มอเตอร์ไฟฟ้าแรงดันสูง (High Voltage Motor) ตามคำนิยามของ IEC หมายถึง มอเตอร์ที่ใช้แรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 1 kV โดยส่วนใหญ่จะมีขนาดใหญ่กว่า 200 kW เมื่อมอเตอร์มีขนาดใหญ่ และใหญ่มากยิ่งขึ้น อาจจะมากกว่า 10 MW เมื่อเริ่มหมุนมอเตอร์แบบ Direct on Line (DOL) ไม่ว่าจะเป็นอินดักชั่นมอเตอร์ หรือซิงโครนัสมอเตอร์ จะส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตก ทำให้กระทบกระเทือนต่อระบบส่งจ่ายไฟฟ้า อาจจะส่งผลกระทบไปเป็นบริเวณกว้างถึงโรงงานผลิตไฟฟ้าของการไฟฟ้าได้

.

เนื่องจากข้อดีของการการเริ่มหมุนมอเตอร์แบบ Direct on Line (DOL) ที่ง่ายแก่การติดตั้ง, อุปกรณ์ควบคุมไม่สลับซับซ้อน และง่ายแก่การบำรุงรักษา รวมทั้งประหยัดค่าใช้จ่ายของอุปกรณ์ตัดต่อทางไฟฟ้า (Switch Gear) และอุปกรณ์ต่อพ่วง ทำให้วิธีการเริ่มหมุนมอเตอร์แบบ Direct on Line (DOL) จึงเป็นที่นิยมกันโดยทั่วไป     

.

ในบางกรณี อาจจะมีความจำเป็นต้องลดขนาดกระแสไฟฟ้ากระชากตอนเริ่มหมุน เพื่อให้ส่งผลกระทบต่อระบบส่งจ่ายไฟฟ้า ให้มีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม น้อย ที่สุด ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการเลือกวิธีการเริ่มหมุนให้เหมาะสมกับสภาพ และข้อจำกัดที่มีจากสภาพแหล่งจ่ายไฟฟ้า รวมทั้งขนาดของ Short Circuit Power และชนิดของโหลด

.

ต่อไปนี้จะเป็นการเปรียบเทียบข้อดี และข้อเสียของการเริ่มหมุนมอเตอร์ในแต่ละแบบ, ลำดับและวิธีการทำงานของอุปกรณ์แต่ละตัว, การคำนวณหากระแสไฟฟ้าเริ่มหมุน และแรงบิดเริ่มหมุน รวมทั้งเปรียบเทียบจำนวนของอุปกรณ์ที่จะใช้เพื่อนำไปคำนวณหาต้นทุนในการติดตั้งวงจรไฟฟ้า, พร้อมทั้งตัวอย่างในการคำนวณหาขนาดของอุปกรณ์

.

วิธีการเริ่มหมุนแบบต่อตรงเป็นวิธีที่นิยมกันมากที่สุด ง่ายต่อการติดตั้ง ในบางกรณีเราสามารถลดกระแสไฟฟ้าการเริ่มหมุนมอเตอร์แบบ DOL โดยการออกแบบมอเตอร์ให้มีค่ารีแอกแตนซ์ที่ขดลวดสเตเตอร์ให้มีค่ามากขึ้น อาจจะลดกระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนได้ 15 ถึง 25 % แต่จะส่งผลกระทบต่อค่าประสิทธิภาพ และค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ได้

.

.

ต้นทุนของอุปกรณ์ : 1 Circuit Breakers (S₁), จำนวนสายไฟที่ต้องเดินจากตู้ CB ไปยังมอเตอร์ 3 เส้น

.

ลำดับการทำงานของสวิตช์ (Sequence)  : มอเตอร์จะเริ่มหมุนหลังจากสับสวิตช์ On (S₁)

.

อุปกรณ์ช่วยในการเริ่มหมุน (Starting Devices) : ไม่ต้องการเพิ่มเติม

.

ข้อดี (Advantages)  : อุปกรณ์ไม่สลับซับซ้อน, ง่ายแก่การติดตั้ง, ง่ายแก่การบำรุงรักษา ต้นทุนหรือค่าใช้จ่ายต่ำเพราะมีเพียงสวิตช์ตัดต่อทางไฟฟ้า (Switch Gear)

.

ข้อเสีย (Disadvantages) : กระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนสูงประมาณ 4 ถึง 6.5 เท่าของกระแสไฟฟ้าพิกัด, แรงดันไฟฟ้าตกขณะสับสวิตช์เริ่มหมุน ทั้งนี้ขนาดของแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม ขึ้นอยู่กับขนาดของ Short Circuit Power ของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า            

.

ตัวอย่างการคำนวณ

.

แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า         S_K      =      ขนาดของ Short Circuit Power = 200 MVA แรงดันไฟฟ้า 6 kV

.

สายเคเบิล                         l          =      length = 1.5 km สายไฟประกอบด้วย 3 สายวางขนานกัน (n=3) ขนาด 3 x 240 mm²

                                        X_K      =      รีแอกแตนซ์ (Inductive Reactance) = 0.085 Ohm/km (สามารถหาได้จากข้อมูลสายไฟฟ้า)

.

ข้อมูลมอเตอร์                 P_N      =      ขนาดกำลังมอเตอร์ = 8 MW, 4 Pole 

                                     U_N     =      ขนาดแรงดันไฟฟ้ามอเตอร์ = 6 kV, P.F. = 0.9, ประสิทธิภาพ (h) = 98 %

                                     I_N       =      ขนาดพิกัดกระแสไฟฟ้า = 875 A

                                  I_A/I_N     =      ขนาดกระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนมอเตอร์แบบ DOL ต่อขนาดพิกัดกระแสไฟฟ้า = 5.3

                              M_A/M_N   =      ขนาดแรงบิดเริ่มหมุนมอเตอร์แบบ DOL ต่อขนาดพิกัดแรงบิด = 0.9

.

การเริ่มหมุนมอเตอร์จะต้องมีแรงดันไฟฟ้าตกไม่มากกว่า 10 % (DU_N) และแรงบิดเริ่มหมุน (M_A/M_N) ต้องไม่ น้อย กว่า 0.25

เพื่อความมั่นใจในการออกแบบระบบ เมื่อมีการกำหนดแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมที่ยอมรับได้ หรือคาดว่าจะเป็นนั้น เช่น DU_N = 10 % กราฟแสดงแรงบิดเริ่มหมุนเฉลี่ยของมอเตอร์จากบริษัทผู้ผลิตมอเตอร์จะต้องออกแบบ และยืนยันได้ว่า สามารถจะขับโหลดได้แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าจะตกลงเหลือเพียง 90 % ของแรงดันไฟฟ้าพิกัด

.

ในกระบวนการออกแบบโครงการ จะต้องสอบถาม และยืนยันความสามารถการเริ่มหมุนจา กบ ริษัทผู้ผลิตมอเตอร์ เพราะหากมอเตอร์ที่จัดซื้อไม่สามารถเริ่มหมุนได้ จะส่งผลต่อโครงการสูงมาก ถึงอาจจะต้องจัดซื้อมอเตอร์ใหม่ หากมอเตอร์ไม่สามารถเริ่มหมุนได้ วิธีการแก้ไขคือจะต้องเพิ่มขนาดมอเตอร์ให้ใหญ่ขึ้น หรือ ยอมรับแรงดันไฟฟ้าตก หรือออกแบบมอเตอร์ใหม่ให้มีขนาด M_A/M_N มากกว่าเดิม

.

ในขั้นตอนแรกจะต้องคำนวณหาค่าความต้านทานรีแอกเเตนซ์ (Reactance) ของทั้งวงจรก่อน โดยแบ่งออกเป็น

รีแอกเเตนซ์ของแหล่งจ่ายระบบไฟฟ้า  (X_N)  = 1.1 x U_N² / S_K = 1.1 x 6²/200 = 0.198 W/Phase

                                                                  = 1.1 x ค่าประมาณอัตราส่วนจากการเกิด EMF/U = 1.05²

.

รีแอกเเตนซ์ของสายเคเบิล  (X_K) = l x X’_K/n = 1.5 x 0.085/3 = 0.043 W/Phase

.

รีแอกเเตนซ์ของมอเตอร์ขณะเริ่มหมุน (X_Motor) = U_N/       x (I_A/I_N) x I_N = 6000 /     x 5.3 x 875 = 0.748 W/Phase

.

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อสายมอเตอร์ขณะเริ่มหมุนจะต้องลดลงอันเนื่องมาจากแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมจากค่ารีแอกเเตนซ์ ต่าง ๆ ดังกล่าว   

                 U_Motor  = (X_Motor / X_Motor+ X_N + X_K) x U_N

                               = (0.748/0.748 + 0.198 + 0.043) x U_N

                               = 0.76 U_N (หมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนจะมีเพียง 76 % ของแรงดันไฟฟ้าพิกัด)

.

ดังนั้นกระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนจะต้องมีค่าลดลงด้วยตามสัดส่วนอันเนื่องมาจากค่าแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงเนื่องจากค่ารีเอกเเตนซ์ของทั้งระบบ

                 (I_A1/I_N) = (X_Motor / X_Motor+ X_N + X_K) x (I_A/I_N)

                               = (0.748/0.748 + 0.198 + 0.043) x 5.3

                               = 4.0 (หมายความว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 76 % ของแรงดันไฟฟ้าพิกัด กระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนจะลดลงจาก 5.3 เท่า เหลือเพียง 4 เท่าของกระแสไฟฟ้าพิกัดเท่านั้น)

(I_A1/I_N) = อัตราส่วนกระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ลดลงต่อพิกัดกระแสไฟฟ้า

.

ในทางปฏิบัติจะต้องตรวจสอบ และคิดผลกระทบอันเนื่องมาจากค่าอิ่มตัวของสนามแม่เหล็กจากโรงงานผู้ผลิต ดังรูปที่ 2 กราฟแสดง a factor คำนวณ เพื่อมาใช้เปรียบเทียบค่าที่ควรจะเป็น ยกตัวอย่างเช่น มอเตอร์ตัวนี้ 4 ขั้ว แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 76 % (U_{A Motor}/U_N) = 0.76, a factor จากกราฟ = 0.74             

(I_A1/I_N) = a x (I_A/I_N)     = 0.74 x 5.3

                                       = 3.9 เท่าของกระแสไฟฟ้าพิกัด

.

เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนลดลง กระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนจะต้องมีค่าลดลงด้วย และทำให้แรงบิดเริ่มหมุนจะต้องมีค่าลดลงด้วยตามสัดส่วน

(M_A1/M_N)            = (X_Motor / X_Motor + X_N + X_K)² x (M_A/M_N)

                                              = (0.748 / 0.748 + 0.198 + 0.043)² x 0.9

                                              = 0.52 (หมายความว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 76 % ของแรงดันไฟฟ้าพิกัด แรงบิดเริ่มหมุนจะลดลงเหลือเพียง 0.52 เท่า จากเดิม 0.9 เท่าของแรงบิดพิกัด)

.

ในทางปฏิบัติจะต้องตรวจสอบ และคิดผลกระทบอันเนื่องมาจากค่าอิ่มตัวของสนามแม่เหล็ก จากโรงงานผู้ผลิต ดังรูปที่ 2 กราฟแสดง a factor คำนวณ เพื่อมาใช้เปรียบเทียบค่าที่ควรจะเป็น   

(M_A1/M_N)                = a² x (M_A/M_N) = 0.74² x 0.9

                                  = 0.49 เท่าของแรงบิดพิกัด

(M_A1/M_N)                = อัตราส่วนแรงบิดเริ่มหมุนต่อแรงบิดพิกัดเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ลดลง

.

ทดลองคำนวณหาค่าแรงดันไฟฟ้าตก (Voltage Dip) อันเนื่องจากการเริ่มหมุนมอเตอร์แบบ DOL

DU_N       = (X_N / X_Motor + X_N + X_K) x 100 (%)

                               = (0.198 / 0.748 + 0.198 + 0.043) x 100 (%) = 20 %

.

กราฟเส้นที่ 1 สำหรับมอเตอร์ 2 และ 4 ขั้ว สำหรับมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่า 1 MW

กราฟเส้นที่ 2 สำหรับมอเตอร์ 6 และ 8 ขั้ว สำหรับมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่า 1 MW

กราฟเส้นที่ 3 สำหรับมอเตอร์ 2 และ 4 ขั้ว สำหรับมอเตอร์ที่มีขนาดเล็กกว่า 1 MW

กราฟเส้นที่ 4 สำหรับมอเตอร์ 6 และ 8 ขั้ว สำหรับมอเตอร์ที่มีขนาดเล็กกว่า 1 MW

รูปที่ 2 กราฟแสดงค่าโดยประมาณ a-Factor เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ลดลง (DU_N) ขณะเริ่มหมุนมอเตอร์

.

จากความต้องการในเบื้องต้น ไม่ต้องการให้เกิดค่าแรงดันไฟฟ้าตก (Voltage Drop) มากเกินกว่า 10 % (DU_N £ 10 %) และสามารถยอมรับให้แรงบิดเริ่มหมุน (M_A2/M_N ³ 0.25) ผลจากการคำนวณปรากฏว่าจะเกิดแรงดันไฟฟ้าตก 20 % จะต้องหันไปใช้วิธีการเริ่มหมุนโดยวิธีลดแรงดันไฟฟ้าโดยใช้ Reactor ในการเริ่มหมุน เพื่อทำหน้าที่ให้แรงดันตกไม่เกินค่าที่ต้องการ

.

การเริ่มหมุนแบบลดแรงดันไฟฟ้าโดยผ่าน Reactor

วิธีการเริ่มหมุนโดยใช้ Reactor เพื่อทำหน้าที่ลดแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ มี 2 วิธี คือการต่อ Reactor ก่อนจะถึงมอเตอร์ และแบบต่อหลังมอเตอร์ ดังรูปที่ 3.1 และ รูป 3.2 ตามลำดับ

.

                รูปที่ 3.1 การต่อ Reactor ก่อนเข้ามอเตอร์             รูปที่ 3.2 การต่อ Reactor ที่ขั้วต่อสาย Star Point

.

ต้นทุนของอุปกรณ์ : Circuit Breakers2ชุด (S₁, S₂) Reactor 1 ชุด และสายไฟที่ต้องเดินจากตู้ MCB ไปยังมอเตอร์                                 

3 หรือ 6 เส้น                                                  

.

ลำดับการทำงานของสวิตช์ (Sequence) : มอเตอร์จะเริ่มหมุนหลังจากสับสวิตช์ on (S₁) ในขณะที่สวิตช์ S₂ ยังคง

เปิดวงจรอยู่ ทำให้แรงดันไฟฟ้าจะไปตกคร่อมที่ Reactor X_D ทำให้กระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนลดลง เมื่อความเร็วรอบของมอเตอร์

เข้าใกล้ความเร็วรอบพิกัด    สวิตช์ S₂ จะปิดวงจรลงเพื่อทำหน้าที่ลัดวงจร Reactor กลายสภาพเป็นการต่อโดยตรง     

.

อุปกรณ์ช่วยในการเริ่มหมุน (Starting Devices) : Reactor 1 ชุด

.

ข้อดี (Advantages) : สามารถลดกระแสไฟฟ้าขณะเริ่มหมุนมอเตอร์ได้ดีพอสมควร ส่วนวิธีการต่อโดยต่อ Reactor

ที่ขั้วต่อสาย Start Point ไม่จำเป็นต้องใช้ CB แบบ Short Circuit Proof

.

ข้อเสีย (Disadvantages) : ช่วงการสับสวิตช์ทำให้เกิด Voltage Drop และเกิดอาการกระตุกที่มอเตอร์ ขนาดของ

แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมจะขึ้นอยู่กับขนาดและชนิดของ โหลด ส่วนใหญ่ใช้ได้เฉพาะโหลดแบบ ยกกำลังสอง เช่นพัดลม หรือปั้ม

น้ำ ส่วนวิธีการต่อ Reactor ที่ขั้วต่อสาย Start Point จำเป็นจะต้องออกแบบมอเตอร์ แบบมีจุดต่อสาย Star Point Box

ทำให้ราคามอเตอร์แพงขึ้นจากเดิม

.

                               รูปที่ 4 รูปกราฟแสดงการเปรียบเทียบการเริ่มหมุนแบบ DOL และแบบลดแรงดันเริ่มหมุน

.

จากรูปที่ 4 เมื่อแรงดันไฟฟ้าในช่วงเริ่มหมุนมอเตอร์ลดลง จะทำให้กระแสลดลงตามสัดส่วน แต่แรงบิดเริ่มหมุนของมอเตอร์ลดลงไปด้วยตามสัดส่วนแรงดันไฟฟ้ายกกำลังสอง (U²) เช่น เมื่อแรงดันที่ขั้วมอเตอร์ลดลงเหลือ 80 % แรงบิดจะลดลงเหลือเพียง 64 % (0.8² = 0.64) หรือ แรงดันที่ขั้วมอเตอร์ลดลงเหลือ 70 % แรงบิดจะลดลงเหลือเพียง 49 % ของแรงบิดพิกัดเมื่อเทียบกับการเริ่มหมุนมอเตอร์แบบ DOL ดังนั้นจุดที่กำหนดค่าสูงสุดที่สามารถลดแรงดันได้ก็คือ แรงบิดที่โหลดต้องการ จะเป็นตัวกำหนดว่าจะสามารถลดแรงดันได้มากที่สุดเท่าไหร่                        

.

ตัวอย่างการคำนวณจากที่ได้กล่าวมาแล้ว

ในขั้นตอนแรกจะต้องคำนวณหาค่าความต้านทานรีแอกเเตนซ์ (Reactance) ของทั้งวงจรก่อน โดยมีส่วนที่เพิ่มคือ

.

รีแอกเเตนซ์ของ Reactor (X_D) จากความต้องการในเบื้องต้น ไม่ต้องการให้เกิดค่าแรงดันไฟฟ้าตก (Voltage Drop) ไม่เกินกว่า 10 % (DU_N £ 0.1)

      (DU_N/U_N)  = (X_N / X_N + X_K + X_D + X_Motor) = 0.1/1

      X_N               = 0.1 (X_N + X_K+ X_D + X_Motor)

      X_D               = 9 x X_N – (X_K + X_Mot or)               

                          = 9 x 0.198 – (0.043 + 0.748)

                          = 0.991 W/Phase

.

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อสายมอเตอร์ขณะเริ่มหมุนจะต้องลดลงอันเนื่องมาจากแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมจากค่ารีแอกเเตนซ์ ต่าง ๆ ดังกล่าว

U_motor      = (X_Motor / X_Motor + X_N + X_K+ X_D) x U_N

                  = (0.748/0.748 + 0.198 + 0.043 + 0.991) x U_N                              

                  = 0.38 U_N (หมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 38% ของแรงดันไฟฟ้าพิกัดจากแหล่งจ่าย)

.

ดังนั้นกระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนจะต้องมีค่าลดลงด้วยตามสัดส่วนอันเนื่องมาจากค่าแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงเนื่องจากค่ารีแอกเเตนซ์ของทั้งระบบ

(I_A2/I_N)   = (X_Motor / X_Motor + X_N + X_K + X_D) x (I_A/I_N)

               = (0.748 / 0.748 + 0.198 + 0.043 + 0.991) x 5.3

               = 2.0 (หมายความว่า เมื่อติด Reactor แล้วกระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนจะลดลงจาก 5.3 เท่า เหลือเพียง 2 เท่าของกระแสไฟฟ้าพิกัดเท่านั้น)

.

ในทางปฏิบัติจะต้องตรวจสอบ และคิดผลกระทบอันเนื่องมาจากค่าอิ่มตัวของสนามแม่เหล็ก จากโรงงานผู้ผลิต ดังรูปที่ 2 กราฟแสดง a factor คำนวณ เพื่อมาใช้เปรียบเทียบค่าที่ควรจะเป็น   

.

เมื่อทราบแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์แล้วสามารถคำนวณหาค่ากระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ลดลงโดยดูได้จากกราฟ รูปที่ 2 ยกตัวอย่างเช่น มอเตอร์ตัวนี้ 4 ขั้ว แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 38%

                  (U_{A Motor}/U_N) = 0.38, a factor จากกราฟ = 0.32

                  (I_A2/I_N)              =  a x (I_A/I_N) = 0.32 x 5.3

                                            =  1.7 เท่าของกระแสไฟฟ้าพิกัด   

.

เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนลดลง กระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนจะต้องมีค่าลดลงด้วย และทำให้แรงบิดเริ่มหมุนจะต้องมีค่าลดลงด้วยตามสัดส่วน

(M_A2/M_N)    = (X_Motor / X_Motor + X_N + X_K + X_D)² x (M_A/M_N)

                                      = (0.748 / 0.748 + 0.198 + 0. 043 + 0.991)² x 0.9

                                      = 0.13 (หมายความว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 38 % ของแรงดันไฟฟ้าพิกัด แรงบิดเริ่มหมุนจะลดลงเหลือเพียง 0.13 เท่า จากเดิม 0.9 เท่าของแรงบิดพิกัด)

(M_A2/M_N) = อัตราส่วนแรงบิดเริ่มหมุนต่อแรงบิดพิกัดเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ลดลงเพื่อให้ง่ายแก่การนำไปประยุกต์ใช้งานทดลองใช้ a factor คำนวณ

               (M_A2/M_N)    =   a² x (M_A/M_N) = 0.32² x 0.9 = 0.092 เท่าของแรงบิดพิกัด

.

จากเงื่อนไข “การเริ่มหมุนมอเตอร์จะต้องมีแรงดันไฟฟ้าตกไม่มากกว่า 10 % (DU_N) และแรงบิดเริ่มหมุน (M_A2/M_N) ต้องไม่ น้อย กว่า 0.25” วิธีการเริ่มหมุนโดยต่อ Reactor แรงบิดไม่สามารถขับโหลดได้ จึงจะต้องลองใช้วิธีต่อไปแบบลดแรงดันไฟฟ้าแบบ หลายจังหวะ (“Korndorfer” Method)

.

การเริ่มหมุนมอเตอร์แบบลดแรงดันไฟฟ้า (Reduce Voltage Starting)

.

                                  รูปที่ 5 การต่อ Auto Transformer หลายจังหวะ (“Korndorfer” Method)

.

ต้นทุนของอุปกรณ์ : Circuit Breakers 3 ชุด (S₁, S₂, S₃) Auto Transformer พร้อม Tapping (a₁, a₂, a₃)

จำนวนสายไฟที่ต้องเดินจากตู้ CB ไปยังมอเตอร์ 3 เส้น

.

ลำดับการทำงานของสวิตช์ (Sequence) : มอเตอร์จะเริ่มหมุนหลังจากสับสวิตช์ on S₂ และสวิตช์ On S₁ แรงดันที่

มอเตอร์ได้รับจะเท่ากับ U_T = aU_N จนกระทั่งมอเตอร์หมุนได้ระดับ หนึ่ง จึงสั่งให้สวิตช์ S₂ เปิดวงจรออก ในขณะที่สวิตช์ S₂

ยังคงเปิดวงจรอยู่ ทำให้แรงดันไฟฟ้าจะไปตกคร่อมที่ Auto Transformer X_T = (1-a) U_N เหมือนกับการทำหน้าที่ Reactor

เพื่อลดแรงดันตามอัตราส่วนที่ออกแบบ Auto Transformer เมื่อความเร็วรอบของมอเตอร์เข้าใกล้ความเร็วรอบ พิกัด  สวิตช์ S₃

จะปิดวงจรลงเพื่อทำหน้าที่ลัดวงจร Auto Transformer X_T กลายสภาพเป็นการต่อโดยตรง

.

อุปกรณ์ช่วยในการเริ่มหมุน (Starting Devices) : Auto Transformer X_T 1 ชุด พร้อม Tapping (a₁, a₂, a₃)

 โดย a₁ และ a₃ ต่อ Tapping ±5 % เพื่อใช้สำหรับปรับหาจุดที่เหมาะสม

.

ข้อดี (Advantages) : สามารถลดกระแสไฟฟ้าขณะเริ่มหมุนมอเตอร์ได้หลายจังหวะ ดีพอสมควรตามอัตราส่วนของโหลด

แรงดันไฟฟ้าสามารถตั้งเวลาให้เหมาะสมได้

.

ข้อเสีย (Disadvantages) : ต้นทุนของอุปกรณ์ ราคาสูง

.

ตัวอย่างการคำนวณจากที่ได้กล่าวมาแล้ว

ในขั้นตอนแรกจะต้อง คำนวณหาอัตราส่วนที่จะต่อ Tapping a จากความต้องการในเบื้องต้น ไม่ต้องการให้เกิดค่าแรงดันไฟฟ้าตก (Voltage Drop) ไม่เกินกว่า 10 % (DU_N £ 0.1)

X_ges    = Total Reactance        = (100 % / DU_N) x X_N

            = 100/10 x 0.198              = 1.98 Ohm/Phase

           = 0.66

.

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ระหว่างการเริ่มหมุนมอเตอร์ คือ

U_mot  = (X_mot /(X_mot + (X_N + X_K+ X_Tran) x a²)) aU_N

X_Tran = ค่า Short Circuit Reactance ของหม้อแปลงเริ่มหมุนมอเตอร์

U_X     = ค่า แรงดันไฟฟ้า Reactance ของหม้อแปลงเริ่มหมุนมอเตอร์

X_Tran = (U_X /100) x (X_mot /a² + X_N)

          = (3.4/100) x (0.748/0.66² + 0.198) = 0.065 Ohm/Phase

U_mot = (0.748/(0.748 + (0.198 + 0.043 + 0.065) x 0.66²) 0.66 U_N

          = 0.56 U_N (หมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 56 % ของแรงดันไฟฟ้าพิกัดจากแหล่งจ่าย)

.

คำนวณหาค่าแรงบิดเริ่มหมุนมอเตอร์

(M_A3/M_N) = (M_A/M_N)_DOLx (U_motor/U_N)² = 0.9 x 0.56² = 0.282

M_A           = ค่าแรงบิดเริ่มหมุนเมื่อเริ่มหมุนมอเตอร์ที่แรงดันพิกัดคงที่

M_A3         = ค่าแรงบิดเริ่มหมุนเมื่อเริ่มหมุนมอเตอร์ผ่าน Auto Transformer

M_N          = ค่าแรงบิดพิกัดมอเตอร์ ที่แรงดันพิกัดคงที่หลังจากเริ่มหมุนไปแล้ว

.

จากการคำนวณดูเหมือนว่าจะใช้ได้ตามเงื่อนไขของโจทย์ที่ต้องการ แต่เนื่องจากในทางปฎิบัติจะต้องตรวจสอบ และคิดผลกระทบอันเนื่องมาจากค่าอิ่มตัวของสนามแม่เหล็ก จากโรงงานผู้ผลิต ดังรูปที่ 2 กราฟแสดง a factor คำนวณ เพื่อมาใช้เปรียบเทียบค่าที่ควรจะเป็น

ที่   U_motor /U_N  = 0.56, a factor = 0.515, ดังนั้นค่าแรงบิดเริ่มต้นที่แท้จริงจะเป็น

    (M_A3/M_N)                     = (M_A/M_N)_DOL x  a² = 0.9 x 0.515² = 0.24

.

จากเงื่อนไขที่ว่า “การเริ่มหมุนมอเตอร์จะต้องมีแรงดันไฟฟ้าตกไม่มากกว่า 10 % (DU_N) และแรงบิดเริ่มหมุน (M_A2/M_N) ต้องไม่ น้อย กว่า 0.25” วิธีต่อไปแบบ ลดแรงดันไฟฟ้าแบบ หลายจังหวะ (“Korndorfer” Method) แรงบิดไม่สามารถขับโหลดได้มีวิธีการแก้ไข คือ ให้ออกแบบมอเตอร์ใหม่ที่มีแรงบิดเริ่มหมุน 0.95 ก็จะสามารถขับโหลดได้ตรงตามเงื่อนไข

.

การเริ่มหมุนมอเตอร์แบบลดแรงดันไฟฟ้าโดยผ่าน Transformer

.

                                                รูปที่ 6 การต่อวิธีการเริ่มหมุนมอเตอร์โดยต่อหม้อแปลงโดยตรง

.

ต้นทุนของอุปกรณ์ : Circuit Breakers 1 ชุด (S₁) ทรานสฟอร์เมอร์ จำนวนสายไฟที่ต้องเดินจากตู้ CB ไปยังมอเตอร์ 3  เส้น

.

ลำดับการทำงานของสวิตช์ (Sequence) : มอเตอร์จะเริ่มหมุนหลังจากสับสวิตช์ on S₁

.

อุปกรณ์ช่วยในการเริ่มหมุน (Starting Devices) : Transformer X_T 1 ชุด

.

ข้อดี (Advantages) : สามารถลดกระแสไฟฟ้าขณะเริ่มหมุนมอเตอร์ได้โดยทางอ้อม เพราะ หม้อแปลงไฟฟ้าจะมีค่าแรง

ดัน Impedance สูง (>5 %) โดยส่วนใหญ่วิธีนี้จะใช้กับมอเตอร์ที่มีขณาดใหญ่มาก ๆ ในการเลือกใช้วิธีนี้จะเหมาะสำหรับ

ระยะทางจากสวิตช์ถึงมอเตอร์ไกลมาก ๆ สามารถออกแบบให้หม้อแปลงให้อยู่ใกล้กับตัวมอเตอร์ ทำให้สามารถลดขนาดสายได้

เนื่องจากมาใช้แรงดันสูง

.

ข้อเสีย (Disadvantages) : ต้นทุนของอุปกรณ์ราคาสูง โดยเฉพาะถ้าใช้ สวิตช์เกียร์ด้านขาเข้าแรงดันสูงแทน และจะมีกระแสไฟฟ้าผ่านหม้อแปลงตลอดเวลา

ทำให้เกิดค่าสูญเสียที่หม้อแปลงตลอดเวลา

.

ตัวอย่างการคำนวณ

แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า (S_K) = ขนาดของ Short Circuit Power = 500 MVA แรงดันไฟฟ้า 30 kV

ขนาดของหม้อแปลง = 30/6 kV Rated Power (S_N) = 10 MVA

แรงดันไฟฟ้า Impedance (U_K) = 10% (Impedance Voltage)

ความยาวสายไฟฟ้าเท่าเดิมคือ = 1,500 เมตร

เงื่อนไข “การเริ่มหมุนมอเตอร์จะต้องมีแรงดันไฟฟ้าตกไม่มากกว่า 10 % (DU_N) และแรงบิดเริ่มหมุน (M_A2/M_N) ต้องไม่ น้อย กว่า 0.25”

.

รีเอกเเตนซ์ของสายส่งระบบไฟฟ้า  (X_N) = 1.1^x). U_N²/S_K = 1.1 x 6²/500 = 0.079 W/Phase

                                                             = 1.1 ^x) ค่าประมาณอัตราส่วนจากการเกิด EMF/ U = 1.05²

.

รีแอกเเตนซ์ของสายเคเบิล  (X_K)   = l x X’_K/n = 1.5 x 0.085/3 = 0.043 W/Phase

.

รีแอกเเตนซ์ของหม้อแปลง  (X_T)   = ( x U_N²)/(100* S_N) = (10 x 6²)/(100 x 10)

                                                   = 0.36 W/Phase

U_motor      = (X_Motor/X_Motor + X_T + X_N + X_K) x U_N

                  = (0.748/0.748 + 0.36+0.079 + 0.043) x U_N

                  = 0.608 U_N (หมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 60.8 % ของแรงดันไฟฟ้าพิกัด) ดังนั้นกระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนจะต้องมีค่าลดลงด้วยตามสัดส่วนอันเนื่องมาจากค่าแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง

(I_A4/I_N)     = (X_Motor /X_Motor + X_T + X_N + X_K) x (I_A/I_N)

                  = (0.748/0.748 + 0.36+0.079 + 0.043) x 5.3

                  = 3.22 (หมายความว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 60.8 % ของแรงดันไฟฟ้าพิกัด กระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนจะลดลงจาก 5.3 เท่า เหลือเพียง 3.22 เท่าของกระแสไฟฟ้าพิกัดเท่านั้น)

(I_A4/I_N)     = อัตราส่วนกระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ลดลงต่อพิกัดกระแสไฟฟ้า

.

ในทางปฏิบัติจะต้องตรวจสอบ และคิดผลกระทบอันเนื่องมาจากค่าอิ่มตัวของสนามแม่เหล็ก จากโรงงานผู้ผลิต ดังรูปที่ 2 กราฟแสดง a factor คำนวณ เพื่อมาใช้เปรียบเทียบค่าที่ควรจะเป็น ยกตัวอย่างเช่น มอเตอร์ตัวนี้ 4 ขั้ว แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 60.8%

(U_{A Motor}/U_N) = 0.608, a factor จากกราฟ = 0.56

(I_A1/I_N)             = a x (I_A/I_N) = 0.56 x 5.3 = 2.97 เท่าของกระแสไฟฟ้าพิกัด

.

เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนลดลง กระแสไฟฟ้าเริ่มหมุนจะต้องมีค่าลดลงด้วย และทำให้แรงบิดเริ่มหมุนจะต้องมีค่าลดลงด้วยตามสัดส่วน

(M_A1/M_N)       = (X_Motor /X_Motor + X_T + X_N + X_K)² x (M_A/M_N)

                         = (0.748/0.748 + 0.36+0.079 + 0.043)² x 0.9

                        = 0.33 (หมายความว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ในขณะเริ่มหมุนมีเพียง 60 % ของแรงดันไฟฟ้าพิกัด แรงบิดเริ่มหมุนจะลดลงเหลือเพียง 0.33 เท่า จากเดิม 0.9 เท่าของแรงบิดพิกัด)

.

ในทางปฏิบัติจะต้องตรวจสอบ และคิดผลกระทบอันเนื่องมาจากค่าอิ่มตัวของสนามแม่เหล็ก จากโรงงานผู้ผลิต ดังรูปที่ 2 กราฟแสดง a factor คำนวณ เพื่อมาใช้เปรียบเทียบค่าที่ควรจะเป็น

(M_A1/M_N)              = a² x (M_A/M_N) = 0.56² x 0.9 = 0.282 เท่าของแรงบิดพิกัด

(M_A1/M_N)              = อัตราส่วนแรงบิดเริ่มหมุนต่อแรงบิดพิกัดเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ลดลง

.

ทดลองคำนวณหาค่าแรงดันไฟฟ้าตก (Voltage Drop) อันเนื่องจากการเริ่มหมุนมอเตอร์แบบ DOL

DU_N           = (X_N /X_Motor+ X_T + X_N + X_K) x 100 (%)

                   = (0.079/0.748 + 0.36+0.079 + 0.043) x 100 (%) = 6.42 %

.

จากเงื่อนไข “การเริ่มหมุนมอเตอร์จะต้องมีแรงดันไฟฟ้าตกไม่มากกว่า 10 % (DU_N) และแรงบิดเริ่มหมุน (M_A2/M_N) ต้องไม่ น้อย กว่า 0.25” การเริ่มหมุนมอเตอร์โดยต่อหม้อแปลงแยกวงจรออกมาอิสระสำหรับมอเตอร์สามารถทำได้ตรงตามความต้องการตามเงื่อนไข

.

ทั้งนี้ยังมีวิธีอื่น ๆ ที่ยังไม่ได้กล่าวข้างต้น เพราะไม่เป็นที่นิยมนำมาใช้ในการเริ่มหมุนมอเตอร์แรงดันสูง ยกตัวอย่างเช่น การเริ่มหมุนแบบ Part-winding Starting, Modified Part-winding Starting, Star-Delta Starting with out field Interruption ดังรูปแสดงดังต่อไปนี้

.

                                                          รูปที่ 7 การต่อวิธีการเริ่มหมุนมอเตอร์แบบต่าง ๆ

.

นอกเหนือไปจากวิธีที่นิยมทำกันดังที่ได้กล่าวไปแล้วนั้น ยังมีวิธีการเริ่มหมุนมอเตอร์โดยใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ ซึ่งเกิดจากการพัฒนาเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำ ทำให้สามารถพัฒนา Soft Starter หรือ Variable Speed Drives ที่สามารถใช้ได้กับไฟฟ้าแรงดันสูงมากกว่า 11 kV และนับวันจะมีการนำมาใช้ทางการค้ามากขึ้น ดังจะเห็นได้จา กบ ริษัทผู้ผลิตใหญ่ ๆ ของโลก ทางด้านไฟฟ้าเริ่มมีการนำเสนอทั้ง MV Soft Starter หรือ MV Variable Speed Drives ส่วนรายละเอียดทั้ง MV Soft Starter หรือ MV Variable Speed Drives สามารถหาได้โดยทั่วไปซึ่งจะเหมือนกับการใช้ในระบบไฟฟ้าแรงดันต่ำ ดังตัวอย่างวงจรภายในด้านล่างนี้ หรือสามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้จากผู้จัดจำหน่ายหรือผู้ผลิตได้โดยตรง

.

                               รูปที่ 8 แสดงวงจรภายในของ MV Soft Starter และ MV Variable Speed Drives