เนื้อหาวันที่ : 2007-03-22 10:41:41 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 10012 views

การควบคุมประสิทธิภาพและตัวประกอบกำลังของมอเตอร์เหนี่ยวนำ

การควบคุมประสิทธิภาพและตัวประกอบกำลังของมอเตอร์เหนี่ยวนำ ในปัจจุบันนี้จะพบว่าในโรงงานอุตสาหกรรมแทบทุกแห่งจะต้องมีเครื่องจักรกลไฟฟ้าที่ใช้ในการเปลี่ยนรูปพลังงานเพื่อใช้ในกระบวนการผลิตต่าง ๆ นั้นก็คือ มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (Induction Motor) ซึ่งทำหน้าที่ในการเปลี่ยนรูปพลังงานจากพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล

ในปัจจุบันนี้จะพบว่าในโรงงานอุตสาหกรรมแทบทุกแห่งจะต้องมีเครื่องจักรกลไฟฟ้าที่ใช้ในการเปลี่ยนรูปพลังงานเพื่อใช้ในกระบวนการผลิตต่าง ๆ นั้นก็คือ มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (Induction Motor) ซึ่งทำหน้าที่ในการเปลี่ยนรูปพลังงานจากพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลซึ่งมีข้อดีหลายอย่าง เช่น โครงสร้างแข็งแรง  ทนทาน ราคาถูก บำรุงรักษา น้อย สำหรับพลังงานกลที่ได้นั้นจะนำไปใช้ในงานประเภทต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับลักษณะของงานในแต่ละโรงงาน เช่น ใช้เป็นพัดลม, ปั๊มน้ำ, เครื่องบด และเครื่องม้วน เป็นต้น เราเรียกลักษณะของงานที่ต้องใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำในการเปลี่ยนรูปพลังงานว่า ภาระของมอเตอร์ ซึ่งลักษณะงานแต่ละชนิดก็จะเป็นภาระที่ต่างกันของมอเตอร์ เช่น ภาระเบา, ปานกลาง หรือ หนัก  อาจจะคงที่หรือเป็นช่วงระยะเวลาซึ่งเป็นคุณสมบัติของแต่ละงาน ซึ่งภาระของมอเตอร์นี้จะส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์ กล่าวคือมอเตอร์เมื่อทำงานที่ภาระเบาจะมีประสิทธิภาพและค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ค่อนข้างต่ำ  (ประมาณ 0.2 – 0.3) เนื่องจากมอเตอร์เกิดการสูญเสียที่ค่อนข้างสูง  ดังนั้นถ้าหากโรงงานที่ใช้มอเตอร์เป็นตัวส่งกำลังให้กับภาระเบาเป็นจำนวนมากก็จะทำให้เกิดการสูญเสียที่สูงตามไปด้วย  

.

กลไกการสูญเสียในมอเตอร์

.

ปกติการสูญเสียแบ่งออกเป็น 2 ชนิดใหญ่ ๆ คือ

1.  การสูญเสียในแกนเหล็ก (Core  Loss: Pc) จะขึ้นอยู่กับชนิดของแกนเหล็กและปริมาณฟลักซ์ ในกรณีที่แหล่งจ่ายมีความถี่คงที่จะขึ้นอยู่กับแรงดันยกกำลังสอง ที่ป้อนให้กับมอเตอร์ และจะไม่ขึ้นอยู่กับภาระของมอเตอร์

.

2.  การสูญเสียในขดลวด (Copper Loss: Pcu) จะขึ้นอยู่กับกระแสที่จ่ายให้กับมอเตอร์ยกกำลังสองและจะขึ้นอยู่กับภาระของมอเตอร์

.

ภาระของมอเตอร์ต่อการสูญเสียและประสิทธิภาพ

.

รูปที่ 1 วงจรสมมูลต่อเฟสของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส  

.

จากรูปที่ 1 สามารถเขียนสมการกระแสที่จ่ายเข้ามอเตอร์ได้ดังสมการที่ (1) 

.

.

เมื่อมอเตอร์ทำงานที่ภาระเบา (แรงดันที่พิกัด) กระแสที่ไหลในโรเตอร์ค่อนข้างต่ำเนื่องจากที่ภาระเบา ความเร็วโรเตอร์ (Nr) จะใกล้เคียงความเร็วสนามแม่เหล็กหมุนของมอเตอร์ (Ns) ทำให้สลิป (S) มีค่าต่ำ จึงทำให้อิมพีแดนซ์ในส่วนโรเตอร์สูงเนื่องจากค่าอิมพีแดนซ์ของโรเตอร์จะมีค่ามาก น้อย ขึ้นอยู่กับค่าสลิป ตามรูปที่ 1 สลิปพิจารณาได้จาก

.

.

เมื่อพิจารณาจากสมการที่ (1) จะเห็นว่า เมื่อภาระเบากระแส I2 จะมีค่า น้อย ทำให้  I1 มีค่าใกล้เคียงกับ If ซึ่ง If จะมีเฟสล้าหลังแรงดันที่ป้อนไปมากเนื่องจาก Xm ดังนั้นค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์จึงต่ำลง เกิดการสูญเสียในแกนเหล็กที่ไม่เกิดประโยชน์ค่อนข้างสูงทำให้กำลังงานที่ไหลเข้ามากเกินความจำเป็น ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์ต่ำตามไปด้วย และเมื่อมอเตอร์ทำงานที่ภาระหนักขึ้นผลที่ได้คือความเร็วโรเตอร์จะลดลง ส่งผลให้ค่าสลิปสูงขึ้นทำให้อิมพีแดนซ์ในส่วนโรเตอร์ลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์ที่ทำงานที่ภาระเบา จึงทำให้กระแสไหลในโรเตอร์ และกระแส I1 สูงขึ้น และนอกจากนี้ยังทำให้มุมประกอบกำลัง (มุมต่างเฟสระหว่าง I1 กับ V1) ลดลง ผลที่ได้คือค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์และประสิทธิภาพของมอเตอร์สูงขึ้น นั่นก็หมายความว่าภาระของมอเตอร์จะมีผลต่อประสิทธิภาพและค่าตัวประกอบกำลังของมอเตอร์

.

การลดแรงดันที่จ่ายให้กับมอเตอร์ (ความถี่คงที่)

.

จากที่กล่าวมาในตอนต้นเป็นการแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพและการสูญเสียที่เกิดขึ้นที่มอเตอร์จะมีค่าสูงหรือต่ำจะขึ้นอยู่กับภาระของมอเตอร์ นั้นคือ เมื่อมอเตอร์มีภาระเบา ประสิทธิภาพจะต่ำและเกิดการสูญเสียในแกนเหล็กสูงกว่าในขดลวดมาก ซึ่งการจะให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดต้องทำให้การสูญเสียในขดลวดเท่ากับการสูญเสียในแกนเหล็ก  ดังนั้นการลดแรงดันลงจึงเป็นการลดการสูญเสียในแกนเหล็กลงเพื่อให้ใกล้เคียงกับการสูญเสียในขดลวด แต่อย่างไรก็ตามเมื่อมอเตอร์ทำงานที่ภาระใดภาระ หนึ่ง การลดแรงดันลงจะทำให้ฟลักซ์แม่เหล็กลดลงเพื่อทำให้เกิดแรงบิดเท่าเดิมจะต้องมีการเพิ่มกระแสทางด้านโรเตอร์ทำให้กระแสไหลเข้ามอเตอร์สูงขึ้น  ซึ่งเป็นการเพิ่มการสูญเสียในขดลวดตามไปด้วย ปกติแล้วเราจะลดแรงดันลงแล้วให้ได้ความเร็วอยู่ที่ความเร็วที่พิกัด (สลิปพิกัด) อย่างไรก็ตามไม่ใช่จุดที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุด ซึ่งจุดที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดจะต้องควบคุมทำให้เกิดสลิปออปติมั่ม (Optimum Slip) ซึ่งจะกล่าวหลักการในภายหลัง

.

การลดแรงดันหรือการควบคุมแรงดันโดยไม่เปลี่ยนความถี่ไฟที่ป้อนมอเตอร์จะใช้อุปกรณ์เพาเวอร์อิเล็กทรอนิกส์โดยใช้ไทรีสเตอร์ควบคุมในลักษณะควบคุมเฟส (Phase Control) ซึ่งวงจรนี้บางครั้งเรียกว่า เอซีคอนโทรลเลอร์ ดังรูปที่ 2 a) และ 3 a) สำหรับ 1 เฟสและ 3 เฟสตามลำดับ ซึ่งเป็นวงจรหลักที่นิยมใช้ในอุปกรณ์ประหยัดพลังงานส่วนมากจะใช้ได้ดีกับโหลดประเภท พัดลม ปั๊ม ฯลฯ นอกจากนี้ยังใช้ในตัวสตาร์ทมอเตอร์แบบนุ่มนวล (Soft Starter) ด้วยเหมือนกัน อย่างไรก็ตามข้อเสียของวงจรนี้คือ เกิดแรงดันและกระแสฮาร์มอนิกและแรงบิดแม่เหล็กกระเพื่อม

.

รูปที่ 2 a) วงจรการควบคุมแรงดันมอเตอร์ 1 เฟส

.

รูปที่ 2 b) รูปคลื่นแรงดันและกระแสปกติของมอเตอร์

.

รูปที่ 2 c) รูปคลื่นแรงดันและกระแสที่มีการควบคุมแรงดันมอเตอร์ของอุปกรณ์ประหยัดพลังงาน

.

รูปที่ 3 a) วงจรควบคุมแรงดันมอเตอร์ 3 เฟส

.

รูปที่ 3 b) รูปคลื่นกระแส, แรงดันและแรงบิดแม่เหล็ก

.

จากรูปที่ 2 และ 3 ได้แสดงรูปวงจรและรูปคลื่นแรงดันและกระแสที่ได้จากการควบคุม 1 เฟสและ 3 เฟส ตามลำดับจะสังเกตเห็นว่าแรงดันและกระแสที่เกิดขึ้นจะไม่เป็นรูปคลื่นไซน์บริสุทธิ์ แต่จะเกิดการผิดเพี้ยนทำให้เกิดผลของฮาร์มอนิกของทั้งแรงดันและกระแส ยังส่งผลทำให้เกิดการกระเพื่อมของแรงบิดแม่เหล็ก  

.

รูปที่ 4 เฟสเซอร์ไดอะแกรมของแรงดันและกระแสที่จ่ายเข้ามอเตอร์

(a) ขณะจ่ายแรงดันเต็มพิกัด (b) ขณะจ่ายแรงดันครึ่งพิกัด

.

จากเฟสเซอร์ไดอะแกรมดังรูปที่ 4 a) เป็นเฟสเซอร์ไดอะแกรมที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสที่จ่ายเข้ามอเตอร์ที่พิกัดของมอเตอร์จะเห็นว่ากระแสที่ไหลในโรเตอร์จะค่อนข้างต่ำและกระแสที่เข้ามอเตอร์จะเป็นการรวมกันทางเฟสเซอร์ระหว่างกระแสที่สร้างสนามแม่เหล็กกับกระแสโรเตอร์ทำให้ได้มุมต่างเฟสระหว่างแรงดันและกระแส (ja ) ซึ่งมีค่ามากทำให้ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ต่ำ และรูปที่ 4 b) เป็นเฟสเซอร์ไดอะแกรมที่ได้เมื่อทำการลดแรงดันลงเหลือครึ่ง หนึ่ง ของแรงดันพิกัด จะทำให้กระแสที่สร้างสนามแม่เหล็กลดลงเหลื่อครึ่ง หนึ่ง ทำให้การสูญเสียที่แกนเหล็กลดลงในขณะที่กระแสที่ไหลในโรเตอร์มีค่าสูงขึ้นเพื่อให้ได้แรงบิดแม่เหล็กเท่าเดิม และเมื่อรวมกระแสสร้างสนามแม่เหล็กและกระแสไหลในโรเตอร์จะทำให้ได้กระแสเข้ามอเตอร์ ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับในสภาวะที่จ่ายแรงดันที่พิกัดแล้วจะเห็นว่ามุมตัวประกอบกำลังลดลง (jb) ทำให้ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์สูงขึ้นและเป็นการทำให้ประสิทธิภาพของมอเตอร์เมื่อทำงานที่ภาระเบาสูงขึ้นตามไปด้วย

.

กรณีศึกษา

.

ได้ทำการทดสอบโดยการปรับเปลี่ยนภาระให้กับมอเตอร์ขนาด 2.2 kW ที่ระดับต่าง ๆ แล้วทำการหาประสิทธิภาพของมอเตอร์โดยปรับค่าแรงดันดังต่อไปนี้

·         จ่ายแรงดันให้กับมอเตอร์ที่พิกัด

·         ลดแรงดันจนถึงความเร็วรอบที่พิกัด (สลิปที่พิกัด)

·         ลดแรงดันจนถึงเพาเวอร์แฟกเตอร์ที่ 0.85 ล้าหลัง

.

เมื่อทำการทดลองทั้ง 3 กรณีแล้วนำค่าประสิทธิภาพและตัวประกอบกำลังของมอเตอร์ที่ได้ในแต่ละกรณีมาทำการเปรียบเทียบแล้ว จะได้ผลตามรูปที่ 5, 6 และ 7

.

รูปที่ 5 เปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างควบคุมแรงดันให้ได้ความเร็วที่พิกัด และแรงดันที่พิกัด  

.

รูปที่ 6 เปรียบเทียบเพาเวอร์แฟกเตอร์ ระหว่างที่แรงดันพิกัดและควบคุมแรงดันให้ได้ความเร็วที่พิกัด

.

รูปที่ 7 เปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างควบคุมเพาเวอร์แฟกเตอร์ (0.85 ล้าหลัง) และแรงดันของมอเตอร์คงที่ที่พิกัด  

.

จากรูปที่ 5 ทำให้สรุปได้ว่าเมื่อมอเตอร์มีภาระเบาเป็นเศษส่วนของภาระเต็มพิกัด (0 – 70 %) สามารถประหยัดพลังงานได้ หรือประสิทธิภาพของมอเตอร์สามารถทำให้สูงขึ้นได้โดยการปรับลดแรงดันจนถึงที่ความเร็วพิกัด  แต่จะเห็นได้ชัดเจนที่ 0 – 30 % และในขณะเดียวกันจากรูปที่ 6 ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ก็สามารถปรับปรุงให้ดีขึ้น (ประมาณ 0.9) ได้โดยการลดแรงดัน ส่วนรูปที่ 7 การควบคุมเพาเวอร์แฟกเตอร์ให้ได้ 0.85 ล้าหลัง ก็ทำให้แนวโน้มของประสิทธิภาพเหมือนรูปที่ 5 ซึ่งประสิทธิภาพไม่สูงเท่ากับการควบคุมให้เกิดสลิปที่พิกัด ซึ่งปกติส่วนใหญ่แล้วอุปกรณ์ประหยัดพลังงานในเชิงพาณิชย์ไม่ได้อาศัยการตรวจจับความเร็วรอบเพื่อนำมาควบคุมสลิปที่พิกัดซึงเป็นการไม่สะดวกจึงอาศัยการควบคุมเพาเวอร์แฟกเตอร์แทนโดยอาศัยการตรวจจับแรงดันและกระแสซึ่งค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ที่ต้องการควบคุมอาจอยู่ในช่วง 0.8–0.9 ก็เป็นการเพียงพอ

.

การควบคุมประสิทธิภาพสูงสุดโดยการควบคุมความถี่สลิปให้มีความเหมาะสม (Optimum Slip Frequency)

.

จากหัวข้อที่ผ่านมาเป็นการปรับปรุงประสิทธิภาพซึ่งยังไม่ใช่ประสิทธิภาพสูงสุดให้กับมอเตอร์โดยการลดแรงดันแต่คงที่ความถี่ไฟที่ป้อนไว้ที่ 50 เฮิร์ธ ซึ่งวิธีการดังกล่าวสามารถใช้ได้กับมอเตอร์ทั่ว ๆ ไปแต่ถ้านำไปใช้กับงานที่ต้องการปรับเปลี่ยนความเร็วรอบได้กว้าง ต้องมีการควบคุมโดยใช้การปรับทั้งแรงดันและความถี่ โดยใช้อินเวอร์เตอร์ ก็สามารถควบคุมประสิทธิภาพโดยการควบคุมความถี่สลิป (ความถี่ไฟในโรเตอร์) ให้มีความเหมาะสม (Optimum Slip Frequency) โดยมีวิธีการดังนี้คือ ที่สภาวะโหลดเบา มอเตอร์จะมีความสูญเสียที่เปล่าประโยชน์ เนื่องจากการสูญเสียในแกนเหล็ก  ด้วยเหตุนี้จึงทำการปรับเปลี่ยนการทำงานของมอเตอร์ให้มาทำงานที่ความถี่สลิปที่เหมาะสมโดยการปรับเปลี่ยนค่า V/F ให้ลดลงเพื่อลดการสูญเสียในแกนเหล็กโดยวิธีการนี้ความถี่สลิปที่เหมาะสมจะไม่ขึ้นกับภาระโหลดแต่จะขึ้นอยู่กับค่าพารามิเตอร์ของมอเตอร์และความถี่ไฟที่จ่ายให้กับมอเตอร์เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด รายละเอียดของหลักการสามารถหาดูได้จาก [2] และ [4]

.

รูปที่ 8 กราฟคุณลักษณะของแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์  

.

จากรูปที่ 8 สามารถอธิบายได้ว่าที่จุด P ค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์จะมีช่วงกว้างมาก ซึ่งถ้าอัตราส่วนของแรงดันต่อความถี่ที่จ่ายให้กับมอเตอร์สูงเกินไปจะทำให้เกิดการสูญเสียในแกนเหล็กสูงขึ้น ในขณะที่ ถ้าอัตราส่วนดังกล่าวต่ำเกินไปจะทำให้เกิดการสูญเสียในขดลวดสูงขึ้น ด้วยเหตุนี้จึงทำให้จุดทำงานที่เหมาะสมจะต้องรักษาให้แรงบิดอยู่ในสภาวะคงตัวและประสิทธิภาพสูงสุดด้วย

.

รูปที่ 9 เปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างวิธีแรงดันต่อความถี่คงที่ที่พิกัดกับวิธีความถี่สลิปเหมาะสมที่ภาระ 20 %

.

รูปที่ 10 เปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างวิธีแรงดันต่อความถี่คงที่ที่พิกัดกับวิธีความถี่สลิปเหมาะสมที่ภาระ 50 %

.

ผลที่ได้จากรูปที่ 9 และ 10 เป็นการทดลองควบคุมอินเวอร์เตอร์ที่ความถี่ต่าง ๆ จะเห็นว่าวิธีการความคุมความถี่สลิปที่เหมาะสมจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าวิธีการควบคุมอัตราส่วนของแรงดันต่อความที่คงที่ (V/F พิกัด) แต่เมื่อเพิ่มภาระให้กับมอเตอร์สูงขึ้นจะเห็นว่าการได้ประโยชน์จากประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นจะลดลง กล่าวคือ เมื่อภาระสูงขึ้นจะทำให้ประสิทธิภาพที่ได้ระหว่างวิธีการ  V/F คงที่ที่พิกัดกับวิธีควบคุมความถี่สลิปที่เหมาะสมจะเข้าใกล้กันมากขึ้น แสดงให้เห็นถึงว่าการควบคุมความถี่ที่เหมาะสมจะทำให้สามารถมอเตอร์มีประสิทธิภาพสูงขึ้นโดยเฉพาะที่ภาระเบา จึงเป็นอีกวิธีการ หนึ่ง ที่สามารถใช้ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของมอเตอร์ให้สูงขึ้น

.

บทสรุป

.

มอเตอร์เหนี่ยวนำที่ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไปที่ใช้เวลาส่วนใหญ่กับการทำงานที่ภาระเบาจะมีประสิทธิภาพและค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ที่ต่ำทำให้เกิดการสูญเสียที่เปล่าประโยชน์นั้น สามารถทำให้ประสิทธิภาพและเพาเวอร์แฟกเตอร์สูงขึ้นได้โดยวิธีการลดแรงดันที่จ่ายให้กับมอเตอร์ลง ซึ่งจะควบคุมให้ความเร็วอยู่ที่พิกัด (สลิปพิกัด) หรือควบคุมตัวประกอบกำลังให้สูงและการควบคุมความถี่สลิปให้มีความเหมาะสมซึ่งจะเป็นการปรับการสูญเสียในแกนเหล็กและในขดลวดให้ใกล้เคียงกันโดยใช้ เอซีคอนโทรลเลอร์และอินเวอร์เตอร์ที่มีการควบคุม V/F ตามลำดับซึ่งจะเป็นผลทำให้แต่ละโรงงานอุตสาหกรรมที่มอเตอร์ทำงานส่วนใหญ่มีภาระเบา เกิดการประหยัดพลังงาน

.

เอกสารอ้างอิง

.

[1] Austin Hughes, “Electric Motors and Drives“, Newnes An imprint of Butterworth-Heinemann, second edition, 1993.

.

[2] J.M.D. Murphy and V.B. Honsinger, “Efficiency Optimization of Inverter–Fed Induction Motor Drives” in Conf.Rec. 1982 Annu. Meeting IEEE Ind. Appl.Soc. pp.544-552.

.

[3] Ned Mohan, Tore M. Undeland and William P. Robbins, “Power Electronic Converters, Applications and design”, John Wiley and sons, Inc., second edition, 1995.

.

[4] ชานินทร์ จูฉิม, ”การควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส แบบความถี่สลิปเหมาะสมที่ให้ประสิทธิภาพสูงหัวข้อโครงร่างวิทยานิพนธ์วิศวกรรมศาสตร์มหาบัณฑิต ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า, สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า เจ้าคุณทหารลาดกระบัง, 2545.

.

[5] Good Practice, Case study 27, ”Compressor motor controllers on refrigeration plant“, Best Practice Programme, Energy Efficiency, .

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด