Research

ลดต้นทุนการผลิต เพิ่มศักยภาพการแข่งขัน รองรับประชาคมอาเซียน ด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบประสิทธิภาพสูง


 ตอนที่ 1 พื้นฐานมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำประสิทธิภาพสูง

ดร.พุทธพร เศวตสกุลานนท์  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้ากำลัง ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
22 กุมภาพันธ์ 2558  

บทนำ
       ประชาคมเศรษฐกิจอาเซียน (AEC) เกิดขึ้นมาจากการพัฒนาสมาคมประชาชาติแห่งเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ (อาเซียน) เนื่องจากสมาชิกอาเซียนเห็นว่า ปัจจุบันอาเซียนมีจำนวนประเทศ 10 ประเทศ ประชากรเกือบ 500 ล้านคน ดังนั้นถือว่าเป็นเศรษฐกิจภูมิภาคขนาดใหญ่ จึงควรร่วมมือกัน เพื่อทำให้อาเซียนมีความเข้มแข็งในด้านต่าง ๆ มากขึ้น เหตุนี้เอง ประชาคมเศรษฐกิจอาเซียนเป็นเป้าหมายการรวมตัวกันของประเทศสมาชิกอาเซียนเพื่อเพิ่มอำนาจต่อรองกับคู่ค้าและเพิ่มขีดความสามารถการแข่งขันทางด้านเศรษฐกิจระดับโลก ส่งเสริมให้ภูมิภาคมีความเจริญมั่งคั่ง มั่นคง ประชาชนอยู่ดีกินดี  โดย ประโยชน์ที่ประเทศไทยได้รับจากการเป็นประชาคมเศรษฐกิจอาเซียน (AEC)  สามารถขยายการส่งออกและโอกาสทางการค้า  เพิ่มพูนขีดความสามารถของผู้ประกอบการไทย เมื่อมีการใช้ทรัพยากรการผลิตร่วมกันทำให้เกิดความได้เปรียบเชิงแข่งขัน (Comparative Advantage)  และลดต้นทุนการผลิต   การเข้าสู่ตลาดประชาคมเศรษฐกิจอาเซียนในปี 2558 ซึ่งไทยจะต้องยกเลิกภาษีและเปิดเสรีทางการค้าให้กับประเทศสมาชิก ทำให้การแข่งขันทางการค้าจะมีความรุนแรงขึ้น ดังนั้นภาคธุรกิจไทยต้องมีการปรับตัวในหลายด้าน โดยเฉพาะการลดต้นทุนในกระบวนการผลิตเพื่อให้สามารถแข่งขันกับประเทศคู่แข่งที่มีต้นทุนการผลิตต่ำกว่าไทยได้ 

ทำไมต้องใช้มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงมาลดต้นทุนการผลิต
       ในภาคอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จะมีการนำมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับมาใช้งานในระบบการผลิตหรือกิจการจำนวนมาก ซึ่งค่าไฟฟ้าที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่ 70 % ของภาคอุตสาหกรรมจะเกิดขึ้นจากอุปกรณ์ประเภทนี้ ซึ่งจะมีค่าพลังงาน (Energy) และ ค่าความต้องการพลังงานไฟฟ้า (peak demand) รวมอยู่ด้วย ส่งผลให้ต้นทุนในการผลิตสูงขึ้น ดังนั้นในการอนุรักษ์พลังงานเพื่อลดต้นทุนการผลิตสำหรับภาคอุตสาหกรรมนั้น มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำจึงเป็นอุปกรณ์ที่ต้องพิจารณาเป็นพิเศษในการเลือกใช้งาน  โดยทั่วไปจะใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบมาตรฐานในการขับเคลื่อนภาคอุตสาหกรรม ทั้งนี้เนื่องจากการไฟฟ้าได้กำหนดลักษณะการใช้ไฟฟ้าเพื่อประกอบอุตสาหกรรม  โครงสร้างอัตราค่าไฟฟ้าค่าไฟฟ้าที่ปรากฏอยู่ในใบเสร็จรับเงินค่าไฟฟ้าแต่ละเดือนประกอบด้วย
       1. ค่าพลังงานไฟฟ้า (energy charge) คิดตามปริมาณการใช้ไฟฟ้า (ตามหน่วย หรือ kWh) ที่ใช้ในแต่ละเดือน ตามประเภทของอัตราค่าไฟฟ้าที่ใช้
       2. ค่าความต้องการพลังไฟฟ้า (demand charge) คิดจากความต้องการพลังไฟฟ้า (kW) เฉลี่ยใน 15 นาทีที่สูงสุดของช่วงเวลาในแต่ละเดือน ตามประเภทของอัตราค่าไฟฟ้าที่ใช้
       3. ค่าเพาเวอร์แฟคเตอร์ (PF.) สำหรับผู้ใช้ไฟฟ้า กิจการขนาดกลาง, ใหญ่ และเฉพาะอย่าง โดยผู้ใช้ไฟฟ้ามีค่า PF ล้าหลัง หากในรอบเดือนมีความต้องการพลังไฟฟ้ารีแอ็กทีฟเฉลี่ยใน 15 นาทีที่สูงสุด เมื่อคิดเป็น kVAR เกิน 61.97 เปอร์เซ็นต์ ของพลังไฟฟ้าแอ็กทีฟเฉลี่ยใน15 นาทีที่สูงสุด เมื่อคิดเป็น kW เฉพาะส่วนที่เกิน จะต้องเสียค่า PF. ในอัตรา กิโลวาร์ละ 56.07 บาท
       4. ค่าบริการรายเดือน
       5. ค่า Ft (fuel adjustment charge) เป็นการปรับค่าไฟฟ้าตามราคาเชื้อเพลิง การจัดส่ง ต้นทุนการผลิต
       ● การเปลี่ยนแปลงของค่าใช้จ่ายเชื้อเพลิง และค่าซื้อไฟฟ้า
       ● การเปลี่ยนแปลงของอัตราแลกเปลี่ยนเงินตราต่างประเทศ
       ● การเปลี่ยนแปลงของอัตราเงินเฟ้อ
       ● การเปลี่ยนแปลงของความต้องการไฟฟ้า

       ดังนั้นในกรณีที่จะทำการลดต้นทุนการผลิตโดยเลือกซื้อมอเตอร์ใหม่ เราควรพิจารณาเลือกมอเตอร์ให้มีขนาดที่เหมาะสมกับงานและเป็นมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง ถึงแม้ราคาจะสูงกว่าก็ตาม แต่หากเปรียบเทียบความสูญเสียในตัวมอเตอร์กับประสิทธิภาพที่ได้รับ จะคุ้มค่ากว่าสำหรับกรณีมอเตอร์ที่ใช้งานอยู่แล้วเป็นมอเตอร์แบบธรรมดา  เนื่องจากมีการใช้งานในระยะยาว มีระยะเวลาคืนทุนไม่เกิน 5 ปี
       ผู้ผลิตมอเตอร์ในยุโรปได้แบ่งประเภทของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำขนาดไม่เกิน 90 กิโลวัตต์ ตามประสิทธิภาพการใช้พลังงาน โดยใช้รหัส IE ตามด้วยตัวเลข 1-3 IE1 หมายถึงมอเตอร์ธรรมดา IE2 และ IE3 จะมีประสิทธิภาพสูงขึ้นตามลำดับ   รายละเอียดดังตารางที่ 1-3 

                

คุณลักษณะของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำประสิทธิภาพสูง
       มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ใช้ในภาคอุตสาหกรรมมีอยู่หลายประเภท แต่ที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบโรเตอร์กรงกระรอก (Squirrel Cage Rotor Induction Motor) ดังรูปที่ 1 เนื่องจากมีราคาถูกกว่ามอเตอร์ประเภทอื่นๆ แข็งแรง ง่ายต่อการบำรุงรักษา และสามารถปรับความเร็วรอบได้อย่างง่ายดาย เมื่อต่อร่วมกับอินเวอร์เตอร์ในงานที่ต้องมีการปรับเปลี่ยนความเร็วรอบ โดยมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่นิยมใช้งานทั่วไปในภาคอุตสาหกรรมแบ่งออกเป็น 2 แบบด้วยกันคือแบบเปิด (Open Drip Proof, ODP) ใช้งานทั่วไป มีราคาถูก และแบบปิดมิดชิด (Totally Enclosed Fan Cooled, TEFC) กันฝุ่นได้ดี มีราคาแพงกว่า    

รูปที่ 1 มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

       มอเตอร์ประสิทธิภาพสูง (High Efficiency Motor) จึงเป็นแนวทางหนึ่งที่ใช้ในการลดต้นทุนการผลิต โดยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงจะมีส่วนประกอบและลักษณะการทำงานเหมือนมอเตอร์แบบมาตรฐาน  มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำหมุนได้โดยอาศัยหลักการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกล โดยโครงสร้างของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำดังรูปที่ 2 มีส่วนประกอบหลัก 2 ส่วนคือ  

รูปที่ 2 โครงสร้างของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

• สเตเตอร์ (Stator)
       หมายถึงส่วนที่อยู่กับที่ ขึ้นรูปด้วยแผ่นลามิเนทที่ทำด้วยวัสดุแม่เหล็กเป็นทรงกระบอก มีขดลวดทองแดงพันอยู่ในร่องสล็อต เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าสลับสามเฟส จะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดที่มีการพันแบบสามเฟส ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุน (Rotating Magnetic Fields) หมุนอยู่ในช่องอากาศรอบๆแกนหมุน โดยความเร็วของสนามแม่เหล็กหมุนนี้ จะเรียกว่า ความเร็วซิงโครนัส (Synchronous Speed) 

• โรเตอร์ (Rotor)
       หมายถึงส่วนที่เคลื่อนที่ได้ ขึ้นรูปด้วยแผ่นลามิเนทที่ทำด้วยวัสดุแม่เหล็กเป็นรูปทรงกระบอก มีแท่งตัวนำฝังอยู่ในร่องสล๊อต สนามแม่เหล็กหมุนที่เกิดจากด้านสเตเตอร์ ก่อให้เกิดการเหนี่ยวนำแท่งตัวนำที่ฝังไว้ ก่อให้เกิดแรงบิด ทำให้มอเตอร์หมุนได้

ค่าความสูญเสียต่างๆในมอเตอร์เหนี่ยวนำ สามารถจำแนกได้ดังนี้
       1. ค่าความสูญเสียขดลวดทางด้านสเตเตอร์และโรเตอร์ (Stator and Rotor Copper Loss) ในมอเตอร์เหนี่ยวนำเมื่อมีกระแสไหลผ่านขดลวด สเตเตอร์และขดลวดโรเตอร์ ส่งผลให้เกิดค่าความสูญเสียในขดลวดทองแดง โดยเป็นที่รู้จักกันซึ่งเป็นการสูญเสียเนื่องจากค่าความต้านทาน การสูญเสียของขดลวดทองแดงทางด้านสเตเตอร์ Pcu1 และการสูญเสียของขดลวดทองแดงทางด้านโรเตอร์ Pcu2  สามารถคำนวณได้ โดยใช้กระแสเฟสทางด้านสเตเตอร์และโรเตอร์ และค่าความต้านทาน R1 และ R'2
       2. ค่าความสูญเสียของแกนเหล็ก (Core Loss) ค่าความสูญเสียแกนเหล็กประกอบด้วยค่าความสูญเสียฮีสเทอรีซีส (hysteresis loss) และค่าความสูญเสียเนื่องจากกระแสไหลวน (eddy current loss) ซึ่งเกิดจากสนามแม่เหล็กหมุนในช่องว่างกากาศ  ในมอเตอร์เหนี่ยวนำที่มีขนาดเล็ก หากมีค่าสลิปต่ำ  ค่าความสูญเสียแกนเหล็กทางด้านโรเตอร์มีค่าน้อย ดังนั้นสามารถที่จะละเลยได้
       3. ค่าความสูญเสียทางกล (Mechanical Loss) การสูญเสียทางกลประกอบด้วย การสูญเสียเนื่องจากแรงเสียดทาน (friction loss)  และการสูญเสียเนื่องจากลมปะทะ (windage loss) เมื่อมอเตอร์เหนี่ยวนำทำงาน ค่าดังกล่าวจะมีค่าเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความเร็วของมอเตอร์
       4.ค่าความสูญเสียเนื่องจากภาระ (Stray Loss) ค่าความสูญเสียทั้งหมดที่เพิ่มขึ้นขณะมอเตอร์เหนี่ยวนำมีภาระจะเรียกว่า ค่าความสูญเสียเนื่องจากภาระ ซึ่งค่าสูญเสียเนื่องจากภาระประกอบด้วยค่าความสูญเสียของขดลวดทองแดงและแกนเหล็ก ซึ่งเกิดจากฮาร์มอนิกของเส้นแรงแม่เหล็กทางด้านสเตเตอร์และขดลวดโรเตอร์ แกนเหล็กและชิ้นส่วนโลหะอื่น ๆ

ประสิทธิภาพของมอเตอร์
       ประสิทธิภาพของมอเตอร์ คือ อัตราส่วนของกำลังทางกลขาออก (Output) ต่อกำลังไฟฟ้าขาเข้า (Input)  ดังนั้นมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงจะใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยกว่า เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงรายละเอียดในการออกแบบและเลือกใช้วัสดุในการผลิตที่ดีขึ้น ส่งผลทำให้ประสิทธิภาพของมอเตอร์สูงขึ้น สามารถลดการสูญเสียพลังงานได้ประมาณร้อยละ 25-30 ประสิทธิภาพของมอเตอร์จะขึ้นอยู่กับกำลังสูญเสียในมอเตอร์ โดยทางผู้ผลิตจะทำการปรับปรุงประสิทธิภาพ มีรายละเอียดการปรับปรุงส่วนประกอบต่างๆสามารถสรุปได้ดังนี้
       ​1. ปรับปรุงคุณภาพของแกนเหล็ก มอเตอร์ธรรมดาทั่วไปใช้เหล็กแผ่นที่มีองค์ประกอบของคาร์บอนต่ำ (low carbon laminated steel) สำหรับตัวแกนเหล็กที่สเตเตอร์และโรเตอร์ซึ่งแกนเหล็กดังกล่าวมีค่าความสูญเสียสูง แต่ในมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงจะใช้แผ่นเหล็กซิลิคอนคุณภาพสูง (high grade silicon steel) ซึ่งมีค่าความสูญเสียลดลงถึงครึ่งหนึ่ง
       2. ใช้แผ่นเหล็กที่บางกว่า การลดความหนาของแผ่นเหล็กที่ใช้ทำแกนเหล็ก ทั้งในสเตเตอร์และโรเตอร์ จะช่วยลดการสูญเสียจากกระแสไหลวน (eddy current losses)
       3. ลดช่องอากาศระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์ การลดช่องอากาศที่เป็นทางเดินของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจาก สเตเตอร์ไปยังโรเตอร์ จะทำให้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผ่านช่องอากาศมาถึงโรเตอร์มีความเข้มสูงขึ้น ลดปริมาณสนามแม่เหล็กรั่ว ทำให้มอเตอร์กินพลังงานไฟฟ้าลดลง เพื่อผลิตแรงบิดเท่าเดิมและยังลดความสูญเสียจากภาระการใช้งานด้วย
       4. เพิ่มปริมาณของตัวนำ ในมอเตอร์รุ่นธรรมดาจะใช้ลวดทองแดงที่มีขนาดพอดีกับกระแสสูงสุดที่เกิดจากโหลดของมอเตอร์ แต่ในมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงจะใช้ลวดทองแดงที่สเตเตอร์มีขนาดใหญ่ขึ้น เพื่อลดความต้านทานในขดลวด โดยขนาดของตัวนำจะใหญ่กว่าประมาณร้อยละ 35-40ส่วนในโรเตอร์จะมีการออกแบบให้ตัวนำในโรเตอร์ และวงแหวนปิดหัวท้ายมีขนาดใหญ่ขึ้น เพื่อลดความต้านทานเช่นกัน
       5. ออกแบบร่องสล็อตใหม่และทำให้แกนเหล็กที่สเตเตอร์ยาวขึ้น เพื่อที่จะรองรับลวดทองแดงที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ทำให้ต้องออกแบบร่องสล็อตใหม่รวมทั้งขยายความยาวของแกนเหล็กออกไปเพื่อปรับปรุงตัวประกอบกำลังและลดค่าความหนาแน่นของสนามแม่เหล็ก 
       6. ออกแบบรูปร่างของพัดลมระบายความร้อนใหม่ การออกแบบพัดลมใหม่จะทำให้ช่วยลดแรงเสียดทานและเพิ่มอัตราการไหลของลมให้ระบายความร้อนได้ดีขึ้น
       7. ใช้ตลับลูกปืนที่ดีขึ้น เพื่อให้แรงเสียดทานน้อยลง ลดการสูญเสียทางกลจากแรงเสียดทาน

       จากการปรับปรุงข้างต้นทำให้มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงมีประสิทธิภาพสูงกว่ามอเตอร์ธรรมดา นอกจากการประหยัดพลังงานแล้ว มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงยังมีข้อดีอื่นๆอีกคือ เกิดความร้อนจากการทำงานน้อยกว่า อายุการใช้งานของฉนวนและลูกปืนยาวนานขึ้น การสั่นสะเทือนน้อยกว่า มีเสียงรบกวนน้อย และค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า (Power Factor) ที่สูงขึ้น ทำให้มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงมีความทนทานและอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่ามอเตอร์มาตรฐานอีกด้วย

เอกสารอ้างอิง
1. “เอกสารเผยแพร่เพื่อการอนุรักษ์พลังงานชุด รู้’รักษ์พลังงาน มอเตอร์” กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน
2. “คุณลักษณะเฉพาะของอุปกรณ์ประหยัดพลังงาน-มอเตอร์ประสิทธิภาพสูง (High Efficiency Motor)”, พพ.1008-2547, กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน
3. “Understanding High Efficiency Motors” ,Copper Development Centre- South East Asia
4. “Premium Efficiency Motors” ,M. Benhaddadi1, G. Olivier1, R. Ibtiouen2, J. Yelle3, and J-F Tremblay, www.intechopen.com
5. Bonnett, A.H., Yung, C.: (2008) “Increased efficiency versus increased reliability: A comparison of pre-EPAct, EPAct, and premium-efficiency motors,”. IEEE Industry application Magazine, vol.2, 2008
6) พุทธพร เศวตสกุลานนท์, “การวิเคราะห์และศึกษาเปรียบเทียบพฤติกรรมระหว่างมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบมาตรฐาน และมอเตอร์ไฟฟ้ าเหนี่ยวนำแบบประสิทธิภาพสูง”, การประชุมวิชาการ ด้านพลังงานสิ่งแวดล้อมและวัสดุ ครั้งที่ 1, คณะพลังงานสิ่งแวดล้อมและวัสดุ 31 สิงหาคม 2550 โรงแรมเดอะทวิน ทาวเวอร์ กรุงเทพ

<< ย้อนกลับ