คำถาม ที่มีการสอบถามบ่อยๆ

Variable speed drives (VSDs) คือ เครื่องเปลี่ยนความถี่ระบบไฟฟ้า เพื่อควบคุมความเร็วรอบมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำกระแสสลับ สามารถควบคุมได้ทั้งแรงบิด และความเร็วรอบ สามารถนำไปควบคุมความเร็วพัดลม หรือปั๊มน้ำโดยไม่ต้องดัดแปลงใดๆ  VSD's บางครั้ง อาจจะเรียกได้หลายแบบ เช่น

• Variable-Frequency Drives (VFD)
• Adjustable-Speed Drives (ASD)
• Variable-Frequency Inverters (VFI)
• Frequency Converters (FC),
• Variable-Voltage Variable-Frequency (VVVF)
• Inverter or Converter

ด้วยเทคโนโลยี สมัยใหม่ อาจจะมีคำเพิ่มเติม เป็นศัพท์ทางการค้า เช่น Vector Control, Direct torque control, V/F Control, Flux control

          จากคำนิยามของมอเตอร์คือเครื่องจักรกลที่ทำหน้าที่ เปลี่ยนจากพลังงานไฟฟ้าในรูปของ แรงดัน (U)  กระแส (I)  ความถี่ (f, Hz)  เป็นพลังงานกล ในรูปของ แรงบิด (Torque)  และ ความเร็วรอบ (Speed) จากคำนิยาม จึงของวิเคราะห์ออกเป็นส่วนๆ ดังต่อไปนี้

• ผลกระทบจากความถี่ที่เปลี่ยนไป

เมื่อเรานำมอเตอร์อเมริกาที่ออกแบบให้ใช้ที่ระบบความถี่ 60 Hz 4 ขั้ว ตามสูตรจะได้ความเร็วรอบประมาณ 1800 รอบต่อนาที่ มาใช้ที่ระบบไฟฟ้า 50 Hz ความเร็วรอบจะเปลี่ยนไปเป็นประมาณ 1500 รอบต่อนาที่ ตามสูตร n=12f/P

n  = ความเร็วรอบมอเตอร์ มีหน่วยเป็น รอบต่อนาที (Speed)  

f  = ความถี่ (Hz)  

P  = จำนวนขั้วแม่เหล็ก (Pole)

หากเรานำเอาเครื่องจักรสำเร็จรูปที่มีมอเตอร์ติดกับ OEM (Original Manufacture Equipment) ที่ผลิตจากประเทศอเมริกา ซึ่งออกแบบตามระบบไฟฟ้าของประเทศอเมริกามาใช้ เช่นพัดลม (Fan or Blower) หรือ เครื่องสูบน้ำ (Water Pump) สำเร็จรูปมาใช้จะมีผลกระทบอย่างไร?

ตามกฎพลศาสตร์ ปริมาณลม หรือน้ำ จะขึ้นอยู่กับความเร็วรอบยกกำลังสาม (Q~n³) ดังนั้นเมื่อเรานำมอเตอร์อเมริกาที่ออกแบบให้ใช้ที่ระบบความถี่ 60 Hz ความเร็วรอบ 1800 รอบต่อนาที่ มาใช้ที่ระบบไฟฟ้า 50 Hz ความเร็วรอบจะเป็น 1500 รอบต่อนาที่ จะทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องจักรลดลงตามตามกฎพลศาสตร์ของไหล ผลลัพท์จะได้ปริมาณลม หรือน้ำจะได้ไม่เต็มที่ตาม (Q~n³) แต่จะไม่มีผลกระทบต่อตัวมอเตอร์เองมากนัก เพราะการใช้พลังงานไฟฟ้าก็จะลดลงไปด้วยตามสัดส่วนของพลังงานที่จ่ายออกไป

• ผลกระทบต่อระบบระบายความร้อนมอเตอร์

ฮาร์มอนิก ( Harmonic ) คือ ส่วนประกอบในรูปสัญญาณคลื่นไซน์ (Sine wave) ของสัญญาณหรือปริมาณเป็นคาบใดๆซึ่งมีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่หลักมูล ( Fundamental Frequency ในระบบไฟฟ้า เรามีค่าเท่ากับ 50 Hz) เช่นฮาร์มอนิกลำดับที่ 3 มีค่าความถี่เป็น 180Hz และฮาร์มอนิกลำดับที่ 5 มีค่าความถี่เป็น 300Hz ฯ แล้วฮาร์มอนิกมันมาจากไหน?

1. อุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ที่มีทั่วไปในบ้านพัก สำนักงาน ส่วนใหญ่เป็นชนิด 1เฟส
          1.1 อุปกรณ์ที่มีการใช้แหล่งจ่ายกำลังแบบสวิทซ์ชิ่ง(SWITCHING MODE POWER SUPPLY : SMPS เช่น เครื่อง คอมพิวเตอร์
          1.2 บาลาสต์อิเลคทรอนิกส์ ( Electronic Ballast)
2. อุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์กำลัง เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม
          2.1 ตัวเรียงกระแสกำลัง (Power Rectifier)
          2.2 เครื่องแปลงผันกำลังแบบสถิต (Static Power Converter :SPC)
          2.3 ตัวโปรแกรมเมเบิ้ลลอจิกคอนโทรลเลอร์ (Programmable Logic Controller :PLC)
3.อุปกรณ์ที่มีการทำงานประเภทอาร์ค
          3.1 เตาหลอมแบบอาร์ค (Arc Furnace)
          3.2 เครื่องเชื่อมแบบอาร์ค/แบบสปอต (Arc Welding / Spot Welding)
4. อุปกรณ์ที่มีความสัมพันธ์ไม่เป็นเชิงเส้นของแรงดันและกระแสเนื่องจากการอิ่มตัวของแกนเหล็กทางแม่เหล็กไฟฟ้า
เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า (Transformer)และเครื่องกลไฟฟ้า (Electric Machine )

ฮาร์มอนิกมีผลกระทบต่อระบบไฟฟ้าอย่างไร ? ฮาร์มอนิกที่ทำให้เกิดผลกระทบต่ออุปกรณ์ในระบบไฟฟ้า สามารถสรุปได้ออกเป็น 2 กรณีคือ

1. ทำให้อุปกรณ์ในระบบมีการทำงานผิดพลาดด้วยผลของค่าแรงดันและกระแส ฮาร์มอนิกที่มีขนาด และรูปคลื่นสัญญาณไซน์ผิดเพี้ยนไป   ซึ่งโดยส่วนใหญ่จะเป็นอุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ที่ไวต่อการ เปลี่ยนแปลงของกระแสหรือแรงดัน เช่น รีเลย์ หรือ PLC เป็นต้น

2. ทำให้อุปกรณ์ในระบบมีอายุการใช้งานน้อยลงหรือเกิดการชำรุดเสียหาย เนื่องจากมีค่า rms ของ แรงดันหรือกระแสสูงขึ้นที่เกิดจากค่าฮาร์มอนิก เช่นเกิดความร้อนที่สายนิวตรอล เนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกลำดับที่ 3 หรือมีการขยายของแรงดัน และกระแสฮาร์มอนิกที่เกิดจากฮาร์มอนิกเรโซแนนซ์ทำให้คาปาซิเตอร์เกิดการชำรุดเสียหาย หรือเกิดการระเบิด  หรือ

มีการแก้ไขอย่างไร ?
สำหรับแนวทางการแก้ไขปัญหาฮาร์มอนิก ข้อสำคัญต้องเข้าใจคุณลักษณะของอุปกรณ์ที่เป็นแหล่งจ่าย ของฮาร์มอนิกและคุณลักษณะของระบบโดยละเอียด จึงสามารถที่จะแก้ไขปัญหาได้อย่างถูกต้อง และได้ผล ในการแก้ไขปัญหาฮาร์มอนิกที่นิยมปฏิบัติกันทั่วไปคือ   การควบคุมฮาร์มอนิกในบริเวณที่เป็นแหล่งจ่าย

ฮาร์มอนิกทำได้ 2  วิธีหลักคือ        
-  โดยวิธีการลดกระแสฮาร์มอนิกจากตัวอุปกรณ์ที่เป็นแหล่งจ่ายกระแสฮาร์มอนิกเอง เช่น วิธี Multipulse Methods and Transformers โดยอาศัยหลักการ Phase Shift ของคุณลักษณะการต่อหม้อแปลงของโหลดฮาร์มอนิก เพื่อให้กระแสฮาร์มอนิกบางลำดับหักล้างกันเอง  หรือโดยวิธีการนำ Choke Inductor มาต่อเข้าทางด้าน out put  ของอุปกรณ์ที่เป็นแหล่งจ่ายกระแส ฮาร์มอนิก เพื่อลดกระแสฮาร์มอนิก
-  การใช้ฟิลเตอร์เพื่อลดหรือกำจัดฮาร์มอนิกให้หมดไปจากระบบ เช่น Passive Filter หรือ Active Filter เพื่อทำหน้าที่ดูด หรือหักล้างฮาร์มอนิก

อุปกรณ์ปรับความเร็วรอบ (VSD) จะเป็นตัวควบคุมความถี่ไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อปรับความเร็วรอบ และแรงบิดตามแต่ที่ต้องการ โดยรับสัญญาณควบคุมหรือคำสั่งจากระบบ เช่น แรงดัน อัตราการไหล ในขณะนั้น มาเปรียบเทียบกับระดับที่กำหนดไว้

          การใช้ VSD จะเหมาะสมกับมอเตอร์ที่มีลักษณะการใช้งานที่เปลี่ยนแปลงตาม สัดส่วนภาระการทำงานเกือบตลอดเวลา เช่น เครื่องสูบน้ำ หรือเครื่องอัดอากาศที่ต้องการความดันหรืออัตราการไหลที่ไม่เท่ากันในแต่ละช่วงเวลา โดย VSD จะถูกใช้แทนที่การควบคุมแบบเก่า เช่น   การควบคุมแบบใช้คันบังคับ(Throttling) การควบคุมแบบทางเบี่ยง (By-pass)  หรือการควบคุมแบบเปิด-ปิด (On/Off)      

การติดตั้งคาปาซิเตอร์ เพื่อปรับปรุงค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ของระบบไฟฟ้าให้มีค่าสูงขึ้นจะมีผลดีต่อระบบไฟฟ้าหลายประการ เช่น

            1.   ลดกระแสไฟฟ้าที่ไหลอยู่ในวงจรตั้งแต่แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าจนถึงตำแหน่งที่ติดตั้งคาปาซิเตอร์กำลัง
            2.  ลดกำลังงานสูญเสียในระบบไฟฟ้าลง ซึ่งจะมีผลดีต่ออุปกรณ์จ่ายกำลังไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า สายเคเบิล สวิตช์ ฯลฯ
            3.  ลดแรงดันไฟฟ้าตกในระบบไฟฟ้าลง ทำให้ระดับของแรงดันไฟฟ้ามีความมั่นคงมากขึ้น แรงดันไฟฟ้า ที่ตำแหน่งปลายสุดของสายป้อนไม่ตกมาก   ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่ออยู่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง
            4.  เพิ่มขีดความสามารถในการรับหรือจ่ายกำลังไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าให้สูงขึ้น ทำให้สามารถขยายการใช้
                 ไฟฟ้า หรือเพิ่มโหลดได้โดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มขนาดของอุปกรณ์รับจ่ายกำลังไฟฟ้า
            5.  ผลพลอยได้อีกอย่าง คือ ลดค่าไฟฟ้าที่ต้องจ่ายให้กับการไฟฟ้าฯ อยู่ทุกเดือน     อย่างเช่นของการไฟฟ้า
                 ส่วนภูมิภาคซึ่งประกอบด้วย 3 ส่วนด้วยกัน  คือ        ค่าความต้องการพลังงานไฟฟ้า (Demand Charge)
                 ค่าพลังงานไฟฟ้า (Energy Charge)         เฉพาะส่วนที่เป็นพลังงานสูญเสียที่ลดลง และค่าปรับเพาเวอร์
                 แฟกเตอร์ เมื่อมีค่าต่ำกว่า 0.85       อย่างไรก็ตามการติดตั้งคาปาซิเตอร์กำลังเข้าไปในระบบไฟฟ้านั้น
                 นอกจากจะมีผลดีแล้ว ก็อาจจะเกิดผลเสียได้ถ้าไม่ได้ทำการพิจารณากันอย่างรอบคอบ เช่น      

อาจเกิดปัญหาแรงดันไฟฟ้าเกินพิกัด (Over Voltage) เนื่องจากผลของฮาร์มอนิกที่มีอยู่ในระบบ    หรือเกิดการขยายของกระแสฮาร์มอนิกในสภาวะเกิดเรโซแนนซ์แบบขนานขึ้น     ก่อให้เกิดผลเสียหายต่ออุปกรณ์ และระบบไฟฟ้าได้ เป็นต้น ดังนั้นการติดตั้งตัวคาปาซิเตอร์กำลังเข้ากับระบบไฟฟ้าเพื่อการปรับปรุงค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์จึงต้องพิจารณาทั้งขนาดที่ใช้ ตำแหน่งที่ติดตั้งตลอดจนการต่อวงจร    และขนาดของ อุปกรณ์ป้องกันต่าง ๆ

            โดยทั่วไประบบควบคุมจะทำการจ่ายกระแส สเตเตอร์ที่มีองค์ประกอบ 2 ส่วน คือส่วนที่สร้างฟลักซ์แม่เหล็กและส่วนสร้างแรงบิด  ทั้งนี้การควบคุมทั้งหมดจะกระทำอยู่บนแกนอ้างอิงที่หมุนไปพร้อมๆ กับฟลักซ์เวกเตอร์ทางด้านโรเตอร์  ประเด็นสำคัญในการควบคุมชนิดนี้จึงอยู่ที่ว่า เราสามารถหาตำแหน่งของฟลักซ์เวกเตอร์ได้แม่นยำเพียงไร ซึ่งในทางปฏิบัติเนื่องจากเราไม่สามารถวัดค่าฟลักซ์ได้โดยตรง  เราจึงใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำช่วยในการคำนวณหาค่าฟลักซ์เวกเตอร์นี้แทน  ดังนั้นข้อด้อยของระบบนี้จึงอยู่ที่เราจำเป็นต้องทราบค่าพารามิเตอร์ของมอเตอร์อย่างถูกต้องจึงจะได้คุณสมบัติการควบคุมที่ดี สามารถหาขอ้มูลเพิ่มเติมได้ที่บทความ พื้นฐานการปรับความเร็วรอบมอเตอร์ แบบเวกเตอร์คอนโทรล (Basic of Variable Speed Drive Vector Control Drives)”  ที่ link http://www.thainovation.com/download/thainovation_com/basic_vector_control.pdf

        ในการนำVSD มาใช้ เพื่อการประหยัดพลังงานนั้น ในกรณีที่มอเตอร์ทำงานที่โหลดเต็มพิกัด (Full Load)ไอยู่ก่อนแล้ว จะไม่สามารถช่วยประหยัดพลังงานได้ และเมื่อนำ VSD ต่อเข้ากับระบบยังจะทำให้เกิดการสูญเสียในระบบ 2-3 % ถ้าในระบบมีการทำงานอยู่ที่ 90-100 % ของโหลด ไม่ควรที่จะติดตั้ง VSD เพราะไม่คุ้มกับค่าใช้จ่าย ดังนั้นจึงควรติดตั้ง VSD กับระบบที่ทำงานน้อยกว่า 90 % ของโหลด

            เมื่อนำ VSD ไปติดตั้งกับมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะทำให้มอเตอร์ร้อนกว่าปกติเพราะผลจากฮาร์โมนิกส์  และการระบายความร้อนลดลง เมื่อนำVSD ไปใช้งานกับความเร็วรอบของมอเตอร์ต่ำๆ (น้อยกว่า 30 % ของความเร็วรอบพิกัด) หากโหลดเป็นชนิดแบบต้องการแรงบิดคงที่ กระแสยังคงต้องการเท่ากับพิกัดเพื่อสร้างแรงบิด ประกอบกับ ระบบระบายความร้อนของมอเตอร์ลดลง จำเป้นจะต้องใช้พัดลมติดตั้งเพิ่มจากภายนอก ซึ่งโดยปกติจะไม่มีปัญหาที่ความเร็วรอบมากกว่า 40 % แต่หากโหลดเป็นแบบพัดลม หรือปั้มน้ำ เมื่อลดรอบลง แรงบิดจะต้องการลดลง กระแสก็จะลดลงตามไปด้วย ทำให้ความร้อนลดลงตามกระแส จึงไม่มีปัญหาประการใด เมื่อ นำ VSD ไปใช้ที่ความเร็วรอบต่ำๆ กับพัดลม หรือปั้มน้ำ

        Direct Torque Control (DTC) เป็นแนวคิดในการควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำที่แตกต่างไปจากการควบคุมแบบเวกเตอร์ (Vector Control) โดยการควบคุมแบบ DTC จะทำการกำหนดรูปแบบการสวิตซ์ของอินเวอร์เตอร์โดยตรง

         ในการควบคุมแบบ DTC อินเวอร์เตอร์จะทำการคำนวณค่าฟลักซ์ทางด้านสเตเตอร์และค่าแรงบิดโดยอาศัยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของมอเตอร์ จากนั้นก็จะนำค่าที่ได้ไปเปรียบเทียบกับค่า setting ของทั้งฟลักซ์และแรงบิดผ่านตัวเปรียบเทียบ สถานะของสัญญาณขาออกของตัวเปรียบเทียบจะทำให้ทราบว่าจะต้องเพิ่มหรือลดฟลักซ์และแรงบิด  ซึ่งข้อมูลนี้ก็จะถูกนำไปใช้ในการเลือกรูปแบบการสวิตช์ของอินเวอร์เตอร์ เพื่อให้ได้แรงดันสเตเตอร์ที่เหมาะสมที่ทำให้ฟลักซ์และแรงบิดเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่ต้องการได้  โดยที่การควบคุม DTC ทำการควบคุมแรงบิดโดยตรงจึงมีชื่อเรียกว่า  Direct Torque Control

ดังนั้นระบบ DTC จำเป็นจะต้องมี CPU ที่ประมวลผลรวดเร็ว และต้องมีการจ่ายไฟเลี้ยงมอเตอร์อยู่ตลอดเวลาเพื่อตรวจสอบสถานะ การจ่ายไฟเพื่อขับโหลดจะเป็นไปอย่ากระโชก รุนแรง และรวดเร็วเพื่อการตอบสนองแรงบิดให้ทัน เหมือนกับการเหยียบคันเร่งรถยนต์ ทำให้ตอบสนองต่อแรงบิดได้ไว เหมือนรถที่ออกตัวได้ไว แต่ไม่เหมาะที่จะนำไปใช้เพื่อการประหยัดพลังาน เพราะจะมีค่าสูญเสียมากกว่าประหยัดไฟได้น้อยกว่าการควบคุมแบบ V/F  และ DTC ยังทำให้เกิด Harmonics ที่ตัวมอเตอร์ และระบบสายที่จ่ายให้มอเตอร์มากกว่า V/F ดังนั้นสายไฟที่จ่ายให้ตัวมอเตอร์ จะต้องเป็นสายพิเศษ แบบป้องกันการรบกวน และมอเตอร์จะไม่สามารถใช้งานได้เต็มพิกัดเท่ากับระบบไฟฟ้ารูปคลื่น Sine wave

         แต่อย่างไรก็ตามจะเห็นได้ว่า การควบคุมแบบ DTC ก็จำเป็นต้องใช้ข้อมูลพารามิเตอร์ของมอเตอร์ เช่นเดียวกันกับการควบคุมแบบเวกเตอร์ ส่วนคุณสมบัติของระบบ DTC เมื่อเปรียบเทียบกับการควบคุมแบบเวกเตอร์แล้วจะไม่แตกต่างกันมากนัก แต่การควบคุมแบบ DTC จะต้องระวังการทำงานในย่านความเร็วต่ำ ซึ่งเป็นย่านที่แรงดันตกคร่อมความต้านทานสเตเตอร์มีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงของทั้งฟลักซ์และแรงบิดค่อนข้างมาก

มอเตอร์ไม่สามารถสตาร์ทแบบ Direct On Line แล้ว จะใช้ Soft Starter ช่วยในการเริ่มหมุนได้หรือไม่ ?

ไม่เสมอไป

ถ้าการเลือกใช้ slipring motors ด้วยเหตุผลเนื่องจากต้องการแรงบิดเริ่มหมุนสูง softstarter ไม่สามารถไปแทนที่ได้

แต่ถ้าใช้ slipring motors เนื่องด้วยกระแสเริ่มหมุนสูง เช่นโหลดแบบ พัดลม หรือปั้มน้ำ การเลือกใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำแบบชนิดกรงกระรอก+ softstarter ไปแทนที่การใช้งานจากมอเตอร์แบบสลิปริง ดูจะสมเหตุผล ราคา และการบำรุงรักษา ถึงแม้นว่า อาจจะต้องเลือกมอเตอร์ให้มีขนาดใหญ่กว่าก็ตามที

Softstarter จะส่งผลให้เกิด harmonics กลับเข้าสู่แหล่งจ่ายไฟหรือไม่?

มี harmonics ด้วยหลักการตัดรูปคลื่นแรงดันของ Softstarter ประกอบกับในช่วงเริ่มหมุนจะมีค่า Power factor ต่ำ หรือกระแสจะล้าหลังแรงดันมาก และขนาดของกระแสจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับขนาดของโหลด หรือกระแสในช่วงการเริ่มหมุน แต่จะกินเวลาแค่เพียงช่วงสั้นๆ ประมาณ 5-60 วินาทีเท่านั้น

อยากรู้ข้อเสียของมอเตอร์ DC แต่ละชนิด ครับ ?

มอเตอร์ควรจะร้อนเท่าไหร่ หรือความร้อนเท่าไหร่จึงถือว่ามอเตอร์ปกติครับ?