พื้นฐานการทำงานของ AC Drive และ VFD (แปล)

/, Motor Drive, Power Electronics/พื้นฐานการทำงานของ AC Drive และ VFD (แปล)

พื้นฐานการทำงานของ AC Drive และ VFD (แปล)

Electrical Drives คืออะไร? การทำงานและโครงสร้างภายในของมันเป็นยังไง

Electrical drive เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการควบคุมทางอุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติทั่วไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการควบคุมความเร็วของมอเตอร์อย่างแม่นยำนั้น เราจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องใช้ Electrical drive  นอกจากที่จะเห็นการใช้งานอย่างมากในกระบวนการอัตโนมัติในภาคอุตสาหกรรมแล้วนั้น เราอาจจะคุ้นเคยกันดีในการใช้งานระบบรถไฟฟ้าต่างๆตามบ้านเรา (BTS, Airport rail link, รถไฟฟ้าสายสีม่วง) หรือระบบหัวรถจักรที่ทันสมัยทั้งหมด (รถยนต์ไฟฟ้าทั้งหมด) ล้วนแต่ได้รับการขับเคลื่อนโดยการใช้หลักการของ Electrical drive ทั้งสิ้น  หุ่นยนต์ก็เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่ใช้หลักการของ Electrical Drive ในการควบคุมการทำงานของแขนและขาของมัน

ในชีวิตประจำวันของเรานั้น เราสามารถเห็นหรือใช้งานอุปกรณ์ที่ประดิษฐ์ขึ้นจากหลักการของ Electrical Drive ได้อย่างมากมายโดยที่เราอาจจะไม่รู้เลยก็ได้ว่าเรากำลังใช้งานมันอยู่ก็เป็นไปได้ เครื่องซักผ้า ที่โกนหนวดไฟฟ้า เครื่องปรับอากาศ ประตูอัตโนมัติตาม 7 eleven ล้วนแล้วแต่ใช้หลักการของ Electrical drive ทั้งสิ้น

Drive ดียังไง ทำไมเราถึงต้องการมัน

Drive มีความสามารถที่จะควบคุมความเร็ว แรงบิด และทิศทางของการเคลื่อนย้ายวัตถุ Drive มักจะใช้สำหรับการใช้งานการควบคุมความเร็วหรือการเคลื่อนไหว เช่น พวกเครื่อง CNC การลำเรียงต่างๆในระบบอัตโนมัติ การควบคุมพัดลมขนาดใหญ่ การควบคุมปั้มน้ำต่างๆ เป็นต้น  แต่เมื่อใช้กับการควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้านั้น ปกติเราจะเรียก Electrical Drives.

Drive มีอยู่สองลักษณะ คือ ปรับความเร็วรอบไม่ได้ (Soft starts) กับสามารถปรับความเร็วได้ ( Inverter, Servo Drive, Spindle Drive)
ซึ่งลักษณะของการต้องการการใช้งานก็จะแตกต่างกันไปตามลักษณะของงานที่ต้องการจะใช้กับ Drive ปั้มน้ำไม่ต้องการปรับความเร็ว ก็อาจจะใช้แค่ Soft starts ในการควบคุมมันก็ได้ ซึ่งก็สามารถประหยัดค่าใช้จ่ายไปได้อีกประมาณหนึ่ง เพราะปกติ Soft starts จะถูกกว่า พวก Inverter อยู่แล้ว

.

แล้ว Drive มันมีข้อดีอย่างอื่นอีกไหม

นอกจากความสามารถในการควบคุมความเร็ว ตำแหน่ง แรงบิด ในโหลดที่แตกต่างกันนั้นแล้ว ก็มีอีกหลายเหตุผลที่ควรจะใช้ Drive ในระบบต่างๆ เราอาจจะสามารถยกตัวอย่างได้ดังนี้

  • เพื่อให้เกิดการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงสุด : Drive มีหลายขนาดตั้งแต่ขนาด milliwatts จนถึง megawatts ซึ่งก็เป็นประโยชน์ต่อการเลือกใช้ให้เหมาะสมกับขนาดของงาน
  • เพื่อการควบคุมความเร็วของการหยุด หรือการหมุนกลับอย่างถูกต้อง
  • สามารถควบคุมปริมาณกระแสขณะเปิดระบบได้ (Starting current เป็นสาเหตุหนึ่งของการเพิ่มของค่าไฟฟ้า)
  • เพื่อเป็นการป้องกันการกระทำระหว่าง Motor กับ แหล่งจ่าย : เมื่อเกิดความผิดปกติ Drive จะมีฟังก์ชั่นที่ป้องกันและจะหยุดทำงานหรือเกิด Alarm ขึ้นที่ Drive  จากผลของฟังก์ชั่นป้องกันนี้แล้วนั้น อันตรายที่เกิดจากไฟไหม้ก็จะเป็นไปได้ยากยิ่งขึ้น
  • เพื่อการควบคุมในขั้นสูง : อาจจะใช้ Drive ในการต่อโดยต่อกับ Sensor ภายนอกได้ ไม่ว่าจะเป็น Temp Sensor หรือ Pressure Sensor ก็สามารถต่อเข้ากับ Drive ได้

Block Diagram ของ AC Electric Drive

ส่วนประกอบของ AC Electric Drive สมัยใหม่ตามรูปด้านล่างครับ

เมื่อพิจารณาจาก Blog diagram ด้านบนแล้ว จะเห็นว่าส่วนประกอบหลักๆของ Electric drive ประกอบไปด้วย Power Processor (power electronic converter), Electric Motor, Controller, Sensor ( e.g. PID Controller ) โดยที่มีมอเตอร์ไฟฟ้าต่อโดยตรงเข้ากับโหลด มอเตอร์จะเป็นกำลังหลักในระบบ Electric Drive ซึ่งเปลี่ยนพลังงานทางไฟฟ้า ไปสู่พลังงานกล มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถเป็นได้ทั้ง AC หรือ DC ขึ้นอยู่กับลักษณะของโหลด

Power processor หรือบางครั้งอาจจะเรียกว่า Power modulator มีพื้นฐานมาจาก Power Electronics converters ซึ่งมีหน้าที่หลักในการควบคุมการไหลของกำลังไฟฟ้าไปสู่มอเตอร์ สามารถปรับความเร็วของมอเตอร์ได้ หมุนกลับได้ และสามารถเบรคมอเตอร์ได้ด้วย พื้นฐาน Power Electronics Converters ประกอบไปด้วย AC-AC,AC-DC,DC-AC,DC-DC ซึ่งมีพื้นฐานมาจากวิชา Power Electronics ของสายที่เรียนทางด้านไฟฟ้า

The Controller จะทำหน้าที่ในการสั่งการ  Power processor ว่าจะต้องสร้างกำลังไฟฟ้าไปสู่มอเตอร์เท่าไหร่ โดยการจ่ายสัญญาณควบคุมไปที่ Main switches หลังจากเปรียบเทียบกับสัญญาณที่ได้จาก Sensor แล้ว โดยทั่วไปจะใช้ Microcontroller  , Microprocessor, DSP processor ในการสั่งการ

เมื่อใช้ DC Motor เป็นต้นกำลังหลัก เราจะเรียกระบบนั้นว่า DC Drive เช่นกันถ้าต้นกำลังหลักเป็น AC Motor เราก็จะเรียกมันว่า AC Drives ในบทความนี้เราจะพูดถึงแค่เรื่องราวของ AC Drives ก่อน

การจำแนกประเภทของ AC Drives

ที่จริงแล้วมอเตอร์ที่ใช้สำหรับ AC Drives ก็มีอยู่มากมายหลายชนิด แต่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมก็จะเป็นมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบสามเฟส ซึ่งรายละเอียดอาจจะได้อะิบายกันในบทความถัดไป  AC drive สามารถเรียกได้หลายชื่อ ไม่ว่าจะเป็น variable frequency drive (VFD), หรือเรียกว่า variable speed drive (VSD), หรืออาจจะเป็น adjustable speed drive (ASD) ซึ่งล้วนแล้วแต่สามารถเรียกได้หมดทั้งสิ้น 

AC Drives มีหลากหลายรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็น Inverter, Servo Drive , Spindle Drive นั้น แต่หลักการทำงานของมันจะเหมือนกันคือ การแปรผันพลังงานฝั่งขาเข้า (แหล่งจ่าย) ที่มี voltage & ความถี่ แบบคงที่ สู่แรงดัน & ความถี่ แบบแปรผันทางฝั่งขาออก (มอเตอร์) ความถี่ของ Drive จะควบคุมว่ามอเตอร์ว่าต้องการหมุนเท่าไหร่ ในขณะที่การรวมกันของ แรงดัน & ความถี่ จะเป็นตัวกำหนดแรงบิดทั้งหมดที่มอเตอร์จะผลิตออกมา

VFD จะประกอบไปด้วย  power electronic converters, filter, central control unit (a microprocessor or microcontroller) และ sensing devices. block diagram ของ typical VFD แสดงในรูปด้านล่าง

ส่วนประกอบของ variable frequency drive (VFD) ได้แก่

Rectifier and Filter : Rectifier Section จะเปลี่ยนกำลังแบบกระสลับสู่กำลังแบบกระแสตรงซึ่งมีคลื่นเล็กน้อย ยังไม่ใช่กระแสตรงที่สมบูรณ์ ส่วนใหญ่ Rectifier Section จะทำจาก Diode ซึ่งไม่สามารถควบคุม Output ได้  หลังจากที่ได้กำลังที่ไม่ค่อยเรียบจาก Diode แล้วนั้น filter sectionจะทำหน้าที่กรองให้มันเรียบขึ้นโดยใช้หลักการของตัวเก็บประจุช่วยในการกรอง จำนวนของ Diode จะขึ้นกับชนิดของแหล่งจ่าย สมมุติเช่น ถ้าใช้ไฟสามเฟส ก้จะมี diode ทั้งหมด 6 ตัวในวงจร rectifier (six pulse converter) ถ้าไฟเฟสเดียวก็จะใช้ทั้งหมด 4 ตัว เป็นต้น

[Ad.] เช็คราคา อินเวอร์เตอร์ Mitsubishi Electric Click

Inverter นำกำลังกระแสตรงที่ได้จาก rectifier section แล้วแปลงกลับไปเป็นกำลังกระแสสลับที่สามารถเปลี่ยนแปลง voltage และ ความถี่ได้ภายใต้การควบคุมของ microprocessor หรือ microcontroller. ส่วนนี้จะประกอบด้วยการต่ออนุกรมและขนาน 6 ตัว ของ transistors, IGBTs, SCRs,หรือ MOSFETs (โดยอาจจะเรียกว่าสวิตซ์หลัก) และควบคุมการเปิด/ปิดโดยสัญญาณจากส่วนควบคุม โดยการใช้หลักการเปิด/ปิด สวิตซ์หลักที่เกิดขึ้นจากส่วนควบคุมนี้เองจะทำให้เราสามารถควบคุมรอบของมอเตอร์ได้

Controller เป็นส่วนควบคุมหลักที่ทำจาก microprocessor หรือ microcontroller เมื่อได้รับสัญญาณจาก sensor และ สัญญาณควบคุมจากฝั่งผู้ใช้แล้วจะมีการประมวรผล แล้วส่งสัญญาณไปควบคุมการเปิด/ปิดสวิตซ์หลักเพื่อที่จะควบคุมการจ่ายกำลังไปที่มอเตอร์ การเกิด alarm ต่างๆจะควบคุมโดย Controller การควบคุมอุณหภูมิของ Drive การสั่งการให้หยุดทำงานก็ควบคุมจากส่วนนี้ หรืออาจจะเป็นการต่อไปที่ PC เพื่อควบคุมแบบเรียลไทม์ ก็จะถูกต่อมาที่ส่วน Controller

หลักการทำงานของ Variable Frequency Drive (VFD)

เรารู้อยู่แล้วว่า ความเร็วรอบของมอเตอร์เหนี่ยวนำเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของแหล่งจ่าย (N = 120f/p) และถ้าเราแปรผันความถี่ของแหล่งจ่ายเราก็จะได้ความเร็วรอบของมอเตอร์ที่แตกต่างกันไป   ก็ดูเหมือนว่าจะสามารถใช้ได้ดีเลยทีเดียวสำหรับการปรับความเร็วรอบมอเตอร์อย่างง่าย แต่ว่าปัญหาจะเกิดขึ้นแน่นนอน เมื่อเราลดความถี่ลง มอเตอร์จะหมุนช้า แรงบิดจะเพิ่มขี้น กระแสที่ rotor ก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย flux ที่ถูกผลิตมาจากฝั่ง stator ก็จะมากขึ้นตามไปด้วย เมื่อ flux เพิ่มขี้นก็จะเป็นสาเหตุของการเพิ่มขึ้นของสนามแม่เหล็กสู่ระดับอิ่มตัว ทางแก้อย่างเดียวที่ไม่ให้ flux อิ่มตัวก็คือการลดขนาดของแหล่งจ่าย

ดังนั้น ทั้งแรงดันไฟฟ้าและความถี่ต้องถูกเปลี่ยนแปลงในอัตราส่วนที่คงที่ เพราะต้องการควบคุม flux ให้ได้ เพราะถ้าควบคุม flux ได้เราก้จะสามารถควบคุมแรงบิดของมอเตอร์ได้นั้นเอง แรงบิดควรจะคงที่ตลอดช่วงการทำงานของอัตราส่วนระหว่างแรงดันและความถี่  v/f

ในรุปด้านบนแสดงแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์เหนี่ยวนำสำหรับ การควบคุมแบบใช้แรงดันและกระแส ในรูปแรงดันและกระแสเปลี่ยนแปลงในระดับคงที่จากระดับความเร็วต่ำสุด ดังนั้น flux และ torque ของมันก็เปลี่ยนแปลงจากระดับต่ำสุดเช่นกัน เราเรียกช่วงนี้ว่า constant torque region

เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนได้ถึงค่าที่กำหนดเท่านั้น และด้วยสาเหตุนี้ความเร็วที่แรงดันไฟฟ้าค่าสูงสุดจะเป็นความเร็วฐาน ถ้าความถี่เพิ่มขึ้นเกินค่าความเร็วฐานสนามแม่เหล็กจะลดลงและทำในแรงบิดตกลงไป ช่วงนี้จะถูกเรียกว่า flux weakening  หรือ constant power region

การควบคุมลักษณะนี้เรียกว่าการควบคุมแบบ v/f จะถูกใช้ใน  variable frequency drives (VFDs) และถูกใช้ในการควบคุมอีกหลายๆแบบในวงการอุตสาหกรรม สมมติว่ามอเตอรืเหนี่ยวนำต่อกับ แหล่งจ่าย ขนาด 460V และความถี่เท่ากับ 60Hz ดังนั้นอัตราส่วนจะเท่ากับ 7. 67 V/Hz (as 460/60 = 7.67) ตราบเท่าที่อัตราส่วนนี้คงสัดส่วนไว้มอเตอร์จะสร้างแรงบิดและความเร็วรอบตามอัตราที่กำหนด

รูปแบบการควบคุมที่ใช้ใน VFD

อาจจะมีหลายเทคนิคที่ถูกพัฒนาสำหรับการใช้ใน VFD  แต่อาจจะสามารถระบุหลักการควบคุมโดยหลักได้ตามด้านล่าง

  • Scalar Control
  • Vector Control
  • Direct Torque Control

Scalar Control

ในกรณีนี้ขนาดของแรงดันและกระแสจะถูกควบคุมโดยการรักษาระดับของอัตราส่วนของแรงดันและกระแส v/f ให้คงที่ ( ค่า scalar จะนำไปสู่การควบคุมความเร็วและแรงบิด) มอเตอร์จะหมุนโดยแรงดันและความถี่ที่เปลี่ยนไปจากการสร้างสัญญาณควบคุมจากส่วนควบคุมของ Inverter ที่แตกต่างกัน

การควบคุมอินเวอร์เตอร์สารมารถ ควบคุมได้หลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็น microcontroller, microprocessor  หรือ digital controller อื่นๆซึ่งก็แล้วแต่ผู้ผลิต การควบคุมนี้ถูกใช้อย่างกว้างขวางเพราะมันใช้ความรู้แค่นิดเดียวก็สามารถเข้าใจมันได้

Sinusoidal PWM

การควบคุม Inverter แบบนี้ ความถี่ของสวิตซ์หลักจะแปรผันตรงขึ้นกับสัญญานควบคุมเปรียบเทียบกับสัญญาน average หรือ RMS ของ Output voltage ซึ่งก่อให้เกิดสัญญาน PWM เพื่อไปขับสวิตซ์หลักนั่นเอง ( 6 step IGBT or TR )  ในกรณีที่สัญญาน PWM ที่ได้มีจำนวน Pulse ที่กว้าง ก็จะทำให้ได้สัญญาน Sine ที่ Output ที่กว้างเช่นกัน ข้อดีอย่างหนึ่งของการควบคุมแบบนี้ คือการได้รูปคลื่นกระแสที่ค่อนข้างจะเป็น Sine Wave ที่ดีเลยทีเดียว

เพียงการคำนวณเพียงนิดเดียวก็สามารถใช้หลักการนี้ในการควบคุมสวิตซ์หลักได้แล้ว แต่ทวาการใช้ PWM ในการควบคุมนั้นมีข้อเสียอย่างหนึ่งที่ การก่อให้เกิด harmonics ขึ้นในระบบไฟฟ้าเป็นอย่างมาก  ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการเป็นอย่างเป็นที่สุดในระบบไฟฟ้าพื้นฐาน

Six-Step PWM

ในวิธีนี้อินเวอร์เตอร์จะมีสถานะสวิตซ์ชิ่ง 6 สถานะที่แตกต่างกันและมีการเปลี่ยนลำดับที่เฉพาะเจาะจงเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าและความถี่ตัวแปรให้กับมอเตอร์ การพลิกกลับทิศทางของมอเตอร์สามารถทำได้สำเร็จโดยการเปลี่ยนลำดับเฟสเอาต์พุทของอินเวอร์เตอร์โดยใช้มุมยิง

วิธีนี้สามารถใช้งานได้ง่ายเนื่องจากไม่มีการคำนวณอะไรมากมายเหมือนกัน แต่ว่ามันจะสร้างสัญญานขนาดของแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานที่สูงกว่าแรงดันไฟตรงที่จ่ายให้กับมัน ส่วนในเรื่องของ harmonics นั้น วิธีการนี้ก็ยังก่อให้เกิด harmonics ที่ค่อนข้างสูงเหมือนกันและที่สำคัญมันไม่สามารถถูกกรองออกไปด้วยตัวเหนี่ยวนำอีกด้วย ผลที่ตามมาก็คือ เกิดการสูญเสียขึ้นในการทำงานของมอเตอร์และมอเตอร์จะสร้างสร้างแรงบิดที่มี ripple สูง

Space Vector Modulation PWM (SVPWM)

ในเทคนิคนี้ เวกเตอร์ของแรงดันสามเฟสของมอเตอร์เหนี่ยวนำจะถูกแปลงเป็นเวกเตอร์แบบเฟสเดียว อินเวอร์เตอร์ของ VSD สามารถใช้งานได้ถึง 8 สถานะ แรงดันไฟฟ้า PWM ต่อโหลดสามารถทำได้โดยการเลือกสถานะสวิทช์ของอินเวอร์เตอร์อย่างถูกต้องและโดยการคำนวณระยะเวลาที่เหมาะสมสำหรับแต่ละสถานะ

โดยการใช้ space vector transformation คลื่นไซน์สามเฟสถูกสร้างขึ้นสำหรับแต่ละสถานะ ซึ่งจะถูกนำมาใช้กับมอเตอร์ได้

ข้อได้เปรียบหลักของเทคนิคนี้คือค่าความเข้มของฮาร์มอนิกต่ำกว่า Six-Step PWM แต่อย่างไรก็ตามวิธีการนี้ก็ยังไม่ใช่วิธีที่ดีที่สุด ยังต้องการการพัฒนาต่อไป

Vector Control

วิธีการนี้บางที่ถูกเรียกว่า flux oriented control, field oriented control, หรือ indirect torque control การควบคุมแบบนี้ทำได้โดยการแปลงสัญญานกระแส 3 เฟส ไปสู่สัญญานอ้างอิงแบบ 2 แกน (d-q) โดยการใช้การแปลงแบบ Clarke-Park transformation  สัญญานส่วนประกอบ ‘d’ อ้างอิงถึงการผลิต Flux ของกระแสที่ขดลวด Stator และ ‘q’ คือส่วนที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมแรงบิดของตัวมอเตอร์

คอมโพเนนต์ทั้งสองถูกควบคุมโดยอิสระผ่านตัวควบคุม PI ซึ่งแยกจากกันและผลลัพธ์ของตัวควบคุม PI จะเปลี่ยนกลับไปเป็นระนาบอ้างอิงแบบสามมิติโดยใช้ Inverse of the Clarke-Park transformation.

การใช้เทคนิคการควบคุมเวกเตอร์นี้ ทำให้เกิดการควบคุมแบบต่างๆขึ้นอีกมากมาย ไม่ว่าจะเป็น การควบคุม flux oriented ที่ขดลวด stator  หรือจะเป็น การควบคุม flux oriented ที่ rotor และแม้กระทั่งการควบคุม magnetizing flux oriented ก็ล้วนใช้พื่นฐานมาจากการควบคุมแบบเวกเตอร์

การควบคุมแบบเวกเตอร์จะให้การตอบสนองต่อแรงบิดที่ดีขึ้นและการควบคุมความเร็วที่ถูกต้องเมื่อเทียบกับการควบคุมแบบ Scalar แต่จำเป็นต้องใช้อัลกอริทึมที่ซับซ้อนสำหรับการคำนวณความเร็วและจะใช้ค่าใช้จ่ายที่มากกว่าการควบคุมแบบ Scalar

Direct Torque Control

วิธีการนี้ไม่มีรูปแบบการควบคุมแบบคงที่เมื่อเทียบกับการควบคุมเวกเตอร์แบบดั้งเดิม จะสลับการปิด เปิดอินเวอร์เตอร์ตามความต้องการของโหลด เทคนิคนี้ทำให้เกิดการตอบสนองที่สูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการเปลี่ยนแปลงของโหลดเนื่องจากการสามารถเปลี่ยนแปลงการควบคุมได้ตลอดเวลา มันช่วยลดการใช้สัญญาณ feedback และทำให้การควบคุมความเร็วถูกต้องกว่าแบบเดิมถึง 0.5% เทคนิคนี้ใช้โมเดลแบบปรับตัวซึ่งขึ้นอยู่กับนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎีมอเตอร์พื้นฐาน

การควบคุมแบบนี้จำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องใช้ parameter พื้นฐานของมอเตอร์ เช่น stator resistance, saturation co-efficiency, mutual inductance เป็นต้น โดยข้อมูลที่ต้องการจะเป็นข้อมูลเมื่อยังไม่มีการหมุนมอเตอร์ใดๆทั้งสิ้น การคำนวณความถูกต้องของแรงบิดและ flux ของมอเตอร์จะพิจารณาจาก Input ดังเช่น DC bus voltage input, ตำแหน่งปัจจุบันของ Switches และกระแส Line  สัญญานอินพุตพวกนี้จะเป็นตัวกำหนด แรงบิด และ flux ที่ฝั่ง output ที่ต่อใช้งานโดยตรงไปที่มอเตอร์

By | 2017-12-06T16:30:28+00:00 May 10th, 2017|Inverter, Motor Drive, Power Electronics|Comments Off on พื้นฐานการทำงานของ AC Drive และ VFD (แปล)

About the Author: