Drei- und Mehrphasengeneratoren

  Hilfsmittel für Motorexperimente

Für Experimente zum Einsatz von Wechselspannungs-Induktionsmotoren an meinem Elektrofahrrad benötige ich einen Generator. Er soll drei oder mehr Phasen erzeugen und möglichst aus einer 36 V Gleichspannung betrieben werden. Mehrphasengeneratoren (Multiphasengeneratoren) mit mehr als drei Phasen in einem Elektrofahrzeug haben den Vorteil, bei Ausfall einer Phase mit dem verbleibenden Drehfeld weiterhin fahren zu können.
Veränderbare Frequenz und Kurvenform sind gewünscht. Das Schaltungsprinzip soll geeignet sein, etwa 250 W als Ausgangsleistung bereit zu stellen.
In der Literatur werden ähnliche Einrichtungen auch als Frequenzumrichter oder Inverter bezeichnet. In den folgenden Schaltungen wird jedoch nichts umgerichtet oder invertiert, sehr wohl aber etwas generiert. Deshalb wird hier nicht mehr von Frequenzumrichter oder Inverter sondern von Mehrphasengeneratoren geschrieben.
Wo kann ich einen solchen Generator zu christlichen Preisen kaufen?
Nun, ich habe keinen Anbieter gefunden.
Der TESLA ROADSTER als Elektro-Auto mit überzeugenden Eigenschaften fährt mit einem Drehstrom-Asynchronmotor mit einer maximalen Leistung von 185 kW. Er muß einen Mehrphasengenerator eingebaut haben. Leider reicht mein Taschengeld nicht für den Kauf eines TESLA ROADSTER aus.
Es ist wieder einmal Selbstbau angesagt. Vor dem Anheizen des Lötkolbens steht wie üblich das Erstellen von Schaltplänen und der Vergleich verschiedener Schaltungsvarianten.

  Variante 1: digitaler Sechsphasengenerator

So hat man im vorigen Jahrhundert digitale Mehrphasengeneratoren gebaut. Das abgebildete Schaltbild ist für 6 Phasen ausgelegt und liefert an seinen Ausgängen Rechtecksignale.
Durch Weglassen oder Hinzufügen von weiteren Stufen bei entsprechender Beschaltung von IC3 kann die Anzahl der Phasen leicht verändert werden.
Der Taktgenerator muß eine Frequenz von

2 * Anzahl der Phasen * Ausgangsfrequenz

erzeugen. Das wären in diesem Beispiel für 100 Hz Ausgangsfrequenz:

100 Hz x 6 x 2 = 1200 Hz.

Der einfache Taktgenerator IC2 kann für die Steuerung durch eine 0 V bis 5 V Spannung (gewöhnliches Ausgangssignal eines Geschwindigkeits-Drehgriffes am Elektrofahrrad) mit dem VCO eines Schaltkreises 4046 aufgebaut werden.

  Variante 2: Mehrphasengenerator mit beliebiger Kurvenform

Dieser Mehrphasengenerator ist schon etwas moderner und liefert an seinen Ausgängen beliebige Kurvenformen. Entscheidend sind die in den EPROM hinterlegten Tabellen. So ist es problemlos möglich den einzelnen Phasen unterschiedliche Phasenwinkel zuzuordnen.
Durch Weglassen oder Hinzufügen von weiteren EPROM kann die Anzahl der Phasen leicht verändert werden.
Die antiquierten EPROM 2716 dürften heute bereits schwer beschaffbar sein und wer kann diese Dinger heute noch programmieren.
Auch die Leistungs-OPV mit nachgeschaltetem Booster in Form von je einem NPN- und PNP-Leistungstransistor erzeugen viel Verlustleistung und damit Abwärme. Ein Kühlkörper ist unbedingt notwendig.
Unschön an dieser Schaltung ist auch, daß das Massepotential für den Digitalteil künstlich mit IC1 erzeugt wird.

  Variante 3: Dreiphasengenerator mit dem MC3PHAC

Diesen Schaltkreis gibt es für etwa 5,- Euro im Fachhandel. Er ist speziell für den Betrieb von AC-Motoren entwickelt worden. Eine interne 32-Bit Signalverarbeitung, DSP und die erforderlichen Sinustabellen sind bereits im Schaltkreis integriert. Eine einfache Anwendung (ohne die Notwendigkeit selbst eine Software zu schreiben) ist im links stehenden Bild dargestellt.
Auf ein leicht zu realisierendes Interface zu einem externen Steuerrechner wird in dieser Anwendung verzichtet. Die Schaltung ist so wie abgebildet noch nicht für den Einsatz am Elektrofahrrad geeignet.
Das Ausgangssignal ist kein reiner Sinus und beinhaltet Komponenten der 3. Oberwelle. Damit wird eine Leistungssteigerung von 15 % gegenüber der reinen Sinus-Ansteuerung erreicht.
Leider ist der MC3PHAC nicht für mehr als drei Phasen brauchbar.

  Variante 4: Dreiphasengenerator für Elektrofahrrad mit Asynchronmotor

Die folgende Schaltung wurde auf zufällig in der Bastelkiste vorhandene Bauelemente zugeschnitten. Herz des Ganzen ist wieder ein MC3PHAC. Auf die Umschaltmöglichkeit der Fahrtrichtung Vorwärts/Rückwärts wurde verzichtet.
Das START-Signal wird aus dem 0...5 V Signal vom Geschwindigkeits-Drehgriff R18 erzeugt. Überschreitet diese Spannung die Schwelle von 0,7 V so schaltet T1 durch und liefert das START-Signal für IC3.
Die Ausgangsfrequenz läßt sich mit den SPEED Reglern R32 oder R18 von 1...128 Hz regeln. Durch die notwendige Verknüpfung mit dem START-Signal ist der Bereich von 1...18 Hz nicht nutzbar. Wem das nicht gefällt, der kann die Schaltung um T1 durch einen Komparator mit einem RailToRail OPV ersetzen und so die Startfrequenz verringern.
Die FET SPW47N60 an den Ausgängen U, V und W sind mit U_DS = 650 V, I_max = 47 A und R_DSon = 0,07 Ohm reichlich dimensioniert. Montiert auf einem Kühlkörper Fischer SK85/100/SA mit 0,9 K/W ist bei einer maximalen Temperatur des Kühlkörpers von 80 °C und einer Umgebungstemperatur von 20 °C eine gesamte Verlustleistung der FET von 67 W zulässig. Nimmt man an, daß alle 6 FET thermisch gleich belastet werden, so fließen durch einen FET etwa 12,5 A, ein praxistauglicher Wert. Der Anschluß von Akkumulator und Drehstrom-Asynchron-Motor erfolgt durch 6,3 mm Flachsteckverbinder wie in der Kraftfahrzeug-Technik üblich.

Für den Dreiphasengenerator wurde eine kleine doppelseitige Leiterplatte entwickelt. Um die träge 20 A Sicherung im Falle eines Fehlers zum Schmelzen zu bringen ist eine Ausführung in beidseitig 70 µm Kupferauflage erforderlich. Durchkontaktierungen erfolgen meist an den Beinchen von Bauelementen. Das SMD IC3 sitzt auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterplatte. Wegen doch beträchtlicher Ströme führt ein provisorischer Aufbau auf einer Lochrasterplatte nicht mehr zum Erfolg. Das Layout ist mit SPRINT-LAYOUT 5.0 erstellt worden. Einen kostenlosen Viewer hält die Firma ABACOM am Ende ihrer Seite bereit. Mit diesem lassen sich das Layout im Original betrachten und die einzelnen Layer ausdrucken.

Hinweise zu Bestückungsvarianten:

PC-Steuerung über RS232: Obwohl die Bauelemente für die Pegelanpassung und die galvanische Trennung der RS232-Schnittstelle im Layout der Leiterplatte bereits vorhanden sind, sind die Beinchen von IC3 durch Drahtbrücken, Weglassen von Bauelementen und Durchtrennen von Leiterzügen diesem Betriebsfall anzupassen. Hier verweise ich auf Seite 21 des Datenblattes des MC3PHAC. Eine PC-Software ist beim Hersteller des MC3PHAC kostenlos erhältlich.

Standalone Modus: Bu1, D11, D12, D13, C19, R28, R29, R30, R31, OC1 und OC2 werden nicht bestückt.
Für die Arbeit auf dem Labortisch werden die Einstellregler R32 und R33 eingelötet. Die Festwiderstände R15, R16, und R18 entfallen.
Für die Verwendung am Elektrofahrrad wird mit den Festwiderständen R15 und R16 ein sinnvoller Wert für die Beschleunigung fest eingestellt. R32 und R33 entfallen. Die Aufgabe von R33 übernimmt R18, der externe Geschwindigkeits-Drehgriff.
Wer den Dreiphasengenerator nur für den Betrieb an einem 24 V Akkumulator verwendet, der bestückt nur IC1a und IC1 entfällt. Wer den Eingangsspannungsbereich von 18 V bis 72 V nutzt, bestückt nur IC1, IC1a wird dann nicht benötigt. R9 muß an die vorhandene Systemspannung angepaßt werden. Die im Schaltplan eingezeichneten 68 k gelten für 36 V.

Der mechanische Aufbau besteht aus einem bearbeiteten Kühlkörper und Aluminiumprofil von Fischer. In den Schmalseiten des Kühlkörpers ist jeweils eine Nut 2,0 x 3,2 mm einzufräsen. In diesen gleitet das U-Profil. Die Leiterplatte ist 160 x 77 mm groß und wird an ihren Schmalseiten von den Nuten des U-Profils gehalten. Die FET sind auf dem Kühlkörper mit Thermopads isoliert verschraubt. Statt des SPW47N60S5 sollten auch die Typen IRFB4110 oder IRFB4310 verwendbar sein. Ihre passend abgewinkelten Beinchen werden von der Kühlkörperseite durch die Bohrungen der Leiterplatte gesteckt und auf beiden Seiten verlötet.
Front- und Rückplatte schließen das Gehäuse ab. Die Durchbrüche der Frontplatte sind je nach Bestückungsvariante zu machen. Rückwand und U-Profil bleiben stets verbunden und können nach dem Lösen von fünf Schrauben vom Kühlkörper abgezogen werden.

  Links zum Thema Mehrphasengeneratoren und Mehrphasenmotoren

Ein Frequenzumrichter mit Raumzeigermodulation auf der Basis von ATMEL Mikrokontrollern ist im "mikrocontroller.net" beschrieben.

Über die Vorzüge eines unechten 6-Phasen Induktionsmotor kann man etwas in diesem älteren PDF der Universität Wisconsin erfahren. Das unechte 6-Phasen System wird durch Aufteilung in zwei 3-Phasen Systeme mit 30 ° Phasenverschiebung und getrennten Mittelpunktleitern realisiert.

Von der Firma Chorus Motors PLC gibt es eine gut gemachte Demonstration der Vielphasen Meshcon^TM Technologie.

Die Firma Borealis als Anwender der Chorus Motoren beschreibt in einem lesenswerten PDF die Vorzüge der Chorus Motoren.

Neben dem Datenblatt des MC3PHAC ist auch diese Applikationsschrift sehr nützlich.