3-Phasen-Motordrehzahlregler

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Hintergrund

Wenn Sie sich meine Profilbeschreibung ansehen, werden Sie sehen, dass ich am Aufbau und der Verkabelung von Karnevalsschwimmern 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 Spinnstahlkonstruktionen 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 dies nicht zu tun viel 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.

Zur Steuerung der Motoren wird ein Umrichterantrieb benötigt. Dies ist ein sehr teures Kit mit einer Vielzahl von Parametern, die zur Steuerung von Motoren in allen verschiedenen Situationen angepasst werden können. Wir haben 2 dieser Einheiten, die jeweils einige Motoren steuern. Das Problem, das ich habe, ist:

  1. Ein großer einzelner Fehlerpunkt - Ein Gerätefehler führt zum Ausfall vieler Motoren.
  2. Viele der Motoren können nur mit derselben Drehzahl angetrieben werden, wenn manchmal eine individuelle Drehzahlregelung erforderlich ist.
  3. Teuer.

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

Lösung

Ich würde gerne meine eigene für einen Bruchteil der Kosten bauen können. Ich weiß nicht, ob ich mir eine unmögliche Aufgabe stelle und mein Ziel viel zu hoch stelle oder ob dies tatsächlich erreichbar ist. Wenn ich in einen Wechselrichterantrieb schaue , sehe ich mehrere SMD-Leiterplatten, einige riesige Kondensatoren / Induktivitäten und einige durch Wärme versunkene Transistoren.

Ich habe Erfahrung mit dem Schalten / Dimmen von ohmschen Lasten unter Verwendung von Bildschaltkreisen auf Bildbasis, aber obwohl ich die Theorie kenne, ist die Steuerung einer dreiphasigen induktiven Last im Moment jenseits meiner Fähigkeiten.

Frage

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

Technische Daten

  • Eingang: 240 V einphasig oder 415 V dreiphasig.
  • Ausgang: 415 V 3-Phasen-Motorantrieb mit variabler Frequenz.
  • Bedienelemente: Stopp / Start, Hochlaufgeschwindigkeit (Sekunden), Rücklaufgeschwindigkeit (Sekunden), Laufgeschwindigkeit (Hz), Not-Aus.
  • Anzeige: Aktuelle Geschwindigkeit (Hz), Last (A)
  • Motorverkabelung: Stern

UPDATE (31. Januar): Aus den Informationen, die Pingswept und BT2 in ihren Antworten geliefert haben, habe ich eine Simulation der nackten Knochen von dem entwickelt, was ich brauche ... Korrigieren Sie die 3-Phasen-Phase, um 586 V Gleichstrom zu erhalten und zu verwenden 6 IGBTs, die von einem IRS2330 gesteuert werden, der von einem Mikrocontroller über PWM gesteuert wird.

BG100
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Mein Bauchgefühl ist - es hört sich so an, als würden Sie bei diesem Projekt viel Verantwortung übernehmen ... aber ich begrüße Ihre Begeisterung
vicatcu
@vicatcu: Ich weiß, aber ich habe mehrere Jahre darüber nachgedacht, wie das geht, habe viele Stunden damit verbracht, zu googeln und über 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!
BG100
+1 für eine Frage gut geschrieben :)
ElectronS

Antworten:

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Ich habe 13 Jahre lang genau diese Elektronik entwickelt: Dreiphasen-Induktionsmotor-Softstarter mit reduzierter Spannung und Frequenzumrichter mit variabler Frequenz. In den letzten Jahren habe ich als VFD-Anwendungstechniker Kunden bei der Auswahl und Konfiguration dieser Geräte für verschiedene Lasten und Branchen im ganzen Land unterstützt.

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 Hobbyisten, insbesondere eines Menschen, der offen den Kauf von Gewerbeeinheiten vermeidet, um Geld zu sparen. Tu es nicht!

Während die Theorie hinter der Steuerung von Wechselstrommotoren sehr einfach ist, kann es ziemlich schwierig sein, die Arbeit auf Detailebene (Dimensionierung des Kühlkörpers, Dämpfung, Anforderungen an den Gate-Antrieb, De-Sat-Schutz, Motorüberlastungsberechnungen, Buskondensatorschutz usw.) herunterzufahren. Besonders bei Hochleistungs-Fahrrad- und regenerativen Kraftmodi, die eine Karnevalsfahrt BESTIMMT erzeugen wird. Ich warne Sie nachdrücklich davor, etwas in dieser Art zu bauen, es sei denn, Sie verfügen nicht nur über umfangreiche Erfahrung im Entwurf von Mikrocontrollern und eingebetteten Systemen, sondern auch über umfangreiche Erfahrung in der Leistungselektronik und in dreiphasigen Schaltkreisen. Menschen werden verletzt und getötet, wenn sie dieses Zeug bauen.

Meine erste Frage an Sie ist, ob eine Geschwindigkeitsregelung wirklich erforderlich ist oder ob Sie nur ein sanftes Starten und Verlangsamen benötigen. Variieren Sie die Drehzahl des Motors nach dem Start? Wenn nicht, können Sie möglicherweise mit einem VIEL billigeren Softstarter mit reduzierter Spannung davonkommen. Diese Einheiten wirken wie dreiphasige Lichtdimmer. Sie passen nur die an den Motor angelegte Spannung an. Bei niedrigen Drehzahlen haben Sie nicht viel Drehmoment, aber mit dem richtigen Motordesign (NEMA-Klasse D) können Sie mit einem Bruchteil der Kosten und der Wartung genau das erreichen, was Sie suchen.

Wenn Sie die Volllastdrehzahl des Motors wirklich variieren müssen, stecken Sie mit einem Frequenzumrichter mehr oder weniger fest. Wie Sie wissen, sind diese teuer, und wenn Sie billig kaufen, werden Sie sie aufgrund Ihres hohen Stoßstroms (sie nennen dies "konstantes Drehmoment") wahrscheinlich früher ersetzen. Wenn dies der Fall ist, würde ich auf jeden Fall empfehlen, verschiedene Hersteller (Allen-Bradley, Cutler-Hammer, SAF-Antriebe, Benshaw, Yaskawa usw.) zu kontaktieren und nach überholten Einheiten zu fragen. Fragen Sie nach einem Laufwerk, das 30 Sekunden lang 150% Nennstrom liefern kann (dies wird normalerweise als Hochleistung bezeichnet), oder dimensionieren Sie das Laufwerk 30-50% größer als Ihre Nennstromstärke. Wahrscheinlich wird Ihnen auch die Generatorleistung ausgehen, die bekanntermaßen zu klein ist und zu Stromausfällen und Spannungsspitzen neigt, da sich die Lastanforderungen mit dem Zustand des betriebenen Geräts ändern. Antriebe mögen das nicht (Spannungseinbrüche verursachen Stromspitzen, wenn der Motor abrutscht und Überspannungen dazu führen können, dass Sie die Buskondensatoren überspannen) und neigen dazu, entweder auszufallen oder zu explodieren.

Mir geht es nur um den kleinen Kerl, der etwas baut und Geld spart, aber das ist nicht die Art von Projekt, bei dem man das macht. Wenn Sie wirklich einen dreiphasigen Wechselstromantrieb bauen möchten, starten Sie mit einem kleinen 10-PS-480-V-Motor mit einer Handbremse auf einem Prüfstand. Sie haben das Potenzial, das hosenfüllende Gefühl eines H-Brückenausfalls oder einer Buskondensatorexplosion zwei Fuß von Ihrem Kopf entfernt zu erleben, jedoch ohne die potenziellen Klagen und den Verlust von Leben (außer vielleicht Ihren eigenen).

Akohlsmith
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Vielen Dank für Ihre sehr ausführliche Antwort. Ich freue mich über Informationen von einem Experten auf diesem Gebiet! Um Ihre erste Frage zu beantworten: Nach dem Hochfahren ändert sich die Geschwindigkeit nicht, die Geschwindigkeit beträgt jedoch nicht 50 Hz. Sie kann zwischen 25 und 60 Hz liegen. Da der Generator Wechselstrom mit 50 Hz liefert, muss die Frequenz geändert werden. Ich könnte mich also irren, aber ich glaube nicht, dass ich mit einem Softstarter mit reduzierter Spannung davonkommen kann.
BG100
Wenn Ihr Generator nicht in der Lage ist, seine Nenndrehzahl zu erreichen, und Sie sich auf die Fähigkeit des Frequenzumrichters verlassen, die Motordrehzahl anzupassen, um dies auszugleichen, denke ich, dass Ihr Generator entweder zu klein ist oder der Regler reparaturbedürftig ist! Bei jedem motorgetriebenen Generator ist ein gewisser Anstieg und Durchhang zu erwarten, sie sollten jedoch in der Lage sein, unter Last innerhalb von 5% ihrer Nennausgangsfrequenz zu bleiben.
Akohlsmith
Ich denke, ich werde auf jeden Fall versuchen, einige Hersteller zu kontaktieren, wie Sie vorschlagen. Der Generator, den wir verwenden, hat eine Leistung von 800 kVA und wird normalerweise zu etwa 70% belastet. Ich glaube also nicht, dass es zu Stromausfällen kommt (obwohl uns einmal der Kraftstoff ausgegangen ist). Ich weiß auch nicht, ob es einen Unterschied zu irgendetwas macht, das Sie vorschlagen können, aber die Last, die ich antreibe, hat viel Schwung, aber die Getriebe, die wir verwenden, haben Schneckengetriebe, die das Freilaufen verhindern. Wenn Sie es in Aktion sehen möchten, schauen Sie sich dieses Youtube-Video an: youtube.com/watch?v=sL2i0SxpKIY
BG100
Um auf Ihren Kommentar zur Generatordrehzahl zu antworten, haben Sie wohl falsch verstanden ... Der Generator läuft mit 50 Hz, aber ich brauche den Motor, um mit einer festen Frequenz zu laufen, z. B. 30 Hz. Dies ist die Drehzahl, mit der ich den Motor für den Betrieb konfigurieren möchte für die Dauer ist es eingeschaltet.
BG100
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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 Generator-Techniker herauszuholen und zu erklären ihm, dass das Ding eine einigermaßen konstante Frequenz nicht halten kann. Die elektronischen Regler sind ziemlich schmerzlos, aber ich habe ein paar mechanische Mechaniker der alten Schule angepasst ... es ist wie eine Rube Goldberg-Maschine in ihnen, ich schwöre. :-)
Akohlsmith
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Im Großen und Ganzen denke ich, dass Sie von einem 500-1000-Stunden-Job und mindestens ein paar tausend Dollar an Material- und Leiterplattenkosten sprechen. Wenn Sie wirklich die beste Lösung für das Geld wollen, holen Sie sich einen hochbezahlten Job und geben Sie die Löhne aus den gleichen 500-1000 Stunden aus, um gebrauchte Motorsteuerungen von 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 (einen auf der hohen Seite und einen auf der niedrigen Seite jedes Beines des Sterns). Anschließend schalten Sie die Schalter mit einem Mikrocontroller ein und aus, 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 ausführt . Seite 19 des IRS2330-Datenblattes enthält ein schönes Diagramm der Grundschaltung.

pingswept
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Vielen Dank, das ist wirklich hilfreich ... aber meinen Sie es ernst damit, dass dies ein 500-1000-Stunden-Job mit teuren Materialien ist? Wenn man sich das Datenblatt und die Mikrochip-Appnoten 00843a ansieht, die BT2 in seiner Antwort erwähnt hat, scheint dies eigentlich nicht allzu komplex zu sein.
BG100
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Ich meine diese Schätzung ernst. Während es stimmt, dass die Steuerungskomponenten billig sind, werden die Schaltelemente und die großen Filter, die Sie benötigen, teuer sein. Außerdem müssen Sie für Leiterplatten bezahlen, die für etwas dieser Größe mindestens 100 US-Dollar pro Lauf betragen. Ich denke, ein erfahrener Elektrotechniker könnte es vielleicht in 250 Stunden und vielleicht 1500 Dollar schaffen, aber das scheint sehr optimistisch.
Pingswept
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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 arbeiten würden. Wenn die Stromversorgung steigt, müssen Sie sich um weitere Details kümmern.
Pingswept
Ok, 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 auch nur eines kaufen kann! Für die Filterung, nehme ich an, sprechen Sie über die Glättungskondensatoren für den gleichgerichteten Gleichstrom? Angesichts der Tatsache, dass dies nicht perfekt sein muss, da die Motoren auf dem Karnevalsschwimmer in einem Jahr nur 20 Stunden lang angetrieben werden, wie wenig Filterung kann ich im Gegensatz zu einem industriellen Gerät leisten? Beispiel: Bei DigiKey kann ich 2 x 10000uF 450v-Kappen für 178 US-Dollar erhalten, was meine 5000uF in Serie ergibt. Kann ich damit durchkommen?
BG100
Sie werden kein 3-Phasen-Frequenzumrichter bauen, das 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. Siehe meine Antwort unten für weitere Details.
Akohlsmith
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Ich würde diese App-Notizen von Microchip lesen

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 dieses nicht tatsächlich herstellen möchten, bezweifle ich, dass Sie eine hohe Priorität erhalten würden. Trotzdem stehen ihnen Schaltpläne und Code zur kostenlosen Verwendung zur Verfügung.

bt2
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Vielen Dank für diese Datenblätter. Wenn Sie sich diese und das Datenblatt ansehen, das Pingswept in seiner Antwort bereitgestellt hat, kann ich tatsächlich herausfinden, wie das geht.
BG100