Hey Leute,
ich bin dabei einen primitiven Frequenzumrichter zu entwerfen.
Nun würde ich gerne mal den Drehstrommotor simulieren, aber ich habe da
ein kleines Problem.
Ich weiß nicht welchen Wert ich für die Induktivität nutzen soll, denn
diese ändert sich ja über die Frequenz durch den Skin-Effekt. Diese
Änderung habe ich mir bereits mit einer LCR-Messbrücke angeguckt. Dort
ist ein Anstieg des seriellen Widerstands und eine Abnahme der seriellen
Induktivität mit zunehmender Frequenz zu betrachten.
Meine eigentliche Frage ist nun, ist mein zu erwartender Wert der
Induktivität bei meiner PWM-Frequenz, mit der ich die MOSFET's schalte,
zu finden? Die andere Idee wäre bei der Frequenz des durch das
PWM-Signal generierten Sinus (0-50Hz).
Ich bin mir da nicht sicher, denn der Duty-Cycle der PWM ändert sich ja
ständig.
Ein Datenblatt zu dem Motor habe ich leider nicht finden können, denn
dieser scheint schon etwas älter zu sein.
Danke im voraus!
Rocket schrieb:> ich bin dabei einen primitiven Frequenzumrichter zu> entwerfen. Nun würde ich gerne mal den Drehstrommotor> simulieren, aber ich habe da ein kleines Problem.>> Ich weiß nicht welchen Wert ich für die Induktivität> nutzen soll, denn diese ändert sich ja über die> Frequenz durch den Skin-Effekt.
"Cosinus Phi" sagt Dir etwas? "Ossanna-Heyland-Kreis"
auch?
Woher rührt eigentlich der Irrglaube, ein elektrisch-
mechanischer Wandler verhalte sich wie ein passiver
Zweipol?
cos(phi) sagt mir natürlich etwas, aber der Osanna-Heyland-Kreis ist mir
neu. Ich weiß aber nicht wie ich die drei Ströme messen soll, damit ich
den Kreis konstruieren kann, denn ich brauche ja vor allem den
Phasenwinkel.
Außerdem sagt der Kreis mir doch nur etwas über Ströme oder Leistungen
im stationären Betrieb.
Mich interessieren aber eigentlich die Spannungsspitzen die beim
Schalten der MOSFET's entstehen.
Rocket schrieb:> Mich interessieren aber eigentlich die Spannungsspitzen die beim> Schalten der MOSFET's entstehen.
Warum? FU sind normalerweise so ausgelegt, das die PWM Frequenz so hoch
ist, das sie durch die Induktivität der Wicklungen im Motor ausgemittelt
wird. Schon aus Gründen der Reinheit des Sinus wird man die PWM Frequenz
nicht so niedrig ansetzen, das die Gegen-EMK eine tragende Rolle in der
Auslegung der Endstufe bekommt.
Da heutige IGBT und MOSFet auch so gut wie immer eine interne
(Body-)Diode haben, die die Gegen-EMK an die Versorgung ableitet, können
auch so keine nennenswerten Spitzen entstehen, die die Endstufen oder
sonst was gefährden.
Wenn du jetzt wirklich losrechnen willst, ermittle die Induktivität
einer Wicklung durch den cos-phi eines beliebigen Motors für 50Hz. Der
Skin Effekt spielt übrigens bei solchen Frequenzen bis ein paar dutzend
kHz so gut wie keine Rolle.
Rocket schrieb:> ich bin dabei einen primitiven Frequenzumrichter zu entwerfen.
Hier kannst du dir mal einen simplen FU angucken:
https://www.mikrocontroller.net/articles/3-Phasen_Frequenzumrichter_mit_AVR
Hey Matthias,
ich habe mir mal deine Schaltung angeguckt und hätte ein paar Fragen an
dich.
1) Wie hast du es geschafft eine Sinuserzeugung mit solch einer hohen
Frequenz zu generieren? Ich habe bei einem generierten Sinus von 50Hz
und ziemlich wenigen Sinuswerten in der Tabelle, Pulsbreiten von der
Größenordnung < 100ns. Diese kleinen Pulsbreiten kommen bei mir dadurch
Zustande, dass ich eine V-F-Charakteristik fahre und somit bei 1Hz nur
noch einen ganz kleinen Bereich der PWM nutzen kann.
2) Ich habe jetzt die Amplitudenspannungen für meine drei Phasen bei
einem Sinus, der von +U_Scheitel bis -U_Scheitel geht, berechnet. Aber
bei der PWM kann ich ja nur Mittelwerte von 0V bis zur
Zwischenkreisspannung erreichen. Demnach müsste ich die ausgerechneten
Scheitelspannungen für den normalen 3 Phasen-Betrieb verdoppeln, da mir
die untere Hälfte fehlt, oder?
3) Wie viel Spannung sollte ich als Reserve für den Zwischenkreis
berücksichtigen?
4) Kannst du mir gegebenenfalls Literatur nennen worüber etwas über die
Dimensionierung eines FUs steht?
Ich danke Dir!
Rocket schrieb:> Wie hast du es geschafft eine Sinuserzeugung mit solch einer hohen> Frequenz zu generieren?
Die Frequenz wird über die variable Sprungweite (Variable inco) erzeugt.
Bei der kleinsten Sprungweite (1) wird die kleinste Frequenz erzeugt.
Rocket schrieb:> dass ich eine V-F-Charakteristik fahre
tue ich auch. Die Erzeugung skaliert aber und das wird bei mir über eine
variable V/f Charakteristik gemacht. Der Anwender kann auf Wunsch auch
bei 10Hz schon 100% PWM haben, wenn er den V/f Multiplikator so
einstellt. Dabei gilt V = f * scale.
> Aber> bei der PWM kann ich ja nur Mittelwerte von 0V bis zur> Zwischenkreisspannung erreichen.
Du vergisst, das, wenn eine Halbbrücke gerade am oberen Scheitelpunkt
ist, die beiden anderen auf 'halb-unten' stehen. Zwei Wicklungen des
Motor sehen also eine umgepolte Spannung, deren Strom gerade dem
entspricht, den die dritte Wicklung sieht. Bei einem idealen Motor in
Sternschaltung würde also am Mittelpunkt der drei Wicklungen nie eine
Spannung stehen.
Jede Wicklung sieht also einmal pro Periode +U bis -U (die Wicklung wird
umgepolt).
> 3) Wie viel Spannung sollte ich als Reserve für den Zwischenkreis> berücksichtigen?
Die Frage verstehe ich leider nicht. Bei meinem FU liegt bei Netzbetrieb
an 230V~ die übliche Zwischenkreisspannung von etwa 325V= am Netzteil.
Mit modernen MOSFet in der Endstufe wird der Spannungsverlust sehr
gering sein. Eine Wicklung bekommt also max. +325V zu sehen und min.
-325V.
> 4) Kannst du mir gegebenenfalls Literatur nennen worüber etwas über die> Dimensionierung eines FUs steht?
Nee, habe ich noch nichts gefunden.
Respekt.
Aber warum hast du dir das mit nem Mega88 angetan? Ja, mit geschickter
Programmierung geht viel, aber macht dann eben auch viel Arbeit wenn es
an die Grenzen der Leistungsfähigkeit geht. Gibt doch genug Chips mit
passenderen Timern, selbst im AVR-Bereich (ATtiny861 z.B.).
Rocket schrieb:> 4) Kannst du mir gegebenenfalls Literatur nennen worüber etwas über die> Dimensionierung eines FUs steht?
Die Auslegung eines FU ist nicht trivial. Für die Wahl deiner Schalter
und des passenden Kühlkörpers sind der RMS und Mittelwert des Stromes
von Bedeutung. Darüber hinaus gibt es auch den Anlaufstrom, der um ein
vielfaches höher ist als der Nennstrom. Deine Schaltelemente müssen für
beides ausreichend dimensioniert sein.
Wie man nun auf den RMS und Mittelwert in deinem Umrichter kommt, hängt
stark von der verwendeten Modulation ab. Die Berechnung ist nicht ganz
ohne, wenn man die Common-Mode Spannung mit einbeziehen möchte.
Ist es dir persönlich egal, wenn das Ding am Ende ein wenig größer und
schwerer wird?
Also, der Motor verträgt eine max. Strangspannung von 10V und einem max.
Strom von 0,8A, es handelt sich also um einen kleinen Motor.
>Du vergisst, das, wenn eine Halbbrücke gerade am oberen Scheitelpunkt>ist, die beiden anderen auf 'halb-unten' stehen. Zwei Wicklungen des>Motor sehen also eine umgepolte Spannung, deren Strom gerade dem>entspricht, den die dritte Wicklung sieht. Bei einem idealen Motor in>Sternschaltung würde also am Mittelpunkt der drei Wicklungen nie eine>Spannung stehen.>Jede Wicklung sieht also einmal pro Periode +U bis -U (die Wicklung wird>umgepolt).
Das versteh ich nicht ganz, gehen wir mal davon aus ich habe 100V im
Zwischenkreis und L2 befindet sich am oberen Scheitelpunkt (PWM 100%).
Damit hätte ich einen momentanen Mittelwert von 100V an L2 anliegen. L1
und L3 befinden sich beim "normalen" Drehstrom auf der Hälfte der
unteren Halbwelle. Das würde doch bei einem PWM generierten Sinus
bedeuten, dass der momentane Mittelwert der Phasen L1 und L3 25V
betragen muss. Also ich versuche auszudrücken, dass ein PWM generierter
Sinus seinen Wendepunkt nicht bei 0V hat, sondern bei dem oben genannten
Beispiel 50V betragen müsste.
>Ist es dir persönlich egal, wenn das Ding am Ende ein wenig größer und>schwerer wird?
In diesem Fall hat nur die Funktion einen Stellenwert.
>Gibt doch genug Chips mit>passenderen Timern, selbst im AVR-Bereich (ATtiny861 z.B.).
Ich selber benutze den TI F28027, der extra für Motorsteuerungen
konzipiert worden ist.
Rocket schrieb:>>Ist es dir persönlich egal, wenn das Ding am Ende ein wenig größer und>>schwerer wird?>> In diesem Fall hat nur die Funktion einen Stellenwert.
Dann würde ich mir die Rechnerei sparen und einfach einen etwas
überdimensionierten Kühlkörper verwenden.
H.Joachim S. schrieb:> Aber warum hast du dir das mit nem Mega88 angetan?
Weil ich AVR447 für ein anderes Projekt (dicker BLDC) schon so erweitert
hatte, das ich für den FU nicht mehr allzu viel ändern musste. Dieses
(BLDC-)Projekt hatte ich als 'Proof-of-Concept' sowohl mit Mega88,
XMega192 als auch mit STM32F1xx aufgebaut, um Architekturen und MC
Performance zu vergleichen.
> Gibt doch genug Chips mit> passenderen Timern, selbst im AVR-Bereich (ATtiny861 z.B.)
Der Tiny861 hat viel zu wenig Pins für die Zwecke des FU. Ich wollte ja
ein billiges Allerwelts-LCD anwenden, um den Nachbau zu erleichtern,
ausserdem sollten ein paar externe Anschlüsse übrig bleiben.
Ein XMega wäre wg. AWEX auch gut gewesen, aber der wiederum ist für
viele Leute zu exotisch, schlecht zu löten usw. Als Alternative wäre
noch ein VL Discovery Board da gewesen, aber das ist so unhandlich und
für viele Anwendungen einfach zu gross und unpraktisch. Also bleiben die
Mega88/168/328 als Wahl übrig, die sind auch auf vielen Arduino Boards
und damit kennen sich die Leute aus.
Übrigens sind zwar alle 3 Timer am Rennen, aber es gibt immer noch zwei
freie Zeitbasen: Den UART Baudratengenerator und den Watchdog :-P
Rocket schrieb:> Also, der Motor verträgt eine max. Strangspannung von 10V und einem max.> Strom von 0,8A, es handelt sich also um einen kleinen Motor.
Dann nimm für die Lowside einfach Logiklevel N-Kanal (IRLZ34/44) und für
die Highside eine kleine Schaltung mit NPN und P-Kanal, siehe das
Anhängsel. Das kann man direkt an den MC anschliessen.
Oh D. schrieb:> ergiss die unsaegliche Idee, den PWM auf die Spule zu geben. Das> strahlt sofort ab.
Das ist ein Irrtum. Jeder kommerzielle FU hat keine Filter im Ausgang,
sondern benutzt die Induktivität der Motorwicklungen als Filter. Siehe
zur Filterung auch den Artikel zum 3-Phasen FU. Es lohnt sich, die
Leitung zum Motor abzuschirmen, wenn man wirklich so schnelle Endstufen
verwendet, das man EM Abstrahlung befürchtet.
Nur ein Cap im Ausgang erzeugt übrigens enorme Verluste und der C brennt
schnell ab. Wenn man filtern will, ist auf jeden Fall zuerst eine
Drossel angesagt, bevor man irgendwelche C anwendet, die ist im
Schaltplan meines FU auch eingezeichnet.
Nur Wechselrichter sollten im Ausgang ein LC Filter haben, denn hier
kommen auch Applikationen zu Einsatz, die gefilterte 50Hz sehen wollen.
Rocket schrieb:> Also ich versuche auszudrücken, dass ein PWM generierter> Sinus seinen Wendepunkt nicht bei 0V hat, sondern bei dem oben genannten> Beispiel 50V betragen müsste.
Ja, das ist richtig. Insgesamt würde aber bei deinen Beispiel die
Wicklung max. +100V sehen und min. -100V. (Spitze-Spitze)
>Ja, das ist richtig. Insgesamt würde aber bei deinen Beispiel die>Wicklung max. +100V sehen und min. -100V. (Spitze-Spitze)
Aber nur bei einer Dreieckschaltung, richtig? Und da auch keine vollen
100V, eher 75 V, weil ja an den beiden anderen Phasen 25V anliegen.
>Dann nimm für die Lowside einfach Logiklevel N-Kanal (IRLZ34/44) und für>die Highside eine kleine Schaltung mit NPN und P-Kanal, siehe das>Anhängsel. Das kann man direkt an den MC anschliessen.
Es muss eine galv. Trennung bestehen, dazu nehme ich einen GMR-Koppler.
Ich werde, nachher mal meine Schaltung beifügen und meine berechneten
Spannungen.
Für ∆-Schaltung:
Umax ∆: 10V
Die 10V dividiere ich durch sqrt(3) (Verkettungsfaktor), um die
Effektivspannung einer Phase zu erhalten.
Ueff = 10V/sqrt(3) = 5,77V
Um die Amplitude zu berechnen, wird das Ergebnis mit sqrt(2)
multipliziert.
Û = 5,77V * sqrt(2) = 8,16V
Umax Y: 17V
Ueff = 17V/sqrt(3) = 9,81V
Û = 9,81V * sqrt(2) = 13,88V
Nach diesen Rechnungen würde schon eine Zwischenkreisspannung von 14V
reichen.
Anbei mein momentaner Schaltplan für eine Phase.
>Aber nur bei einer Dreieckschaltung, richtig? Und da auch keine vollen>100V, eher 75 V, weil ja an den beiden anderen Phasen 25V anliegen.
Ich habe mal ein 3 Phasen-System mit -14V bis 14V simuliert und eins mit
0V - 14V (Offset 6V)... Wie du schon gesagt hast, macht das keinen
Unterschied. Es kommt bei beiden ein Sinus zwischen L1 und L2, L2 und L3
und L1 und L3 von -23,8V bis 23,8V raus (17V Nennspannung).
>Ich habe mal ein 3 Phasen-System mit -14V bis 14V simuliert und eins mit>0V - 14V (Offset 6V)... Wie du schon gesagt hast, macht das keinen>Unterschied. Es kommt bei beiden ein Sinus zwischen L1 und L2, L2 und L3>und L1 und L3 von -23,8V bis 23,8V raus (17V Nennspannung).
Mir ist natürlich ein Fehler unterlaufen. Die berechneten Amplituden
sind richtig, aber da mir nur der positive Bereich bleibt, ist die
berechnete Amplitude auch gleich mein Offset. Damit komme ich auf
folgende Zwischenkreisspannungen:
∆-Schaltung: 16,32V
Y-Schaltung: 27,76V
