งานวิจัยที่ 1

การประชมเครอขายวชาการวศวกรรมไฟฟามหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล (EENET2008) 19-21 พฤศจกายน 2551, ภาควชาวศวกรรมไฟฟา, คณะวศวกรรมศาสตร, มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

การแกปญหาแรงดนตกในระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสสลบ

Improve the Performance of an ASD under Voltage Sags for an Induction Motor

พนศร วรรณการ

สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลพระนคร ศนยพระนครเหนอ 1381 ถ.พบลสงคราม แขวงบางซอ เขตบางซอ กทม. 10800 โทรศพท : 0-2913-2424 E-mail: [email protected]

บทคดยอ บทความวชาการนไดนาเสนอวธการแกปญหาแรงดนตกในระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสสลบ ซงแรงดนตกเกดขนไดในโรงงานอตสาหกรรม ถงแมจะเกดแรงดนตกเปนชวงสน ๆ ตงแต 5–20 รอบของลกคลนและมคาแรงดนตากวา 20% ของแรงดนพกดกสามารถทจะทาใหการทางานของระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสสลบทางานผดพลาดได โดยวธทนาเสนอนประกอบดวยไดโอดเพยงสามตว ตวเหนยวนาเพยงตวเดยวและแบตเตอรอกหนงตว ซงเปนวธทประหยด การออกแบบและจาลองทาใหเราทราบวาวงจรทนาเสนอสามารถแกปญหาแรงดนตกไดเปนทนาพอใจ

คาสาคญ: แรงดนตก , มอเตอรไฟฟากระแสสลบ , ไดโอด , ตวเหนยวนา

Abstract This article presents to improved the performance of an adjust speed drive (ASD) under voltage sags for an induction

motor. The voltage sag has often occurred in industrials. Even through the voltage sag has appear 5-20 cycles and caused system voltage has reduced to 20% of rated voltage. It has been found that the electric drive system for an induction motor can be error working. The proposed circuit has three diodes one inductor and one battery added into the conventional ASD system which has lower cost. Design and simulation results had been shown, which can be the solve voltage sag problem satisfactory.

Keywords: voltage sag , induction motor , diode , inductor

317


1. บทนา แรงดนตก คอ แรงดนทลดลงเปนเวลาหนงรอบ หรอหลายๆ วนาท (ดงรปท 1) แรงดนตกอาจจะเกดจากการเรมเดนของ

มอเตอร การปดวงจรหรอการปดหนาสมผสอยางรวดเรวของเบรกเกอร ปญหาทเกดจากแรงดนตกถงแมจะไมสามารถทาใหอปกรณไฟฟาตางๆ เสยหายมากนกแตกจะทาใหเกดการหยดชะงกของภาระทางไฟฟาทตอบสนองตอการเปลยนแปลงของแรงดนทรวดเรว เชน อปกรณขบเคลอนมอเตอรไฟฟาเปนตน แรงดนตกสามารถนยามไดวา คอ แรงดนทมขนาดตาวา 85% ของแรงดนพกด ปญหาแรงดนตกเปนปญหาเกยวกบคณภาพไฟฟาซงมผคนควาไวมากมาย [1,2,4] ซงขอมลการสารวจทผานมาพบวาปญหาเกยวกบคณภาพไฟฟาแรงดนตกเปนปญหาหลกททาใหเกดการรบกวนระบบไฟฟา ยกตวอยางเชนการสารวจใน [3] พบวา 68% ของการรบกวน เปนการรบกวนทเกดจากแรงดนตก และสวนใหญกทาใหระบบการผลตเกดการสญเสย ซงความสญเสยนกเกดจากการลดลงของแรงดนพกด 13% และมชวงเวลาทแรงดนตกตงแต 8.3 ms (1/2 ไซเคล) จากขอมลใน [1] ซงศกษาจากโรงงานทมระบบ ASD ตดตง 2 โรงงาน พบวา แรงดนทตกอยในชวง 12 ไซเคลหรอมากกวา และขนาดแรงดนตกตงแต 20 % ของแรงดนพกดขนไปจะทาใหระบบ ASD เกดการทางานทไมตอเนอง (trip ) ระบบ ASD สมยใหมนนมความไวตอการเปลยนแปลงของแรงดนมากกวาอปกรณประเภทประมวลผลขอมล ( data processing ) ในโรงงานประเภทสงทอและโรงงานกระดาษแรงดนตกเพยงชวงสนๆ อาจจะทาใหความเรวของมอเตอรทถกควบคมเกดการสนและไมราบเรยบ ซงจะทาใหสายงานการผลตเกดความเสยหายในทสด แรงดนตกชวงสนๆ จะทาใหแรงดนไฟตรงเชอมโยงลดลงอยางทนททนใดซงจะทาใหวงจรปองกนแรงดนตกของ ASD ทางาน เปนผลทาใหระบบการผลตของสายงานทตองการผลตตอเนองเกดการหยดชะงก ซงจะทาใหเกดการสญเสยคาใชจาย ในรปท 1 (ก) แสดงรปคลนแรงดนตกหนงเฟสและรปท 1 (ข) แสดงรปคลนผลตอบสนองแรงดนไฟตรงเชอมโยง การลดลงของแรงดนไฟตรงเชอมโยงน จะทาใหระดบแรงดนในการทรกของระบบ ASD เพมขน และเปนปญหาทพบบอยๆ ในการทาใหการทางานของ ASD หยดชะงก รปท 3 แสดงวงจรเพมแรงดน(boost converter) เปนวงจรตนแบบในการใชรกษาระดบแรงดนใหคงทเมอเกดสภาวะแรงดนไฟฟาตก[5] เมอเกดสภาวะแรงดนตก IGBT จะทางานในลกษณะเปดและปด เพอรกษาระดบแรงดนดานเอาตพตใหมคาเทากบแรงดนทพกด แตขอเสยของวงจรน คอ

( 1 ) ไดโอด D ตออนกรมและเปนทางผานของกระแสพกด ( 2 ) คาความเหนยวนา L มความจาเปนมากและตองมขนาดใหญเนอง จากเปนทางผานของกระแสพกดและตองรองรบ

กระแสทความถสงในสภาวะเกดแรงดนไฟฟาตก

รปท 1 รปคลนในขณะเกดสภาวะแรงดนตก

(ก)

(ข)

318


รปท 2 รปคลนกระแสในขณะเกดสภาวะแรงดนตก

รปท 3 วงจรเพมแรงดนแบบเกา

รปท 4 วงจรภาคกาลงของระบบ ASD โดยทวไป

สวนวงจรภาคกาลงของระบบขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสสลบ(ASD) โดยทวไปทยงไมไดแกปญหาแรงดนตกเทาทควรแสดงดงรปท 4

(ก)

(ข)

(ค)

319


2. วธทนาเสนอเพอปรบปรงปญหาแรงดนตก วธทนาเสนอเปนวธทมการดดแปลงเพอใหราคาถกโดยประกอบดวยไดโอด D7 , D8 , D9 และตวเหนยวนา L ดงรปท 5

ซงจะตออยทดานวงจรเรยงกระแสในระบบ ASD ในทองตลาด โดยไดโอดเหลานจะทาหนาทเปนวงจรเรยงกระแสในภาคอนพตใหกบวงจรเพมแรงดนทประกอบดวยตวเหนยวนา ( L ) , IGBT ( Qdb ) และไดโอด ( Ddb ) โดยสามารถนาไปตอเขากบระบบ ASD ทมขายในทองตลาดได เมอแรงดนตกถกตรวจจบได IGBT ( Qdb ) จะทาการสวตซดวยความถสวตซทคงท ( fs ) ในขณะเดยวกน แรงดนไฟตรงเชอมจะถกตรวจจบเพอปอนกลบเขามาเพอควบคมคาดวตไซเคล ในสภาวะทสวตซหยดการทางานพลงงานทสะสมในตวเหนยวนา ( L ) จะถกสงผานไปยงสวนเชอมโยงไฟตรง โดยวธทนาเสนอมประโยชน ดงน

(1) ราคาถก เนองจากเปนวงจรทประกอบดวยอปกรณเพยงเลกนอยและควบคมงาย (2) ไมจาเปนตองมอปกรณอเลคทรอนกสกาลงตออนกรมกบทางผานของกระแสพกด (3) วธทนาเสนอนสามารถนาไปใชกบระบบ ASD ทตดตงอยกอนแลวได

รปท 5 การทางานวงจร

จากรปท 5 ไดโอด D10 และแหลงจายไฟ E นามาตอเขากบวงจรเพอใชเปนแหลงจายไฟสารองใหกบวงจรเพมแรงดน เมอเกด

สภาวะการหยดชะงกของแหลงจายแบบสนๆ (short-term power interruption) ประโยชนหลกของวธนทนาเสนอคอไมมอปกรณอเลกทรอนกสกาลงใดๆ ตอเปนทางผานของกาลงไฟฟาหลกและมราคาถก อกทงอปกรณทนามาสรางเปนวงจรตนแบบกมพกดเปนเศษสวนของพกดระบบ ASD การวเคราะหและการออกแบบรวมทงการจาลองจะนาเสนอในบทความน ขนาดของระบบ ASD ทจาลองมขนาด 220/380 V 10 hp

320


3. วเคราะหวธทนาเสนอ รปท 5 อธบายรายละเอยดของวงจรทนาเสนอประกอบดวย D7 , D8 , D9 และ D4 , D6 , D2 ซงเปนวงจรเรยงกระแสสาม

เฟสแบบบรดจ ตวเหนยวนา L ทตออยกบ Qdb และ Ddb เปนวงจรเปลงผนแบบเพมแรงดน เมอสภาวะแรงดนไฟฟาตกถกตรวจจบได IGBT Qdb จะเรมทางาน เนองจากในขณะทเกดสภาวะแรงดนตก แรงดนไฟตรงเชอมโยงจะขนอยกบการทางานของไดโอด D7 , D8 , D9, D4 , D6 , D2 และวงจรแปลงผนแบบเพมแรงดน ( Qdb , Ddb ) ดงนนในสวนนจะทาการวเคราะหหาพกดกระแสคายอด (peak inductor current) ทไหลผานตวเหนยวนาเพอหาพกดกาลงไฟฟาของตวเหนยวนาขอวงจรแปลงผนแบบเพมแรงดน

3.1 กระแสสงสดของตวเหนยวนา

ในสภาวะแรงดนตก IGBT Qdb จะทางานแบบ เปด-ปด ซงกาหนดจากคาดวตไซเคล และจะถกควบคมเพอปรบเปลยนในลกษณะลปเปด การวเคราะหวงจรเรมดวยการสมมตการทางานของวงจรแปลงผนแบบเพมแรงดนทางานทความถสงและทางานในโหมดนากระแสไมตอเนอง (discontinuous current mode) กระแสไฟฟาคายอดและพกดกาลงไฟฟาของตวเหนยวนาสามารถคานวณไดดงน

,,2L peak

ll sagon

IL V

t= × (1)

เมอ sag,llV คอ แรงดน rms ทสายในสภาวะแรงดนตก

paek,LI คอ กระแสไฟฟาคายอดทไหลผาน L

ont คอ ชวงเวลาในสถานะ ON ของ IGBT Qdb จากสมการท ( 1 ) เขยนใหมไดวา

, max,

2 ( )ll sagL peak

s

V DI

L f× ×

=×

(2)

, max

,

2 ( )ll sag

s L peak

V DL

f I× ×

=×

(3)

เมอ maxD คอ คาดวตไซเคลสงสดของสวตซในวงจรแปลงผนแบบเพมแรงดน

sf คอ ความถในการสวตซของวงจร boost

เมอทราบคา smaxsag,ll f,D,V และ peak,LI แลว คาตวเหนยวนา L กสามารถคานวณได และคา peak,LI ทคานวณได

จะใชเปนคากระแสพกดของ IGBT Qdb และ Ddb ดวย

321


3.2 ตวอยางการออกแบบ ตวอยางการออกแบบนจะใชกบระบบ ASD 460V ทพกด 10 kW

, 460 VLL rmsV =

10 kWOP =

OV ( แรงดนไฟตรงเชอมโยง ) 3 2 1.35 620VLL LLV Vπ

= × = × =

OI (กระแสดานไฟตรงเชอมโยง ) = 16.13 AO

O

PV

=

aI (กระแส rms ดานแหลงจายเฟส "a”) = 2 13.17A3 OI× =

สมมตวา , 2 26.34AL peak aI I= × = ความถในการสวตซ max8 kHz , 0.5sf D= = จากสมการท (3) จะได 1.54 mHL = 4. ผลการจาลอง

การจาลองการทางานของวงจรวธทนาเสนอ จาลองโดยใชโปรแกรม Pspice สวตซในอดมคตจะถกนามาใชแทน IGBT Qdb ผลการจาลองการทางานของวธทนาเสนอแสดงไวในรปท 6 โดยในรปท 6(ก) แสดงใหเหนลกษณะการเกดแรงดนตกทเวลา 0.2-0.7 sec คาแรงดนลดลง 50% ของแรงดนพกดและมความยาวนาน 25 ลกคลน และในรปท 6 (ข) แสดงรปคลนแรงดนไฟตรงเชอมโยงกอนและระหวางการเกดสภาวะแรงดนตก สงเกตเหนไดวาแรงดนไฟตรงเชอมโยงมคาเทากบแรงดนไฟตรงตามทตองการ สวนรปท 7 (ก) ถง (ค) แสดงรปคลนกระแสอนพตในเฟส a, b และ c ตามลาดบ

รปท 6 ลกษณะแรงดนดาน DC – Link กอนและหลงสภาวะแรงดนตก

(ก)

(ข)

322


รปท 7 ลกษณะกระแสเฟส a,b และ c กอนและหลงสภาวะแรงดนตก

4. บทสรป บทความนไดนาเสนอวธการปรบปรงการทางานของระบบ ASD ภายใตสภาวะแรงดนตกและการหยดชะงกของกาลงไฟฟา

ชวงสนๆ วธทนาเสนอนตองการไดโอดเพยงสามตวเทานนและงายตอการควบคม การจาลองการทางานของวธทนาเสนอไดแสดงใหเหนวาไดผลการทางานเปนทนาพอใจ สามารถแกปญหาแรงดนไฟฟาตกไดและสามารถนาไปประยกตใชในงานดานอนนอกเหนอจากการนาไปใชงานเพอขบเคลอนมอเตอรไฟฟากระแสสลบขนาด 10 แรงมา

5. กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณ คณสวทย คาสวาง ทชวยคนควาขอมลในการเขยนบทความน เอกสารอางอง [1] H. G. Sarmiento, E. Estrada, “A voltage sag study in an industry with adjustable speed drives” , IEEE Industry Applications Magazine, January/February 1996. [2] Wandell W. Carter, “Control of power quality in modern industry” , IEEE Annual Textile Industry Technical conference, Cat.#89CH2697-1, 1989, pp. 11/1-4. [3] J.E. Flory,et al, “The electrical utility-industrial user partnership in solving power quality problems” , IEEE Transactions on Power Systems, vol. 5, no. 3(August 1990),pp 878-886. [4] V. E Wagner, A. A. Andreshak and J.P. Staniak, “Power quality and factory automation” , IEEE Transactions on Industry Applications, July/Aug. 1990. [5] EPRI Power Electronics Application Center, Brief No. 34, “Performance of an ASD ride-through device during voltage Voltage sags”, PQTN Power Quality Testing Network, May 1996.

(ก)

(ข)

(ค)

323

งานวิจัยที่ 1

Documents

Transcript of งานวิจัยที่ 1