Page 1
1
EEE424 Electric Drives
Lecture 15
Mongkol Konghirun, EE, KMUTT
Electric Motor Drive SystemRectifier (AC/DC)Chopper (DC/DC)
ComputerMicroprocessor
(2)Power
Converter
Chopper (DC/DC)Inverter (DC/AC)Cycloconverter (AC/AC)
(1)Digital
Controller
MicroprocessorMicrocontrollerDigital signal processor
Commands:TorqueSpeedPosition
ωr Te
(3)Motor
(4)Load
Constant torqueConstant powerVariable torque
Feedbacks: Current (electrical)Voltage (electrical)Speed (mechanical)Position (mechanical)
Induction motorPM Synchronous motorBrushless DC motorStepping motorSwitched reluctance motorDC motor, etc.
Tload
sensorless system
Page 2
2
Rectifier and Inverter Output voltage
Input voltage
AI
BI
I
AB
+
dcV3-ph AC50 Hz
3-ph RectifierdcI
+
−3 PhaseMotor
A+TAI
BI
CI
AB
C
A+D B+T C+TB+D C+D
CdcVR
3-ph Inverter
CI C
−
50 Hz
−
MotorCIC
A-TA-D B-T C-TB-D C-D
DC-bus capacitor(เพื่อกรองแรงดันไฟฟาตรงใหเรียบ) Dynamic braking
(เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟาครอม C ไมใหสูงเกนิพิกดั ในขณะที่ motor ถูก brake อยางรวดเร็ว)
Loads
Constant torque : โหลดที่ตองการ torque คงที่ตลอดเวลา ที่ความเร็วตาง ๆ ดังนั้น load power จะเพิ่มตามความเร็ว
Load torque
ωคงท่ี
speed
Applications: hoists, conveyors, elevatorsm1m2
Page 3
3
Loads
Constant power : โหลดที่มี torque ลดลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น โหลดประเภทนี้มักมีขนาด รัศมีที่เปลี่ยนแปลง เชน เมื่อรัศมีลดลง, torque จะลดลง, แตความเร็วตองเพิ่มขึ้น เพื่อรักษาความเร็วที่ผิว(surface speed) คงที่
Load torque
V = ω1r1r1ω1
Applications: winders, unwinders, metal-cutting toolsspeed
q
V = ω2r2 (ω2 > ω1)r2
1
ω2
Loads
Variable torque : โหลดที่มี torque เพิ่มขึ้น เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นมักเปนโหลดที่ใชในงาน energy savings
Load torque
Load torque α speedx
Applications: fans, pumps (x=2)
speed
ω
Page 4
4
PMSM VS Induction Motor
ขอดีของ PMSM ขอดีของ I d ti tขอดของ PMSM
• ประสิทธิภาพสูง (High efficiency)
• ไมตองใช rotor position sensor (ซึ่งปกติมี
• ตัวประกอบกําลังสูง (High power factor)• ขนาดเล็ก และ น้ําหนักเบา (Compact)• ระบายความรอนงาย (ปองกันแมเหล็กเสื่อมสภาพ)
ไ
• ใชกันอยางแพรหลาย (หาซื้องาย)
ขอดของ Induction motor
• ราคาถูก
• มีวิธีควบคุมความเร็วที่งาย (V, Rr, หรือ V/f)
ราคาแพง)• ไมมี slip• inertia ต่ํา (สามารถทําใหเกิดความเรงสูงได)• สามารถหมุนที่ความเร็วสูง (> 10,000 rpm)
ApplicationsV/f control of Induction motor
ความเร็วไมเปลี่ยนอยางรวดเร็ว และ มอเตอรหมุนทิศทางเดียวกันตลอดเวลาตองการประหยัดพลังงานโดยแทนการทํางานแบบเปด-ปด (ลดคาไฟ $$$$)
Vector controlใชเมื่อตองการควบคุมแรงบิด และ ความเร็วในเวลาเดียวกัน
(มักเปนโหลดประเภท constant torq e constant po er) (มกเปนโหลดประเภท constant torque, constant power) ใชเมื่อตองการเปลี่ยนความเร็วอยางรวดเร็ว
Sensorless vector controlตองการลดคาใชจายของ mechanical sensor ไมมีเนื้อที่ในการติดตั้ง mechanical sensor
Page 5
5
Applications
Energy saving applicationsConstant torque (position control) applicationsConstant power applicationsVariable torque applicationsConstant line speed applications Constant line speed applications Consumer applications
Energy Saving Applications
Page 6
6
Automatic water supply system
Possible technology used: V/f control of Induction motor
Benefits:1. ประหยัดคาไฟ $$$ โดยแทนการทํางานแบบเปด-ปด มอเตอร
2. สามารถปรับ pressure ไดตามสภาพการใชงาน (กลางวัน,
gy
3. สามารถควบคุม pressure ไดแมนยํามากขึ้น
( ,กลางคืน)
Flow control of ventilation fansPossible technology used: V/f control of Induction motor
2. สามารถปรับและควบคุม temperature ใหเหมาะสมกับหมูไดดี
Benefits:1. ประหยัดคาไฟ $$$ โดยแทนการทํางานแบบเปด-ปด มอเตอร
3. มีเสียงรบกวนหมูนอยลง เพราะใชการปรับความเร็วแทนการทํางานแบบเปด-ปด มอเตอร (เสียงจาก magnetic contactor)
Page 7
7
Constant temperature control for cooling tower water
Possible technology used: V/f control of Induction motor
2. สามารถควบคุม temperature ของ cooling water ไดแมนยํามากขึ้น
Benefits:1. ประหยัดคาไฟ $$$ โดยแทนการทํางานแบบเปด-ปด มอเตอร
ขน3. สามารถปรับความเร็วมอเตอรใหตํ่าลงในเวลากลางคืน เพื่อลดเสียงรบกวนลงได
Constant torque (position control) applications
Page 8
8
Automatic warehousePossible technology used: Sensorless/sensored vector control
Benefits:1. การควบคุมตําแหนงของ fork สามารถทําไดงายและแมนยํา โดยการปรับความเร็วมอเตอรที่คาตํ่าๆ
2. สามารถปรับความเร็วมอเตอรใหสูงขึ้น เมื่อ fork อยูหางจากตําแหนงที่ตองการ เพื่อประหยัดเวลา
Crane systemPossible technology used: Sensorless/sensored vector control
Benefits:1. สามารถลดการ swing ของสิ่งของจากการปรับความเร็วตํ่า ของ traversing และrunning มอเตอร
2. การควบคุมตําแหนงของ hoist สามารถทําไดงายและแมนยํา
Page 9
9
Constant power applications
Sectional paper machine systemPossible technology used: Sensorless/sensored vector control
Benefits:1. ระบบการควบคมุมอเตอรตาง ๆ ตองทํางานประสานงานกัน โดยใชเคร่ือง PLC เปนตัวสั่งการ inverter แตละตัว ผานระบบ
t k (เชน RS 485 เปนตน)network (เชน RS-485 เปนตน)
2. สามารถควบคุม ทั้งแรงบิด และความเร็วของมอเตอรในเวลาเดียวกันโดยใช vector control drive
Page 10
10
Variable torque applications
Lens polishing machinePossible technology used: Sensorless/sensored vector control
Benefits:1. ความเร็วของ Base และ Pad สามารถถูกปรับไดราบเรียบขึ้น
2. ในการปรับความเร็ว สามารถทําไดอยางรวดเร็ว
3. สามารถควบคุมความเร็วได 2 ทิศทาง
ทาไดอยางรวดเรว
Page 11
11
Surface grinderPossible technology used: Sensorless/sensored vector control
2 สามารถควบคม ความเร็วของ
Benefits:1. สามารถเพิ่มความเร็วเกินพิกัดของ มอเตอรได (แตนอยกวา ความเร็วสูงสุด) อาจสูงถงึ 160 Hz
2. สามารถควบคุม ความเรวของ มอเตอรไดแมนยํา ตามชนิดของวัสดุที่ตองการขัดผิวสัมผัส (วัสดุยิ่งแข็ง มอเตอรตองหมุนเร็วขึ้น)
Feeding rate control of a crusherPossible technology used: Sensorless/sensored vector control
Benefits:1. อัตราการขนสิ่งของ (ความเร็วมอเตอร) ถูกปรับตามสภาวะโหลด ของ crusher (หรือกระแสไฟฟาของมอเตอร)
2. ไมเกิด overload ที่ crusher เนื่องจากอัตราการขนสิ่งของคงที่ ที่ไมเหมาะสม ทําใหระบบการทํางานมีประสิทธิภาพดีขึ้น
Page 12
12
Constant line speed applications
ConveyorPossible technology used: Sensorless/sensored vector control
Benefits:1. อัตราผลผลิตเพิ่ม เนื่องจากความเร็ว conveyor สามารถถูกปรับตามชนิดของผลิตภัณฑ
ั 2. มอเตอรทุกตัวหมุนดวยความเร็วเทากันโดยใช Inverter ตัวเดียว
Page 13
13
Roll forming machinePossible technology used: Sensorless/sensored vector control
2. มอเตอรทั้งสองตัวหมนดวย
Benefits:1. ความเร็วมอเตอรสามารถถูกปรับตามความหนาที่ตองการ, ขนาดและรูปรางของแผนวัสดุ
2. มอเตอรทงสองตวหมุนดวยความเร็วเทากันโดยใช Inverter ตัวเดียว
Consumer applications
Page 14
14
V/f control of induction motor (Inverter)
Air conditioner(ประหยัดคาไฟ $$$)
Water pump(ประหยัดคาไฟ $$$)Blower
(ประหยัดคาไฟ $$$)
Washing machine Treadmill
Vector control of PM synchronous motor
Seqway transporterSewing machineWheelchair
Page 15
15
Vector control of PM synchronous motor
Electric carIn-wheel motors
Vector control of PM synchronous motor
CNC machineCentrifuge
(up to 100,000 rpm)
Page 16
16
การประหยัดพลังงาน (Energy Savings) โดยใช Inverter
ที่มาและความสําคัญ
ในโลกปจจุบัน การประหยัดพลังงาน (energy savings) เปนสิ่งจําเปน้เรงดวนสําหรับมนุษย โดยมีปจจยัสาเหตุดังนี้
ปญหาโลกรอน (Global warming) – ดานสิ่งแวดลอม
ราคาน้ํามันเชื้อเพลิงท่ีแพงขึ้น – ดานคุณภาพชวีิต, คาครองชีพอดีต
Page 17
17
ที่มาและความสําคัญ
ประเทศ Germany ไดวางแผนการใชแหลงพลังงานในป คศ 2025 ประเทศ Germany ไดวางแผนการใชแหลงพลงงานในป คศ. 2025 ดังนี้20% primary carbon based fuels20% nuclear20% wind PV hydro geothermal
พลังงานดั้งเดิม
20% wind, PV, hydro, geothermal20% biomass20% energy savings (conservative percent)
พลังงานทดแทน
ทําไมถึงประหยัดพลังงานเมื่อใช Inverter ?
(1) สามารถลด Inrush (starting) current ของมอเตอร จากวิธี Direct start ดวย้วิธี Soft start (คอย ๆ ปรบั input voltage มากขนึตอน start) กําลังไฟฟาสูญเสียขณะ Direct startInrush current ขณะ Direct start
Note: Motor starter ดวยวิธี Star-Delta ชวยลด Inrush (starting) current ในระดับหนึ่งเทานั้น (ลดลงประมาณ เทา)
3
Page 18
18
ทําไมถึงประหยัดพลังงานเมื่อใช Inverter ?
(2) สามารถปรับความเร็วมอเตอรในระบบควบคุมได แทนการแบบเปด-ปด ื่ ่ ่ ็ ึ่ ไ
Q N
มอเตอร เพือเลียงการทํางานของมอเตอรทีความเร็วพิกัด ซึงไมจําเปน
จากกฏ Affinity ของโหลดมอเตอร ประเภท FAN & PUMP : เราพบวาInput power ของมอเตอร ลดลงเมื่อความเร็วมอเตอรลดลง ตามความสัมพันธ ดังนี้
2
3
Q NH N
N
∝
∝
∝
Flow/VolumeHead/Pressure
Input Power
ประหยัดพลังงานเมื่อใช Inverter ไดเทาไร ?
ควบคุม pressure/flow ดวย Motorized Valve (ปรับ Valve 80%, N = 100%)
(75 kW)
คาไฟฟาตอป = พลังงานไฟฟาที่ใช x คาพลังงานไฟฟาตอหนวย= [75kW x 24 ช.ม. x 365 วัน ] x 2.5 บาท
= 657,000 หนวย x 2.5 บาท = 1,642,500 บาท
Page 19
19
ทําไมถึงประหยัดพลังงานเมื่อใช Inverter ?
ควบคุม pressure/flow ดวย Inverter (ปรับ N = 80%)
(75 kW)(75 kW)
คาไฟฟาตอป = พลังงานไฟฟาที่ใช x คาพลังงานไฟฟาตอหนวย= [(75kW x 0.83) x 24 ช.ม. x 365 วัน] x 2.5 บาท
= 336,384 หนวย x 2.5 บาท = 840,960 บาท
ทําไมถึงประหยัดพลังงานเมื่อใช Inverter ?
VS
ประหยัดคาไฟฟาตอป = Value – Inverter = 1,642,500 - 840,960
= 801,540 บาท
Page 20
20
EEE424 Electric Drives
Lecture 15
Mongkol Konghirun, EE, KMUTT