Новые методы БТИЗ-управления: электрическое подключение – оптическая передача

14.03.2018 Проектирование промышленных электроприводов для автоматизированных производственных процессов сложно представить без электродвигателей. Полупроводниковые элементы БТИЗ применяются для управления мощными электрическими приводами, а для соединения с требуемой изоляцией служат полимерные оптические волокна. Однако, это решение характеризуется чувствительностью и требует пространства. Компания HARTING предлагает новый компактный вариант решения для управления на основе БТИЗ. 

Энергопотребление используемых в технологиях привода электродвигателей может достигать нескольких киловатт и даже мегаватт. При постоянной частоте вращения технология управления достаточно проста. Но часто необходимо регулирование частоты вращения двигателя, что сразу усложняет данную задачу. 

Там, где применяются режимы высокой мощности, например, в регуляторах тяги поездов или движительных установках судов, управление частотой вращения выполняется полупроводниковыми БТИЗ-элементами. Они обеспечивают переключение высоких нагрузок при очень низкой мощности привода. Поскольку установленные требования к изоляции и напряжению очень высоки, необходимые для БТИЗ-управления сигналы передаются по полимерным оптическим волокнам (POF). В настоящее время необходимо шесть плат привода с БТИЗ для управления фазой 2 трехфазного двигателя. Волоконно-оптические соединения обеспечивают передачу сигналов без помех и соответствующую электрическую изоляцию. 

В частности, в локомотивах, обеспечивается резервирование БТИЗ, поэтому резервные компоненты могут выполнять функции платы контроллера, и функциональность системы сохраняется в случае сбоя БТИЗ. Такие же возможности гарантированы при двукратном увеличении расстояния оптической передачи. При этом в прошлом для соединения контроллера и платы привода должны были применяться отдельные волокна. Электрооптическое преобразование сигналов выполняют приемопередатчики на печатной плате, их оптические контакты служат для соединения волокон. Каждое оптическое волокно имеет отдельный порт со встроенным приемопередатчиком на плате привода и на плате контроллера. Используемое ранее решение требовало большого пространства для установки всех передающих и принимающих элементов на плате контроллера, что обуславливало слишком большие размеры платы. 

Другой недостаток заключается в том, что соединение различных полимерных оптических волокон должно выполняться в правильном месте при обслуживании и монтаже. Так, необходимо отдельное подсоединение каждого волокна к плате привода и к плате контроллера. Такое расположение должно выполняться поочередно, и процесс требует времени и внимания. Для обеспечения правильной работы необходимо исключить перепутывание передающих и приемных линий. 

Для гарантии качества поверхности конца волокна требуется заводская готовность используемых кабелей и их отдельная установка пользователем на площадке. 

Как правило, оптические элементы были изначально разработаны для промышленного применения в расширенном диапазоне температур и при повышенных вибрациях, но при этом была предусмотрена только простая компенсация натяжения волокон. Кроме того, важным требованием является надлежащая защита оптического соединения от загрязнений. Поэтому в отключенном состоянии обязательно использовать предохранительную крышку. 

Установка дополнительных компонентов на плате контроллера с оптическими элементами не представлялась возможной, поскольку в то время не было поддержки повторной пайки. Следовательно, в случае неисправности приемопередатчика требовались отсоединение, замена всей платы со всеми контактами и повторное соединение. Это приводило к дополнительным расходам и повышало трудоемкость.

При взаимодействии с известными производителями железнодорожного транспорта компания HARTING разработала решение, основанное на принципе передачи с переносом приемопередатчиков платы контроллера в подключаемый модуль. Так реализована интеграция оптических соединений по принципу "электрическое подключение – оптическая передача". 

Для электрического подключения и корпуса системы компания HARTING использовала решения серии DIN 41612. Корпус DIN изготавливается из литого цинка и соответствует повышенным требованиям к прочности и электромагнитной совместимости для применения в железнодорожном секторе. Обеспечивается возможность прямого или углового расположения кабелей, поэтому предусмотрена оптимальная защита от перегибов и компенсация натяжения волокон. Кроме того, на печатной плате в корпусе DIN можно установить комплект резисторов и разделительных конденсаторов для безошибочного управления оптическими элементами и полной помехоустойчивости. Электрические контакты серии DIN 41612 также характеризуются устойчивостью к износу, вызванному микровибрациями, они испытаны и утверждены к применению на железнодорожном транспорте.

Активный оптический модуль POF позволяет заказчику подключить до 16 оптических каналов одновременно в компактном исполнении узла. Соответственно, обеспечиваются более простой и быстрый монтаж и техническое обслуживание. Кроме того, компания HARTING предлагает своим заказчикам системы, которые были разработаны и испытаны согласно индивидуальным требованиям. Интеграция оптических соединений в быстросъемный соединитель дополнительно ускоряет, упрощает и удешевляет техническое обслуживание плат контроллеров.

Благодаря применению высокоэффективных элементов для приема, эта система поддерживает скорость передачи данных до 50 Мбит/с, которая, как правило, не требуется. Предусмотрена поддержка входного напряжения 3,3 В и 5 В. 

На текущем этапе развития новые соединения DIN устанавливаются только на платах контроллеров. БТИЗ-платы приводов пока остаются без изменений для простого внедрения новой системы. Такой поэтапный подход не требует замены сразу всех компонентов. Но используемый принцип в будущем можно применять не только для платы контроллера, но и для БТИЗ-платы привода, что позволит реализовать двунаправленное оптическое соединение и передачу электропитания в компактном корпусе D-sub. В результате, будет создан двунаправленный активный оптический кабель для БТИЗ-управления. Таким образом, прочное и удобное решение для железнодорожного сектора впоследствии может быть адаптировано для другого промышленного применения.