Zum Betrieb eines kleinen 3-Phasen-Synchronmotors habe ich einen Sinuswelchselrichter mit gefilterter PWM-Endstufe gebaut. Nachdem ich den Motor auf die gewünschte Drehzahl beschleunigt habe, reduziere ich die Ausgangsspannung auf den Wert, bei dem die gesamte Schaltung den geringsten Eingangsstrom zieht (empirisch ermittelt, linear zur Solldrehzahl). Der Motor läuft dann also mit dem Phasenversatz, bei dem er am effizientesten ist.
Nun treibt der Motor aber im wesentlichen nur eine Schwungmasse an, läuft also praktisch im Leerlauf. Wenn ich den Motor kurz mit dem Finger bremse (nur so weit, daß er noch synchron bleibt) und wieder loslasse, dann pendelt der Rotor lange Zeit relativ zum Feld vor und zurück. Das hört man, das sieht man an der Stromaufnahme, und das stört die Anwendung beträchtlich. Ich gehe davon aus, daß das am ungünstigen Verhältnis der hohen Masse zur geringen Reibung / Wirkleistung liegt. Das Anbringen eines zusätzlichen Lüfterrades, um mechanisch noch Wirkleistung abzunehmen, hat - gerade bei kleinen Drehzahlen - praktisch nichts gebracht.
Gibt es Möglichkeiten, das elektronisch in den Griff zu bekommen? Winkelsensoren am Motor habe ich keine. Ich messe allerdings den Strom mit, den die Endstufe zieht (bisher nur zur automatischen Abschaltung, wenn der Motor die Synchronität verliert). Würde sich der Versuch lohnen, den Strom zu regeln anstatt die Spannung konstant zu halten?
Das hoert sich handfest nach einem Regelschleifenproblem an. Jetzt bekomme ich sicher wieder einen Eimer Wasser auf den Kopf weil das nicht wissenschaftlich sauber ist, aber vielleicht kommst Du mit Einstellversuchen nach Ziegler-Nichols weiter:
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Wenn der Motor allerdings dabei Phasen verliert dann wird das nichts, dann sollte er vielleicht doch etwas strammer eingestellt werden, etwas mehr "Gas" und weniger Phasenversatz. Da Du ein Luefterrad erwogen hattest scheint es ja nicht auf das allerletzte Watt anzukommen.
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Gruesse, Joerg
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Nix Regelung! 3-Phasen-Sinus mit fester Frequenz und fester Spannung, letztere in Abhängigkeit der Frequenz durch Ausprobieren festgelegt.
Läuft der Rotor mit größerem Winkel hinterm Feld her, sinkt die gegeninduzierte Spannung und der Strom nimmt von ganz alleine zu. Also legt der Rotor wieder zu, der Winkel wird kleiner, die gegeninduzierte Spannung steigt und die Stromaufnahme sinkt. Das ist alles. Praktisch eine (magnetische) Drehfeder mit Schwungmasse - je größer die Auslenkung, desto größer das Drehmoment.
Tut er nicht, denn dann würde er nicht schwingen, sondern stehenbleiben.
Damit steigt zwar die Resonanzfrequenz, aber das prinzipielle Problem bleibt leider.
Zugriff auf die Erregung hast du vermutlich keine? Da anzusetzen wäre am lohnensten. Falls es bei Permanenterregung bleiben soll, würde ich einen Motor suchen bei dem das Feld stärker ist.
Was soll das überhaupt werden, ein mechanischer Energiespeicher?
Ok, das ist eine Art Regelung oder meinethalben Steuerung. Denn Du hast ja durch Probieren festgelegt wieviel Spannung bei welcher Frequenz noch so einigermassen reicht, also proportional.
Schoen waere, wenn es jetzt noch eine richtige Regelschleife mit Stromerfassung und echtem PID gaebe.
Dann sieht es so aus als sei dieser Motor fuer die Schwungmasse etwas schlapp. Oder man muesste es so hinbekommen dass niemand mit dem Finger an das Schwungrad tatzen kann :-)
Daempfen so wie bei Deiner Idee mit dem Luftrad haette an sich etwas helfen sollen. Vielleicht war das zuwenig Last?
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Gruesse, Joerg
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Ja, aber im Betrieb gibts eben keine Regelschleife, welche die Schwingung verursacht. Das Problem entsteht rein durch das winkelabhängige Drehmoment.
Darin liegt eben der Unterschied zum DC-Motor: Während dort der Strom abhängig von der Drehzahl wäre, ist er beim Synchronmotor proportional zum Winkelversatz. Dadurch kommt ein zusätzlicher mechanischer Integrator ins System, und dadurch kanns schwingen.
Genau das ist die Frage: Lohnt es sich, den _Strom_ zu messen und über die Spannung als Stellgröße zu regeln, oder fange ich mir damit bloß andere Probleme ein?
Ich glaube, eher zu stark. Es ist ein BLDC-Motor für Flugzeugmodelle, der dort mit bis zu 250W getreten wird, und er treibt eine Aluscheibe von 20cm Durchmesser und 1mm Dicke, die ich auf bis zu 10000 Upm beschleunige. Bei mir läuft er aber nicht mit der BLDC-Elektronik (Feld passend zur Drehzahl generiert) sondern mit konstanter Frequenz.
Der Motor hat also Leistung ohne Ende, die ich zum Beschleunigen gerne nutze, aber nach Erreichen der Solldrehzahl brauche ich gerade noch
10W. Viel Leistungsreserven heißt: Fette Magnete, dicker Draht, wenig Innenwiderstand -> steile Kennlinie Strom/Winkel.
Darum vermute ich, daß ein schlapperer Motor weniger zickig reagieren würde, nur kann ich den so schnell nicht tauschen und ich brauche die Leistung zum Beschleunigen.
Nunja, die Schwingung kommt schon dadurch rein, daß ich den Motor mit höherer Spannung beschleunige und diese dann erst auf den Wert reduzieren, bei dem der Motor am effektivsten läuft. Und manchmal will er gar nicht mehr aufhören zu pendeln...
Ist ein permanenterregter Außenläufer mit Neodym-Magneten, TM280-20:
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Im Flugzeugmodell bis 400W belastbar, bei mir wird er ohne Kühlung nichtmal handwarm. Wie ich Jörg schon schrieb: Ich denke, gerade die starke Erregung und der dicke Draht sind das Problem, daß der Strom (und damit das Drehmoment) so zickig auf die Phase reagiert und sich das ganze aufschaukelt.
Das was du beschreibst ist ohne Feedback ganz unvermeidbar. Man muss dafür allerdings keine Hallsensoren anbringen, wenngleich es besser und einfacher wäre, man kann auch die Gegen-EMK des Motors auswerten. Regler für Brushlessmotoren mit dieser Technik wurden schon von zahlreichen Bastlern realisiert, kriegst du sicher auch hin. Ein Beispiel mal:
Das ist fast immer so, dass aeussere Umstaende eine oder mehrere Schwingneigungen verursachen. Auf amriganisch-regelungstechnisch "instable plant behavior", gibt wahrscheinlich auch einen kernigen deutschen Ausdruck dafuer. Sieh Dir mal den Citroen DS an, die haben da eine Masse an kleinen Regelelementen reingehaengt, ewig daran getueftelt und das Ergebnis war, dass Du damit voll ueber einen rauhen Bahnuebergang kacheln kannst und es faellt noch nicht mal Asche von der Zigarre runter.
Und den gilt es zu umschiffen :-)
Wenn Du beim energiesparenden Betrieb mit abgesenkter Spannung bleiben moechtest ist eine Regelung wahrscheinlich der einzige Weg. Mit Synchronmotoren plus PID hatte ich noch nicht zu tun, aber mit Lasersystemen in aehnlicher Lage. Da konnte von aussen eine Stoerung kommen, ebenfalls durch ruckartige mechanische Belastung der optischen Strecke (Schlag). Das schwang dann auch wie wild rum und mein Job war dann u.a. das bitteschoen "wegzubuegeln", "make it go away". Ergo kam dort ein PID rein, den das System ohne diese mechanische Stoerung gar nicht gebraucht haette. Ich geb's zu, ich habe den mit dem nassen Finger abgeglichen, geht manchmal nicht anders. In Deinem Fall vielleicht schon, weil Du den Effekt komplett beschreiben kannst, der Luxus war mir nicht vergoennt.
Ok, aber Du schriebst im ersten Post "Nachdem ich den Motor auf die gewünschte Drehzahl beschleunigt habe, reduziere ich die Ausgangsspannung auf den Wert, bei dem die gesamte Schaltung den geringsten Eingangsstrom zieht ...".
Das verstehe ich so, dass Du mit der Spannung soweit runtergehst, dass er nicht mehr viel an Reserve uebrig hat, sich also wie ein schwacher Motor benimmt. Ein Regelkreis koennte da jetzt eingreifen und einige Schueppen drauflegen bis sich die Schwingung wieder beruhigt hat.
Ich glaube Du hast ihn mit der Spannungsabsenkung schlapp gemacht. Wie sieht das denn aus wenn Du sagen wir mal einen Taster anbringst mit dem die Spannung beim Druecken auf volle Kamelle geht, und den dann sofort nach Beruehren des Schwungsrades drueckst? Vielleicht reicht das bereits und man koennte das dann einfacher (ohne PID) machen. Etwa so: Stromaufnahme steigt unerklaerlich an -> muss eine Belastungsstoerung sein -> Spannung auf volle Suppe -> einige Sekunden dort halten -> langsam wieder reduzieren.
Kann es sein dass Du sie zu schnell reduzierst? Ich hatte bisher in solchen Faellen nur mit Steppern zu tun und da geht das mit einer PID Regelung sauber. Wenn man sehr aggressiv beschleuigen will schwingen sie dabei auch ueber, aber nur 2-3 Zyklen. Hoert sich dann an wie abruptes Gasgeben beim Trabant "Rrrrengggg ... teng ... teng".
Dann fuerchte ich wirst Du nicht um eine Regelung herumkommen. Wenn schon ein Sensor fuer den Strom drin ist waere das schonmal die halbe Miete. Wenn dann noch der Wechselrichter einen uC enthaelt und dort noch gut Platz drin ist, waere das natuerlich super.
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Gruesse, Joerg
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BLDC-Verfahren hilft mir nichts. Ich brauche eine möglichst konstante Drehzahl, darum drehe ich mein Feld ja stur nach Quarztakt und nicht wie mit beim Esel mit der Möhre immer dem Rotor angepasst vorneweg. Ich kann auch nicht wie bei BLDC den Nulldurchgang am jeweils unbestromten Pol auswerten, weils bei 3ph-Sinus einfach keinen solchen gibt.
Alles was ich habe, ist die Stromaufnahme der Endstufe. Ich könnte also in einer Regelschleife mit Konstantstrom fahren. Die Frage wäre allerdings: _Braucht_ der Motor nicht den Anstieg des Stroms bei steigendem Winkelversatz, um überhaupt hinterherzukommen? Wenn ich mit Konstantstrom fahre, dann passe ich ja die Spannung der gegen- induzierten Spannung an, das heißt, mit steigendem Winkelversatz _reduziere_ ich die Leistung. Damit müsste der Motor doch instabil werden und aus der Synchronität fallen.
Andererseits könnte ich auch bloß einen sanften P-Regler nehmen, der die Spannung eben nur _etwas_ reduziert, so dass sich der Stromanstieg bei gegebener Winkeländerung vielleicht halbiert. Könnte das etwas bringen, oder würde ich damit bloß die Pendelfrequenz halbieren und den Pendelhub verdoppeln?
Ich kann das alles leider erst am Montag ausprobieren und wollte schonmal ein paar Ideen sammeln...
Stromsteuerung ist besser (linearer, schneller, bessere Bedämpfung) als Spannungsansteuerung bei Induktivitäten.
Ein passive Bedämpfung mit einem parallelen RC-Glied könnte interessant sein. Dabei sollte der Widerstand ca. dem ohmschen Widerstand der Induktivität entsprechen und die Kapazität kann man berechnen oder auch experimentell ermitteln auf optimale Bedämpfung.
Die Berechnungsformel habe ich gerade nicht parat, es gibt aber einen Kapzitätswert bei dem die Gesamtschaltung sich in erster Näherung rein ohmsch verhält und damit auch optimal bedämpft ist. Effekte höherer Ordnung bleiben bestehen weil der Motor keine ideale Induktivität ist.
Stromsteuerung ist besser (linearer, schneller, bessere Bedämpfung) als Spannungsansteuerung bei Induktivitäten.
Ein passive Bedämpfung mit einem parallelen RC-Glied könnte interessant sein. Dabei sollte der Widerstand ca. dem ohmschen Widerstand der Induktivität entsprechen und die Kapazität kann man berechnen oder auch experimentell ermitteln auf optimale Bedämpfung.
Die Berechnungsformel habe ich gerade nicht parat, es gibt aber einen Kapzitätswert bei dem die Gesamtschaltung sich in erster Näherung rein ohmsch verhält und damit auch optimal bedämpft ist. Effekte höherer Ordnung bleiben bestehen weil der Motor keine ideale Induktivität ist.
Das glaube ich nicht. Wenn ich mit hoher Spannung und hohem Strom fahre, dann bewegt sich der Rotor ja ganz dicht am Feld. Das Drehmoment entsteht aber erst bei einem Versatz zwischen Rotor und Feld... Halte mal zwei Magnete voreinander, daß sie sich anziehen, und verschiebe sie seitlich gegeneinander: Die größte Kraft bekommst Du, wenn Du sie etwa um die Hälfte ihrer Breite gegeneinander verschoben hast. Genau das ist der Grund, warum es eine Spannung gibt, bei der der Strom minimal wird: Der Rotor bewegt sich in dem Moment genau in dem Winkel dem Feld hinterher, bei dem die magnetische Kopplung am effektivsten ist.
Ich habe keine Belastung drauf. Ich kann ihn damit nur sicher zum Schwingen bringen, wenn er es nicht alleine tut.
Nein, ganz langsam, über mehrere Sekunden, sonst ruckt das fies in der ganzen Halterung.
Das ist alles kein Problem. Ich kanns nur im Moment nicht testen und würde mir später nur ungern umsonst die Arbeit machen, wenns Gründe dafür gäbe, daß es sowieso nicht gehen würde.
Doch, nimm man einen Asynchronmotor im Leerlauf, dann laeuft er ja auch "am Feld". Wenn Du dem per Stelltrafo die Spannung herunterdrehst kannst Du ihn mit der blossen Hand anhalten.
Die Kopplung schon, aber er hat dann u.U. aufgrund der dabei geringen Spannung nicht mehr genug in den Mauen.
Die Belastung ist Deine Hand, oder eben jede andere Stoerung. Wenn Du den Motor mit voller Spannung durchlaufen laesst geschieht die Schwingung doch sicher nicht, oder doch?
Ok, das ist aber schon ein Indiz dass er an die Grenzen des Aushakens geht. So aehnlich wie ein zu langsam geflogenes Flugzeug, wo dann die ganze Maschine instabil wird und Seiten- und Querruder nur noch wie Pudding reagieren.
Versuche erstmal ob Du den Motor mit rasantem Hochreissen der Spannung aus der Schwingerei rausbekommst. Sollte nicht viel Aufwand sein, Poti rauslegen oder notfalls Taster. Wenn das klappt, dann waere der Weg beinahe vorgezeichnet.
Da Du derzeit als Messgroesse nur die Stromaufnahme der Endstufe hast koennte man versuchen ob man per Integration hinkommt, oder eben mit der Spannung (die ja anliegt) verwursten.
--
Gruesse, Joerg
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wird für deine Anwendung wohl eine zu delikate Lösung, aber ich habe mal bei einem ähnlichen Problem eine Rutschkupplung dazugeschaltet, und die auf Gleichlauf und minimale Schwingung angepasst (durch fröhliches Ausprobieren). In meinem Falle war es allerdings ein 40W Motor. Als Rutschkupplung (mehr eine eine Rutschbremse) war eine Holzwelle und eine einstellbare Klemme mit Filz dran. Bei mir war das Problem die große Trägheit des Systems, die dazu noch abhängig vom Winkel war (eine exzentrische Masse auf der Welle). Ich habe die Bremse so eingestellt, dass die Bremskraft viel größer war, als durch die Trägheit verursachte Schwungkraft. Die Arbeiszeit war allerdings ziemlich niedrig (max. 10-15 Min. am Stück). Eine Nachjustierung und etwas Kolofonium war auch mal nötig.
Das muesste auch elektronisch gehen. Man muss sich nur von dem Gedanken loesen, die einzelnen Wellenzyklen zu betrachten, die sind nicht so wichtig, sondern mehr die Schwingfrequenzen und Eigenschaften des ganzen Systems (mit Schwungrad, Lagerung und allem).
Falls es troestet, in Kalifornien auch. Derzeit hagelt es hier volle Suppe und wir haben schon ueber 75% unseres Brennholzvorrats durchgezischt. Nicht gut :-(
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Gruesse, Joerg
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Jou, bestimmt. So war es aber einfacher und es ging :-)
Ich weiß. Letzte Woche war in Lancaster,CA und es war Arschkalt (30°F) und die Salzseen mit Wasser bedeckt. Übrigens, die ausgebuchten Hotels waren die Konsequenz eines Soccer-Tourniers. Faszinierend!! Dafür hatte ich Vorgestern hier in Houston Scheiben kratzen müssen. Mit Hotelkarte, die richtigen Tools dafür sind in den Mietwagen nicht üblich :-)
Ich habe ernsthaft schon über eine Wirbelstrombremse nachgedacht. Mit Permanentmagnet bleibt aber das Problem, daß die bei hohen Drehzahlen stark bremst und bei niedrigen kaum.
Ich hatte es im Norden auch schonmal umgekehrt erlebt. Vermieter sagte das Auto haette Allradantrieb. "Wissen Sie wie die Differenzialsperre eingelegt wird?" ... "Schon, aber braucht man das denn?" ... "Oh ja!"
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Gruesse, Joerg
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Reserve ist noch genug da, sonst würde der Motor ja nicht mehr drehen.
Jede andere Störung ist aber nicht so stark, daß "die Stromaufnahme unerklärlich ansteigt". Wir reden hier von etwa 10% Spitze-Spitze wenns schwingt.
Die Frequenz der Schwingung steigt, dadurch sehe ich nicht mehr soviel davon am Drehspulinstrument. Ich höre sie aber noch.
Nein, ist nur der Wegfall der Belastung. Ein bissl Luftwiderstand ist bei hoher Drehzahl schon noch da....
Ich kann mir immernoch nicht vorstellen, warum die Schwingung weniger werden sollte, wenn ich die Steifigkeit der "Drehfeder" erhöhe. Dadurch bekomme ich ja auch nicht die Energie vernichtet, die in der Schwingung nunmal steckt.
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