การใช้งานกับพิกัดของมอเตอร์

1. การใช้งานกับพิกัดของมอเตอร์

(1)    ประเภทของการใช้งาน

การใช้งานสามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ การใช้งานต่อเนื่อง (Continuous duty) การใช้งานเป็นเวลาสั้น (Short time duty) และการใช้งานเป็นคาบ (Periodic duty) การใช้งานต่อเนื่อง หมายถึง การใช้งานโดยเดินเครื่องต่อเนื่องด้วยภาระที่ถือได้ว่าคงที่เป็นระยะเวลาไม่น้อยกว่าระยะเวลาที่มอเตอร์จะเข้าสู่สมดุลความร้อน การใช้งานเป็นเวลาสั้น หมายถึง การเดินเครื่องต่อเนื่องด้วยภาระที่ถือได้ว่าคงที่เป็นระยะเวลาที่กำหนดแต่ยังไม่ทำให้มอเตอร์เข้าสู่สมดุลความร้อนแล้วหยุดเครื่อง และก่อนที่จะสตาร์ตมอเตอร์อีกครั้งนั้นอุณหภูมิของมอเตอร์กับอุณหภูมิระบายอากาศมีผลต่างไม่เกิน 2°C

การใช้งานเป็นคาบ หมายถึง การใช้โดยระยะเวลา 1 คาบประกอบด้วยช่วงเวลาเดินเครื่องด้วยภาระที่ถือได้ว่าคงที่กับช่วงเวลาหยุดเครื่องซึ่งจะไม่มีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าและการทำงาน 1 คาบนี้ซ้ำๆ กัน ในกรณีนี้จะถือว่าทั้งช่วงเวลาเดินเครื่องและช่วงเวลาหยุดเครื่องมีระยะเวลาสั้นกว่าระยะเวลาทำให้มอเตอร์เข้าสู่สมดุลความร้อน และผลกระทบที่เกิดจากอุณหภูมิสูงขึ้นจากเงื่อนไขการสตาร์ตและเบรกมอเตอร์มีน้อยมากจนตัดทิ้งได้ การใช้งานด้วยเงื่อนไขเดียวกับแบบนี้ แต่ช่วงเวลาหยุดเครื่องกลายเป็นช่วงเวลาเดินเครื่องแบบ   ไม่มีภาระ เรียกว่า การใช้งานต่อเนื่องแบบมีภาระเป็นคาบ (Periodic load continuous duty) ความสัมพันธ์ระหว่างภาระ ความสูญเสียและอุณหภูมิกับเวลาของการใช้งานเหล่านี้แสดงไว้ในรูปที่ 1

(2)    ประเภทของพิกัด

พิกัดแบ่งออกเป็น 4 ประเภทตามประเภทของการใช้งาน ได้แก่ พิกัดต่อเนื่อง พิกัดเป็นเวลาสั้น พิกัดเป็นคาบ และพิกัดสมมูล ซึ่งแต่จะประเภทหมายถึงพิกัดที่เมื่อนำมอเตอร์ไปใช้งานภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดแต่ละประเภทแล้ว อุณหภูมิของมอเตอร์จะไม่เพิ่มขึ้นสูงกว่าอุณหภูมิสูงสุดที่กำหนดไว้ในข้อกำหนดจำเพาะสำหรับมอเตอร์นั้น รวมทั้งไม่ทำให้เกินข้อจำกัดอื่นๆ อีกด้วย

พิกัดสมมูล หมายถึง พิกัดที่แปลงการใช้งานที่ซับซ้อนเป็นพิกัดต่อเนื่องหรือพิกัดเป็นเวลาสั้นที่สมมูลกันในเชิงความร้อน ซึ่งในแต่ละกรณีจะเรียกว่า พิกัดต่อเนื่องสมมูลหรือพิกัดเป็นเวลาสั้น

(3)    พิกัดกำลังขาออก

พิกัดหมายถึงขีดจำกัดการใช้งานที่รับประกันของมอเตอร์ ขีดจำกัดการใช้งานของกำลังขาออก เรียกว่า พิกัดกำลังขาออก ซึ่งเงื่อนไขที่กำหนดในกรณีนี้จะประกอบด้วยพิกัดแรงดันไฟฟ้า พิกัดความเร็วรอบ พิกัดความถี่ เป็นต้น ในมอเตอร์เครื่องหนึ่งๆ ยิ่งเพิ่มกำลังขาออกให้สูงขึ้นจะยิ่งเกิดความสูญเสียมากขึ้น ทำให้มีอุณหภูมิสูงขึ้น ดังนั้น ขีดจำกัดของกำลังขาออกที่ไม่ทำให้อุณหภูมิเพิ่มสูงเกินกว่าที่กำหนดไว้ในข้อกำหนดจำเพาะจะเท่ากับพิกัดกำลังขาออกนั่นเอง

ในกรณีของการใช้งานเป็นคาบ (S3) ในช่วงเวลารับภาระ t₁ กับช่วงเวลาหยุดเครื่อง t₂ แต่ละครั้ง อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นและลดลงสลับกัน ดังนั้น พิกัดกำลังขาออกเป็นคาบจึงมีค่าสูงกว่าพิกัดกำลังต่อเนื่อง ซึ่งค่านั้นจะขึ้นอยู่กับ α ≡ t₁ / (t₁ + t₂) โดยทั่วไปค่า α × 100% จะเรียกว่า Duty factor หรือ %ED

รูปที่ 1 การใช้งานประเภทต่างๆ (N : เวลาเดินเครื่องด้วยภาระคงที่  θ_max = อุณหภูมิสูงสุดระหว่างเดินเครื่อง)

2. ประเภทของมอเตอร์และสมรรถนะที่ต้องการ

ตารางที่ 1 แสดงประเภท คุณลักษณะ และวัตถุประสงค์การใช้งานหลักของมอเตอร์ มอเตอร์อาจแบ่งคร่าวๆ ได้เป็นมอเตอร์กระแสสลับกับมอเตอร์กระแสตรง มอเตอร์กระแสสลับแบ่งออกได้เป็นมอเตอร์เหนี่ยวนำกับมอเตอร์ซิงโครนัส มอเตอร์ที่นิยมใช้กันมากที่สุดได้แก่ มอเตอร์เหนี่ยวนำ ซึ่งสามารถควบคุมความเร็วรอบได้อย่างสะดวกโดยเปลี่ยนความถี่ รวมทั้งหากเลือกใช้วัสดุและโครงสร้างที่เหมาะสม จะมีการสูญเสียพลังงานต่ำ นอกจากนี้ ในกรณีของลิฟต์โดยสารความเร็วสูง (ความเร็วตั้งแต่ 120 [m/นาที]ขึ้นไป) หากใช้มอเตอร์ของกว้านเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ก็สามารถเพิ่มแรงหยุด (เบรก) ได้ (Regenerative control) อนึ่ง มอเตอร์ที่ใช้ในลิฟต์โดยสารความเร็วสูงในระยะหลัง บางครั้งก็ใช้มอเตอร์ซิงโครนัสชนิดแม่เหล็กถาวรทำจากธาตุ Rare earth เพื่อลดพลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

กำลังขาออกใช้งาน (Rated output) ของมอเตอร์ที่มีจำหน่ายอยู่ในท้องตลาดจะมีเฉพาะบางค่าเท่านั้น ดังนั้น งานที่ภาระการใช้งานต้องการจริงๆ นั้น จะน้อยกว่ากำลังขาออกใช้งานของมอเตอร์ที่ติดตั้งไว้ เราต้องระวังว่า ค่า [kW] ของกำลังขาออกใช้งานนั้นหมายถึงกำลังขาออกเชิงกล ไม่ใช้กำลังไฟฟ้าที่มอเตอร์  ใช้การแปลงเป็นกำลังไฟฟ้าที่มอเตอร์ใช้นั้น ต้องนำกำลังขาออกมาหารด้วยประสิทธิภาพของมอเตอร์  การทำให้มอเตอร์แสดงสมรรถนะได้เต็มที่ จำเป็นต้องคัดเลือกกลไกควบคุมความเร็วและแรงบิดให้เหมาะสมกับคุณลักษณะของภาระการใช้งานที่ต้องการ คุณลักษณะของภาระของมอเตอร์ที่ควรให้ความสนใจมีดังต่อไปนี้ อันดับแรกเราต้องตรวจสอบว่าเราเลือกใช้มอเตอร์ที่เหมาะสมกับคุณลักษณะแล้วหรือไม่

(1) เงื่อนไขการใช้งาน (เดินเครื่องต่อเนื่อง เดินเครื่องเป็นระยะ เดินเครื่องสั้นๆ เปิดปิดบ่อยหรือไม่)

(2) คุณลักษณะความเร็ว (ความเร็วคงที่ ความเร็วไม่คงที่)

(3) คุณลักษณะการเปลี่ยนแปลงความเร็ว (ต่อเนื่อง คุณลักษณะการเร่ง-การหน่วง การใช้ความเร็วต่ำ การเดินเครื่องเดินหน้า-ถอยหลัง)

(4) คุณลักษณะพลังงาน (ประสิทธิภาพใช้งาน (Rated efficiency) ประสิทธิภาพการเปลี่ยนความเร็ว)

(5) คุณลักษณะแรงบิด (แรงบิดเมื่อเริ่มหมุน แรงบิดใช้งาน (Rated torque))

(6) ความเหมาะสมกับภาระการใช้งาน (ความจุ (Capacity) ที่เหมาะสม ความเหมาะสมของความถี่  ของ Load ratio กับคุณลักษณะประสิทธิภาพ)

(7) ความทนทานต่อสภาพแวดล้อม (ทนทานภูมิอากาศ การกันน้ำ คุณลักษณะเสียงรบกวน เงื่อนไขอุณหภูมิรอบข้าง)

ตารางที่ 1 คุณสมบัติและวัตถุประสงค์การใช้งานหลักๆ ของมอเตอร์แต่ละชนิด

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน

การใช้งานกับพิกัดของมอเตอร์