afe artical in technic · front end (afe) ขึ้นมา เพื่อชดเชยข อ...

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