Fabrication d'un variateur-convertisseur triphasé 1KW

[nopxor]

Salut pierrepmx,

La masse de l'oscilloscope est connectée au moins de l'alim DC.
La masse est d'ailleurs la même pour les 3 alims: 320V(bus DC), 15V(bus IGBT), 5V(bus micro).

Je devrais bientôt filer les schémas (si tout est OK), cela sera plus clair.

Je me suis aussi posé la question pour les raies "fantômes" et j'opterai bien pour un spectre de la fréquence d’échantillonnage du PWM. (12 kHz)
Ce n'est qu'une hypothèse et je me demande pourquoi il n'y a pas de raies sur l'autre sinusoïde.
En fait le lissage en sinusoïdes est sans doutes dû en grande partie à la rotation du moteur qui se comporte à ses bornes comme un alternateur. Effet utilisé avec les moteurs pilotes pour fabriquer du triphasé à partir du monophasé.

A noter que je n'ai pas à déplorer de sifflements désagréables quelle que soit la fréquence de rotation.

Pour ceux intérressés par le principe de fonctionnement des onduleurs, je viens de découvrir ce lien remarquable:
En plus, merci à l'auteur, c'est en français
http://www.scribd.com/doc/31140407/Onduleur-a-MLI

 

[nopxor]

Bonjour,

Mesure du courant:

Sur le module IGBT les 3 entrées négatives NU, NV, NW du Bus DC sont interconnectées.
Elles sont reliées à la masse via la résistance Shunt de 0,1 Ω de mesure du courant.

La protection de dépassement de courant est confiée au microcontrôleur via un ampli-OP.
Avec la valeur de gain choisi, on envoie 4,95V au micro pour 5A de courant.

L'objet des mesures effectuées est la pertinence du gain adopté.
Le logiciel devra tenir compte des forts courants de démarrage pour ne pas se mettre en sécurité à ces moments là.

Les mesures sont effectuées aux bornes du shunt (voie 2).
et en sortie de l'ampli-OP (voie 1).
D'abord à vide puis en charge.

Le signal obtenu est en forme de peigne, sans doutes à cause des variations de courant das les bobines moteurs.

Les valeurs sont plutôt conformes à ce à quoi je pouvais m'attendre.

Etape suivante, compilation des sources ATMEL version contrôle vectoriel. Bien que cette version V/F semble déjà convenir à la plupart de mes applications.

 

[Turbo Gros Michel S.A.]

Bonjour,

il me semble (sans certitude) que l'aspect du courant visualisé correspond au fait que les IGBT sont "modulés" par la fréquence de découpage : chaque montée correspondant à un IGBT passant, puis non passant. On voit d'ailleurs que l'ensemble des sommets des montées forment (très) bien la sinusoïde attendue.

Réalisation très intéressante

A+

Emmanuel

 

[nopxor]

Bonjour Turbo,

Merci pour ton avis.
Effectivement avec tes explications, cela semble logique et plus clair.

 

[nopxor]

Bonjour,

J'ai testé avec satisfaction la version qui implémente une modulation par contrôle vectoriel de flux.
Les variations sont très souples, le moteur a du couple à bas régime et il est très silencieux.
Il faut que je fasse quelques mesures et une vidéo.

Atmel a vraiment bien documenté ses produits:
360 pages de doc pour le microprocesseur dont 43 consacrées aux 3 PSC (contrôleurs d'étages de puissance PWM).
La note d'application (AVR434) qui leur est consacrée fait 30 pages.

Il me reste à coder les fonctions de commande (rampes, arrêts, etc...) et de contrôle du courant.
Mais le principal est fonctionnel. C'est encourageant.

Au niveau matériel:
- finaliser le schéma microprocesseur (simplifier) et son circuit imprimé.
- adapter des connecteurs pour les interrupteurs de commande sur la carte principale (IGBT).
- modifier l'implantation composant de la carte alim pour faciliter le montage d'un radiateur sur le pont de diodes.

 

[pierrepmx]

Salut noxpor,

il y a une estimation auto des paramètres du moteur dans le code ATMEL ?

 

[nopxor]

Salut pierrepmx,

il y a une estimation auto des paramètres du moteur dans le code ATMEL ?

Non ces fonctions n'existent pas. Il faut les écrire.
En gros, il faut déterminer le courant limite et les taux des rampes en fonction de ce que l'on veut (et des caractéristiques du moteur).
On rentre ces valeurs en #define et on compile.

Il serait possible éventuellement d'envisager une programmation simplifiée en positionnant des cavaliers (ou par inters "dipswitchs")

 

[Jean-Marie21]

Bonjour à tous,
je trouve ce post très intéressant, je suis confronté à faire du triphasé avec du mono actuellement il est réalisé à partir d'un moteur pilote ce que je cherche c'est de pouvoir réaliser un convertisseur triphasé pour alimenter un moteur tri 380V je possède déja un auto transfo triphasé qui me sert pour alimenter un touret Micox 110/220V j'ai quelques rudiments en électronique mais je ne connais pas les IGBT de de plus j'ai un gros problème pour la programation des micropross. Pour bien faire il me faudrait 3KVA est ce possible avec des IGBT?

 

[nopxor]

Bonjour,

Si j'ai bien compris, tu envisages l'utilisation d'un auto-transformateur triphasé en aval d'un variateur avec entrée 220V mono et sortie 220V triphasé pour l'utilisation d'un moteur de 3kW en 380V triphasé.

3kVA, cela suppose des IGBT en composants discrets car les modules les plus puissants sont de l'ordre de 2 kW.
Attention au courant de démarrage du moteur qui peut être énorme.
Est-ce que l'auto-transfo est dimensionné pour le supporter ?

 

[Jean-Marie21]

Bonjour,
Effectivement je voudrait utiliser mon auto transfo en sortie du convertisseur mono-tri appelons le comme cela car je n'utiliserai pas les fonctions d'un variateur classique pour moi il s'agit de démarrer mon moteur comme si il était relié au tri 380V.
Mon transfo est largement dimensionné il fait 7KVA.

 

[moissan]

quand il y a un variateur pour commander un moteur le demarage se fait avec le variateur qui monte en frequence progressivement pour ne pas avoir de pointe de courant

quand on veut brancher le moteur brutalement sur le generateur de tri comme si c'etait l'edf , il faut des IGBT largement surdimensionné donc plus cher qu'un variateur

beaucoup de variateur disjonctent quand on branche un moteur directement sur leur sortie

bien sur le micro controleur atmel conviendrait tout a fait pour commander 6 gros IGBT , mais il reste a faire le bon circuit

 

[moissan]

un IGBT c'est un melange de mosfet et transistor biploaire : comme un darlington : le premier est un mosfet qui commande un transistor bipolaire

ça demande donc un courant de commande nul pour le faire conduire en permanence ... mais ces IGBT on un effet capacitif important , et il faut quand même un circuit de commande assez puissant pour que la commutation soit rapide

 

[nopxor]

Bonjour,

quand il y a un variateur pour commander un moteur le demarage se fait avec le variateur qui monte en frequence progressivement pour ne pas avoir de pointe de courant

Effectivement et cela permet une transmission du couple en douceur. Les mécanismes apprécient.

Pour la programmation, ce n'est pas évident car je n'ai pas de simulateur.
Si on teste le programme directement sur la carte de puissance, il y a un risque, en cas de bug sérieux, de fumer la partie IGBT.
Donc je teste avant, si possible, les signaux sur la carte microprocesseur montée sur une platine d'expérimentation.

 

[PicsurPac]

Bonsoir,
Je suis ce poste avec intérêt et personnellement je serai intéressé par une version entre 2.2 et 3kw. On vera si une évolution est possible vers ces puissances.
Pour le point suivant:

Salut pierrepmx,

il y a une estimation auto des paramètres du moteur dans le code ATMEL ?

Non ces fonctions n'existent pas. Il faut les écrire.
En gros, il faut déterminer le courant limite et les taux des rampes en fonction de ce que l'on veut (et des caractéristiques du moteur).
On rentre ces valeurs en #define et on compile.

Il serait possible éventuellement d'envisager une programmation simplifiée en positionnant des cavaliers (ou par inters "dipswitchs")

S'il reste un peu de ressource en entrée/sortie, ROM et en EEPROM il est tout à fait possible d'ajouter deux bp et un afficheur pour entrer les paramètres nécessaires. Au minimum 2 entrées pour deux BP (déjà sur la platine d’expérimentation), une sortie pour aller vers un afficheur LCD en liaison série et qques octets en EEPROM pour stocker les paramètres moteurs. Ceci rendrait le produit indépendant de toute recompilation.
Personnellement j'ai déjà codé un besoin similaire avec un ATMEL ATMEGA32, cela demande surtout de la ROM si les menus sont complexes. Je peux fournir ma pièce à l'édifice sur ce point si besoin.

Je ne pense pas avoir trouvé toutes les docs ATMEL sur ce projet y a t'il un schéma de cablage du µC qque part sur le site ATMEL?
Cordialement

 

[nopxor]

Bonjour,

Je suis ce poste avec intérêt

Merci.

personnellement je serai intéressé par une version entre 2.2 et 3kw

Il est théoriquement possible de mettre 6 IGBT de puissances (+ driver) avec leur diodes à la place du module.

S'il reste un peu de ressource en entrée/sortie, ROM et en EEPROM il est tout à fait possible d'ajouter deux bp et un afficheur pour entrer les paramètres nécessaires. Au minimum 2 entrées pour deux BP (déjà sur la platine d’expérimentation), une sortie pour aller vers un afficheur LCD en liaison série et qques octets en EEPROM pour stocker les paramètres moteurs. Ceci rendrait le produit indépendant de toute recompilation.

C'est tout à fait vrai, un afficheur ferait très pro et je n'utilise pour l'instant pas la moitié de la place en ROM et EEPROM.

Personnellement j'ai déjà codé un besoin similaire avec un ATMEL ATMEGA32, cela demande surtout de la ROM si les menus sont complexes. Je peux fournir ma pièce à l'édifice sur ce point si besoin.

Merci, cela sera peut être utile.

Je ne pense pas avoir trouvé toutes les docs ATMEL sur ce projet y a t'il un schéma de cablage du µC qque part sur le site ATMEL?

Je me suis inspiré (en simplifiant) du schéma de la carte ATAVRMC200

 

[nopxor]

Bonjour,

Je suis en train d'écrire les fonctions basiques: contrôle de rampe,contrôle de température du module IGBT,
contrôle du courant maximum admissible...
Et je constate qu'il y a finalement peu de paramètres à entrer par l'utilisateur pour un variateur simple.
Si on s'en tient à des taux de rampes classiques dits "usines" le seul paramètre vraiment important c'est le courant.
Il ne s'agit pas de faire une broche HF...
On pourrait même imaginer faire ultra simple (économique) en programmant avec 2 leds en guise d'afficheur.
2 leds de couleurs différentes à 4 états: allumé, éteint, clignotant lent, clignotant rapide.
Cela permet 16 (2^4) états d'informations pour la programmation utilisateur via 2 BP.

Pour une utilisation basique une rampe de décélération est elle nécessaire ?
Cela dépend sans doutes de l'inertie mécanique entraînée.
N'est-elle pas surtout indispensable pour dissiper via le module IGBT la fcem inertielle en l'absence de résistance de freinage sur le bus DC ?
Cela expliquerait-il pourquoi les rampes usines sont deux fois plus longues à la décélération qu'à l'accélération ?

 

[moissan]

la deceleration est dangereuse : le pont a 6 transistor est bien reversible et ça peut renvoyer du courant dans le condensateur 320V faire monter la tension et tout griller

il faut absolument un detecteur de tension qui en cas de surtension coupe completement la commande des igbt , et laisse le moteur finir en roue libre plutot que de tout griller

ce probleme peut arriver facilement quand le moteur fait tourner une grosse inertie a grande vitesse : meule par example

bien sur la meilleure solution est un igbt de plus qui commande une resistance a un premier seuil de tension ... et l'arret complet ne se fait que si la resistance ne suffit pas et qu'on ateind un autre seuil de tension

 

[nopxor]

Bonjour,

Effectivement,lors d'une décélération le moteur fonctionne comme un générateur, et renvoie de l'énergie à l'onduleur via les diodes des IGBT.
C'est le phénomène de régénération.
La tension du condensateur augmente et il y a un risque pour lui (et ses proches) si l'on s'approche de sa tension d'isolement.

J'envisage donc de surveiller la tension du BUS DC (à travers un pont diviseur 150k + 1k) sur une entrée Analogique du microprocesseur.
Bonne idée que de mettre un IGBT "disjoncteur" en série sur le BUS.
Le micro commandera son ouverture si la tension dépasse le seuil d'isolement, par exemple, de 420V pour un 470uF/450V.
Inutile de dire que ce condensateur se doit d'être de bonne qualité.

Il semble néanmoins que plus la rampe de décélération est douce, moins le risque de régénération est élevé.
Ce qui explique la durée plus longue des rampes "usines" et leur nécessité.

[1] Overvoltage stall prevention
If the DC voltage becomes even higher, the inverter stops decreasing the output frequency. This is
to avoid the regenerative overvoltage shut-off protective function being operated.

[2] Overcurrent stall prevention
During deceleration, if a motor current exceeds the specified value, the inverter stops decreasing or
increases the output frequency. This is to avoid the overcurrent protective function being operated.

[1][2] Inverter Practical Course_MITSUBISHI

Désolé, mais la littérature sur le sujet est plus abondante dans la langue de Shakespeare

 

[moissan]

pas besoin d'IGBT disjoncteur : il suffit que le micro controleur arrete completement de piloter les 6 IGBT pour arreter de freiner et faire monter la tension

mon IGBT supplementaire c'est pour mettre en service une resistance de freinage

il y a aussi un moyen barbare de freiner fort sans recuperer l'energie : c'est envoyer un courant continu dans 2 phase du moteur

si il faut assurer une securité au freinage sans ajouter la resistance , il est possible de programer le microcontroleur pour qu'en cas de surtension , il passe du freinage par recuperation au freinage par courant continu

et ça me fait inventer une methode plus subtile : quand la tension monte , le micro controleur continue a faire le même triphasé a frequence decroissante , mais saboté avec une certaine composante continue ... ce qui va faire un bon gaspillage d'energie , et empechera la tension de monter : une peu une superposition du freinage par frequence decroissante et du freinage par courant continu

avec une programation futé ça permet même de freiner en cas de coupure d'alimentation 220V

j'ai deja vu dans des doc des histoire de variateur qui freinent sans voir de resistance ... peut etre bien que cette facon de gaspiller la puissance par un courant continu dans le moteur est classique

 

[nopxor]

Bonsoir,

Le vieil adage: Il ya que ceux qui ne font rien qui ne font pas de conn..ies s'est encore avéré.

J'ai pété mon premier module IGBT.

Alors que je testai une routine d'accélération, le moteur a commencé à tourner et pof, le fusible de l'alim a cramé.
J'ai changé le fusible et rebelote.
Je déconnecte l'alim, test à vide,le fusible et toutes les tensions sont OK.
Pas de doutes c'est le module IGBT qui a reçu et qui est mort.

Moralité un bug peut être lourd de conséquences pour un étage de puissance...

Ayant prévu le coup, j'ai changé le module facilement avec de la tresse à dessouder.

Le problème, c'est que je ne suis pas certain de la cause car plusieurs origines sont possibles.

Bref c'est pas évident!

 

[nopxor]

Alors un peu dégoûté par cette programmation plutôt ingrate, et histoire de me changer les idées,
je me suis décidé à tester le microprocesseur MC3PHAC de chez Freescale (ex Motorola).
J'ai donc réalisé une nouvelle mini carte CPU enfichable.
Ce composant existe aussi en version non CMS (DIP 28 broches)
J'y ai connecté les 2 potentiomètres vitesse et accélération. (On peut varier ainsi le taux d'accélération).
Ainsi que l'interrupteur Marche / Arrêt et celui d'inversion de sens de rotation.

Je constate avec plaisir que tout fonctionne parfaitement.

Voir même mieux qu'avec l'autre carte CPU car le module IGBT ne chauffe quasiment plus.
Sans résistance talon, la plage de variation va de 1 Hz à 128 Hz.
Avec du couple à tous les régimes et un ronronnement très doux.
Cela ne siffle pas comme avec certains variateurs.
Et c'est très étonnant de varier en temps réel le taux d'accélération/décélération.
Pour le phénomène de régénération, le chip fait le monitoring de la tension du bus DC 320V (via un pont diviseur).
Il peut même commander un IGBT qui connecte une résistance frein.
Il y a une entrée logique qui inhibe la sortie PWM en cas de problèmes.
Le dépassement de température OU le dépassement de courant l'activent sur la carte via 2 aop comparateurs et une diode.

Alors un grand merci à DEN qui m'a fait connaitre ce composant.

A noter que l' on peut aussi le contrôler depuis un PC et même via internet!

Je vais faire quelques mesures, mais c'est déjà très convainquant.

Finalement je pense que je ne vais pas perdre mon temps à passer des heures à développer quelque chose qui existe déja tout prêt, opérationnel dès la mise sous tension.
D'autant que je ne dispose pas d'outils de simulation.

Si vous êtes plutôt tenté par le développement sur les bases du CPU Atmel, contactez moi en MP afin que je vous signale quelques bugs.

 

[moissan]

merci pour ce circuit !
http://cache.freescale.com/files/microcontrollers/doc/app_note/AN2988.pdf

il contient tout ce qu'il faut ... un petit microcontroleur genre pic ou atmel aurait du mal a en faire autant ... ou alors il faudrait 2ans de programation

 

[DEN]

Mais de rien,

Faudrait que je m'y mette personnellement, je passe plus de temps à gratter de la fonte ces derniers temps ! Alors que je suis ingénieur Electronicien, (C'est le comble) j'aurai déjà du faire ce convertisseur depuis bien longtemps.

Une petite question, as tu du, in fine mettre des driver genre IR2130, ou les drivers sont inclus dans les IGBT ? Désolé je suis un peu fénéant, il suffirait que je gratte les data-sheet...

Le circuit que t'as réalisé est celui du montage stand-alone des datasheet du MC3PHAC, exact ?

Une autre question qui me trottait en tete, c'est : le controle de ce genre de moteur en position, est il possible ? Ou comme je le pense il n'y a pas de couple à l'arret ? Ca serait trop beau pour faire du retrofit ... Mais j'imagine que c'est malheureusement impossible. Peut-etre à base de vis trapézoidale, non-réversible seulement, (j'ai l'impression que l'on peut tout de meme fournir une rampe de vitesse correcte ...)

Je suis aussi intéressé par la partie programmation de l'Atmel, je voudrais tenter de le porter sur un PIC. Puis, je pense que c'est utile de programmer un controler soi-meme, c'est une source d'expérience importante ! De plus que le controler de freescale, me semble etre le seul sur le marché facilement accéssible, si un jour il disparait (je vais m'en commander 5 au cas où), la solution programmable restera l'unique solution, et une bonne compréhension du code permettera la portabilité.

Encore bravo pour tes réalisations ! Ca m'a inspiré à me bouger un peu en électronique!

 

[nopxor]

Bonjour,

D'après ST, on peut attaquer directement le module IGBT avec des niveaux CPU (doc p.13).

La carte est effectivement conforme au montage stand-alone (on ne voit pas les potentiomètres sur la photo).
Je testerai surement aussi le contrôle via PC Master.

En position minimum du potentiomètre vitesse, le moteur tourne, très lentement, mais il tourne.
Avec du couple: je n'arrête pas l'arbre Ø17 (à la main...)
Ce composant n'est pas programmé pour faire de l'asservissement en position. L'asservissement en vitesse est possible soit par une tension 0-5V soit via l'interface RS232.

J'ai effectivement appris beaucoup de choses avec les programmes ATMEL (développés par des français), mais la mise au point finale n'est pas une mince affaire. L'air de rien il y a des heures de programmation derrière.
L'idéal serait de modéliser sur PC un moteur asynchrone virtuel avec son driver de puissance. On y connecterait physiquement les 6 sorties du microprocesseur avec son programme à tester. Cela permettrait un gain de temps énorme sur le développement. C'est ce que doivent faire les pros je suppose.

Concernant le MC3PHAC c'est vrai qu'il doit dater de 2005, mais compte tenu de la valeur ajoutée de son firmware, j'espère qu'il a encore de beaux jours devant lui.

 

[moissan]

j'ai vu dans la note d'application , une correction pour tenir compte de la resistance des bobinage : ça fait que la tension ne descend pas jusqu'a zero quand on diminue la vitesse : la tension descend avec une pente plus faible , et on garde un bon couple a basse vitesse

et avec cette correction il suffit de mettre une vitesse en sens inverse pour avoir du couple a vitesse presque nulle

ce qui m'inquiete le plus pour un asservissement , c'est le temps de reponse quand on lui demande un changement de vitesse ... un bon vieux moteur a courant continu repond instantanément , pour savoir ce que vaut ce microcontroleur en asservissement il faudra l'essayer

den je comprend tout a fait ton soucis de vouloir faire ton propre programme pour pouvoir le mettre dans n'importe quel micro controleur sans etre a la mercis d'un seul constructeur

 

[nopxor]

Bonsoir,

J'ai commencé la mise au propre des schémas des 3 cartes: Alimentation, CPU (MC3PHAC) et IGBT.
Pour faciliter la fabrication, les cartes font appel majoritairement à des composants classiques (non cms).
Dès que les nouvelles cartes sont testées, je met en ligne les schémas et typons.

 

[Jean-Marie21]

Bonjour à tous,
Je crois que l'on peux doubler la puissance de ce variateur sans trop de modification avec un STGIPS20K60L le brochage semble identique à celui qu'utilise Noxpor auquel je tires ma révérence pour son travail,je ne connais pas la langue de Shakespeare ce n'est qu'au travers de google que j'arrive à comprendre quelque chose mais parfois la traduction est un peu fantaisiste.
Je vous mets en ligne les fichiers relatifs à ce circuit Voir la pièce jointe CD00244265.pdf Note technique TN0107 Voir la pièce jointe CD00237943.pdf DATAsheet du STGIPS20K60 Voir la pièce jointe CD00292882.pdf UM1036
User manual
2 kW 3-phase motor control STEVAL-IHM028V1 demonstration board
featuring the IGBT intelligent power module STGIPS20K60 Voir la pièce jointe CD00297885.pdf note d'application AN3338 Voir la pièce jointe DM00057997.pdf UM1553
User manual
STEVAL-IHM034V1 dual motor control and PFC demonstration
board featuring the STM32F103RC and STGIPS20K60

 

[nopxor]

Bonsoir,

Merci d'avoir regroupé toute ces documentations.
Effectivement les modules IGBT 1kW et 2kW se ressemblent beaucoup.

Néanmoins leur broches 15 et 16 ne sont pas compatibles car elles n'ont pas les mêmes fonctions:

sur le 1kW, broche 15=> Thermistance t1, broche 16 => Thermistance t2

sur le 2kW broche 15 => Fast Shut-Down, broche 16 => Entrée comparateur

 

[topal2003]

Salut,

je sais pas si tu est au courant, mais dans un an, le MC3PHACVPE ne sera plus dispo chez FREESCALE, je viens de recevoir un mail de chez eux avec une liste de produit END OF LIFE, et ce circuit est dedans

si tu veux plus de reseignement regarde sur leur site dans les liens a droite

Pat

 

[nopxor]

Bonsoir,

Effectivement. Ils doivent en avoir un nouveau sous le coude.
En tout cas celui-là convient parfaitement à mes besoins.
Je me rends compte que faire un module CPU enfichable n'est pas une mauvaise idée finalement.