Transientskydd för DC-motor

[zoderberg]

Hej!

Den ovanstående förenklade kretsen kommer att sitta i en boj till vårat vågkraftverk. Motorn kommer reglera en vajer som kommer belastas med 3 ton. Det är en brushless DC motor 24V. Maximal nominell ström 50 A med strömpeakar på 150A i upp till 3 sekunder. Motorn kommer köras i cirka 10 sekunder en gång i timmen.

Problemet är att jag kommer bara ha tillgång till en spänningkälla, vilket är ett kraftigt batteri på 24V. Så motorkresten och styrningskretsen kommer ha samma spänningskälla. Självklart har jag en DC-DC konverterare med galvanisk åtskiljning för att separera de två, men då motorn stannar kommer den skicka ut transienter på upp till 150A som kommer bränna upp min DC-DC konverterare vilket skulle lämna den digitala styrningen stömlös vilket gör mitt system oanvändbart.

Hur kan jag skydda kretsen från motorn? Bojen kommer ligga ute utan service i en månad så system måste vara pålitligt.

Har suttit och kliat mig i huvet allt för länge med detta så alla tips eller komponentförslag är välkomna!

[Icecap]

Jag kan garantera dig att din DC/DC-omvandlare INTE märker transidienter på 150A! Det är nämligen en ström och den betyder inget, det är spänningen som är det viktiga.

Spänningshöjningen dessa ger är dock en annan femma! Och då den inte framgår är det svårt att svara på det.

Spänningshöjningens storlek beror på det inre motstånd i spänningskällan, kondensatorns kapacitans och ESR men jag tror helt enkelt inte på 150A i upp till 3 sekunder! Motorn ska övervarvas ganska brutalt för att ge den ström och spänning ifrån sig, det är alltså 3gg effekten av driftströmmen och jag skulle omedelbart tro att de 150A rör sig om strömmen som kan kastas in i motorn under tvärstopp och att de 3 sekunder anger tiden man kan posta in dessa 150A innan motorn börjar förkolna.

Alternativt kan det vara kortslutningsströmmen vid tvärbromsning och då kommer det ju inte att gå ut någon spänning från den heller.

Så min teori är att du inte riktigt har koll på var strömmen går och om den egentligen betyder något för omvandlaren.

[zoderberg]

Det framgick kanske inte men 150A under 3 skunder gäller för tvärstopp och totalstess av motorn. Denna information har jag fått efter att ha talat med tillverkaren. Jag kommer även ha en 100A säkring vid batteriet då detta är ingenting som ska få ske. Spänningen från motorn kommer gå från 24V till noll då H-bryggan stänger eftersom både batteriet och motorn är, som sagt, specificerat som 24V.

Vid testkörning med last på 280kg uppmättes drivströmmen till 18A vid 70% duty-cycle. Då H-bryggan stängen går faller spänningen från 24V till 0V samt en motriktad ström från 4A till 0A över cirka 10ms. Att DC-DC omvandlaren behöver skydd är det inget snack om, men frågan är om kondensatorn räcker?

[Icecap]

Någonstans är det något fel! Om H-bryggan "stänger", alltså inte driver alls kommer motorn att "rulla av" och det är allt.

Om det är inbyggd EMK-broms i H-bryggan kommer den att kortsluta motorn (mer eller mindre) - men det går inte ut på matningen och därmed kan 24V matningen inte "hoppa till" på ett sätt som kan skada DC/DC-omvandlaren.

Spänningen över motorn är synnerligt ointressant när det rör sig om DC/DC-moduler så jag känner på mig att du blandar ihop en del saker som inte ska blandas.

Sedan är det ganska dåligt med data på DC/DC-omvandlaren och dess spänningstålighet. Men av det schema du har angivit och de förklaringar du ger är det enda som kan hända att 24V batteriet kan bli belastat så att spänningen sjunker, inget annat.

Men såklart kan det löna sig att ha lite filter i det hela, en motor i den effektklass som styrs med PWM kan lätt ge en del otrevligheter i form av rippel på matningen och då är det dags att fundera på hur man kopplar ihop det hela. H-bryggan ska såklart kopplas till batteriet och helst med kondensatorn i omedelbar närhet av H-bryggan.

Sedan ska ström till DC/DC-omvandlaren tas från batteriet och lite filter mellan vore trevligt, kanske en strömkompenserat induktans (exempel: 58-659-85) och en låg-ESR kondensator på DC/DC-omvandlarens sida? Då försvinner det en hel del störningar men av det du berätter finns det ingen risk för överspänning på 24V matningen!

[zoderberg]

Du behöver inte vara orolig att något är fel. Allt funkar och jag har testkört systemet flera gånger, senast idag. Regleringen efter motorn har en växel som självbromsar så motorn bara stannar då H-bryggan stänger. Allt är frid och fröjd bortsett ifrån att när jag testkör så använder jag två separata spänningskällor. En för motorn och en för den digitala styrningen samt diverse sensorer. I slutändan så måste system drivas av samma spänningskälla.

När det gäller DC-DC omvandlare så har jag inte skaffat någon ännu, varför jag endast skrev med dom kraven jag har på komponenten. Dvs utspänning på +-15V samt galvaniskt åtskild jord. En effekt på minst 6W ska tilläggas.

Spänningshöjningen dessa ger är dock en annan femma! Och då den inte framgår är det svårt att svara på det.

Ja, spänningen över motorn är ointressant därför skrev jag inte med det från början men du verkade ju uppenbarligen vilja veta det.

Kondesatorn sitter med kortast möjliga avstånd till H-bryggan därmed har jag tagit bort de mesta av störningar. Min tanke var just DC-DC i serie med en drossel och parallellt med en kondensator, vilket jag ska beställa och testköra med. Tack för tipsen. Något förslag på DC-DC omvandlare? Saken är den att jag måste vara säker på att allt fungerar felfritt under en månad, så ju fler tips och ider desto bättre.

[arvidb]

Observera detta:

Sedan ska ström till DC/DC-omvandlaren tas från batteriet /.../

Alltså inte som du ritat i schemat, utan med separata kablar från batteriet till DC/DC-omvandlaren.

[zoderberg]

Observera detta:

Sedan ska ström till DC/DC-omvandlaren tas från batteriet /.../

Alltså inte som du ritat i schemat, utan med separata kablar från batteriet till DC/DC-omvandlaren.

Det jag har ritat i schemat är bara en parallell koppling. Jag har inte gett någon information om huruvida mina kablar är "separata" eller inte. Skulle jag använda "separata" kablar så skulle inte schemat förändras på något sätt överhuvud taget.

[SeniorLemuren]

Nej, schemat kulle inte förändras, men svaret på din fråga skulle förändras.

Om du har en separat matning från batteriet till DC-DC.. så är det den inre resistansen i batteriet som bestämmer hur hög spänningen kan bli till DC-DC... och den är så pass liten i ett stort batteri att någon risk för överspänning inte föreligger.

Om DC-DC... däremot är kopplad som på schemat så kan spänningen bli avsevärt högre på DC-DC.. beroende på resistansen i de kablar som går från motorn till batteriet.

[aske]

Jag tror det Icecap tänker på är att motorn har en viss induktans, när du sedan stänger av motorn så kommer induktansen innebära att vi fortfarande har en ström flytande, den kommer på sin höjd vara 150A om du har drivit den med 150A precis innan du stängde av den men endast under en ytterst liten tid.

Denna ström kombinerad med att transistorernas (vad det nu är för typ) switchning kommer innebära en spänningspeak, det är denna som kommer förstöra komponenter då transistorerna i de olika delarna kommer troligen inte klara en så stor peak.

Det man brukar ha vad jag vet är frihjulsdioder, vilket låter strömmen snurra fritt genom motorn och dö ut. Dock betyder det att motorn inte stannar lika tvärt. Det kan man dock bygga in i regleringen, att du bromsar och på så sätt slipper spännings-peakar.

[zoderberg]

Helt rätt SeniorLemuren, tackar för det. DC-DC omvandlaren kommer sitta direkt över batteriet, dvs så långt ifrån motorn som möjligt. Men samtliga kablar kommer göras kortast möjligt och har en yta på 16mm². Jag önskar att använda så tunna kablar som möjligt till min DC-DC. Vilken tjocklek bör jag inte understiga om jag använder en anpassad drossel i serie och en kondesator parrallellt?

Tack aske för analysen. Jag förstår vad du menar. Dioderna är inbyggda i mina MOSFET transistorer, vilker hjälper avsevärt, men det löser inte hela problemet.

[aske]

Men, har du frihjulsdioder kommer inte strömmen gå tillbaka till batteriet, du kommer få en ström som flyter (en ganska kort stund) i motorn.
Nu gör jag antagandet att dioderna vs. transistorerna har liknande switch-tid så att inte dioderna är för långsamma och man ändå får en peak.

Det du kan göra ytterligare är att ha en induktans innan DC/DC och kondensatorn, det förstärker lågpass-effekten av kondensatorn.

[Icecap]

aske: Då det rör sig om en H-brygga kan man inte montera clamper-diod över motorn då polariteten ju kan kastas om. Alltså får man ta 4 st och placera så att två sitter mellan motorn och VDD med katod mot VDD, de två andra sitter mellan motorn och GND med anod mot GND.

Men de "150A i 3 sekunder" som omnämns är INTE vad jag anser vara clamp-strömmen, det är en kortslutningsström vilket klart framgår av inläggen en bit från startinlägget.

Visst kommer det att bli en induktiv peak pga. PWM-drivningen men då det ganska tydligt rör sig om en borstat motor kommer den energi inte att vara speciell allvarlig och kondensatorn kommer att svälja en del av pulserna och i samband med den låga Ri i ackumulatorn lär de vara krusningar på havet.

Detta hindrar dock inte att man kan vara snäll mot DC/DC-omvandlaren och montera lite filter innan.

[zoderberg]

Tack Icecap! Jag kommer montera två DC/DC parallellt (En till H-bryggan och FPGA datorn, och en till mina 4 sensorer) samt använda filter, för säkerhets skull
Jag vill så klart tacka samtliga för alla tips!

[aske]

Icecap, menade som du beskrev, men kallas inte det frihjulsdioder?

[Icecap]

Rätta namnet i vilket fall som helst är väl 'snubberdioder' men jo, vi menar nog det samma.

Om vi antar att motorn är en så pass stor induktiv massa att den ger ifrån sig en kraftig spänningspuls KOMMER den puls att ledas till batteriet just pga. kopplingen med dioderna. Men då ackumulatorn har så pass låg inre motstånd och för att pulsen motorn kan ge är så pass låg kommer detta inte att betyda speciellt mycket för DC/DC-omvandlaren - förutsatt den kopplas rätt!