การเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน

เมื่อเร็วๆ นี้ มีลูกค้าท่านหนึ่งมาพบเรา ลูกค้ากำลังดำเนินโครงการโรงงานแปรรูปในต่างประเทศ ซึ่งมีความจุของระบบไฟฟ้าในท้องถิ่นไม่เพียงพอและแหล่งจ่ายไฟไม่เสถียร ลูกค้าจึงจำเป็นต้องนำชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามาใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟหลัก ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดของลูกค้าคือภายในโรงงานมีมอเตอร์ไฟฟ้าหลายตัว รวมถึงเครื่องบด เครื่องเป่าลม และสายพานลำเลียง ลูกค้ากังวลว่า หากเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กเกินไป จะไม่สามารถจ่ายไฟให้กับโหลดได้เพียงพอ แต่หากเลือกขนาดใหญ่เกินไป ก็จะสิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายโดยไม่จำเป็น จึงสอบถามวิธีการเลือกขนาดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้สอดคล้องกับมอเตอร์ไฟฟ้าอย่างเหมาะสม

ปัญหานี้พบได้บ่อยมากในโครงการอุตสาหกรรม โดยเฉพาะการจับคู่ระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากับมอเตอร์ไฟฟ้า หากเลือกขนาดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตามกำลังไฟฟ้าแบบเรตติ้ง (rated power) ของมอเตอร์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว จะเกิดปัญหาขึ้น สาเหตุหลักคือ กระแสไฟฟ้าขณะสตาร์ทมอเตอร์ (inrush current) จะสูงกว่ากระแสไฟฟ้าขณะทำงานปกติมาก

เมื่อมอเตอร์เริ่มทำงาน จะต้องเอาชนะความเฉื่อยของการหมุนของโรเตอร์และแรงต้านจากโหลด เพื่อเร่งความเร็วจากความเร็วขณะหยุดนิ่งไปยังความเร็วที่กำหนด ในกระบวนการนี้ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสตาเตอร์ของมอเตอร์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อมอเตอร์แบบสามเฟสแบบไม่ซิงโครนัสเริ่มทำงานโดยตรง กระแสเริ่มต้นมักมีค่าเท่ากับ 5 ถึง 7 เท่าของกระแสไฟฟ้าที่กำหนด กล่าวคือ ความต้องการกระแสไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟสำหรับมอเตอร์ขนาด 30 กิโลวัตต์อาจสูงถึง 150 ถึง 210 แอมแปร์ ณ ช่วงเวลาที่เริ่มทำงานโดยตรง และความต้องการกำลังไฟฟ้าที่สอดคล้องกันนั้นสูงกว่ากำลังไฟฟ้าที่กำหนดของมอเตอร์มาก

เมื่อ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อชุดอุปกรณ์ได้รับแรงกระแทกนี้ ตัวชี้วัดหลักคืออัตราการปรับแรงดันชั่วคราวและเวลาที่ใช้ในการฟื้นตัว ภายใต้แรงกระแทกจากกระแสไฟฟ้าสูง แรงดันที่ปลายเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะลดลงทันที หากแรงดันลดลงมากเกินไปหรือฟื้นตัวช้าเกินไป จะทำให้คอนแทคเตอร์ทำงานไม่เสถียร อุปกรณ์ป้องกันเกิดการทำงานผิดพลาด และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะถูกปิดลงโดยตรง ดังนั้น การจับคู่ระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากับมอเตอร์ไฟฟ้าจึงเป็นการหาจุดสมดุลระหว่างความสามารถในการจ่ายพลังงานชั่วคราวของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กับความต้องการพลังงานแบบกระแทกของมอเตอร์

วิธีการสตาร์ทมอเตอร์ไฟฟ้ามีผลกระทบมากที่สุดต่อการเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

แรงกระแทกจากการสตาร์ทโดยตรงมีค่าสูงสุด และกระแสเริ่มต้นมีค่าสูงหลายเท่า ซึ่งเหมาะสำหรับมอเตอร์กำลังต่ำ หรืออุปกรณ์ที่มีข้อกำหนดสูงต่อทอร์กขณะสตาร์ท การใช้วิธีสตาร์ทโดยตรงนั้น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กำลังไฟฟ้ามักจะอยู่ที่ 2.5 ถึง 3.5 เท่าของกำลังมอเตอร์ โดยค่าสัดส่วนที่แน่นอนนั้นขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของระบบกระตุ้น (excitation system) ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หน่วยที่ใช้ระบบกระตุ้นด้วยแม่เหล็กถาวรหรือระบบปรับแต่งแรงกระตุ้นแบบดิจิทัลมีการตอบสนองชั่วคราวที่ดีกว่า ดังนั้นค่าสัดส่วนดังกล่าวจึงสามารถลดลงได้ตามสมควร

การเริ่มต้นด้วยแรงดันลดลงเป็นวิธีที่นิยมใช้เพื่อลดผลกระทบขณะสตาร์ท ซึ่งรวมถึงการสตาร์ทแบบดาว-สามเหลี่ยม (star-triangle start) และการสตาร์ทด้วยหม้อแปลงอัตโนมัติแบบลดแรงดัน (self-coupling transformer voltage reduction start) เป็นต้น การสตาร์ทแบบดาว-สามเหลี่ยมสามารถลดกระแสเริ่มต้นลงเหลือประมาณหนึ่งในสามของกระแสสตาร์ทโดยตรง แต่โมเมนต์บิดขณะสตาร์ทก็จะลดลงตามไปด้วย จึงเหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่สตาร์ทภายใต้สภาวะไม่มีภาระหรือภาระเบา ในกรณีนี้ กำลังของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามักจะออกแบบไว้ที่ 1.5 ถึง 2 เท่าของกำลังมอเตอร์

ปัจจุบันนี้ ตัวเริ่มต้นแบบนุ่มนวล (soft starters) ถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย โดยอาศัยการปรับแรงดันไฟฟ้าผ่านซิลิคอนที่ควบคุมได้ ทำให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างราบรื่น กระแสไฟฟ้าขณะสตาร์ทสามารถควบคุมให้อยู่ที่ 2 ถึง 3 เท่าของกระแสไฟฟ้าที่กำหนดไว้ (rated current) กระบวนการสตาร์ทมีความเสถียร และส่งผลกระทบต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าน้อยมาก เมื่อติดตั้งตัวเริ่มต้นแบบนุ่มนวลแล้ว กำลังของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าควรอยู่ที่ 1.2 ถึง 1.5 เท่าของกำลังของมอเตอร์

การขับเคลื่อนด้วยอินเวอร์เตอร์ความถี่ (frequency converter drive) เป็นวิธีการสตาร์ทที่ส่งผลกระทบต่ำที่สุด ซึ่งกระแสไฟฟ้าขณะสตาร์ทโดยทั่วไปจะไม่เกินกระแสไฟฟ้าที่กำหนดไว้ของมอเตอร์ และแทบไม่มีผลกระทบต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเลย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอินเวอร์เตอร์ความถี่เป็นโหลดแบบไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear load) จึงก่อให้เกิดคลื่นฮาร์โมนิก (harmonics) ดังนั้น ในการเลือกใช้งาน จำเป็นต้องใส่ใจสมรรถนะของระบบควบคุมแรงดันอัตโนมัติ (AVR) ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และติดตั้งตัวกรองฮาร์โมนิก (harmonic filter) ตามความจำเป็น

นอกเหนือจากวิธีการสตาร์ทแล้ว ลักษณะของโหลดก็มีความสำคัญเช่นกัน อุปกรณ์ที่ต้องสตาร์ทภายใต้โหลดหนัก เช่น เครื่องอัดอากาศ เครื่องบด และปั๊มน้ำ จะมีโหลดอยู่ระหว่างกระบวนการสตาร์ท ซึ่งส่งผลกระทบมากกว่าการสตาร์ทภายใต้โหลดว่าง ในกรณีที่มอเตอร์หลายตัวทำงานพร้อมกัน กำลังไฟฟ้าของแต่ละมอเตอร์ไม่สามารถรวมกันแบบง่ายๆ ได้ จำเป็นต้องพิจารณาสัมประสิทธิ์การใช้งานพร้อมกัน (simultaneous operation coefficient) และตรวจสอบเงื่อนไขการทำงานที่ไม่เอื้ออำนวยที่สุด เช่น สถานการณ์ที่มอเตอร์หลายตัวเริ่มทำงานพร้อมกัน

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมก็ต้องนำมาพิจารณาด้วย สำหรับทุกๆ ความสูง 1,000 เมตรจากระดับน้ำทะเล กำลังไฟฟ้าขาออกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะลดลงประมาณ 10% เนื่องจากอากาศที่บางลงส่งผลต่อการระบายความร้อนและการเผาไหม้ เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเกิน 40℃ กำลังไฟฟ้าก็จำเป็นต้องลดลงด้วย ในสภาพแวดล้อมพิเศษ เช่น บริเวณชายฝั่งทะเลและทะเลทราย ระดับการป้องกันและระดับการต้านทานการกัดกร่อนก็ควรปรับให้สูงขึ้นตามสมควร

กลับไปยังโรงงานแปรรูปของลูกค้า เราได้ช่วยลูกค้าจัดระบบอุปกรณ์ต่างๆ ดังนี้: เครื่องบดกำลัง 45 กิโลวัตต์ ที่ต้องเริ่มทำงานภายใต้ภาระหนัก และติดตั้งอินเวอร์เตอร์ควบคุมความถี่; พัดลมกำลัง 22 กิโลวัตต์ ที่เริ่มทำงานภายใต้ภาระเบา โดยใช้อุปกรณ์เริ่มต้นแบบนุ่มนวล (soft starter); และมอเตอร์ลำเลียงกำลังต่ำจำนวนหลายตัว ซึ่งเริ่มทำงานโดยตรง (direct-on-line start) พร้อมกันนี้ ได้พิจารณาสัมประสิทธิ์การใช้งาน (operating coefficient) เท่ากับ 0.8 รวมทั้งลำดับการสตาร์ทภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่ไม่เอื้ออำนวยที่สุด จึงเลือกติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 120 กิโลวัตต์ ที่ใช้แม่เหล็กถาวรสำหรับการเหนี่ยวนำ (permanent magnet excitation) และควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบดิจิทัล (digital voltage regulation) หลังจากดำเนินการปรับแต่งและทดสอบแล้ว ลูกค้าให้ข้อเสนอแนะว่า อุปกรณ์สามารถสตาร์ทได้อย่างราบรื่น แรงดันไฟฟ้ามีการผันผวนอยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้ และการปฏิบัติงานมีความเสถียร

โดยทั่วไปแล้ว หัวใจสำคัญของการจับคู่อุปกรณ์คือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และมอเตอร์นั้นคือการประเมินผลที่แม่นยำเกี่ยวกับผลกระทบของการสตาร์ตมอเตอร์ และการจับคู่อย่างเหมาะสมกับความสามารถในการตอบสนองแบบชั่วคราวของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โหมดการสตาร์ต ลักษณะของโหลด สภาพแวดล้อม และการประสานงานระหว่างเครื่องจักรหลายเครื่อง ล้วนเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ หากการเลือกใช้มีความเหมาะสม จะทำให้เกิดปัญหาน้อยลงในสถานที่จริง