เนื้อหาวันที่ : 2009-07-06 10:22:21 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 7878 views

ประสิทธิภาพของมอเตอร์เหนี่ยวนำ เพื่อการประหยัดพลังงานของมอเตอรไฟฟ้าอย่างยั่งยืน

ถ้าหากจะประหยัดพลังงานไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรมแล้ว มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นเรื่องที่ต้องดำเนินการเป็นอันดับต้น ๆ ของการประหยัดพลังงานในโรงงานอุตสาหกรรม เพราะโดยภาพรวมของค่ากระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในโรงงานอุตสาหกรรมประมาณเกือบ 70% เกิดจากการใช้พลังงานในมอเตอร์ไฟฟ้า

มนตรี ไชคินี
ฝ่ายควบคุมระบบไฟฟ้า
การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค สำนักงานใหญ่ กรุงเทพฯ
montree.chai@pea.co.th 

.

.

ถ้าหากจะประหยัดพลังงานไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรมแล้ว มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นเรื่องที่ต้องดำเนินการเป็นอันดับต้น ๆ ของการประหยัดพลังงานในโรงงานอุตสาหกรรม เพราะโดยภาพรวมของค่ากระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในโรงงานอุตสาหกรรมประมาณเกือบ 70% เกิดจากการใช้พลังงานในมอเตอร์ไฟฟ้า    

.

รูปที่ 1 แสดงเปอร์เซ็นต์สัดส่วนการใช้ไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรม

.

ซึ่งหากจะเริ่มดำเนินการในเรื่องดังกล่าว ผู้ที่เกี่ยวข้องอันได้แก่ ผู้กำหนดรายละเอียดทางเทคนิค, ผู้จัดซื้อ, ผู้ใช้งาน, ผู้ซ่อมแซมมอเตอร์ จะต้องทำความเข้าใจ และสนใจอย่างมากในเรื่องของประสิทธิภาพมอเตอร์ ให้มากพอ ๆ กันกับการพิจารณาในเรื่องของรายละเอียดทางเทคนิค และเรื่องของราคา ในบทความนี้จะทำให้เกิดความเข้าใจ และจะกล่าวถึงเรื่องประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ 

.

รูปที่ 2 แสดงสัดส่วนของมอเตอร์ไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรมที่ถูกใช้งานอยู่ในอุปกรณ์ต่าง ๆ

.

รูปที่ 3 แสดงสัดส่วนขนาดของมอเตอร์ที่ใช้ในโรงงาน และแสดงสัดส่วนการใช้พลังงานไฟฟ้าของมอเตอร์ขนาดต่าง ๆ ซึ่งพบว่ามอเตอร์ขนาดเล็กกว่า 5 แรงม้า มีใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมมากที่สุด แต่มอเตอร์ขนาดมากกว่า 250 แรงม้า จะเป็นมอเตอร์ที่ใช้พลังงานมากที่สุด

.
ประสิทธิภาพคืออะไร

ประสิทธิภาพของเครื่องจักรกลทางไฟฟ้านั้นจะหมายถึง กำลังงานที่ต้องการใช้งานจริง (Useful Power) หารด้วยกำลังทางด้านขาเข้า (Input Power) ซึ่งในทางอุดมคตินั้น กำลังที่ต้องการใช้งานจริง จะต้องมีค่าเท่ากับกำลังทางด้านขาเข้า ใช้จริงเท่าไร กล่าวคือใช้เท่าไหร่ ก็บริโภคเท่านั้น ซึ่งประสิทธิจะเท่ากับ 1 แต่ในทางปฏิบัติจริงนั้นกำลังทางด้านขาเข้าจะมากกว่ากำลังทางด้านขาออกเสมอ

.
กำลังที่สูญเสียของมอเตอร์อยู่ในส่วนใดบ้าง
กำลังสูญเสียที่มอเตอร์จะประกอบไปด้วย

1. กำลังสูญเสียที่ขึ้นกับโหลด (Load-Dependent Losses) ได้แก่
- กำลังสูญเสียที่ขดลวดที่โรเตอร์  (Copper Losses)
- กำลังสูญเสียที่ขดลวดสเตเตอร์ (Slip Losses)
- กำลังสูญเสียที่เกิดจากการสร้างสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการออกแบบเช่นการออกแบบความห่างระหว่างโรเตอร์ และสเตเตอร์ (Stray Load Losses) ขณะมอเตอร์มีโหลด ฯลฯ 

.

2. กำลังสูญเสียที่ไม่ขึ้นกับโหลด (Load-Independent Losses) ได้แก่
- กำลังสูญเสียที่แกนเหล็ก (Copper Losses)
- กำลังสูญเสียจากแรงลมต้าน และแรงเสียดทานทางกล (Friction and Winding Losses)    

.

.

รูปที่ 4 แสดงสัดส่วนค่ากำลังสูญเสียทั้งหมดที่เกิดขึ้นในแต่ละส่วนของมอเตอร์

.

ประสิทธิภาพของมอเตอร์เหนี่ยวนำจะมีค่าสูงสุด หากกำลังสูญเสียที่ขึ้นกับโหลด (Load-Dependent Losses) และกำลังสูญเสียที่ไม่ขึ้นกับโหลด (Load-Independent Losses) มีค่าเท่ากัน นั่นก็หมายความว่าประสิทธิภาพของมอเตอร์จะมีค่าเปลี่ยนแปลงตามกำลังด้านขาออกของมอเตอร์

.

รูปที่ 5 แสดง Performance Curve ของมอเตอร์ขนาด 75 แรงม้า

.

ส่วนมากประสิทธิภาพจะไม่ค่อยมีการเปลี่ยนแปลงมากนัก และจะมีค่าสูงใกล้เคียงค่าประสิทธิภาพตามพิกัดของมอเตอร์ที่ออกแบบ (ตาม Performance Curve รูปที่ 5) โดยเฉพาะขณะที่โหลดของมอเตอร์มีค่าอยู่ในระหว่าง 60% - 85% (เฉลี่ยประมาณ 75%) และค่าประสิทธิภาพจะตกลงอย่างรวดเร็ว หากโหลดของมอเตอร์ เริ่มมีค่าน้อยกว่า 50% ลงมา (โดยเฉลี่ย) ดังนั้นหากมอเตอร์อยู่ในสถาวะรับโหลดน้อย ก็จะทำให้เกิดกำลังสูญเสียเป็นอย่างมาก

.

ซึ่งค่าใช้จ่ายด้านความสูญเสียที่เกิดขึ้นขณะมอเตอร์ทำงานนั้น เป็นเรื่องที่ต้องพิจารณาอย่างถี่ถ้วนพอ ๆ กันกับค่าใช้จ่ายจากกำลังที่มอเตอร์ต้องใช้จริง ๆ ที่ปรากฏเลยทีเดียว และจากสมการทางด้านล่างนี้ จะแสดงให้เห็นถึงกำลังสูญเสียที่สัมพันธ์กันกับค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์ ที่เกิดขึ้นจากการใช้งานจริงซึ่งจะกำหนดให้กำลังสูญเสียมีหน่วยเป็น Watts (W) และ ประสิทธิภาพ Efficiency (E) มีหน่วยเป็นเปอร์เซ็นต์ (%)

.
ซึ่งกำลังทางด้านขาออก (Output Power) 1 แรงม้าเท่ากับ 746 Watts ดังนั้น

.

เพื่อทำให้เข้าใจมากขึ้นเราจะลองกำหนดให้มอเตอร์ที่มีพิกัด 1 แรงม้าที่มีค่าประสิทธิภาพแตกต่างกัน อยู่ที่ 91% และ 93% เราจะพบว่ามอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 91% จะมีกำลังสูญเสีย 74 Watts และมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 93%จะมีกำลังสูญเสีย 56 Watts ซึ่งมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 91% จะมีกำลังสูญเสียต่างจากมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 93% อยู่ 18 Watts

.

คราวนี้มาลองพิจารณาความแตกต่างระหว่างมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพต่ำมาก ๆ ระหว่างมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 66% และมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 68% พบว่ามอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 66% จะมีกำลังสูญเสียต่างจากมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 68% อยู่ 33 Watts และต่างจากมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 93% อยู่ถึงประมาณ 300 Watts ซึ่งกำลังสูญเสียนี้เป็นค่าใช้จ่ายที่ต้องรับภาระโดยไม่เกิดประโยชน์แต่อย่างใด

.
สภาวะการใช้งานของมอเตอร์เหนี่ยวนำหมายความว่าอะไร

ตามมาตรฐาน NEMA ระบุประสิทธิภาพของมอเตอร์จะมีค่าสูงสุดตามที่ออกแบบไว้ และจะระบุที่ Name Plate ของมอเตอร์ขณะที่โหลดเต็มพิกัดตามการออกแบบหรือประมาณ 85%- 90% ของพิกัด ซึ่งในสภาวะการทำงานจริงนั้นส่วนใหญ่ โหลดไม่ได้มีลักษณะการทำงานเต็มพิกัดอยู่ตลอดเวลา ดังนั้นประสิทธิภาพจริงตาม Name Plate ของมอเตอร์จึงเปลี่ยนแปลงไปอยู่ตลอดเวลาด้วยเช่นกัน ดังนั้นสภาวะการใช้งานของมอเตอร์ที่ทำให้ประสิทธิภาพเปลี่ยนแปลงไปนั้นมีอะไรบ้าง 

.
1. กำลังด้านขาออกของมอเตอร์ (Motor Output)

เป็นการยากที่จะหากำลังด้านขาออกของมอเตอร์ขณะที่มอเตอร์มีการทำงานตามปกติเนื่องจากมอเตอร์มีการทำงานอยู่ตลอดเวลา Slip, Torque, Voltage, Current, กำลังด้านขาเข้า (Input Voltage) สิ่งเหล่านี้เป็นส่วนประกอบในการหากำลังด้านขาออกของมอเตอร์ ซึ่งการหากำลังด้านขาออกนั้นจะขอกล่าวในลำดับต่อไป

.
2. ชั่วโมงการทำงาน (Running Time)

ชั่วโมงการทำงานของมอเตอร์ มีผลอย่างมากในการคำนวณผลตอบแทนด้านการเงิน และการลงทุน ชั่งโมงการทำงานอย่างต่อเนื่อง ประสิทธิภาพ และขนาดพิกัดของโหลดสิ่งเหล่านี้ล้วนแล้วแต่มีความสำคัญต่อการคิดคำนวณผลการประหยัดพลังงาน 

.

ผู้ขายมอเตอร์บางราย หรือเอกสารบางฉบับ คำนวณผลตอบแทนด้านการเงินและการลงทุนในการปรับปรุงเปลี่ยนแปลงมอเตอร์ ให้มีประสิทธิภาพสูง โดยใช้ชั่วโมงการทำงาน 8,760 ชั่วโมง (365 วัน x 24 ชั่วโมง) เป็นตัวคูณเพื่อหาหน่วยไฟฟ้า (Kw/Hr) ระหว่างความแตกต่างระหว่างพลังงานของมอเตอร์เดิมที่ยังไม่เปลี่ยนแปลง กับมอเตอร์ที่มีการเปลี่ยนแปลงแล้ว ซึ่งอาจทำให้ผลตอบแทนด้านการเงินที่ได้ ไม่ถูกต้องเนื่องจากการทำงาน และโหลดของมอเตอร์อาจจะมีลักษณะที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา (ตามรูปที่ 6) ดังนั้นจึงควรใช้เวลาการทำงานจริงของมอเตอร์ให้ได้ใกล้เคียงมากที่สุดจึงเป็นสิ่งที่ถูกต้องกว่า    

.

รูปที่ 6 แสดงลักษณะการใช้พลังงานตามโหลดของมอเตอร์ในรอบ 1 สัปดาห์

.
3. แรงดันไฟฟ้าด้านขาเข้า (Terminal Voltage)

ค่าประสิทธิภาพตามที่ออกแบบ และระบุไว้ที่ Name Plate ของมอเตอร์นั้น จะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ปรากฏด้านขาเข้าของมอเตอร์ไฟฟ้าว่าเป็นไปตามข้อกำหนดตาม Name Plate หรือไม่, ความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า (Unbalance Voltage), แรงดันไฟฟ้าที่มีลักษณะเป็นรูปคลื่นไซน์ ไม่บิดเบี้ยว (Distortion) ซึ่งตาม NEMA กำหนดค่าแรงดันด้านขาเข้าไว้ไม่ควรสูงหรือต่ำเกินกว่า 10% ตามพิกัดแรงดันตาม Name Plate

.

สำหรับค่าความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้าที่จะมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์ที่ลดลง ตามที่ NEMA ระบุนั้นอยู่ที่ตั้งแต่ 1% ขึ้นไป ซึ่งนอกเหนือจากประสิทธิภาพจะต่ำลงแล้ว ยังจะทำให้เกิดความร้อนสูงที่มอเตอร์ไฟฟ้า และการรับโหลดของมอเตอร์จะลดลงมากด้วยเช่นกัน  

.

รูปที่ 7 แสดงกราฟเปอร์เซ็นต์การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของมอเตอร์เทียบกับเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล

.

รูปที่ 8 กราฟสมรรถนะของมอเตอร์ลดลงเนื่องจากผลของแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล

.
4. ผลกระทบเนื่องจากฮาร์มอนิกส์ (Effect of Harmonics)

หากสถานประกอบการติดตั้งโหลดประเภทไม่เป็นเชิงเส้น (Non-Linear Load) เช่นตัวปรับความเร็วรอบมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับ (Variable Frequency Drive), ตัวปรับความเร็วรอบมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสตรง (DC Drive), UPS ฯลฯ ในวงจรการจ่ายไฟ หรือแหล่งจ่ายไฟเดียวกันกับวงจรการจ่ายไฟที่มอเตอร์นั้นรับไฟอยู่ และถ้าหากจำนวนมาก ก็จะทำให้แรงดันเกิดการบิดเบี้ยว ซึ่งก็จะส่งผลให้แรงดันที่ปรากฏที่ Terminal ของมอเตอร์มีการบิดเบี้ยว (Distortion) ไปด้วย

.

ลักษณะเช่นนี้ไม่เป็นผลดีต่อมอเตอร์เลย ซึ่งหากค่าการบิดเบี้ยวมีมาก หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าถ้าเกิดความถี่ฮาร์มอนิกส์ที่ System Voltage มากก็จะทำให้ค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์มีค่าต่ำ ซึ่งจะส่งผลให้ผลตอบแทนด้านการเงินเปลี่ยนแปลงไปจากค่าที่คำนวณไว้ ดังนั้นในกรณีที่จะพิจารณาเปลี่ยนแปลงมอเตอร์ให้เป็นมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง หรือเปลี่ยนแปลงมอเตอร์ใหม่ที่มีประสิทธิภาพดีกว่ามอเตอร์ที่ไหม้เสียชำรุด นอกจากจะพิจารณาลักษณะและชั่วโมงการทำงานของมอเตอร์แล้ว ก็ยังจำเป็นต้องพิจารณาเรื่องของแรงดันที่ผิดเพี้ยนด้วย

.
ความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนเรื่องประสิทธิภาพของมอเตอร์

จากการสอบถามพูดคุยกับผู้ที่เกี่ยวข้องทั้งในส่วนของทีมเทคนิคของโรงงาน และผู้บริหารของโรงงานพบว่ายังมีความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนเกี่ยวกับเรื่องประสิทธิภาพมอเตอร์อยู่หลายประการ เราลองมาดูว่ามีประเด็นอะไรบ้างที่เป็นความคลาดเคลื่อนเรื่องประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

.
1. การติดตั้งมอเตอร์ขนาดใหญ่กว่าพิกัดโหลดติดตั้งจริงนั้น จะทำให้ประสิทธิภาพของมอเตอร์ ลดลงเพียงเล็กน้อย 

จากการสำรวจในภาคสนามพบว่าประมาณ 30% ของมอเตอร์ในโรงงานอุตสาหกรรมจะติดตั้งมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่าโหลด ซึ่งการทำเช่นนั้นจะส่งผลให้มอเตอร์ไฟฟ้ามีประสิทธิภาพต่ำ (รูปที่ 5) และจะทำให้ค่า Power Factor ของมอเตอร์ และระบบไฟฟ้ามีค่าต่ำลงทำให้เกิดกำลังสูญเสียมากขึ้น

.

ดังนั้นการปรับปรุงมอเตอร์ให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นโดยวิธีการสลับสับเปลี่ยนมอเตอร์ หรือเปลี่ยนมอเตอร์ใหม่ก็จะให้ผลตอบแทนทางด้านการเงินที่ดีเช่นกัน ซึ่งจากรูปที่ 9-10 แสดงการคำนวณผลตอบแทนด้านการเงินหากซื้อมอเตอร์ขนาดที่เหมาะสมมาเปลี่ยน ซึ่งก็ให้ผลตอบแทนด้านการเงินที่ดีกล่าวคือ จะสามารถคืนทุนได้ภายใน 1.1 ปีเท่านั้น

.

รูปที่ 9 แสดงหน้าใส่ข้อมูลโปรแกรมผลตอบแทนด้านการเงิน และการลงทุนกรณีเปลี่ยนมอเตอร์ให้มีขนาดพิกัด เหมาะสมกับโหลด

.

รูปที่ 10 แสดงหน้าใส่ข้อมูลในส่วนของราคา และค่าติดตั้งมอเตอร์ โปรแกรมผลตอบแทนด้านการเงิน และการลงทุนกรณีเปลี่ยนมอเตอร์ให้มีขนาดพิกัด เหมาะสมกับโหลด

.

รูปที่ 11 แสดงหน้า Print Out ของโปรแกรม

.
2. หากมอเตอร์ไฟฟ้ามีประสิทธิภาพสูงขึ้น จะทำให้ค่า Power Factor สูงขึ้นด้วย  

โดยส่วนใหญ่แล้วในกรณีที่มอเตอร์มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ค่า Power Factor ของมอเตอร์นั้นก็จะมีค่าสูงขึ้นด้วย แต่ก็มีอยู่บ้างเหมือนกันว่า กรณีที่ประสิทธิภาพมีค่าสูงขึ้น แต่ค่า Power Factor ไม่สูงขึ้นตามค่าประสิทธิภาพที่สูงขึ้นเท่าไรนัก โดยเฉพาะมอเตอร์ที่ถูกออกแบบให้ช่องว่างระหว่างโรเตอร์ และสเตอร์ มีความห่างมาก  

.

ขณะเดียวกันหากมอเตอร์มีโหลดน้อยกว่าพิกัดก็จะทำให้ประสิทธิภาพต่ำและจะทำให้ค่า Power Factor ต่ำด้วยในกรณีนี้หากต้องการปรับปรุงค่า Power Factor โดยการติดตั้ง Capacitor ก็จะทำให้ค่า Power Factor สูงขึ้น แต่จะไม่ทำให้ประสิทธิภาพของมอเตอร์สูงขึ้นด้วยแต่อย่างใด

.
3. มอเตอร์จะมีประสิทธิภาพสูงขึ้นหากมอเตอร์ทำงานในที่มีอุณหภูมิต่ำ

อุณหภูมิของฉนวนขดลวด กับความร้อนภายนอกที่เปลือกของมอเตอร์สัมผัสอยู่เป็นเรื่องที่แตกต่างกันฉนวนของขดลวดที่ปรากฏตาม Name Plate ของมอเตอร์จะเป็นตัวบอกความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้า และบอกไปถึงอายุการใช้งานของขดลวดของมอเตอร์ ซึ่งก็อาจนำไปสู่การคาดการณ์ อายุการใช้งานของมอเตอร์ได้

.

หากเราพบว่าค่าความร้อนที่เปลือกของมอเตอร์สูงก็ไม่ได้เป็นข้อสรุปเสมอไปว่าอายุของมอเตอร์หรือประสิทธิภาพของมอเตอร์จะสั้นลง และไม่มีมาตรฐานค่าความร้อนที่เปลือกของมอเตอร์ว่าถ้าค่าความร้อนที่ตรวจวัดได้จะเป็นตัวบอกอายุการใช้งานของมอเตอร์  

.

ตารางที่ 1 แสดงค่าอุณหภูมิสูงสุดที่ยอมให้เพิ่มขึ้นสำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำทั้ง 1 เฟส และ 3 เฟส ในหน่วยองศาเซลเซียส โดยอ้างอิงอุณหภูมิรอบข้างที่ 40๐C

ระดับชั้นของฉนวน (Class of Insulation System) A B F H
อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น  (อ้างอิงค่าอุณหภูมิรอบข้างสูงสุดที่ 40๐C)
1. อุณหภูมิของขดลวด โดยวิธีความต้านทาน
ก) มอเตอร์ที่มีค่า Service Factor =1.0 นอกเหนือจากหัวข้อที่ 1 (ค) และ1 (ง) 60 80 105 125
ข) มอเตอร์ที่มีค่า Service Factor =1.15 หรือมากกว่า 70 90 115 -
ค) มอเตอร์ที่มีการปิดสนิทที่มีค่า Service Factor =1.0 65 85 110 135
ง) มอเตอร์ที่มีการปิดชุดขดลวดและอื่น ๆ สนิทและมีค่า Service Factor =1.0 65 85 110 -
.

จากที่กล่าวมาแล้วข้างต้นเราก็คงพอจะมองเห็นภาพความสำคัญของประสิทธิภาพมอเตอร์ว่ามีความสำคัญอย่างมาก ในการที่จะต้องให้ความเข้าใจในเรื่องดังกล่าวก่อนที่จะดำเนินกิจกรรมในเรื่องการอนุรักษ์พลังงานในมอเตอร์กันต่อไป

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