ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com

มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ที่ติดตั้งอยู่ในโรงงานอุตสาหกรรม ความเข้าใจในส่วนประกอบต่าง ๆ ของมอเตอร์และการทำงานของชิ้นส่วนเหล่านั้นจะทำให้เข้าใจว่าพลังงานสูญเสียในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ นั้นเกิดขึ้นได้อย่างไรและจะลดความสูญเสียเหล่านั้นได้อย่างไร เชิญติดตามรายละเอียดในบทความฉบับนี้ได้เลยครับ

ไดอะแกรมในรูปที่ 1 แสดงส่วนประกอบต่าง ๆ ของมอเตอร์เหนี่ยวนำ (Induction Motor) ตั้งแต่กล่องต่อสาย (Conduit Box) ซึ่งเป็นจุดรับไฟฟ้าเข้าจนถึงแกนมอเตอร์ (Output Shaft) ซึ่งเป็นจุดส่งกำลังทางกลออกไปขับเคลื่อนโหลดต่าง ๆ มอเตอร์ทำงานได้จากการที่พลังงานไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าหมุนเวียน (Rotating Magnetic Field) ขึ้นที่

(1) สเตเตอร์ (Stator) ซึ่งจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและสนามแม่เหล็กไฟฟ้าหมุนเวียนที่ (2) โรเตอร์ (Rotor) และส่งผลให้โรเตอร์และ (3) แกนมอเตอร์ (Shaft) หมุน โดยที่แกนมอเตอร์ติดตั้งอยู่บน (4) แบริ่ง (Bearing) มีผลให้แกนมอเตอร์หมุนได้โดยอิสระ

รูปที่ 1 ส่วนต่าง ๆ ของมอเตอร์

เมื่อมอเตอร์ต่อโดยตรงกับแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า มอเตอร์จะเร่งความเร็วขึ้นจนถึงความเร็วที่คงที่ค่าหนึ่ง โดยมอเตอร์จะดึงกระแสไฟฟ้าที่มีค่าสูงในช่วงที่เร่งความเร็วนี้ เรียกกระแสไฟฟ้าขณะนี้ว่ากระแสไฟฟ้าขณะสตาร์ท (Motor Starting Current) ซึ่งจะมีความร้อนเกิดขึ้นในช่วงเวลานี้ ดังนั้นผู้ผลิตมอเตอร์จึงจำเป็นต้องระบุจำนวนครั้งสูงสุดในการสตาร์ทมอเตอร์ในเวลาหนึ่งชั่วโมง เพราะความร้อนที่สะสมอยู่จะทำให้อายุของมอเตอร์สั้นลง

ในกรณีที่สตาร์ทมอเตอร์ด้วย Soft starter หรือ VSD วิธีนี้จะจำกัดปริมาณกระแสไฟฟ้าขณะสตาร์ทไม่ให้สูงเกินไป เป็นการลดความร้อนที่เกิดขึ้น และลดการสึกหรอของมอเตอร์

จากไดอะแกรมในรูปที่ 2 เมื่อจ่ายไฟฟ้าให้กับ (a) อุปกรณ์ควบคุมมอเตอร์ (Drive) จะเกิดความร้อนสูญเสียจากการทำงานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ภายใน ปกติแล้วมีค่าประมาณ 5% (b) มอเตอร์เองมีความสูญเสียภายใน และเมื่อต่อกับระบบส่งกำลัง เช่น เกียร์บอกซ์ หรือสายพาน ก็จะมีความสูญเสียในรูปของความเสียดทาน ดังนั้นโดยทั่วไปพลังงานไฟฟ้า 75–80% เท่านั้นจะส่งต่อไปยังโหลด 

รูปที่ 2 ไดอะแกรมแสดงความสูญเสียของระบบที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์

ประสิทธิภาพของมอเตอร์เปลี่ยนแปลงตามการออกแบบมอเตอร์และช่วงอายุการใช้งาน โดยทั่วไปมอเตอร์ที่ใช้งานแบ่งตามประสิทธิภาพของมอเตอร์ได้เป็น 3 ประเภท คือมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง (High Efficiency) มอเตอร์ประสิทธิภาพมาตรฐาน (Standard Efficiency) และมอเตอร์ประสิทธิภาพต่ำ (Lower Efficiency) โดยมีประสิทธิภาพต่างกันประมาณ 4% แต่ละประเภท มอเตอร์เก่าที่ใช้งานมานาน หรือมอเตอร์ที่พันขดลวดใหม่จะมีประสิทธิภาพต่ำกว่ามอเตอร์ประสิทธิภาพมาตรฐานพอสมควร 

ภาวะโหลดคือปริมาณงานที่มอเตอร์ต้องทำเปรียบเทียบกับกำลังด้านออกสูงสุดของมอเตอร์ที่สร้างขึ้นมาได้  มอเตอร์สมัยใหม่จะทำงานที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่โหลด 75% ขึ้นไปจนถึงโหลดสูงสุดที่ 90% ตัวอย่างเช่น มอเตอร์พิกัด 90 kW ขับโหลด 81 kW คิดเป็นโหลด 81 kW/90 kW เท่ากับ 90% Loading

การคำนวณกำลังไฟฟ้าด้านเข้าของมอเตอร์ คำนวณจากกำลังด้านออกของมอเตอร์บวกกับพลังงานสูญเสียของมอเตอร์ จากตัวอย่างข้างต้น มอเตอร์ขนาด 90 kW มีประสิทธิภาพ 95% ขับเคลื่อนโหลดที่ 81 kW ดังนั้นกำลังไฟฟ้าด้านเข้าของมอเตอร์ เท่ากับ 81 kW/0.95 เท่ากับ 85.3 kW

มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถขับเคลื่อนโหลดได้หลากหลายประเภท จึงจำเป็นต้องทำความเข้าใจถึงคุณลักษณะของโหลดเหล่านั้นจึงจะสามารถประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ โหลดของมอเตอร์แบ่งได้เป็น

* โหลดชนิดแรงบิดเปลี่ยนแปลง (Variable Torque Loads) โหลดประเภทนี้ เช่น พัดลม ปั๊มน้ำที่เปลี่ยนแปลงความเร็วรอบได้ แรงบิดเปลี่ยนแปลงตามความเร็วรอบยกกำลังสอง และพลังงานไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามความเร็วรอบยกกำลังสาม ดังนั้นมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนโหลดประเภทนี้จะสามารถลดพลังงานไฟฟ้าลงได้ถ้าลดความเร็วรอบลง เช่น ถ้าลดความเร็วรอบลง 20% จะประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ 50%

* โหลดชนิดแรงบิดคงที่ (Constant Torque Loads) โหลดประเภทนี้ เช่น สายพาน คอมเพรสเซอร์ชนิด Screw หรือ Reciprocating เครื่องบดหิน โหลดประเภทนี้แรงบิดจะไม่เปลี่ยนแปลงตามความเร็วรอบ และพลังงานไฟฟ้าแปรผันตรงกับความเร็วรอบ ดังนั้นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้แปรผันตรงกับงานที่ทำได้ หรือ ทำงานมากก็ใช้พลังงานมาก เช่น ถ้าลดความเร็วรอบลงได้ 50% จะประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ 50%

* โหลดชนิดพลังงานคงที่ (Constant Power) โหลดประเภทนี้ได้แก่ เครื่องมือกล แรงบิดของโหลดประเภทนี้แปรผันตามความเร็วรอบ แต่พลังงานไฟฟ้ามีค่าคงที่ จึงไม่สามารถลดการใช้พลังงานไฟฟ้าของโหลดประเภทนี้ได้ 

ชุดควบคุมมอเตอร์ชนิด VSD จะทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าด้านเข้าที่มีความถี่คงที่ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าด้านออกที่ปรับเปลี่ยนความถี่ได้ ความถี่ที่ปรับเปลี่ยนได้นี้จะทำให้ชุดควบคุมมอเตอร์สามารถควบคุมการทำงานของมอเตอร์ได้ตามต้องการ ยกตัวอย่างเช่น สามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าที่ความถี่ต่ำเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ที่ความเร็วรอบต่ำ และสร้างพลังงานไฟฟ้าที่ความถี่สูงเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ที่ความเร็วรอบที่สูงขึ้น

ความถี่ที่ชุดควบคุมมอเตอร์สร้างขึ้นสามารถเปลี่ยนแปลงให้มอเตอร์สร้างแรงบิดตามที่ต้องการได้ ดังนั้นชุดควบคุมมอเตอร์และตัวมอเตอร์สามารถทำงานร่วมกันในการขับเคลื่อนโหลดขนาดใหญ่ที่ความเร็วรอบต่ำและขับเคลื่อนโหลดขนาดเล็กที่ความเร็วรอบสูงขณะที่มอเตอร์มีประสิทธิภาพสูงสุด

รูปที่ 3 Variable Speed Drive (VSD)

ในกรณีที่ใช้ชุดควบคุมมอเตอร์ชนิด VSD โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโหลดประเภทปรับแรงบิดได้ เช่นพัดลม หรือปั๊มน้ำ จะช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าและลดค่าใช้จ่ายลงได้

ปิดสวิตซ์มอเตอร์ (switch–off) เมื่อไม่ได้ใช้งาน เนื่องจากมอเตอร์ติดตั้งใช้งานอยู่ท่ามกลางเครื่องจักรต่าง ๆ จึงเป็นไปได้ที่จะถูกละเลยปล่อยให้วิ่งไปเรื่อย ๆ โดยไม่มีงานเกิดขึ้น ดังนั้นควรมองหาว่ามีเครื่องจักรที่มีมอเตอร์เป็นเครื่องยนต์ต้นกำลัง (Prime Mover) ใด ๆ บ้างถูกปล่อยให้วิ่งโดยไม่ได้งานเกิดขึ้นหรือไม่ได้มีความต้องการ

เมื่อพบเครื่องจักรดังกล่าว ก็ควรพิจารณาว่าจะหยุดมอเตอร์ได้หรือไม่ โดยวิธีใดได้บ้าง ทั้งนี้การหยุดมอเตอร์ต้องคำนึงถึงจำนวนครั้งสูงสุดที่จะสตาร์ทมอเตอร์ได้ในเวลาหนึ่งชั่วโมงตามที่ผู้ผลิตแนะนำ รวมถึงควรมีขั้นตอนการหยุดเดินเครื่องที่ชัดเจนเพื่อป้องกันการหยุดมอเตอร์ผิดตัว 

ใช้ระบบควบคุมอัตโนมัติ พิจารณาว่าสามารถใช้ระบบควบคุมอัตโนมัติในการหยุดมอเตอร์ได้หรือไม่ อาจจะใช้ Timer สั่งหยุดเดินเครื่องจักรที่มีมอเตอร์เป็นเครื่องยนต์ต้นกำลังในเวลาที่กำหนด รวมถึงสามารถใช้อุปกรณ์อินเตอร์ล็อกร่วมด้วยเพื่อเพิ่มความปลอดภัย เช่นจะสั่งเดินเครื่องจักรชุดนี้ได้ ก็ต่อเมื่อเครื่องจักรอีกชุดหนึ่งที่เกี่ยวข้องเดินเครื่องแล้ว       

หรือถ้าเครื่องจักรชุดนี้ถูกหยุด เครื่องจักรที่อินเตอร์ล็อกอยู่ก็จะหยุดด้วยอัตโนมัติ เป็นต้น อาจจะมีการใช้อุปกรณ์ตรวจจับว่ามอเตอร์เดินเครื่องขณะมีโหลดหรือไม่ หากตรวจจับได้ว่ามอเตอร์เดินเครื่องอยู่โดยที่ไม่มีโหลด มอเตอร์ก็จะถูกสั่งให้หยุดในเวลาที่เหมาะสม เพื่อประหยัดพลังงาน

ติดตั้งมอเตอร์และชุดควบคุมในพื้นที่ที่มีอากาศเย็น มอเตอร์และชุดควบคุมมอเตอร์เมื่อใช้งานจะมีความร้อนเกิดขึ้น ความร้อนดังกล่าวจะต้องถูกระบายออกสู่สภาวะแวดล้อมภายนอก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องติดตั้งมอเตอร์และชุดควบคุมในพื้นที่ที่แห้ง สะอาด มีการระบายอากาศที่ดีโดยมีอุณหภูมิที่เหมาะสม

ทำความสะอาดมอเตอร์ การทำความสะอาดมอเตอร์มีความสำคัญอย่างมาก โดยเฉพาะเมื่อต้องติดตั้งมอเตอร์ในสภาพแวดล้อมที่สกปรก ครีบระบายอากาศเป็นส่วนสำคัญของมอเตอร์ในการระบายความร้อนของมอเตอร์สู่อากาศภายนอก ถ้าครีบระบายอากาศสกปรกจะทำให้พื้นที่ผิวสัมผัสกับอากาศภายนอกลดลง มอเตอร์ที่สกปรกจะร้อนขึ้นและมอเตอร์ที่ร้อนจะกินไฟมากกว่าปกติและอายุของมอเตอร์จะสั้นลงอีกด้วยครับ

* การกำหนดขนาดมอเตอร์ให้เหมาะสม
ในบางครั้งมอเตอร์ก็ต้องทำงานที่โหลดน้อยกว่าพิกัด (Under–loading) โดยไม่มีทางเลือก แต่ถ้าเป็นไปได้ก็ควรให้มอเตอร์ทำงานเต็มพิกัดเท่าที่จะทำได้ ซึ่งสามารถทำได้หลายวิธี ได้แก่

แก้ไขขนาดมอเตอร์ให้ถูกต้อง ถ้าใช้มอเตอร์ขนาดเล็กแต่ทำงานเต็มพิกัดจำนวนหลายตัวทำงานแทนมอเตอร์ขนาดใหญ่แต่ทำงานที่พิกัดบางส่วนได้หรือไม่ เพราะถ้าได้จะทำให้มอเตอร์มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และประหยัดพลังงานได้ เช่น มอเตอร์ขนาด 10 kW หนึ่งตัวทำงานที่ 25% ของพิกัด แต่ถ้าเปลี่ยนมาเป็นใช้มอเตอร์ขนาด 2.5 kW ทำงานเต็มพิกัดจะประหยัดเงินได้ถึง 5,000 บาทต่อปี (นี่แค่ตัวเดียวนะครับ)

การจัดการอย่างเหมาะสม (Optimizing) อาจจะมีความเป็นไปได้ที่จะปรับเปลี่ยนกระบวนการบางอย่างในการผลิตให้มอเตอร์ทำงานเต็มพิกัดตั้งแต่สตาร์ทจนหยุดทำงานในช่วงเวลาสั้นซึ่งดีกว่าที่จะให้มอเตอร์ทำงานอย่างต่อเนื่องที่พิกัดบางส่วน (Partial Loaded) เช่นในกระบวนการผลิตหนึ่ง มีปั๊มที่ทำงานตลอดเวลาในการสูบของเหลวจากถังเก็บที่มีขนาดใหญ่      

แต่อาจจะเปลี่ยนเป็นติดตั้งถังพักพร้อมระบบควบคุมเปิด-ปิดชนิดธรรมดา โดยสั่งสตาร์ทปั๊มเพื่อสูบของเหลวจากถังพักเมื่อมีของเหลวเต็มถังและหยุดปั๊มเมื่อระดับของเหลวต่ำที่กำหนด ซึ่งวิธีนี้จะช่วยให้มอเตอร์สามารถทำงานเต็มพิกัดได้ตลอดช่วงเวลาทำงานของปั๊มทำให้มอเตอร์ทำงานที่ประสิทธิภาพสูงและช่วยประหยัดพลังงานได้

ติดตั้งระบบควบคุมมอเตอร์ เช่นมอเตอร์ที่ทำงานที่พิกัดบางส่วน ในกรณีที่ไม่อาจปรับเปลี่ยนกระบวนการผลิตเพื่อให้มอเตอร์ทำงานเต็มพิกัด ก็อาจติดตั้งชุดควบคุมมอเตอร์เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยและกระแสไฟฟ้าให้น้อยลงเพื่อให้เหมาะสมกับโหลดของมอเตอร์ในขณะนั้น ซึ่งวิธีนี้จะใช้ได้กับมอเตอร์ที่ทำงานที่ 40% ของพิกัด วิธีนี้จะช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้อีกวิธีหนึ่ง

การซื้อมอเตอร์ใหม่เป็นโอกาสอันดีที่จะปรับปรุงสมรรถนะด้านพลังงาน การเปลี่ยนมอเตอร์หรือชุดควบคุมอาจจะไม่ใช่คำตอบที่ดีเสมอไปในการประหยัดพลังงาน แต่การกำหนดและพิจารณาประสิทธิภาพของระบบมอเตอร์โดยรวมจะทำให้เกิดประโยชน์สูงสุด 

พันขดลวดใหม่หรือเปลี่ยนมอเตอร์ใหม่ (อย่างไหนดีกว่ากัน) ส่วนใหญ่มอเตอร์ที่พันขดลวดใหม่จะมีประสิทธิภาพต่ำกว่ามอเตอร์ใหม่อยู่ประมาณ 3–5% ถึงแม้ว่าต้นทุนในการพันขดลวดใหม่จะถูกกว่าซื้อมอเตอร์ใหม่อยู่พอสมควร แต่ประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าก็หมายถึงมี Running Cost ที่สูงกว่า และแน่นอนเงินลงทุนที่ประหยัดได้จากการพันขดลวดใหม่ก็จะหมดไปในเวลาไม่นาน

มอเตอร์ประสิทธิภาพสูง จริง ๆ แล้วมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงก็ไม่ได้แพงจนเกินไป แต่ประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ถึง  5% (ไม่น้อยเลยนะครับ ในเวลาที่น้ำมันแพง คุยกับแฟนก็ต้องดับไฟอย่างเวลานี้)

มอเตอร์ชนิดมีความเร็วรอบหลายค่า (Multiple Speed Motors) ในการใช้งานตามโหลดต่าง ๆ อาจจะมีความจำเป็นที่จะต้องติดตั้งมอเตอร์ชนิดมีความเร็วรอบหลายค่า มอเตอร์ชนิดนี้มีความเร็วรอบที่กำหนดไว้ได้ถึง 4 ค่าสามารถใช้งานทดแทนมอเตอร์ที่มีอยู่เดิมรวมถึงอาจจะไม่จำเป็นต้องใช้ระบบส่งกำลังซึ่งมีความสูญเสียรวมอยู่

มอเตอร์ชนิดนี้ไม่ได้แพงกว่ามอเตอร์มาตรฐานทั่วไป นอกจากนี้ยังสามารถใช้ชุดควบคุมมอเตอร์แบบเปิด–ปิดอย่างง่าย ๆ ได้ ตัวอย่างเช่นระบบระบายอากาศในครัวสามารถใช้มอเตอร์ชนิดมีความเร็วรอบสองค่า (Two Speed Motor) ในการหมุนพัดลมดูดอากาศ ในการดูดอากาศที่ความเร็วรอบเต็มพิกัดในเวลาเย็น และอาจจะใช้มอเตอร์ที่ความเร็วต่ำในเวลาอื่นก็ได้ 

* การตรวจติดตาม (Monitoring)
แน่นอนครับ เมื่อใช้วิธีประหยัดพลังงานต่าง ๆ ในโรงงานแล้ว ก็จำเป็นต้องมีระบบตรวจติดตามที่มีประสิทธิภาพและต่อเนื่อง 

การจดบันทึกค่าและข้อมูล มีความสำคัญอย่างมากและพื้นฐานในการวางแผนการใช้พลังงานอย่างประหยัดและคุ้มค่า โดยอาจจะจดบันทึกรายละเอียดดังต่อไปนี้

การวัดค่า การวัดค่าพลังงานไฟฟ้าที่มอเตอร์ใช้จะทำให้เกิดความเข้าใจในความเป็นไปต่าง ๆ และการใช้พลังงานของระบบ ข้อมูลต่าง ๆ เหล่านี้จะเป็นข้อมูลพื้นฐานในการกำหนดมาตรการต่าง ๆ ที่เหมาะสมและใช้ประหยัดเงินได้อีกมาก การวัดค่าพลังงานไฟฟ้าต้องทำการวัดหลังจากได้ใช้มาตรการต่าง ๆ แล้วเพื่อยืนยันว่ามาตรการต่าง ๆ ได้ผลรวมถึงเป็นการรายงานให้กับฝ่ายจัดการ พนักงาน และผู้มีส่วนเกี่ยวข้องได้รับทราบผลอีกด้วย อุปกรณ์วัดที่มีประโยชน์ได้แก่

- Hours Run Meter ใช้วัดค่าจำนวนชั่วโมงที่มอเตอร์ทำงาน
- Clamp–on Ammeter ใช้วัดค่ากระแสไฟฟ้ามอเตอร์ที่ทำงานอยู่
- อุปกรณ์ชนิดพกพาในการบันทึกและจัดเก็บค่า ส่วนใหญ่เป็นอุปกรณ์ PLC/Computer Based equipment สามารถบันทึกค่าทางไฟฟ้าได้หลายค่าและมีความเที่ยงตรงสูง

- เครื่องวัดหน่วยไฟฟ้าชนิดติดตั้งถาวร ส่วนใหญ่ใช้ติดตั้งวัดค่าการใช้พลังงานไฟฟ้าของมอเตอร์ขนาดใหญ่อย่างต่อเนื่อง เพื่อติดตามแนวโน้มการใช้งานของมอเตอร์ รวมถึงเมื่อต่อเข้ากับระบบตรวจวัดและกำหนดเป้าหมายอัตโนมัติก็จะทำให้กำหนดมาตรการประหยัดพลังงานได้อย่างเหมาะสมมากยิ่งขึ้น

เอกสารอ้างอิง