อินเวอร์เตอร์...มอเตอร์ เลือกอย่างไรไม่เกิดปัญหา?

การเลือกอินเวอร์เตอร์ / สาเหตุปัญหา / ประโยชน์ที่ได้ / เกิดอะไรขึ้น? กับมอเตอร์ตัวนี้  / ปัญหานี้แก้ได้อย่างไร? 

ถึงแม้ว่าในปัจจุบันนี้ จะมีการประยุกต์ใช้อินเวอร์เตอร์กันอย่างแพร่หลาย แต่ก็ยังมีความเข้าใจผิดกันอยู่มาก เกี่ยวกับการเลือกอินเวอร์เตอร์ มอเตอร์ และเครื่องจักรที่มอเตอร์ขับอยู่ ซึ่งมีตัวอย่างให้เห็นมากมาย เช่น ซื้ออินเวอร์เตอร์มาปรับรอบมอเตอร์ ปรากฎว่ามอเตอร์ขับโหลดไม่ออก ต้องไปซื้อเกียร์มาใส่เพิ่ม 

หรืออีกตัวอย่าง มีปั๊มอยู่ 1 ตัว มีมอเตอร์ 1 แรงม้า รอบสูงอยู่ 1 ตัว ก็เลยไปซื้ออินเวอร์เตอร์ 1แรงม้ามาใช้ พอปรับรอบลดลงตามความต้องการของปั๊ม ปรากฎว่า อินเวอร์เตอร์ "ทริป" แล้วแสดงผลว่า "โอเวอร์ เคอร์เรนต์(กระแสเกิน)" เป็นต้น ต่อไปนี้ ผู้เขียนจะขอแนะนำ และยกตัวอย่างการเลือกใช้งานอินเวอร์เตอร์อย่างถูกต้องให้ดูนะครับ

การเลือกอินเวอร์เตอร์

ข้อแรก ก็ต้องดูว่า ขนาดอินเวอร์เตอร์กับขนาดของมอเตอร์นั้นเหมาะสมกันหรือไม่ ซึ่งส่วนใหญ่จะบอกเป็นหน่วยกิโลวัตต์ (kW) หรือแรงม้า (HP) นี่เป็นเพียงการดูคร่าวๆ เท่านั้น ไม่สามารถรับประกันได้ว่า เมื่อนำไปขับโหลดจริงแล้วจะไม่มีปัญหา จากนั้นจะต้องดูพิกัดที่แท้จริงของอุปกรณ์ โดยดูจากแรงดันไฟขาเข้า (Input Voltage) ย่านของระดับแรงดันขาออก (Range of Output Voltage) และกระแสขาออก (Output Current) ส่วนใหญ่ย่านของระดับแรงดันขาออกจะอยู่ระหว่าง 0-500 Vac ส่วนย่านของความถี่จะอยู่ประมาณ 0-50 Hz หรือ 0-60 Hz

ถึงแม้ว่า อินเวอร์เตอร์จะสามารถปรับความถี่ไปที่ 70 Hz, 80 Hz หรือ 400 Hz ได้ก็ตาม แต่ในช่วงการทำงานจาก 0-50 Hz อินเวอร์เตอร์จะทำงานในลักษณะของการรักษา "อัตราส่วนระหว่างแรงดันต่อความถี่ให้คงที่" หรือ "Constant Voltage/Frequency Ratio (V/F)" โดยจะไม่เกิดการอิ่มตัวของมอเตอร์ (ฟลั๊กซ์ของสนามแม่เหล็กในมอเตอร์จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอัตราส่วน V/F)

รูปที่ 1 กราฟแรงบิดกับความถี่

จากรูปที่ 1 การทำงานในย่านนี้ เป็นการทำงานแบบ "แรงบิดคงที่ (Constant Torque)" ส่วนย่านการทำงานที่อยู่เลยจากช่วงนี้ไป จะเป็นช่วงที่แรงดันไฟฟ้าขาออกคงที่ (Constant Output Voltage) ในขณะที่ความถี่สูงขึ้น (มากกว่า 50 Hz เป็นต้นไป) ซึ่งเราเรียกช่วงการทำงานตรงนี้ว่า "ช่วงการทำงานด้วยพลังงานคงที่ของมอเตอร์ (Constant Power Region)" เช่น แรงบิดของมอเตอร์ลดลงในขณะที่ความเร็วรอบของมอเตอร์สูงขึ้น 

ดังนั้น กฎข้อแรกคือ " ที่พิกัดกำลังงานสูงสุดของแรงดันขาออก (Output Voltage) และความถี่ขาออก (Output Frequency) ของอินเวอร์เตอร์จะต้องเท่ากับแรงดันไฟ และความถี่ที่พิกัดของตัวมอเตอร์ "

นี่คือกฎที่ทุกคนต้องทราบ และปฏิบัติตาม ไม่เช่นนั้นจะเกิดปัญหาในการใช้งานแน่นอน ดังเช่นตัวอย่างที่ผู้เขียนจะเล่าให้ฟัง ดังนี้

ตัวอย่างแรก : รู้เท่าไม่ถึงการณ์

วิศวกรโรงงาน ต้องการระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ปั๊มน้ำชุดหนึ่ง ผู้ออกแบบได้กำหนดให้ใช้ปั๊มแบบแรงเหวี่ยง (Centrifugal Pump) ความเร็วรอบที่พิกัดเป็น 400 รอบต่อนาที ขนาด 250 แรงม้า กำลังไฟฟ้าขาเข้าของอินเวอร์เตอร์ประมาณ 250 kVA, 310 แอมป์, เพาเวอร์แฟกเตอร์ 85%, แรงดันไฟ 460 โวลต์ โดยระบบไฟที่จ่ายเข้ามาก็ออกแบบตามนี้ คือใช้เบรกเกอร์เมน ขนาด 400 แอมป์ ดังรูป 1A

รูปที่ 1A Specified System

จากนั้น ผู้รับเหมารายหนึ่งประมูลได้งานนี้ไป โดยเสนอเป็นมอเตอร์ขนาด 400 แรงม้า 400 โวลต์ ความเร็วรอบ 600 รอบต่อนาที อินเวอร์เตอร์ถูกเลือกนำมาใช้เพื่อปรับรอบมอเตอร์ตัวนี้ จาก 600 รอบต่อนาทีให้เป็น 400 รอบต่อนาที ดังรูป1B ตามข้อกำหนดของปั๊ม เมื่อผู้รับเหมารายนี้ ยื่นข้อเสนอให้กับวิศวกรโรงงานที่เป็นเจ้าของงาน วิศวกรเจ้าของงานก็ตอบตกลง 

รูปที่ 1B Installed System

ถึงแม้ว่าข้อเสนอของผู้รับเหมาจะไม่ได้ตามข้อกำหนดที่ผู้ออกแบบกำหนดไว้ แต่เห็นว่า ได้มอเตอร์ขนาดใหญ่กว่า อินเวอร์เตอร์ขนาดใหญ่กว่า การทำงานไม่น่าจะมีปัญหาอะไร แต่ปัญหาเกิดขึ้น เมื่อเริ่มทดสอบมอเตอร์เดินที่ Full Load 400 รอบต่อนาที ปรากฎว่า อินเวอร์เตอร์ใช้ไฟประมาณ 496 kVA, กระแส 597 แอมป์ และเพาเวอร์แฟกเตอร์ 55% ซึ่งต่างจากการคำนวณครั้งแรกที่คำนวณไว้เป็น 250 kVA, กระแส 310 แอมป์ และเพาเวอร์แฟกเตอร์ 85% จึงเป็นเหตุให้เบรกเกอร์เมน ขนาด 400 แอมป์ ในตู้ไฟตัดวงจร สายไฟเกิดโอเวอร์โหลด หม้อแปลงโอเวอร์โหลด 

งานนี้ผู้รับเหมา และคนขายอินเวอร์เตอร์ไม่รับผิดชอบใดๆ ทั้งสิ้น เขาให้เหตุผลว่า "ระบบสามารถทำงานได้ตามสเปค โดยที่มอเตอร์หมุนที่ 400 รอบต่อนาที และอินเวอร์เตอร์สามารถจ่ายพลังงานให้มอเตอร์ได้ตามที่มอเตอร์ต้องการ" ปัญหาเกิดจากการปรับเพาเวอร์แฟกเตอร์ของโรงงานต่างหาก จึงเป็นหน้าที่ของทางโรงงานจะต้องแก้ไขเอง ไม่ใช่เกิดจากการติดตั้งผิด ผู้รับเหมาและคนขายอินเวอร์กล่าวเช่นนั้น

กลับด้านบน

สาเหตุปัญหา

ถ้าเรามองให้ลึกลงไปถึงสาเหตุของปัญหา ก็สามารถวิเคราะห์ได้ดังนี้ มอเตอร์ขนาด400 แรงม้า กระแสเมื่อขับโหลดเต็มที่ประมาณ 620 แอมป์ เพาเวอร์แฟกเตอร์ 78% ที่ 400 โวลต์กระแสที่ใช้สร้างสนามแม่เหล็ก (Magnetizing Current) จะอยู่ประมาณ 388 แอมป์ กระแสที่ใช้สร้างแรงบิด (Active Current) เมื่อมอเตอร์ทำงานเต็มกำลัง จะอยู่ประมาณ (484 = (620)2 - (388)2)

เมื่อมอเตอร์ทำงานที่ 40 Hz ความเร็วมอเตอร์จะลดลงมาอยู่ที่ 400 รอบต่อนาที โดยที่อินเวอร์เตอร์ยังคงรักษาอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าต่อความถี่ (V/F) ให้คงที่ตลอดเวลา แรงดันไฟขาออกจะอยู่ที่ 266 โวลต์ ความถี่ 40 Hz หรือประมาณ 2 ใน 3 ของแรงดันที่พิกัด 400 โวลต์ กระแสสร้างสนามแม่เหล็ก (Magnetizing Current) ยังคงเท่าเดิม คือ 388 แอมป์ เพราะฟลั๊กซ์แม่เหล็กจะมีค่าเท่ากับสภาวะที่มอเตอร์ทำงานเต็มกำลัง เมื่อปั๊มยังคงต้องการพลังงานจากมอเตอร์เพื่อขับปั๊ม 250 แรงม้าเท่าเดิม ที่ความเร็วรอบ 400 รอบต่อนาที 

ดังนั้น ที่แรงดัน 266 โวลต์ กระแสที่ใช้สร้างแรงบิดมอเตอร์จึงเป็น 454 แอมป์ (454 = 484 x (400 โวลต์/266โวลต์) x (250 แรงม้า/400 แรงม้า)) ดังนั้น กระแสขาเข้าอินเวอร์เตอร์ทั้งหมดจะมีค่าเท่ากับ 597 แอมป์ (597 = (388)2 + (454)2) สรุปว่า อินเวอร์เตอร์จะให้แรงดันขาออกไปที่มอเตอร์เป็น 266 โวลต์, 3 เฟส, 40 Hz, 597 แอมป์

การแก้ไข

ในกรณีนี้ ตัวอินเวอร์เตอร์เป็นแบบ "Current Source Inverter (CSI)" ซึ่งประกอบด้วยภาคแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง (Thyrister Bridge Converter) และภาคแปลงไฟตรงเป็นสลับ (Tryrister Bridge Inverter) ทั้งสองภาคจะเชื่อมต่อกันด้วยตัวเหนี่ยวนำ (DC-Link Inductor) แรงดันขาออกถูกทำให้ลดลงได้โดยใช้วิธีเลื่อนเฟส 

การนำกระแสของตัวไทริสเตอร์ในภาคแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง (Converter หรือ Rectifier) เพื่อให้แรงดันที่ถูกลดลงนี้ ไปปรากฎทางด้านขาออกของอินเวอร์เตอร์ที่ใช้ป้อนเข้าตัวมอเตอร์ เมื่อแรงดันขาเข้าอินเวอร์เตอร์เป็น 480 โวลต์ ภาคแปลงไฟ สลับเป็นไฟตรง (Converter หรือ Rectifier) จะทำการเลื่อนเฟสของแรงดันนี้ไป 56 องศา 

เพื่อให้แรงดันขาออกของอินเวอร์เตอร์ลดลงเหลือ 266 โวลต์ เพาเวอร์แฟกเตอร์ของกระแสขาเข้าอินเวอร์เตอร์จึงเป็น 55% เมื่อเพาเวอร์แฟกเตอร์ต่ำจึงทำให้อินเวอร์เตอร์ต้องการกระแสจากระบบมากกว่าปกติ เบรกเตอร์จึงทริป นี่คือ ตัวอย่างของการเลือกอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ที่ไม่เหมาะสมกัน

ตัวอย่างที่ 2: อยากลดต้นทุน

วิศวกรผู้หนึ่ง ได้ออกแบบระบบขับเคลื่อนปั๊มในระบบบำบัดน้ำเสีย ดังรูป 2A ปั๊มตัวนี้ต้องการกำลังในการขับเคลื่อนจากมอเตอร์ขนาด 25 แรงม้า ที่ความเร็วรอบ 880 รอบต่อนาที ดังนั้น ระบบนี้ต้องการมอเตอร์ขนาด 25 แรงม้า ไฟ 460 โวลต์, 3 เฟส, 50 Hz, ความเร็วรอบ 900 รอบนาที อินเวอร์เตอร์ที่ใช้เป็นแบบ PWM (Pulse Width Modulation) แรงดันขาออก 0-460 โวลต์ ความถี่ 0-50 Hz และกินไฟ 35 แอมป์

รูปที่ 2A Specified System

เมื่อออกแบบเสร็จแล้ว จึงเริ่มทำการติดตั้ง โดยทางเจ้าของงานสั่งซื้ออินเวอร์เตอร์ถูกต้องตามแบบ จะต่างกันเพียงแต่มอเตอร์เท่านั้น ที่เขาเลือกเป็นมอเตอร์ขนาด 25 แรงม้า ความเร็วรอบ 1,800 รอบต่อนาที แรงดันไฟ 460 โวลต์ เนื่องจากเขามีมอเตอร์ตัวนี้เก็บอยู่ในสโตร์อยู่แล้ว ไม่อยากเสียเงินซื้อมอเตอร์ใหม่ 

เขามีความเชื่อว่าการใช้มอเตอร์ตัวนี้แทนมอเตอร์ 25 แรงม้า 880 รอบต่อนาที น่าจะทำงานได้ ไม่มีปัญหาอะไรความเร็วรอบที่เป็น 1,800 รอบต่อนาที ก็สามารถใช้อินเวอร์เตอร์ปรับรอบลงมาเป็น 880 รอบต่อนาทีได้ เมื่อติดตั้งเสร็จ เริ่มทำการเดินเครื่อง ปรากฎว่า มอเตอร์ไม่สามารถเดินจนถึงความเร็ว 880 รอบต่อนาทีได้ เนื่องจากอินเวอร์เตอร์ "ทริป" ที่ความเร็วประมาณ 400 รอบต่อนาที และแสดงผล "กระแสเกิน" ที่หน้าจอ

รูปที่ 2B Installed System

อันดับแรก เจ้าของงานคนนี้เชื่อว่า มีเศษตะกอนอุดตันในระบบท่อจึงทำให้มอเตอร์ทำงานหนักจนเป็นเหตุให้มอเตอร์กินกระแสสูง อินเวอร์เตอร์จึงตัดวงจรแบบ "กระแสเกิน" เขาได้ใช้เวลาหลายวันในการตรวจสอบการอุดตันของท่อ ทั้งทางดูดและทางอัดของปั๊ม แต่ก็ไม่พบการอุดตันของท่อ

กลับด้านบน

เกิดอะไรขึ้น? กับมอเตอร์ตัวนี้ 

เนื่องจากปกติมอเตอร์ตัวนี้ถูกออกแบบมาให้ใช้กับไฟ 460 โวลต์ ความถี่ 50 Hz ความเร็ว 1,800 รอบต่อนาที เมื่อเราลดความเร็วรอบลง 50% (880 รอบ/นาที) ทำให้ความถี่ขาออกของอินเวอร์เตอร์ที่จ่ายให้มอเตอร์จึงเท่ากับ 230 โวลต์ (ตามอัตราส่วนของแรงดันต่อความถี่คงที่) ที่แรงดัน 230 โวลต์ มอเตอร์จะกินไฟประมาณ 60 แอมป์ เพื่อใช้ในการสร้างกำลัง 25 แรงม้าในการขับปั๊ม ซึ่งอินเวอร์เตอร์ไม่สามารถจ่ายกระแสสูงขนาดนี้ได้ มันจึงสั่งตัดวงจรก่อนถึงความเร็วที่ปั๊มต้องการ

ปัญหานี้แก้ได้อย่างไร? 

มี 2 วิธีด้วยกัน วิธีแรก ติดตั้งชุดพูลเลย์ (Pulley) พร้อมสายพานหรือติดตั้งชุดเกียร์ทดรอบก็ได้ ระหว่างมอเตอร์ 1,800 รอบต่อนาที กับปั๊ม 900 รอบต่อนาที วิธีที่ 2 เปลี่ยนมอเตอร์ใหม่ โดยนำมอเตอร์ความเร็วรอบ 900 รอบต่อนาที มาติดตั้งแทนมอเตอร์ 1,800 รอบต่อนาที ก็จะสามารถแก้ไขปัญหาได้

สรุปว่า หากจะไม่ให้เกิดปัญหาในการใช้งานอินเวอร์เตอร์ร่วมกับมอเตอร์ จะต้องปฏิบัติตามกฎ ดังนี้ "เมื่อเครื่องจักรที่มอเตอร์ขับอยู่ทำงานเต็มกำลัง แรงดันขาออก และความถี่ขาออกของอินเวอร์เตอร์จะต้องมีค่าเท่ากับค่าแรงดันไฟและความถี่ที่ปรากฎอยู่ที่เนมเพลทของมอเตอร์"

จากตัวอย่างคงจะเห็นแล้วว่า เทคโนโลยีอย่างเดียวไม่สามารถช่วยเราแก้ปัญหาได้ นอกเสียจากเราจะเข้าใจพื้นฐานของการเลือกใช้อุปกรณ์เป็นอย่างดี