3-Phasen-Motordrehzahlregler

Hintergrund

Wenn Sie sich meine Profilbeschreibung ansehen, sehen Sie, dass ich am Bau und der Verkabelung von Karnevalswagen beteiligt bin, die von einem 800 kVA, 415 V, 3-Phasen-Generator angetrieben werden . Elektrisch haben sie im Allgemeinen etwa 10 oder 15 Motoren, Tausende von Glühbirnen und ein 20-kW-Soundsystem.

Problem

3-Phasen-Induktionsmotoren werden verwendet, um große sich drehende Stahlkonstruktionen anzutreiben, die viel Gewicht tragen und viel Schwung haben und daher die Geschwindigkeit über einen Zeitraum von etwa 10 Sekunden erhöhen (und verringern) müssen, um nicht zu setzen hohe Belastung für Getriebe, Ketten und Lager usw. Die Laufgeschwindigkeit muss auch an das Schwimmerdesign angepasst werden, was elektrisch erfolgen muss, da das Ändern der Übersetzungsverhältnisse nach dem Bau nicht praktikabel ist.

Um die Motoren zu steuern, wird ein Inverter Drive benötigt, ein sehr teurer Bausatz mit einer Vielzahl von Parametern, die angepasst werden können, um Motoren in allen verschiedenen Situationen zu steuern. Wir haben 2 dieser Einheiten, die jeweils ein paar Motoren steuern. Also das Problem was ich habe ist:

  1. Ein großer Single Point of Failure – ein Gerätefehler führt zum Ausfall vieler Motoren.
  2. Viele der Motoren sind darauf beschränkt, mit der gleichen Geschwindigkeit angetrieben zu werden, wenn manchmal eine individuelle Geschwindigkeitssteuerung erforderlich ist.
  3. Teuer.

Da wir jedes Jahr darum kämpfen, die Mittel für den Bau unseres Karnevalswagens aufzubringen, können wir es uns nicht leisten, weitere Inverter Drives zu kaufen (es sei denn, jemand ist so freundlich, einen zu spenden, wie er mit den beiden, die wir haben, hat).

Lösung

Ich würde gerne für einen Bruchteil der Kosten selber bauen. Ich weiß nicht, ob ich mir eine unmögliche Aufgabe stelle und meine Ziele viel zu hoch stecke, oder ob dies tatsächlich erreichbar ist. Wenn ich in einen Inverter Drive schaue , sehe ich mehrere SMD-Leiterplatten, einige riesige Kondensatoren/Induktivitäten und einige Transistoren mit Wärmesenke.

Ich habe Erfahrung mit dem Schalten/Dimmen von Widerstandslasten mit bildbasierten Steuerschaltungen, aber obwohl ich die Theorie kenne, liegt die Steuerung einer dreiphasigen induktiven Last im Moment außerhalb meiner Fähigkeiten.

Frage

Kann mir jemand sagen, wo ich damit anfangen soll. Ich nehme an, ich suche zunächst nach einem Blockdiagramm der Module (mit ein wenig Detail), die ich zum Bau eines selbstgebauten Wechselrichterantriebs (z. B. Netzteil, Mikrocontroller, Endstufen usw.) benötigen würde, und wie sie zusammenpassen. Ich kann dann herausfinden, ob es sich überhaupt lohnt, dies zu versuchen, und wenn ja, herausfinden, welche Teile ich gerne selbst entwerfen und herstellen kann und bei welchen Teilen ich mehr Hilfe brauche.

Spezifikationen

  • Eingang: 240 V einphasig oder 415 V 3-phasig.
  • Ausgang: 415 V 3-Phasen-Motorantrieb mit variabler Frequenz.
  • Steuerung: Stopp/Start, Hochfahrgeschwindigkeit (Sekunden), Herunterfahrgeschwindigkeit (Sekunden), Laufgeschwindigkeit (Hz), Notstopp.
  • Anzeige: Aktuelle Drehzahl (Hz), Belastung (A)
  • Motorverkabelung: Stern

UPDATE (31. Januar): Aus den Informationen von pingswept und bt2 in ihren Antworten denke ich, dass ich eine Simulation der nackten Knochen dessen entwickelt habe, was ich brauche ... Gleichrichten Sie die 3-Phasen, um 586 V DC zu erhalten und zu verwenden 6 IGBTs, die von einem IRS2330 gesteuert werden, der von einem Mikrocontroller per PWM gesteuert wird.

Mein Bauchgefühl ist - es klingt, als würden Sie bei diesem Projekt viel Verantwortung übernehmen ... aber ich begrüße Ihren Enthusiasmus
@vicatcu: Ich weiß, aber ich habe mehrere Jahre darüber nachgedacht, wie ich das machen soll, habe viele Stunden damit verbracht, zu googeln und die Theorie zu lesen, dass ich es zumindest versuchen möchte. Wenn es nicht funktioniert oder sich als zu gefährlich herausstellt, kann ich diese dumme Idee vielleicht endlich aufgeben!
+1 für eine Frage gut geschrieben :)

Antworten (3)

Ich verbrachte 13 Jahre damit, Elektronik dieser genauen Art zu entwickeln: Dreiphasen-Induktionsmotor, Sanftanlasser mit reduzierter Spannung und Wechselstromantriebe mit variabler Frequenz. Die letzten paar Jahre verbrachte ich als VFD-Anwendungsingenieur, der Kunden bei der Auswahl und Konfiguration dieser Ausrüstung für verschiedene Lasten und Branchen im ganzen Land unterstützte.

Sie werden nicht in der Lage sein, etwas zu bauen, das billig und sicher ist. Die damit verbundenen Spannungen und Ströme liegen weit außerhalb der Sicherheitsmarge eines Bastlers, insbesondere von jemandem, der den Kauf von kommerziellen Einheiten offen vermeidet, um Geld zu sparen. Tu es nicht!

Während die Theorie hinter der AC-Motorsteuerung sehr einfach ist, kann die Arbeit auf Detailebene (Kühlkörperdimensionierung, Snubbering, Gate-Treiberanforderungen, De-Sat-Schutz, Motorüberlastberechnungen, Buskondensatorschutz usw.) ziemlich schwierig zu verstehen sein. insbesondere mit Hochleistungsradfahren und regenerativen Energiemodi, die eine Karnevalsfahrt SICHER erzeugen wird. Ich warne Sie dringend davor, zu versuchen, so etwas zu bauen, es sei denn, Sie verfügen nicht nur über erhebliche Erfahrung im Design von Mikrocontrollern und eingebetteten Systemen, sondern auch über erhebliche Erfahrung in der Leistungselektronik und in dreiphasigen Schaltungen. Menschen werden verletzt und getötet, wenn sie dieses Zeug bauen.

Meine erste Frage an Sie ist, ob die Geschwindigkeitsregelung wirklich erforderlich ist oder ob Sie nur ein sanftes Anfahren und Abbremsen benötigen. Änderst du die Geschwindigkeit des Motors, sobald er gestartet wird? Wenn nicht, können Sie möglicherweise mit einem VIEL billigeren Softstarter mit reduzierter Spannung davonkommen. Diese Einheiten wirken wie Dreiphasen-Lichtdimmer; Sie passen nur die angelegte Spannung an den Motor an. Sie werden bei niedrigen Drehzahlen nicht viel Drehmoment haben, aber mit der richtigen Motorkonstruktion (NEMA-Klasse D) können Sie mit einem Bruchteil der Kosten und des Wartungsaufwands genau das erreichen, wonach Sie suchen.

Wenn Sie die Volllastdrehzahl des Motors wirklich variieren müssen, stecken Sie mehr oder weniger bei der Verwendung eines Frequenzumrichters fest. Wie Sie wissen, sind diese teuer, und wenn Sie billig kaufen, werden Sie sie aufgrund Ihrer Anwendung mit hohem Stoßstrom (sie nennen dies "konstantes Drehmoment") wahrscheinlich früher ersetzen. Was ich in diesem Fall auf jeden Fall empfehlen würde, wäre, sich an verschiedene Hersteller (Allen-Bradley, Cutler-Hammer, SAF-Laufwerke, Benshaw, Yaskawa usw.) zu wenden und nach generalüberholten Geräten zu fragen. Fragen Sie nach einem Umrichter, der 30 Sekunden lang 150 % des Nennstroms liefern kann (dies wird normalerweise als Hochleistungslast bezeichnet), oder dimensionieren Sie den Umrichter 30-50 % größer als Ihren Nennstrom. Ihnen wird wahrscheinlich auch die Generatorleistung ausgehen, die dafür bekannt ist, dass sie unterdimensioniert und anfällig für Spannungsabfälle und Überspannungen ist, wenn sich die Lastanforderungen mit dem Zustand der betriebenen Ausrüstung ändern. Laufwerke mögen das nicht (Spannungseinbrüche verursachen Stromspitzen, wenn der Motor zu rutschen beginnt, und Überspannungen können dazu führen, dass Sie die Buskondensatoren überspannen) und neigen dazu, entweder auszufallen oder zu explodieren.

Bei mir dreht sich alles um den kleinen Kerl, der etwas baut und Geld spart, aber dies ist nicht die Art von Projekt, um dies zu tun. Wenn Sie wirklich einen Drehstromantrieb bauen möchten, beginnen Sie mit einem kleinen 10-PS-480-V-Motor mit Handbremse auf einem Prüfstand. Sie haben das Potenzial, das hosenfüllende Gefühl eines Ausfalls einer H-Brücke oder einer Explosion eines Buskondensators zwei Fuß von Ihrem Kopf entfernt zu erleben, aber ohne die potenziellen Gerichtsverfahren und den Verlust von Menschenleben (außer vielleicht Ihrem eigenen).

Vielen Dank für Ihre sehr ausführliche Antwort, ich schätze Informationen von einem Experten auf dem Gebiet! Um Ihre erste Frage zu beantworten, ändert sich die Geschwindigkeit nach dem Hochfahren nicht, aber die Geschwindigkeit beträgt nicht 50 Hz, sie könnte zwischen 25 und 60 Hz liegen, und da der Generator Wechselstrom mit 50 Hz liefert, brauche ich etwas, um die Frequenz zu ändern. Ich könnte mich also irren, aber ich glaube nicht, dass ich mit einem Softstarter mit reduzierter Spannung davonkommen kann.
Wenn Ihr Generator seine Nenndrehzahl nicht erreichen kann und Sie sich auf die Fähigkeit des VFD verlassen, die Motordrehzahl zum Ausgleich anzupassen, denke ich, dass Ihr Generator entweder sehr unterdimensioniert ist oder der Regler repariert werden muss! Bei jedem motorbetriebenen Generator ist mit einem gewissen Anstieg und Abfall zu rechnen, aber sie sollten in der Lage sein, unter Last innerhalb von 5 % ihrer Nennausgangsfrequenz zu bleiben.
Ich denke, ich werde auf jeden Fall versuchen, einige Hersteller zu kontaktieren, wie Sie vorschlagen. Der Generator, den wir verwenden, ist ein 800-KVA-Generator, und wir laden ihn normalerweise zu etwa 70 % auf, also glaube ich nicht, dass es zu Stromausfällen kommt (obwohl uns einmal der Treibstoff ausgegangen ist). Ich weiß auch nicht, ob es einen Unterschied zu allem macht, was Sie vorschlagen können, aber die Last, die ich antreibe, hat viel Schwung, aber die Getriebe, die wir verwenden, haben Schneckengetriebe, die einen Freilauf verhindern. Wenn Sie es in Aktion sehen möchten, schauen Sie sich dieses YouTube-Video an: youtube.com/watch?v=sL2i0SxpKIY
Um auf Ihren Kommentar zur Generatordrehzahl zu antworten, ich glaube, Sie haben es missverstanden ... der Generator läuft mit 50 Hz, aber ich brauche den Motor mit einer festen Frequenz, sagen wir 30 Hz, was die Drehzahl ist, für die ich den Motor konfigurieren möchte für die Dauer, die es eingeschaltet ist.
Ja, ich kenne das allgemeine mechanische Konzept (und bin einige der Fahrten gefahren <g>) - der Generator sollte in der Lage sein, mit der Last Schritt zu halten ... Es könnte sich lohnen, den Generatortechniker herauszuholen und es ihm zu erklären ihm, dass das Ding keine halbwegs konstante Frequenz halten kann. Die elektronischen Regler sind ziemlich schmerzlos, aber ich habe ein paar mechanische der alten Schule angepasst ... es ist wie eine Rube Goldberg-Maschine darin, ich schwöre. :-)
Ahh okay, der Motor läuft also nicht mit seiner Nenndrehzahl (1500 oder 3000 U / min sind die üblichen Drehzahlen im 50-Hz-Land) - Sie passen die Antriebsdrehzahl so an, dass sie unter ihrer Nenndrehzahl laufen ... ja, in diesem Fall definitiv brauchen einen VFD oder vielleicht einen Getriebewechsel, was nicht immer so einfach ist.
Ich bin mir ziemlich sicher, dass der Generator gut ist... wir mieten ihn bei Aggreko.
Genau, das ist mein Problem ... es ist sehr schwierig, das mechanische Getriebe im Voraus zu planen, weil sich das Design in den wenigen Monaten entwickelt, die es braucht, um es zu bauen, und dann, wenn sie es den Elektrikern übergeben, um es anzuzünden, Wir entdecken, dass es viel zu schnell oder viel zu langsam geht, und das Getriebe, das es bereits in das System eingebaut hat.
Wenn ich also den VFD-Herstellern schreibe und erkläre, was ich mache, warum ich die Antriebseinheiten brauche und dass wir ein gemeinnütziger Karnevalsverein sind, glauben Sie, dass sie wahrscheinlich helfen und ein billiges generalüberholtes Gerät anbieten? Ich denke, ein Versuch wird nicht schaden!
Ich würde vorschlagen, dem mechanischen Antrieb eine Stufe hinzuzufügen, die eine Feinabstimmung ermöglicht. Eine #80-Kette mit ähnlich großen Kettenrädern, die Änderungen am Ende zulässt. Verdammt, sogar ein dicker Keilriemen könnte ausreichen. Mechanisch ist ein Schmerz, jedoch weit weniger kostspielig und gefährlich als die elektrische Seite. Wir haben einen Lieferanten BesTorq, der mit seinen Keilriemen mit epischer Kraft umgehen kann.

Im Großen und Ganzen sprechen Sie meiner Meinung nach von einem 500-1000-Stunden-Job und mindestens ein paar tausend Dollar an Material- und Leiterplattenkosten. Wenn Sie wirklich die beste Lösung für das Geld wollen, suchen Sie sich einen hochbezahlten Job und geben Sie die Löhne von denselben 500-1000 Stunden aus, um gebrauchte Motorsteuerungen bei Ebay oder Craigslist zu kaufen. Sie werden mit mehr Motorsteuerungen enden.

Aber das macht nicht viel Spaß. Wenn Sie einen bauen möchten, benötigen Sie 6 MOSFETs oder IGBTs (einer auf der hohen Seite und einer auf der niedrigen Seite jedes Beins des Sterns). Dann verwenden Sie einen Mikrocontroller, um die Schalter ein- und auszuschalten, um eine Sinuswelle zu simulieren.

Da die Spannung, von der Sie sprechen, ziemlich hoch ist, benötigen Sie einen sogenannten High-Side-Treiber - einen Chip, der einen MOSFET bei sehr hohen Spannungen steuern kann. Der IRS2330 von International Rectifier, der alle drei Phasen übernimmt. Seite 19 des IRS2330-Datenblatts enthält ein schönes Diagramm der Grundschaltung.

Danke, das ist wirklich hilfreich... aber meinst du das ernst mit einem 500-1000-Stunden-Job mit kostspieligen Materialien? Wenn man sich das Datenblatt und die Mikrochip-Anmerkungen 00843a ansieht, die bt2 in seiner Antwort erwähnt hat, scheint dies eigentlich nicht allzu komplex zu sein.
Diese Schätzung meine ich ernst. Es stimmt zwar, dass die Steuerkomponenten billig sind, aber die Schaltelemente und großen Filter, die Sie benötigen, werden teuer sein. Außerdem müssen Sie für Leiterplatten bezahlen, die für etwas dieser Größe mindestens 100 US-Dollar pro Lauf kosten. Ich schätze, ein erfahrener Elektroingenieur könnte es vielleicht in 250 Stunden und vielleicht 1500 Dollar schaffen, aber das scheint sehr optimistisch.
Ich sollte auch hinzufügen, dass ein Teil dessen, was das alles so schwierig macht, die Hochspannung ist. Alles wäre billiger und einfacher, wenn Sie mit 48 V betrieben würden. Wenn die Leistung steigt, müssen Sie sich um weitere Details kümmern.
Ok, nun, es ist mir egal, wie lange es dauert, da ich meine Freizeit bei Bedarf über ein oder zwei Jahre nutzen kann. Die Kosten sind jedoch ein Problem, da ich genauso gut einen kaufen kann! Ich nehme an, Sie sprechen für die Filterung von den Glättungskondensatoren für den gleichgerichteten Gleichstrom? Angesichts der Tatsache, dass dies nicht perfekt sein muss, da es im Gegensatz zu einer Einheit in Industriequalität die Motoren auf dem Karnevalswagen nur 20 Stunden in einem Jahr antreibt, mit wie wenig Filterung kann ich davonkommen? zB von DigiKey kann ich 2 x 10000 uF 450 V-Kappen für 178 $ bekommen, was meine 5000 uF in Reihe gibt. Kann ich damit durchkommen?
Sie werden keinen 3-Phasen-Wechselstromantrieb bauen, der IGBTs antreiben kann, die groß genug sind, um einen 50-75-PS-Motor in 250 Stunden sicher zu steuern, es ist mir egal, wie gut Ihr Ingenieur ist. Es gibt eine Menge Steuerungssoftware zu schreiben, wenn Sie nach etwas Zuverlässigem und Sicherem suchen. Weitere Einzelheiten finden Sie in meiner Antwort unten.
Ich habe trivialere Entwürfe gemacht und stimme zu: Beginnen Sie damit, wie lange Sie denken, dass es dauern wird. Fügen Sie einen Monat hinzu. Dann verdopple das.

Ich würde mir diese App-Notizen von Microchip ansehen

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/70096A.pdf

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00843a.pdf

Sie haben ein 3-Phasen-Entwicklungskit, aber ich glaube, Sie müssen darum bitten, eines davon auszuleihen, und da Sie nicht versuchen, dies tatsächlich herzustellen, bezweifle ich, dass Sie eine hohe Priorität erhalten würden. Dennoch stehen ihnen Schaltpläne und Code zur freien Verwendung zur Verfügung.

Vielen Dank für diese Datenblätter. Wenn ich mir diese und das Datenblatt ansehe, das Pingswept in seiner Antwort bereitgestellt hat, denke ich, dass ich tatsächlich herausfinden kann, wie das geht.
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