การใช้พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่ผลิตได้ทั่วโลกกว่า 45% ถูกจ่ายให้กับโหลดที่เป็นมอเตอร์ไฟฟ้า และมีการคาดการณ์ว่าจำนวนมอเตอร์จะเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่าภายในปี 2040. หากจำนวนมอเตอร์ที่ใช้อยู่ในภาคอุตสาหกรรมปัจจุบันที่มีประมาณ 300 ล้านตัว มีการปรับปรุงคุณภาพที่มีประสิทธิภาพที่สูงมากขึ้นจะสามารถลดปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้าทั่วโลกได้ถึง 10% (1)
การเลือกขนาดมอเตอร์เพื่อใช้กับโหลดชนิดต่างๆให้ถูกต้อง จำเป็นจะต้องเลือกขนาดให้เหมาะสมในการใช้งาน ไม่เล็กหรือใหญ่มากจนเกินไปจากความต้องการกำลังขับของโหลด เพราะหากมอเตอร์มีขนาดเล็กเกินไปทำให้มอเตอร์เกิดความร้อนมากกว่าปกติ และหากขนาดใหญ่มากเกินไปก็จะกินพลังงานที่เป็นส่วนเกิน ซึ่งเป็นการสูญเสียโดยใช่เหตุ หากเราเลือกขนาดมอเตอร์ได้ถูกต้องเหมาะสมแล้ว สิ่งที่เราต้องพิจารณาต่อไปคือระดับประสิทธิภาพ (Efficiency class) ของมอเตอร์ และในปัจจุบันเทคโนโลยีการผลิตมอเตอร์ได้พัฒนาไปอย่างมากเพื่อให้มอเตอร์มีประสิทธิภาพที่สูงมากยิ่งขึ้นนั่นเอง
มอเตอร์ประเภทซิงโครนัสรีลัคแตนซ์ (Synchronous Reluctance) หรือ SynRM เป็นมอเตอร์ที่ถูกพัฒนาขึ้นและพูดถึงเป็นอย่างมาก เพราะมีประสิทธิภาพที่สูงเมื่อเทียบกับมอเตอร์เหนี่ยวนำ (Induction motor) ที่ใช้งานกันอยู่ทั่วไป มอเตอร์ SynRM จำเป็นจะต้องใช้งานควบคู่กับ ชุดปรับความเร็วรอบมอเตอร์ (Variable Speed drive) หรือ VSD และหากเทียบค่าความสูญเสีย (losses)ของมอเตอร์ SynRM กับ มอเตอร์ IE3 แบบเหนี่ยวนำ SynRM จะมีค่าความสูญเสียที่น้อยกว่าถึง 40% (2)
มอเตอร์ SynRM ที่มีค่าประสิทธิภาพระดับ IE5 ทำงานอย่างไร
มอเตอร์ SynRM เป็นมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพระดับ (Ultra Premium) หรือ IE5 ที่ International Electrotechnical Commission (IEC) เป็นผู้กำหนดกำหนดระดับประสิทธิภาพ ทำให้ SynRM
เป็นทางเลือกแรกๆของการเลือกใช้มอเตอร์ เพื่อลดพลังงานการใช้ไฟฟ้าในขณะที่ความต้องการการใช้ไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรมทั่วโลกเพิ่มขึ้น SynRM เป็นการผสมผสานเทคโนโลยีของมอเตอร์แบบแม่เหล็กถาวร (permanent magnet) กับ คุณสมบติเด่นของมอเตอร์แบบเหนี่ยวนำ (induction) ที่ง่ายทั้งในแง่การใช้งานและการบำรุงรักษา
หากมองจากภายนอกมอเตอร์ SynRM จะเหมือนกับมอเตอร์แบบเหนี่ยวนำที่ใช้กันทั่วไป หรือแม้แต่ภายใน ชุดขดลวดสเตเตอร์เองก็ยังเหมือนกับขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์แบบเหนี่ยวนำ สิ่งที่แตกต่างคือโรเตอร์ ที่ทำจากแผ่นเหล็กคุณภาพสูงที่ถูกออกแบบรูปทรงพิเศษที่วางซ้อนกันเป็นชั้นๆ เพื่อให้เป็นทางผ่านของสนามแม่เหล็กรีลัคแตนซ์ในโรเตอร์ ตัวโรเตอร์เองก็จะวางตัวในแนวเดียวและล็อคไปกับกับสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยชุดขดลวดสเตเตอร์ และหมุนไปด้วยความเร็วเดียวกับ ความเร็วสนามแม่เหล็กหมุน (synchronously) และความเร็วของโรเตอร์นั้นจะถูกควบคุมความเร็วโดย VSD ซึ่งชุด VSD จะทำหน้าที่ตรวจสอบตำแหน่งโรเตอร์ให้ตรงกับสนามแม่เหล็กหมุนที่ชุดสเตเตอร์เพื่อให้มั้นใจว่าโรเตอร์จะหมุนที่ความเร็วเดียวกับสนามแม่เหล็กหมุนอย่างแม่นยำ โดยที่โรเตอร์ไม่จำเป็นต้องมีชุดแม่เหล็กถาวรจากธรรมชาติ (rare earth magnet) ที่หายาก อีกทั้งมีราคาค่อนข้างสูง และไม่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในการนำมาใช้
เนื่องจากไม่มีชุดแม่เหล็กถาวรและขดลวดใดๆที่โรเตอร์ของ SynRM ทำให้ไม่เกิดการสูญเสียขึ้นที่โรเตอร์ ส่งผลให้มอเตอร์มีประสิทธิภาพที่สูงในระดับ Ultra Premium หรือ IE5 ช่วยให้ผู้ใช้บรรลุเป้าหมายในการลดระดับคาร์บอน (CO2) เมื่อโรเตอร์ของ SynRM ไม่มีขดลวดใดๆเป็นส่วนประกอบ ทำให้อุณภูมิของโรเตอร์น้อยกว่ามอเตอร์แบบเหนี่ยวนำทั่วไป ส่งผลให้ อุณภูมิแบริ่งลดลงได้ถึง 15oC ช่วยลดความเสี่ยงจากการเสียหายของแบริ่งซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการเสียหายของมอเตอร์ ทำให้ยืดอายุการใช้งานมอเตอร์ออกไป และช่วยลดต้นทุนโดยรวม (Total Cost of Ownership) ตลอดอายุการใช้งานอีกด้วย
เทคโนโลยี SynRM นั้นได้ถูกพัฒนาขึ้นมาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มีระดับประสิทธิภาพที่สูงมากขึ้น จนในปัจจุบันสามารถที่จะอยู่ในระดับ Ultra Premium อีกทั้งยังพัฒนาให้สามารถนำไปใช้กับโหลดชนิดต่างๆในภาคอุตสาหกรรม ไม่จำกัดเพียงแค่พัดลม และ ปั้ม ดังเช่นในช่วงแรกของการผลิต
มอเตอร์ประสิทธิภาพ IE5 ช่วยให้ประหยัดพลังงานอย่างแท้จริง
เนื่องด้วยมอเตอร์ SynRM ที่มีระดับประสิทธิภาพ IE5 นั้นจำเป็นต้องใช้งานร่วมกับ VSD เสมอ จึงทำให้เกิดประโยชน์ และเห็นการประหยัดพลังานอย่างเด่นชัดมากขึ้น หากโหลดนั้นๆ ไม่ได้ทำงานที่พิกัด
ตามข้อกำหนดใหม่ EU2019/1781 หรือที่เรียกว่า Ecodesign directive ที่มีผลบังคับใช้เมื่อ 1 กรกฎาคม 2565 ผู้ผลิตจะต้องมีการระบุค่าของความสูญเสีย (losses) ของมอเตอร์ ณ. จุดการทำงานที่แตกต่างกัน จากข้อกำหนดดังกล่าวทำให้เราสามารถเปรียบเทียบค่าความสูญเสียในกรณีที่เราใช้งานมอเตอร์แบบไม่เต็มพิกัดได้ ซึ่งต่างจากเมื่อก่อนที่เราไม่สามารถเปรียบเทียบความสูญเสียที่จุดทำงานที่ต่างออกไปที่ไม่ใช่จุดทำทำงานที่พิกัดได้ ในกรณีที่ปรับความเร็วรอบมอเตอร์ด้วย VSD เนื่องจากไม่ข้อมูลค่าความสูญเสียของมอเตอร์ที่ครบถ้วน
จากกราฟด้านบน เราจะเห็นค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์ IE5 แบบ SynRM เทียบกับมอเตอร์ IE3 ชนิดเหนี่ยวนำทั่วๆไปที่ได้จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ(3) โดยมอเตอร์ทั้ง 2 ชนิดใช้ควบคู่กับ VSD เพื่อปรับความเร็วรอบมอเตอร์เพื่อให้สอดคล้องกับการทำงานของโหลด ณ. จุดความเร็วต่างๆ ค่าประสิทธิภาพของ IE5 จะสูงกว่าประมาณ 2% ที่ความเร็วพิกัด และค่าความต่างในประสิทธิภาพอาจสูงได้ถึง 6-7% เมื่อเราปรับลดรอบของมอเตอร์ไปที่ความเร็ว 50% ของความเร็วพิกัดของมอเตอร์ จากค่าประสิทธิภาพที่ต่างกันหากเราคำนวณหาค่าพลังงานจะพบว่ามอเตอร์ IE5 จะช่วยลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ ผู้ใช้สามารถคืนทุนจากการลงทุนที่สูงขึ้นได้ในระยะเวลาอันสั้นซึ่งในบางกรณีอาจใช้เวลาไม่ถึงหนึ่งปี และ แน่นอนว่าค่าพลังงานที่ประหยัดได้ในแต่ละปีจะกลับคืนไปเป็นกำไรตลอดอายุการใช้งานของมอเตอร์ หากเราพิจารณาอายุการใช้งานของมอเตอร์ที่ 10 หรือ 15 ปี
โรงงานผลิตอาหารรายใหญ่ในประเทศออสเตรเลียชื่อแคมป์เบล (Campbell’s) ได้ติดตั้งและใช้งานมอเตอร์ ABB,SynRM-IE5 และ VSD ในส่วนที่เป็นระบบทำความเย็นของกระบวนการผลิต และหลังจากติดตั้งครบ 1 ปีเต็มพบว่าสามารถลดต้นทุนด้านพลังงานลงได้มากถึง 14% หรือสามารถที่จะประหยัดค่าใช้จ่ายในด้านพลังงานได้ 15,000 AUD ในแต่ละปี อีกทั้งยังช่วยลดปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนได้มากถึง 131 ตันต่อปีอีกด้วย
จะเห็นได้ว่า SynRM เป็นมอเตอร์ที่พัฒนามาเพื่อวัตถุประสงค์ใช้งานในการลดต้นทุนด้านพลังงานและยังช่วยลดผลกระทบด้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (climate change) ของโลกอีกด้วย
เอกสารอ้างอิง
- (1) Waide, P. and C.U. Brunner, “Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems,” International Energy Agency working paper, Paris, 2011
- (2) According to IEC 60034-30-1 and IEC TS 60034-30-2.
- (3) According to ABB measurements and calculations.
