Tiny Prototype for 3-phase Intelligent Power Module

โครงงานนี้เป็นการสร้างต้นแบบขนาดเล็กกับการขับมอเตอร์ 3 เฟส ด้วยเพาเวอร์โมดูลขับมอเตอร์ 3 เฟสอัจฉริยะ (Intelligent Power Modules : IPM) เบอร์ IM231L6T2BAKMA1 ของบริษัท Infineon Technologies โดยในการทดลองจะใช้ไฟเลี้ยงกระแสตรงให้กับเพาเวอร์โมดูลที่ 165 โวลต์ และไฟเลี้ยงสำหรับบอร์ดควบคุม Arduino UNO และการขับขาเกตภายในโมดูลที่ 15 โวลต์ ซึ่งมอเตอร์ที่ใช้ในการทดลองขนาด 0.5 แรงม้า 3 เฟส และเป็นการทดลองใช้งานเบื้องต้น

รูปที่ 1 เลือกเพาเวอร์โมดูลขับมอเตอร์ 3 เฟส เบอร์ IM231L6T2BAKMA1 ที่ราคาไม่สูงมากนัก สามารับรับแรงดันไฟเลี้ยงสำหรับทดลองได้สูง รวมทั้งทนกระแสได้ถึง 6A ความถี่สวิตชิ่งสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น (PWM carrier frequency) ทางด้านอินพุตที่ 20kHz ซึ่งเราสามารถนำมาใช้ในการทดลองวงจรทางด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังต่างๆ เบื้องต้นได้ง่าย (Datasheet : IM231-L6T2B)

รูปที่ 2 แสดงลักษณะของเพาเวอร์โมดูลด้านล่างรวมทั้งระยะขาต่างๆ (ในภาพมุมใกล้) รวมทั้งเบอร์ของตัวเพาเวอร์โมดูลที่นำมาใช้ในการสร้างวงจรต้นแบบนี้

รูปที่ 3 แสดงลักษณะของฮีตซิ้งระบายความร้อน ที่นำมาใช้ยึดเข้ากับเพาเวอร์โมดูลจะมีขนาดเล็กและจะต้องเจาะรูยึดเพิ่มเติมอีกเล็กน้อย

รูปที่ 4 ลักษณะการยึดเพาเวอร์โมดูลกับฮีตซิ้ง โดยแนะนำให้เราทาซิลิโคนระหว่างเพาเวอร์โมดูลกับฮีตซิ้งเพื่อให้ระบายความร้อนได้ดียิ่งขึ้น

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของการเริ่มประกอบอุปกรณ์ทั่วไปให้กับเพาเวอร์โมดูล โดยในรูปจะประกอบตัวเก็บประจุก่อนและตัวต้านทานตรวจจับกระแสเกินให้กับเพาเวอร์โมดูล

รูปที่ 6 การเตรียมสายไฟสำหรับเชื่อมต่อกับเพาเวอร์โมดูล ซึ่งจะมีด้วยกัน 3 ส่วนคือ ส่วนแรกเป็นสายไฟสำหรับขับมอเตอร์ 3 เส้น (U V W) ส่วนที่ 2 เป็นสายไฟสำหรับต่อไฟเลี้ยงแรงดันสูงสำหรับเพาเวอร์โมดูล และส่วนที่ 3 จะเป็นสายสัญญาณควบคุมระหว่างบอร์ดควบคุม Arduino UNO และตัวเพาเวอร์โมดูล

รูปที่ 8 เป็นลักษณะของเพาเวอร์โมดูลที่ประกอบอุปกรณ์เสร็จแล้ว ซึ่งจากในรูปจะดูมีสายไฟต่อเข้ากันค่อนข้างมาก โดยในการทดลองสามารถใช้งานได้เป็นปกติทั้งนี้จะนำผลที่ได้ไปพัฒนาในส่วนของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ให้เรียบร้อยและสามารถนำมาใช้งานได้ง่ายขึ้น

รูปที่ 9 แสดงการเชื่อมต่อระหว่างเพาเวอร์โมดูลและบอร์ดควบคุม Arduino UNO โดยบอร์ดควบคุมจะสร้างสัญญาณ SinePWM มายังขาอินพุตทั้ง 6 ช่องไปยังเพาเวอร์โมดูล และรับสัญญาณควบคุม รวมทั้งปริมาณกระแสที่ไหลผ่านตัวมอเตอร์

รูปที่ 10 เป็นการทดลองวัดสัญญาณเบื้องต้นที่ตำแหน่งขาเอาต์พุต (U V W) ของตัวเพาเวอร์โมดูล โดยในรูปจะวัดได้ 2 ช่องและจะสลับการวัดสัญญาณระหว่างแต่ละช่องกัน ซึ่งจะสังเกตลักษณะของสัญญาณที่เกิดขึ้นจะต้องเลื่อนเฟสไปที่ 120 องศา (โปรแกรมที่ใช้ในการทดลองสำหรับบอร์ด Arduino UNO อ้างอิงจากเว็บไซต์ Ref.[2] https://github.com/cmasenas/3-Phase-Sine-Arduino/blob/Release/DDS_Generator.ino)

รูปที่ 11 แสดงลักษณะของการทดลองโครงงานเบื้องต้น ทั้งในส่วนของเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้โดยผลการทดลองแบบวิดีโอจะแสดงในช่องยูทูบข้างล่างบทความนี้

สำหรับโครงงานการสร้างต้นแบบวงจรขับมอเตอร์ 3 เฟส ด้วยเพาเวอร์โมดูลขับมอเตอร์ 3 เฟสอัจฉริยะนี้ เป็นโครงงานเล็กๆ ที่เราสามารถนำมาใช้ในการทดลองขับมอเตอร์แบบอินดักชั่น (Induction Motor), มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่ใช้แปรงถ่าน (BLDC Motor) หรือการทดลองวงจรคอนเวอร์เตอร์ (DC to DC) ขนาดเล็กเป็นต้น ซึ่งตัวเพาเวอร์โมดูลสามารถจ่ายกระแสได้ประมาณ 6A ที่แรงดันอินพุตสูงสุด 450VDC ที่จะช่วยให้เราสามารถนำไปใช้ในการเรียนรู้ในเรื่องต่างๆ เกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์กำลังได้หลายรูปแบบครับ.

Reference

1. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IM231-L6S1B_T2B-DataSheet-v02_01-EN.pdf?fileId=5546d462689a790c0169067334d10ef3
2. https://github.com/cmasenas/3-Phase-Sine-Arduino/blob/Release/DDS_Generator.ino
3. https://github.com/carneeki/OpenVFD/blob/master/software/OpenVFD.ino
4. https://www.onsemi.com/products/power-modules/intelligent-power-modules-ipms/fsbs10ch60
5. https://electronics-project-hub.com/3-phase-sine-wave-generator-code-arduino