Rilevamento isolato della tensione in azionamenti motore CA

Autori Alex Smith Applications Engineer, Roland Bucksch Systems Engineer, Martin Staebler Systems Engineer

Le apparecchiature terminali nel settore automotive industriale, come gli azionamenti motore, gli inverter di stringa e i caricabatterie di bordo, funzionano a tensioni elevate che non sono sicure per l’interazione diretta con le persone. Le misurazioni isolate della tensione contribuiscono a ottimizzare il funzionamento e garantiscono la sicurezza delle persone proteggendole dal circuito ad alta tensione che esegue una funzione.

Progettati per prestazioni elevate, gli amplificatori isolati trasferiscono i dati di misurazione della tensione attraverso una barriera di isolamento. I criteri per determinare la scelta degli amplificatori isolati comprendono le specifiche di isolamento, l’intervallo di tensione di ingresso, i requisiti di precisione e le modalità previste di alimentazione del lato ad alta tensione, ossia aspetti che sono spesso influenzati dalla posizione della misurazione nell’applicazione.

Questo documento funge da orientamento per scegliere il giusto amplificatore isolato valutando tre comuni misurazioni della tensione in un’apparecchiatura terminale per azionamento motore CA.
Gli amplificatori isolati e i modulatori Texas Instruments (TI) sono normalmente dimensionati e certificati per livelli di isolamento di base o rinforzato in conformità con le normative a livello di dispositivo, come DIN VDE 0884-17 (Deutsches Institut für Normung e.V. e Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.), DIN EN IEC 60747-17 (Norma Europea, Commissione Elettrotecnica Internazionale), e UL 1577 (Underwriters Laboratories).

La scelta dell’intervallo di tensione di ingresso, i requisiti di precisione e il metodo scelto per l’alimentazione del lato ad alta tensione dipendono dalla posizione del nodo di tensione misurato nell’applicazione. La Figura 1 è lo schema a blocchi semplificato di un azionamento motore CA con tre comuni posizioni per le misurazioni della tensione: la linea elettrica CA a sinistra, il collegamento CC al centro e la fase del motore a destra. Gli amplificatori isolati sono ottimi dispositivi per queste misurazioni grazie alla loro elevata precisione e facilità di utilizzo.

Figura 1. Un’applicazione con azionamento motore CA.

Nella parte sinistra della Figura 1 è raffigurato l’ingresso della linea elettrica CA, che è spesso collegato come sistema di alimentazione trifase con messa a terra centrale e tensioni di 120VRMS/208 VRMS negli Stati Uniti e 230 VRMS/400 VRMS in Europa. La precisione richiesta per questa misurazione della tensione è solitamente bassa e non sempre necessaria. Se si misura la linea elettrica CA, occorre prendere in considerazione dispositivi con ingresso bipolare ad alta impedenza, come l’AMC1350 o l’AMC3330 di TI. Durante l’esecuzione di misurazioni della tensione CA trifase rispetto alla tensione neutra, è possibile utilizzare una singola alimentazione elettrica isolata per tutti e tre gli amplificatori isolati che eseguono la misurazione. Durante l’esecuzione di misurazioni della tensione CA trifase tra fase e fase, occorre prendere in considerazione l’utilizzo di un dispositivo con convertitore CC/CC integrato per semplificare la struttura.
La Figura 2 mostra il corrispondente diagramma circuitale AMC3330.

Figura 2. L’amplificatore isolato AMC3330 con un convertitore CC/CC interno.

Il calcolo del duty cycle della modulazione di larghezza di impulso (PWM) in un azionamento motore richiede solitamente la misurazione della tensione di collegamento CC mostrata al centro della Figura 1 con una precisione dell’1% o ancora migliore.

Durante la frenata, la tensione di collegamento CC aumenta e deve essere limitata attivamente per proteggere lo stadio di potenza, ad esempio attivando un freno rigenerativo.

Una misurazione a bassa latenza offre un tempo di reazione più breve per gli eventi di sovratensione e permette al sistema di funzionare più vicino ai limiti del suo hardware, consentendo margini di progettazione più ristretti e minori costi del sistema. La capacità di collegamento CC è solitamente pari a diverse centinaia di μF; pertanto, determinare se un condensatore di collegamento CC è stato scaricato correttamente ad un livello sicuro prima di eseguire interventi sull’apparecchiatura richiede misurazioni precise a basse tensioni (<100 V). Inoltre, le misurazioni dell’ondulazione CA ad alta risoluzione consentono una perdita di rilevamento delle perdite della linea elettrica CA collegata, il che elimina potenzialmente la necessità di una misurazione di fase separata per il lato di rete. La frequenza della tensione di ondulazione è pari a 360 Hz per una tensione di rete trifase a 60 Hz oppure 300 Hz per una tensione di rete trifase a 50 Hz, in quanto vengono raddrizzate sei semionde. A basso carico (quando il motore non è in rotazione), l’entità della tensione di ondulazione può essere molto bassa; pertanto, potrebbe essere preferibile utilizzare un modulatore per le misurazioni di risoluzione più elevate. Per ulteriori informazioni sul confronto tra amplificatori isolati e modulatori isolati.

Gli amplificatori isolati di TI con intervalli di ingresso unipolari come l’AMC1351 (con un intervallo di ingresso tra 0 e 5 V) o l’AMC1311 (con un intervallo di ingresso tra 0 e 2 V) sono progettati appositamente per le misurazioni della tensione di collegamento CC. Essi richiedono un’alimentazione elettrica locale con riferimento a CC- per alimentare il lato ad alta tensione, come il circuito trasformatore isolato mostrato in Figura 3. Un approccio alternativo consiste nell’utilizzare un dispositivo come l’AMC3330 con un convertitore CC/CC integrato.

Figura 3. L’amplificatore isolato AMC1311 con un circuito trasformatore isolato discreto.

La misurazione dell’effettiva tensione di fase in sostituzione della stima della tensione di fase sulla base della misurazione del collegamento CC e del duty cycle PWM migliora ulteriormente le prestazioni degli azionamenti motore CA sensorless. La misurazione diretta della tensione di fase fornisce un risultato più preciso in quanto comprende tutte le perdite del sistema e l’effetto delle distorsioni dell’intervallo di attesa PWM. Uno dei metodi consiste nel misurare ciascuna delle tre fasi rispetto al rail CC–, con tre amplificatori isolati a ingresso unipolare e una singola alimentazione isolata (come mostrato in Figura 3) per alimentare l’high-side per ciascuno dei tre amplificatori isolati.

Un metodo alternativo che permette di risparmiare sui costi hardware consiste nel misurare soltanto due tensioni tra fase e fase e calcolare la terza. Questo metodo necessita soltanto di due amplificatori isolati con un intervallo di ingresso bipolare e aggiunte minime a livello firmware. Le due misurazioni sono effettuate rispetto a una sola delle tensioni di fase, il che richiede di alimentare gli amplificatori isolati dall’alimentazione del driver del gate high-side flottante del transistor bipolare a gate isolato (IGBT) superiore, come mostrato in Figura 4. I dispositivi con convertitori CC/CC interni, come l’AMC3330, semplificano notevolmente il circuito e permettono di risparmiare ulteriore spazio e aumentare l’efficienza del sistema.

Figura 4. L’amplificatore isolato AMC1350 con un alimentatore flottante.

Per ciascuna di queste misurazioni di tensione è necessario un partitore di resistenze che ridimensioni il nodo ad alta tensione in modo che corrisponda all’intervallo di ingresso dell’amplificatore isolato. Sono tre le problematiche comuni nell’ambito della progettazione di un circuito con partitore di resistenze:

La corrente di polarizzazione in ingresso dall’amplificatore isolato che attraversa la resistenza di rilevamento, che comporta un errore di offset.

La resistenza di rilevamento è in parallelo all’impedenza di ingresso dell’amplificatore isolato e riduce quindi la resistenza di rilevamento efficace, generando un errore di guadagno. Inoltre, l’impedenza di ingresso dell’amplificatore isolato può variare del ±20% da dispositivo a dispositivo a causa delle variazioni nel processo e si presenta come errore di guadagno, se non la si tiene in considerazione.
La deriva termica nel partitore di resistenze e nell’impedenza di ingresso dell’amplificatore isolato.

La scelta di un dispositivo con elevata impedenza di ingresso e corrente di polarizzazione di ingresso trascurabile nella gamma di amplificatori isolati per il rilevamento della tensione di TI semplifica sensibilmente la soluzione di queste problematiche; tuttavia, è possibile progettare un circuito di misurazione della tensione ad alta precisione utilizzando un amplificatore isolato a bassa impedenza di ingresso con corrente di polarizzazione di ingresso.

Gli amplificatori isolati con un intervallo di ingresso più ampio offrono minore sensibilità al rumore di ingresso e consentono una maggiore precisione a bassi livelli di ingresso. Tuttavia, i dispositivi con tensione di ingresso più elevata presentano spesso una minore impedenza di ingresso, come mostrato nella Tabella 1, e necessitano di una calibrazione del guadagno per ottenere il massimo livello di precisione. Un dispositivo ad elevata impedenza di ingresso offre una maggiore precisione senza calibrazione e semplifica la progettazione.

Tabella 1. Amplificatori isolati di rilevamento della tensione di Texas Instruments.

Conclusione

L’ampia gamma di amplificatori isolati di Texas Instruments per le misurazioni della tensione ad alta impedenza consente di trovare il giusto equilibrio fra costi, prestazioni, facilità di implementazione e spazio su scheda per ottimizzare la progettazione in base ai vostri requisiti e soddisfare le normative prestazionali di settore per l’isolamento.