ยุทธพงศ์ ทัพผดุง   

วิศวกรหรือช่างเทคนิคที่ทำงานด้านบำรุงรักษาอยู่ในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ คงจะประสบปัญหาว่าแรงดันไฟฟ้าระบบ 3 เฟสภายในโรงงานของท่านมีความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเฟสทั้ง 3 ซึ่งสาเหตุที่ทำให้เกิดเหตุการณ์ดังกล่าวขึ้นนั้น โดยจากประสบการณ์ของผู้เขียนจะพบว่ามีการใช้ไฟฟ้าเฟสใดเฟสหนึ่งมากจนเกินไป เช่น ภายในสำนักงานส่วนใหญ่จะใช้โหลดเป็นแบบ 1 เฟส ซึ่งจะประกอบด้วยอุปกรณ์และเครื่องใช้สำนักงานมากมายเช่น คอมพิวเตอร์ โทรสาร เครื่องถ่ายเอกสาร โทรทัศน์ และอื่น ๆ

ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวก็จะใช้ไฟฟ้าผ่านเต้ารับซึ่งเป็นระบบไฟฟ้าแบบ 1 เฟส และก็จะมีผลทำให้เกิดการไม่สมดุลระหว่างเฟสทั้งกระแสและแรงดันภายในโรงงานในที่สุด ซึ่งการไม่สมดุลดังกล่าวก็จะส่งผลต่อระบบไฟฟ้าของท่านหลายประการ อาทิเช่น เกิดการศูนย์เสียด้านพลังงานไฟฟ้าในสายที่มีกระแสไฟฟ้าไหลเพิ่มขึ้น, สายศูนย์มีกระแสไฟฟ้าไหล,     

การใช้โหลดประเภทที่ใช้ไฟฟ้าเป็นระบบไฟฟ้า 3 เฟส น้อยลงเนื่องจากการเกิดความไม่สมดุลในระบบไฟฟ้าทำให้เฟสใดเฟสหนึ่งจ่ายเต็มพิกัดกว่าเฟสอื่นแล้ว และทำให้สมรรถนะและอายุการใช้งานของมอเตอร์ไฟฟ้ามีประสิทธิภาพและอายุการใช้งานสั้นลง ซึ่งบทความนี้จะเป็นการนำเสนอผลกระทบของระบบไฟฟ้า 3 เฟสที่เกิดการไม่สมดุลและมีผลกระทบอย่างไรต่อมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้าระบบ 3 เฟส

กรณีเมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้าแบบ 3 เฟส ซึ่งไม่เพียงแต่จะส่งผลต่อการใช้กระแสไฟฟ้าในขดลวดโรเตอร์และสเตเตอร์ไม่เท่ากันแล้ว แต่ยังทำให้เปอร์เซ็นต์กระแสไฟฟ้าที่ไม่สมดุลที่เกิดขึ้นอาจจะมีค่าสูง 6 ถึง 10 เท่าเมื่อเทียบกับเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมดุล

ผลของการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าจาก I2R จะทำให้เกิดความร้อนของฉนวนขึ้นและทำให้มีผลต่ออายุการใช้งานของมอเตอร์ไฟฟ้าโดยตรง และการเกิดแรงดันไม่สมดุลก็จะทำให้แรงบิดของมอเตอร์ไฟฟ้าลดลงด้วย ไม่เพียงเท่านั้นความเร็วขณะมีโหลดเต็มพิกัดก็จะมีค่าลดลงด้วย

การคำนวณหาเปอร์เซ็นต์แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลนั้นได้ถูกกำหนดโดย NEMA ได้กำหนดว่าค่าเปอร์เซ็นต์แรงดันไฟฟ้าที่เบี่ยงเบนสูงสุดระหว่างเฟสใดเฟสหนึ่งกับค่าแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยทั้ง 3 เฟสต่อค่าเฉลี่ยของแรงดันไฟฟ้าทั้ง 3 เฟส ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการดังต่อไปนี้

เมื่อ %VUB = เปอร์เซ็นต์แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล
        V_avg = แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยระหว่างเฟส (V)
V_max d_ev. = แรงดันไฟฟ้าเบี่ยงเบนสูงสุดระหว่างเฟสใดเฟสหนึ่งกับ V_avg
V_ab, V_bc, V_ca = แรงดันระหว่างเฟส (V)

สำหรับการวัดแรงดันไฟฟ้าเพื่อจุดประสงค์ในการหาแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลนั้น ช่างเทคนิคหรือวิศวกรควรทำการวัดในตำแหน่งที่ใกล้ที่สุดกับขั้วต่อของมอเตอร์ไฟฟ้า และควรจะใช้เครื่องมือวัดแรงดันไฟฟ้าที่เป็นแบบดิจิตอลและมีความถูกต้องและแม่นยำในการวัดสูง

เมื่อมอเตอร์ไฟฟ้าทำงานที่เต็มพิกัดโหลด เปอร์เซ็นต์การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิภายในมอเตอร์ (%T) จะมีผลจากแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล ซึ่งสามารถประมาณค่าได้เท่ากับสองเท่าของค่าเปอร์เซ็นต์แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลยกกำลังสอง ซึ่งสามารถแสดงได้ในสมการดังต่อไปนี้

โดยเมื่อนำสมการที่ 3 มาแสดงเป็นกราฟดังรูปที่ 1
สำหรับการประมาณค่าอุณหภูมิสูงสุดที่ยอมให้เกิดขึ้นได้ของมอเตอร์ไฟฟ้าเนื่องจากสาเหตุแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลสามารถหาได้จากสมการดังต่อไปนี้

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

ตัวอย่างที่ 1 มอเตอร์เหนี่ยวนำที่มีการปิดสนิท ขนาด 50 แรงม้า, 4 ขั้ว ขนาดพิกัดแรงดันไฟฟ้า 460 V 60 Hz และระดับชั้นของฉนวนคือ F และ Service Factor เท่ากับ 1.15 และทำงานที่พิกัด ขณะเกิดความไม่สมดุลของระบบไฟฟ้า 3 เฟส โดยแรงดันไฟฟ้าระหว่างเฟสมีค่า 460 V, 425 V, 440 V ตามลำดับ จงหา 

ก) เปอร์เซ็นต์แรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมดุล
ข) เปอร์เซ็นต์ของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเมื่อมอเตอร์ทำงานที่พิกัด
ง) อัตราการเพิ่มขึ้นสูงสุดของอุณหภูมิ ถ้ามอเตอร์ทำงานที่พิกัดในสภาวะอุณหภูมิรอบข้างที่ 40 ๐C และแรงดันไฟฟ้าเกิดความไม่สมดุล
จ) อุณหภูมิสูงสุดที่คาดว่าจะเพิ่มขึ้นถ้ามอเตอร์ทำงานที่สภาวะแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล

ค) จากตารางที่ 1 ค่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าที่มี ระดับชั้นของฉนวนแบบ F (Class F) และมีค่า Service Factor = 1.15 มีค่าเท่ากับ 115 ^๐C

เป็นอย่างไรบ้างครับจากตัวอย่างข้างต้นเราจะพบว่าผลของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดการไม่สมดุลเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์แต่กลับมีผลให้เปอร์เซ็นต์ของอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างมาก และเมื่อเทียบกับค่าอุณหภูมิของพิกัดฉนวนของขดลวดก็พบว่ามีค่าอุณหภูมิที่เกิดจากผลของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมดุลนั้นมีค่าสูงกว่าพิกัดฉนวนของขดลวด ซึ่งผลดังกล่าวก็จะทำให้ฉนวนของขดลวดของมอเตอร์ไฟฟ้ามีอายุการใช้งานสั้นลง

รูปที่ 1 กราฟเปอร์เซ็นต์การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของมอเตอร์เทียบกับเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล

เมื่อมอเตอร์ไฟฟ้ามีการใช้งานหรือจำเป็นที่จะต้องใช้งานในสภาวะแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมดุล นั้นจะมีผลทำให้สมรรถนะของมอเตอร์ไฟฟ้าลดลง (การทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าทำงานต่ำกว่าแรงม้าพิกัด) กราฟที่แสดงการลดลงของสมรรถนะของมอเตอร์ไฟฟ้าได้แสดงที่รูปที่ 2 ซึ่งการเกิดไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้าประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์อาจจะไม่มีผลต่อสมรรถนะของมอเตอร์ไฟฟ้าและไม่ทำให้เกิดความเสียหายต่อมอเตอร์ไฟฟ้าแต่อย่างใด

แต่อย่างไรก็ตามการใช้งานมอเตอร์ไฟฟ้าที่สภาวะแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลเกินกว่า 5 เปอร์เซ็นต์นั้นไม่ควรกระทำ เนื่องจากจะมีผลทำให้เกิดปัญหาและความเสียหายหลายประการต่อมอเตอร์ไฟฟ้าของท่านได้

รูปที่ 2 กราฟสมรรถนะของมอเตอร์ลดลงเนื่องจากผลของแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล

ตัวอย่างที่ 2 จากมอเตอร์ไฟฟ้าจากตังอย่างที่ 1 จงหา ก) ค่าตัวประกอบของการลดลงของสมรรถระของมอเตอร์ไฟฟ้า ข) แรงม้าของมอเตอร์ไฟฟ้าที่สามารถใช้งานได้เมื่อทำงานในสภาวะแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล

ก) ค่าเปอร์เซ็นต์แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล (%VUB) มีค่าเท่ากับ 4.15% จากรูปที่ 2 สามารถประมาณค่าตัวประกอบที่ทำให้สมรรถนะของมอเตอร์ไฟฟ้าลดลงได้เท่ากับ 0.82
ข) จากผลของการเกิดแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลทำให้มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถรับโหลดลดลงเหลือเท่ากับ 150 x 0.82 = 123แรงม้า

จากตังอย่างข้างต้นแสดงให้เห็นถึงผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพและสมรรถนะของมอเตอร์ไฟฟ้าโดยตรง ซึ่งจากผลดังกล่าวทำให้มอเตอร์ไฟฟ้าที่ท่านได้ออกแบบไว้นั้นเพื่อใช้ในกระบวนการผลิตมีประสิทธิภาพต่ำลง และสุดท้ายก็จะส่งผลโดยตรงต่อกระบวกการผลิตในโรงงานของท่านและคุณภาพสินค้าของโรงงานท่านโดยตรง

เมื่อมาถึงตรงนี้ท่านผู้อ่านคงทราบถึงผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลต่อมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำไม่ว่าในด้านอายุการใช้งานของมอเตอร์ที่ลดลงเนื่องจากความร้อนที่ทำให้คุณภาพของฉนวนไฟฟ้าของขดลวดเสื่อมสภาพลงเร็วกว่าที่ได้ออกแบบไว้ ไม่เพียงเท่านั้นยังทำให้ประสิทธิภาพและสมรรถนะของมอเตอร์ไฟฟ้าลดลง

จากบทความข้างต้นจะเห็นได้ว่าการที่เกิดแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมดุลเพียงเล็กน้อยก็มีผลกระทบต่อมอเตอร์เป็นอย่างมาก และผู้เขียนหวังว่าผู้อ่านที่เป็นนักอุตสาหกรรมที่ทำงานเกี่ยวข้องกับมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้าคงจะต้องพิจารณาในเรื่องแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลมากขึ้น และสุดท้ายก็ส่งผลให้การใช้งานมอเตอร์ไฟฟ้าภายในโรงานของท่านมีอายุการใช้งานที่ยาวนานและมีประสิทธิภาพตามที่ได้ออกแบบไว้ สวัสดีครับ

เรียบเรียงจาก

* Charles l. Hubert, P.E., (2003). Operating, Testing, and Preventive Maintenance of electrical Power Apparatus. Prentice Hall,.