Las aplicaciones de accionamiento de motor a menudo requieren diferentes tipos de protección para los transistores de potencia, el motor o cualquier parte del sistema. La protección de corriente del inversor es uno de los elementos importantes. No solo protege el transistor de potencia de daños, sino que también evita la desmagnetización del motor en caso de falla o control inestable. La protección contra sobrecorriente (OCP) y la protección contra cortocircuitos (SCP) a menudo se usan indistintamente, pero existen diferencias que se explican en este blog.
Diferencia entre OCP y SCP
En pocas palabras, la protección contra cortocircuitos es parte de la protección contra sobrecorriente. La Figura 1 muestra la relación de varias protecciones actuales. La protección contra fallas a tierra, la protección contra cortocircuitos del brazo y la protección contra cortocircuitos de fase a fase pertenecen a la protección contra cortocircuitos.
La Figura 2 muestra varios modos de cortocircuito y sus rutas actuales. Como se muestra en la Figura 2(a), se produce una falla a tierra cuando los devanados del motor se cortocircuitan con la estructura del motor, que normalmente está conectado a tierra, o cuando los cables del motor se cortocircuitan a tierra. La figura 2(b) muestra un brazo corto, que se refiere al caso en el que los IGBT del lado alto y del lado bajo se encienden erróneamente al mismo tiempo, lo que da como resultado un flujo de corriente muy alto. La figura 2(c) se relaciona con los cortocircuitos de fase a fase que ocurren cuando se cortocircuitan los devanados del motor de diferentes fases. En los tres casos, la magnitud de la corriente está limitada por la impedancia de la ruta de la corriente, incluido el propio IGBT.
Cómo configurar el nivel de OCP
Cómo establecer el nivel de corriente de protección es un tema importante independientemente del tipo de situación de sobrecorriente. Para responder a esta pregunta, primero debemos identificar el eslabón más débil del sistema. En la mayoría de los casos, los IGBT fallan más rápido que los diodos de rueda libre. Esto se debe a que es probable que ocurra una condición de sobrecorriente cuando se entrega energía desde el inversor al motor. Entonces, ¿debe establecerse el nivel de disparo del OCP en la corriente máxima que puede manejar el IGBT? Depende del método de control empleado en el sistema. El control de voltios/hercios, que se usa ampliamente en aplicaciones de motores de inducción, no puede predecir con precisión los niveles de corriente en el arranque. Por otra parte, cuando se utiliza un control de corriente como el control orientado al campo, se conoce bien la corriente máxima del motor para una aplicación particular. Agregar algo de margen a este nivel proporciona un buen punto de referencia para el nivel de OCP, como se muestra en la Figura 3. Puede manejar una sobrecarga del 120 % durante 10 minutos. En este caso, la corriente pico máxima es 1 A rms * 120 % * Sqrt(2) = 1,7 A pico. Se puede elegir un rango de retroalimentación de corriente de +/- 2 A para el control para permitir cierto sobreimpulso de control de corriente marginal. Y puede establecer 2,5 A como nivel de disparo de OCP. Incluso si se utiliza un IGBT de 5 A con una corriente de saturación de 30 A en el circuito inversor, el nivel de disparo de corriente no necesita ser superior a 10 A. Los altos niveles de disparo de corriente pueden causar la desmagnetización del motor. La protección I2T se puede implementar para compensar OCP si existe una capacidad de sobrecarga de tiempo.
¿Qué método de protección utiliza?
Por otro lado, SCP se enfoca principalmente en las fallas de IGBT. Los IGBT en los módulos de potencia inteligente SPM® de Fairchild tienen una excelente capacidad de cortocircuito, pero pueden dañarse si no se apagan de manera segura en unos pocos microsegundos. Por lo tanto, debe manejarse en hardware, no en software, con tiempos fijos de unos pocos microsegundos de retraso. La forma más común de proteger los IGBT en condiciones de cortocircuito es detectar la corriente en el riel del bus de CC negativo con una resistencia de derivación y alimentar la caída de voltaje al controlador de compuerta, como se muestra en la Figura 4(a). El IGBT se puede apagar suavemente al mismo tiempo. Apagar el IGBT en condiciones de cortocircuito puede provocar picos de voltaje excesivos y fallas de enganche. Soft-off es una forma muy eficaz de superar estos problemas. Para inversores de más de 5 Hp, la elección de la resistencia de derivación está efectivamente limitada. Los productos de la serie SPM 2 de Fairchild emplean un IGBT de detección con un pin emisor de detección que transporta una pequeña fracción de la corriente del emisor real. Como se muestra en la Figura 4(b), los tres emisores de detección están conectados y la corriente fluye a través de la resistencia de derivación externa. Se puede suministrar una caída de voltaje a un circuito integrado de accionamiento de compuerta de manera similar.
Uno de los inconvenientes de estos métodos es la incapacidad de detectar corrientes de falla a tierra como se muestra en la Figura 2(a). Si la suma no es cero, el software puede calcular las corrientes trifásicas y reconocer una falla a tierra. Sin embargo, es posible que la respuesta no sea lo suficientemente rápida para evitar daños en los IGBT. Los núcleos magnéticos, las resistencias de derivación en el riel bus de CC positivo y la protección contra la desaturación son otras opciones que se pueden seleccionar para la protección de tierra. Fairchild tiene controladores de puerta opto con protección contra la desaturación. FOD8316, FOD8318 y FOD8332 son ejemplos de dispositivos con estas características.
resumen
Este artículo explica la diferencia entre OCP y SCP y varios esquemas de protección. Los esquemas de protección apropiados deben elegirse sabiamente para cumplir con los requisitos de la aplicación.