รูปที่ 1 แสดงเปอร์เซ็นต์จำนวนผู้ประกอบกิจการอุตสาหกรรมที่ได้รับผลกระทบต่อ Voltage Sag

.

ปัจจุบันได้มีการนำอุปกรณ์ควบคุมความเร็วรอบมอเตอร์ (บางครั้งก็มีการเรียกว่า Inverter บ้าง Drive บ้าง หรือ ASD บ้างก็ตามแต่ความคุ้นเคย แต่ผู้เขียนจะขอเรียกสั้น ๆ ว่า Drive) มาใช้กันอย่างกว้างขวาง

เจ้าตัว Drive นี้ส่วนใหญ่ก็จะเป็นที่ทราบและรู้จักกันเป็นอย่างดีแล้ว เนื่องจากปัจจุบันในโรงงานทั่วไปก็จะมี Drive ทั้งแบบ AC และ DC เป็นตัวควบคุมการทำงานของมอเตอร์โดยเฉพาะโรงงานที่ใช้มอเตอร์จำนวนมาก เป็นอุปกรณ์หลักในการขับเคลื่อนสายพาน หรือกระบวนการผลิตเช่น โรงงานกระดาษ, โรงงานทอผ้า หรือโรงงานที่ประกอบกิจการประเภทโรงงานน้ำแข็ง ฯลฯ ทั้งที่มีวัตถุประสงค์เพื่อควบคุมความเร็วรอบที่เกี่ยวกับกระบวนการผลิตจริง ๆ หรือมีวัตถุประสงค์เพื่อการประหยัดพลังงานก็ตาม

จากรูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่า DC Drive นั้นจะประกอบด้วยวงจรควบคุมหลักคือวงจร Rectifier เท่านั้น นอกจากนั้นก็จะประกอบไปด้วยอุปกรณ์ควบคุมอื่น ถ้าเราจะเปรียบเทียบกันกับ AC Drive แล้วก็จะพบว่า DC Drive จะสามารถควบคุมความเร็วรอบได้อย่างกว้างขวางมากกว่า ทั้งยังให้แรงบิดเริ่มต้น (Starting Torque) มากกว่า AC Drive อีกหลายเท่า อย่างไรก็ตามราคาของ DC Drive และค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุงก็จะมากกว่า AC Drive หลายเท่าตัวด้วยเช่นกันดังนั้นการพิจารณาซื้อ DC Drive สักตัวเพื่อที่จะนำมาใช้งานนั้นก็จะต้องนำคุณสมบัติเด่นในข้างต้น เป็นเหตุผลหลักในการจัดซื้อต่อไป

DC Driveจะใช้วงจร Rectifier เป็นวงจรเรียงกระแสแบบ 6 Pulse หรืออาจเป็นแบบ 12 Pulse (ขึ้นอยู่กับขนาด) ซึ่งวงจร Rectifier แบบ 12 Pulse นั้นก็จะสามารถลดภาระการทำงานของ Thyrister โดยจะลดกระแสที่ผ่านตัว Thyrister และด้วยคุณสมบัติดังกล่าว ก็ยังจะทำให้กระแส Harmonic ลดลงอีกด้วย

                                       รูปที่ 2 วงจร Rectifier แบบ 6 Pulse สำหรับ DC Drive

ในตัว AC Drive วงจร Rectifier ที่เรียงกระแสให้เป็น DC จะถูกเปลี่ยนให้เป็น AC ที่ความถี่ต่าง ๆ และถูกส่งออกไปทางด้าน Output สำหรับการควบคุมมอเตอร์ วงจรแปลงกระแส DC เป็นกระแส AC (Inverter) ในตัว AC Drive สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ Voltage Source Inverter (VSI) และ Current Source Inverter (CSI) ชุด Inverter แบบ VSI นั้นจะต้องการความราบเรียบของ DC ทางด้าน Input ของ Inverter มากกว่า ดังนั้นวงจร LC Filter ใน DC Bus หรือ DC Link ของ Inverter แบบ VSI จึงมีความจำเป็น แต่สำหรับชุด Inverter แบบ CSI จะต้องการความคงที่ของกระแส (Constant Current) ด้าน Input ของ Inverter มากกว่า ดังนั้น Series Inductor ใน DC Link จึงต้องถู กบ รรจุไว้สำหรับ AC Drive แบบที่ใช้ชุด Inverter แบบ CSI ในการควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์

โดยทั่วไปแล้ว AC Driveจะถูกนำไปใช้ในการควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบกรงกระรอก (Squirrel Cage Motor) ในงานที่ไม่ต้องการความเร็วรอบที่คงที่มากนักขณะเดียวกันมอเตอร์แบบนี้ จะมีราคาที่ค่อนข้างถูก และ AC Driveจะถูกนำมาใช้กับซิงโครนัสมอเตอร์ ในกรณีที่งานต้องการความเร็วรอบที่คงที่

                                                       รูปที่ 3 แสดงรูปวงจร AC Drive  แบบ PWM

AC Drive ส่วนใหญ่จะเป็น Inverter แบบ VSI โดยใช้เทคนิค PWM (Pulse–Width Modulation) ในการจัดการแรงดันกระแสสลับด้าน Output ของ Drive ให้เป็นความถี่ต่าง ๆ ในการควบคุมมอเตอร์ (ตามรูปที่ 3) โดย Inverter จะใช้ SCR หรือ Gate Turn Off Thyrister (GTO Thyrister) หรือ Power Transistor ในการจัดการ นอกจากนั้นวงจร VSI PWM ยังมีคุณสมบัติเด่นด้านการประหยัดพลังงาน และความสามารถในการควบคุมความเร็วรอบได้อย่างหลากหลาย แต่ใน AC Drive ที่มีขนาดใหญ่นั้น วงจร Rectifier จะใช้ SCR แบบ 6 Pulse เป็นตัวควบคุม จากรูป 4 (a) เป็น VSI Drive ที่มีวัตถุประสงค์การใช้งานที่ไม่ต้องการการเปลี่ยนแปลงความเร็วมากนัก สำหรับ CSI Drive (ตามรูป 4 (b)) เหมาะสำหรับโหลดที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบบ่อยครั้ง และเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว แต่อย่างไรก็ตาม CSI Drive นั้นก็ยังคงต้องการการติดตั้ง Inductive เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงเกินชั่วขณะ (Voltage Spike) ซึ่งก็จะทำให้ราคาสูงขึ้นไปอีก

ผลตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าต่อ Drive

โดยส่วนใหญ่คุณลักษณะของ Drive โดยทั่วไปจะมีความอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าสูงโดยเฉพาะเรื่อง Voltage Sag เมื่อเกิดเหตุการณ์ Voltage Sag ขึ้นก็จะเกิดปรากฏการณ์ที่ทำให้ Drive หยุดการทำงานลงดังนี้

-  ชุด Controller หรือชุด Voltage Protection ของ Drive สามารถตรวจจับสภาวะผิดปกติของแรงดัน (Voltage Sag) ได้และตัดไฟเลี้ยงด้าน Input ออกทันทีเพื่อป้องกันความเสียหายที่จะเกิดกับอุปกรณ์ Power Electronics

-  ขณะเกิด Voltage Sag จะทำให้แรงดันกระแสตรงภายใน (DC Bus) ลดลงต่ำกว่าค่าที่กำหนด ส่งผลให้ชุด Controller เองหรือวงจรชุด PWM Inverter ทำงานผิดพลาด

-  การเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้ากระแสสลับด้าน Input ขณะเกิด Voltage Sag (AC Current) หรือกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่มีขนาดสูงเกิน ซึ่งเป็นกระแสชาร์จของ Capacitor ภายในตัว Drive (Over Currents Charging DC Capacitor) หลังจากแรงดันกลับสู่สภาวะปกติ (Post-Sag) จะทำให้เกิดสภาวะกระแสสูงเกินจนทำให้ฟิวส์ป้องกันชุด Power Electronics ขาด และทำให้ Drive หยุดการทำงานลง

-  เกิดสภาวะความเร็วรอบตกต่ำ หรือทอร์กของมอเตอร์เปลี่ยนแปลงมากจนไม่สามารถทำงานต่อไปได้ ความเร็วของมอเตอร์จะถูกควบคุมจากขนาดของแรงดัน และความถี่ที่ถูกส่งมาจาก Out Put ของตัว Drive ซึ่งเรียกว่า Voltage Source Converter (VSC) สำหรับ AC มอเตอร์นั้นความเร็วรอบจะขึ้นอยู่กับค่าแรงดันที่สเตเตอร์ที่ความถี่ที่เปลี่ยนแปลง โดยความเร็วของมอเตอร์และทอร์กจะขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและความถี่ที่มีความสัมพันธ์กันตามรูปที่ 5 และตามสมการ

.

รูปที่ 5 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความถี่, แรงดัน และความเร็วรอบของ Drive

 .

กรณีที่ถ้าแรงดันและความถี่มีค่าเท่ากัน จะทำให้ค่าทอร์กมีค่าสูงมากที่สุด แต่อย่างไรก็ตามถ้ามีความต้องการเพิ่มความเร็ว จะทำให้ค่าทอร์กลดลงอย่างรวดเร็วด้วยเช่นกัน

ผลการทดสอบ Drive ที่การเปลี่ยนแปลงของแรงดันระดับต่าง ๆ

จากผลการทดสอบ Drive ที่โรงงานแห่ง หนึ่ง ตามรูปที่ 6 วงกลมหมายถึงเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง และระยะเวลาที่ Drive หยุดการทำงาน กา กบ าทหมายถึง เปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง และระยะเวลาที่ Drive ยังสามารถทำงานได้ตามปกติ ซึ่งจากรูปจะสังเกตเห็นว่า Drive ที่ใช้ที่โรงงานแห่งนี้ค่อนข้าง Sensitive มากโดยประมาณ 80 % ถ้าเกิดเหตุการณ์ Voltage Sag ยาวนานกว่า 6 ไซเคิล Drive จะหยุดการทำงานทันที ซึ่งจะเห็นได้ว่า Drive นั้นจะมีผลตอบสนองต่อเหตุการณ์ Voltage Sag ที่ระยะเวลาสั้น ๆ

                                รูปที่  6 แสดงผลการทดสอบผลตอบสนองต่อแรงดันของ Drive ที่โรงงานแห่ง หนึ่ง

-  ทดสอบที่ขณะแรงดันเป็นศูนย์ ที่เวลา 33 มิลลิวินาที

-  ทดสอบที่ขณะแรงดัน 50% ที่เวลา 100 มิลลิวินาที

-  ทดสอบที่ขณะแรงดัน 70% ที่เวลา 1 วินาที

I     =  ความเร็วของมอเตอร์จะลดลงเล็กน้อย แต่จะกลับเข้าสู่สภาวะปกติอย่างรวดเร็ว

II    =  ความเร็วของมอเตอร์จะลดลงเป็นศูนย์ แต่หลังจากนั้น Drive จะมาทำงานเองโดยอัตโนมัติอีกครั้ง

III  = ความเร็วของมอเตอร์จะเป็นศูนย์ และ Drive จะไม่สามารถทำงานได้ด้วยตัวเอง ซึ่งจะต้องมา ON ให้  Drive กลับมาทำงานอีกครั้ง

                                                               รูปที่ 7 รูปแบบผลการทดสอบที่ได้จาก Drive

ผลการทดสอบจะสรุปตามตารางที่ 1 โดยแต่ละคอลัมน์ จะแสดงจำนวนของ Drive ในแต่ละเงื่อนไขของการทดสอบ ตัวอย่างเช่นมี Drive ขนาด 20 แรงม้าตกอยู่ในผลการทดสอบที่ II ตามรูปที่ 4 ซึ่งเป็นการทดสอบโดยจ่ายแรงดัน 50% ระยะเวลาเป็นระยะเวลานาน 100 มิลลิวินาที เป็นจำนวน 4 ตัว และอีก 7 ตัวตกอยู่ในผลการทดสอบที่ III สำหรับตารางที่ 1 นี้นั้นเป็นการทดสอบ Drive ที่ขนาด 20 แรงม้าและ 3 แรงม้าขณะมีโหลดเต็มพิกัด

สรุปผลการทดสอบตามตารางที่ 1

-  Drive ขนาด 3 แรงม้าจะสามารถทนต่อความรุนแรงของ Voltage Sag ได้ดีกว่า

-  ในกรณีที่เกิด Voltage Sag นานกว่า 100 มิลลิวินาที Drive ส่วนใหญ่จะไม่สามารถทนได้

.

การแก้ไขปัญหา

การหยุดการทำงานของ Drive ในกรณีเกิด Voltage Sag นั้นส่วนใหญ่จะเกิดจาก DC Bus ภายในตัว Drive ตกต่ำจนชุดควบคุม PWM Inverter ไม่สามารถทำงานได้ เมื่อแรงดัน AC Input ตกต่ำ วงจร Rectifier จะหยุดทำงาน ชุดควบคุม PWM Inverter จะจ่ายพลังงานจาก Capacitor ที่ติดตั้งอยู่ที่ DC Bus ซึ่งก็จะสามารถหน่วงเวลาอยู่ได้นานสัก 1-2 Cycles เท่านั้น Drive ส่วนใหญ่จะติดตั้งฟิวส์อนุกรมไว้กับของวงจรเรียงกระแส การลดลงของแรงดัน จะส่งผลทำให้กระแสไฟกระแสตรง (DC Current) สูงขึ้นส่งผลทำให้ฟิวส์ภายในขาดซึ่งก็จะทำให้เกิดความยุ่งยากมากในการเปลี่ยนฟิวส์ใหม่ การเพิ่มขนาดของ Capacitor เป็นขนาดที่เหมาะสมนั้นก็จะสามารถยืดเวลาการจ่ายพลังงานไปยังโหลดได้อีกระยะเวลา หนึ่ง

รูปที่ 8 แสดง DC Bus โดยที่เส้นประเป็นแรงดัน AC ด้าน Input และเส้นทึบเป็นแรงดัน DC Bus โดยเปรียบเทียบขณะเกิด Voltage Sag ที่ 50% และที่ 70% ตามลำดับ

.

เมื่อกำหนดให้ P เป็นโหลดของ Drive (หมายถึงมอเตอร์), กำหนดให้ VO เป็น DC Bus และ C เป็น Capacitor ที่ต่ออยู่ที่ DC Bus เราจะสามารถคำนวณหาค่าแรงดัน DC Bus ที่จะสามารถชดเชยได้จากสมการ

ชุด Controller จะทำงานผิดปกติเมื่อแรงดัน DC Bus ตกต่ำกว่ากำหนดซึ่งเรียกว่า Vmin ดังนั้นจะสามารถหาค่าเวลาที่ Capacitor จะจ่ายแรงดัน DC Bus ไม่ให้มีค่าต่ำกว่า Vmin ได้จากสมการ

และค่า Capacitor ที่จะนำมาติดตั้งที่ DC Bus จะสามารถหาได้จากสมการ

ตัวอย่างที่ 1

ในกรณีที่ DC Bus มีค่า VO = 620 Volt, DC Bus Capacitance C = 4400 mF, มอเตอร์มีโหลดที่ P = 86 kW และ Drive ทริปที่ DC Bus ต่ำกว่า Vmin 560 Volt เวลาในการทริปจะเป็น

ค่าแรงดัน DC Bus ต่ำสุดที่ Drive จะยังคงทำงานต่อไปได้คือ 560/620 = 90 % ดังนั้น Drive ตัวนี้จะทริปภายในระยะเวลา 2 mS ถ้าแรงดัน DC Bus ลดลงต่ำกว่า 90 % 

โดยที่ถ้า C/P แทน mF/kW ดังนั้นถ้าให้อยู่ในรูปของแรงม้าจะได้แทนได้เป็น mF/HP. และสมการด้านบนได้เป็น

ขนาดค่า Capacitance ที่ติดตั้งอยู่ที่ DC Bus สำหรับ Drive รุ่นใหม่ ๆ ในปัจจุบันนั้นจะมี่อยู่ระหว่าง 75–360 mF/kW จากรูปที่ 9 จะแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างค่าแรงดัน DC Bus ที่มี (แกนตั้ง), ระยะเวลาที่ Drive จะทริป (แกนนอน) และค่า Capacitance ที่ติดตั้งเพื่อใช้หน่วงเวลาขนาดต่าง ๆ โดยเส้นทึบหมายถึงขนาด Capacitor 75 mF/kW, เส้นประหมายถึง Capacitor ขนาด 165 mF/kW และเส้นจุดหมายถึง Capacitor ขนาด 360 mF/kW ซึ่งจะเห็นได้ว่าการหน่วงเวลาการทริปของ Drive ออกไปโดยใช้ Capacitor ขนาดต่างนั้น ๆ จะให้ผลของการหน่วงเวลาที่แตกต่างกันไป

รูปที่ 9 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าแรงดัน DC Bus ที่มี (แกนตั้ง), ระยะเวลาที่ Drive จะทริป (แกนนอน) และค่า Capacitance ที่ติดตั้งเพื่อใช้หน่วงเวลาขนาดต่าง ๆ

กรณีที่เป็น Drive ที่มีพิกัด และรายละเอียดด้านเทคนิคเช่นเดียวกันกับตัวอย่างที่ 1 และต้องการให้ Drive หน่วงเวลาการทริปออกไปอีก 500 mS และ แรงดัน DC Bus ต่ำสุดที่ Drive จะทำงานต่อไปได้อยู่ที่ 560 Volt ดังนั้นขนาดของ Capacitor จะหาได้จากการคำนวณด้านล่างนี้