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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik 230V AC Motor, Spannung gleichrichten und mit PWM regeln?


Autor: Paul H. (powl)
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Hi,

damit mein 230V Fräsmotor durch den Phasenanschnitt nicht so ruckelig 
läuft habe ich mir überlegt ob es nicht möglich wäre die 230V AC auf 
325V DC gleichzurichten und dann per PWM an den Motor zu schicken bzw. 
gleich aktive Regelung einzubauen.

Ist sowas möglich, gibts da geeignete Transistoren für oder ist das 
nicht so geschickt für den Motor?

Da der Motor ja eine Induktivität besitzt könnte man auch einen 
Schaltregler draus bauen, der dem Motor einen konstanten Strom liefert 
und ihn auf einer bestimmten Drehzahl hält.

lg PoWl

Autor: hans (Gast)
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Was du suchst hat Atmel als KIT:

http://www.atmel.com/dyn/products/tools_card.asp?t...

gruß hans

Autor: Paul H. (powl)
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Ist also prinzipiell nicht abwägig? Würde da gerne mal selbst mit 
experimentieren, allerdings bräuchte ich dazu einen Transistor der 
mindestens so um die 350V Spannungsfestigkeit aufweist, ebenso 
entprechende Kondensatoren.

Autor: Volker K. (powerfreak)
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Hallo Paul,
schau doch mal auf den Platz 3 des Artikelwettbewerbs... das ist eine 
Lösung für eine 3~phasige Maschine. KÖNNTE funktionieren, denn 
schließlich hat ein Kondensatormotor ja auch drei Wicklungen.

Wenn Du die Elektronik kaufen willst, sollte theoretisch ein normaler 
kleiner Frequenzumrichter genügen. Du mußt aber einen "analogen" nehmen, 
da viele die Stromsymmetrie in den 3 Phasen Deines Motors prüfen noch 
nicht prüfen. In der Wicklung die über den Kondensator betrieben wird 
fließt naturgemäß ein kleinerer Strom, und ein Umrichter mit 
Symmetrieprüfung schaltet mit einer Fehlermeldung ab.
Trotzdem ist nicht sicher, daß es funktioniert, eventuell mußt Du 
mehrere verschiedene Umrichter testen... das geht schnell ins Geld.

Wenn Du es selber machen willst empfehle ich Dir die 3~ Schaltung hier 
aus dem Wettbewerb nachzubauen und es schlicht und einfach 
auszuprobieren. Eine Nachfrage beim Author macht natürlich Sinn!
Notfalls mußt Du den Elektromotor gegen eine Standard 3~ Maschine 
tauschen, dann funktionierts mit Sicherheit sowohl mit dem Nachbau, als 
auch mit einem gekauften Umrichter, die es als alte "analog" Typen recht 
günstig in ebay gibt... alle wollen auf "digital" umsteigen.
Gruß
Powerfreak

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Volker X. wrote:
> KÖNNTE funktionieren, denn
> schließlich hat ein Kondensatormotor ja auch drei Wicklungen.

Nein. Ein Kondensatormotor hat nur 2 Windungen die daher nur um 90° 
Phasenverschoben sind (sowohl beim Aufbau des Motors als auch die 
Spannungen). Es funktioniert zwar in der Regel auch mit einem 3 Phasen 
Umrichter, aber dann läuft der Motor nicht rund (was man deutlich bei 
kleinen Drehzahlen merkt).
Weiterhin ist die Spannung an dem über den Kondensator betriebenen 
Anschluss höher (da sich die Spannung aufgrund der Resonanzüberhöhung 
etwas aufschaukelt. Man benötigt daher für das volle Drehmoment 
>300Veff.

Autor: Paul H. (powl)
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Halt, das was ich hier habe ist der Motor eines King Craft Dremel 
Imitats. Es handelt sich um einen Universalmotor den man sowohl mit AC 
als auch mit DC betreiben kann wobei er bei gleichgerichteter 
Wechselspannung natürlich Wurzel 2 mal soviel Leistung umsetzt wie an 
normaler Wechselspannung. Aber mit PWM dürfte er um einiges 
gleichmäßiger laufen. Bei Phasenanschnitt merkt man das Ruckeln richtig. 
Die Drehzahlregelung müsste man auf die Weise auch gut hinbekommen. Man 
kann ihn unterhalb einer gewissen Drehzahl mit Konstantstrom betreiben 
um ihm die volle Power zu geben und bei Annäherung an diese Drehzahl 
sofort den Strom reduzieren bis der Motor nicht weiter beschleunigt.

Der Motor hat 160W. Wie schauts denn mit den elektrischen Werten bei 
230V AC Motoren aus? Ich nehme an die Wicklungen müssen einen relativ 
hohen elektrischen Widerstand und auch eine relativ hohe Induktivität 
haben, sonst würde der Einschaltstrom extrem groß sein und der Motor 
extreme Drehzahlen erreichen wenn durch Induktion nicht genügend 
Gegenspannung erzeugt wird. Die Verluste sind trotzdem nicht groß da ein 
kleiner Strom eben schon ein großes B-Feld erzeugt.

Wie groß sollte der Kondensator hinter dem Gleichrichter sein? 1µF? 
10µF? 100µF?

Wie bekomme ich raus welcher Transistor zum Schaltengeeignet wäre? Es 
sollte ein NPN-Typ sein.

lg PoWl

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Paul Hamacher wrote:

> Ich nehme an die Wicklungen müssen einen relativ
> hohen elektrischen Widerstand und auch eine relativ hohe Induktivität
> haben, sonst würde der Einschaltstrom extrem groß sein und der Motor
> extreme Drehzahlen erreichen wenn durch Induktion nicht genügend
> Gegenspannung erzeugt wird.

Der Einschaltstrom kann durchaus Werte in die Richtung von 100A erzeugen 
(meine Flex haut 10A Sicherungen bei jedem Einschalten raus).

> Wie groß sollte der Kondensator hinter dem Gleichrichter sein? 1µF?
> 10µF? 100µF?

Wenn der Motor eine saubere Gleichspannung bekommen soll, dann so groß 
wie möglich. Streng genommen müsste mann dann eine PFC vorschalten. Ich 
würde aus Erfahrung irgendwas im Bereich um die 100-400µF verwenden, 
aber eigentlich funktioniert es auch ohne, so dass lediglich wenige µF 
zur Unterdrückung der PWM Frequenz ausreichen (dann aber bitte 
einigermaßen HF fest, also am besten Folienkondensatoren).

> Wie bekomme ich raus welcher Transistor zum Schaltengeeignet wäre? Es
> sollte ein NPN-Typ sein.

Entweder Mosfets mit ausreichend Spannungsfestigkeit (IRF840 oder 
ähnliche) oder IGBTs. Die Schaltfrequenz würde ich um die 5-10kHz 
wählen, falls der Motor dann nicht zu laut pfeift.

Autor: Paul H. (powl)
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ich hätte es jetzt mal von Reichelt mit RAD 10/350 versucht, alternativ 
den mit 100µF oder den besseren BE 100/385. Ist halt ein normaler Elko, 
muss es wirklich Folie sein? Die sind sehr viel unhandlicher. Wenn die 
Spannung nicht so ganz konstant ist macht das nichts. Ich möchte sowieso 
eine Stromregelung realisieren, da wird der Strom per Schmitt-Trigger 
und Shunt-Messung im Motor in einem kleinen Bereich gehalten solange die 
Drehzahl nicht zu hoch ist. Das regelt sich alles von alleine. Stark 
einbrechen sollte die Spannung natürlich nicht.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Paul Hamacher wrote:
> Ist halt ein normaler Elko, muss es wirklich Folie sein?

Wenn der Elko mit den Strömen zurecht kommt, ist das kein Problem. Einen 
10µF Elko möchte ich ungern mit 1Aeff belasten, das könnte der übel 
nehmen und an die Decke gehen...
Laut Datenblatt verkraftet der RAD 10/350 70mAeff bei 120Hz. Das ist 
eindeutig zu wenig. Der 100µF liegt bei 360mAeff was schon eher in die 
benötigte Richtung geht.

> Die sind sehr viel unhandlicher.

Alles hat Vor und Nachteile. Dafür kommen die mit hohen (Puls)Strömen 
viel besser zurecht als Elkos.

Also entweder 10µF Folie, oder >100µF Elko.

Autor: Paul H. (powl)
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Der BE 100/385 hat bei 20kHz und 385V max. 1.21V ripple current. Das 
sollte ausreichen, oder?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Ja, sollte reichen. Die 0,64A bei 100Hz könnten etwas knapp sein. Der 
150µF Typ sollte auf jedenfall reichen.

Autor: Paul H. (powl)
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Um eine feste Drehzahl einzustellen brauche ich natürlich auch einen 
Drehzahlmesser. Der Motor wird so lange mit seiner vollen Kraft 
beschleunigt wie er unter dieser Drehzahl liegt. Allerdings muss der 
Drehzahlmesser ziemlich flink sein. Wenn er zu träge ist fängt mein 
Regelkreis an zu schwingen. Es wäre ideal wenn ich die Drehzahl in 
Echtzeit messen könnte. Ich dachte da an eine Unipolarmaschine, ist das 
in dem Fall nützlich oder einfach nur viel zu aufwändig?

lg PoWl

Autor: Eik (Gast)
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Für die Drehzahlmessung empfiehlt sich eine optische Variante - die ist 
recht schnell (1 Umdrehung der Achse, ggf noch schneller) und lässt sich 
auch einfach auswerten. Dafür brauchst du entweder eine Scheibe mit 
Unterbrechungen und Gabellichtschranke (wie bei einer mechanischen Maus) 
oder einen Reflektor auf der Achse mit Reflexlichtschranke.
Das Ausgangssignal kommt denn auf einen Capture- Eingang und wird im uC 
in der ISR ausgewertet. Alternativ kann das Signal auch über einen 
Interupt- Eingang angeschlssen und per Hand ausgewertet werden

Autor: Paul H. (powl)
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Och ich hätte das ganze sogar komplett analog gemacht. Der µC müsste die 
signale dann auch wieder in analoge umwandeln, esseidenn er regelt den 
Strom mit dem internen Komparator direkt, aber dazu wird der 
wahrscheinlich zu langsam sein denn es werden wohl mehrere kHz 
schaltfrequenz rauskommen.

Btw: Schützen mich so OP-Handschuhe im Extremfall etwas vor der 
Spannung? Wenn ich z.B. an den mit 330V geladenen Kondensator fasse tut 
das bestimmt weh.

Autor: ARM-Fan (Gast)
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>Wenn ich z.B. an den mit 330V geladenen Kondensator fasse tut
>das bestimmt weh.

Ja! Aber dafür nur 1 Mal... ;-)

>Schützen mich so OP-Handschuhe

Das würde ich stark bezweifeln. Es braucht sich nur ein Grat oder
Bauteildrähtchen durchdrücken und schon is' dunkel.

Autor: Paul H. (powl)
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Ich kann sie auch doppelt oder dreifach überziehen. Ich meine so als 
zusätzlicher Schutz dafür, dass ich sowieso schon höllisch aufpassen 
werde.

Also die Regelung gibt dem Dremel so lange den eingestellten Strom bis 
eine eingestellte Maximaldrehzahl erreicht ist. Danach muss der Strom 
heruntergeregelt werden bis sich die Drehzahl nicht weiter erhöht. 
Allerdings hat sie sich die Drehzahl währenddessen schon erhöht.

Wenn ich den Strom immer absenken würde sobald die Drehzahl ein gewisses 
Niveau überstiegen hat und immer erhöhen würde sobald sie selbiges 
Niveau unterschritten hat wird der Regelkreis je nachdem wie schnell die 
langsam der Drehzahlsensor Rückwirkungen auf den Stromsteller hat 
ziemlich stark oszillieren. Durch welchen Ansatz kann man dieses Problem 
umgehen? Andere Regelart?

Das Problem ist, wenn der Strom nicht schnell genug abgesenkt wird 
steigt die Drehzahl noch viel weiter. Wenn er zu schnell abgesenkt wird 
fällt sie sogar wieder.

Autor: Paul H. (powl)
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Ich würde zuerst mal nem kleinen DCmotor probieren.

Autor: Karl Zeilhofer (griffin27)
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Einen Zweipunktregler würde ich hier sowieso nicht empfehlen.
Rein analog hat mir auch immer sehr gut gefallen. Arbeite nun aber schon 
seit Ewigkeiten an nem Regler, den ich mir schon seit längerem digital 
wünsche, es aber der Aufwand nicht mehr wert ist, das es analog 
mittlerweile recht gut funktioniert.

Ich weiß nicht, mit welchen uC du umgehen kannst, aber wenn du bei einem 
recht fit bist, würde ich unbedingt digital empfehlen. Der Ausgang ist 
ja wegen der PWM sowieso digital.

Ich würde zB einen P-Regler als Stromregler vorschlagen und einen PI- 
oder PID-Regler als Drehzahlregler.

Autor: Paul H. (powl)
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Von P, PI, PID Reglern usw habe ich schon gehört, wieß aber leider nicht 
was es im Genauen bedeutet. Gibt es irgendwo eine Seite wo verschiedene 
Regelkreisprinzipien beschrieben werden?

Im Idealfall sollte es am Ende so aussehen, dass die Drehzahl 
einstellbar ist, und der Regelkreis nicht um diese herumoszilliert.

lg PoWl

Autor: Karl Zeilhofer (griffin27)
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Paul Hamacher wrote:
Auf Wikipedia wirds beschrieben, hab mir den Artikel jedoch noch nicht 
genauer angeschaut:
http://de.wikipedia.org/wiki/Regler

>
> Im Idealfall sollte es am Ende so aussehen, dass die Drehzahl
> einstellbar ist, und der Regelkreis nicht um diese herumoszilliert.

Das wäre mit einem Zweipunktregler prinzipbedingt ja schon unmöglich.

Autor: Paul H. (powl)
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So, ich wollte das Thema nochmal aufgreifen, allerdings möchte ich 
diesmal nicht den Motor meines Dremels regeln (den erst später) sondern 
den meines Ventilators. Ich möchte also einen Kondensator mit 
gleichgerichteten 230V laden und den Motor darauf per PWM betreiben.

Nur wie verbinde ich den Kondensator überhaupt mit dem Netz? Ich kann 
ihn ja nicht einfach über einen Gleichrichter direkt ans Netz hängen, da 
werden beim Anstecken extrem hohe Ströme fließen die mir sämtliche 
beteiligten Teile killen können. Irgendeine Lösung mit einem Widerstand 
und einem Relais um diesen zu überbrücken? Quasi die 
Einschaltstrombegrenzung eines Transformators hier anwenden? Wie schauts 
mit Oberwellen aus. Wenn ich aus dem Kondensator pulsweise hochfrequent 
(>20kHz, soll ja nicht piepen) Strom entnehme, verseuche ich mir das 
Netz ernsthaft mit Oberwellen und muss ich dies durch große 
Kondensatorkapazität bzw. einem Netzfilter ausgleichen?

lg PoWl

Autor: was-willst-du (Gast)
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Ist nicht euer Ernst, oder?

Zu Risiken und Nebenwirkungen fragen sie ihren Arzt oder Elektriker.

Autor: Karl Zeilhofer (griffin27)
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Guten Netzfilter davor und evt. fetten PTC als Strombegrenzung.
Sonst könntest du natürlich auch noch eine PFC vorschalten, dann kannst 
du dir die Strombegrenzung schenken.

Aber wenn man von nix keine Ahnung hat, sollte man vielleicht einmal 
etwas Theorie Pauken... Gerade bei Schaltungen am Netz.

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