มนตรี ไชคินี
ฝ่ายควบคุมระบบไฟฟ้า
การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค สำนักงานใหญ่ กรุงเทพฯ
montree.chai@pea.co.th

ถ้าหากจะประหยัดพลังงานไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรมแล้ว มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นเรื่องที่ต้องดำเนินการเป็นอันดับต้น ๆ ของการประหยัดพลังงานในโรงงานอุตสาหกรรม เพราะโดยภาพรวมของค่ากระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในโรงงานอุตสาหกรรมประมาณเกือบ 70% เกิดจากการใช้พลังงานในมอเตอร์ไฟฟ้า

รูปที่ 1 แสดงเปอร์เซ็นต์สัดส่วนการใช้ไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรม

ซึ่งหากจะเริ่มดำเนินการในเรื่องดังกล่าว ผู้ที่เกี่ยวข้องอันได้แก่ ผู้กำหนดรายละเอียดทางเทคนิค, ผู้จัดซื้อ, ผู้ใช้งาน, ผู้ซ่อมแซมมอเตอร์ จะต้องทำความเข้าใจ และสนใจอย่างมากในเรื่องของประสิทธิภาพมอเตอร์ ให้มากพอ ๆ กันกับการพิจารณาในเรื่องของรายละเอียดทางเทคนิค และเรื่องของราคา ในบทความนี้จะทำให้เกิดความเข้าใจ และจะกล่าวถึงเรื่องประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

รูปที่ 2 แสดงสัดส่วนของมอเตอร์ไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรมที่ถูกใช้งานอยู่ในอุปกรณ์ต่าง ๆ

รูปที่ 3 แสดงสัดส่วนขนาดของมอเตอร์ที่ใช้ในโรงงาน และแสดงสัดส่วนการใช้พลังงานไฟฟ้าของมอเตอร์ขนาดต่าง ๆ ซึ่งพบว่ามอเตอร์ขนาดเล็กกว่า 5 แรงม้า มีใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมมากที่สุด แต่มอเตอร์ขนาดมากกว่า 250 แรงม้า จะเป็นมอเตอร์ที่ใช้พลังงานมากที่สุด

ประสิทธิภาพของเครื่องจักรกลทางไฟฟ้านั้นจะหมายถึง กำลังงานที่ต้องการใช้งานจริง (Useful Power) หารด้วยกำลังทางด้านขาเข้า (Input Power) ซึ่งในทางอุดมคตินั้น กำลังที่ต้องการใช้งานจริง จะต้องมีค่าเท่ากับกำลังทางด้านขาเข้า ใช้จริงเท่าไร กล่าวคือใช้เท่าไหร่ ก็บริโภคเท่านั้น ซึ่งประสิทธิจะเท่ากับ 1 แต่ในทางปฏิบัติจริงนั้นกำลังทางด้านขาเข้าจะมากกว่ากำลังทางด้านขาออกเสมอ

1. กำลังสูญเสียที่ขึ้นกับโหลด (Load-Dependent Losses) ได้แก่
- กำลังสูญเสียที่ขดลวดที่โรเตอร์  (Copper Losses)
- กำลังสูญเสียที่ขดลวดสเตเตอร์ (Slip Losses)
- กำลังสูญเสียที่เกิดจากการสร้างสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการออกแบบเช่นการออกแบบความห่างระหว่างโรเตอร์ และสเตเตอร์ (Stray Load Losses) ขณะมอเตอร์มีโหลด ฯลฯ 

2. กำลังสูญเสียที่ไม่ขึ้นกับโหลด (Load-Independent Losses) ได้แก่
- กำลังสูญเสียที่แกนเหล็ก (Copper Losses)
- กำลังสูญเสียจากแรงลมต้าน และแรงเสียดทานทางกล (Friction and Winding Losses)

 รูปที่ 4 แสดงสัดส่วนค่ากำลังสูญเสียทั้งหมดที่เกิดขึ้นในแต่ละส่วนของมอเตอร์

ประสิทธิภาพของมอเตอร์เหนี่ยวนำจะมีค่าสูงสุด หากกำลังสูญเสียที่ขึ้นกับโหลด (Load-Dependent Losses) และกำลังสูญเสียที่ไม่ขึ้นกับโหลด (Load-Independent Losses) มีค่าเท่ากัน นั่นก็หมายความว่าประสิทธิภาพของมอเตอร์จะมีค่าเปลี่ยนแปลงตามกำลังด้านขาออกของมอเตอร์

รูปที่ 5 แสดง Performance Curve ของมอเตอร์ขนาด 75 แรงม้า

ส่วนมากประสิทธิภาพจะไม่ค่อยมีการเปลี่ยนแปลงมากนัก และจะมีค่าสูงใกล้เคียงค่าประสิทธิภาพตามพิกัดของมอเตอร์ที่ออกแบบ (ตาม Performance Curve รูปที่ 5) โดยเฉพาะขณะที่โหลดของมอเตอร์มีค่าอยู่ในระหว่าง 60% - 85% (เฉลี่ยประมาณ 75%) และค่าประสิทธิภาพจะตกลงอย่างรวดเร็ว หากโหลดของมอเตอร์ เริ่มมีค่าน้อยกว่า 50% ลงมา (โดยเฉลี่ย) ดังนั้นหากมอเตอร์อยู่ในสถาวะรับโหลดน้อย ก็จะทำให้เกิดกำลังสูญเสียเป็นอย่างมาก

ซึ่งค่าใช้จ่ายด้านความสูญเสียที่เกิดขึ้นขณะมอเตอร์ทำงานนั้น เป็นเรื่องที่ต้องพิจารณาอย่างถี่ถ้วนพอ ๆ กันกับค่าใช้จ่ายจากกำลังที่มอเตอร์ต้องใช้จริง ๆ ที่ปรากฏเลยทีเดียว และจากสมการทางด้านล่างนี้ จะแสดงให้เห็นถึงกำลังสูญเสียที่สัมพันธ์กันกับค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์ ที่เกิดขึ้นจากการใช้งานจริงซึ่งจะกำหนดให้กำลังสูญเสียมีหน่วยเป็น Watts (W) และ ประสิทธิภาพ Efficiency (E) มีหน่วยเป็นเปอร์เซ็นต์ (%)

เพื่อทำให้เข้าใจมากขึ้นเราจะลองกำหนดให้มอเตอร์ที่มีพิกัด 1 แรงม้าที่มีค่าประสิทธิภาพแตกต่างกัน อยู่ที่ 91% และ 93% เราจะพบว่ามอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 91% จะมีกำลังสูญเสีย 74 Watts และมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 93%จะมีกำลังสูญเสีย 56 Watts ซึ่งมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 91% จะมีกำลังสูญเสียต่างจากมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 93% อยู่ 18 Watts

คราวนี้มาลองพิจารณาความแตกต่างระหว่างมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพต่ำมาก ๆ ระหว่างมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 66% และมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 68% พบว่ามอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 66% จะมีกำลังสูญเสียต่างจากมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 68% อยู่ 33 Watts และต่างจากมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ 93% อยู่ถึงประมาณ 300 Watts ซึ่งกำลังสูญเสียนี้เป็นค่าใช้จ่ายที่ต้องรับภาระโดยไม่เกิดประโยชน์แต่อย่างใด

ตามมาตรฐาน NEMA ระบุประสิทธิภาพของมอเตอร์จะมีค่าสูงสุดตามที่ออกแบบไว้ และจะระบุที่ Name Plate ของมอเตอร์ขณะที่โหลดเต็มพิกัดตามการออกแบบหรือประมาณ 85%- 90% ของพิกัด ซึ่งในสภาวะการทำงานจริงนั้นส่วนใหญ่ โหลดไม่ได้มีลักษณะการทำงานเต็มพิกัดอยู่ตลอดเวลา ดังนั้นประสิทธิภาพจริงตาม Name Plate ของมอเตอร์จึงเปลี่ยนแปลงไปอยู่ตลอดเวลาด้วยเช่นกัน ดังนั้นสภาวะการใช้งานของมอเตอร์ที่ทำให้ประสิทธิภาพเปลี่ยนแปลงไปนั้นมีอะไรบ้าง 

เป็นการยากที่จะหากำลังด้านขาออกของมอเตอร์ขณะที่มอเตอร์มีการทำงานตามปกติเนื่องจากมอเตอร์มีการทำงานอยู่ตลอดเวลา Slip, Torque, Voltage, Current, กำลังด้านขาเข้า (Input Voltage) สิ่งเหล่านี้เป็นส่วนประกอบในการหากำลังด้านขาออกของมอเตอร์ ซึ่งการหากำลังด้านขาออกนั้นจะขอกล่าวในลำดับต่อไป

ชั่วโมงการทำงานของมอเตอร์ มีผลอย่างมากในการคำนวณผลตอบแทนด้านการเงิน และการลงทุน ชั่งโมงการทำงานอย่างต่อเนื่อง ประสิทธิภาพ และขนาดพิกัดของโหลดสิ่งเหล่านี้ล้วนแล้วแต่มีความสำคัญต่อการคิดคำนวณผลการประหยัดพลังงาน 

ผู้ขายมอเตอร์บางราย หรือเอกสารบางฉบับ คำนวณผลตอบแทนด้านการเงินและการลงทุนในการปรับปรุงเปลี่ยนแปลงมอเตอร์ ให้มีประสิทธิภาพสูง โดยใช้ชั่วโมงการทำงาน 8,760 ชั่วโมง (365 วัน x 24 ชั่วโมง) เป็นตัวคูณเพื่อหาหน่วยไฟฟ้า (Kw/Hr) ระหว่างความแตกต่างระหว่างพลังงานของมอเตอร์เดิมที่ยังไม่เปลี่ยนแปลง กับมอเตอร์ที่มีการเปลี่ยนแปลงแล้ว

ซึ่งอาจทำให้ผลตอบแทนด้านการเงินที่ได้ ไม่ถูกต้องเนื่องจากการทำงาน และโหลดของมอเตอร์อาจจะมีลักษณะที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา (ตามรูปที่ 6) ดังนั้นจึงควรใช้เวลาการทำงานจริงของมอเตอร์ให้ได้ใกล้เคียงมากที่สุดจึงเป็นสิ่งที่ถูกต้องกว่า

 รูปที่ 6 แสดงลักษณะการใช้พลังงานตามโหลดของมอเตอร์ในรอบ 1 สัปดาห์

ค่าประสิทธิภาพตามที่ออกแบบ และระบุไว้ที่ Name Plate ของมอเตอร์นั้น จะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ปรากฏด้านขาเข้าของมอเตอร์ไฟฟ้าว่าเป็นไปตามข้อกำหนดตาม Name Plate หรือไม่, ความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า (Unbalance Voltage), แรงดันไฟฟ้าที่มีลักษณะเป็นรูปคลื่นไซน์ ไม่บิดเบี้ยว (Distortion)

ซึ่งตาม NEMA กำหนดค่าแรงดันด้านขาเข้าไว้ไม่ควรสูงหรือต่ำเกินกว่า 10% ตามพิกัดแรงดันตาม Name Plate สำหรับค่าความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้าที่จะมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์ที่ลดลง ตามที่ NEMA ระบุนั้นอยู่ที่ตั้งแต่ 1% ขึ้นไป ซึ่งนอกเหนือจากประสิทธิภาพจะต่ำลงแล้ว ยังจะทำให้เกิดความร้อนสูงที่มอเตอร์ไฟฟ้า และการรับโหลดของมอเตอร์จะลดลงมากด้วยเช่นกัน

รูปที่ 7 แสดงกราฟเปอร์เซ็นต์การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของมอเตอร์เทียบกับเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล

รูปที่ 8 กราฟสมรรถนะของมอเตอร์ลดลงเนื่องจากผลของแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล

หากสถานประกอบการติดตั้งโหลดประเภทไม่เป็นเชิงเส้น (Non-Linear Load) เช่นตัวปรับความเร็วรอบมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับ (Variable Frequency Drive), ตัวปรับความเร็วรอบมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสตรง (DC Drive), UPS ฯลฯ ในวงจรการจ่ายไฟ หรือแหล่งจ่ายไฟเดียวกันกับวงจรการจ่ายไฟที่มอเตอร์นั้นรับไฟอยู่

ถ้าหากจำนวนมาก ก็จะทำให้แรงดันเกิดการบิดเบี้ยว ซึ่งก็จะส่งผลให้แรงดันที่ปรากฏที่ Terminal ของมอเตอร์มีการบิดเบี้ยว (Distortion) ไปด้วย ลักษณะเช่นนี้ไม่เป็นผลดีต่อมอเตอร์เลย ซึ่งหากค่าการบิดเบี้ยวมีมาก หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าถ้าเกิดความถี่ฮาร์มอนิกส์ที่ System Voltage มากก็จะทำให้ค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์มีค่าต่ำ

ซึ่งจะส่งผลให้ผลตอบแทนด้านการเงินเปลี่ยนแปลงไปจากค่าที่คำนวณไว้ ดังนั้นในกรณีที่จะพิจารณาเปลี่ยนแปลงมอเตอร์ให้เป็นมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง หรือเปลี่ยนแปลงมอเตอร์ใหม่ที่มีประสิทธิภาพดีกว่ามอเตอร์ที่ไหม้เสียชำรุด นอกจากจะพิจารณาลักษณะและชั่วโมงการทำงานของมอเตอร์แล้ว ก็ยังจำเป็นต้องพิจารณาเรื่องของแรงดันที่ผิดเพี้ยนด้วย

จากการสอบถามพูดคุยกับผู้ที่เกี่ยวข้องทั้งในส่วนของทีมเทคนิคของโรงงาน และผู้บริหารของโรงงานพบว่ายังมีความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนเกี่ยวกับเรื่องประสิทธิภาพมอเตอร์อยู่หลายประการ เราลองมาดูว่ามีประเด็นอะไรบ้างที่เป็นความคลาดเคลื่อนเรื่องประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

จากการสำรวจในภาคสนามพบว่าประมาณ 30% ของมอเตอร์ในโรงงานอุตสาหกรรมจะติดตั้งมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่าโหลด ซึ่งการทำเช่นนั้นจะส่งผลให้มอเตอร์ไฟฟ้ามีประสิทธิภาพต่ำ (รูปที่ 5) และจะทำให้ค่า Power Factor ของมอเตอร์ และระบบไฟฟ้ามีค่าต่ำลงทำให้เกิดกำลังสูญเสียมากขึ้น

ดังนั้นการปรับปรุงมอเตอร์ให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นโดยวิธีการสลับสับเปลี่ยนมอเตอร์ หรือเปลี่ยนมอเตอร์ใหม่ก็จะให้ผลตอบแทนทางด้านการเงินที่ดีเช่นกัน ซึ่งจากรูปที่ 9-10 แสดงการคำนวณผลตอบแทนด้านการเงินหากซื้อมอเตอร์ขนาดที่เหมาะสมมาเปลี่ยน ซึ่งก็ให้ผลตอบแทนด้านการเงินที่ดีกล่าวคือ จะสามารถคืนทุนได้ภายใน 1.1 ปีเท่านั้น

รูปที่ 9 แสดงหน้าใส่ข้อมูลโปรแกรมผลตอบแทนด้านการเงิน และการลงทุนกรณีเปลี่ยนมอเตอร์ให้มีขนาดพิกัด เหมาะสมกับโหลด

รูปที่ 10 แสดงหน้าใส่ข้อมูลในส่วนของราคา และค่าติดตั้งมอเตอร์ โปรแกรมผลตอบแทนด้านการเงิน และการลงทุนกรณีเปลี่ยนมอเตอร์ให้มีขนาดพิกัด เหมาะสมกับโหลด

รูปที่ 11 แสดงหน้า Print Out ของโปรแกรม

โดยส่วนใหญ่แล้วในกรณีที่มอเตอร์มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ค่า Power Factor ของมอเตอร์นั้นก็จะมีค่าสูงขึ้นด้วย แต่ก็มีอยู่บ้างเหมือนกันว่า กรณีที่ประสิทธิภาพมีค่าสูงขึ้น แต่ค่า Power Factor ไม่สูงขึ้นตามค่าประสิทธิภาพที่สูงขึ้นเท่าไรนัก โดยเฉพาะมอเตอร์ที่ถูกออกแบบให้ช่องว่างระหว่างโรเตอร์ และสเตอร์ มีความห่างมาก

ขณะเดียวกันหากมอเตอร์มีโหลดน้อยกว่าพิกัดก็จะทำให้ประสิทธิภาพต่ำและจะทำให้ค่า Power Factor ต่ำด้วยในกรณีนี้หากต้องการปรับปรุงค่า Power Factor โดยการติดตั้ง Capacitor ก็จะทำให้ค่า Power Factor สูงขึ้น แต่จะไม่ทำให้ประสิทธิภาพของมอเตอร์สูงขึ้นด้วยแต่อย่างใด

อุณหภูมิของฉนวนขดลวด กับความร้อนภายนอกที่เปลือกของมอเตอร์สัมผัสอยู่เป็นเรื่องที่แตกต่างกันฉนวนของขดลวดที่ปรากฏตาม Name Plate ของมอเตอร์จะเป็นตัวบอกความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้า และบอกไปถึงอายุการใช้งานของขดลวดของมอเตอร์ ซึ่งก็อาจนำไปสู่การคาดการณ์ อายุการใช้งานของมอเตอร์ได้

หากเราพบว่าค่าความร้อนที่เปลือกของมอเตอร์สูงก็ไม่ได้เป็นข้อสรุปเสมอไปว่าอายุของมอเตอร์หรือประสิทธิภาพของมอเตอร์จะสั้นลง และไม่มีมาตรฐานค่าความร้อนที่เปลือกของมอเตอร์ว่าถ้าค่าความร้อนที่ตรวจวัดได้จะเป็นตัวบอกอายุการใช้งานของมอเตอร์

ตารางที่ 1 แสดงค่าอุณหภูมิสูงสุดที่ยอมให้เพิ่มขึ้นสำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำทั้ง 1 เฟส และ 3 เฟส ในหน่วยองศาเซลเซียส โดยอ้างอิงอุณหภูมิรอบข้างที่ 40^๐C

จากที่กล่าวมาแล้วข้างต้นเราก็คงพอจะมองเห็นภาพความสำคัญของประสิทธิภาพมอเตอร์ว่ามีความสำคัญอย่างมาก ในการที่จะต้องให้ความเข้าใจในเรื่องดังกล่าวก่อนที่จะดำเนินกิจกรรมในเรื่องการอนุรักษ์พลังงานในมอเตอร์กันต่อไป