تعد لوحة الواجهة الشخصية IS200BPIAG1A IGBT Drive Bridge أحد مكونات الواجهة المهمة التي صممتها GE Industrial Control Systems لأنظمة محرك التيار المتردد ثلاثية الطور المستندة إلى IGBT. يوفر IS200BPIAG1A واجهة إشارة كاملة وموثوقة بين إلكترونيات التحكم وإلكترونيات الطاقة، حيث يعمل بمثابة الجسر الأساسي الذي يتيح التحكم عالي الأداء والتشغيل الآمن لنظام القيادة. يتم تركيب IS200BPIAG1A في حامل لوحي قياسي من نوع VME ويواجه لوحة الكترونية معززة لنظام التحكم من خلال موصل P1 الخاص به. وهو متصل مباشرة بأجهزة الطاقة IGBT للمراحل A وB وC من خلال ستة موصلات قابس مخصصة للمرحلة.
يدمج IS200BPIAG1A ست دوائر تشغيل بوابة IGBT معزولة بشكل مستقل، وثلاث دوائر تغذية مرتدة معزولة لمذبذب التحكم في جهد التحويل (VCO)، ودوائر تغذية مرتدة VCO معزولة لمراقبة جهد وصلة التيار المستمر وفولتية خرج VAB وVBC. بالإضافة إلى ذلك، تتميز لوحة IS200BPIAG1A بتيار زائد مدمج على مستوى الأجهزة وحماية من خطأ عدم التشبع IGBT، مما يوفر نظام حماية محلي شامل لجسر الطاقة IGBT. تم دمج كل هذه الوظائف في لوحة عامل الشكل القياسية VME، مما يوضح فلسفة التصميم المعيارية والمتكاملة للغاية لواجهات إلكترونيات الطاقة الخاصة بشركة GE.
تصميم نظام إمدادات الطاقة
يستخدم نظام إمداد الطاقة IS200BPIAG1A مخطط تصميم معزول للغاية لضمان السلامة الكهربائية بين المراحل وبين جوانب الجهد العالي والجهد المنخفض. الطاقة المعزولة للوحة مستمدة من الملفات الثانوية لثلاثة محولات، واحد مخصص لكل مرحلة. تعمل إشارة الموجة المربعة بجهد 17.7 فولت والتي يتم توفيرها من خلال موصل P1 على تشغيل المحولات الأولية. لكل محول:
مصادر طاقة محرك البوابة : اثنان من اللفات الثانوية الثلاثة يتم تصحيحهما وتصفيتهما بنصف موجة لإنتاج إمدادات +15 فولت (VCC) و -7.5 فولت (VEE) المعزولة التي تتطلبها دوائر تشغيل بوابة IGBT العلوية والسفلية. توفر هذه الفولتية التحيزية الإيجابية والسلبية اللازمة لضمان تشغيل وإيقاف تشغيل IGBTs بشكل موثوق.
مزود طاقة معالجة الإشارة : يتم تصحيح وتصفية الملف الثانوي الثالث بشكل كامل لتوفير الجهد المعزول ± 12 فولت الذي تتطلبه دوائر التغذية المرتدة لتيار التحويل، ودوائر التغذية المرتدة لجهد الطور VCO، ودوائر الكشف عن الأخطاء. بالإضافة إلى ذلك، فإن المنظم الخطي 5 فولت الموجود على مصدر +12 فولت يولد مصدرًا منطقيًا للخدمة الخفيفة 5 فولت.
طاقة منطق التحكم : يتم توفير المصدر المرجعي +5 فولت المطلوب لمنطق التحكم في النظام مباشرة إلى لوحة IS200BPIAG1A من خلال موصل P1.
متطلبات الطاقة الإجمالية لـ IS200BPIAG1A محددة بوضوح: بحد أقصى 1.5 وات من مصدر التيار المستمر +5 فولت، ومن مصدر تيار متردد 17.7 فولت، بحد أقصى 5 وات بدون تحميل مضخم تشغيل البوابة وحد أقصى 18 وات مع حمل مضخم تشغيل البوابة.
دوائر محرك بوابة IGBT
تم تكوين IS200BPIAG1A مع دائرتي تشغيل بوابة IGBT مستقلة ومعزولة تمامًا لكل مرحلة: واحدة تتحكم في IGBT العلوي والأخرى تتحكم في IGBT السفلي. هذا يعني ستة دوائر للسائق للمراحل الثلاث. تتكون كل دائرة من وحدة محرك بوابة هجينة معزولة بصريًا وعدد صغير من المكونات المنفصلة.
خصائص المحرك ووظائف الحماية : تعمل وحدة محرك البوابة على تشغيل بوابة IGBT بين VCC (+15 فولت) وVEE (-7.5 فولت)، مما يوفر تحيزًا إيجابيًا كافيًا لضمان تشبع IGBT بالكامل أثناء التوصيل وتحيزًا سلبيًا كافيًا لضمان إيقاف التشغيل الموثوق به ومقاومة التشغيل الطفيلي. يتم توصيل مدخلات التحكم للوحدات العلوية والسفلية في تكوين غير متوازي لمنع التوصيل المتزامن، مما قد يتسبب في حدوث ماس كهربائي في ساق الطور. تتميز الوحدة بقدرة ذروة تيار الحوض/المصدر تبلغ 5.0 أمبير، مع تأخير تشغيل/إيقاف نموذجي يبلغ 1.5 ميكروثانية فقط.
آلية اكتشاف الأخطاء : يمكن لكل دائرة تشغيل بوابة أن تولد نوعين من الأخطاء:
خطأ عدم التشبع : عندما يُطلب من الوحدة تشغيل IGBT، فإنها تراقب انخفاض الجهد بين المجمع والباعث لـ IGBT. إذا تجاوز هذا الجهد عتبة نموذجية تبلغ حوالي 10 فولت لفترة أطول من 4.2 ميكروثانية (6.6 ميكروثانية كحد أقصى)، فهذا يشير إلى أن IGBT قد خرج من التشبع ودخل منطقة التشغيل الخطية، مما قد يؤدي بسرعة إلى ارتفاع درجة حرارة الجهاز وتلفه. ستقوم الوحدة على الفور بإيقاف تشغيل IGBT وتعلن عن خطأ عدم التشبع.
خطأ الجهد المنخفض (UV) : تقوم الوحدة أيضًا بمراقبة الجهد بين VCC وVEE. إذا انخفض هذا الجهد إلى أقل من 18 فولت، فإن جهد محرك البوابة غير كافٍ لقيادة IGBT بشكل موثوق، وسيحدث خطأ في انخفاض الجهد. يتم دمج إشارتي الخطأ هاتين معًا ويتم ربطهما بصريًا بدائرة منطق التحكم.
تحويلة نظام ردود الفعل الحالية
يحقق IS200BPIAG1A قياسًا دقيقًا لتيارات طور الخرج عن طريق اكتشاف انخفاض الجهد عبر مقاوم التحويل في كل مرحلة من المراحل A وB وC. وتكون قناة التغذية المرتدة الحالية لكل مرحلة مستقلة ومعزولة تمامًا.
تحويل إشارة VCO : يتم أولاً تكييف إشارة الجهد عبر التحويلة بواسطة مكبر للصوت ثم يتم تمريرها إلى دائرة VCO، والتي تحولها إلى إشارة تردد. نطاق تردد خرج VCO هو 0-2 ميجا هرتز، ونقطة التشغيل الخاصة به متحيزة بحيث يكون الإخراج الاسمي عند الصفر الحالي 1 ميجا هرتز. نطاق جهد التحويل واسع النطاق هو ±200 مللي فولت، وهو ما يتوافق مع تغير تردد الخرج بمقدار ±800 كيلو هرتز. يتيح ذلك قياس تيار الطور عالي الدقة في الوقت الفعلي والذي يمكن إعادة بنائه بسهولة بواسطة نظام التحكم من خلال عد التردد البسيط.
وظائف الحماية من الأخطاء : دائرة التغذية المرتدة الحالية قادرة أيضًا على اكتشاف نوعين من الأخطاء:
خطأ DI/DT : عندما يخضع تيار التحويل لتغيير تدريجي بنسبة 100% أو أكثر من قيمته المقدرة، يمكن لدائرة التغذية المرتدة الحالية اكتشاف هذا الخطأ والإبلاغ عنه في غضون 25 ميكروثانية، مما يمنع اضطراب النظام من معدلات التغيير الحالية المفرطة.
خطأ التيار الزائد (OC) : يتم تعيين عتبة التيار الزائد عند 250% من تيار التحويل المقدر. إذا تم اكتشاف تجاوز التيار لهذه العتبة، فسيتم تشغيل إشارة خطأ التيار الزائد على الفور. يتم أيضًا دمج إشارتي الخطأ الحاليتين معًا ويتم إرسالهما إلى جانب منطق التحكم عبر العزل البصري.
ردود فعل الجهد الكهربي من مرحلة إلى مرحلة وDC Link
ردود الفعل من الجهد الكهربي VAB وVBC : يقيس IS200BPIAG1A ببراعة جهد الخرج من الطور إلى الطور VAB وVBC من خلال قناتين مشتقتين من نقاط اتصال التحويلة. تعتمد دائرة VAB على دائرة تحويلة المرحلة B VCO وتتصل بالمرحلة A عبر شبكة التوهين المقاومة. تعتمد دائرة VCB على دائرة تحويلة المرحلة C VCO وتتصل بالمرحلة B عبر شبكة التوهين المقاومة. نطاق تردد الخرج لكل VCO هو 0-2 ميجا هرتز، مع خرج اسمي قدره 976.8 كيلو هرتز عند جهد صفر من الطور إلى الطور. يتوافق جهد الطور إلى الطور ± 1.0 فولت مع تغير تردد الخرج بمقدار ±959.58 هرتز. ترتبط جميع مخرجات VCO بمنطق التحكم عبر العزل البصري.
التغذية المرتدة لجهد وصلة التيار المستمر : تم تخصيص دائرة تغذية مرتدة لجهد وصلة VCO الثالثة لمراقبة جهد وصلة التيار المستمر. تتم الإشارة إلى هذه الدائرة إلى المرحلة A من دائرة محرك البوابة السفلية، مع رابط توهين مقاوم للمرحلة A من اتصال مجمع IGBT العلوي. نطاق إخراج VCO هو بالمثل 0-2 ميجا هرتز. يتم تحجيم الإدخال بحيث يتوافق جهد وصلة التيار المستمر من 0 إلى 1198 فولت مع تردد الإخراج من 0 إلى 2 ميجا هرتز.
التحكم في الأخطاء وآلية تعطيل برنامج تشغيل البوابة
تعتبر إشارات الخطأ الصادرة من IS200BPIAG1A عابرة بطبيعتها، وتظل صحيحة فقط طوال مدة حالة الخطأ. لذلك، يجب أن يستخدم نظام التحكم دائرة معالجة الأخطاء عبر موصل P1 لإغلاق هذه الإشارات.
عند اكتشاف أي خطأ، يتخذ IS200BPIAG1A إجراءات وقائية حاسمة عن طريق إزالة طاقة التحكم من جميع وحدات تشغيل بوابة IGBT الست. يتم توفير خطوط تعطيل مخصصة عالية السرعة وآمنة من الفشل في موصل P1 لتنفيذ هذه الوظيفة:
تعطيل برنامج التشغيل عالي السرعة : أثناء التشغيل العادي، يجب أن يكون خط DRVPC منخفضًا منطقيًا ويجب تطبيق +5 فولت على خط DRVP5. عند اكتشاف خطأ، يؤدي رفع خط DRVPC إلى أعلى إلى تعطيل برنامج تشغيل البوابة عالية السرعة، مما يقلل من وقت استجابة الحماية.
تعطيل برنامج التشغيل الآمن من الفشل : توفر إزالة طاقة +5 فولت من خط DRVP5 من خلال مجموعة من جهات الاتصال الخارجية طريقة آمنة من الفشل لتعطيل وحدات تشغيل IGBT. حتى في حالة فشل قناة تعطيل السرعة العالية، تضمن هذه الطريقة المعتمدة على جهة الاتصال إيقاف تشغيل IGBTs بشكل موثوق.
تعريف اللوحة واتصالات الواجهة
يتميز IS200BPIAG1A بجهاز ذاكرة تسلسلية 1024 بت مبرمج مع تعريف اللوحة ومعلومات المراجعة، مما يدعم إمكانية التعرف التلقائي على لوحة التوصيل والتشغيل لنظام التحكم.
يستخدم موصل التحكم في الجسر P1 موصل VME قياسي. يتم استخدام عدد كبير من المسامير في الصفين A وD لتخليص الجهد لضمان مسافة عزل آمنة بين إشارات الجهد العالي والمنخفض. يحمل الصفان B وC جميع إشارات التحكم الأساسية: دخل طاقة تيار متردد 17.7 فولت، وإشارات تمكين الجسر، والتحكم في طاقة السائق، وإعادة ضبط الخطأ، والتشبع/الأشعة فوق البنفسجية وحالة خطأ التحويل لجميع المراحل الثلاث، وإشارات أمر محرك البوابة، وإشارات خرج تردد VCO، وخط معرف اللوحة التسلسلية، ومخرج طاقة المحرك +5 فولت.
تتصل موصلات الطور الستة مباشرة بأجهزة طاقة IGBT ثلاثية الطور وتنقسم إلى: APL، وBPL، وCPL (التي تحمل خطوط تشغيل البوابة ونقاط استشعار التحويل لكل مرحلة)، وAAPL، وBAPL، وCAPL (التي توفر الطاقة المعزولة لدوائر التشغيل العلوية والسفلية لكل مرحلة).
