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: P_c) จะขึ้นอยู่กับชนิดของแกนเหล็กและปริมาณฟลักซ์ ในกรณีที่แหล่งจ่ายมีความถี่คงที่จะขึ้นอยู่กับแรงดันยกกำลังสอง ที่ป้อนให้กับมอเตอร์ และจะไม่ขึ้นอยู่กับภาระของมอเตอร์

.

2.  การสูญเสียในขดลวด (Copper Loss: P_cu) จะขึ้นอยู่กับกระแสที่จ่ายให้กับมอเตอร์ยกกำลังสองและจะขึ้นอยู่กับภาระของมอเตอร์

.

ภาระของมอเตอร์ต่อการสูญเสียและประสิทธิภาพ

รูปที่ 1 วงจรสมมูลต่อเฟสของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส  

จากรูปที่ 1 สามารถเขียนสมการกระแสที่จ่ายเข้ามอเตอร์ได้ดังสมการที่ (1) 

.

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

เมื่อพิจารณาจากสมการที่ (1) จะเห็นว่า เมื่อภาระเบากระแส I₂ จะมีค่า น้อย ทำให้  I₁ มีค่าใกล้เคียงกับ I_f ซึ่ง I_f 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 (j_a ) ซึ่งมีค่ามากทำให้ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ต่ำ และรูปที่ 4 b) เป็นเฟสเซอร์ไดอะแกรมที่ได้เมื่อทำการลดแรงดันลงเหลือครึ่ง หนึ่ง ของแรงดันพิกัด จะทำให้กระแสที่สร้างสนามแม่เหล็กลดลงเหลื่อครึ่ง หนึ่ง ทำให้การสูญเสียที่แกนเหล็กลดลงในขณะที่กระแสที่ไหลในโรเตอร์มีค่าสูงขึ้นเพื่อให้ได้แรงบิดแม่เหล็กเท่าเดิม และเมื่อรวมกระแสสร้างสนามแม่เหล็กและกระแสไหลในโรเตอร์จะทำให้ได้กระแสเข้ามอเตอร์ ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับในสภาวะที่จ่ายแรงดันที่พิกัดแล้วจะเห็นว่ามุมตัวประกอบกำลังลดลง (j_b) 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 แบบความถี่สลิปเหมาะสมที่ให้ประสิทธิภาพสูง” หัวข้อโครงร่างวิทยานิพนธ์วิศวกรรมศาสตร์มหาบัณฑิต ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า, สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า เจ้าคุณทหารลาดกระบัง, 2545.

.

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