierdut – pierderea tactului pentru MC3PHAC reprezinta o conditie periculoasa in functionarea motorului. Efectul pierderii tactului este acela ca semnalul PWM va ramane in aceeasi stare lasand in conductie anumiti tranzistori din invertor ceea ce va duce la distrugerea ori a motorului, ori a invertorului, ori ale ambelor componente. Aceasta problema este eliminata prin resetarea sistemului si dezactivarea imediata a iesirilor PWM.
• protectie la VDD mica – la fel ca si pierderea ceasului, o valoare scazuta a VDD poate cauza blocarea functionarii sistemului. MC3PHAC contine un modul ce monitorizeaza tensiunea si care va reseta sistemul in cazul in care VDD va scadea sub 4 V.