Industrial Technology

บทความนี้เรียบเรียงขึ้นเพื่อเป็นแนวทางไขขอ้ข้องใจสำหรับหลายๆท่านท่านที่สงสัยว่า
การใช้อุปกรณ์ปรับความเร็วรอบ (Variable Speed Drive) จะสามารถช่วยประหยัดพลังงานมอเตอร์ไฟฟ้าได้อย่างไร

ทำไมจึงต้องเปลี่ยนจาก Mechanical Throttling valve มาใช้ AFD's ?

รูปที่ 1 เปรียบเทียบการควบคุมการไหล โดยใช้วาล์วกับการใช้ AFD’s

การควบคุมการอัตราการไหลที่เราพบเห็นทั่วๆไป ส่วนใหญ่มอเตอร์ที่ใช้ขับปั๊มจะหมุนด้วยความเร็วรอบคงที่ ตามที่ระบุบนแผ่นป้าย nameplate และใช้วาล์วแบบคันบังคับ (Mechanical Throttling valve) ปรับควบคุมอัตราการไหล ซึ่งถ้าหากนำมาวิเคราะห์ ก็จะพบว่าวิธีนี้จะมีความสูญเสียเชิงกล และสูญเสียพลังงานไฟฟ้าอยู่มาก ดังนั้นวิธีการควบคุมอัตราการไหลแบบใหม่จึงใช้ AFD's เข้ามา ควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์ที่ใช้ขับปั๊มเพื่อควบคุมอัตราการไหล แทนที่วาล์ว เพื่อลดการสูญเสีย ดังแสดงในรูปที่ 1

ถ้าเปลี่ยนจากการใช้วาล์วควบคุมอัตราการไหลมาใช้ AFD’s ปรับความเร็วรอบปั๊มแทนจะช่วยประหยัดพลังงานได้เท่าไร ?

รูปที่ 2 เปรียบเทียบการใช้พลังงาน ระหว่างการใช้วาล์วควบคุมการไหล และการใช้ AFD’s

จากรูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่าการใช้ AFD’s ในการควบคุมการไหลจะใช้พลังงานต่ำกว่า (เส้นกราฟด้านล่าง) วิธีการควบคุมการไหลโดยใช้วาล์ว (กราฟด้านบน) ดังนั้นพลังงานที่ AFD’s สามารถประหยัดได้ก็คือส่วนต่างระหว่างเส้นกราฟนั้นเอง

AFD's ช่วยประหยัดพลังงานได้อย่างไร ?
สำหรับโหลดประเภท Centrifugal Pump หรือปั๊มที่ทำงานโดยอาศัยหลักการแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่พบเห็นทั่วๆ ไปนั้น สมรรถนะในการทำงานของอุปกรณ์สามารถพิจารณาได้จาก กฎความสัมพันธ์พื้นฐาน “Affinity Laws” ดังต่อไปนี้
เมื่อพิจารณาจากกราฟรูปที่ 3.1 และพิจารณาสมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วรอบและอัตราการไหลประกอบ ก็พบว่า ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วรอบกับอัตราการไหล เป็นสัดส่วนกันโดยตรง (Linear) ซึ่งหมายความว่าถ้าความเร็วรอบลดลง 50% อัตราการไหลจะลดลง 50 % ด้วยเช่นกัน
ส่วนกราฟรูปที่ 3.2 และสมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วรอบกับแรงดัน (Pressure Head) พบว่า ความสัมพันธ์ของสัดส่วนแรงดันเป็นกำลังสองของสัดส่วนความเร็วรอบ ดังนั้นเมื่อเราลดความเร็วรอบ 50 % ความดันจะลดลงประมาณ 25 %
และจากกราฟรูปที่ 3.3 และสมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วรอบกับกำลังงาน พบว่าสัดส่วนของกำลังงานเป็นกำลังสามของความเร็วรอบ ดังนั้นหากเราลดความเร็วรอบลง 50 % กำลังงานที่ใช้ในการขับเคลื่อนจะถูกใช้เพียง 12.5 % จากเดิม ซึ่งหากพิจารณาจากจุดนี้ จะทำให้มองเห็นศักยภาพในการลดการใช้พลังงานได้อย่างชัดเจน

และต่อไปเราจะมาพิจารณาถึงคุณสมบัติที่น่าสนใจของระบบปั๊มโดยเริ่มต้นจาก Static head หรือเรียกว่า lift ซึ่งหมายถึงความสูงของเหลวที่เป็นไปได้จากแหล่งจ่ายจนถึงทางด้านขาออก (outlet) ซึ่งจากตัวอย่างในรูปที่ 4 นี้ความสูง Static head จะเท่ากับ30 ฟุต และสิ่งที่ต้องการพิจารณาเป็นอันดับต่อไปก็คือ แรงเสียดทานในปั๊มหรือ friction head ซึ่งหมายถึง กำลังที่ต้องการในการที่จะต่อต้านกับแรงเสียดทาน และความสูญเสียแรงดันที่เกิดขึ้นในขณะที่มีการไหลของของเหลวในท่อ ในวาล์ว และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องในวงจรการเดินท่อ ซึ่งการสูญเสียเหล่านี้มีความสัมพันธ์กับการไหลอย่างไม่เป็นเส้นตรง ดังรูป

	เมื่อรวมความสูญเสียทั้ง 2 (two heads) เข้าด้วยกันเราก็จะได้เส้นโค้งของ ระบบการไหลดังรูปซี่งสามารถ อธิบายอัตราการไหลในแต่ละความดันได้ เช่น ถ้าเราต้องการให้ของเหลวในระบบมีอัตรา การไหล 200 GPM ความดันของปั๊ม (head pressure) ที่เราต้องการคือ 180 ฟุต
รูปที่ 4
เมื่อเรารู้ความต้องการนี้เราก็สามารถทำการเลือกปั๊มขนาดของใบพัด (impeller) จากคู่มือของบริษัทผู้ผลิต ตัวอย่างเช่นในรูปที่ 5 ซึ่งใบพัดขนาด 9 นิ้ว ถูกเลือกเนื่องจากใช้งานได้ตามต้องการ


รูปที่ 5 แสดงการทำงานของใบพัดขนาดต่าง ๆ
หลังจากนั้นเมื่อเรานำเส้นโค้งของระบบมาพล๊อตรวมกับเส้นโค้งของปั๊ม เราก็จะได้รู้ถึงการเลือกปั๊ม ให้สัมพันธ์กับความต้องการของระบบดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างเส้นโค้งของระบบกับเส้นโค้งของปั๊ม	ในการเลือกจากกราฟจะเห็นว่า ณ. จุดตัดกันของระหว่าง เส้นโค้งของระบบ( System curve) กับ เส้นโค้งแสดงสมรรถนะของปั๊ม (pump performance curve) คือความต้องความดันที่ความสูง 120 feel ด้วยอัตราการไหล 160 GP (ระบบจะทำงานด้วยข้อจำกัดนี้ แต่จะเปลี่ยนข้อจำกัดนี้ ระบบจะต้องมีอุปกรณ์ หรือปัจจัยอื่น แทรกเข้ามาในระบบ)

แต่ในทางปฏิบัติเทคนิคการควบคุมการไหลโดยทั่วไปจะมีการเพิ่ม Trotting valve ซึ่งจะทำให้เกิดการต้านการไหล และเพิ่มการสูญเสียในระบบ และส่งผลทำให้เส้นโค้งของระบบมีการเปลี่ยนแปลงไป ดังรูปที่ 7 โดยอัตราการไหลจะหาได้จากจุดที่เส้นโค้งทั้งสองตัดกัน จากตัวอย่างจะเห็นว่าความดันจะลดลงมาที่ 155 ฟุต และอัตราการไหล จะลดลงมาที่ 80 GPM

รูปที่ 7 แสดงความสัมพันธ์ของเส้นโค้งทั้งสองที่เปลี่ยนไป

ส่วนกำลังที่ถูกนำไปจะเป็นสัดส่วนกับ Head pursuer และ flow rate ตามสีน้ำเงิน ในกราฟรูปที่ 8
จากกรณีดังกล่าว ถ้าหากเราเลือกใช้ AFD’s ในการควบคุมการไหล จะพบว่าจะไม่มีการสูญเสียแรงต้านใดๆในระบบ ดังนั้นเส้นโค้งของระบบ (System curve) จะยังคงเป็นเหมือนลักษณะเดิม และเมื่อมีการเปลี่ยนปั๊มที่มีใบพัดขนาดเล็กลงกว่าเดิมเข้าไปแทนปั๊มตัวเก่า ก็จะได้ กราฟความสัมพันธ์ดังรูปที่ 8

รูปที่ 8

ดังนั้นหากนำระบบทั้ง 2 ระบบ คือระบบที่ใช้วาล์ว กับใช้ระบบที่มีการปรับความเร็วด้วย AFD’s มาเปรียบเทียบกันในขณะ ที่มีความต้องการอัตราการไหลของระบบอยู่ที่ 80 GPM และความความดันอยู่ที่ 57 ฟุต (Heads)เท่ากัน และอัตราส่วนการใช้กำลังงานยังคงเป็นสัดส่วนกับ head pressure และ flow rate ดังแสดงในพื้นที่สีเทา ก็จะได้กราฟหรือเส้นโค้งดังแสดงในรูปที่ 9

รูปที่ 9 เปรียบเทียบการใช้พลังงานระหว่างระบบที่ใช้วาล์วกับการใช้ AFD’s ควบคุมอัตราการไหล

จากรูปจะเห็นว่า
พื้นที่สีฟ้าจะแสดงให้เห็นถึงกำลังงานที่สามารถประหยัดได้จากการใช้ AFD’s ทดแทนการใช้วาล์ว

รูปที่ 10 แสดงการเปรียบเทียบการควบคุมด้วยวาล์ว อื่น ๆ รวมถึงอุปกรณ์ปรับเปลี่ยนความเร็วรอบอื่น ๆ

ตารางที่ 1 คำจำกัดความของอุปกรณ์ต่าง ๆ
Diverting value :	การไหลมีการเปลี่ยนแปลงจาก output กลับมาที่ input? กำลังงานที่ใช้จะคงเดิมและไม่ขึ้นอยู่กับ การไหลที่วัดได้จริง
Throttling value :	ได้พิจารณาแล้วจากที่กล่าวยกเว้นตัวอย่างไป
Hydrostatic drive :	มีหลักการทำงานปรับเร็วรอบเหมือน AFD’s แต่ความสูญเสียกำลังภายในระบบของ Hydrostatic drives มีมากกว่า
Mechanical drive :	ทำงานด้วยการปรับของ Belt และ shear ซึ่งทำให้มีความสูญเสียกำลังแก่แรงเสียดทาน ลม มาขึ้นและยังมีค่าซ่อมบำรุงที่มาก
Eddy current drive or clutch:	อุปกรณ์นี้ให้หลักการ magnetic coupling ในการถ่าย load torque ในการปรับ speed ระบบ clutch ทำให้มีแรงเสียดทานน้อยลงและลดการเสียกำลังได้อย่างดี
Adjustable frequency drive:	ดังตัวอย่างที่ได้พิจารณาให้เห็นเป็นแล้วว่ามีสมรรถภาพที่ดีมากในการลดกำลังงานมาก

การใช้ AFD’s สามารถช่วยลดค่าใช้จ่ายโดยรวมของระบบได้อีกด้วย เพราะ ไม่ต้องทำการติดตั้งอุปกรณ์เพิ่มอื่น ๆเข้าไปในระบบอีก ส่วนระบบที่ควบคุมการไหลด้วยวาล์วนั้นจะต้องเสียค่าจ่ายของวาล์ว และค่าใช้จ่ายในการติดตั้ง ค่า เดินท่อ มายังจุดที่ที่สามารถทำการควบคุมปิดเปิดวาล์ว เพิ่มขึ้นอีกด้วย และจากตัวอย่างดังแสดงในรูปที่ 11 จะเห็นว่าความสูญเสียในท่อจะคิดเป็น 10 HP และความสูญเสียในวาล์วอีก 15 HP กรณีที่ควบคุมอัตราการไหลโดยใช้วาล์ว

สาเหตุของการสูญเสียในระบบที่ใช้วาล์วจะเกิดจากการสูญเสียในตัววาล์วเอง ,ระบบการเดินท่อ ,ในตัวปั๊ม และกำลังในการขับโหลด 50 HP ดังนั้นรวมหมดทั้งระบบปั๊มจะต้องใช้กำลังขับเท่ากับ 90 HP และในส่วนของมอเตอร์เมื่อออกแบบใช้มอเตอร์ใช้งานที่ 90 % ก็จะต้องเลือกมอเตอร์ขนาดเท่ากับ 100 HP ดังแสดงให้เห็นตามตัวอย่าง ส่วนในระบที่ใช้ AFD’s จะไม่มีการสูญเสียในวาล์ว และในระบบการเดินท่อก็จะสามารถลดจำนวนการโค้งงอของท่อลงได้ ทำให้การสูญเสียในระบบเดินท่อลดลง การสูญเสียพลังงานในปั๊มก็ลดลง ในขณะเปรียบเทียบที่ความต้องการในการขับโหลดเท่ากันคือ50 HP ก็จะเห็นว่าความต้องการของปั๊มมีเพียง 68 HP และขนาดของมอเตอร์ที่ใช้ขับปั๊มก็มีขนาดเล็กลงเหลือีความต้องการเพียง 75 HPเท่านั้น

Adjustable Frequency Drives และ Saving Energy