บทที่ 33 — มอเตอร์และไดรฟ์

33.1 สนามแม่เหล็กหมุนและ Synchronous Speed (Rotating Magnetic Field)

บทที่ 5 ได้แสดงให้เห็นว่าไฟฟ้าสามเฟสประกอบด้วยแรงดันสามชุดที่มีขนาดเท่ากันแต่ต่างเฟสกันทางเวลา 120° เมื่อนำไฟสามเฟสนี้ไปจ่ายให้ขดลวดสามชุดบน stator ของมอเตอร์ที่วางห่างกันทางกายภาพ (หรือที่เรียกว่า "ทางไฟฟ้า" เมื่อคิดรวมจำนวนขั้ว) 120° รอบเส้นรอบวง จะเกิดปรากฏการณ์ที่สวยงามและเป็นหัวใจของเครื่องจักรไฟฟ้ากระแสสลับแทบทุกชนิด นั่นคือสนามแม่เหล็กลัพธ์ที่มีขนาดคงที่ (เท่ากับ 1.5 เท่าของค่า peak ต่อเฟส) แต่หมุนรอบ stator ด้วยความเร็วคงที่ ไม่ใช่สนามแม่เหล็กที่สั่นค้างอยู่กับที่แบบขดลวดเฟสเดียว การพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์อาศัยการรวมเวกเตอร์ของสนามจากทั้งสามเฟสที่ตำแหน่งต่างกันทางอวกาศและมีขนาดต่างกันทางเวลาตามฟังก์ชัน sine ผลรวมที่ได้จะกลายเป็นเวกเตอร์ขนาดคงที่หมุนรอบแกนกลาง สิ่งนี้เกิดขึ้นเองโดยไม่ต้องมีชิ้นส่วนกลไกใดเคลื่อนที่เลย เป็นผลของไฟฟ้าสามเฟสล้วนๆ

ความเร็วของสนามหมุนนี้เรียกว่า synchronous speed ($N_s$) ขึ้นกับสองปัจจัยเท่านั้น คือความถี่ไฟฟ้าที่จ่ายเข้าและจำนวนขั้วแม่เหล็ก (poles) ที่ขดลวด stator ถูกออกแบบมา ยิ่งพันขดลวดให้มีจำนวนขั้วมากเท่าไร สนามก็ยิ่งหมุนช้าลงเท่านั้นในความถี่จ่ายเท่าเดิม ที่ความถี่ระบบไฟฟ้าไทย 50 Hz มอเตอร์ 2 ขั้วจะมี $N_s$ = 3,000 รอบ/นาที, 4 ขั้ว = 1,500 รอบ/นาที, 6 ขั้ว = 1,000 รอบ/นาที และ 8 ขั้ว = 750 รอบ/นาที ตัวเลขชุดนี้ควรจดจำไว้เพราะเป็นเกณฑ์อ้างอิงเบื้องต้นที่ใช้ตรวจสอบความสมเหตุสมผลของความเร็วที่อ่านได้จาก nameplate มอเตอร์แทบทุกตัวในโรงไฟฟ้า

ทิศทางการหมุนของสนามลัพธ์ถูกกำหนดโดยลำดับเฟส (phase sequence) ที่จ่ายเข้าขดลวดแต่ละชุด หากสลับสายจ่ายไฟสองเฟสใดก็ได้ (เช่นสลับ B กับ C) ลำดับเฟสจะกลับด้าน ทำให้สนามหมุนกลับทิศทันที และมอเตอร์จะหมุนกลับทิศตามไปด้วย นี่คือเหตุผลที่หลังจากต่อสายมอเตอร์ใหม่หรือเปลี่ยนสายเคเบิลใดๆ ในวงจรมอเตอร์ ต้องตรวจสอบทิศทางการหมุนก่อนต่อเข้ากับโหลดเชิงกลเสมอ โดยเฉพาะปั๊มและพัดลมที่ออกแบบใบพัดให้ทำงานในทิศทางเดียวเท่านั้น หากหมุนผิดทิศ ประสิทธิภาพจะตกลงอย่างรุนแรงและอาจเกิดความเสียหายเชิงกล

คำถามต่อมาคือ rotor ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่หมุนได้อิสระอยู่ตรงกลาง stator รับพลังงานจากสนามหมุนนี้ไปสร้างแรงบิดได้อย่างไร คำตอบคือหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าตามกฎของฟาราเดย์ที่ได้เรียนในบทที่ 6 สนามหมุนที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กับตัวนำใน rotor จะตัดผ่านแท่งตัวนำเหล่านั้น เหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ขึ้นในตัวนำ เมื่อวงจร rotor เป็นวงจรปิด (ลัดวงจรผ่าน end ring ตามที่จะอธิบายในหัวข้อ 33.3) EMF นี้จะขับให้เกิดกระแสไหลใน rotor และเมื่อกระแสไหลอยู่ในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่อตัวนำตามกฎ F = BIL แรงนี้เองที่ลาก rotor ให้หมุนตามทิศทางของสนามหมุน นี่คือที่มาของชื่อ "induction motor" เพราะพลังงานที่ rotor ได้รับทั้งหมดมาจากการเหนี่ยวนำผ่านช่องอากาศ (air gap) ไม่มีสายไฟหรือแปรงถ่านต่อเข้า rotor โดยตรงเลย ต่างจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสในบทที่ 30 ที่ป้อนกระแส field เข้า rotor โดยตรงผ่าน exciter

ประเด็นสำคัญที่สุดของกลไกนี้คือ rotor ไม่มีวันหมุนตามทันความเร็ว synchronous speed ได้ เพราะถ้า rotor หมุนทันสนามพอดี จะไม่มีความเร็วสัมพัทธ์ระหว่างสนามกับตัวนำใน rotor อีกต่อไป ไม่มีการตัดผ่านเส้นแรงแม่เหล็ก ไม่มี EMF เหนี่ยวนำ ไม่มีกระแสใน rotor และท้ายที่สุดไม่มีแรงบิดเกิดขึ้นเลย มอเตอร์เหนี่ยวนำจึงต้องหมุนช้ากว่าสนามหมุนอยู่เสมอในระดับหนึ่ง ส่วนต่างความเร็วนี้เรียกว่า "slip" ซึ่งเป็นตัวแปรที่กำหนดพฤติกรรมแรงบิดของมอเตอร์ทั้งหมด และจะอธิบายอย่างละเอียดในหัวข้อถัดไป

โดย $N_s$ = synchronous speed (รอบ/นาที), $f$ = ความถี่ไฟฟ้า (Hz), $P$ = จำนวนขั้วแม่เหล็ก (poles)

33.2 Slip และ Torque-Slip Curve

ส่วนต่างระหว่างความเร็วสนามหมุนกับความเร็วจริงของ rotor ถูกวัดเป็นค่าไร้หน่วยที่เรียกว่า slip (สัญลักษณ์ $s$) ตอน rotor ยังนิ่งสนิทขณะเริ่ม start ความเร็วจริงเท่ากับศูนย์ ดังนั้น slip = 1 หรือ 100% เมื่อมอเตอร์เร่งขึ้นและเข้าสู่สภาวะทำงานปกติ slip จะลดลงเหลือเพียงประมาณ 0.5–3% เท่านั้น (มอเตอร์ขนาดใหญ่มักมี slip ต่ำกว่ามอเตอร์ขนาดเล็กที่พิกัดใกล้เคียงกัน เพราะสัดส่วนความต้านทาน rotor ต่อ impedance รวมน้อยกว่า) ความถี่ของกระแสที่ไหลอยู่ใน rotor ก็ไม่คงที่ที่ 50 Hz ตลอดเวลาเช่นกัน แต่เท่ากับ $s \times f$ กล่าวคือตอน start ความถี่ rotor เท่ากับความถี่จ่ายเต็ม 50 Hz แต่พอเร่งขึ้นจนใกล้ synchronous speed ความถี่ rotor จะลดลงเหลือเพียง 1–2 Hz เท่านั้น

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดที่มอเตอร์ผลิตได้กับ slip ณ ขณะนั้น เรียกว่า torque-slip curve ซึ่งมีจุดสำคัญอยู่ 3 จุดที่ผู้เรียนต้องอ่านให้เป็น จุดแรกคือ starting torque ที่ $s=1$ ซึ่งโดยทั่วไปมีค่าประมาณ 0.5–1.5 เท่าของแรงบิดพิกัด ขึ้นกับการออกแบบ rotor จุดที่สองคือ breakdown torque หรือ pull-out torque ซึ่งเป็นจุดสูงสุดของเส้นโค้งทั้งเส้น มีค่าประมาณ 2–3 เท่าของแรงบิดพิกัด เกิดขึ้นที่ slip ประมาณ 10–20% และจุดที่สามคือจุดทำงานปกติ ซึ่งอยู่บนช่วงเส้นตรงชันใกล้ $s=0$ ที่แรงบิดแปรผันตรงกับ slip เกือบเป็นเส้นตรง จุดทำงานจริงคือจุดตัดระหว่างเส้นโค้งนี้กับเส้นโค้งแรงบิดที่โหลดต้องการ (load torque curve) ซึ่งสำหรับพัดลมและปั๊มหอยโข่งจะเป็นพาราโบลา $T \propto N^2$ ตามที่จะเชื่อมโยงกับ affinity laws ในบทที่ 24 อีกครั้งเมื่อพูดถึง VFD ในหัวข้อ 33.6

หากโหลดทางกลต้องการแรงบิดเกินกว่า breakdown torque ไม่ว่าด้วยเหตุใด (เช่น สายพานติดขัด หรือโหลดเพิ่มกะทันหัน) มอเตอร์จะไม่สามารถเร่งความเร็วต่อได้ ความเร็วจะร่วงลงอย่างรวดเร็วผ่านจุด breakdown ไปเรื่อยๆ จนหยุดนิ่งที่ $s=1$ อีกครั้ง เรียกภาวะนี้ว่า "stall" ซึ่งกระแสจะค้างอยู่ที่ระดับ locked rotor current (สูงมาก) ตลอดเวลาที่ยังจ่ายไฟอยู่ และหากระบบป้องกันไม่ตัดวงจรทันเวลา ขดลวด stator จะไหม้จากความร้อนสะสม

ค่าความต้านทานของ rotor มีผลอย่างมากต่อรูปร่างของ torque-slip curve ความต้านทาน rotor สูงจะให้ starting torque สูงและกระแส start ต่ำกว่า แต่แลกมาด้วย slip ปกติที่สูงขึ้นมากซึ่งหมายถึงการสูญเสียพลังงานในรูปความร้อนที่ rotor มากขึ้น (ประสิทธิภาพต่ำลง) ในทางกลับกันความต้านทานต่ำให้ประสิทธิภาพดีเยี่ยมตอนเดินเครื่องปกติแต่ starting torque จะอ่อน มอเตอร์ squirrel cage สมัยใหม่แก้โจทย์นี้ได้อย่างชาญฉลาดด้วยการออกแบบแท่งตัวนำแบบ deep bar หรือ double cage ซึ่งอาศัยปรากฏการณ์ skin effect ตอน start ที่ความถี่ rotor สูง (50 Hz) กระแสจะถูกดันให้ไหลกระจุกอยู่แถบผิวบนของแท่งตัวนำ ทำให้ความต้านทานปรากฏสูงกว่าปกติ (starting torque ดี) แต่เมื่อมอเตอร์เร่งขึ้นความถี่ rotor ลดลงเหลือไม่กี่ Hz กระแสจะกระจายทั่วหน้าตัดแท่งตัวนำตามปกติ ความต้านทานปรากฏจะลดลงเองโดยอัตโนมัติ (ประสิทธิภาพดีตอนทำงานปกติ) โดยไม่ต้องมีกลไกสวิตช์ใดๆ เพิ่มเติม

มองในมุมพลังงาน กำลังไฟฟ้าที่ไหลเข้ามอเตอร์ ($P_{in}$) จะสูญเสียบางส่วนที่ความต้านทานขดลวด stator ก่อนเดินทางผ่าน air gap ไปยัง rotor ในรูปของ air gap power ($P_{ag}$) ณ จุดนี้พลังงานจะแบ่งออกเป็นสองส่วนตามสัดส่วนของ slip นั่นคือส่วนที่สูญเสียเป็นความร้อนใน rotor เท่ากับ $s \times P_{ag}$ และส่วนที่เปลี่ยนเป็นกำลังกลจริงเท่ากับ $(1-s) \times P_{ag}$ ก่อนหักด้วย friction และ windage loss จะเหลือเป็นกำลังที่เพลาจ่ายออกจริง ($P_{shaft}$) สมการนี้แสดงให้เห็นชัดเจนว่ายิ่ง slip สูงเท่าไร สัดส่วนพลังงานที่สูญเสียเป็นความร้อนใน rotor ก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งเป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่มอเตอร์ไม่ควรถูกปล่อยให้ทำงานที่ slip สูงเป็นเวลานาน

โดย $s$ = slip (ต่อหน่วย), $N_s$ = synchronous speed (รอบ/นาที), $N$ = ความเร็ว rotor จริง (รอบ/นาที)

โดย $T$ = แรงบิด (N·m), $I_2'$ = กระแส rotor แปลงมาด้าน stator (A), $R_2'$ = ความต้านทาน rotor แปลงมาด้าน stator (Ω), $s$ = slip, $\omega_s$ = ความเร็วเชิงมุม synchronous (rad/s)

33.3 โครงสร้างมอเตอร์เหนี่ยวนำ (Construction)

Stator ของมอเตอร์เหนี่ยวนำสร้างจากแผ่นเหล็กซิลิคอนบางอัดซ้อนกันเป็นแกน (laminated core) ด้วยเหตุผลเดียวกับแกนหม้อแปลงที่ได้เรียนในบทที่ 32 คือลดการสูญเสีย eddy current ในแกนเหล็ก บนแกนนี้มีร่องสำหรับใส่ขดลวดสามเฟส มอเตอร์ระดับ MV (Medium Voltage — แรงดันปานกลาง) ขนาดใหญ่มักใช้ขดลวดแบบ form-wound คือขึ้นรูปขดลวดให้พอดีกับร่องล่วงหน้าก่อนสอดใส่ ในขณะที่มอเตอร์ LV (Low Voltage — แรงดันต่ำ) ขนาดเล็กมักใช้แบบ random-wound ที่พันสายเข้าร่องโดยตรง หลังพันขดลวดเสร็จ ขดลวดทั้งชุดจะถูกชุบด้วยกรรมวิธี VPI (Vacuum Pressure Impregnation — การอาบน้ำยาวานิชภายใต้สุญญากาศและความดัน) เพื่อให้วานิชแทรกซึมเข้าไปทุกช่องว่างระหว่างเส้นลวด ทำหน้าที่ทั้งกันความชื้นและยึดขดลวดให้แน่นหนาพอจะทนแรงทางกลจากกระแส inrush มหาศาลตอน start ได้

ส่วน rotor ของมอเตอร์เหนี่ยวนำมีสองแบบหลัก แบบแรกและพบมากที่สุดคือ squirrel cage rotor ซึ่งประกอบด้วยแท่งตัวนำ (อลูมิเนียมหล่อในมอเตอร์ขนาดเล็ก หรือทองแดง/ทองแดงผสมในมอเตอร์ขนาดใหญ่) ฝังอยู่ในร่องของแกน rotor โดยปลายทั้งสองข้างเชื่อมเข้ากับ end ring ทำให้มีรูปร่างคล้ายกรงกระรอกเมื่อมองจากภายนอก rotor ชนิดนี้ไม่มีแปรงถ่านและไม่มีจุดสัมผัสทางไฟฟ้าใดๆ ที่สึกหรอได้เลย จึงทนทานที่สุดในบรรดามอเตอร์ทุกชนิดและครองส่วนแบ่งการใช้งานในโรงไฟฟ้าเกือบทั้งหมด แบบที่สองคือ wound rotor หรือ slip ring motor ซึ่ง rotor พันขดลวดสามเฟสจริงคล้ายกับ stator แล้วต่อออกภายนอกผ่าน slip ring และแปรงถ่านไปยังตัวต้านทานภายนอก การมีตัวต้านทานภายนอกนี้ทำให้ปรับความต้านทาน rotor ได้ระหว่าง start (เพิ่ม starting torque ได้สูงพร้อมกระแส start ต่ำ) แล้วจึงลัดวงจรตัวต้านทานทิ้งเมื่อเดินเครื่องปกติ มอเตอร์ชนิดนี้เหมาะกับโหลดที่มีความเฉื่อย (inertia) สูงมากอย่าง mill หรือ crusher แต่ต้องบำรุงรักษาแปรงถ่านและ slip ring อย่างสม่ำเสมอ ปัจจุบันบทบาทนี้ถูก VFD เข้ามาแทนที่เกือบหมดแล้วดังจะกล่าวในหัวข้อ 33.6

1. Copper End Ring (Short-Circuit Ring) — วงแหวนทองแดงที่ปลายทั้งสองข้างของ rotor ทำหน้าที่ลัดวงจรปลายแท่งตัวนำทั้งหมดเข้าด้วยกัน ทำให้กระแสเหนี่ยวนำไหลวนครบวงจรได้โดยไม่ต้องมีสายไฟภายนอกใดๆ เลย เป็นที่มาของชื่อ "squirrel cage" เพราะรูปร่างคล้ายกรงกระรอกเมื่อมองจากภายนอก (ปรากฏทั้งสองด้านของภาพ)
2. Copper Bars (Conductors) — แท่งตัวนำทองแดงวางขนานกับแกนเพลา ฝังอยู่ในร่องของแกน rotor คือตัวนำที่รับกระแสเหนี่ยวนำจากสนามหมุนของ stator ตามหลักการที่อธิบายในหัวข้อ 33.1 กระแสที่ไหลในแท่งเหล่านี้เมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กจะเกิดแรง F = BIL ลาก rotor ให้หมุนตาม
3. Rotor Core (Laminated Steel) — แกนเหล็กซิลิคอนอัดซ้อนเป็นแผ่นบางๆ เช่นเดียวกับแกน stator เพื่อลดการสูญเสีย eddy current แกนนี้ทำหน้าที่เป็นเส้นทางให้ฟลักซ์แม่เหล็กไหลผ่านและเป็นโครงยึดแท่งตัวนำให้อยู่ในตำแหน่ง
4. Shaft — เพลาส่งกำลังกลออกจาก rotor ไปยังโหลดที่ต่อพ่วง ปรากฏยื่นออกทั้งสองด้านของภาพ ด้านหนึ่งมักต่อกับโหลดผ่าน coupling ส่วนอีกด้านอาจต่อกับพัดลมระบายความร้อนภายในตัวมอเตอร์เอง
5. Slots in Laminations (House Copper Bars) — ร่องบนแกนเหล็กที่ใช้บรรจุแท่งตัวนำทองแดง เห็นชัดในส่วนที่ถูกตัดออกหนึ่งในสี่ของภาพ จำนวนร่องและรูปร่างร่องมีผลต่อ starting torque และเสียงรบกวนทางแม่เหล็ก (magnetic noise) ของมอเตอร์
6. Quarter Section Removed to Reveal Squirrel Cage Construction — กล่องข้อความอธิบายว่าภาพนี้ตัดแกน rotor ออกหนึ่งในสี่ส่วนเพื่อให้เห็นโครงสร้างแท่งตัวนำภายในที่ปกติจะถูกซ่อนอยู่ใต้ผิวแกนเหล็ก ในการใช้งานจริง rotor จะมีลักษณะเป็นทรงกระบอกเรียบไม่มีส่วนใดถูกตัดออก

ในแง่การระบายความร้อน มอเตอร์ในโรงไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้แบบ TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled — ปิดสนิทระบายความร้อนด้วยพัดลม) ซึ่งมีครีบระบายความร้อนรอบเปลือกนอกและพัดลมติดที่ปลายเพลาด้านตรงข้ามโหลด เป็นชนิดที่พบมากที่สุดเพราะทนสภาพแวดล้อมนอกอาคารได้ดี ส่วน ODP (Open Drip Proof — เปิดระบายอากาศแต่กันหยดน้ำจากด้านบน) ใช้ในงานภายในอาคารที่สะอาดและมีการควบคุมสภาพแวดล้อม สำหรับมอเตอร์ MV ขนาดใหญ่มากมักใช้ระบบระบายความร้อนแบบ CACA หรือ CACW (Air-to-Air / Air-to-Water heat exchanger — เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอากาศ-อากาศ หรืออากาศ-น้ำ) ติดตั้งไว้บนหลังเครื่อง ซึ่งช่วยให้ระบายความร้อนได้มากขึ้นโดยไม่ต้องดูดอากาศภายนอกที่อาจมีฝุ่นหรือความชื้นเข้าสู่ขดลวดโดยตรง ด้านตลับลูกปืน มอเตอร์ขนาดเล็กถึงกลางใช้ ball หรือ roller bearing ในขณะที่มอเตอร์ขนาดใหญ่แบบ 2 ขั้วมักใช้ sleeve bearing (ดูรายละเอียดเรื่องความเสียหายของตลับลูกปืนจาก shaft current ในบทที่ 41 ซึ่งเป็นปัญหาที่กลับมาเด่นชัดขึ้นเมื่อใช้ VFD) มาตรฐานการป้องกันการเข้าของฝุ่นและน้ำ (Enclosure/IP rating) ที่นิยมใช้งาน outdoor ในโรงไฟฟ้าคือ IP54–IP55 และมอเตอร์ขนาดใหญ่มักมี space heater ติดตั้งภายในเพื่อป้องกันความชื้นควบแน่นในขดลวดขณะมอเตอร์หยุดเดินเป็นเวลานาน

1. Stator frame / housing — โครงเหล็กหล่อภายนอกที่ยึดแกนเหล็ก stator ไว้ทั้งชุด มีครีบยื่นรอบตัวสำหรับระบายความร้อนและมีขาตั้งยึดกับฐานมอเตอร์
2. Coil overhang — ส่วนปลายขดลวดที่โผล่พ้นออกมาจากร่องแกนเหล็กทั้งสองด้าน เป็นจุดที่ขดลวดต้องเปลี่ยนทิศทางเพื่อไปเชื่อมต่อกับขดลวดชุดถัดไปตามลำดับเฟส เป็นจุดเปราะบางที่สุดต่อแรงทางกลระหว่าง start เพราะไม่มีร่องแกนเหล็กช่วยรับแรง
3. Form-wound copper coil — ขดลวดทองแดงที่ขึ้นรูปเป็นแท่งแข็งพอดีกับหน้าตัดร่องไว้ล่วงหน้าก่อนสอดใส่ ต่างจาก random-wound ที่พันสายกลมเข้าร่องโดยตรง วิธีนี้ใช้กับมอเตอร์ MV เพราะควบคุมฉนวนและระยะห่างทางไฟฟ้าได้แม่นยำกว่าที่ระดับแรงดันสูง
4. Coil lacing — เชือกหรือแถบผูกยึดขดลวดส่วน overhang ให้อยู่กับที่ ป้องกันการสั่นสะเทือนและการเสียดสีของฉนวนขดลวดระหว่างการทำงาน ซึ่งถ้าเสียดสีนานเข้าจะทำให้ฉนวนสึกจนลัดวงจรได้
5. Slot insulation — ฉนวนบุผิวในร่องแกนเหล็กก่อนใส่ขดลวด ป้องกันไม่ให้ทองแดงสัมผัสกับแกนเหล็กที่ต่อลงดินโดยตรง (ป้ายในภาพสะกดเพี้ยนเล็กน้อยเป็น "insulatIon" แต่อ่านเข้าใจได้ชัดเจนว่าคือ "insulation")
6. Stator laminations (core) — แผ่นเหล็กซิลิคอนอัดซ้อนกันเป็นแกน stator เห็นเป็นชั้นบางๆ เรียงกันรอบวง ทำหน้าที่เป็นเส้นทางฟลักซ์แม่เหล็กเช่นเดียวกับแกน rotor ที่กล่าวไปก่อนหน้า
7. Coil side insulation — ฉนวนที่ด้านข้างของขดลวดในช่วงที่อยู่ในร่อง แยกทองแดงแต่ละรอบไม่ให้สัมผัสกันเองและแยกจากผนังร่อง เป็นชั้นฉนวนที่กำหนดระดับ insulation class ของมอเตอร์ตามที่จะอธิบายในหัวข้อถัดไป
8. Wedge — ลิ่มปิดปากร่องแกนเหล็กหลังใส่ขดลวดเรียบร้อยแล้ว ทำหน้าที่ยึดขดลวดไม่ให้กระเด็นออกจากร่องด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางขณะหมุน

33.4 Nameplate และ Ratings

แผ่นป้าย nameplate ที่ติดอยู่บนตัวมอเตอร์ทุกตัวบรรจุข้อมูลที่จำเป็นต่อการใช้งานอย่างถูกต้องไว้ครบถ้วน เริ่มจากกำลังพิกัด (kW หรือ HP) แรงดันใช้งาน กระแสพิกัดเต็มโหลดหรือ FLC (Full Load Current — กระแสที่โหลดเต็มพิกัด) ความเร็วรอบที่พิกัด (ซึ่งบอก slip โดยปริยาย เช่น nameplate ระบุ 1,485 รอบ/นาที ผู้อ่านสามารถคำนวณย้อนกลับได้ทันทีว่าเป็นมอเตอร์ 4 ขั้วที่มี slip 1%) ตัวประกอบกำลัง (PF — Power Factor) ที่พิกัด ประเภทการเดินเครื่อง (duty) ซึ่งมอเตอร์ในโรงไฟฟ้าเกือบทั้งหมดเป็น S1 หรือ continuous duty คือเดินต่อเนื่องได้ตลอดไม่จำกัดเวลา รวมถึงเงื่อนไขอ้างอิงที่ใช้กำหนดพิกัดเหล่านี้ เช่น อุณหภูมิแวดล้อม 40 °C และความสูงจากระดับน้ำทะเลไม่เกิน 1,000 เมตร ซึ่งหากใช้งานจริงเกินเงื่อนไขเหล่านี้ (เช่น ห้องเครื่องร้อนกว่า 40 °C) มอเตอร์จะต้องถูก derate ลง

ระดับประสิทธิภาพของมอเตอร์เหนี่ยวนำถูกกำหนดเป็นมาตรฐานสากลตาม IEC (International Electrotechnical Commission — คณะกรรมาธิการระหว่างประเทศว่าด้วยมาตรฐานสาขาอิเล็กทรอเทคนิกส์) เลข 60034-30 แบ่งเป็น IE1 (standard efficiency) → IE2 (high efficiency) → IE3 (premium efficiency ซึ่งเป็นเกณฑ์ขั้นต่ำตามกฎหมายของหลายประเทศในปัจจุบัน) → IE4 (super premium efficiency) ตัวอย่างเช่นมอเตอร์ขนาด 110 kW แบบ 4 ขั้ว ระดับ IE3 มีประสิทธิภาพประมาณ 95.4% ในขณะที่ IE4 อยู่ที่ประมาณ 96.3% แม้ตัวเลขต่างกันเพียงราว 1% แต่สำหรับมอเตอร์ที่เดินเครื่องต่อเนื่อง 8,000 ชั่วโมงต่อปีอย่างมอเตอร์อุปกรณ์ช่วยในโรงไฟฟ้า ผลต่างพลังงานที่ประหยัดได้สะสมกันเป็นตัวเลขที่คุ้มค่าการลงทุนเปลี่ยนมอเตอร์ในเวลาไม่นาน

Service factor (SF) คือตัวคูณโหลดเกินพิกัดที่มอเตอร์รับได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่เสียหาย เช่น SF 1.15 หมายถึงมอเตอร์รับโหลดได้ถึง 115% ของพิกัดตลอดเวลา แต่แลกมาด้วยฉนวนที่ร้อนขึ้นและอายุการใช้งานสั้นลง ในขณะที่ SF 1.0 หมายถึงห้ามใช้งานเกินพิกัดเด็ดขาด มาตรฐาน IEC มักกำหนด SF ไว้ที่ 1.0 ในขณะที่มาตรฐาน NEMA (National Electrical Manufacturers Association — สมาคมผู้ผลิตเครื่องใช้ไฟฟ้าแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา) นิยมกำหนดไว้ที่ 1.15 ผู้เรียนควรตรวจสอบค่านี้บน nameplate ก่อนพิจารณาว่ามอเตอร์รับโหลดเกินพิกัดชั่วคราวได้หรือไม่

Insulation class คืออุณหภูมิสูงสุดที่ฉนวนขดลวดทนได้ก่อนเสื่อมสภาพเร็วผิดปกติ แบ่งเป็น class B ทนได้ 130 °C, class F ทนได้ 155 °C และ class H ทนได้ 180 °C แนวปฏิบัติที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมปัจจุบันคือ "class F insulation, class B temperature rise" หมายถึงใช้วัสดุฉนวนระดับ F (ทนได้ 155 °C) แต่ออกแบบให้ขดลวดร้อนขึ้นจริงเพียงเท่าเกณฑ์ของ class B (rise 80 K) เท่านั้น การเผื่อ margin ไว้ 25 K เช่นนี้ช่วยยืดอายุฉนวนได้ยาวขึ้นเกือบเท่าตัว ตามกฎอัตราส่วนที่รู้จักกันดีในวงการฉนวนไฟฟ้าว่าทุกๆ 10 K ที่อุณหภูมิใช้งานลดลง อายุฉนวนจะยืดขึ้นเป็นสองเท่า

จำนวนครั้งที่อนุญาตให้ start มอเตอร์ต่อชั่วโมงถูกจำกัดด้วยความร้อนที่สะสมใน rotor ระหว่างช่วงเร่งความเร็ว เพราะดังที่อธิบายในหัวข้อ 33.2 ช่วง start คือช่วงที่ slip สูงสุดและ loss ใน rotor สูงสุดเช่นกัน มอเตอร์ขนาดใหญ่ทั่วไปมักอนุญาตให้ start ได้ 2 ครั้งจากสภาพเย็น (cold) หรือ 1 ครั้งจากสภาพร้อน (hot) แล้วต้องรอให้ความร้อนสะสมในตัวมอเตอร์ระบายออกก่อนจึง start ซ้ำได้อีก การฝ่าฝืนกฎนี้คือสาเหตุคลาสสิกของ rotor bar ที่แตกร้าวโดยที่ไม่มีใครรู้ตัวในทันที กว่าจะตรวจพบก็มักเป็นภายหลังจากการวิเคราะห์สัญญาณ vibration หรือกระแสผิดปกติ ในส่วนของกระแส locked rotor ซึ่งเกิดขึ้นตอน rotor ยังนิ่งสนิท มีค่าประมาณ 6–8 เท่าของ FLC และมอเตอร์ทนกระแสระดับนี้ได้เพียงเวลาจำกัด (hot stall time ทั่วไปอยู่ที่ 10–20 วินาที) ดังนั้นเวลาที่ใช้ start จริงต้องสั้นกว่า stall time นี้พร้อมมี margin เผื่อไว้เสมอ มิเช่นนั้นระบบป้องกันจะต้องตัดวงจรก่อนที่ขดลวดจะเสียหาย

1. Terminal box — กล่องต่อสายไฟฟ้าเข้าขั้วมอเตอร์ ภายในมีขั้วต่อ U1 V1 W1 (และ U2 V2 W2 ในมอเตอร์ที่ออกแบบให้ต่อได้ทั้งแบบ star และ delta) เป็นจุดเชื่อมต่อเดียวระหว่างวงจรไฟฟ้าภายนอกกับขดลวด stator ภายใน
2. Axial cooling fins — ครีบระบายความร้อนที่หล่อเป็นเนื้อเดียวกับเปลือกมอเตอร์ วางตามแนวยาวขนานกับเพลา เพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสอากาศเพื่อระบายความร้อนจากภายในตัวมอเตอร์ออกสู่บรรยากาศ เป็นลักษณะเด่นของมอเตอร์ TEFC ตามที่อธิบายในหัวข้อก่อนหน้า
3. Fan cowl — ฝาครอบพัดลมระบายความร้อนที่ปลายเพลาด้านตรงข้ามกับโหลด ป้องกันไม่ให้มีวัตถุแปลกปลอมเข้าไปสัมผัสใบพัดที่หมุนด้วยความเร็วสูง พร้อมเปิดช่องให้ลมเข้า-ออกเพื่อพัดผ่านครีบระบายความร้อน
4. Output shaft — เพลาส่งกำลังกลด้านที่ต่อกับโหลด (ปั๊ม พัดลม หรือคอมเพรสเซอร์) ผ่าน coupling โดยตรง
5. Mounting feet — ขาตั้งยึดมอเตอร์กับฐานคอนกรีตหรือโครงเหล็ก ต้องปรับแนวศูนย์ (alignment) กับเพลาโหลดให้ตรงก่อนขันน็อตยึดถาวร เพื่อป้องกันแรงสั่นสะเทือนผิดปกติที่ตลับลูกปืนในระยะยาว

33.5 วิธี Start มอเตอร์ (Starting Methods)

วิธี start มอเตอร์เหนี่ยวนำที่ง่ายที่สุดคือ DOL (Direct On Line — ต่อตรงเข้าสายจ่ายไฟเต็มแรงดันทันที) ซึ่งให้แรงบิดเต็มที่และใช้อุปกรณ์น้อยที่สุด แต่แลกมาด้วยกระแสที่พุ่งสูงถึง 6–8 เท่าของ FLC ตลอดช่วงเวลาที่มอเตอร์กำลังเร่งความเร็ว ไม่ใช่แค่ชั่ววูบขณะสัมผัสไฟเท่านั้น กระแสระดับนี้ทำให้เกิด voltage dip ที่บัสจ่ายไฟ ซึ่งอาจกระทบอุปกรณ์อื่นที่ต่ออยู่บัสเดียวกัน วิธีนี้ใช้ได้ก็ต่อเมื่อระบบไฟฟ้า "แข็ง" พอ กล่าวคือมีกำลังลัดวงจร (short-circuit capacity) สูงเพียงพอจนแรงดันที่บัสไม่ตกเกินเกณฑ์หยาบทั่วไปที่ 10–15%

วิธี star-delta ช่วยลดกระแส start โดยเริ่มต่อขดลวดมอเตอร์แบบ star ก่อน (แรงดันตกคร่อมแต่ละขดลดลงเหลือ $V/\sqrt{3}$) แล้วจึงสลับมาต่อแบบ delta เมื่อความเร็วใกล้ถึงพิกัด ผลคือกระแสที่ดึงจากระบบและแรงบิดที่ได้ลดลงเหลือเพียง 1/3 ของค่า DOL ทั้งคู่ ข้อควรระวังสำคัญคือจังหวะสลับจาก star ไปยัง delta แบบ open transition (ตัดวงจรชั่วขณะก่อนสลับ) จะทำให้เกิดกระแสกระชากซ้ำอีกครั้งหนึ่ง และหากโหลดต้องการแรงบิดสูงตั้งแต่ช่วงเริ่มต้น มอเตอร์อาจเร่งความเร็วไม่ผ่านช่วง star ได้เลยเพราะแรงบิดเหลือเพียง 1/3

วิธี autotransformer starting ใช้หม้อแปลงปรับแรงดันชั่วคราวที่มี tap มาตรฐานให้เลือกที่ 50/65/80% ของแรงดันเต็ม ทั้งกระแสที่ดึงจากระบบและแรงบิดที่ได้จะลดลงตามสัดส่วนกำลังสองของ tap ที่เลือก เช่นเลือก tap 65% กระแสและแรงบิดจะเหลือ $0.65^2 \approx 0.42$ เท่าของค่า DOL วิธีนี้ให้อัตราส่วนแรงบิดต่อกระแสที่ดีกว่า star-delta และนิยมใช้กับมอเตอร์ MV ขนาดใหญ่ที่ star-delta ไม่เพียงพอ

Soft starter ใช้อุปกรณ์ thyristor ควบคุมการลดแรงดันแบบไล่ระดับ (ramp) อย่างต่อเนื่อง สามารถตั้งค่า current limit ได้ (โดยทั่วไป 2.5–4 เท่าของ FLC) ให้ผลการ start ที่นุ่มนวลไม่มี transition shock เหมือน star-delta และยังมีฟังก์ชัน soft stop ที่ช่วยป้องกัน water hammer ในระบบปั๊มได้อีกด้วย อย่างไรก็ตามแรงบิดยังคงลดลงตามสัดส่วนกำลังสองของแรงดันเช่นเดียวกับวิธีลดแรงดันอื่นๆ และ soft starter ไม่สามารถปรับความเร็วขณะเดินเครื่องปกติได้ เพราะเมื่อมอเตอร์ถึงความเร็วพิกัดแล้วจะมี bypass contactor สับลัดผ่าน thyristor เพื่อลดความสูญเสียความร้อน

วิธี start ด้วย VFD ให้กระแส start ต่ำที่สุดในบรรดาทุกวิธี เพียง 1–1.5 เท่าของ FLC เท่านั้น เพราะ VFD จ่ายความถี่ต่ำก่อนแล้วค่อยไล่ความถี่ขึ้นทีละน้อยตามที่จะอธิบายในหัวข้อ 33.6 เป็นวิธีที่นุ่มนวลที่สุดและมีราคาแพงที่สุดในกลุ่ม แต่ก็ได้ความสามารถควบคุมความเร็วขณะเดินเครื่องแถมมาด้วย การเลือกวิธี start ที่เหมาะสมพิจารณาจาก 3 ปัจจัยหลักคือ ความแข็งของระบบไฟฟ้า ณ จุดต่อ (voltage dip ที่ยอมรับได้) แรงบิดที่โหลดต้องการระหว่างช่วงเร่งความเร็ว (โหลดประเภทพัดลมและปั๊มเริ่มต้นเบา เหมาะกับวิธีลดแรงดัน ในขณะที่โหลดประเภทสายพานลำเลียงหรือ mill เริ่มต้นหนักอาจต้องใช้ DOL หรือ VFD เท่านั้น) และงบประมาณที่มีอยู่

โดย $T_{start}$ = แรงบิดเมื่อลดแรงดัน (N·m), $T_{DOL}$ = แรงบิดเมื่อ start เต็มแรงดัน (N·m), $V$ = แรงดันจ่ายขณะ start เทียบกับพิกัด (V) — แรงบิดแปรผันตามแรงดันยกกำลังสองเสมอ

33.6 VFD — Variable Frequency Drive

VFD ประกอบด้วยสามส่วนหลักเรียงต่อกัน เริ่มจาก rectifier (ชุดวงจรเรียงกระแสที่ใช้ไดโอดหรือ IGBT — Insulated-Gate Bipolar Transistor, ทรานซิสเตอร์กำลังชนิดหนึ่งที่สับ-ปิดเร็วมาก — แปลงไฟ AC ขาเข้าให้เป็น DC) ต่อด้วย DC link (ชุดตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ทำหน้าที่กรองแรงดัน DC ให้เรียบและเป็นแหล่งพลังงานสำรองชั่วขณะ) และปิดท้ายด้วย inverter (ชุด IGBT ชุดเดียวกันนี้สับ-ปิดสร้างสัญญาณ PWM — Pulse Width Modulation หรือการมอดูเลตความกว้างพัลส์ ที่ความถี่ switching ประมาณ 2–16 kHz เพื่อสังเคราะห์ไฟ AC ความถี่และแรงดันตามที่ต้องการส่งออกไปยังมอเตอร์)

หลักการควบคุมพื้นฐานที่สุดเรียกว่า V/f control หรือ scalar control ซึ่งรักษาอัตราส่วนแรงดันต่อความถี่ (V/f) ให้คงที่ตลอดช่วงควบคุม เหตุผลย้อนกลับไปที่สมการ $E = 4.44 f N \Phi$ ซึ่งได้เรียนตอนหม้อแปลงในบทที่ 32 หากลดความถี่ลงโดยไม่ลดแรงดันตามสัดส่วน ฟลักซ์ในแกนเหล็กจะเพิ่มขึ้นจนอิ่มตัว ดังนั้น VFD จึงต้องลดแรงดันลงพร้อมกับความถี่เสมอเพื่อรักษาฟลักซ์ในแกนให้คงที่ ผลคือมอเตอร์ผลิตแรงบิดได้คงที่ตลอดช่วงตั้งแต่ความเร็วศูนย์ถึง base speed (ความเร็วพิกัด nameplate) เมื่อความถี่เพิ่มเกิน base speed ขึ้นไป แรงดันจะชนเพดานที่แรงดันพิกัดของ VFD ไม่สามารถเพิ่มตามได้อีก เรียกช่วงนี้ว่า field weakening ซึ่งแรงบิดที่ได้จะลดลงตามสัดส่วน $1/f$ เพียงพอสำหรับโหลดประเภทพัดลมและปั๊มที่ไม่ต้องการแรงบิดสูงที่ความเร็วเกินพิกัด

ส่วน vector control หรือ field-oriented control เป็นเทคนิคที่ซับซ้อนกว่า โดยแยกกระแสมอเตอร์ทางคณิตศาสตร์ออกเป็นสองส่วนที่ควบคุมอิสระจากกัน คือส่วนที่สร้างฟลักซ์และส่วนที่สร้างแรงบิด คล้ายกับการควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงที่แยกวงจร field กับ armature ออกจากกันโดยธรรมชาติ วิธีนี้ให้การควบคุมแรงบิดที่แม่นยำและตอบสนองเร็ว เหมาะกับโหลดที่ต้องการ dynamic response สูง ในทางปฏิบัติ sensorless vector control (ไม่ต้องติดตั้ง encoder วัดความเร็วจริงเพิ่ม) ก็เพียงพอสำหรับงานส่วนใหญ่ในโรงไฟฟ้าแล้ว

ประโยชน์ที่ใหญ่ที่สุดของ VFD ในโรงไฟฟ้าคือการควบคุม flow ของพัดลมและปั๊มด้วยการปรับความเร็วรอบโดยตรง แทนที่จะควบคุม flow ด้วย damper หรือ throttle valve ที่ความเร็วรอบคงที่แบบเดิม ตาม affinity laws ที่ได้เรียนในบทที่ 24 กำลังงานที่ใช้แปรผันตามความเร็วยกกำลังสาม ($P \propto N^3$) ดังนั้นการลดความเร็วลงเพียง 20% จะใช้กำลังงานเหลือเพียงประมาณ 51% เท่านั้น ในขณะที่การหรี่ damper ให้ได้ flow เท่ากันที่ 80% ยังคงกินกำลังงานสูงถึง 85–90% ของพิกัดเต็ม เพราะพลังงานส่วนเกินถูกทิ้งไปเป็น pressure drop ที่ damper แทนที่จะไม่ถูกผลิตขึ้นมาตั้งแต่ต้น

อย่างไรก็ตาม มีข้อควรระวังทางวิศวกรรมหลายประการที่ต้องพิจารณาเมื่อติดตั้ง VFD ประการแรกคือ dv/dt (อัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันต่อเวลา) ที่สูงมากจากการสับ PWM อาจทำร้ายฉนวนขดลวดของมอเตอร์รุ่นเก่าที่ไม่ได้ออกแบบมารองรับ โดยเฉพาะเมื่อสายเคเบิลระหว่าง VFD กับมอเตอร์ยาว จำเป็นต้องติดตั้ง dv/dt filter หรือเลือกใช้มอเตอร์ชนิด inverter-duty ที่ออกแบบฉนวนมาให้ทนสภาพนี้โดยเฉพาะ ประการที่สองคือ bearing current ที่เกิดจาก common-mode voltage ของ PWM ซึ่งอาจไหลผ่านตลับลูกปืนของมอเตอร์จนกัดกร่อนผิวลูกปืนเป็นรอยลูกฟูก (fluting) แก้ไขได้ด้วยการใช้ insulated bearing หรือติดตั้ง shaft grounding ring ประการที่สามคือ harmonics ทางด้านไฟเข้าที่ VFD ขนาดใหญ่สร้างขึ้น ซึ่งแก้ได้ด้วยวงจร rectifier แบบ 12 หรือ 18 pulse หรือใช้ active front end และประการสุดท้ายคือ เมื่อเดินเครื่องที่ความเร็วต่ำเป็นเวลานาน พัดลมระบายความร้อนภายในตัวมอเตอร์เองก็หมุนช้าลงตามไปด้วย (เพราะติดอยู่บนเพลาเดียวกัน) ทำให้ระบายความร้อนได้น้อยลง บางกรณีจำเป็นต้องติดตั้งพัดลมระบายความร้อนแยกต่างหาก (external blower) ที่หมุนด้วยความเร็วคงที่ไม่ขึ้นกับความเร็วมอเตอร์

สำหรับ VFD ระดับ MV (แรงดัน 3.3, 6.6 หรือ 11 kV) มักใช้โครงสร้างวงจรแบบ cell-cascaded หรือ NPC (Neutral Point Clamped — วงจรหนีบจุดนิวทรัล) ซึ่งมีราคาสูงกว่าระดับ LV มาก จึงคุ้มค่าเฉพาะกับโหลดขนาดใหญ่ที่การใช้ damper/throttle แบบเดิมทิ้งพลังงานไปมากเป็นพิเศษ เช่นมอเตอร์ boiler feed pump หรือ FD/ID fan ที่ได้กล่าวถึงพฤติกรรมในบทที่ 18 และ 23

โดย $P$ = กำลังเพลาของพัดลมหรือปั๊ม (kW), $N$ = ความเร็วรอบ (รอบ/นาที) — affinity law ข้อที่สามตามที่ได้เรียนในบทที่ 24

1. Control power supply — แหล่งจ่ายไฟขนาดเล็กสำหรับวงจรควบคุมภายในตู้ VFD เอง แยกออกจากวงจรกำลังหลักที่ป้อนมอเตอร์ เพื่อให้ระบบควบคุมยังทำงานได้แม้วงจรกำลังหลักถูกตัด
2. Control board (PCB) — แผงวงจรควบคุมหลักที่ประมวลผลคำสั่งความเร็ว สร้างสัญญาณ PWM ส่งไปยัง gate driver และรับสัญญาณป้อนกลับต่างๆ เทียบได้กับ "สมอง" ของ VFD ทั้งชุด
3. I/O terminals — ขั้วต่อสัญญาณเข้า-ออกสำหรับเชื่อมต่อกับระบบควบคุมภายนอก เช่น สัญญาณสั่งความเร็ว (analog 4–20 mA) สัญญาณ start/stop และสัญญาณ alarm ส่งกลับไปยังห้องควบคุม
4. Gate driver boards — วงจรขยายสัญญาณควบคุมจาก control board ให้แรงพอที่จะสั่งเปิด-ปิด IGBT กำลังสูงได้ทันเวลาและแม่นยำ เป็นตัวกลางเชื่อมระหว่างวงจรควบคุมแรงดันต่ำกับวงจรกำลังแรงดันสูง
5. Main AC input terminals — ขั้วต่อสายไฟ AC จากระบบเข้าสู่วงจร rectifier ของ VFD จุดเริ่มต้นของเส้นทางพลังงานตามที่อธิบายในแผนภาพก่อนหน้า
6. DC bus connections — จุดต่อบัส DC ที่เชื่อมโยง rectifier กับ DC link capacitor และ inverter เข้าด้วยกัน เป็นเส้นทางพลังงาน DC ภายในตู้
7. Power modules (IGBTs) — ชุดโมดูล IGBT กำลังสูงที่ทำหน้าที่สับ-ปิดสร้างสัญญาณ PWM ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น เห็นเป็นแผงสีเงินเรียงกันตรงกลางตู้ พร้อมพัดลมระบายความร้อนด้านหลัง
8. DC bus capacitors — ตัวเก็บประจุทรงกระบอกขนาดใหญ่หลายตัวต่อขนานกัน ทำหน้าที่กรองแรงดัน DC ให้เรียบและเป็นแหล่งพลังงานสำรองชั่วขณะสำหรับรองรับการเปลี่ยนแปลงโหลดฉับพลัน
9. Cooling fans — พัดลมระบายความร้อนติดตั้งด้านหลัง power module เพราะ IGBT สร้างความร้อนสูงขณะสับ PWM ด้วยความถี่หลาย kHz ต้องระบายออกอย่างต่อเนื่อง
10. Braking resistor (optional) — ตัวต้านทานสำหรับสลายพลังงานส่วนเกินเมื่อมอเตอร์ถูกเบรกอย่างรวดเร็ว (พลังงานจลน์ไหลย้อนกลับเข้า DC link) ทำให้แรงดัน DC link ไม่พุ่งสูงเกินไปจนอุปกรณ์เสียหาย ใช้เฉพาะโหลดที่ต้องเบรกเร็วเท่านั้น
11. Protective earth (ground) bar — บัสกราวด์สำหรับต่อลงดินของโครงตู้และชีลด์สายเคเบิลทั้งหมด จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับ VFD เพราะกระแสรั่วไหลความถี่สูงจาก PWM ต้องมีเส้นทางกลับที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำเพื่อความปลอดภัยและลด electromagnetic interference

33.7 Motor Protection

ระบบป้องกันมอเตอร์ในโรงไฟฟ้าประกอบด้วยฟังก์ชันหลายชนิดทำงานร่วมกัน โดยแต่ละฟังก์ชันมีหมายเลขอ้างอิงตามมาตรฐาน ANSI (American National Standards Institute — สถาบันมาตรฐานแห่งชาติอเมริกัน) ที่ใช้กำหนดหมายเลขอุปกรณ์ป้องกันสากลซึ่งได้พบมาแล้วในหลายบทก่อนหน้า ฟังก์ชันแรกและพื้นฐานที่สุดคือ thermal overload (เลข 49) ซึ่งจำลองความร้อนสะสมในขดลวดจากผลของ $I^2t$ มอเตอร์ LV มักใช้ overload relay ติดตั้งคู่กับ contactor ตั้งค่าไว้ที่ประมาณ FLC คูณด้วย service factor ในขณะที่มอเตอร์ MV ใช้ numerical relay ที่มี thermal model ซับซ้อนกว่า ร่วมกับ RTD (Resistance Temperature Detector — เซนเซอร์วัดอุณหภูมิจากความต้านทานที่เปลี่ยนตามอุณหภูมิ) ฝังอยู่ในขดลวด stator ตามมาตรฐาน 6 จุด และที่ตลับลูกปืนเพื่อวัดอุณหภูมิจริงโดยตรง

ฟังก์ชันป้องกันเฟสหายหรือแรงดันไม่สมดุล (เลข 46) ตรวจจับสถานการณ์ที่เรียกว่า single phasing คือเฟสใดเฟสหนึ่งขาดหายไปขณะมอเตอร์กำลังทำงาน ซึ่งมอเตอร์จะยังคงหมุนต่อไปได้ด้วยอีกสองเฟสที่เหลือ แต่กระแสในสองเฟสนั้นจะพุ่งสูงขึ้นประมาณ 1.7–2 เท่า และเกิดกระแสลำดับผลกลับ (negative sequence) ซึ่งสร้างความร้อนสะสมใน rotor อย่างรุนแรงเพราะกระแสลำดับผลกลับนี้ตัดผ่าน rotor ด้วยความถี่ที่สูงกว่าปกติมาก แม้แต่ความไม่สมดุลของแรงดันเพียง 3.5% ก็ทำให้ต้อง derate มอเตอร์ลงเหลือประมาณ 90% ของพิกัดเพื่อไม่ให้ร้อนเกิน

ฟังก์ชัน locked rotor หรือ stall (เลข 48 หรือ 51LR) จับกระแสที่ค้างอยู่ระดับ start นานเกินเวลา start ปกติของมอเตอร์ตัวนั้น สำหรับมอเตอร์ที่มีเวลา start ใกล้เคียงกับ stall time มาก (เช่นมอเตอร์ที่ขับโหลดความเฉื่อยสูง) จำเป็นต้องใช้ speed switch เพิ่มเติมเพื่อแยกแยะว่ามอเตอร์กำลังเร่งความเร็วอยู่จริง (ปกติ) หรือติดอยู่ที่ความเร็วศูนย์ (stall จริง) เพราะกระแสที่วัดได้ทั้งสองกรณีมีค่าใกล้เคียงกันมาก ฟังก์ชัน short circuit (เลข 50) เป็นแบบ instantaneous ตั้งค่าไว้เหนือกระแส inrush ตอน start (ประมาณ 10–12 เท่าของ FLC) เพื่อไม่ให้ trip ผิดพลาดขณะ start ปกติ สำหรับมอเตอร์ MV วงจรใหญ่จะเพิ่มฟังก์ชัน differential protection (เลข 87M) ครอบคลุมมอเตอร์ทั้งตัวเพื่อจับ fault ภายในที่รุนแรงได้เร็วกว่า

ฟังก์ชัน earth fault (เลข 50G/51G) ใช้ core balance CT (หม้อแปลงกระแสชนิดคล้องสายทั้งสามเฟสพร้อมกัน) ตรวจจับกระแสรั่วลงดินที่ไวระดับแอมป์เดียว ทำให้จับฉนวนที่เริ่มเสื่อมสภาพและรั่วเล็กน้อยได้ก่อนที่จะพัฒนาไปเป็น fault เต็มรูปแบบ และสุดท้ายฟังก์ชัน undervoltage (เลข 27) ป้องกันกรณีแรงดันตกต่ำผิดปกติ ซึ่งเมื่อแรงดันตกแรงบิดของมอเตอร์จะหายไปตามสัดส่วนแรงดันยกกำลังสอง ($T \propto V^2$) ในขณะที่กระแสกลับพุ่งสูงขึ้น ฟังก์ชันนี้ยังช่วยป้องกันการ re-acceleration พร้อมกันของมอเตอร์หลายตัวทั้งโรงไฟฟ้าหลังเกิด voltage dip ซึ่งจะสร้างกระแสกระชากมหาศาลถ้าปล่อยให้ทุกตัว start กลับพร้อมกัน โดยทั่วไปโหลดสำคัญจะมีระบบ auto restart ตามลำดับความสำคัญ ในขณะที่โหลดรองจะถูกปลดทิ้งไปก่อน

33.8 มอเตอร์ใหญ่ในโรงไฟฟ้าและ Synchronous Motor

โหลดอุปกรณ์ช่วยขนาดใหญ่ที่สุดในโรงไฟฟ้าใช้มอเตอร์ระดับ MV แทบทั้งหมด ตัวอย่างที่ใหญ่ที่สุดคือมอเตอร์ boiler feed pump ที่ใช้แรงดัน 6.6 หรือ 11 kV ขนาดกำลัง 5–15 MW (แบบ 2 หรือ 4 ขั้ว) รองลงมาคือมอเตอร์พัดลม FD/ID/PA (Forced Draft, Induced Draft, Primary Air — ตามที่ได้เรียนในบทที่ 18) ขนาด 1–5 MW และมอเตอร์ปั๊มน้ำหล่อเย็น (CW pump) ขนาด 1–3 MW มอเตอร์เหล่านี้ต่อไฟจากบัส unit แรงดัน 6.9 หรือ 11 kV ผ่านเบรกเกอร์สุญญากาศหรือ contactor ตามรายละเอียดที่จะอธิบายในบทที่ 34

มอเตอร์ระดับนี้อาจ start แบบ DOL จากบัสที่ออกแบบกำลังลัดวงจรเผื่อไว้เพียงพอ หรือผ่าน autotransformer/VFD ก็ได้ ประเด็นสำคัญคือการ start มอเตอร์ boiler feed pump ตัวใหญ่จะทำให้เกิด voltage dip ทั้งบัส ต้องตรวจสอบว่า dip ที่เกิดขึ้นจะไม่ทำให้ contactor ตัวอื่นที่ต่ออยู่บัสเดียวกันหลุด (โดยทั่วไป contactor ระดับ LV จะหลุดที่แรงดันประมาณ 70–75% ของพิกัด) ก่อนจะออกแบบระบบ start

Synchronous motor ที่ได้เรียนหลักการพื้นฐานร่วมกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสในบทที่ 30–31 ถูกเลือกใช้ในสามสถานการณ์หลัก สถานการณ์แรกคือเมื่อต้องการความเร็วคงที่เป๊ะโดยไม่มี slip เลย สถานการณ์ที่สองคือโหลดขนาดใหญ่ที่ความเร็วต่ำมาก (ต่ำกว่าประมาณ 500 รอบ/นาที) ซึ่ง induction motor จะทำ power factor ได้แย่มากที่ความเร็วต่ำระดับนี้ เช่น ball mill หรือ reciprocating compressor และสถานการณ์ที่สามคือเมื่อต้องการ PF correction แถมมาโดยไม่ต้องลงทุนเพิ่ม ด้วยการปรับ excitation ของ synchronous motor ให้จ่ายกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟช่วยบัส (เดินแบบ overexcited ให้ PF leading) ซึ่งเป็นประโยชน์เดียวกับที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสทำได้ตามที่อธิบายในบทที่ 31

การ start synchronous motor ใช้เทคนิคพิเศษที่เรียกว่า damper winding หรือ amortisseur winding ซึ่งเป็นแท่งตัวนำฝังอยู่บนหน้าขั้ว rotor คล้าย squirrel cage ทำให้มอเตอร์เร่งความเร็วขึ้นแบบ induction motor ก่อนจนใกล้ความเร็ว synchronous แล้วจึงค่อยจ่ายกระแส field เข้าไปให้ rotor ล็อกเข้ากับสนามหมุนพอดี (เรียกขั้นตอนนี้ว่า pull-in) หรืออาจใช้ VFD หรือ pony motor (มอเตอร์ตัวเล็กช่วยหมุนก่อน) ก็ได้เช่นกัน ข้อห้ามสำคัญคือห้ามจ่ายกระแส field เข้าไปขณะความเร็วยังต่ำอยู่มาก เพราะ slip ที่ยังสูงจะเหนี่ยวนำแรงดันสูงมากขึ้นในวงจร field จนอาจทำให้ฉนวนเสียหายได้

แนวโน้มปัจจุบันคือมอเตอร์เหนี่ยวนำร่วมกับ VFD เข้ามาแทนที่บทบาทของ synchronous motor ไปมากขึ้นเรื่อยๆ เพราะให้ความยืดหยุ่นด้านความเร็วที่ดีกว่าและดูแลรักษาง่ายกว่า (ไม่มี slip ring หรือ brush เหมือน synchronous motor แบบดั้งเดิม) เหลือพื้นที่ใช้งานเฉพาะกับงานขนาดใหญ่มากจริงๆ (มากกว่า 10–20 MW ที่ความเร็วต่ำ) และงานที่ต้องการความสามารถจ่ายกำลังรีแอกทีฟช่วยระบบเป็นพิเศษเท่านั้น

1. Medium-voltage electric motor — มอเตอร์เหนี่ยวนำระดับ MV ที่เป็นต้นกำลังขับ boiler feed pump โดยตรง ขนาดกำลังอยู่ในช่วง 5–15 MW ตามที่อธิบายข้างต้น เป็นหนึ่งในโหลดไฟฟ้าเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุดในบรรดา auxiliaries ทั้งหมดของโรงไฟฟ้า
2. Motor terminal box — กล่องต่อสายไฟฟ้าแรงดันปานกลางเข้าขั้วมอเตอร์ ต้องมีระยะห่างทางไฟฟ้า (clearance) และฉนวนที่เหมาะสมกับระดับแรงดัน 6.6 หรือ 11 kV มากกว่ากล่องต่อสายของมอเตอร์ LV ทั่วไปมาก
3. Coupling guard — ฝาครอบสีเหลืองป้องกันชิ้นส่วนหมุนบริเวณจุดต่อเพลาระหว่างมอเตอร์กับปั๊ม เป็นมาตรการความปลอดภัยบังคับเพื่อป้องกันการสัมผัสส่วนที่หมุนด้วยความเร็วสูงโดยไม่ตั้งใจ
4. Boiler feed pump — ปั๊มน้ำป้อนหม้อไอน้ำที่ถูกขับด้วยมอเตอร์ MV ตัวนี้โดยตรง ตามที่ได้เรียนรายละเอียดในบทที่ 23 และ 24 เป็นโหลดที่ต้องการกำลังกลสูงต่อเนื่องตลอดเวลาที่โรงไฟฟ้าเดินเครื่อง
5. Discharge piping — ท่อทางออกน้ำแรงดันสูงจากปั๊มไปยังหม้อไอน้ำ ขนาดท่อและความหนาผนังท่อต้องรองรับแรงดันสูงมากตามพิกัดของปั๊มป้อนน้ำ
6. Seal flush piping — ระบบท่อฉีดน้ำหล่อลื่นและระบายความร้อนให้กับ mechanical seal ของปั๊ม ป้องกันไม่ให้ seal ร้อนจัดหรือแห้งจนเสียหายขณะทำงาน
7. Motor base — ฐานเหล็กรูปตัว I ที่ยึดทั้งมอเตอร์และปั๊มไว้ด้วยกันเป็นชุดเดียว (skid) ทำให้ศูนย์เพลาระหว่างสองเครื่องไม่คลาดเคลื่อนจากกันแม้เกิดการขยายตัวทางความร้อนขณะทำงาน
8. Concrete foundation — ฐานคอนกรีตหนักที่รองรับน้ำหนักและดูดซับแรงสั่นสะเทือนของชุดมอเตอร์-ปั๊มทั้งหมด ออกแบบให้มีมวลมากพอจะไม่สั่นพ้อง (resonance) กับความถี่การทำงานของเครื่องจักร

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท