Harmonics และ Noise กับการทำงานของอินเวอร์เตอร์.pdf

8/16/2019 Harmonics Noise .pdf

http://slidepdf.com/reader/full/harmonics-noise-pdf 1/15

Harmonics และ Noise กับการทางานของอนเวอรเตอร ศวะ หงษนภา

หลังจากท ผเขยนไดลงบทความเก ยวก บัเร องฮารมอนกสท เก ดจากการทางานของไดรฟ ซ งในบทความดังกล าวนั น

ผเขยนไดกล าวถงเฉพาะฮารมอนกสท เก ดจากการทางานของไดรฟทางดานอนพต ก ไดมผอ านบางท านสอบถาม

เขามาเก ยวก บัเร องฟ ลเตอรท ใชแก ไขปัญหาเร องฮารมอนกสแบบต าง ๆ เช น dv/dt Filter, LC Filter หรอแมกระทั ง

การใชสายชลด ผเขยนจงเหนควรท จะตองช แจงเร องฮารมอนกสท เก ยวของก บัการทางานของไดรฟเพ มเตม

ในบทความน ผเขยนจงขอกล าวเพ มในหัวเร องท เก ยวของก บัฮารมอนกสและสญัญาณรบกวนท เก ยวของก บัไดรฟ ในสองเร องคอ ฮารมอนกสท เก ดข นทางดานเอาตพตและการปองก นั ก บั วงจรคอนเวอรเตอรในฐานะของ Noise Receiver ซ งน าจะทาใหผอ านท ยงัมองภาพของฮารมอนกสไม ชัดและยังตดขัดในแนวทางแก ปัญหา

ไดเหนภาพและแยกแยะปัญหาของฮารมอนกสไดชัดเจนมากข น

1. ฮารมอนกสท เกดขนทางดานเอาตพ ตและการป องกัน

บทความเร องฮารมอนกสท เก ดข นจากการทางานของระบบควบคมความเรวรอบมอเตอรตามท ผเขยนไดเขยนถงก อนหนาน นั น จะเปนเร องฮารมอนกสเฉพาะท เก ยวของก บัดานอนพตของไดรฟเท านั น แต ในความเปนจรงแลวทางดานเอาตพตของไดรฟท จ ายใหก บัมอเตอรก มปัญหาของฮารมอนกสท สรางความปวดเศยรเวยนเกลาใหก บัผใชงานเปนอย างมากเช นเดยวก นั ถงแมกระแสทางดานเอาตพตจะมความเปนคล นรปซายนอย มากก ตามเม อเทยบก บัดานอนพต แต เน องจากแรงดันดานเอาตพตไม เปนซายน แต เปนรปคล น PWM ทั งแบบสมมาตร ( กรณควบคมแบบ V/F) และแบบส ม ( กรณควบคมแบบเวกเตอรหรอไดเรกทอรก) ทาใหเก ดฮารมอนกสของแรงดนัข นมาแทนและฮารมอนกสแรงดนัน จะก อใหเก ดผลเสยตามมา 4 ประการคอ

1. แมความถ มลฐานของแรงดันฮารมอนกสเหล าน จะมค าต า เช น ไม เก น 100 Hz หรอในภาวะปกตก มักไม เก น 50 Hz แต

ความถ ของสัญญาณมอดเลตกรณ V/F

หรอความถ จากการสวตช ON-OFF

ในกรณของเวกเตอรและไดเรกทอรกมกัจะมค าเปนหลัก

kHz ความถ สงดังกล าวน ไดส งผลใหคาปาซเตอรท อย ระหว างสายก บัสาย (L-L) และระหว างสายก บักราวด (L-PE) มบทบาทข นมาทันท เน องจากค าอมพแดนซของคาปาซเตอรจะลดลงเม อความถ เพ มข นตามสมการ Zc = 1/2 fC และเม ออมพแดนซของคาปาซเตอรลดลงก จะเร มมกระแสรั วไหลระหว างสายก บัสายและกระแสรั วไหลจากสายลงกราวด ทั งในส วนของสายเคเบลเองและในส วนของมอเตอรดงัแสดงในรปท 1 และเน องจาก C จะมไปตลอดความยาวของสายดงันั นย งสายยาวมากข น Zc ก จะย งนอยลงกระแสรั วไหลในส วนนก จะย งมากข

ร ปท 1 กระแสรั วไหลผ านคาปาซเตอรธรรมชาต



2. ในกรณท สายยาวมาก ๆ นอกจากค าคาปาซเตอรท จะมบทบาทมากข นแลว ค าอนดักแตนซก เปนอกตวัหน งท จะมบทบาทเพ มเขามาและการเขามาของอนดักแตนซนั นจะย งทาใหสถานการณท แย อย เน องจากค าคาปาซแตนซท มากข นเปนทนอย แลว ย งทวความรนแรงมากข นไปอก เพราะค าอนดักแตนซท มากข นจะฟอรมตวัเขาก บัค าคาปาซแตนซ ทาใหสภาวะการออสซลเลตจากกระแสดงัแสดงในรปท 2 ทาใหกระแสเดมท มากข นเน องจากค าอมพแดนซของคาปาซแตนซท ลดลงแลว ขนาดสงสดของกระแสยังถกเพ มขนาดข นเน องจากผลของการออสซลเลต ผลของทั งขอ 1 และ 2 ไดส งผลใหภาคอนเวอรเตอรของไดรฟตองรับภาระกระแสโหลดท เพ มมากข นอย างหลกเล ยงไม ได

รปท 2 กระแสออสซลเลตเน องจากผลของ LC

3. การท มกระแสไหลลงดน ส งผลใหเก ดปรากฏการณตามมาอก 2 อย างคอ

3.1 ถาเอาไขควงเชคไฟไปเชคท มอเตอรจะพบว ามไฟรั ว ถาจับก โดนดด ท เปนเช นน ก เน องจากกระแสรั วลงดนผ านคาปาซแตนซท อย ในฉนวนของขดลวดในมอเตอรนั นเอง กระแสรั วไหล

ของมอเตอรน ก จะสรางความเสยหายใหก บัมอเตอรในรปแบบต าง ๆ ท เหนไดบ อย ๆ ก มเช น

3.1.1 สรางสัญญาณรบกวนการทางานของตัวตรวจจับความเรวรอบส งผลใหระบบควบคมทางานผดพลาด

3.1.2 ถากระแสไหลผ านแบร งของมอเตอรก จะทาใหแบร งของมอเตอรเสยหายเรวข น และถาผ านแบร งของมอเตอรลงเพลาและไปผ านแบร งของโหลดลงกราวด แบร งของโหลดก จะ เสยหายไปดวย ซ งลักษณะการไหลของกระแสจะเปนดังรป 3 แต ปัญหาน แก ไดโดยตองใส ฉนวนแบร งเขาไป และใช Coupling ท เปนฉนวนคั นกลาง

ร ปท 3 กระแสไหลลงกราวดผ านแบร ง

3.2 เน องจากว า จดปักกราวดของมอเตอรมกัห างจากหมอแปลงเปนระยะทางพอสมควร ซ งหมายถงว ากราวดบรเวณนั น

มักไม เปนศนยจรง แต มักมอมพแดนซของกราวดอย ค าหน งแทนด วย Z E ดังรปท 4 เม อกระแสไหลผ าน Z E และครบลปผ าน Z N ก



จะทาใหเก ดแรงดัน VE ข นท กราวดของมอเตอรและทาใหกราวดบรเวณนั นถกยกข นดวยแรงดัน V

E และเน องจากกระแส I

S เปน

กระแสท เตมไปดวยฮารมอนกส ทาให VE ท กราวดของมอเตอรเปน V

E ท เตมไปดวยฮารมอนกส เม อเปนเช นน หากอปกรณไฟฟา

ใดต อกราวดเขาก บับรเวณนั น อปกรณไฟฟานั นก จะรับเอาฮารมอนกสผ านกราวดนั นไปดวย และกลบักลายเปนว าการปักกราวดเปนส งท ก อใหเก ดผลรายต ออปกรณนั นเสยเอง

ร ปท 4 กระแสไหลผ านอมพแดนซของดน ทาใหเก ด Harmonics Ground Voltage

4. จากรปท 2 ในกรณท สายยาวมาก ๆ การออสซลเลตของกระแสจะทาใหเก ดแรงดันสไปก ท มค าสง

ตามการออสซลเลตของกระแสและถาสงถงค า ๆ หน ง แรงดนัน ก จะสามารถทาลายฉนวนของมอเตอรไดโดยเฉพาะอย างย งมอเตอรท มสภาพเก า ส งผลใหมอเตอรเก ดความเสยหายไดง ายข น

การแกไขกรณกระแสรั วไหลสงผลใหไดรฟ รับภาระมากขน

1. ใช Output Reactor ต อระหว างไดรฟก บัสายเคเบล เพราะถาพจารณาจากรปท 4 จะเหนไดว าการต อ L เขาไปจะช วย

หน วงกระแส Isทาใหแอมปลจดของกระแสมค าลดลง ตารางท 1 แสดงระยะสายสงสดท ต อระหว างไดรฟก บัมอเตอรกรณไม ต อ

Reactor ซ งเม อเทยบก บัตารางท 2 ซ งเปนกรณท ใช Reactor จะพบว าเม อใช Reactor แลวจะทาใหสามารถวางมอเตอรไวไกลจากไดรฟไดมากข น

2. ใช dv/dt Filter กรณน จะช วยใหเก ดผลดใน 2 ทางคอ

2.1 การม dv/dt Filter จะทาใหอัตราการเปล ยนแปลงของแรงดันมค าลดลง ส งผลใหกระแส

ท ไหลลงกราวดลดลงผ าน C ตามสมการ ic = Cdv/dt

2.2 การใส dv/dt Filter จะช วยลด Voltage Strength ท เปนผลเสยต อฉนวนของมอเตอร

ทาใหฉนวนของมอเตอรมอายการใชงานยนยาวข น

3. ใช Sinosoidal Filter กรณน จะทาใหรปคล นของแรงดันกลายเปนคล นรปซายน ซ งจะทาใหปัญหาต าง ๆ ท กล าวมาขางตนหายไปอย างส นเชง ซ งในทายบทความน ผเขยนไดแสดงผลการทดลองจรงเพ อทดสอบประสทธผลของSinusoid Filter ไวใหดดวย แต อย างไรก ตาม Sinusoid Filter ก มขอเสยอ นตามมา เช น Sinusoid Filter จะทาใหเก ด Voltage Drop มากกว าปกตและยงัอาจทาใหคณสมบัตของการควบคมแบบเวกเตอรและไดเรกทอรกลดประสทธภาพลงไป



ตารางท 1 แสดงระยะสายสงสดท ต อระหว างไดรฟก บัมอเตอรกรณไม ต อ Reactor

Output Rated Voltage Non-shielded Cables Shielded Cables

to 4 kW 200 V to 600 V 50 m 35 m

5.5 kW 200 V to 600 V 70 m 50 m

7.5 kW 200 V to 600 V 100 m 67 m

11 kW 200 V to 600 V 110 m 75 m

15 kW 200 V to 600 V 125 m 85 m

18.5 kW 200 V to 600 V 135 m 90 m

22 kW 200 V to 600 V 150 m 100 m

30 kW to 200 kW 380 V to 690 V 150 m 100 m

250 kW to 630 kW 380 V to 690 V 200 m 135 m

710 kW and 1300 kW 380 V to 690 V Unlimited

900 kW to 1100 kW 380 V to 690 V 200 m 135 m

250 kW to 2300 kW 380 V to 690 V 150 m 100 m



ตารางท 2 แสดงระยะสายสงสด กรณท ใช Reactor

Number of reactors in series 1 2 3 1 2 3

Converter/

Inverter Rating

Rated

Voltage

Reactor2)

Non-shielded Cables

Reactor 2)

Shielded Cables

to 4 kW 200 V to 600 V 150 m 1) 1) 100 m 1) 1)

5.5 kW 200 V to 600 V 200 m 1) 1) 135 m 1) 1)

7.5 kW 200 V to 600 V 225 m 450 m 1) 150 m 300 m 1)

11 kW 200 V to 600 V 240 m 480 m 1) 160 m 320 m 1)

15 kW 200 V to 600 V 260 m 520 m 1) 175 m 350 m 1)

18.5 kW 200 V to 600 V 280 m 560 m 1) 190 m 375 m 1)

22 kW 200 V to 600 V 300 m 600 m 900 m 200 m 400 m 600 m

30 kW to 200 kW 380 V to 690 V 300m 600 m 900 m 200 m 400 m 600 m

250 kW to 630 kW 380 V to 690 V 400 m 800 m 1200 m 270 m 530 m 800 m

1100 kW 380 V to 690 V 400 m 800 m 1200 m 270 m 530 m 800 m

250 kW to 2300

kW3)

380 V to 690 V 3200 m 600 m 900 m 200 m 400 m 600 m

900 kW to 1500

kW4)

380 V to 690 V 350 m 450 m 600 m 200 m 300 m 450 m

1) Cannot be used,2)

In the case of sizes M, N and Q, 2 inverters are connected in parallel and the number of

reactors for the permissible cable lengths is thus necessary for each inverter, 3) Applies to sized E, F, G, J, K, L,

N and Q,4)

Applies to size M



ตารางท 3 แสดงผลของการใช dv/dt Filter

Converter/

Inverter

dv/dt-

filter

dv/dt-

filter and

reactor

dv/dt-filter

and 2

reactors2)

dv/dt-

filter

dv/dt-filter and

reactor

dv/dt-filter

and 2 reactors2)

Rated Current Non-shielded Cables Shielded Cables

22 A 150 m1)

1)

100 m1) 1)

370 A4)

150 m 300 m 450 m 100 m 200 m 300 m

225 A5)

150 m 300 m 450 m 100 m 200 m 300 m

510 A to

1300 A4)

150 m 375 m1)

100 m 250 m1)

297 A to

1230 A5)

150 m 375 m1)

100 m 250 m1)

1400

A6)

3 )

3 ) 3 )

3 )

3 ) 3 )

1) Cannot be used, 2) Voltage limiting is no longer effective for supply voltages of > 500 V, 3) Not available at present, 4)

Rated supply voltage 380 V to 480 V,5)

Rated supply voltage 500 V to 690 V,6)

Rated supply voltage 380 V to 690 V



ตารางท 4 แสดงผลของการใช Sinusoid Filter

Output 380 V to 480 V 500 V to 600 V 380 V to 480 V 500 V to 600 V

Non-shielded Cables Shielded Cables

to 4 kW 250 m 350 m 170 m 250 m

5.5 kW 320 m 475 m 210 m 320 m

7.5 kW 400 m 550 m 270 m 400 m

11 kW 500 m 700 m 330 m 500 m

15 kW 600 m 900 m 400 m 600 m

18.5 kW to 132 kW A B 0.67 * A A

A = 600 m + 7.5 * (P-15 kW) B = 900 m + 10 * (P-15 kW)

P: Rated motor output of the converter or inverter

การแกปัญหากรณกระแสไหลลงกราวดและทาใหเกด VE ท มฮารมอนกส

วธแก ท ดท สดสาหรับกรณน ก คอการใช Shielded Cable เพ อใหชลดคลมสายเคเบลเอาไว แลวต อปลาย

ทั งสองขางของส วนชลด เขาก บัมอเตอรและไดรฟดงัรปท 5 วธน จะทาใหกระแส IS ยายมาไหลผ านชลดแทน

และกระแสท ไหลผ านกราวดก จะหมดไป ปัญหาเร องฮารมอเตอรท กราวดไปรบกวนการทางานของอปกรณ อเลกทรอนกสอ น ๆ ท อย บรเวณใกลเคยง และปักกราวดใกลก นัก จะหมดไป หรออย างนอยถกแก ไขใหดข น

แต ขอเสยของวธน คอเม อมชลดเขามา ค า C ระหว างสายก บักราวดก จะมค ามากข น ส งผลใหกระแสรั วไหลม มากข น และไดรฟรับภาระมากข น เพยงแต คราวน กระแสรั วไหลจะไหลกลบัทางชลดแทน หากสังเกตขอมล

ในตารางท 1-4 ก จะพบว า ถาใชสายชลดจะทาใหระยะเดนสายสงสดจากไดรฟไปมอเตอรมค าลดลง

ทั งน เพราะเม อมชลด ค า C มากข น ทาใหมระยะเท าก นั กระแสจะรั วไหลมากกว า จงตองลดระยะสายลงมา เพ อใหกระแสอย ในพก ดัท ไดรฟ รับได

ร ปท 5 การใช Shielded Cable ต อเขาก บัมอเตอรและไดรฟ



ผลการทดลองการทดสอบประสทธผลของ LC Filter (Sinusoidal Filter) อ ปกรณท ใช

1. อนเวอรเตอร

Input 380-480V 10% 3 AC 24A 47-63Hz

Output 0-input V 3 AC 18.4A 0-650Hz 7.5kW

2. LC-Filter

380-480V 10% 3 AC 32.6A 0-150 Hz

Max Switching Frequency = 4 kHz

3. 3 Induction Motor

/Y 400/690V 5.5kW 11.1/6.4A 2,915RPM

4. Analog & Digital Oscilloscope HAMEG ร น HM407

5. สาย VCT 4x4 mm2 750V ยาว 100 เมตร

แนวทางการทดลอง

1. ตั ง Switching Frequency ของ Drive ไวคงท ท 4 kHz

2. วัดรปคล นกระแสและแรงดันท ความถ พ นฐาน 3 ค าคอ 25 Hz, 50 Hz และ 75 Hz

3. วัดรปคล นกระแสและแรงดันในสองกรณคอม Filter และไม ม Filter

4. กรณไม ม Filter วัดรปคล นสองจดคอ ท ขั วของอนเวอรเตอรและท ขั วของมอเตอร

5. กรณม Filter วัดรปคล น 1 จดคอ ท ขั วของมอเตอร

รปแสดงลกัษณะการทดลอง

ผลการทดลอง

จากการทดลองวัดรปคล นกระแสและแรงดันตามจดต าง ๆ ดังกล าวขางตนไดผลการวดัดังน

1. อนเวอรเตอรทางานท ความถ 25 Hz



1.1 รปคล นแรงดันและกระแสท ขั วอนเวอรเตอร

1.2 รปคล นแรงดันและกระแสท ขั วมอเตอรกรณไม ม Filter

1.3 รปคล นแรงดันและกระแสท ขั วมอเตอรกรณใส LC-Filter













สร ปผลการทดลอง

เปรยบเทยบร ปคล นแรงดัน

จากผลการทดลอง จะเหนไดอย างชัดเจนว าในกรณท ไม ม LC-Filter นั นแรงดันจะมลักษณะเปน PWM

และจะม Spike ท ยอดคล นสงมากข นเม อวัดท ขั วมอเตอร เทยบก บัเม อวัดท อนเวอรเตอรท จะสังเกตไดว า ไม ม Spike

เก ดข น ทั งน เปนผลมากจากค า L และ C ท อย ในสาย ตอบสนองต อความถ สวตช งท อย ในรปคล น PWM ซ งจะมมาก

ย งข นเม อสายยาวข น แต เม อใส LC Filter รปคล นแรงดันท ขั วมอเตอรจะมรปร างใกลเคยงรปคล นซายนมากข น และ

Spike จะหายไป



เปรยบเทยบร ปคล นกระแส

จะเหนว ารปร างของกระแสในกรณใส LC-Filter มรปร างท ใกลเคยงรปคล นซายนมากข น

(ซ งจะเหนไดชัดเจนเม อความถ สงข น) ทั งน เปนไปตามการคาดการณทางทฤษฎท เม อรปคล นแรงดันใกลเคยงซายน มากข นรปคล นกระแสก จะใกลซายนมากข น

ผลดจากการท ร ปคล นแรงดันมร ปรางใกลซายนมากขน

1. ลด dv/dt และ Spike Voltage ซ งเปนอันตรายต อฉนวน

2. ลดกระแสรั วไหลผ าน C ระหว างสายก บัสาย และสายกราวดกรณสายยาวมากเก นก าหนด

ซ งจะเปนผลดในเร องการลดฮารมอนกส กระแสรั วไหลลงกราวด

และลดภาระโหลดของอนเวอรเตอรเน องจากกระแสรั วไหล

ผลดจากการท ร ปคล นกระแสมร ปรางใกลเคยงซายนมากขน

1. ลดความรอนเน องจากฮารมอนกสในตัวมอเตอร

2. ลดการสรางสัญญาณรบกวนทางสนามแม เหลกไฟฟา

2. วงจรคอนเวอรเตอรในฐานะของ Noise Receiver

บทความเร องฮารมอนกสท ผ านมาขางตนไดแสดงใหเหนถงการท คอนเวอรเตอรอย ในฐานะของผท ทาใหเก ดฮารมอนกส

อันจะนาไปส การรบกวนการทงานทั งของตนเองและของระบบอ น ๆ ท อย ใกลเคยง แต ในหัวขอน จะขอกล าวถงวงจรคอนเวอรเตอรในฐานะของวงจรท ไดรับผลกระทบจากสัญญาณรบกวน

โดยปกตแลวสัญญาณรบกวน (Noise) สามารถเขาส วงจรคอนเวอรเตอรไดใน 3 รปแบบคอ

มาพรอมก บักระแสไฟฟา, ผ านการเหน ยวนา และผ านเขามาทางคาปาซแตนซท อย ระหว างตัวนา ซ งการเขามาดงักล าวมกัจะเก ดข นก บัสายสัญญาณของไดรฟท ในทางปฏบัตอาจจะถกวางไวในสภาพแวดลอมท เตมไปดวยแหล งก าเนนสัญญาณรบกวน เช น สายเพาเวอรท มฮารมอนกส เปนตน ดังแสดงในรปท 6 และเขยนเปนวงจรสมมลไดดังแสดงในรปท 7



ร ปท 6 ก. แสดงผลกระทบจากการเหน ยวนา ข. แสดงผลกระทบจากการรั วไหลผ านคาปาซแตนซ ค. แหล งก าเนดสัญญาณม Noise ปนมาแต เร ม

ร ปท 7 ก. สัญญาณเขามาโดยการเหน ยวนาทางแม เหลกไฟฟา และมาพรอมก บักระแสไฟฟาโดยตรง

ข. สัญญาณรบกวนเขามาโดยรั วไหลผ านคาปาซแตนซระหว างสาย

วธป องกันและแกไข

1. ใช Low Pass Filter เพ อกรองสัญญาณรบกวน ( ซ งมักมความถ สง) ออกไป ดังแสดงในรปท 8



ร ปท 8 Input Filter กรองความถ สงออก

วธน ถอเปนวธแก ไข เน องจากว าจะยอมใหสัญญาณรบกวนเขามาในสายก อนแลวจงทาการแก ไข โดยจากรป เม อมสัญญาณ

รบกวนเขามาทางสายสัญญาณ สัญญาณรบกวนจะถกกรองออกไปโดยฟลเตอร ซ งอาจจะเปนอะนาลอก(LC Circuit) หรอดจตอลฟลเตอร (Smoothing) ก ได โดยฟลเตอรจะยอมใหผ านเฉพาะสัญญาณท มความถ ต า ดังนั นการแก ปัญหาดวยวธน จะใชไดเฉพาะเม อสัญญาณท มาก บัสาย สัญญาณมลักษณะเปนอะนาลอก แต ถาสัญญาณในสายเปนสญัญาณดจตอล เช นจาก Pulse Encoder หรอสัญญาณ 16 บต, 32 บต จาก PLC การฟลเตอรดวยวธน อาจจะทาใหวงจรควบคมตความหมายของสญัญาณผดเพ ยน การแก ปัญหาจงตองเปล ยนไปใชวธป องก นัแทน

2. ใชสายชลด เพ อปองก นัไม ใหสัญญาณรบกวนเขามาท สายสัญญาณโดยตรง ดังแสดงในรปท 9

ร ปท 9 แสดงการต อสายชลด

จากรป เม อใชสายชลด สัญญาณรบกวนจะถกเปล ยนทางใหไหลผ านส วนท เปนชลดลงกราวดแทน ทาใหสายสัญญาณจรงไม ถกรบกวนและ S ไม ถกเปล ยนรปร าง วธน จงเหมาะก บักรณ S มลกัษณะเปนสญัญาณดจตอล

อย างไรก ตาม ในทางปฏบัตอาจจะใชทั ง 2 วธร วมก นัดังแสดงในรปท 10 แต ถาสัญญาณ S เปนดจตอล ฟลเตอรท ใชในแบบท หน งตองมแบนดวดธท ไม กระทบต อรปร างของสัญญาณดจตอล เพ อไม ใหเก ดการตความหมายของขอมลผดพลาด



ร ปท 10 การใชทั งวธแก ไขและปองก นั

18 เมษายน 2548

Documents

Harmonics และ Noise กับการทำงานของอินเวอร์เตอร์.pdf