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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

12

Constant line speed applications

ConveyorPossible technology used: Sensorless/sensored vector control

Benefits:1. อัตราผลผลิตเพิ่ม เนื่องจากความเร็ว conveyor สามารถถูกปรับตามชนิดของผลิตภัณฑ

ั 2. มอเตอรทุกตัวหมุนดวยความเร็วเทากันโดยใช Inverter ตัวเดียว

13

Roll forming machinePossible technology used: Sensorless/sensored vector control

2. มอเตอรทั้งสองตัวหมนดวย

Benefits:1. ความเร็วมอเตอรสามารถถูกปรับตามความหนาที่ตองการ, ขนาดและรูปรางของแผนวัสดุ

2. มอเตอรทงสองตวหมุนดวยความเร็วเทากันโดยใช Inverter ตัวเดียว

Consumer applications

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

15

Vector control of PM synchronous motor

Electric carIn-wheel motors

Vector control of PM synchronous motor

CNC machineCentrifuge

(up to 100,000 rpm)

16

การประหยัดพลังงาน (Energy Savings) โดยใช Inverter

ที่มาและความสําคัญ

ในโลกปจจุบัน การประหยัดพลังงาน (energy savings) เปนสิ่งจําเปน้เรงดวนสําหรับมนุษย โดยมีปจจยัสาเหตุดังนี้

ปญหาโลกรอน (Global warming) – ดานสิ่งแวดลอม

ราคาน้ํามันเชื้อเพลิงท่ีแพงขึ้น – ดานคุณภาพชวีิต, คาครองชีพอดีต

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

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

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

20

EEE424 Electric Drives

Lecture 15

Mongkol Konghirun, EE, KMUTT