Post on 16-Apr-2020
1
EEE373 Electric Motor Drive
Lecture 12
Asst. Prof. Dr. Mongkol Konghirun EE, KMUTT
Electric Motor Drive System
(2)Power
Converter
Rectifier (AC/DC)Chopper (DC/DC)Inverter (DC/AC)Cycloconverter (AC/AC)
(1)Digital
Controller
ComputerMicroprocessorMicrocontrollerDigital signal processor
Feedbacks: Current (electrical)Voltage (electrical)Speed (mechanical)Position (mechanical)
Commands:TorqueSpeedPosition
Induction motorPM Synchronous motorBrushless DC motorStepping motorSwitched reluctance motorDC motor, etc.
ωr Te
Tload
(3)Motor
sensorless system
(4)Load
Constant torqueConstant powerVariable torque
2
Rectifier and InverterOutput voltage
AI
BI
CI
AB
C
+
−
dcV3-ph AC50 Hz
3-ph RectifierdcI
+
−
−3 PhaseMotor
A+TAI
BI
CI
AB
C
A-T
A+D
A-D
B+T
B-T
C+T
C-T
B+D C+D
B-D C-D
CdcVR
3-ph Inverter
DC-bus capacitor(เพื่อกรองแรงดันไฟฟาตรงใหเรียบ) Dynamic braking
(เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟาครอม C ไมใหสูงเกนิพิกดั ในขณะที่ motor ถูก brake อยางรวดเร็ว)
Input voltage
Loads
Constant torque : require constant torque at all speeds. So, load power is increased with speed.
speed
Load torque
Applications: hoists, conveyors, elevators
ωr
m1m2
3
LoadsConstant power : load torque decreases with increasing speed.
This application applies to processes that are changing diameters. As the diameter decreases, the torque decreases, but speed increases to provide constant surface speed.
Applications: winders, unwinders, metal-cutting toolsspeed
Load torque
V = ω1r1r1
V = ω2r2 (ω2 > ω1)r2
ω1
ω2
LoadsVariable torque : load increases with speed and usually
associated with centrifugal fans and pumps. These applications usually have the greatest opportunities for energy saving as well as improved control.
Applications: fans, pumps (x=2) and roller (x=1)speed
Load torque
ω
Load torque α speedx
4
Applications
V/f control of Induction motorUnidirection and slow speed controlsEnergy saving applications
Vector controlControl capabilities of torque and speed simultaneously (constant torque, constant power loads) Bidirectional and fast speed control requirements
Applications
Constant torque (position control) applicationsConstant power applicationsVariable torque applicationsConstant line speed applications Consumer applications
5
Constant torque (position control) applications
Automatic warehouse
Possible technology used: Sensorless/sensored vector control
Benefits:1. การควบคุมตําแหนงของ fork สามารถทําไดงายและแมนยํา โดยการปรับความเร็วมอเตอรที่คาตํ่าๆ
2. สามารถปรับความเร็วมอเตอรใหสูงขึ้น เมื่อ fork อยูหางจากตําแหนงที่ตองการ เพื่อประหยัดเวลา
6
Crane systemPossible technology used: Sensorless/sensored vector control
Benefits:1. สามารถลดการ swing ของสิ่งของจากการปรับความเร็วตํ่า ของ traversing และrunning มอเตอร
2. การควบคุมตําแหนงของ hoist สามารถทําไดงายและแมนยํา
Constant power applications
7
Sectional paper machine system
Benefits:1. ระบบการควบคมุมอเตอรตาง ๆ ตองทํางานประสานงานกัน โดยใชเคร่ือง PLC เปนตัวสั่งการ inverter แตละตัว ผานระบบ network (เชน RS-485 เปนตน)
2. สามารถควบคุม ทั้งแรงบิด และความเร็วของมอเตอรในเวลาเดียวกันโดยใช vector control drive
Possible technology used: Sensorless/sensored vector control
Variable torque applications
8
Lens polishing machine
Benefits:1. ความเร็วของ Base และ Pad สามารถถูกปรับไดราบเรียบขึ้น
3. สามารถควบคุมความเร็วได 2 ทิศทาง
2. ในการปรับความเร็ว สามารถทําไดอยางรวดเร็ว
Possible technology used: Sensorless/sensored vector control
Surface grinder
2. สามารถควบคุม ความเร็วของ มอเตอรไดแมนยํา ตามชนิดของวัสดุที่ตองการขัดผิวสัมผัส (วัสดุยิ่งแข็ง มอเตอรตองหมุนเร็วขึ้น)
Benefits:1. สามารถเพิ่มความเร็วเกินพิกัดของ มอเตอรได (แตนอยกวา ความเร็วสูงสุด) อาจสูงถงึ 160 Hz
Possible technology used: Sensorless/sensored vector control
9
Feeding rate control of a crusher
Benefits:1. อัตราการขนสิ่งของ (ความเร็วมอเตอร) ถูกปรับตามสภาวะโหลด ของ crusher (หรือกระแสไฟฟาของมอเตอร)
2. ไมเกิด overload ที่ crusher เนื่องจากอัตราการขนสิ่งของคงที่ ที่ไมเหมาะสม ทําใหระบบการทํางานมีประสิทธิภาพดีขึ้น
Possible technology used: Sensorless/sensored vector control
Constant line speed applications
10
Conveyor
Benefits:1. อัตราผลผลิตเพิ่ม เนื่องจากความเร็ว conveyor สามารถถูกปรับตามชนิดของผลิตภัณฑ
2. มอเตอรทุกตัวหมุนดวยความเร็วเทากันโดยใช Inverter ตัวเดียว
Possible technology used: Sensorless/sensored vector control
Roll forming machine
2. มอเตอรทั้งสองตัวหมุนดวยความเร็วเทากันโดยใช Inverter ตัวเดียว
Benefits:1. ความเร็วมอเตอรสามารถถูกปรับตามความหนาที่ตองการ, ขนาดและรูปรางของแผนวัสดุ
Possible technology used: Sensorless/sensored vector control
11
Consumer applications
V/f control of induction motor (Inverter)
Air conditioner(ประหยัดคาไฟ $$$)
Washing machine
Water pump(ประหยัดคาไฟ $$$)
Treadmill
Blower(ประหยัดคาไฟ $$$)
12
Vector control of PM synchronous motor
Seqway transporterSewing machineWheelchair
Vector control of PM synchronous motor
Electric carIn-wheel motors
13
Vector control of PM synchronous motor
CNC machineCentrifuge
(up to 100,000 rpm)
การประหยัดพลังงาน (Energy Savings) โดยใช Inverter
14
ที่มาและความสําคัญในโลกปจจุบัน การประหยัดพลังงาน (energy savings) เปนสิ่งจําเปน
เรงดวนสําหรับมนุษย โดยมีปจจยัสาเหตุดังนี้ปญหาโลกรอน (Global warming) – ดานสิ่งแวดลอมราคาน้ํามันเชื้อเพลิงท่ีแพงขึ้น – ดานคุณภาพชีวิต, คาครองชีพ
อดีต
ที่มาและความสําคัญ
ประเทศ Germany ไดวางแผนการใชแหลงพลังงานในป คศ. 2025 ดังนี้20% primary carbon based fuels20% nuclear20% wind, PV, hydro, geothermal20% biomass20% energy savings (conservative percent)
พลังงานดั้งเดิม
พลังงานทดแทน
15
ทําไมถึงประหยัดพลังงานเมื่อใช Inverter ?(1) สามารถลด Inrush (starting) current ของมอเตอร จากวิธี Direct start ดวย
วิธี Soft start (คอย ๆ ปรบั input voltage มากขึน้ตอน start)กําลังไฟฟาสูญเสียขณะ Direct startInrush current ขณะ Direct start
Note: Motor starter ดวยวิธี Star-Delta ชวยลด Inrush (starting) current ในระดับหนึ่งเทานั้น (ลดลงประมาณ เทา)3
ทําไมถึงประหยัดพลังงานเมื่อใช Inverter ?
2
3
Q NH N
N
∝
∝
∝
Flow/VolumeHead/Pressure
Input Power
(2) สามารถปรับความเร็วมอเตอรในระบบควบคุมได แทนการแบบเปด-ปด มอเตอร เพื่อเลี่ยงการทํางานของมอเตอรที่ความเร็วพิกัด ซึ่งไมจําเปน
จากกฏ Affinity ของโหลดมอเตอร ประเภท FAN & PUMP : เราพบวาInput power ของมอเตอร ลดลงเมื่อความเร็วมอเตอรลดลง ตามความสัมพันธ ดังนี้
16
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
ทําไมถึงประหยัดพลังงานเมื่อใช Inverter ?
(75 kW)
ควบคุม pressure/flow ดวย Inverter (ปรับ N = 80%)
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
17
ทําไมถึงประหยัดพลังงานเมื่อใช Inverter ?
ประหยัดคาไฟฟาตอป = Value – Inverter = 1,642,500 - 840,960 = 801,540 บาท
VS
ตัวอยางระบบประหยัดพลังงานโดยใช Inverter
18
Automatic water supply system
Benefits:1. ประหยัดคาไฟ $$$ โดยแทนการทํางานแบบเปด-ปด มอเตอร
3. สามารถควบคุม pressure ไดแมนยํามากขึ้น
2. สามารถปรับ pressure ไดตามสภาพการใชงาน (กลางวัน, กลางคืน)
Possible technology used: V/f control of Induction motor
Flow control of ventilation fans
2. สามารถปรับและควบคุม temperature ใหเหมาะสมกับหมูไดดี
3. มีเสียงรบกวนหมูนอยลง เพราะใชการปรับความเร็วแทนการทํางานแบบเปด-ปด มอเตอร (เสียงจาก magnetic contactor)
Benefits:1. ประหยัดคาไฟ $$$ โดยแทนการทํางานแบบเปด-ปด มอเตอร
Possible technology used: V/f control of Induction motor
19
Constant temperature control for cooling tower water
2. สามารถควบคุม temperature ของ cooling water ไดแมนยํามากขึ้น
Possible technology used: V/f control of Induction motorBenefits:1. ประหยัดคาไฟ $$$ โดยแทนการทํางานแบบเปด-ปด มอเตอร
3. สามารถปรับความเร็วมอเตอรใหตํ่าลงในเวลากลางคืน เพื่อลดเสียงรบกวนลงได
สรุปประโยชนจากการใช Inverter
ลดการกระชากไฟฟาเริ่มตนประหยัดพลังงาน โดยใชพลังงานตามความจําเปนของโหลดลดคาบํารุงรักษาชวยยืดอายุการใชงานอุปกรณลด Break Down Time ของทั้งระบบใหนอยลงเพิ่มประสิทธิภาพการทํางานทัง้ระบบใหสูงข้ึน
20
EEE373 Electric Motor Drive
Lecture 12
Asst. Prof. Dr. Mongkol Konghirun EE, KMUTT