"သေဘ္ာ က VFD ဆိုတဲ႔ Variable frequency drive (၂)"

Reference, thanks and image credit to : (1) Bartos, Frank J. (Sep. 1, 2004). "AC Drives Stay Vital for the 21st Century". Control Engineering (Reed Business Information)., (2) Cleaveland, Peter (Nov. 1, 2007). "AC Adjustable Speed Drives". Control Engineering (Reed Business Information)., (3) "Power Electronics and Motor Drives" : Advances and Trends. Amsterdam: Academic. ISBN 978-0-12-088405-6., Bartos, Frank J. (Sep. 1, 2004). (4) "AC Drives Stay Vital for the 21st Century". Control Engineering (Reed Business Information)., Eisenbrown, Robert E. (May 18, 2008). (5) "AC Drives, Historical and Future Perspective of Innovation and Growth". Keynote Presentation for the 25th Anniversary of The Wisconsin Electric Machines and Power Electronics Consortium (WEMPEC). University of Wisconsin, Madison, WI, USA.

Remark : All references and images herein this page are for use of educational purpose only. The owner of this page is not responsible for the consequences in case of violation to copyright, trademark, patent, criminal trust of breach or other intellectual property rights of any third party.

fixed speed motor load applications ေတြကို၊ AC line power ၿဖင္႔ တိုက္ရိုက္ သံုးစြဲမယ္႔အစား၊ VFD မွတဆင္႔ variable speed အေနနဲ႔ အသံုးၿပၿခင္းၿဖင္႔၊ energy saving အၿဖစ္၊ စြမ္းအင္ ေခၽြတာနိဳင္တာေတြ႔ရပါတယ္။ VFD အသံုးၿပဳထာတဲ႔၊ variable torque centrifugal blower fan ေတြနဲ႔၊ pump applications ေတြမွာ၊ load torque ဟာ၊ speed ရဲ႕ နွစ္ထပ္ကိန္းပမာဏနဲ႔၊ တိုက္ရိုက္၊ အခၽိဳးကၽၿပီး၊ power ကေတာ႔၊ speed ရဲ႕၊ သံုးထပ္ကိန္းပမာဏနဲ႔ တိုက္ရိုက္ အခၽိဳးကၽပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ load torque (၁) ဆမွာ၊ speed (၂) ဆၿဖင္႔၊ လည္ပတ္နိဳင္ၿပီး၊ power consumption တဆမွာ၊ speed (၃) ဆ၊ ရရိွနိဳင္တယ္လို႔၊ ဆိုနိဳင္ပါတယ္။ motor ဟာ၊ (၆၃ %) speed ၿဖင္႔၊ load ထမ္းေဆာင္၊ လည္ပတ္စဥ္၊ full speed power ရဲ႕ (၂၅ %) သာ၊ သံုးစြဲမွာလည္း၊ ၿဖစ္ပါတယ္။

fixed speed operated load motor ေတြဟာ၊ ၿမင္႔မားတဲ႔ high starting torque ၿဖင္႔၊ စတင္ လည္ပတ္ၿပီး၊ full-load current ရဲ႕၊ (၈) ဆခန္႔ ပမာဏရိွတဲ႔၊ current surges ေတြလည္း၊ ေပါါေပါက္နိဳင္ပါတယ္။ VFD အသံုးၿပဳထားတဲ႔ AC drives ေတြမွာေတာ႔၊ operating speed ကို၊ 'ramp up' အေနနဲ႔၊ တၿဖည္းၿဖည္း ၿမွင္႔တင္ယူသြားမယ္႔အတြက္၊ mechanical နဲ႔ electrical stress ေတြလည္း၊ ေလၽွာ႔နည္းသြားသလို၊ maintenance နဲ႔၊ repair costs ကုန္ကၽမွဳေတြပါ၊ သက္သာ၊ ကၽဆင္းသြားမွာ၊ ၿဖစ္ပါတယ္။

VFD အသံုးၿပဳထားတဲ႔၊ AC drives ေတြကို၊ (i) VSI ဆိုတဲ႔ voltage source inverter drive, (ii) CSI ဆိုတဲ႔ current source inverter drive, (iii) Six-step inverter drive, (iv) LCI ဆိုတဲ႔ load commutated inverter drive နဲ႔၊ (v) MC ဆိုတဲ႔ cycloconverter or matrix converter ဆိုၿပီး၊ ခြဲၿခားထားပါတယ္။

(i) - "VSI" - VSI drive မွာ၊ diode bridge converter မွ၊ DC output ကို၊ capacitor bus မွာ၊ stores ၿပဳလုပ္ သိုေလွာင္ၿပီး၊ stiff voltage input အၿဖစ္ inverter သို႔၊ ေပးသြင္းပါတယ္။ VSI type ရဲ႕ output ဟာ၊ 'PWM' voltage output ၿဖစ္ပါတယ္။

Fig. (6) - VSI and CSI

(ii) - "CSI" - CSI drive မွာေတာ႔၊ SCR bridge converter မွ၊ DC output ကို၊ series reactor bus မွာ၊ stores ၿပဳလုပ္ သိုေလွာင္ၿပီး၊ stiff voltage input အၿဖစ္ inverter သို႔၊ ေပးသြင္းပါတယ္။ CSI type ရဲ႕ output ဟာ၊ 'PWM' voltage output ၿဖစ္နိဳင္သလို၊ 'six step waveform output' လည္း၊ ၿဖစ္နိဳင္ပါတယ္။ Fig. (6) မွာ၊ 'VSI and CSI' ဆိုၿပီး၊ ဥပမာအၿဖစ္၊ ေဖာ္ၿပထားပါတယ္။

Fig. (7) - Six step drive wave form

(iii) - "Six step inverter drive" - Fig. (7) မွာ၊ 'Six step drive wave form' ဆိုၿပီး၊ ဥပမာအၿဖစ္၊ ေဖာ္ၿပထားပါတယ္။ ယခုအခါ six step inverter drive ေတြရယ္လို႔၊ obsolete အေနနဲ႔ သံုးနံွဳးမွဳမရိွေတာ႔ပဲ၊ (a) variable voltage inverter drives, (b) PAM ဆိုတဲ႔ pulse amplitude modulation drives, (c) square wave drives နဲ႔၊ (d) D.C chopper inverter drives ရယ္လို႔သာ၊ ေခါါေဝါါႀကတာေတြ႔ရပါတယ္။

(a) Variable voltage inverter drives - SCR bridge converter မွ DC output ကို၊ capacitor bus နဲ႔ series reactor bus တို႔မွာ၊ smoothed ၿဖစ္ေစၿပီး၊ 'darlington pair' သို႔မဟုတ္ IGBT ဆိုတဲ႔၊ inverter quasi - sinusoidal တို႔မွတဆင္႔၊ six step voltage/ current input အၿဖစ္၊ induction motor သို႔ ေပးသြင္းပါတယ္။

Fig. (8) - double polarity PAM - Pulse Amplitude Modulated Output

(b) - Pulse amplitude modulation drives - PAM drive ရဲ႕ output တနည္းအားၿဖင္႔၊ signal modulation ေတြကို၊ (i) single polarity PAM နဲ႔ (ii) double polarity PAM ဆိုကာ၊ ခြဲၿခား နိဳင္ပါတယ္။ single polarity PAM ရဲ႕ pulses ေတြဟာ၊ positive signal ေတြ ၿဖစ္ၿပီး၊ double polarity PAM ရဲ႕ pulse ေတြကေတာ႔၊ positive နဲ႔ negative signal ေတြၿဖစ္ပါတယ္။ Fig. (8) မွာ၊ 'double polarity PAM - Pulse Amplitude Modulated Output' ဆိုၿပီး၊ ဥပမာအၿဖစ္၊ ေဖာ္ၿပထားပါတယ္။

(c) - Square wave drives - electrical power converter ၿဖစ္ၿပီး၊ direct current (DC) ကို၊ alternating current (AC) အၿဖစ္၊ ေၿပာင္းလဲေပးပါတယ္။

(d) - Chopper - တနည္းအားၿဖင္႔၊ 'D.C chopper inverter drives' ဆိုတာကေတာ႔၊ electronic switching device တခုၿဖစ္ၿပီး၊ အၿခား device တခုကို၊ control အေနနဲ႔ ထိမ္းေႀကာင္းရန္၊ interrupt signal ထုတ္ေပးပါတယ္။ 'chopper' ေတြကို၊ (i) On basis of I/P - O/p voltage levels chopper, (ii) On basis of direction of output voltage and current chopper, (iii) On basis of circuit operation chopper နဲ႔၊ (iv) On basis of commutation method chopper ဆိုၿပီး၊ ထပ္မံ၊ ခြဲၿခားနိဳင္ပါတယ္။

step down chopper နဲ႔၊ step-up chopper တို႔ဟာ၊ 'On basis of I/P - O/p voltage levels chopper' ေတြ၊ ၿဖစ္ႀကၿပီး၊ 'On basis of direction of output voltage and current chopper' ေတြကို၊ Class A, Class B, Class C, Class D နဲ႔၊ Class E chopper ဆိုကာ၊ ထပ္မံ ခြဲၿခားနိဳင္ပါတယ္။

အလားတူ' On basis of circuit operation chopper' ေတြကိုလည္း၊ first quadrant, two quadrant နဲ႔၊ four quadrant chopper ဆိုၿပီး၊ ထပ္မံခြဲၿခားထားပါတယ္။ 'On basis of commutation method chopper' ေတြကိုေတာ႔၊ voltage commutated, current commutated, load commutated နဲ႔၊ impulse commutated chopper ဆိုၿပီး၊ ခြဲၿခားထားတာေတြ႔ရပါတယ္။

chopper ေတြကို၊ modern uses အေနနဲ႔၊ DC to DC converters ေတြ အပါအဝင္၊ switched mode power supplies, DC motors speed controllers, Class D electronic amplifiers, switched capacitor filters နဲ႔၊ variable frequency drive အၿဖစ္၊ အသံုးၿပဳႀကပါေသးတယ္။

'Darlington pair and IGBT'

chopper နဲ႔ variable voltage inverter drive တို႔ရဲ႕ အဓိက၊ electronic switching device ၿဖစ္တဲ႔၊ 'darlington pair' ကို၊  'darlington transistor' လို႔လည္းေခါါႀကပါတယ္။ 'darlington pair' ဟာ၊ bipolar transistors (၂) လံုးကို၊  separated devices သို႔မဟုတ္ integrated အေနနဲ႔၊ ေပါင္းစပ္ထားမယ္႔ compound structure ၿဖစ္ပါတယ္။

Fig. (9) - darlington pair (Circuit diagram of a Darlington pair using NPN transistors)

ပထမ transistor ဟာ၊ current ကို၊ amplified အေနနဲ႔ တို႔ၿမွင္႔ ခၽဲ႕ထြင္ေပးၿပီး၊  ဒုတိယ transistor မွ၊ ဆက္တိုက္ amplified ၿပဳလုပ္ၿခင္းၿဖင္႔၊ ၿမင္႔မားတဲ႔ higher common/ emitter current gain ရရိွလာၿခင္းၿဖစ္ပါတယ္။ Fig. (9) မွာ၊ 'darlington pair' ဆိုၿပီး၊ ဥပမာအၿဖစ္၊ ေဖာ္ၿပထားပါတယ္။

darlington pair မွာ၊ အမၽိဳးအစားတူညီတဲ႔၊ transistor (၂) လံုးကို၊ shared collector တခုတည္း၊ အသံုးၿပဳထားၿပီး၊ NPN နဲ႔၊ PNP transistors (၂) လံုး အသံုးၿပဳထားတဲ႔၊ complementary darlington တနည္းအားၿဖင္႔၊ 'sziklai pair' နဲ႔ မတူညီတာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ darlington pair ဟာ sensitive ၿဖစ္လြန္းတဲ႔၊ semiconductor device ၿဖစ္သလို၊ safe voltages အေၿခအေနမွာ၊ လူ႔အေရၿပားနဲ႔ထိရံု skin contact ၿဖင္႔၊ current passed အေနနဲ႔ ၿဖတ္စီးနိဳင္တာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။

darlington pair ရဲ႕၊ အားနည္းခၽက္ disadvantages ကေတာ႔၊ 'drawbacks' ေတြ ေပါါေပါက္ၿခင္းၿဖစ္ပါတယ္။ 'drawback' ဟာ base/ emitter voltage ရဲ႕၊ (၂) ဆခန္႔ရိွတဲ႔ ပမာဏၿဖင္႔ ေပါါေပါက္နိုင္သလို၊ increased saturation voltage ၿမင္႔မားမွဳလည္း၊ ၿဖစ္ေပါါလာနိဳင္တာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ ဒါ႔အၿပင္ switching speed လို႔ေခါါတဲ႔၊ response  ေလၽွာ႔နည္း ကၽဆင္းသြားေစမယ္႔၊ drawback ေတြလည္း၊  ေပါါေပါက္နိုင္ပါတယ္။

'IGBT' ဆိုတဲ႔ 'insulated gate bipolar transistor' ဆိုတာကေတာ႔၊ three-terminal power semiconductor device ၿဖစ္ၿပီး၊ high efficiency နဲ႔ fast switching response အေနနဲ႔၊ ေဆာင္ရြက္နိဳင္တဲ႔အတြက္၊ VFDs ေတြမွာ၊ ပိုမို အသံုးၿပဳလာႀကပါတယ္။ ဒါ႔အၿပင္ switching amplifiers အၿဖစ္၊ electric cars, trains, variable speed refrigerators နဲ႔၊ air conditioners ေတြအၿပင္၊ medium နဲ႔ high-power applications ေတြၿဖစ္တဲ႔၊ switched mode power supplies traction motor control နဲ႔၊ induction heating ေတြမွာလည္း၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။

Fig. (10) - IGBT (insulated-gate bipolar transistor)

IGBT ေတြဟာ simple gate-drive characteristics ဂုဏ္သတၱိရိွတဲ႔၊ 'MOSFET' နဲ႔ low - saturation voltage capability အၿဖစ္၊ ေဆာင္ရြက္ေပးနိဳင္တဲ႔ 'bipolar transistor' တို႔ကို၊ ေပါင္းစပ္ကာ၊ 'isolated gate FET single device' အေနနဲ႔၊ အသံုးၿပဳၿခင္းရယ္လို႔ ဆိုနိဳင္ပါတယ္။ Fig. (10) မွာ၊ 'IGBT' ဆိုၿပီး၊ ဥပမာအၿဖစ္၊ ေဖာ္ၿပထားပါတယ္။

(iv) - "LCI" - load commutated inverter drive ဆိုတဲ႔၊ LCI ကေတာ႔ CSI ကို၊ မြန္းမံၿပီး၊ ထုတ္လုပ္ထားတဲ႔ drive ၿဖစ္ပါတယ္။ CSI ကဲ႔သို႔ SCR-bridge converter မွ၊ DC output ကို၊ DC link inductor circuit မွာ၊ stores ၿပဳလုပ္ သိုေလွာင္ၿပီး၊ ဒုတိယ SCR-bridge's inverter မွာ၊ ထပ္မံ ၿဖတ္သန္းကာ၊ ရရိွလာတဲ႔၊ stiff quasi-sinusoidal six step current output ကို၊ motor သို႔၊ ေပးသြင္းပါတယ္။

(v) - "MC" - Cycloconverter or matrix converter ဆိုတဲ႔၊ MC ကို၊ ႀကားခံ intermediate အၿဖစ္၊ energy storage ၿပဳလုပ္ေပးမယ္႔ DC link ေတြ၊ မပါဝင္ပဲ၊ AC - AC converters ေတြအၿဖစ္၊ တည္ေဆာက္ ထားပါတယ္။ AC - AC converters ေတြကို၊ indirect AC - AC လို႔ေခါါတဲ႔၊ AC - DC - AC converters, CCV ဆိုတဲ႔ cycloconverters, hybrid matrix converters နဲ႔၊ MC ဆိုတဲ႔ matrix converters ေတြအၿဖစ္၊ ခြဲၿခားနိဳင္ပါတယ္။

"Cycloconverter and matrix converter"

'CCV' လို႔ေခါါတဲ႔ 'cycloconverter' ေတြကို၊ 'cycloinverter' လို႔လည္းေခါါႀကပါတယ္။ 'CCV' ေတြဟာ၊ AC supply မွရရိွလာတဲ႔၊ constant voltage, constant frequency AC waveform ကို၊ intermediate DC link အသံုးမၿပဳပဲ၊ ေနာက္ထပ္ lower frequency AC waveform အၿဖစ္၊ အသြင္းေၿပာင္းကာ synthesizing output အေနနဲ႔၊ motor သို႔ ေပးသြင္းပါတယ္။

 

Fig. (11) - blocking mode type Cycloconverter

CCV ေတြကို circulating current type နဲ႔၊ blocking mode type အၿဖစ္ ခြဲၿခားနိဳင္ၿပီး၊ high power applications ေတြမွာေတာ႔၊ blocking mode type CCV ေတြ၊ တတ္ဆင္ အသံုးၿပဳပါတယ္။ Fig. (11) မွာ၊ 'blocking mode type Cycloconverter' ဆိုၿပီး၊ ဥပမာအၿဖစ္၊ ေဖာ္ၿပထားပါတယ္။ ေယဘုယၽအားၿဖင္႔ CCV ေတြမွာ၊ phase-controlled SCR switching devices ေတြ၊ အသံုးၿပဳထားၿပီး၊ resistive load applications ေတြမွာေတာ႔၊ ေစၽးနံွဳး သက္သာတဲ႔၊ low-power TRIAC - based CCV ေတြ၊ အသံုးၿပဳပါတယ္။

CCV ေတြကို၊ 1 - phase/ 1 - phase, 3 - phase/ 1 - phase နဲ႔၊ 3 - phase/ 3-phase input/ output configuration ေတြၿဖင္႔၊ တည္ေဆာက္ထားၿပီး၊ 3 - phase/ 3 - phase input/ output configuration ကို၊ အသံုးမၽားပါတယ္။ three-phase CCV ေတြရဲ႕၊ output to input frequency ratio ဟာ၊ circulating current mode CCV ရဲ႕၊ သံုးပံုတပံုခန္႔သာ ရိွၿပီး၊ blocking mode CCV ထက္၊ တဝက္ခန္႔သာရိွတာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ CCV ရဲ႕ input မွ switching-device bridges ေတြကို၊ phase-shifted configuration ပံုစံၿဖင္႔၊ တတ္ဆင္ထားသလို၊ switching-device bridges အရည္အတြက္မၽားစြာ၊ တတ္ဆင္ၿခင္းၿဖင္႔ output waveform quality လည္း၊ ၿမင္႔မားလာနိဳင္ပါတယ္။

phase-controlled converters ေတြၿဖစ္တဲ႔၊ CCV ေတြေနရာမွာ၊ IGBT, GTO, IGCT နဲ႔၊ အၿခားေသာ switching devices ေတြကို၊ အေၿခခံကာ၊ တည္ေဆာက္ထားတဲ႔ faster PWM self-controlled converters ေတြ၊ အစားထိုး၊ ေနရာယူလာတာေတြ႔ရပါတယ္။

ဒါေပမယ္႔ higher end of the power rating range application ေတြၿဖစ္တဲ႔၊ driving rolling mine hoists, mill main motors, ore processing, cement kilns ေတြနဲ႔၊ သေဘ္ာေတြရဲ႕ propulsion systems ေတြမွာေတာ႔၊ CCV ေတြကိုသာ တတ္ဆင္ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ သေဘ္ာေတြမွာအသံုးၿပဳတဲ႔၊ cycloconverter ေတြဟာ၊ three anti parallel connected SCR - bridges ေတြမွတဆင္႔၊ six-pulse configuration output ထုတ္ေပးပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ cycloconverter phase တခုစီကို၊ fixed line frequency AC voltage အၿဖစ္ ေရြးခၽယ္ၿပီး၊ variable load frequency AC voltage အၿဖစ္၊ ေၿပာင္းလဲကာ၊ motor သို႔ေပးသြင္းၿခင္းလည္း၊ ၿဖစ္ပါတယ္။

'matrix converter' ေတြကို၊ conventional direct matrix converter နဲ႔႔၊ indirect matrix converter ဆိုၿပီး၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ indirect matrix converter ေတြကို၊ indirect energy conversion အေနနဲ႔ အသံုးၿပဳၿပီး၊ sparse matrix converter လို႔လည္း၊ ေခါါႀကပါတယ္။ DC - link based VSI နဲ႔ CSI drives ဆိုတဲ႔၊ IGBT - based ကို၊ အေၿခခံၿပီး၊ တည္ေဆာက္ထားတဲ႔၊ matrix converter ေတြဟာ၊ separate stages ေတြမွတဆင္႔၊ voltage နဲ႔ current conversion ေတြကို၊ လိုအပ္သလို ေဆာင္ရြက္ေပးမွာလည္း၊ ၿဖစ္ပါတယ္။

ဒီေနရာမွာ၊ အလၽွဥ္းသင္႔သမို႔၊ modulations ေတြအေႀကာင္း၊ အနည္းငယ္၊ ေဖာ္ၿပပါဦးမယ္။ အီလက္ထေရာနစ္ ပညာရပ္ဟာ၊ modulation signals ေတြ၊ ဖန္တည္းၿပီး၊ လိုအပ္သလို၊ အသံုးခၽတဲ႔၊ ပညာရပ္ၿဖစ္ပါတယ္။ modulations ေတြကို၊ (i) continuous wave modulation နဲ႔၊ (ii) pulse modulation ရယ္လို႔၊ သတ္မွတ္နိဳင္ပါတယ္။

(i) - Continuous wave modulation မွာ၊ amplitude modulation နဲ႔၊ angle modulation တို႔၊ ပါဝင္ၿပီး၊ angle modulation ကို၊ frequency modulation နဲ႔၊ phase modulation အၿဖစ္၊ ထပ္မံခြဲၿခားနိဳင္ပါတယ္။

(ii) - Pulse modulation ကိုေတာ႔၊ analog modulation နဲ႔၊ digital modulation ဆိုၿပီး၊ ခြဲၿခားထားပါတယ္။ analog modulation မွာ၊ PAM, PWM နဲ႔၊ PPM တို႔၊ ပါဝင္ၿပီး၊ digital modulation ကေတာ႔၊ pulse code modulation တနည္းအားၿဖင္႔၊ delta modulation ၿဖစ္ပါတယ္။

Fig. (12) - PAM signal

Fig. (13) - PWM signal

VFD အသံုးၿပဳထားတဲ႔ AC drives ေတြဟာ၊ လက္ခံရရိွလာတဲ႔၊ analog modulation ေတြကို၊  'PAM' ဆိုတဲ႔၊ pulse amplitude modulation ဒါမွမဟုတ္၊ 'PWM' ဆိုတဲ႔၊ pulse width modulation အၿဖစ္၊ ေၿပာင္းလဲကာ၊ motor သို႔ေပးသြင္းၿပီး၊ controlled အေနနဲ႔၊ ထိမ္းေႀကာင္း၊ ေမာင္းနွင္၊ လည္ပတ္ေစတာၿဖစ္ပါတယ္။  Fig. (12) နဲ႔၊ Fig. (13) မွာ၊ VFD controllers ေတြရဲ႕၊ output modulations ေတြ၊ ၿဖစ္တဲ႔၊ PAM နဲ႔၊ PWM တို႔ကို၊ ဥပမာအၿဖစ္၊ ေဖာ္ၿပထားပါတယ္။