‘VFD - Variable frequency drive (၁)'

'VFD' ဆိုတဲ႔ 'variable frequency drive' ကို၊ adjustable frequency drive, variable speed drive, AC drive, micro drive နဲ႔ inverter ရယ္လို႔လည္း၊ ေခါါႀကၿပီး၊ electric motor ရဲ႕ လည္ပတ္နံွဳး speed ကို၊ လိုအပ္သလို ေၿပာင္းလဲေစရန္ ေဆာင္ရြက္ေပးပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ VFD ဟာ ‘electro-mechanical drive system’ ၿဖစ္ၿပီး၊ input frequency နဲ႔ voltage ေတြကို၊ ေၿပာင္းလဲ ေပးသြင္းၿခင္းၿဖင္႔၊ electric motor ရဲ႕ speed နဲ႔ torque ေတြကို၊ လိုအပ္သလို ခၽိန္ညိွေပးနိဳင္တယ္လို႔ ဆိုနိဳင္ပါတယ္။

Fig. Small variable-frequency drive and Chassis of VFD (cover removed)

VFD ေတြကို၊ အရြယ္အစားေသးငယ္တဲ႔ small appliances ေတြမွ၊ အရြယ္အစားႀကီးမားတဲ႔ သတၱဳတူးေဖာ္ေရးလုပ္ငန္းသံုး mine mill drives ေတြအထိ၊ တတ္ဆင္အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ ပံုေသလည္ပတ္နံွဳး fixed speed ၿဖင္႔ေမာင္းနွင္ေနတဲ႔ electric motors ေတြေနရာမွာ၊ VFD ကို retrofitted installation အေနနဲ႔ အစားထိုးတတ္ဆင္ အသံုးၿပဳၿခင္းၿဖင္႔၊ စြမ္းအင္ၿမင္႔တက္လာမွဳဆိုတဲ႔ energy efficiency improvement ရရိွလာနိဳင္တာ ေတြ႔ရပါတယ္။

 

Fig. VFD system

VFD ေတြကို၊ အသံုးၿပဳမယ္႔ applications အေပါါမူတည္ၿပီး၊ low and medium voltage ပမာဏအမၽိဳးမၽိဳးရိွတဲ႔ AC - AC နဲ႔ DC - AC inverters ေတြအၿဖစ္၊ ထုတ္လုပ္ထားႀကပါတယ္။ VFD မွာ AC motor, main drive controller assembly နဲ႔ drive operator interface ဆိုတဲ႔ main sub-systems (၃) ခုကို၊ အသံုးၿပဳထားပါတယ္။ VFD ကို ေယဘုယၽအေနနဲ႔ ‘AC three - phase induction motor’ ေတြၿဖင္႔၊ တြဲဖက္အသံုးၿပဳသလို၊ ‘single - phase motor’ အခၽိဳ႕နဲ႔လည္း တြဲဖက္အသံုးၿပဳနိဳင္ပါတယ္။ ‘variable frequency drive controller’ ေတြကို ‘solid state power electronics conversion system’ ၿဖင္႔ တည္ေဆာက္ထားၿပီး၊ rectifier bridge converter, direct current (DC) link နဲ႔ inverter တို႔ပါဝင္ပါတယ္။

VFD အမၽိဳးအစား၊ ေၿမာက္မၽားစြာထဲမွ ‘VSI’ ဆိုတဲ႔ voltage-source inverter drive ဟာ၊ အသံုးမၽားတဲ႔ drive controller တခုၿဖစ္ပါတယ္။ drive controller အမၽားစုဟာ ‘AC - AC drive’ ေတြၿဖစ္ႀကၿပီး၊ ေပးသြင္းလိုက္တဲ႔ AC line input ကို AC inverter output အၿဖစ္၊ ၿပန္လည္ ထုတ္ေပးပါတယ္။ common DC bus နဲ႔ solar applications ေတြမွာေတာ႔ ‘DC - AC drive controller’ ေတြကို၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ VSI drive မွာအသံုးၿပဳထားတဲ႔ rectifier converter ဟာ ‘three phase, six pulse, full wave diode bridge’ အမၽိဳးအစား rectifier ၿဖစ္ပါတယ္။ drive controller ေတြကို၊ single - phase converter input ေပးသြင္းၿပီး၊ three - phase inverter output ထုတ္ယူနိဳင္တဲ႔အတြက္၊ ‘phase converter’ အၿဖစ္၊ သတ္မွတ္နိဳင္ပါတယ္။

‘DC link’ မွာ capacitor ပါဝင္ၿပီး၊ rectifier converter မွ DC output ripple ေတြကို၊ စစ္ယူဖယ္ရွားကာ၊ ‘stiff input’ အၿဖစ္ေၿပာင္းလဲၿပီးမွ၊ inverter သို႔ ေပးသြင္းပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ inverter ရဲ႕ active switching elements ေတြအတြက္၊ quasi - sinusoidal AC voltage output အၿဖစ္၊ filtered DC voltage ကို ေၿပာင္းလဲေပးၿခင္းၿဖစ္ပါတယ္။ ‘VSI’ ဆိုတဲ႔ voltage -source inverter drives ေတြကို၊ ‘CSI’ ဆိုတဲ႔ phase-controlled current-source inverter drives ေတြအပါအဝင္ ‘LCI’ ဆိုတဲ႔ load-commutated inverter ေတြနဲ႔ နိွဳင္းယွဥ္ႀကည္႔တဲ႔အခါ၊ ၿမင္႔မားတဲ႔ higher power factor ရရိွနိဳင္တာေတြ႔ရသလို၊ harmonic distortion အနည္းငယ္သာေပါါေပါက္တာေတြ႔ရပါတယ္။

variable - torque applications ေတြအတြက္၊ ‘Volts per Hertz (V/ Hz) drive control system’ ကို၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ AC motor ေတြရဲ႕ characteristics အရ၊ motor သို႔ေပးသြင္းမယ္႔ inverter output မွ voltage magnitude ဟာ၊ required load torque နဲ႔ linear V/ Hz relationship အၿဖစ္ ကိုက္ညီရန္၊ လိုအပ္ပါတယ္။ 460 volt, 60 Hz motors ရဲ႕ linear V/ Hz relationship ဟာ 460/ 60 = 7.67 V/ Hz ၿဖစ္ပါတယ္။ V/ Hz drive control system ဟာ၊ low speed or demanding, dynamic speed regulation, positioning နဲ႔ reversing load requirements အစရိွတဲ႔ high performance applications ေတြမွာ၊ အသံုးၿပဳရန္ သင္႔ေလၽွာ္ပါတယ္။

အခၽိဳ႕ V/ Hz drive control system ေတြကို၊ quadratic V/ Hz mode အေနနဲ႔ အသံုးၿပဳနိဳင္သလို၊ programmed ထည္႔သြင္းကာ multi-point V/ Hz paths ေတြအၿဖစ္လည္း၊ အသံုးၿပဳနိဳင္ပါတယ္။ အၿခား drive control system ေတြၿဖစ္တဲ႔ vector control system နဲ႔ DTC ဆိုတဲ႔ direct torque control system တို႔ဟာလည္း၊ motor သို႔ေပးသြင္းမယ္႔ voltage magnitude ကို adjusted အေနနဲ႔ ခၽိန္ညိွေပးၿပီး၊ motor ရဲ႕ magnetic flux နဲ႔ mechanical torque ေတြကို၊ ေၿပာင္းလဲေပးနိဳင္ပါတယ္။

 

Fig. SPWM carrier-sine input & 2-level PWM output

ေနာက္ပိုင္းမွာေတာ႔ 'SVPWM' ဆိုတဲ႔ space vector pulse - width modulation method ကို၊ drive control system အၿဖစ္အသံုးၿပဳလာႀကပါတယ္။ sinusoidal PWM လို႔ေခါါတဲ႔ space vector pulse - width modulation method ဟာ၊ motor သို႔ေပးသြင္းမယ္႔ voltage (or current) သို႔မဟုတ္ frequency ကို vary drives အေနနဲ႔ ေၿပာင္းလဲေပးတဲ႔ drive control system ၿဖစ္ပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ motor သို႔ေပးသြင္းမယ္႔ voltage (or current) ရဲ႕ operating frequency ကို၊ saw-toothed carrier frequency အတြင္းမွ ၿဖတ္သြားတဲ႔ modulating sinusoidal signal အသံုးၿပဳၿပီး၊ quasi - sinusoidal ဆိုတဲ႔ variable-pulse-width output အၿဖစ္ ေၿပာင္းယူ ေပးသြင္းၿခင္း ၿဖစ္ပါတယ္။

induction motor ေတြရဲ႕ nameplate မွာေရးသားေဖာ္ၿပထားတဲ႔ rated speed ထက္ပိုၿပီး ေမာင္းနွင္နိဳင္ေပမယ္႔၊ nameplate မွာေရးသား ေဖာ္ၿပထားတဲ႔ voltage ထက္ အနည္းငယ္ ပိုၿပီး၊ ေပးသြင္းလိုက္တဲ႔အခါ၊ "field weakening" အေၿခအေန ေပါါေပါက္လာတတ္ပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ AC motors ေတြကို၊ rated V/ Hz ရဲ႕ ေအာက္မွာ ေမာင္းနွင္မွသာ၊ 100% power ရရိွနိဳင္တယ္လို႔ ဆိုနိဳင္ပါတယ္။

VFD controllers ေတြရဲ႕ overall operation တခုလံုးကို၊ programmed သြင္းထားတဲ႔ embedded microprocessor ေတြမွ၊ ေဆာင္ရြက္ေပးပါတယ္။ microprocessor ေတြကို 'user inaccessible firmware' ဆိုတဲ႔၊ အသံုးၿပဳသူအေနနဲ႔ ၿပဳၿပင္ေၿပာင္းလဲလို႔မရေစရန္ ေဆာင္ရြက္ထားတာၿဖစ္ပါတယ္။ control, protect, monitor, motor နဲ႔ driven equipment ေတြ ကိုေတာ႔၊ display, variable နဲ႔ function block parameters အေနနဲ႔ အသံုးၿပဳသူမွ user programming သံုးၿပီး၊ ၿပဳၿပင္ေၿပာင္းလဲနိဳင္ပါတယ္။

driver controller တလံုးမွာပါဝင္တဲ႔ optional power components ေတြနဲ႔ accessories အစိတ္အပိုင္းေတြကို၊ မွတ္သားမိသေလာက္ ေဖာ္ၿပပါဦးမယ္။ converter ရဲ႕ upstream အဝင္ဖက္မွာ၊ circuit breaker သို႔မဟုတ္ fuses ေတြ၊ isolation contactor, EMC filter, line reactor နဲ႔ passive filter တို႔ကို၊ တတ္ဆင္ထားပါတယ္။ DC link ကို braking chopper နဲ႔ braking resistor တို႔ၿဖင္႔ ဆက္သြယ္ထားၿပီး၊ inverter ရဲ႕ downstream အထြက္မွာေတာ႔ output reactor, sine wave filter နဲ႔ dV/ dt filter တို႔ၿဖင္႔ ဆက္သြယ္ထားပါတယ္။
ေမာင္းနွင္သံုးစြဲသူ operator အေနနဲ႔ ေမာင္းနွင္ရပ္တန္႔ၿခင္း start and stop နဲ႔ လိုအပ္သလို operating speed ခၽိန္ညိွၿခင္းေတြကို၊ 'operator interface' မွတဆင္႔ ေဆာင္ရြက္နိဳင္ပါတယ္။

operator interface ဆိုတဲ႔ operator control functions ေတြမွာ reversing နဲ႔ manual speed adjustment အေနအထားမွ၊ external process control signal ကိုရယူၿပီး၊ automatic control အၿဖစ္၊ ေၿပာင္းလဲအသံုးၿပဳၿခင္းတို႔လည္းပါဝင္ပါတယ္။ drive ရဲ႕ operation information ေတြကို၊ operator interface မွ အကၡရာနဲ႔ ကိန္းဂဏန္းေတြကို၊ ကိုယ္စားၿပဳတဲ႔ alphanumeric display အေနနဲ႔ ေဖာ္ၿပသလို၊ indication lights ေတြနဲ႔ meters ေတြကို အသံုးၿပဳၿပီးေတာ႔လည္း ေဖာ္ၿပနိဳင္ပါတယ္။

keypad display ကို၊ alphanumeric display နဲ႔အတူ VFD module ရဲ႕ ကိုယ္ထည္မွ front dead cover မွာ အတူတြဲကာ တတ္ဆင္ထားတတ္သလို၊ cable-connected အေနနဲ႔ VFD controller ရဲ႕ မနီးမေဝး short distance အကြာအေဝးမွာလည္း၊ တတ္ဆင္ထားတတ္ပါတယ္။ အခၽိဳ႕ VFD controller ေတြမွာ connecting push buttons ေတြအတြက္၊ input and output (I/O) terminals ေတြ၊ switches ေတြ၊ operator interface devices ေတြနဲ႔ control signals ေတြအတြက္ terminals ေတြ ထည္႔သြင္းတတ္ဆင္ထားေလ့ရိွပါတယ္။ ဒါအၿပင္ computer နဲ႔ တြဲဖက္ၿပီး၊ configured, adjusted, monitored တို႔ controlled တို႔ကိုေဆာင္ရြက္နိဳင္ေစရန္ serial communications port ေတြကိုလည္း၊ ထည္႔သြင္း တတ္ဆင္ထားေလ့ရိွပါတယ္။

VFDs ေတြရဲ႕ drive applications သို႔မဟုတ္ drive operation ကို၊ single-quadrant, two-quadrant နဲ႔ four-quadrant ဆိုၿပီး၊ categorized အေနနဲ႔ ခြဲၿခားသတ္မွတ္ပါတယ္။

Fig. Electric motor speed-torque chart

'Quadrant I' ဟာ driving နဲ႔ motoring တို႔ကို၊ ေဆာင္ရြက္ေပးပါတယ္။ forward accelerating quadrant လို႔ေခါါၿပီး၊ positive speed နဲ႔ torque ကို၊ ရရိွေစပါတယ္။ 'Quadrant II' ကေတာ႔ generating နဲ႔ braking တို႔ကို၊ ေဆာင္ရြက္ေပးပါတယ္။ forward braking-decelerating quadrant လို႔ေခါါၿပီး၊ positive speed နဲ႔ negative torque ကို၊ ရရိွေစပါတယ္။ 'Quadrant III' ဟာလည္း driving နဲ႔ motoring တို႔ကို၊ ေဆာင္ရြက္ေပးပါတယ္။ reverse accelerating quadrant လို႔ေခါါၿပီး၊ negative speed နဲ႔ torque ကို၊ ရရိွေစပါတယ္။ 'Quadrant IV' ဟာ generating နဲ႔ breaking တို႔ကို၊ ေဆာင္ရြက္ေပးပါတယ္။ reverse braking - decelerating quadrant လို႔ေခါါၿပီး၊ negative speed နဲ႔ positive torque ကို၊ ရရိွေစပါတယ္။

applications အမၽားစုဟာ single - quadrant loads operating ေတြၿဖစ္တဲ႔အတြက္၊ Quadrant I ကို ပိုမိုအသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ variable - torque လိုအပ္တဲ႔ centrifugal pumps ေတြ၊ blower fans ေတြ နဲ႔ certain constant - torque လိုအပ္တဲ႔ extruders loads ေတြအတြက္၊ Quadrant I ဟာ အသင္႔ေလၽွာ္ဆံုးၿဖစ္ပါတယ္။ အခၽိဳ႕ applications ေတြ မွာေတာ႔ two - quadrant loads operating အၿဖစ္အသံုးၿပဳ၊ ေမာင္းနွင္ရတဲ႔အတြက္၊ Quadrant I နဲ႔ Quadrant II တို႔ကို၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ two - quadrant loads ေတြဟာ positive speed load ေတြၿဖစ္ၿပီး၊ decelerating အေနနဲ႔ speed ေၿပာင္းလဲတဲ႔အခါ၊ ေပါါေပါက္လာမယ္႔ natural mechanical losses ေတြထက္ ပိုမိုလၽွန္ၿမန္စြာေၿပာင္းလဲရန္အတြက္၊ တနည္းအားၿဖင္႔ natural mechanical losses ေတြမေပါါေပါက္ခင္ speed ေၿပာင္းလဲသြားရန္အတြက္၊ polarity ကိုေၿပာင္းလဲၿခင္းၿဖင္႔ torque ေၿပာင္းလဲေပးတဲ႔ applications ေတြၿဖစ္ပါတယ္။ အထူးသၿဖင္႔ blower fan ေတြမွာ၊ two - quadrant loads operating ကို အသံုးၿပဳတာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။

positive သို႔မဟုတ္ negative polarity တနည္းအားၿဖင္႔ motor ရဲ႕ လည္ပတ္မွဳလားရာ direction (၂) ဖက္စလံုးမွာ speed နဲ႔ torque တို႔တူညီရန္လိုအပ္မယ္႔ applications ေတြမွာေတာ႔ Quadrants I နဲ႔ Quadrants III တို႔ကိုေပါင္းစပ္ထားတဲ႔ two - quadrant drives ေတြကို၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ သေဘ္ာမွ bow thruster ေတြ၊ cargo pumps ေတြ၊ hoist ေတြ၊ စက္ေလွကား elevators ေတြနဲ႔ hilly conveyors ေတြအၿပင္ အေအးခန္း regeneration system ေတြ၊ အစရိွတဲ႔ high performance applications ေတြမွေတာ႔ four-quadrant loads လို႔ေခါါတဲ႔ Quadrants I နဲ႔ IV တို႔ကို၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ regeneration system မွာ inverter voltage နဲ႔ back EMF တို႔ရဲ႕ polarity တူညီေပမယ္႔၊ inverter voltage ရဲ႕ magnitude ဟာ၊ motor back EMF ရဲ႕ magnitude ထက္ေသးငယ္တဲ႔အတြက္၊ DC link bus ေတြကို တတ္ဆင္အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။

motor စတင္လည္ပတ္တဲ႔အခါ၊ direct on line starting မွာေပါါေပါက္လာမယ္႔ ၿမင္႔မားတဲ႔ high inrush current ၿဖစ္ေပါါမွဳကို၊ ေရွာင္လြဲရန္ VFD မွတဆင္႔ low frequency နဲ႔ voltage ကို ကနဦး initially အေနနဲ႔ေပးသြင္းပါတယ္။ motor လည္ပတ္သြားတဲ႔အခါ starting sequence အေနနဲ႔ VFD မွ frequency နဲ႔ voltage ကို တိုးၿမွင္႔ေပးလိုက္ၿပီး၊ controlled rate သို႔မဟုတ္ ramped up to accelerate the load အေနအထားသို႔ ခၽက္ၿခင္းေရာက္ရိွသြားေစပါတယ္။ VDF အသံုးၿပဳထားတဲ႔ starting method ေႀကာင္႔ motor မွာ rated torque ရဲ႕ (150 %) အထိရနိဳင္သလို၊ low speed range အတြင္းမွာ rated current ရဲ႕ (50 %) ပမာဏကိုသာ၊ VDF မွ ဆြဲယူပါတယ္။ (150 %) starting torque ဟာ motor full speed ၿဖင္႔ လည္ပတ္သြားတဲ႔အထိ တည္ၿငိမ္ေနမွာၿဖစ္ပါတယ္။

low speed operation ၿဖင္႔ေမာင္းနွင္ေနစဥ္၊ motor ေအးေစမယ္႔ cooling system ဟာ deteriorates အေနနဲ႔ ထိေရာက္မွဳမရိွတဲ႔အခါ၊ သတ္မွတ္ထားတဲ႔ significant torque မရရိွနိဳင္တာကိုလည္း၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ အရြယ္အစားႀကီးမားတဲ႔ motor ေတြမွာ သီးၿခား separately-motorized fan ventilation အေအးခံစနစ္ေတြကိုပါ ထည္႔သြင္း အသံုးၿပဳသင္႔ပါတယ္။

VFD အသံုးၿပဳထားတဲ႔ motor ေတြကို၊ ရပ္တန္႔ေစမယ္႔ stopping sequence ဟာ၊ စတင္ေမာင္းနွင္တဲ႔ starting sequence နဲ႔ ဆန္႔ကၽင္ဖက္ opposite sequence ၿဖစ္ပါတယ္။ VFD မွတဆင္႔ frequency နဲ႔ voltage ကို ေလၽွာ႔ခၽေပးလိုက္ၿပီး၊ control rate ရဲ႕ေအာက္ သို႔မဟုတ္ ramped down အေနနဲ႔ ဆြဲခၽယူကာ၊ frequency ဟာ 'zero' သို႔ ေရာက္သြားတဲ႔ အခါမွာေတာ႔ motor ရပ္သြားပါတယ္။ motor မရပ္ခင္ decelerate အေနနဲ႔ braking torque အနည္းငယ္ၿဖင္႔ load ကို၊ ဖယ္ထုတ္လိုက္မွာၿဖစ္ပါတယ္။ braking energy ပိုမိုလိုအပ္တဲ႔ applications ေတြမွာေတာ႔၊ transistor controlled resistor ေတြကို၊ braking circuit အၿဖစ္တတ္ဆင္ကာ၊ braking energy အၿဖစ္ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ active front end ဆိုတဲ႔ four quadrant rectifier အသံုးၿပဳထားတဲ႔ VFD ေတြမွာ၊ reverse torque ကိုအသံုးၿပဳၿပီး၊ brake load ကို ရယူပါတယ္။

Reference and image credit to : Bartos, Frank J. (Sep. 1, 2004). "AC Drives Stay Vital for the 21st Century". Control Engineering (Reed Business Information)., Cleaveland, Peter (Nov. 1, 2007). "AC Adjustable Speed Drives". Control Engineering (Reed Business Information)., "Energy Regeneration". Retrieved Apr. 20, 2012., Basics of AC Drives, pp. Hardware - Part 1: slides 9-10 of 11., Bose, Bimal K. (2006). Power Electronics and Motor Drives : Advances and Trends. Amsterdam: Academic. p. 22. ISBN 978-0-12-088405-6., Bartos, Frank J. (Sep. 1, 2004). "AC Drives Stay Vital for the 21st Century". Control Engineering (Reed Business Information)., Eisenbrown, Robert E. (May 18, 2008). "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: WEMPEC. pp. 6–10.,

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