Mini-Frequenzumrichter

[Rumgucker]

Hallo Robot-Mechaniker,

ich kopier mal ein kleines Tool von meiner Desktop-Halde hierher um. Vielleicht findet das der eine oder andere Bastler interessant.


:strom :feuer

Aber Vorsicht! Unterschätzt die kleine Schaltung nicht. Es ist kein universeller Frequenzumrichter, wie man ihn sich heute für € 60,-- aus Chinaquellen überall kaufen kann.

Mein Mini-FU ist eine Speziallösung. Er muss zwingend speziell an die jeweilige Maschine angepasst werden. Man braucht zur Einmessung mindestens einen Trenntrafo mit Oszi und fundierte Starkstrom- und Programmier-Ahnung. Man muss dazu die angelegte Doku wirklich genau verstehen.

Ich hab schon von einem Bastler gehört, der einen zu unempfindlichen Triac eingesetzt hat, der dann die Bohrmaschine mit pulsierendem Gleichstrom misshandelte. Er röstete zum Glück nur seinen Motorkondensator. Aber es hätte auch schlimmer enden können.


Um gleich derartigen Kommentaren zuvor zu kommen: mit einer Phasenanschnitts- oder Phasenabschnittssteuerung kann man den beschriebenen Kondensatormotor nicht vernünftig steuern, weil derartige Einrichtungen lediglich das Drehmoment begrenzen.

Obwohl auch hier ein Triac verwendet wird, hat der Mini-FU nichts mit derartigen Schaltungen zu tun. Die Sache hier geht viel tiefer. In der Doku ist das alles haarklein erläutert.


Hier die Doku:

34464

...und online:

https://github.com/Rumgucker/fu


Viele Grüße

Wolfgang

[Klebwax]

Hallo

Am Anfang deines Textes geht da einiges durcheinander. Es gibt zwei Motortypen, die ähnlich aussehen aber nicht gleich sind. Das ist einmal der Drehstrom-Asynchronmotor und der Kondensatormotor. Beide haben drei Anschlüsse, sind aber unterschiedlich aufgebaut. Ein Drehstrommotor hat drei Feldwicklungen mit 120° Versatz, ein Kondensatormotor zwei mit 90° Versatz. Der Kondensatormotor erzeugt sein Drehfeld, indem die eine Wicklung direkt an der Phase liegt und die andere mit Hile eines Kondensators eine phasenverschobene Wechselspannung bekommt.

34468

Hier sieht man die zwei Spulen und den Kondensator. Man kann ebenfalls erkennen, wie der Motor leicht in der Drehrichtung umzukehren ist. Da die Phasenverschiebung des L-C Gliedes sowohl von der Freuquenz als auch vom (Last)strom abhängt, ist die Wahl der Frequenz und der Größe des Kondensators ein Kompromiss. Liegt man mit der Frequenz zu sehr daneben, leidet der Wirkungsgrad und es entsteht ein unrundes Drehmoment, daß zu verstärkter Lagerabnutzung führt. Um sie zu Steuern gibt es spezielle Frequenzumrichter, die zwei 90° versetzte Phasen erzeugen. die sind aber selten. Der Kondensator muß dann natürlich entfernt werden.

Ein Drehstrommotor bekommt direkt drei Phasen in seine drei Wicklungen, die entweder im Stern oder im Dreieck verschaltet sind. Diese sollen einen Versatz von 120° haben.

34469

Ein Dreiphasenmotor hat bessere Leistungswerte als ein Zweiphasenmotor und wird bevorzugt, wenn man ihn betreiben kann. Nicht überall steht Drehstrom zur Verfügung. Als Kompromiss gibt es die Steinmetzschaltung, die ähnlich wie beim Kondensatormotor mit einem Kondensator eine Hilfsphase erzeugt. Damit verliert der Motor aber einen Teil seiner Vorteile.

34470

Betrachtet man von außen die drei Anschlüsse eines Motors zusammen mit dem Kondensator, sehen beide Motortypen sehr ähnlich aus. Mit einem Ohmmeter lassen sie sich aber leicht unterscheiden: bei einem Drehstrommotor ist der Widerstand zwischen den Anschlüssen immer gleich, bei einem Kondensatormotor misst man einmal den doppelten Wert.

Will man den Drehstrommotor in seiner Drehzahl steuern, nimmt man einen FU, der drei Phasen mit 120° Versatz erzeugt. Die Zwischenkreisspannung ist eine Gleichspannung und kann sowohl aus einphasigem als auch dreiphasigem Wechselstrom erzeugt werden. Mit dem passenden FU kann man also einen Drehstrom-Asychronmotor ohne Kompromisse bei Drehmoment und Wirkungsgrad an einem Einphasennetz betreiben. Inzwischen kommt IMHO die Kombination FU und Drehstrommotor auch in Waschmaschienen zu Einsatz.

Soweit allgemein. Die Bohrmaschine auf deinen Bildern kommt mir bekannt vor. Ich vermute daher, sie hat einen Kondensatormotor. Mit den gängigen FUs könntest du sie nicht betreiben, die liefern 3-Phasenstrom. FUs mit 2 Phasen sind selten. Wenn man sowieso einen FU einsetzt, kann man auch gleich einen Drehstrommotor nehmen. Der ist eher billiger als ein 2-Phasenmotor plus Kondensator. Daher gibt es keinen wirklichen Markt für solche FUs.

Ich hab mal eine alte Bohrmaschine "modernisiert". Sie war sicher ein Vorkriegsmodell und hatte einen Drehstrommotor, wurde aber mit Steinmetzschaltung einphasig betrieben. Drehstrom stand nicht zur Verfügung. Der FU konnte daher auch nicht 3*400V sondern nur 3*230V erzeugen. Durch Umklemmen des Motors auf Dreieck passt das aber. Seit der Zeit ist der Riemen nie wieder umgelegt worden. Und selbst bei niedrigen Drehzahlen hat sie ein brutales Drehmoment.

MfG Klebwax

[Rumgucker]

Hallo Klebwax,

vielen Dank für Deinen Beitrag.



Am Anfang deines Textes geht da einiges durcheinander.
.....
Die Bohrmaschine auf deinen Bildern kommt mir bekannt vor. Ich vermute daher, sie hat einen Kondensatormotor.

Ich schrieb in der Doku das Wort Drehstrom nur ein einziges Mal im Vorwort:



Viele elektrische Maschinen sind mit Drehstrom-Asynchronmotoren ausgestattet. Um den Betrieb an nur einer Wechselstromphase zu ermöglichen, wird oft mittels Kondensatoren ein phasenverschobenes Hilfsfeld erzeugt, das den Anlauf und Betrieb ermöglicht.

Um die Drehzahl einer mit einem derartigen Motor ausgerüsteten Säulenbohrmaschine zu steuern, wurde ein Mini-Frequenzumrichter mit folgenden Eigenschaften entwickelt....


Ich weiß nun nicht so recht, was da nun so "einiges durcheinander" ging. Es gibt Drehstrommotoren. Und es gibt Motoren, die den Anschluss an einphasigem Strom ermöglichen und mit Kondensatoren betrieben werden.

Es fehlt vielleicht nach "ausgestattet" ein Zeilenvorschub.

Dass die Bohrmaschine über solch einen Kondensatormotor verfügt, steht ebenso im Vorwort. Und dann noch weitere fünf mal im weiteren Text,

Viele Grüße

Wolfgang

[Manf]

Mir ist auch der zweipolige Motor aufgefallen. Ich habe angenommen, es ist damit der Kondensatormotor mit Kondensator gemeint. Sicher ist der Kondensator dann nicht gleich für jede Frequenz optimal.

Vielleicht ist es etwas hoch gegriffen für die erzeugten Frequenzen gleich die Drehmomentkennlinien zu messen.

Welche Kennlinien man aber erwartet oder schätzt, das wäre sicher interessant. Gerade dafür dient ja die Aktion.

[Klebwax]

Viele elektrische Maschinen sind mit Drehstrom-Asynchronmotoren ausgestattet.
..... mit einem derartigen Motor ausgerüsteten Säulenbohrmaschine zu steuern


Deine Bohrmaschine hat aber gar keinen Drehstrommotor. Das meinte ich mit durcheinander. Für einen Drehstrommotor ist deine Schaltung auch nicht geeignet, genauso wie der gezeigte FU für deinen Kondensatormotor nicht geeignet ist.

MfG Klebwax

[Rumgucker]

Hallo Manfred,


Vielleicht ist es etwas hoch gegriffen für die erzeugten Frequenzen gleich die Drehmomentkennlinien zu messen. Welche Kennlinien man aber erwartet oder schätzt, das wäre sicher interessant. Gerade dafür dient ja die Aktion.

Auf Seite 10 hab ich auf Patente hingewiesen, in denen umfangreiche Messungen durchgeführt wurden. Ich selbst hätte mir erst einen Messplatz anfertigen müssen.

Ich bin einen einfacheren Weg gegangen. Bei der Anpassung der unterschieldlichen Drehzahlen hab ich stets versucht, das Maximum an Drehmoment zu bewirken.

Dann hab ich geprüft, ob ich ausreichend Drehmoment habe, um praktisch bohren zu können. Denn mich interessiert letztlich nicht das Drehmoment des Motors auf einem Messplatz, sondern das befriedigende Drehmoment an der Bohrerspitze, nachdem der Motor gegen Keilriemen und Lager kämpfen musste.

---------

Hallo Klebwax,

der "derartige Motor" bezog sich auf den vorigen Satz "Um den Betrieb an nur einer Wechselstromphase zu ermöglichen, wird oft mittels Kondensatoren ein phasenverschobenes Hilfsfeld erzeugt, das den Anlauf und Betrieb ermöglicht."

Ich hätte den Satz mit dem Drehstrommotor mit einer Zeile absetzen müssen. Und die beiden nachfolgenden Sätze des Vorworts stattdessen zusammemnführen müssen. Vermutlich ist mir dieser Fauxpas deswegen unterlaufen, weil ich das gemeinsame Wirkprinzip beider Motorgattungen betonen wollte.



Du schreibst wiederholt, dass käufliche FUs nicht zum Betrieb der Bohrmaschine mit Kondensatormotor geeignet sind. Das ist nicht korrekt.

Selbstverständlich kannst Du die Bohrmaschine mit unterschiedlichen Frequenzen betreiben. Normal sind 50Hz. 75Hz werden auch gehen. Oder auch 25 Hz, wenn Du die Netzspannung entsprechend reduzierst, was an FUs programmierbar ist.

Natürlich vermindert sich dabei das Drehmoment und der Wirkungsgrad wird schlechter. Aber genauso arbeitet mein Umrichter. Er reduziert die Netzfrequenz (und gleichzeitig die Spannung). Und es verbleibt ein ausreichendes Drehmoment bei zulässiger Erwärmung. Sehr hilfreich beim gefühlvollen Anbohren oder Plastikbearbeitung.

Viele Grüße

Wolfgang

[Klebwax]

Du schreibst wiederholt, dass käufliche FUs nicht zum Betrieb der Bohrmaschine mit Kondensatormotor geeignet sind. Das ist nicht korrekt.

Bitte genau lesen. Ich schrieb von gängigen FUs mit dreiphasigem Ausgang.

Ein einphasiger Kondensatormotor braucht einen Neutralleiter und eine Phase zum Anschluß, ein 3-Phasen FU hat meisst gar keinen Neutralleiter am Ausgang. Außerdem wird der FU durch die Last an nur einer Phase in kompletter Schieflage betrieben und quitiert das, wenn du Pech hast, mit Rauchsignalen.



Ich hätte den Satz mit dem Drehstrommotor mit einer Zeile absetzen müssen. Und die beiden nachfolgenden Sätze des Vorworts stattdessen zusammemnführen müssen. Vermutlich ist mir dieser Fauxpas deswegen unterlaufen, weil ich das gemeinsame Wirkprinzip beider Motorgattungen betonen wollte.

Die haben aber kein gemeinsames "Wirkprinzip". Eiinen Drehstrommotor kann ich mit einem Kondensator zum Laufen bringen, eigentlich wird er aber an Drehstrom ohne Kondensator betrieben. Einen Kondensatormotor kann ich nie ohne Kondensator betreiben und auch nie an Drehstrom. Außer, daß sie Wechselstrom brauchen, haben sie nicht viel gemeinsam, sie werden aber gerne fälschlich in einen Topf geworfen. Da sich der restliche Text auf Kondensatormotore bezieht, solltest du den Asynchron-Drehstrommotor am Anfang weglassen. Sonst glaubt man noch, du hättest, wie so viele, den Unterschied nicht verstanden.

In meinem ersten Beitrag habe ich die Unterschiede mit Schaltbild beschieben, schau es dir nochmal an.

MfG Klebwax

[ARetobor]

Hallo,
beides sind Asynchrone Induktionsmotoren. ( zB. hier mit Kurzschlussläufer)
Gebräuchliche Motoren Einphasig und Dreiphasig.
Der mechanische Aufbau (Gestaltung der Wicklungen) bestimmt dann die
Parameter. (Gebrauchseigenschaften)

Gruß
AR

PS
https://de.wikipedia.org/wiki/Kondensatormotor

[Rumgucker]

Hallo Klebwax,


Sonst glaubt man noch, du hättest, wie so viele, den Unterschied nicht verstanden.


Ich habe den elementaren Unterschied zwischen den verschiedenen Gattungen von drehfeldgetrieben Motoren tatsächlich nicht verstanden. Ich würde sogar einen Schrittmotor in den gleichen Topf werfen. Und natürlich auch den Kurzschlussläufer, wie ARetobor völlig richtig anmerkt.

Allen gleich ist die Einwirkung eines kollektorfrei erzeugten Drehfeldes auf einen Rotor, der von dem drehenden Feld mitgezogen wird. Das ist das gemeinsame Wirkprinzip.

Alle diese Motoren können nur über die Drehfeldfrequenz in der Drehzahl beeinflusst werden. Genau das tut mein Frequenzumrichter. Genau diese Motoren kann er prinzipiell betreiben. Bei Schritt- und Drehstrommotoren müsste man noch Kondensatoren (oder sonstige phasendrehenden Bauteile) ergänzen, wie Du richtig schreibst.

Viele Grüße

Wolfgang

[ARetobor]

Noch ein Beispiel

https://de.wikipedia.org/wiki/Spaltpolmotor

AR

[Rumgucker]

"Brushless" Motoren gehören auch zu den nur per Frequenz steuerbaren Antrieben.

-------

Wie auch immer. Die Doku muss so bleiben wie sie ist. Sonst hätte es zum Beispiel nie diese aufschluss- und lehrreiche Diskussion hier im Thread gegeben.

Man sollte also mein schludriges Vorwort nicht als Fehler sondern als Feature verstehen.

Wenns keinen Widerspruch gibt, hats auch kein Fachmann gelesen.

Viele Grüße

Wolfgang

[Klebwax]

Wenn dir der Unterschied zwischen zwei und drei Feldwicklungen nicht einleuchtet, kann ich dir auch nicht helfen.


"Brushless" Motoren gehören auch zu den nur per Frequenz steuerbaren Antrieben.

Und das kommentiere ich mal gar nicht.

MfG Klebwax

[Rumgucker]

Hallo Klebwax,

ach komm. Sei nicht verärgert. Ich fand zwar Deinen Vortrag etwas pingelig. Aber in der Sache völlig korrekt. Und außerdem hast Du Dir richtig viel Mühe gegeben das fachgerecht zu erklären. Mein Geblubbere war etwas bescheuert. Sorry.

Ich hab das Vorwort nun so geschrieben:



Viele elektrische Maschinen sind mit Wechselstrommotoren ausgestattet. Um den Betrieb an nur einer Wechselstromphase zu ermöglichen, wird oft mittels Kondensatoren ein phasenverschobenes Hilfsfeld erzeugt, das den Anlauf und Betrieb ermöglicht.
Um die Drehzahl einer mit einem derartigen Motor ausgerüsteten Säulenbohrmaschine zu steuern, wurde ein Mini-Frequenzumrichter mit folgenden Eigenschaften entwickelt...


So besser?

Danke vorab und viele Grüße

Wolfgang

[Manf]

Und außerdem hast Du Dir richtig viel Mühe gegeben das fachgerecht zu erklären.
Das fand ich auch sehr gut.
Eine Abschätzung über die Drehmomentkennlinie oder das Kippmomnet bei reduzierter Frequenz wäre sicher noch sehr informativ. Ich habe schon mitbekommen, dass es im Einzelfall zufriedenstellend war, aber vielleicht geht da irgendwie noch etwas mehr.

Wenn sich jemand mit Asynchronmaschinen entsprechend auskennt, das Thema kommt immer wieder mal vor.

[Rumgucker]

Hallo Manfred,

mein FU kann die Frequenz ja nur reduzieren. 50Hz (=volle Pulle), 40Hz, 33.3 Hz, 25 Hz, 16.7 Hz.

Bei geringerer Frequenz verschlechtert sich nicht nur der Drehfeldwinkel sondern der FU muss auch die effektive Spannung drosseln, um den Motor nicht in die Sättigung zu treiben. Bei 25 Hz dürfen zum Beispiel nicht mehr 230V eff. anliegen, sondern lediglich 115 V eff., um das Spannungszeitintegral nicht zu überschreiten.

Um den daraus resultierenden Drehmomentverlust etwas zu kompensieren, sind Softwaretricks eingebaut. Beim Hochfahren zum Beispiel wird der Motor kurzzeitig in die Sättigung gefahren, um mehr Drehmoment zu erhalten.

Jede einzelne der o.a. Frequenzen wurde einzeln und liebevoll optimiert. Und natürlich musste ich höllisch aufpassen, dass der Mittelwert der Wechselspannung stets Null bleibt. Wenn ich also Drehmomente ermitteln würde, so wären diese nicht auf andere Maschinen übertragbar, deren Parameter anders abgestimmt werden müssen.

Gefühlsmäßig würde ich sagen, dass bei 25Hz noch 1/4 des normalen 50Hz-Kippmoments verfügbar sind. Während der Anlaufzeit allerdings mehr.

Wenn einer eine Idee hat, wie ich den Drehmonent der Maschine einfach messen kann, so hätte ich Lust, die Messreihe schnell anzufertigen.

Viele Grüße

Wolfgang

------------

/EDIT: ich hab im Forum mal ein wenig rumgelesen. Ja. Ich glaub, dass ich da was hinbekommen müsste. Ich probiers mal....

[Manf]

25Hz noch 1/4 des normalen 50Hz-Kippmoments
Solche Aussagen meinte ich, (ob es jetzt stimmt oder nicht).
Vielleicht kann man das schon aus den Maschinengleichungen herleiten oder an einem Beispiel mit einem klassischen Frequenzumrichter messen und dann in einer Näherung auf den oben beschriebenen reduzierten Umrichter übertragen.

[Rumgucker]

Hallo Manfred,

das ging kurz und schmerzlos. Feder gesucht, Band drumrum, Band um die Keilriemenscheibe des Motors geschlungen und dann gezogen, bis der Motor abgewürgt war. Dabei die Federdehnung am Zollstock abgelesen.

Drehmomentmessgerät:

34471


Relatives Kippmoment vs. Drehfrequenz:

34472

Da hatte ich mich mit 1/4 bei 25Hz gar nicht so düllerich verschätzt.


Dass es bei den unterschiedlichen Frequenzen so komische Unstetigkeiten gibt, liegt an der Synthetisierung der Frequenzen. Ich muss ja zum Beispiel 40Hz aus 50Hz zusammensetzen. Dabei verliere ich einige Perioden, was den weiteren Drehmomentrückgang erklärt.

Bei 50Hz ist der maximale Kippmoment sichbar. Da ist der FU ja ausgeschaltet.


Viele Grüße

Wolfgang

[Manf]

Echt toll, gratuliere erst einmal zu dem pragmatischen und anschaulichen Ergebnis.

[Rumgucker]

Hallo Manfred,

vielen Dank. Hab wahrscheinlich vor 30 Jahren etwas zu viel MacGyver geschaut... :-$

Viele Grüße

Wolfgang