อุตสาหกรรมไม่ว่าจะมีขนาดเล็กหรือใหญ่นั้น ส่วนใหญ่ก็จะมีการใช้มอเตอร์ในส่วนของกระบวนการผลิตเสมอ ในกรณีที่บริษัทหรือโรงงานอุตสาหกรรมที่ท่านทำงานอยู่ตั้งอยู่ในพื้นที่ของนิคมอุตสาหกรรม ก็คงจะได้รับผลกระทบน้อยในเรื่องของความเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าและความถี่ เนื่องจากพื้นที่ดังกล่าวได้ออกแบบระบบไฟฟ้าสำหรับรองรับภาคอุตสาหกรรมไว้แล้วซึ่งจะมีความเชื่อถือได้ของระบบไฟฟ้าอยู่ในเกณฑ์สูงกล่าพื้นที่ทั่วไป

แต่ถ้าในกรณีที่โรงงานที่ท่านทำงานอยู่ไม่ได้ตั้งในเขตอุตสาหกรรมล่ะ ปัญหาเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่ผมได้กำหนดให้เป็นชื่อบทความนี้ดังที่ได้กล่าวข้างต้นก็จะพบบ่อยและสร้างปัญหาแก่ท่านไม่ใช่น้อย และไม่เพียงเท่านั้นอาจจะทำให้มอเตอร์ของคุณมีอายุการให้งานสั้นกว่าที่ควรจะเป็น สุดท้ายกระบวนการผลิตก็จะเกิดความเสียหายไปด้วย

บทความนี้จะเป็นการนำเสนอผลกระทบที่เกิดขึ้นกับมอเตอร์เมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าและความถี่เปลี่ยนแปลงเพื่อให้ท่านทราบถึงผลกระทบที่เกิดขึ้นและหาวีธีการป้องกันและแก้ไขปัญหาก่อนที่มอเตอร์ของท่านจะชำรุดก่อนเวลาอันควร

สมรรถนะของมอเตอร์เมื่อแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่ป้อนให้เกิดการเปลี่ยนแปลง

โดยทั่วไปแล้วเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าและความถี่จะมีผลต่อสมรรถนะของมอเตอร์โดยตรงซึ่งสามารถอธิบายได้ในรูปที่ 1 ซึ่งได้อธิบายเกี่ยวกับผลที่ต่อ แรงบิดเริ่มเดิน, กระแสเริ่มเดิน และอื่นๆ

รูปที่ 1

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 เปอร์เซ็นต์

เพื่อให้ง่ายต่อการคำนวณ จึงสมมุติให้ค่ากำลังโหลดของเพลา(Shaft-Power Load) มีค่าคงที่และจะไม่นำผลการสูญเสียภายในมอเตอร์มาพิจารณา ดังนั้นกำลังไฟฟ้าอินพุทของมอเตอร์จึงมีค่าเท่ากับกำลังโหลดเอาท์พุทของเพลา ดังแสดงในสมการที่ 1

- - - - - (1)

เมื่อค่ากำลังโหลดของเพลา(Shaft-Power Load) มีค่าคงที่ กำลังไฟฟ้าอินพุทที่ป้อนให้มอเตอร์ที่มีค่าสูงกว่าพิกัดจะสามารถประมาณค่าได้เท่ากับค่ากำลังไฟฟ้าอินพุทที่แรงดันไฟฟ้าตามพิกัด โดยจะไม่พิจารณาผลของการเปลี่ยนแปลงของแรงลมและความฝืด (Windage and Friction) ซึ่งจะมีผลเพียงเล็กน้อยต่อความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้า ดังนั้นจึงได้แสดงตามสมการที่ 2

 - - - - - (2)

เมื่อไม่นำค่าตัวประกอบ(Power Factor) มาประกอบการพิจารณา ดังนั้นจะได้สมการที่ 3

 - - - - - (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

 - - - - - (4)

เมื่อ I2 = ค่ากระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้ามีค่าเกินพิกัด

ตัวอย่างการคำนวณ

มอเตอร์ไฟฟ้า 3 เฟส มีพิกัด 460 V, 60-Hz, 50-hp และมีความเร็วที่ 1775-rpm เป็นมอเตอร์เหนี่ยวนำชนิดกรงกระรอก โดยที่สภาพการทำงานปกติคงที่มีใช้กระแสไฟฟ้า 59.8 A. แต่เนื่องจากในระบบไฟฟ้าที่ป้อนให้มีปัญหาจึงจำเป็นต้องจ่ายแรงดันไฟฟ้ามีค่าต่ำกว่าพิกัด 10% ดังนั้นจึงให้คำนวณหา

ก)      ค่าแรงดันไฟฟ้าใหม่

ข)      ประมาณค่ากระแสไฟฟ้าใหม่ที่เกิดขึ้น

ค)      เปอร์เซ็นต์ความร้อนที่สูงขึ้นในขดลวดสเตเตอร์เมื่อแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าพิกัด

วิธีคำนวณ

ก)

ข) จากสมการที่ 3 สามารถคำนวณได้ดังนี้

หรืออาจจะใช้รูปที่ 1 เพื่อประมาณค่าก็ได้ ซึ่งจากรูปที่ 1 พบว่าเมื่อแรงดันลดลงต่ำกว่าพิกัด 10 % จะมีผลทำให้กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่มอเตอร์เพิ่มขึ้นประมาณ 11 % ดังนั้นสามารถคำนวณได้ดังนี้

ค)%การเกิดความร้อนขึ้น 

≈ 

จากตัวอย่างข้างต้นได้แสดงให้เห็นว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้ามีค่าลดลงต่ำกว่าเพียง 10% จะเป็นสาเหตุทำให้เกิดความร้อนในตัวนำขดลวดมีอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 23%เมื่อเทียบกับอุณหภูมิที่ใช้งานที่พิกัดแรงดันปกติ

ข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าและความถี่

จากที่ผู้เขียนได้อธิบายผลที่เกิดขึ้นและตัวอย่างการคำนวณให้ท่านทราบไปแล้วข้างต้นแล้ว ท่านอาจจะสงสัยว่าแล้วค่ามาตรฐานของพิกัดแรงดันไฟฟ้าและความถี่นั้นมีค่าเท่าไหร่และอ้างอิงมาตรฐานอะไร ดังนั้นข้อนี้จึงเป็นการตอบให้หายสงสัยครับ โดยผู้เขียนได้อ้างอิงข้อกำหนดของ NEMA สำหรับมอเตอร์ชนิดเหนี่ยวนำ (Induction Motor) นั้นได้พิจารณาว่าขณะมีการใช้งานอยู่อย่างต่อเนื่องแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่ป้อนให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าจะต้องมีค่าไม่เกินข้อกำหนดังต่อไปนี้

1. การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าจะต้องไม่เกิน ±10 เปอร์เซ็นต์ของพิกัด ขณะมีการใช้งานตามพิกัดของความถี่ของมอเตอร์
2. การเปลี่ยนแปลงของถี่จะต้องไม่เกิน ±5 เปอร์เซ็นต์ของพิกัด ขณะมีการใช้งานตามพิกัดของแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์
3. 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,.