กรณีจำนวนโรงไฟฟ้าในพื้นที่ มีกำลังผลิตไฟฟ้าไม่เพียงพอต่อความต้องการที่เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง เป็นเรื่องที่คนทั่วไปรับรู้เป็นอย่างดี และเป็นสิ่งที่เราเห็นได้ชัดจากเหตุการณ์ไฟฟ้าดับภาคใต้ 14 จังหวัดที่ผ่านมา
แต่อีกเรื่องหนึ่งเป็นสิ่งสำคัญต่อภาคอุตสาหกรรมการผลิตของประเทศเป็นอย่างมาก การที่จำนวนโรงไฟฟ้าไม่พอ สามารถทำให้เกิดปัญหาเรื่องแรงดันไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าได้ จึงได้นำบทความเรื่องนี้มาเพื่อความเข้าใจที่ลึกลงไปอีกขั้นหนึ่งของเรื่องระบบไฟฟ้าครับ
ผลกระทบที่มีผลต่อมอเตอร์เมื่อแรงดันไฟฟ้าและความถี่เกิดการเปลี่ยนแปลง
เขียนโดย ดร.ยุทธพงศ์ ทัพผดุง
อุตสาหกรรมไม่ว่าจะมีขนาดเล็กหรือใหญ่นั้น ส่วนใหญ่ก็จะมีการใช้มอเตอร์ในส่วนของกระบวนการผลิตเสมอ ในกรณีที่บริษัทหรือโรงงานอุตสาหกรรมที่ท่านทำงานอยู่ตั้งอยู่ในพื้นที่ของนิคมอุตสาหกรรม ก็คงจะได้รับผลกระทบน้อยในเรื่องของความเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าและความถี่ เนื่องจากพื้นที่ดังกล่าวได้ออกแบบระบบไฟฟ้าสำหรับรองรับภาคอุตสาหกรรมไว้แล้วซึ่งจะมีความเชื่อถือได้ของระบบไฟฟ้าอยู่ในเกณฑ์สูงกว่าพื้นที่ทั่วไป
แต่ถ้าในกรณีที่โรงงานที่ท่านทำงานอยู่ไม่ได้ตั้งในเขตอุตสาหกรรมล่ะ ปัญหาเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่ผมได้กำหนดให้เป็นชื่อบทความนี้ดังที่ได้กล่าวข้างต้นก็จะพบบ่อยและสร้างปัญหาแก่ท่านไม่ใช่น้อย และไม่เพียงเท่านั้นอาจจะทำให้มอเตอร์ของคุณมีอายุการให้งานสั้นกว่าที่ควรจะเป็น สุดท้ายกระบวนการผลิตก็จะเกิดความเสียหายไปด้วย
บทความนี้จะเป็นการนำเสนอผลกระทบที่เกิดขึ้นกับมอเตอร์เมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าและความถี่เปลี่ยนแปลงเพื่อให้ท่านทราบถึงผลกระทบที่เกิดขึ้นและหาวีธีการป้องกันและแก้ไขปัญหาก่อนที่มอเตอร์ของท่านจะชำรุดก่อนเวลาอันควร
สมรรถนะของมอเตอร์เมื่อแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่ป้อนให้เกิดการเปลี่ยนแปลง
โดยทั่วไปแล้วเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าและความถี่จะมีผลต่อสมรรถนะของมอเตอร์โดยตรงซึ่งสามารถอธิบายได้ในรูปที่ 1 ซึ่งได้อธิบายเกี่ยวกับผลที่ต่อ แรงบิดเริ่มเดิน, กระแสเริ่มเดิน และอื่นๆ
กรณีมอเตอร์ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าพิกัด
เมื่อมีการใช้งานมอเตอร์ในสภาวะแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าพิกัดจะมีผลทำให้กระแสไฟฟ้าที่ป้อนให้มอเตอร์เพิ่มขึ้น (I2R) ซึ่งจะทำให้เกิดความสูญเสียด้านความร้อนเพิ่มขึ้นในขดลวดสเตเตอร์และโรเตอร์ ซึ่งจากผลดังกล่าวจะทำให้อุณหภูมิของขดลวดสูงขึ้นและจะทำให้ความเป็นฉนวนของขดลวดลดลงและมีอายุการใช้งานสั้นลงในที่สุด อย่างไรก็ตามถ้ามอเตอร์มีการใช้งานไม่หนักหรือมีโหลดน้อยการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าที่มีผลจากการลดลงของแรงดันไฟฟ้าก็จะมีค่าต่ำกว่ากระแสพิกัดของมอเตอร์ ซึ่งจากผลดังกล่าวก็จะไม่ทำให้เกิดความร้อนหรืออุณหภูมิที่ขดลวดมอเตอร์สูงขึ้นแต่อย่างใด
สำหรับกรณีซิงโครนัสมอเตอร์ที่มีการใช้ไฟฟ้ากระแสตรง(DC) ที่ถูกแปลงจะแหล่งไฟฟ้ากระแสสลับเดียวกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าสลับ 3 เฟส ที่ป้อนให้มอเตอร์ไฟฟ้า ในกรณีที่เกิดแรงดันต่ำกว่าพิกัด ก็จะเป็นสาเหตุให้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงต่ำกว่าพิกัดไฟด้วย จากผลดังกล่าวก็จะทำให้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นก็จะลดลงตามไปด้วย ซึ่งจะทำให้มีผลต่อการทำงานของมอเตอร์โดยตรง
กรณีมอเตอร์ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าพิกัด
เมื่อมอเตอร์มีการใช้งานที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าพิกัด กระแสไฟฟ้าในขดลวดของสเตเตอร์จะมีค่าลดลง และถ้าแรงดันที่ป้อนให้มอเตอร์มีค่าสูงเพียงพอก็อาจจะทำให้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแกนเหล็กเกิดการอิ่มตัวได้ จากการเกิดเหตุการณ์ดังกล่าวขึ้นก็จะส่งผลให้กระแสไฟฟ้ากระตุ้น (Exciting Current) มีค่าสูงขึ้นเป็นอย่างมาก ก็จะมีผลทำให้เกิดความร้อนสูงในขดลวด ซึ่งโดยทั่วไปแล้วการเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอิ่มตัวอาจจะเกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าพิกัดประมาณ 110%
เพื่อให้ง่ายต่อการคำนวณ จึงสมมุติให้ค่ากำลังโหลดของเพลา(Shaft-Power Load) มีค่าคงที่และจะไม่นำผลการสูญเสียภายในมอเตอร์มาพิจารณา ดังนั้นกำลังไฟฟ้าอินพุทของมอเตอร์จึงมีค่าเท่ากับกำลังโหลดเอาท์พุทของเพลา ดังแสดงในสมการที่ 1
เมื่อค่ากำลังโหลดของเพลา(Shaft-Power Load) มีค่าคงที่ กำลังไฟฟ้าอินพุทที่ป้อนให้มอเตอร์ที่มีค่าสูงกว่าพิกัดจะสามารถประมาณค่าได้เท่ากับค่ากำลังไฟฟ้าอินพุทที่แรงดันไฟฟ้าตามพิกัด โดยจะไม่พิจารณาผลของการเปลี่ยนแปลงของแรงลมและความฝืด (Windage and Friction) ซึ่งจะมีผลเพียงเล็กน้อยต่อความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้า ดังนั้นจึงได้แสดงตามสมการที่ 2
เมื่อไม่นำค่าตัวประกอบ(Power Factor) มาประกอบการพิจารณา ดังนั้นจะได้สมการที่ 3
เมื่อ I2 = กระแสไฟฟ้าเมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าพิกัด (A)
Irated = กระแสไฟฟ้าพิกัดของมอเตอร์ (A)
Vrated = แรงดันไฟฟ้าพิกัดของมอเตอร์ (V)
V2 = แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าพิกัดของมอเตอร์ (V)
ผลกระทบกรณีความถี่ไม่อยู่ในเกณฑ์มาตรฐาน
การที่เกิดความถี่ลดลงจะทำให้กระแสไฟฟ้ากระตุ้นมีค่าสูงขึ้น(ซึ่งเป็นส่วนประกอบในสภาวะไม่มีโหลดของกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์) ด้วยเหตุนี้ก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าโดยรวมของมอเตอร์มีค่าสูงขึ้น และถ้าความถี่มีค่าต่ำมากก็อาจจะเป็นสาเหตุให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในแกนเหล็กเกิดการอิ่มตัวได้เช่นกัน และก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้ากระตุ้นมีค่าพุ่งสูงขึ้นเป็นอย่างมาก ก็จะทำให้ขดลวดของมอเตอร์มีอุณหภูมิสูงกว่าปกติได้เช่นกัน
เปอร์เซ็นต์ความร้อนที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากกระแสไฟฟ้าเกินพิกัด
เปอร์เซ็นต์ของความร้อนที่เกิดขึ้นของขดลวดในมอเตอร์เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเกินพิกัดนั้น ส่วนใหญ่ก็จะมีสาเหตุมาจาก แรงดันไฟฟ้า และความถี่ที่ป้อนให้มอเตอร์ไม่อยู่ในเกณฑ์มาตรฐานของพิกัด หรืออาจจะเกิดจากการใช้โหลดเกินพิกัดก็ได้ ซึ่งเราสามารถคำนวณหาได้ดังต่อไปนี้
เมื่อ I2 = ค่ากระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้ามีค่าเกินพิกัด
ข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าและความถี่
จากที่ผู้เขียนได้อธิบายผลที่เกิดขึ้นและตัวอย่างการคำนวณให้ท่านทราบไปแล้วข้างต้นแล้ว ท่านอาจจะสงสัยว่าแล้วค่ามาตรฐานของพิกัดแรงดันไฟฟ้าและความถี่นั้นมีค่าเท่าไหร่และอ้างอิงมาตรฐานอะไร ดังนั้นข้อนี้จึงเป็นการตอบให้หายสงสัยครับ โดยผู้เขียนได้อ้างอิงข้อกำหนดของ NEMA สำหรับมอเตอร์ชนิดเหนี่ยวนำ (Induction Motor) นั้นได้พิจารณาว่าขณะมีการใช้งานอยู่อย่างต่อเนื่องแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่ป้อนให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าจะต้องมีค่าไม่เกินข้อกำหนดังต่อไปนี้
การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าจะต้องไม่เกิน ±10 เปอร์เซ็นต์ของพิกัด ขณะมีการใช้งานตามพิกัดของความถี่ของมอเตอร์
การเปลี่ยนแปลงของถี่จะต้องไม่เกิน ±5 เปอร์เซ็นต์ของพิกัด ขณะมีการใช้งานตามพิกัดของแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์
เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงทั้งแรงดันไฟฟ้าและความถี่ ซึ่งผลรวมที่เป็นค่าสมบูรณ์(Absolute values)ของการเปลี่ยนแปลงทั้ง 2 ค่าจะต้องมีค่าไม่เกิน 10% โดยความถี่อินพุทที่ป้อนให้มอเตอร์จะต้องมีค่าไม่เกิน ±5 เปอร์เซ็นต์ของพิกัดด้วย
สรุป
หลังจากท่านได้อ่านมาถึงตรงนี้ผู้เขียนหวังว่าท่านคงมีความรู้เกี่ยวกับมาตรฐานหรือข้อกำหนดการใช้งานมอเตอร์และผลกระทบจากแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่เปลี่ยนแปลงที่มีผลต่อมอเตอร์ที่ท่านใช้งานอยู่เป็นประจำมากขึ้นแล้วใช่ไหมครับ ผู้เขียนหวังว่าท่านคงจะนำความรู้ดังกล่าวนำไปวิเคราะห์และหาวิธีป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์ดังกล่าวขึ้นเพื่อยืดอายุการใช้งานมอเตอร์ของท่านและลดค่าใช้จ่ายด้านบำรุงรักษาได้ ไม่เพียงเท่านั้นการสูญเสียและการเกิดหยุดชะงักของกระบวนการผลิตก็จะลดลงตามไปด้วย
สวัสดีครับ
เรียบเรียงจาก: Charles l. Hubert, P.E., (2003). Operating, Testing, and Preventive Maintenance of electrical Power Apparatus. Prentice Hall,.