Controlador de velocidad de motor trifásico

Fondo

Si observa la descripción de mi perfil, verá que estoy involucrado en la construcción y el cableado de las carrozas de Carnival que funcionan con un generador trifásico de 800 KVA, 415 V. Eléctricamente suelen tener unos 10 o 15 motores, miles de bombillas y un sistema de sonido de 20KW.

Problema

Los motores de inducción trifásicos se utilizan para impulsar grandes estructuras de acero giratorias que soportan mucho peso y tienen mucho impulso, y por lo tanto necesitan aumentar (y disminuir) la velocidad durante un período de alrededor de 10 s para no poner demasiado. mucha tensión en las cajas de engranajes, cadenas y cojinetes, etc. La velocidad de funcionamiento también debe ajustarse para adaptarse al diseño del flotador, lo que debe hacerse eléctricamente, ya que cambiar las relaciones de transmisión no es práctico una vez construido.

Para controlar los motores, se necesita un Inverter Drive , que es un equipo muy costoso que tiene una gran variedad de parámetros que se pueden ajustar para controlar los motores en todas las situaciones diferentes. Tenemos 2 de estas unidades que controlan algunos motores cada una. Entonces el problema que tengo es:

  1. Un gran punto único de falla: la falla de una unidad hace que muchos motores fallen.
  2. Muchos de los motores se limitan a funcionar a la misma velocidad, cuando a veces se necesita un control de velocidad individual.
  3. Costoso.

Mientras luchamos por recaudar fondos para construir nuestra carroza de carnaval todos los años, no podemos permitirnos comprar más Inverter Drives (a menos que alguien tenga la amabilidad de donar uno como lo han hecho con los dos que tenemos).

Solución

Me encantaría poder construir el mío propio por una fracción del costo. No sé si me estoy fijando una tarea imposible y estoy poniendo mis miras demasiado altas, o si esto es realmente alcanzable. Mirando dentro de un Inverter Drive , puedo ver varias placas de circuito SMD, algunos condensadores/inductores enormes y algunos transistores de disipación de calor.

Tengo experiencia en la conmutación/atenuación de cargas resistivas usando circuitos de control basados ​​en imágenes, pero aunque conozco la teoría, controlar una carga inductiva trifásica en este momento está más allá de mi nivel de habilidad.

Pregunta

¿Puede alguien guiarme hacia dónde debo comenzar con esto? Supongo que inicialmente estoy buscando un diagrama de bloques de los módulos (con un pequeño detalle) que necesitaría para construir una unidad inversora casera (por ejemplo, fuente de alimentación, microcontrolador, etapas de salida, etc.) y cómo encajan. Entonces puedo determinar si realmente vale la pena intentarlo, y si es así, determinar qué partes puedo diseñar y fabricar felizmente, y con qué partes necesitaré más ayuda.

Especificaciones

  • Entrada: 240v monofásica o 415v trifásica.
  • Salida: accionamiento de motor de frecuencia variable trifásico de 415 V.
  • Controles: Stop/Start, Velocidad de rampa ascendente (segundos), Velocidad de rampa descendente (segundos), Velocidad de funcionamiento (Hz), Parada de emergencia.
  • Pantalla: Velocidad actual (Hz), Carga (A)
  • Cableado del motor: Estrella

ACTUALIZACIÓN (31 de enero): A partir de la información proporcionada por pingswept y bt2 en sus respuestas, creo que se me ocurrió una simulación de lo básico de lo que necesito ... Rectificar la trifásica para obtener 586 V CC y usar 6 IGBTs controlados por un IRS2330 el cual es controlado por PWM desde un microcontrolador.

Mi intuición es: parece que asumiría una gran responsabilidad al hacer este proyecto... pero aplaudo su entusiasmo.
@vicatcu: Lo sé, pero he estado pensando en cómo hacer esto durante varios años, pasé muchas horas buscando en Google y leyendo sobre la teoría de que al menos quiero intentarlo. Si no funciona, o resulta ser demasiado peligroso, ¡quizás finalmente pueda abandonar esta tonta idea!
+1 por una pregunta bien escrita :)

Respuestas (3)

Pasé 13 años diseñando componentes electrónicos de esta misma naturaleza: motores de inducción trifásicos, arrancadores suaves de voltaje reducido y variadores de CA de frecuencia variable. Pasé los últimos años como ingeniero de aplicaciones de VFD ayudando a los clientes a seleccionar y configurar este equipo para diversas cargas e industrias en todo el país.

No podrá construir algo que sea barato y seguro. Los voltajes y las corrientes involucradas están mucho más allá del margen de seguridad de un aficionado, especialmente alguien que evita abiertamente comprar unidades comerciales para ahorrar dinero. ¡No lo hagas!

Si bien la teoría detrás del control del motor de CA es muy sencilla, el trabajo de nivel de detalle (dimensionamiento del disipador de calor, amortiguación, requisitos de accionamiento de la compuerta, protección contra la saturación, cálculos de sobrecarga del motor, protección del capacitor del bus, etc.) puede ser bastante difícil de entender. especialmente con los modos de ciclismo pesado y energía regenerativa que un paseo de carnaval CIERTAMENTE generará. Le advierto encarecidamente que no intente construir algo de esta naturaleza a menos que tenga una experiencia significativa no solo en microcontroladores y diseño de sistemas integrados, sino también en electrónica de potencia y circuitos trifásicos. Las personas resultan heridas y mueren construyendo estas cosas.

Mi primera pregunta para usted es si realmente se requiere control de velocidad o si solo necesita un arranque suave y una desaceleración. ¿Se varía la velocidad del motor una vez que se arranca? De lo contrario, es posible que pueda salirse con la suya con un arrancador suave de voltaje reducido MUCHO más barato. Estas unidades actúan como atenuadores de luz trifásicos; solo ajustan el voltaje aplicado al motor. No tendrá mucho torque a bajas velocidades, pero con el diseño correcto del motor (NEMA clase D) puede lograr exactamente lo que busca con una fracción del costo y el mantenimiento.

Si realmente necesita variar la velocidad a plena carga del motor, entonces está más o menos atascado usando un variador de frecuencia. Como sabe, estos son caros y si compra barato, es probable que los reemplace antes debido a su alta aplicación de sobretensión (a esto lo llaman "par constante"). Lo que definitivamente recomendaría hacer si este es el caso sería ponerse en contacto con varios fabricantes (Allen-Bradley, Cutler-Hammer, unidades SAF, Benshaw, Yaskawa, etc.) y solicitar unidades reacondicionadas. Solicite una unidad capaz de proporcionar un 150 % de corriente nominal durante 30 s (esto generalmente se conoce como servicio pesado) o dimensione la unidad entre un 30 y un 50 % más que su capacidad nominal de corriente. También es probable que se quede sin energía del generador, que es notoria por ser de tamaño insuficiente y propenso a apagones y sobretensiones a medida que los requisitos de carga cambian con el estado del equipo en funcionamiento. A los variadores no les gusta eso (las caídas de voltaje causan picos de corriente cuando el motor comienza a deslizarse y las sobretensiones pueden causar una sobretensión en los capacitores del bus) y tienden a fallar o explotar.

Me gusta que el pequeño construya algo y ahorre dinero, pero este no es el tipo de proyecto en el que hacer esto. Si realmente desea construir una unidad de CA trifásica, comience con un pequeño motor de 10 HP y 480 V con un freno de mano en un banco de pruebas. Tiene todo el potencial para experimentar la sensación de que se le llenan los pantalones de una falla en el puente H o la explosión de un capacitor de bus a dos pies de su cabeza, pero sin los posibles juicios y la pérdida de vidas (excepto quizás la suya).

Gracias por tu respuesta tan detallada, agradezco información de un experto en el tema! Para responder a su primera pregunta, después de la aceleración, la velocidad no varía, sin embargo, la velocidad no será de 50 Hz, podría ser entre 25 y 60 Hz y como el generador suministra CA a 50 Hz, necesito algo para cambiar la frecuencia. Entonces, podría estar equivocado, pero no creo que pueda salirme con la mía con un arrancador suave de voltaje reducido.
Si su generador no puede alcanzar su velocidad nominal y confía en la capacidad del VFD para ajustar la velocidad del motor para compensar, creo que su generador es demasiado pequeño o el gobernador necesita alguna reparación. Se esperan algunos aumentos y caídas con cualquier generador accionado por motor, pero deberían poder mantenerse dentro del 5% de su frecuencia de salida nominal bajo carga.
Creo que sin duda intentaré ponerme en contacto con algunos fabricantes como sugieres. El generador que usamos es de 800KVA, y normalmente lo cargamos hasta alrededor del 70%, por lo que no creo que haya apagones (aunque nos quedamos sin combustible una vez). Además, no sé si hace una diferencia en cualquier cosa que pueda sugerir, pero la carga que estoy impulsando tiene mucho impulso, pero las cajas de cambios que usamos tienen engranajes helicoidales que evitan el giro libre. Si quieres verlo en acción, echa un vistazo a este video de youtube: youtube.com/watch?v=sL2i0SxpKIY
Para responder a su comentario sobre la velocidad del generador, creo que entendió mal... el generador funciona a 50 Hz, pero necesito que el motor funcione a una frecuencia fija, digamos 30 Hz, que es la velocidad a la que quiero configurar el motor para que funcione. durante el tiempo que esté encendido.
sí, estoy al tanto del concepto mecánico general (y he montado algunos de los juegos <g>) -- el generador debería ser capaz de mantenerse al día con la carga... Podría valer la pena sacar al técnico del generador y explicárselo a él que la cosa no puede mantener una frecuencia razonablemente constante. Los gobernadores electrónicos son bastante indoloros, pero he ajustado algunos mecánicos de la vieja escuela... es como una máquina de Rube Goldberg en ellos, lo juro. :-)
Ahh, está bien, entonces el motor no funciona a su velocidad nominal (1500 o 3000 RPM son las más comunes en la tierra de 50 Hz); está ajustando la velocidad de la unidad para que funcione por debajo de su velocidad nominal... necesita un VFD o quizás un cambio de marchas, que no siempre es tan fácil.
Estoy bastante seguro de que el generador es bueno... lo alquilamos a aggreko.
Exacto, ese es mi problema... es muy difícil planificar el engranaje mecánico con anticipación, porque el diseño evoluciona durante los pocos meses que lleva construirlo, luego cuando se lo entregan a los electricistas para que lo enciendan, descubrimos que va demasiado rápido o demasiado lento, y el engranaje ya está integrado en el sistema.
Entonces, si escribo a los fabricantes de VFD y les explico lo que estoy haciendo, y por qué necesito las unidades de transmisión, y que somos un club de carnaval sin fines de lucro, ¿cree que es probable que me ayuden y ofrezcan una unidad reacondicionada barata? ¡Supongo que no hará daño intentarlo!
Sugeriría agregar una etapa al accionamiento mecánico que permita un ajuste fino. Una cadena #80 con piñones de tamaño similar que permite cambios al final. Demonios, incluso una correa en V gruesa podría hacer el truco. Mecánico es un dolor, sin embargo, mucho menos costoso y peligroso que el lado eléctrico. Tenemos un proveedor BesTorq que puede lidiar con una potencia épica con sus correas trapezoidales.

En general, creo que está hablando de un trabajo de 500 a 1000 horas y al menos unos miles de dólares en materiales y gastos de placa de circuito. Si realmente quiere la mejor solución por el dinero, obtenga un trabajo bien pagado y gaste los salarios de las mismas 500-1000 horas para comprar controladores de motor usados ​​en Ebay o Craigslist. Terminará con más controladores de motor.

Pero eso no es muy divertido. Si quisiera construir uno, necesitaría 6 MOSFET o IGBT (uno en el lado alto y otro en el lado bajo de cada pata de la estrella). Luego usa un microcontrolador para encender y apagar los interruptores para simular una onda sinusoidal.

Dado que el voltaje del que está hablando es bastante alto, necesitaría lo que se llama un controlador de lado alto, un chip que puede controlar un MOSFET a voltajes muy altos. El IRS2330 de International Rectifier que realizará las tres fases. La página 19 de la hoja de datos del IRS2330 tiene un buen diagrama del circuito básico.

Gracias, esto es realmente útil... pero ¿hablas en serio acerca de que este es un trabajo de 500 a 1000 horas con materiales costosos? Mirando la hoja de datos, y el microchip señala 00843a que bt2 mencionó en su respuesta, esto en realidad no parece demasiado complejo.
Hablo en serio acerca de esa estimación. Si bien es cierto que los componentes de control son baratos, los elementos de conmutación y los filtros grandes que necesitará serán costosos. Además, deberá pagar las placas de circuito, que cuestan al menos $ 100 por ejecución para algo de este tamaño. Supongo que un ingeniero eléctrico experimentado tal vez podría hacerlo en 250 horas y tal vez $ 1500, pero eso parece muy optimista.
También debo agregar que parte de lo que hace que todo esto sea difícil es el alto voltaje. Todo sería más barato y más fácil si estuviera funcionando a 48 V. A medida que aumenta la energía, debe comenzar a preocuparse por más detalles.
Ok, bueno, no me importa cuánto tiempo tome, ya que puedo usar mi tiempo libre durante uno o dos años si es necesario. ¡El costo es un problema, ya que también puedo comprar uno! Para el filtrado, supongo que está hablando de los condensadores de suavizado para la CC rectificada. Dado que esto no tiene que ser perfecto, ya que solo alimentará los motores de la carroza de carnaval durante 20 horas en un año, a diferencia de una unidad de grado industrial, ¿qué tan poco puedo filtrar? por ejemplo, de DigiKey, puedo obtener 2 x 10000uF 450v caps por $ 178, dando mi 5000uF en serie. ¿Puedo salirme con la mía solo con esto?
No construirá una unidad de CA trifásica capaz de impulsar IGBT lo suficientemente grandes como para controlar de manera segura un motor de 50-75 HP en 250 horas, no me importa qué tan bueno sea su ingeniero. Hay MUCHO software de control para escribir si buscas algo confiable y seguro. Vea mi respuesta a continuación para más detalles.
He hecho diseños más triviales y estoy de acuerdo: comience con el tiempo que cree que llevará. Agrega un mes. Entonces duplica eso.

Revisaría estas notas de la aplicación de Microchip

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

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

Tienen un kit de desarrollo de 3 fases, pero creo que debe pedir prestado uno de ellos, y como no está buscando fabricarlo, dudo que tenga una alta prioridad. Aún así, tienen esquemas y códigos disponibles para uso gratuito.

Gracias por estas hojas de datos, mirando estas y la hoja de datos que pingswept proporcionó en su respuesta, creo que realmente puedo averiguar cómo hacer esto.
Controlador de velocidad de motor trifásico
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