afe artical in technic · front end (afe) ขึ้นมา เพื่อชดเชยข อ...
TRANSCRIPT
Page 1 of 7
AC Drivesในรูปแบบของ Active Front End
เกิดผลดีทั้งในดานสมรรถนะของตัวไดรฟ และระบบไฟฟาและสงผลตอเนื่องไปถึงเสถียรภาพสายการผลิตโดยรวม
ในอดีตวงจรภาคกํ าลังท่ีทํ าหนาท่ีแปลงไฟฟากระแสสลับใหเปนไฟฟากระแสตรง หรือที่มีชื่อเรียกวา วงจรภาคเรกติไฟเออร ของระบบ ACvariable speed drive นั้นจะมีวงจรบริดจท่ีใชไทริสเตอรประเภท SCRขอดีของการใช SCR ก็คือ ระบบสามารถคืนพลังงานใหกับแหลงจายได ในสมัยนั้นวงจรภาคอินเวอรเตอรก็จะเปนแบบวงจรบริดจท่ีใชไทริสเตอรประเภท SCR เชนกัน การทํ างานของภาคอินเวอรเตอรจะเปนในลักษณะของ six step inverterและปรับ V/F ใหคงที่ดวยการปรับVoltage จากภาคเรกติไฟเออรสวนFrequesncy ปรับท่ีภาคอินเวอรเตอร ตอมาเมื่อมีการพัฒนา PWMinveter ขึ้นมา ก็ไดเปล่ียนอุปกรณอิเล็กทรอนิกสกํ าลังท่ีภาคเรกติไฟเออรจาก SCR มาเปนไดโอด ซึ่งก็มีขอดีในสวนท่ีเราไมตองสนใจท่ีจะตองไปควบคุมภาคเรกติไฟเออร แตก็มีขอเสียในเรื่องของการที่พลังงานไหลไดทิศทางเดียว ดังน้ันเมือ่งเราตองการเบรกหรือตองการคืนพลังงานใหกับแหลงจาย ระบบจะตองถูกออกแบบเพิ่ม เชน ถาตองการเบรกโดยไมคืนพลังงานใหกับระบบ เราก็จะตองหาความตานทานมาตอที่ภาค DC link แตถาตองการคืน
พลังงานใหระบบ เราก็ตองเปล่ียนอุปกรณอิเล็กทรอนิกสกํ าลังท่ีภาคเรกติไฟเออรจากไดโอดกลับมาเปน SCR เชนเดิม และจะตองใชวงจรบริดจ SCR ตอแบบantiparallel กันสองชุด ซึ่งจะทํ าใหส้ินเปลืองอุปกรณและกํ าลังสูญเสียสูงมากขึ้น เพ่ือแกปญหาตางๆ ดังกลาวมาแลวขางตน
ซีเมนสจึงไดคิดคนวงจรภาคเรกติไฟเออรในรูปแบบใหมที่เรียกวา ActiveFront End (AFE) ข้ึนมา เพื่อชดเชยขอบกพรองตางๆ ดังท่ีไดกลาวมาแลวขางตน โดยมีลักษณะของวงจรภาคกํ าลังดังแสดงในรูปท่ี 1
Page 2 of 7
ลักษณะของวงจรดังกลาวจะใช IGBT รวมกับ Free Wheelingdiode มาตอเปนชุดวงจรบริดจแทนไดโอดกับ SCR ผลจากการท่ีเราสามารถควบคุมการทํ างานของ IGBT ไดอยางงายโดยการ switchon และ off และควบคุมไดทุกชวงเวลา ทํ าใหเราสามารถควบคุมทิศทางการไหลของพลังงานไดอยางอิสระ โดยไมมีขอจํ ากัดของตัวอุปกรณเขามาเกี่ยวของดังเชนในกรณีของไดโอด และ SCR นอกจากน้ีแลว ความอิสระในการควบคุมการทํ างานของ IGBT ยังกอใหเกิดผลดีตอเน่ืองขึ้นอีกหลายประการ เชน สามารถควบคุมใหกระแสท่ีไหลเขาและออกมีความเปนคล่ืนรูปไซนไดอยางสมบูรณ สามารถควบคุมเพาเวอรแฟกเตอรที่เกิดขึ้นได ท้ังในแบบท่ีทํ าใหเกิดเพาเวอรแฟกเตอรแบบนํ าหนา, ลาหลัง หรือเปนunity, จาย reactive power ใหกับระบบขางเดียวได, ทํ างานไดแมวาแหลงจายแรงดันจะมีเสถียรภาพตํ่ าเชนไฟตก, ไฟกระเพ่ือม และ ฯลฯดังจะไดกลาวถึงรายละเอียดของประโยชนในแตละดานดังน้ี
AFE กับการกํ าจัดฮารมอนิกของกระแสดาน Input
ตามท่ีไดกลาวไวแลวในบทนํ าขางตนวา เนื่องจากเราสามารถควบคุมการทํ างานของ IGBT ไดอยางอิสระตามที่ตองการทํ าใหสามารถควบคุมการ switch
on-off ของ IGBT จนไดรูปรางของกระแสดานขาเขา (input current) ที่ใกลเคียงคลื่นรูปไซนมาก เมือ่ทํ างานรวมกับ input filterอีกชุดหนึ่ง ซึ่งไมจํ า
เปนตองออกแบบใหซับซอนมากนัก กระแสดานขาเขาก็จะมีรูปรางที่เรียกไดวาเปนคล่ืนรูปไซนท่ีสมบูรณ คุณสมบัติในขอน้ีจะทํ าไดในกรณีท่ีทํ างานในโหมด motoring และgenerating กลาวคอื ทั้งรับพลังงานจากแหลงจายเขาระบบ และจายพลังงานจากระบบใหแหลงจาย รูปท่ี 2 และ 3 เปนการแสดงใหเห็นขอแตกตางของกระแสดานขาเขาที่เกิดจากวงจรทั่วไป (conventionalrectifier circuit) และกระแสดานขาเขาท่ีเกิดขึ้นเมื่อเปล่ียนภาคเรกติไฟเออรมาเปน AFE จากรูปจะเห็นไดวาในกรณีของภาคเรก
ติไฟเออรแบบปกติน้ัน หากจะใหสามารถทํ างานไดท้ัง 4 quadrant น้ันจะตองมีวง
จรบริดจ SCR ถึงสองชุด นอกจากนี้ยังจะตองมีออโตทรานสฟอรเมอร และรีแอกเตอร เพ่ือปรับระดับแรงดันใหเหมาะกับแหลงจาย และกรองฮารมอนิกท่ีเกิดขึน้จากระบบ สงผลทํ าใหตองเสียพ้ืนท่ีคอนขางมากสํ าหรับอุปกรณเหลานี้ นอกจากน้ันแลวกํ าลังสูญเสียก็จะมากขึ้นดวย อยางไรก็ตามถึงจะประกอบไปดวยอุปกรณท่ีมากมายขนาดน้ีวงจรเรกติไฟเออรแบบปกติก็ยังไมสามารถกํ าจัดฮารมอนิกใหหมดไปได และยังดูเหมือนวาจะเหลืออยู
Page 3 of 7
คอนขางมากเสียดวยซํ้ าไป ในขณะท่ี AFE ซึ่งก็มีเพียงแควงจรบริดจIGBT ชุดเดียวกับวงจรฟลเตอรที่ไมซับซอนก็สามารถใหคล่ือนรูปไซนไดอยางสมบูรณ
รูปท่ี 4 แสดงใหเห็นถึงการเปรียบเทียบเชิงความถี่ของฮารมอนิกตางๆ ที่เกิดขึ้น โดยแทงกราฟทั้งสามแทง จะแทนฮารมอนิกที่เกิดจากวงจรเรกติไฟเออรในแตละแบบจะเห็นวาระดับฮารมอนิกของเรกติไฟเออรแบบปกติน้ันมีสูงมาก การใช 12 pulse rectifier อาจชวยใหฮารมอนิกลดไดมากก็จริง แตวาเราก็จะตองมีหมอแปลงที่มี tertiarywinding เพิ่มขึ้นมาอีก 1 ลูก ซึ่งก็หมายความวา ท้ังงบประมาณและกํ าลังสูญเสียของระบบก็จะมีมากข้ึนตามไปดวย แตสํ าหรับ AFE แลวแทบจะกลาวไดวา ฮารมอนิกตางๆน้ันตกลงเหลือแคใกลๆ ศูนยเลยทีเดียว
ผลของการกํ าจัดฮารมอนิกไดอยางสมบูรณ ทํ าให AFE ถูกนํ าไปประยุกตใชกับงานเฉพาะดานบางอยางท่ี Variable Speed Drive(VSD) แบบปกติทํ าไดไมดีนัก เชนใชกับ wind-driven generatorsystem หรือเครื่องกํ าเนิดไฟฟาพลังงานลม เปนตน นอกจากน้ีแลวงบประมาณและคาใชจายอ่ืนๆ ทั้งในสวนท่ีเปนตนทุนคงท่ี และตนทุนแปรผัน ก็จะถูกลดตามฮารมอนิกลงไปดวย เชน ขนาดของสาย,ฟลเตอร, หมอแปลง และกํ าลังสูญเสียเน่ืองจากฮารมอนิก เปนตน
ปองกันการเกิดcommutation faults
สํ าหรับเรกติไฟเออรแบบปกติน้ัน หากแหลงจายลมเหลว (fail) ในขณะที่ VSDกํ าลังทํ างานอยูในชวง regenerativeoperation จะสงผลใหเกิดกระแสกระชากเน่ืองจากแรงดันท่ีแหลงจายหายไปแบบทันทีทันใด ในขณะที่แรงดันทางดาน DC linkยังมีอยูเชนเดิม ผลท่ีตามมาก็คือ ฟวสขาดและถารุนแรงมากๆ ก็อาจทํ าให SCR เสียหายได แมวาลักษณะการลมเหลวของแหลงจายจะเปนเพียงแคไฟกระพริบก็ตาม ซึ่งสงผลเสียหายตอระบบโดยรวมเปนอยางมาก วงจรเรกติไฟเออรแบบ AFE สามารถอุดขอบกพรองในจุดน้ีได เน่ืองจากผลพวงของการท่ีเราสามารถควบคุมการทํ างานของ IGBT ไดอยางอิสระ และไมข้ึนกับแหลงจาย โดยใชพลังงานที่ไดจากพลังงานจลนท่ีสะสมอยูในรูปความเฉ่ือยของโหลดมาทํ าให AFE ยังสามารถทํ างานตอไปไดและชัตดาวน (shutdown) VSD อยางปลอดภัย ซึ่งเราเรียกการชัตดาวนในลักษณะนี้วา active shutdown
ผลพลอยไดท่ีสํ าคัญอีกอยางหน่ึงของฟงกชันการทํ างานในลักษณะน้ี คือVSD ท้ังระบบยังทํ างานตอไปได โดยไมมีผลกระทบหากแหล งจ ายลม เหลวใน
ลักษณะของไฟกระพริบ ทั้งในขณะregerating และ motoring คุณสมบัติในขอน้ีของ AFE จะชวยใหผูประกอบการสามารถลดคาเสียหายที่เกิดขึ้นไดอยางมาก รวมทั้งทํ างานไดอยางมีเสถียรภาพแมอยูกับแหลงจายที่มีเสถียรภาพตํ่ า
ผลจาการใช IGBT ท่ีเราสามารถควบคุมไดตลอดชวงเวลาโดยไมข้ึนอยูกับแรงดนัของแหลงจาย ทํ าใหเราสามารถกํ าหนดการทํ างานของชุดเรกติไฟเออรใหทํ างานเปน step-upregulator ได โดยใชผลของการควบคุมการเปด-ปด IGBT กับคุณสมบัติการสะสมพลังงานของตัวเหน่ียวนํ าดานขาเขา ทํ าให VSD ท้ังระบบยังสามารถทํ างานไดเปนปกติ แมวาแรงดันของแหลงจายจะตกลงไปถึง 65%ของคาพิกัด โดยคาที่จํ ากัดไวที่ 65%น้ี ถูกจํ ากัดไวดวยวงจรควบคุม แตในทางปฏิบัติจริงๆ แลวหากผูใชตองการใหระบบสามารถทํ างานท่ีแรงดันตํ่ ากวานี้ ก็สามารถทํ าได ทั้งนี้ขึ้นอยูกับการออกแบบอุปกรณใหสามารถรองรับการทํ างานไดตามที่ตองการ
ประโยชนอีกดานหน่ึงของการท่ีใหภาคเรกติไฟเออรทํ างานเปน step-up regulation แทนการทํ างาน
Page 4 of 7
ในลักษณะ passive operation ของวงจรเรกติไฟเออรแบบไดโอดและ SCR ก็คือ แรงดันทางดาน DC Linkจะมี ripple นอยมาก และไมไดรับผลกระทบจาการกระเพ่ือมของแรงดันดานแหลงจาย ซ่ึงจะสงผลดีไปถึงภาคอินเวอรเตอรและมอเตอรโ ดย ร วมในแ ง ข องกา รลดกา รกระเพ่ือมของแรงบิดท่ีมอเตอร และทํ าใหภาคอินเวอรเตอรทํ างานได
อยางมีเสถียรภาพมากขึ้น
สมรรถนะในการรองรับการเป ล่ียนแปลงของโหลดดีเยี่ยม
ผลของการท่ีภาคเรกติไฟเออรทํ างานในลักษณะ active เชนนี้ นอกจากจะทํ าใหไดรฟท้ังระบบเปนอิสระจากแหลงจายแลว ยังทํ าใหระบบสามารถรับการเปล่ียนแปลงภาระจากโหลดแบบทันทีทันใด
ไดอยางดีเยี่ยม ในระบบ VSD แบบปกตินั้น หากมีการเปล่ียนแปลงแรงบิดที่โหลดมากๆ และอยางทันทีทันใดอาจสงผลใหระบบลมเหลว และชัตดาวนได เนื่องจากพลังงานที่สะสมอยูท่ี DC Link อาจไมเพียงพอตอความตองการของโหลด แตสํ าหรับ AFEแลวปญหาน้ีจะถูกลดลงไปไดอยางมากเ น่ืองจากผลการทํ างานแบบ active ทํ าให DC Link สามารถตอบสนองตอการเปล่ียนแปลงของโหลดไดอยางยอดเยี่ยม จากการทดลองเปลี่ยนแรงบิดที่โหลดจาก -100% เปน+100% หรือกลับกันพบวา AFEสามารถตอบสนองไดในชวงเวลาอันส้ัน
เลือกคาเพาเวอรแฟกเตอรของระบบได
ความสามารถในการกํ าหนดมุมเฟสของกระแสขาเขาเทียบกับแรงดันของแหลงจาย คือความสามารถอีกดานหนึ่งของ AFE ทํ าใหผูใชสามารถเลือกไดวาตองการให VSD ทํ างานท่ีเพาเวอรแฟกเตอรเทาไร ซ่ึงสามารถเลือกผานเพาเวอรแฟกเตอรไดตั้งแต 0.8 inductive ถึง 0.8 capacitive ท้ังในโหมดการทํ างานแบบ motoringและ generating ดังแสดงในรูปท่ี 5 ในกรณีที่เราใช VSD ขนาดใหญๆ เชนหลายรอยกิโลวัตตหรือเปนเมกกะวัตต เราก็สามารถใชคุณประโยชนในดานน้ีเขาไปชวยแกเพาเวอรแฟกเตอรของระบบโดยรวมท้ังโรงงาน กลาวคือกํ าหนดให VSD ท่ีเปนแบบ AFE น้ีทํ างานที่เพาเวอรแฟกเตอรนํ าหนา เราก็จะไดรีแอกทีฟเพาเวอรไปจายใหกับ
Page 5 of 7
โหลดอ่ืนๆ ในระบบเดียวกันฟรีๆ ดังแสดงในรูปท่ี 6 วิธีนี้จะทํ าใหผูใชประหยัดคาพลังงานอีกทางหน่ึงดวย
ประโยชนท่ีไดกับผูใช
จากคุณสมบัติตางๆ ดังที่ไดกลาวมาจขางตน เราอาจสรุปขอดี และประโยชน ท่ี ได จากความ
สามารถที่หลากหลายของ AFE ดังแสดงไวในตารางที่ 1 ซึ่งผูอานจะเห็นไดวา การนํ าAFE เขามาใชงานแทนเรกติไฟเออรธรรมดาท่ัวไปน้ัน ทํ าใหเกดิผลดีท้ังในดานสมรรถนะ
ของตัว VSD เอง ซึ่งสงผลตอเนื่องไปถึงเสถียรภาพของสายการผลิตโดยรวม และในดานของการลดตนทุนการผลิต
สุดทายผูเขียนหวังเปนอยางยิ่งวา บทความนี้จะเปนประโยชนตอผูอานที่อาจมีปญหาบางดาน และพบวา AFE สามารถเขาไปชวยแกปญหาดังกลาวได
รูปท่ี 1 วงจรภาคกํ าลังของ AC VSD ท่ีมีภาคเรกติไฟเออรเปนแบบ AFEรูปท่ี 2 กระแสดานขาเขาที่เกิดจากวงจรเรกติไฟเออรแบบปกติรูปท่ี 3 กระแสดานขาเขาที่เกิดจากวงจรเรคติฟายเออรแบบ AFEรูปท่ี 4 กราฟเปรียบเทียบระดับฮารมอนิกท่ีเกิดจากเรกติไฟเออรแบบตางๆ กันรูปท่ี 5 ลักษณะของแรงดันและกระแสที่ไดจาก AFEรูปท่ี 6 รีแอกทีฟเพาเวอรที่ไดจาก AFEจะถูกนํ าไปชดเชยการดึงรีแอกทีฟเพาเวอรจากแหลงจาย
วารสารเทคนิค 167, กันยายน 2542ศิวะ หงษนภา / พิรพงศ ล้ิมประสิทธ์ิวงศSiemensLimited. A&D-LD Dept.
Page 6 of 7
ประโยชนท่ีคาดวาจะไดรับคุณสมบัติเดนของ AFE ความเชื่อมั่นในการ
ทํ างานการลงทุน Fixed cost
Regenerative fedback (ทํ างานแบบ 4quadrent)
วงจรไมยุงยาก, โอกาสเกิดFault ตํ่ า
คืนพลังงานกลับสูระบบ
Harmonic ตํ่ า, กระแสเหมือนรูปคล่ืนSine wave
ไมรบกวนดหลดอ่ืนๆ ขนาดของสาย,ตัวกรองความถี่และหมอแปลงเล็กกวาไดรฟปกติ
กํ าลังสูญเสียนอย
ไมเกิด Commutation falt เมือ่แหลงจายมีปญหาในขณะท่ีคืนพลังงานกลับสูระบบ
สามารถทํ างานได แมวาแหลงจายมีเสถียรภาพตํ่ า ลดการหยุดของเครื่องจักร หรือระบบการผลิต
การกระเพื่อมของแรงดันที่แหลงจายไมมีผลตอการทํ างาน
สามารถทํ างานได กับแหลงจายที่มีแรงดันกระเพื่อมสูง
สมรรถนะในการตอบสนองตอการเปล่ียนแปลงของโหลดมีสูง
ตอบสนองตอการเปล่ียนแปลงของโหลดไดอยางรวดเร็ว
ทํ าใหสามารถลดขนาด Capacitor เล็กลงได
กํ าหนดการทํ างานท่ี P.F.ไดระหวาง -0.8ถึง +0.8
ลดสวนประกอบระบบการแก Power factor
ไมตองการ Cap. ประหยัดชุดแกPF.
ลด Reactive Powerกลับใหระบบได