Bloggang.com : KanichiKoong - เครื่องปรับอากาศ INVERTER (แอร์อินเวอร์เตอร์)

การควบคุมความเร็วรอบคอมเพรสเซอร์ ด้วยระบบ INVERTER

การนำ Inverter มาใช้ในเครื่องปรับอากาศ จะนำมาใช้ในการควบคุมความเร็วรอบในส่วนของมอเตอร์ตอมเพรสเซอร์ ซึ่งก่อนอื่น เราต้องมาทำความรู้จักกับ การปรับความเร็วรอบมอเตอร์ ด้วยระบบอินเวอร์เตอร์โดยหลักการเบื้องต้นของมอเตอร์ จัดเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้า ที่ใช้ในการแปลงพลังงานไฟฟ้า ไปเป็นพลังงานกล โดยนำพลังงานที่ได้นี้ไปทำ การขับเคลื่อนระบบกลไกลต่างๆตามความต้องการ ความเร็วของมอเตอร์ สามารถกำหนดได้โดย
1. แรงบิดของโหลด
2. จำนวนขั้วของมอเตอร์
3. ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟที่ใช้กับมอเตอร์
4. แรงดันที่จ่ายให้กับมอเตอร์
ความเร็วของมอเตอร์สามารถหาได้จากสูตร ดังต่อไปนี้

ความเร็วรอบ N = {[120 * ความถี่ f (Hz)] / จำนวนขั้ว P} * (1-S)

โดย 1-S กำหนดโดยโหลด

จากสูตรข้างต้นจะพบว่า ถ้าความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ เปลี่ยนแปลงไปก็มีผลทำให้มอเตอร์ มีความเร็วเปลี่ยนแปลงได้ด้วย แต่เมื่อทำการเปลี่ยนความถี่ โดยให้แรงดันคงที่ จะมีผลทำให้เกิดฟลักส์ แม่เหล็กเพิ่มมากขึ้นจนอิ่มตัว ซึ่งอาจทำให้มอเตอร์ ร้อนจนเกิดความเสียหายได้ ดังนั้นจึงต้องทำการเปลี่ยน แรงดันควบคู่ไปกับความถี่ด้วย และการที่จะเปลี่ยนแปลง ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ สามารถทำได้โดย การใช้อินเวอร์เตอร์

หลักการควบคุมของระบบอินเวอร์เตอร์ กล่าวคือแหล่งจ่ายไฟกระแสสลับ จ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ ไปยังคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนไฟฟ้า กระแสสลับให้เป็น ไฟฟ้ากระแสตรง แล้วนำไฟฟ้ากระแสตรง ที่ได้ต่อเป็นอินพุตเข้าไปในวงจรอินเวอร์เตอร์ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรงนี้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่สามารถเลือกความถี่ได้ เพื่อไปควบคุมมอเตอร์ ให้มีความเร็วตามต้องการได้

การเปลี่ยนขนาดแรงดัน ของอินเวอร์เตอร์ตามความถี่ โดยวิธีการแปรรูปคลื่นของแรงดัน สามารถทำได้หลายวิธีดังนี้
1. วิธีแปรขนาดแรงดันของไฟตรง (PAM : Pulae Amplitute Modulation)
2. วิธีแปรความกว้างของพัลส์ที่ใช้เปิด-ปิดทรานซิสเตอร์ (PWM : Pulae Width Modulation)
- เป็น Square Wave
- เป็น Sine Wave
โดยแต่ละวิธีจะทำให้เกิดผลต่อมอเตอร์ที่แตกต่างกันออกไป

วิธี PWM แบบ Sine Wave นั้นจะมีการเปิด-ปิดทรานซิสเตอร์หลายๆครั้งในหนึ่งไซเคิลหรือใน 1 ลูกคลื่นของไฟฟ้า และการเปิด-ปิดในแต่ละครั้งจะใช้เวลาไม่เท่ากัน จำนวนการเปิด-ปิดใน 1 วินาที เรียกว่าความถี่แคเรียร์ (Carrier Frequency) ซึ่งวิธี PWM แบบ Sine Wave มีรูปแบบควบคุมการเปิด-ปิดสวิตช์ 3 แบบ

ส่วนคอนเวอร์เตอร์
คอนเวอร์เตอร์จะเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง ประกอบไปด้วย
1. ส่วนของคอนเวอร์เตอร์ ทำหน้าที่แปลงไฟฟ้าจากกระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง โดยกลุ่มของไดโอด
2. ส่วนของคอนเดนเซอร์ ทำหน้าที่กรองกระแส(ลด ripple) โดยใช้ตัวเก็บประจุ
3. วงจรจำกัดกระแสอินรัช(IN RUSH CURRENT SUPPRESSION) ทำหน้าที่จำกัดกระแส ขณะที่มีการเปิดสวิตช์ของอินเวอร์เตอร์เป็นครั้งแรก

การควบคุมมอเตอร์ด้วยอินเวอร์เตอร์

1. การสตาร์ท ทำได้โดยให้สัญญาณตั้งความถี่แก่อินเวอร์เตอร์ด้วยความถี่สตาร์ท มอเตอร์ก็จะผลิตแรงบิด จากนั้นอินเวอร์เตอร์จะค่อย ๆ เพิ่มความถี่ขึ้นไป จนกระทั่งแรงบิดของมอเตอร์สูงกว่าแรงบิดของ โหลด มอเตอร์จึงเริ่มหมุน

2. การเร่งความเร็วและการเดินเครื่องด้วยความเร็วคงที่ หลังจากสตาร์ทอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์แล้ว ความถี่ในระยะเริ่มออกตัวจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น จนถึงความถี่ที่ต้องการ ช่วงเวลาในการเพิ่มความถี่นี้คือเวลาการเร่งความเร็ว และเมื่อความ ถี่ขาออกเท่ากับความถี่ที่ต้องการ การเร่งความเร็วก็จบ อินเวอร์เตอร์จะเข้าสู่การทำงานในช่วงเวลาการเดินเครื่อง ด้วยความเร็วคงที่

3. การลดความเร็ว ทำได้โดยตั้งความถี่ให้ต่ำกว่าความถี่ขาออก อินเวอร์เตอร์จะลดความถี่ลงมาเรื่อย ๆ ตามช่วง เวลาการลดความเร็วที่ได้ตั้งไว้ ในขณะลดความถี่ ความเร็วรอบของมอเตอร์จะมีค่ามากกว่าความถี่ขาออกของอินเวอร์เตอร์ มอเตอร์จะทำงาน เหมือนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ผลิตไฟจ่ายกลับไปให้อินเวอร์เตอร์ (regeneration) ทำให้แรงดันไฟตรง (แรงดัน คร่อม คอนเดนเซอร์) มีค่าเพิ่มขึ้น ดังนั้นภายในอินเวอร์เตอร์จะมีวงจรที่ทำหน้าที่รับพลังงานที่เกิดจากการ regeneration ซึ่งจะมีผลทำให้เกิดการเบรคมอเตอร์ วงจรนี้เรียกว่า วงจรเบรคคืนพลังงาน

พลังงานที่เกิดจากการ regeneration จะป้อนกลับมาชาร์จประจุที่คอนเดนเซอร์ ทำให้แรงดันตกคร่อม มีค่าสูงขึ้น ถ้าแรงดันสูงกว่าค่าที่กำหนด ทรานซิสเตอร์ ในวงจรเบรคจะทำงาน ทำให้มีกระแส ไหลผ่านตัวต้านทานเบรค ทำให้ตัวต้านทานร้อน เป็นการเผาผลาญพลังงานที่เกิดจากการ regeneration และพลังงานที่เก็บสะสมใน คอนเดนเซอร์ ก็จะถูกคายออกมาด้วย ทำให้แรงดันตกคร่อม มีค่าลดลง เมื่อลดลงต่ำกว่าค่าที่กำหนด ทรานซิสเตอร์ จะหยุดทำงาน กระแสะเบรคก็จะหยุดไหล

ในช่วงการลดความเร็วจะทำงานในลักษณะนี้หลาย ๆ ครั้ง ถ้าพลังงานมีค่าน้อย (แรงบิดที่จำเป็นสำหรับการลด ความเร็วมีขนาดเล็ก) อัตราการใช้งานวงจรเบรคก็จะต่ำ บางครั้งอาจจะไม่ทำงานเลยก็มี
อัตราการใช้งานวงจรเบรคนี้ ได้รับการออกแบบโดยการพิจารณาในแง่ของการระบายความร้อนไว้ที่ 2-3 % เท่านั้น ถ้ามีการใช้เบรคบ่อย หรือใช้เบรคนานเกินไป จะทำให้เกิดปัญหาการระบายความร้อนของตัวต้านทาน และอาจ ทำให้ทรานซิสเตอร์เสื่อมได้

4. การหยุด อินเวอร์เตอร์จะลดความถี่ลงจนถึงระดับหนึ่ง และจะผลิตไฟตรงเข้าไปในมอเตอร์เพื่อทำงานเป็นเบรค จนมอเตอร์หยุด เรียกว่า การเบรคด้วยไฟตรง
แนวคิดในการเลือกขนาดอินเวอร์เตอร์ ถ้าคิดว่าอินเวอร์เตอร์ เหมือนกับแหล่งจ่ายไฟที่ใช้จ่ายพลังงานเพื่อขับมอเตอร์ ก็จะคิกว่ายิ่งเลือกอินเวอร์เตอร์ ขนาดยิ่งใหญ่เท่าใดก็ยิ่งดี สามารถติดตั้งสวิทช์ ที่เอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์ เพื่อเปิดปิดจ่ายกระแส ให้มอเตอร์ได้ทันที เหมือนกับแหล่งจ่ายไฟ แต่แนวความคิดนี้ ไม่ถูกต้องเนื่องจาก ต้องสิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายสูง และอินเวอร์เตอร์มีขนาดใหญ่ เกินความจำเป็น

----------------------------------------------------

หลักการทำงานของเครื่องปรับอากาศอินเวอร์เตอร์

เครื่องปรับอากาศระบบอินเวอร์เตอร์ เป็นการนำเอาระบบควบคุมอินเวอร์เตอร์ มาเป็นตัวปรับความเร็วรอบของมอเตอร์คอมเพรสเซอร์ ซึ่งจะทำให้คอมเพรสเซอร์ ทำงานอยู่เกือบตลอดเวลาในช่วงที่เปิดใช้งาน(แต่ถ้าอุณหภูมิห้องลดต่ำกว่าที่ตั้งไว้มาก คอมเพรสเซอร์ก็จะตัดการทำงานเช่นกัน) ถึงแม้ว่าคอมเพรสเซอร์ทำงานเกือบตลอดเวลา แต่การทำงานจะมีความเร็วรอบในการขับเคลื่อนที่แตกต่างกัน ความเร็วที่แตกต่างนี้มีผลในการควบคุมอุณหภูมิของห้อง ซึ่งต่างจากเครื่องปรับอากาศแบบทั่วไป ที่ใช้การควบคุมอุณหภูมิโดยการ ให้คอมเพรสเซอร์เดินเพื่อทำความเย็น และเมื่อความเย็นในห้อง ถึงจุดที่ตั้งไว้แล้ว ตัวควบคุมอุณหภูมิก็จะตัดการทำงานของคอมเพรสเซอร์ การใช้งานจึงมีการ เดิน-หยุด อยู่ตลอดเวลา

การปรับอุณหภูมิของเครื่องปรับอากาศ แบบธรรมดา กับ แบบอินเวอร์เตอร์

เครื่องปรับอากาศแบบธรรมดาที่มีใช้กันทั่วไป ใช้การควบคุมอุณหภูมิโดยอุปกรณ์ตรวจวัดอุณหภูมิ อาจจะเป็นเทอร์โมสตาทแบบแมคคานิก หรือ เทอร์โมสตาร์ทแบบอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งไม่ว่าแบบแมคคานิคหรืออิเล็กทรอนิกส์ ก็มีหลักการทำงานที่เหมือนกัน หลักการทำงานของเทอร์โมสตาท คือ ตรวจวัดอุณหภูมิภายในห้อง แล้วสั่งการให้คอมเพรสเซอร์ทำงานตามที่ตั้งอุณหภูมิไว้ ประมาณว่า เมื่ออุณหภูมิห้องสูงกว่าที่ตั้งไว้ 1-2 องศา ก็จะต่อไฟภาคควบคุม ให้คอมเพรสเซอร์ทำงาน ห้องก็จะเย็นลง เมื่ออุณภูมิในห้องลดลง ถึงระดับที่ตั้งไว้ เทอร์โมสตาทก็จะตัดไฟให้คอมเพรสเซอร์หยุดเดิน ซึ่งในการควบคุมอุณหภูมิแบบทั่วๆไป คอมเพรสเซอร์ก็จะ เดินเต็มกำลัง และ หยุด เมื่อถึงอุณหภูมิที่ตั้ง ส่งผลให้อุณหภูมิอยู่ในระดับที่ไม่ค่อยคงที่ หลายคนอาจจะรู้สึกเดี๋ยวร้อนเดี๋ยวหนาวในช่วงที่แอร์ เดินและหยุด และที่สำคัญ การเดิน – หยุดของมอเตอร์คอมเพรสเซอร์ทำให้ค่อนข้างกินไฟพอสมควร เนื่องจากโดยปกติ การที่มอเตอร์คอมเพรสเซอร์เริ่มเดิน จะกินกระแสสูงชั่วขณะ หรือที่เรียกว่า กระแสสตาร์ท , LRA. (Lock Rotor Amp.) เป็นกระแสในช่วงเสี้ยววินาที ซึ่งกระแสสตาร์ทจะมีค่ามากกว่ากระแสที่มอเตอร์คอมเพรสเซอร์เดินปกติ ประมาณ 3-5 เท่า ยิ่งถ้าเป็นคอมเพรสเซอร์รุ่นเก่าๆที่เป็นแบบลูกสูบด้วยแล้ว อาจจะเกิดอาการ ออกตัวยาก ทำให้กินกระแสสตาร์ทเป็นเวลานานขึ้น อาจส่งผลเสียต่อมอเตอร์คอมเพรสเซอร์ได้

เครื่องปรับอากาศแบบอินเวอร์เตอร์ ใช้การควบคุมอุณหภูมิ ด้วยวิธีการ เปลี่ยนแปลงค่าความถี่ไฟฟ้า ที่จ่ายให้มอเตอร์คอมเพรสเซอร์ ตามโหลดใช้งาน ก็คืออุณหภูมิภายในห้อง ซึ่งการควบคุมอุณหภูมิของเครื่องปรับอากาศอินเวอร์เตอร์ มีวิธีการที่ค่อนจะยุ่งยากและซับซ้อน เพราะต้องนำเอาอุณหภูมิในห้อง มาประมวลผลด้วยชุดไมโครคอมพิวเตอร์ แล้วประมวลผลออกมาเป็นค่าความถี่ที่จะควบคุมรอบการทำงานของคอมเพรสเซอร์ ซึ่งการควบคุมอุณหภูมิของเครื่องปรับอากาศแบบอินเวอร์เตอร์ ช่วยให้อุณหภูมิห้อง อยู่ในระดับคงที่ เพราะคอมเพรสเซอร์จะเดินตลอดเวลาที่เปิดใช้งาน แต่ความเร็วรอบที่เดินจะมีความแตกต่างกันตามโหลด

คอมเพรสเซอร์ที่ไม่มีการเดินๆหยุดๆ ทำให้ลดการใช้พลังงานในการเริ่มสตาร์ท เครื่องปรับอากาศแบบอินเวอร์เตอร์มีหลักการควบคุมอุณหภูมิโดย เมื่อเริ่มเปิด ระบบจะสั่งการให้คอมเพรสเซอร์ค่อยสตาร์ทออกตัวอย่างนุ่มนวล แล้วค่อยๆเพิ่มรอบการทำงานจนเต็มกำลัง เพื่อเร่งทำความเย็น เมื่อรอบการทำงานสูง การอัดแรงดันสารทำความเย็น ก็ถูกอัดออกมาในปริมาณมาก ส่งผลให้การเกิดความเย็นทำได้มาก และเมื่อห้องเริ่มเย็นลง ระบบก็จะลดรอบการทำงานของคอมเพรสเซอร์ลง ส่งผลให้การอัดแรงดันสารทำความเย็นถูกอัดออกมาในปริมาณน้อยลง การเกิดความเย็นก็ลดลง เพื่อเป็นการรักษาอุณหภูมิให้คงที่ แต่เมื่ออุณหภูมิในห้องลดลงจนถึงระดับที่ได้ตั้งไว้ และอุณหภูมิไม่มีการเพิ่มขึ้นในช่วงเวลาหนึ่ง คอมเพรสเซอร์ก็จะหยุดทำงานในที่สุด เนื่องจากไม่มีเหตุผลที่จะต้องทำงานต่อไปแม้จะเป็นการทำงานรอบต่ำก็ตาม

เมื่อเทียบกับเครื่องปรับอากาศแบบธรรมดา จะเห็นได้ว่าเครื่องปรับอากาศแบบอินเวอร์เตอร์ ประหยัดพลังงานกว่าประมาณ 30-50% และยังรักษาอุณหภูมิให้เย็นสบายคงที่ รวมไปถึงการทำงานด้วยความเร็วรอบที่ต่ำยังเป็นการช่วยลดการสึกหรอของชิ้นส่วนได้พอสมควร

ข้อมูลอื่นๆ ที่เกี่ยวกับเครื่องปรับอากาศอินเวอร์เตอร์

ความทนทานและน่าเชื่อถือ
หากพูดถึงในเรื่องของความทนทานและความน่าชื่อถือของระบบ เครื่องปรับอากาศแบบอินเวอร์เตอร์ ซึ่งมีการนำวงจรทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนเข้ามาเป็นตัวควบคุม ซึ่งอาจส่งผลให้ผู้ใช้มีความกังวล ในด้านความทนทานและความน่าเชื่อถือ ซึ่งความวิตกกังวลที่เกิดขึ้นของผู้บริโภค เป็นปัญหาสำคัญในประเทศกำลังพัฒนาในเอเชีย

ซึ่งอินเวอร์เตอร์ เป็นระบบที่มีชิ้นส่วนทางอิเลคทรอนิกส์ที่ซับซ้อนมาก อีกทั้งเมื่อรวม เข้ากับการติดตั้งที่ยากลำบาก รวมไปถึง สภาวะอากาศที่ร้อนและเปลี่ยนแปลงบ่อยของประเทศไทย ทำให้เกิดความกังวลในปัญหาเรื่องความทนทาน ประกอบกับข้อมูลทางเทคนิคในรายละเอียดของระบบ ที่ทางบริษัทผู้ผลิต ไม่ค่อยที่จะเปิดเผยออกมาสู่ภายนอก หากมีปัญหาในอนาคตจะต้องผูกขาดกับศูนย์บริการเพียงอย่างเดียว ซึ่งในส่วนนี้ทำให้เราต้องมาพิจารณากันพอสมควร

ในด้านราคา
ในตลาดเครื่องปรับอากาศบ้านเรา จัดว่าเครื่องปรับอากาศแบบอินเวอร์เตอร์ มีราคาค่าตัวที่ค่อนข้างสูง และเมื่อเทียบราคาของเครื่องปรับอากาศแบบอินเวอร์เตอร์ กับ เครื่องปรับอากาศแบบธรรมดา ก็จะพบว่า เครื่องปรับอากาศแบบอินเวอร์เตอร์มีราคาแพงกว่ากันอยู่มากพอสมควรเมื่อเทียบกับเครื่องปรับอากาศแบบธรรมดา

ทั้งนี้สำหรับผู้ที่ต้องการซื้อเพราะ เหตุผลของการช่วยประหยัดพลังงานและประหยัดเงิน คงต้องมาดูกันว่า การประหยัดพลังงานที่ได้รับจากเครื่องปรับอากาศอินเวอร์เตอร์ เมื่อเทียบกับการจ่ายแพงกว่าเพื่อลงทุนซื้อ และระยะเวลาที่จะคุ้มทุน จะมีความคุ้มค่ากันไหม

แต่ในปัจจุบัน เนื่องด้วยการแข่งขันที่สูง ในตลาดเครื่องปรับอากาศ ส่งผลให้มีสินค้าใหม่ๆออกสู่ท้องตลาดเป็นจำนวนมาก ในกลุ่มของเครื่องปรับอาการ Inverter ก็มีตัวเลือกออกมาหลายหลาย

มีทั้งเครื่องปรับอากาศ Inverter ราคาแพง จากแบรนด์ผู้ผลิตชื่อดัง

และเครื่องปรับอากาศ Inverter ราคาย่อมเยา จากผู้ผลิตรายอื่นๆที่เข้ามาตีตลาด

ในวันข้างหน้า เครื่องปรับอากาศ Inverter ดูจะมีอนาคตที่สดใส หากผู้ผลิตเครื่องปรับอากาศแบรนด์ดังที่ครองตำแหน่งยักษ์ใหญ่ ยังคงดำเนินธุรกิจแบบที่ทุ่มงบโฆษณามหาศาลแต่ไม่ตรงจุด และตั้งราคาขายที่สูงเกิน โดยคิดว่าตนอยู่ได้เพราะชื่อเสียงที่สั่งสมมานาน

ซึ่งถ้ายังเป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆ ในไม่ช้าผู้บริโภคคงต้องเลือกความคุ้มค่าหันไปหาเครื่องปรับอากาศ Inverter ที่ราคาย่อมเยากว่าเป็นแน่

ปัญหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในเครื่องปรับอากาศ Inverter
ปัญหาคลื่นสัญญาณรบกวนในระบบไฟฟ้า หรือที่เรียกว่า ฮาร์โมนิกส์ (Harmonics) เป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดจากอุปกรณ์ไฟฟ้าประเภท อินเวอร์เตอร์, คอนเวอร์เตอร์ หรืออุปกรณ์สวิทชิ่งต่างๆ
ซึ่งการใช้เครื่องปรับอากาศ ที่มีระบบควบคุมแบบ Inverter ก็ย่อมส่งผลให้เกิด อาร์โมนิกส์ รบกวนในระบบไฟฟ้า ฮาร์โมนิกส์ ที่เกิดจาก Inverter เป็นสิ่งที่เลี่ยงได้ยาก ซึ่งถือเป็นปัญหาหลักของระบบ Inverter
จากข้อมูลที่ผู้เขียนทราบมา ในหลายประเทศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน ทวีปยุโรป ได้มีการออกกฎหมายควบคุมเกี่ยวกับปริมาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อาจส่งผลรบกวนในระบบไฟฟ้า

การหมุนเวียนของน้ำมันหล่อลื่นในระบบ
ดังที่กล่าวไปแล้ว ในส่วนระบบการทำงานของ เครื่องปรับอากาศอินเวอร์เตอร์ ที่มีการทำงานในรอบความเร็วที่แตกต่าง ซึ่งในการทำงานที่ความเร็วรอบต่ำ อาจส่งผลให้น้ำมันหล่อลื่นที่มีอยู่ในระบบหมุนเวียนได้ไม่เต็มที่ ซึ่งปัญหา การหมุนเวียนน้ำมันกลับเข้าคอมเพรสเซอร์ถือเป็นปัญหาหลักสำหรับระบบที่สามารถปรับขนาดการทำความเย็น ได้ เทคโนโลยีอื่นๆ ในปัจจุบันใช้ตัวแยกน้ำมัน (Oil Separator) หรือระบบการหมุนเวียนน้ำมันที่ซับซ้อน เพื่อช่วยให้การหมุนเวียนของน้ำมัน ทำได้สะดวกแม้ในความเร็วรอบที่ต่ำ