| ผลการทดสอบพัดลมหลังติดตั้ง | นวัตกรรมอินเวอร์เตอร์ |

การประหยัดพลังงานโดยการควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์

 

            ในขบวนการผลิตสินค้า เช่นการผลิตกระดาษ เหล็ก ปูนซีเมนต์ หรือ ปิโตรเคมี จะต้องมีการควบคุมปริมาณการไหลของอากาศ สำหรับพัดลม หรือของเหลวเช่นเครื่องสูบน้ำ อาจจะโดยใช้วาล์ว หรือ เดมเปอร์ เพื่อควบคุมปริมาณการไหล หรือควบคุมความเร็วรอบโดยวิธีทางกล เช่น ไฮดรอลิกคัพปลิ้ง นอกเหนือจากสามารถควบคุมการไหลได้ตามต้องการแล้ว ผลพลอยได้ที่ได้รับคือการประหยัดพลังงานจากการควบคุมความเร็วรอบ

  

            การประหยัดพลังงานโดยวิธีการควบคุมความเร็วรอบนั้น เป็นวิธีที่มีการทำกันมาเป็นเวลาช้านานแล้ว โดยส่วนใหญ่ในอดีตจะใช้วิธีการปรับความเร็วรอบโดยทางกลมากกว่า เนื่องจากเป็นวิธีที่ง่าย และราคาไม่สูงเมื่อเปรียบเทียบกับการควบคุมด้วยไฟฟ้า

            ในรอบหลายปีที่ผ่านมา การพัฒนาเทคโนโลยีไฟฟ้ามีความก้าวหน้าไปมาก ชุดควบคุมความเร็วรอบสำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบกรงกระรอก  (Variable Speed Drives, VSDs) จึงมีการนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย เพื่อมาทดแทนการปรับความเร็วรอบระบบทางกล เช่น ระบบไฮดรอลิกคลับปลิ้ง หรือการใช้เกียรเพื่อการทดรอบเป็นช่วง ๆ
 
ความเร็วรอบลดลงจะประหยัดพลังงานได้อย่างไร?
            คำถามนี้จะเกิดกับวิศวกรไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่ เพราะมหาวิทยาลัยจะสอนมาแต่เรื่องไฟฟ้าเท่านั้น การประหยัดพลังงานนั้นเป็นผลมาจากทฤษฎีของเครื่องกล ตามทฤษฎีเครื่องจักรทุกชนิดจะมีค่าสูญเสียรวมทั้ง VSD ที่ใส่เพิ่มเข้าไปเพื่อปรับความเร็วรอบมอเตอร์เอง ก็มีค่าสูญเสียของพลังงานประมาณ 2% น่าจะยิ่งเพิ่มความสูญเสียเข้าไปในระบบ แล้วจะประหยัดพลังงานได้อย่างไร? เป็นคำถามที่พบได้จากวิศวกรไฟฟ้ามือใหม่ร้อนวิชา


รูปที่ 1 ภาพแสดงการควบคุมปริมาณการไหลของเครื่องสูบน้ำด้วยวาล์ว และพลังงานสูญเสียในแต่ละช่วง

             จากรูปที่ 1 การควบคุมอัตราการไหลของน้ำสามารถทำได้โดยการควบคุมที่วาล์ว ในขณะที่มอเตอร์ยังคงหมุนที่ความเร็วพิกัดคงที่ เครื่องสูบน้ำก็ต้องหมุนที่ความเร็วรอบพิกัดเท่ากับมอเตอร์ ทำให้เกิดความสูญเสียที่วาล์วประมาณ 35% ส่งผลให้ประสิทธิภาพของเครื่องสูบน้ำเหลือ 68% หรืออีกนัยหนึงก็คือเกิดการสูญเสียที่เครื่องสูบน้ำ 32% จากพลังงานทั้งหมดที่จ่ายให้แก่เครื่องสูบน้ำ

 
รูปที่ 2 แสดงกราฟคุณสมบัติของเครื่องสูบน้ำ หรือ พัดลมเมื่อควบคุมด้วยวาล์ว
        จากรูปที่ 1 และ 2 เมื่อให้มอเตอร์หมุนที่ความเร็วรอบคงที่ และทำการควบคุมปริมาณการไหลโดยใช้วาล์วบีบท่อน้ำให้เล็กลง ค่าสูญเสียในท่อ หรือค่าความต้านทานของท่อจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้แรงดันน้ำเพิ่มขึ้นด้วย ดังรูปที่ 2 ทำให้จุดตัดจากจุด A1 เป็นจุดตัด A2, A3 โดยจุดตัดของเส้นกราฟของแรงดันน้ำเปลี่ยนจากจุด H1 เป็น H2, H3 ปริมาณน้ำที่ไหลออกจะลดลงจาก Q1 ไปเป็น Q2, Q3 ดังนั้นกำลังที่เครื่องสูบน้ำต้องการจะเปลี่ยนจากจุด P1 เป็นจุด P2, P3  

 เมื่อลดปริมาณน้ำโดยใช้วาล์วควบคุม พลังงานที่ใช้ก็ลดลงจาก P1 ไปเป็น P2, P3 แต่การลดลงนั้นไม่มากเมื่อเปรียบเทียบกับการควบคุมอัตราการไหลด้วย VSD 
         จากกฎของ Affinity Laws สำหรับเครื่องสูบน้ำ หรือพัดลมแบบเซ็นติฟูกัล
                ปริมาณ (Volume)     µ    ความเร็วรอบ (Speed)    
                แรงดัน (Pressure)    µ    ความเร็ว2 (Speed2) 
                พลังงาน (Power)      µ   ความเร็ว3 (Speed3)            
           
ดังนั้นตามทฤษฎีเมื่อสามารถเปลี่ยนความเร็วรอบของมอเตอร์ หรือเครื่องสูบน้ำ เพื่อควบคุมปริมาณการไหล จะทำให้ปริมาณน้ำที่ผ่านเครื่องสูบน้ำด้วยแรงดันน้ำคงที่ จะเป็นไปตามกฎ Affinity Law โดยความต้านทานในท่อจะไม่เพิ่มขึ้น ทำให้พลังงานที่ใช้จะลดลงตามทฤษฎี กล่าวคือเมื่อต้องการปริมาณลดลง พลังงานที่ใช้จะลดลงตามอัตราส่วนความเร็วรอบเครื่องสูบน้ำยกกำลังสาม (n 3)

          จากกฎของ Affinity Laws ที่ได้กล่าวไปแล้วนั้นเป็นทฤษฎีที่ทราบกันมานานแล้ว ทำให้มีผู้คิดค้นวิธีควบคุมความเร็วรอบออกมาหลายๆ แบบ ตามเทคโนโลยีในแต่ละยุคแต่ละสมัย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเหมาะสมกับสถานะการณ์ สิ่งแวดล้อม และความคุ้มค่าในแง่การลงทุนเป็นไป

  ความเร็วรอบของมอเตอร์เหนี่ยวนำชนิดกรงกระรอก ตามหลักการพื้นฐานแล้วมีตัวแปล 3 ตัวที่ส่งผลกระทบต่อความเร็วรอบมอเตอร์ (n, rpm) คือ จำนวนขั้วแม่เหล็ก (P) ความถี่ไฟฟ้า (f, Hz) และ สลิป (slip) ของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ โดยมีความสัมพันธ์ตามสูตร
                                                             Speed = 120f / P

        การควบคุมสลิปสามารถทำได้ 2วิธีด้วยกัน คือ การควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่สเตเตอร์ ข้อดีของการควบคุมวิธีนี้คือ ง่าย และราคาถูก แต่ข้อเสียคือ แรงบิดจะลดลงเมื่อแรงดันลดลง ส่วนอีกวิธีหนึ่งคือ การเพิ่มค่าความต้านทานที่โรเตอร์ หรือเพิ่มกำลังสูญเสียในตัวโรเตอร์เป็นการเพิ่มสลิป แต่จะทำให้ประสิทธิภาพของมอเตอร์ต่ำลงด้วย วิธีนี้สามารถนำไปใช้ได้กับมอเตอร์แบบสลิปริ่งเท่านั้น 
         ส่วนการปรับจำนวนขั้วแม่เหล็กของมอเตอร์สามารถทำเพียงแค่เลือกว่าจะเอาที่กี่ขั้ว ในอดีตนั้นมีการพันมอเตอร์เป็นแบบ Pole changing อาจจะมีขั้วแม่เหล็ก 2 ชุดในตัวเดียวกัน ทำให้สามารถเลือกความเร็วรอบของมอเตอร์ได้ 2ระดับความเร็วรอบ ในปัจจุบันมอเตอร์ชนิดนี้ไม่เป็นที่นิยมนำมาใช้งานกันมากนักเพราะประสิทธิภาพของมอเตอร์จะต่ำ และราคาสูง การปรับความเร็วไม่สามารถปรับความเร็วรอบได้ Smooth ตามต้องการ ประกอบกับไม่มีผู้จำหน่ายมอเตอร์รายใดต้องการเก็บสต๊อกสินค้าไว้บริการหลังการขาย จึงยิ่งส่งผลให้ราคามอเตอร์แบบเปลี่ยนขั้วได้แพงขึ้นกว่ามอเตอร์ปกติมาก ดังนั้นวิธีที่ดีที่สุดคือการปรับความเร็วรอบมอเตอร์โดยวิธีควบคุมความถี่ไฟฟ้า ซึ่งความเร็วรอบของมอเตอร์ จะแปรผันตรงกับค่าความถี่ไฟฟ้าที่ป้อนให้แก่มอเตอร์

          การปรับความเร็วรอบมอเตอร์โดยวิธีควบคุมความถี่ไฟฟ้า บางครั้งเรียกว่า VVVF ย่อมาจาก Variable Voltage Variable Frequency หรือ บางครั้งเรียกว่า VSD ย่อมาจากVariable Speed Drives เป็นการปรับทั้งแรงดันและความถี่ไฟฟ้าให้เหมาะสมกับคุณสมบัติของมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบกรงกระรอก การควบคุมวิธีนี้บางครั้งจะเรียกว่า V/F control

          นอกจากนี้ยังมีชื่ออื่นๆ ที่พบบ่อยๆ เช่น Vector Control (VC), Direct Torque Control (DTC), Flux Control หรือคำอื่นๆ ซึ่งอาจจะมีข้อแตกต่างกันบ้างทางด้านวิธีการออกแบบวิธีการควบคุม ซึ่งเป็นชื่อทางการค้า ซึ่งมีหลักการทำงานเบื้องต้นแทบจะเหมือนกันเกือบทั้งหมด

    5.33 Mb
    3.70 Mb
    3.39 Mb
    4.44 Mb
 

More Product Varity
  "SIEMENS" MM 420     
  "SIEMENS" SINAMICS G110
  "NOCCHI" Inverter Pump
  "SIEMENS" MM 430
  "SIEMENS" SINAMICS G150
 
  "SIEMENS" MM 440
  "SIEMENS" COMBIMASTER