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