มาทำความเข้าใจถึงการสูญเสียในมอเตอร์

                ประสิทธิภาพมอเตอร์ ถูกกำหนดค่าโดยกำลังขาออก (Watt Output) หารด้วยกำลังขาเข้า (Watt Input) หรือในรูปแบบกลับกัน โดยกำลังขาเขาหักออกด้วยกำลังที่สุญเสียไป (Watt Losses) หารด้วยกำลังขาเข้า โดยกำหนดให้ค่ากำลังหนึ่งแรงม้าทางกลมมีค่าเท่ากับ 746 วัตต์ของกำลังไฟฟ้า
              ทางเดียวที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของมอเตอร์จำเป็นต้องลดการสูญเสียต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นค่าความสูญเสียเมื่อมอเตอร์ไม่ได้รับภาระการทำงานหรือไม่มีโหลด (No Load Losses) จะมีค่าคงที่เกิดขึ้นเมื่อเราป้อนพลังงานเข้ามอเตอร์ ซึ่งจะรวมถึงความสูญเสียที่เกิดจากความเสียดทานและเกิดขึ้นที่ตลับลูกปืนของมอเตอร์ความสูญเสียจากแรงลมเกิดขึ้นจากพัดลมระบายความร้อนของมอเตอร์ และแรงฉุดของลมโรเตอร์ (สำหรับมอเตอร์แบบเปิด IP23) การสูญเสียที่แกนเหล็กประกอบด้วยการสูญเสียจากค่าฮีสเตอร์รีซีส (Hysteresis Losses) และการสูญเสียจากกระแสไหลวน (Eddy Current Losses) ในวงจรแม่เหล็กของมอเตอร์ การสูญเสียเมื่อมอเตอร์ไม่มีโหลดมีค่าประมาณ 30 % ของค่าความสูญเสียรวมในมอเตอร์ตัวหนึ่ง ๆ และเกิดขึ้นไม่ว่ามอเตอร์จะหมุนตัวเปล่าหรือใช้งานอยู่ก็ตาม

         ความสูญเสียเมื่อมอเตอร์ต้องรับภาระหรือโหลดที่เกิดขึ้น (Load Losses) การสูญเสียที่สเตเตอร์หรือโรเตอร์ เป็นผลของความต้านทานของวัสดุที่ใช้ตัวนำที่สเตเตอร์ ตัวนำที่โรเตอร์ และวงจรแม่เหล็กของมอเตอร์เราสามารถควบคุมค่าความสูญเสียได้ด้วยการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมส่วนการสูญเสียจากภาระการใช้งานเป็นผลที่เกิดจากฮาร์โมนิค และการสูญเสียที่เกิดจากกระแสไหลวน สามารถควบคุมการสูญเสียนี้ได้จากการออกแบบ และการควบคุมกรรมวิธีการผลิต

     ทำไมมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงถึงมีราคาสูงกว่า
        ปรัชญาการออกแบบมอเตอร์อุตสาหกรรมได้เพ่งเล็งไปที่ความทนทาน มีอายุการใช้งาน ได้นานโดยที่มีราคาสมเหตุสมผล และก่อนวิกฤตการณ์น้ำมันจากกลุ่มประเทศอาหรับในช่วงปี พ.ศ.2516 ถึง 2517 ที่ทำให้ต้นทุนในการผลิตไฟฟ้าสูงขึ้น ประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์เป็นเรื่องค่อนข้างไม่สำคัญ แต่ในปัจจุบันนี้มอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงจะรวมเอาลักษณะการสร้างที่แข็งแรง ทนทาน และมีอายุการใช้ยาวนานไว้ด้วยจากลักษณะโครงสร้างพิเศษ ดังต่อไปนี้
         - ปรับปรุงคุณสมบัติของแกนเหล็กให้ดีขึ้น มอเตอร์ธรรมดาจะใช้เหล็กเคลือบผิว (Laminated Steel) คาร์บอนต่ำสำหรับทำแกนเหล็กที่ โรเตอร์และสเตเตอร์ เหล็กแบบดังกล่าวมีการสูญเสียกำลังของไฟฟ้า 3 วัตต์ต่อน้ำหนักเหล็กหนึ่งปอนด์ ส่วนมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงจะใช้เหล็กซิลิกอนเกรดสูง ซึ่งเป็นแบบที่จะลดการสูญเสียกำลังของไฟฟ้าจากกระแสดไหลวนไปได้ถึงครึ่งหนึ่ง คือเหลือเพียงประมาณ 1.5 วัตต์ต่อน้ำหนักเหล็ก 1 ปอนด์
         -  ใช้เหล็กเคลือบผิวที่บางกว่า   การลดความหนาของแผ่นเหล็กที่ทำแกนของโรเตอร์ และสเตเตอร์ ก็เป็นการลดความสูญเสียกำลังจากกระแสไหลวนให้ต่ำลง นอกจากนี้การ ปรับปรุงฉนวนระหว่างแผ่นเหล็กจะช่วยลดการสูญเสียเหล่านี้ได้ดียิ่งขึ้น
       -   เพิ่มปริมาณตัวนำทองแดง   มอเตอร์ธรรมดาแบบเก่าจะใช้สายตัวนำเป็นอะลูมิเนียม โดยมีขนาดพอดีกับค่ากระแสสูงสุดของมอเตอร์ แต่มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงจะใช้ตัวนำที่เป็นทองแดงเพื่อให้ความต้านทานชุดขดลวดต่ำลงด้วยตัวนำขนาดใหญ่กว่าปกติประมาณ 35-40 %
      -     ปรับปรุงการออกแบบร่องสล็อท   เพื่อที่จะจัดให้มีพื้นที่สำหรับขดลวดทองแดงที่มีประมาณมากขึ้น และฉนวนที่มีเพื่อขึ้นตามความจำเป็น พื้นที่ภาคตัดขวางของร่องสล็อทต้องขยายขนาดออกไปประมาณ 50 % เพื่อชดเชยกับพื้นที่ภาคตัดขวางของช่องที่กว้างขึ้น ทำให้ต้องใช้แกนของสเตเตอร์ที่ยาวออกไปอีก แกนที่ยาวขึ้นกว่าเดิมมีผลให้ได้ประโยชน์เพิ่มที่สำคัญในลักษณะของการปรับปรุงตัวประกอบกำลัง (Power Factor) ของ มอเตอร์ให้ดีขึ้น
     -    ปรับปรุงฉนวนของโรเตอร์    การสูญเสียกำลังบางส่วนจะเกิดขึ้นโดยไม่เจตนาจากกระบวนการผลิตมอเตอร์ที่ทำให้เกิดทางเดินกระแสไฟฟ้าที่ไม่ต้องการระหว่างตัวนำที่โรเตอร์ ซึ่งส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นเมื่อตัวนำที่โรเตอร์ถูกทำให้อยู่ในแนวเฉียง ซึ่งเป็นวิธีปฏิบัติในการออกแบบตามปกติเพื่อลดเสียงรบกวนและแรงบิดที่ไม่สม่ำเสมอในมอเตอร์ขนาดเล็ก ในการผลิตมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่ขอบของช่องโรเตอร์จะใช้ฉนวนทนอุณหภูมิสูงเพื่อลดทอนการสูญเสียเหล่านี้
     -     ออกแบบพัดลมที่มีประสิทธิภาพมากกว่า    เนื่องจากมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงจะทำงานโดยมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่าแบบธรรมดา ทำให้มีพัดระบายความร้อนที่เล็กกว่า ลดทอนการสูญเสียกำลังจากแรงลม และมีผลทำให้มีเสียงรบกวนน้อยกว่า

การเลือกมอเตอร์สำหรับเปลี่ยนทดแทน

บทเรียนราคาแพงอีกอย่างหนึ่ง คือ การเปลี่ยนมอเตอร์โดยใช้มอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเดิมโดยพละการ ไม่คำนึงว่ามอเตอร์นั้นเป็นมอเตอร์ที่สมควรเปลี่ยนหรือไม่ หลักเกณฑ์การเปลี่ยนมอเตอร์เก่าทดแทนด้วยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงมีรายละเอียดอยู่ในหัวข้อ “การเลือกมอเตอร์สำหรับเปลี่ยนทดแทน (Retrofit)”

การคำนวณค่าไฟฟ้าที่ประหยัดได้ต่อปี
ตัวอย่างต่อไปนี้แสดงการคำนวณสำหรับการเปลี่ยนมอเตอร์ธรรมดาประสิทธิภาพ 91.7 % ด้วยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง 94.1 % ที่มีขนาดเท่ากัน มอเตอร์เครื่องนี้มีกำลัง 50 แรงม้า ใช้รับโหลดเต็มที่และทำงาต่อเนื่อง (8.760 ชั่วโมง ต่อปี) อัตราพลังงานคือ 1.75 บาท ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง การคำนวณการประหยัดพลังงานต่อปีจะคำนวณได้จากสมการนี้

S = 0.746 X H X L X C X N (100/EB-100/EA)
แทน S = กาประหยัดต่อปีเป็นบาท	H = แรงม้าของมอเตอร์
L = การรับโหลดของมอเตอร์	C = อัตราพลังงานไฟฟ้า บาท/กิโลวัตต์ชั่วโมง
N = ชั่วโมงการทำงานต่อปี	EA = ประสิทธิภาพของมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง เป็นร้อยละ
EB = ประสิทธิภาพของมอเตอร์แบบธรรมดา เป็นร้อยละ
S = 0.746 X 50 X 1 X 1.75 บาท 8.760V (100/91.7-100/94.1)
การประหยัดต่อปี = 15.896 บาท (คิดเป็นระยะเวลาคืนทุนประมาณ 1 ปี)

สอบถามจากผู้แทนจำหน่ายมอเตอร์
การปรึกษากับผู้แทนจำหน่ายมอเตอร์ ก่อนลงมือเปลี่ยนมอเตอร์ใหม่จะช่วยให้ท่านตัดสินใจได้ดียิ่งขึ้น ผู้แทนจำหน่ายมอเตอร์สามารถช่วยในวิเคราะห์ด้านเศรษฐศาสตร์ และสามารถให้ข้อมูลเฉพาะเรื่องในองค์ประกอบในการประเมินค่าที่สำคัญ ๆ เช่น ลักษณะการออกแบบพิเศษ ประสิทธิภาพการรับประกันอย่างต่ำที่สุด และค่าตัวประกอบกำลังของมอเตอร์

   การเลือกมอเตอร์สำหรับเปลี่ยนทดแทน (Retrofit)
       หลักเกณฑ์ต่าง ๆ ดังต่อไปนี้ควรจำนะมาพิจารณาเพื่อเลือกลำดับความสำคัญก่อนหลังให้แก่มอเตอร์รุ่นเก่าที่สามารถจะเปลี่ยนทดแทนได้โดยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง
             -     สภาพโดยทั่วไป สังเกตความเสียหายบนตัวถังของมอเตอร์หรือฉนวน หากมอเตอร์นั้นได้ผ่านการพันขดลวดใหม่มาแล้วหลายครั้งหรือเมื่อทำงานแล้วมีความร้อนหรือมีประวัติด้านความเสียหายของตลับลูกปืนหรือปัญหาอื่น ๆ มาก่อน มอเตอร์เช่นนี้เหมาะสมที่จะเปลี่ยนใหม่ด้วยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง
            -       อายุ มอเตอร์อายุการใช้งานมากก็เป็นมอเตอร์ที่มีโอกาสชำรุดมากขึ้น และปกติจะมีประสิทธิภาพต่ำกว่ามอเตอร์ใหม่
            -      ชั่วโมงการใช้งานต่อปี มอเตอร์ที่ถูกใช้งานตลอด 24 ชั่วโมงปกติมักจะเป็นมอเตอร์ที่สมควรเลือกสำหรับการเปลี่ยนทดแทนที่สุดแต่มอเตอร์ที่ใช้งานเพียงช่วงเวลาเดียวใน 1 วัน ก็ควรจะพิจารณาว่าอัตราการใช้กระแสไฟฟ้าสูงหรือไม่
            -      ลักษณะการรับโหลด มอเตอร์ที่ทำงานด้วยโหลดเต็มที่หรือเกือบเต็มที่เป็นมอเตอร์ที่น่าเลือกที่สุดตามหลัก อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนทดแทน โดยการใช้มอเตอร์ขนาดที่เล็กและขนาดของมอเตอร์ ใกล้เคียงกับการโหลดที่แท้จริง ทดแทนมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่าโหลดมาก ๆ ก็สามารถได้ความประหยัดในด้านพลังงาน
            -        ความเร็วใช้งาน   จุดที่ดีที่สุดในด้านประสิทธิภาพจะมอเตอร์ที่ทำงานระหว่าง 1200-3600 รอบต่อนาที
            -      การใช้งาน   มอเตอร์ที่ใช้งานกับโหลดคงที่จะเป็นมอเตอร์ที่น่าเลือกกว่ามอเตอร์ที่รับโหลดแปรปรวน มอเตอร์ที่ใช้บนเครน ลูกรอกงานเจาะ งานเครื่องจักร ฯลฯ ปกติจะยากที่จะนำมาเปลี่ยนทดแทนด้วยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง
            -     แบบมาตรฐานหรือแบบพิเศษ   มอเตอร์ที่ผลิตมาโดยเฉพาะงานไม่เหมาะนำมาปรับปรุง หรือเปลี่ยนทดแทนด้วยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง แต่อย่างไรก็ดี การเปลี่ยนวิธีต่อประกับจะสามารถทำให้มอเตอร์แบบธรรมดามาใช้ทดแทนแบบที่ออกแบบพิเศษได้