ทำไมจึงต้องใช้ Soft starters

โดย : Admin

 

 โดย :   สุชิน  เสือช้อย 
webmaster(at)9engineer.com

      Soft starters ถึงแม้จะไม่ใช่เทคโนโลยีใหม่ แต่จากการที่ได้ทำหน้าที่เป็นเว็บมาสเตอร์ www.9engineer.com  กลับพบว่า Soft starters กลับกลายเป็นคำถามที่ถูกถามถึงอยู่บ่อยๆ เช่น Soft starters คืออะไร ทำงานอย่างไร  มีข้อดีอะไรบ้างเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีอื่น หรือ Soft starters ช่วยประหยัดพลังได้หรือไม่ เป็นต้น

      การสตาร์ทมอเตอร์ด้วย Soft starters ถือได้ว่าเป็นการสตาร์ทมอเตอร์ด้วยการลดแรงดันวิธีหนึ่ง ดังนั้นก่อนอื่นก็คงจะหนีไม่พ้นที่จะต้องกล่าวถึงสมการพื้นฐานที่เป็นส่วนสำคัญที่จะแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและแรงบิด

          แรงบิดหรือทอร์คของอินดัคชั่นมอเตอร์จะแปรผันตามแรงดันยกกำลังสอง ( T = V² ) กล่าวคือหากมีการลดแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ก็จะทำให้แรงบิดของมอเตอร์เปลี่ยนแปลง เช่นหากแรงดันลดลง 10 % จะทำให้ทอร์คของมอเตอร์ลดลง 19 % ดังรูป

 การสตาร์ทมอเตอร์มีกี่วิธี อะไรบ้าง และ แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียอย่างไร ?
        การสตาร์ทอินดัคชั่นมอเตอร์ที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมโดยทั่วไปแล้วจะประกอบ 2 วิธี  คือการสตาร์ทแบบ Full Voltage Starting และวิธี Reduce Voltage Start  ดังนี้
 

• การสตาร์ทแบบ Full Voltage Starting  
  
     Full Voltage Starting  หรือที่หลายๆท่านคุ้นเคยในชื่อ " การสตาร์ทแบบต่อโดยตรงจากไลน์ (Direct on – line starting, DOL)
  โดยทั่วไปวิธีนี้จะใช้กับมอเตอร์ขนาดเล็กจนถึง 7.5 Kw.   ลักษณะการต่อใช้งานขดลวดมอเตอร์จะได้รับแรงดันเต็มพิกัด เช่นถ้าแผ่นป้ายมอเตอร์บอกพิกัดแรงดันเป็น 220/380 v. เราก็จะต่อเป็นแบบสตาร์ (เนื่องจากระบบไฟฟ้าอุตสาหกรรมในบ้านเราเป็นแบบ 3 phase 380 volt 50 Hz.) หรือถ้าแผ่นป้ายบอกพิกัดแรงดันเป็น 380/660 v. เราก็จะต่อเป็นแบบเดลต้า) การสตาร์ทด้วยวิธีนี้มอเตอร์จะมีกระแสขณะสตาร์ทจะสูง 4-8 เท่าของกระแสพิกัด ส่วนทอร์คจะมีค่า 0.5-1.5 เท่า ของแรงบิดพิกัด ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติด้านทอร์คของมอเตอร์แต่ละตัว
  
  
            การสตาร์ทด้วยวิธีนี้ หากใช้กับเครื่องจักรที่มีโหลดน้อยๆ   จะทำให้อัตราเร่งของโรเตอร์สูงเกินไป เนื่องจากมอเตอร์มีแรงบิดขณะสตาร์ทสูง  จะทำให้เกิดการกระชาก ,เกิดการแกว่ง(oscillations)ของทอร์คที่เพลา ซึ่งจะนำไปสู่การสึกหรอของชุดส่งกำลัง,ชุดเกียร์ และชุดขับเคลื่อน   หรือหากใช้กับเครื่องจักรที่มีโหลดหนักก็อาจจะทำเกิดปัญหาอื่นๆได้เหมือนกัน เช่นอานส่งผลทำให้สายพานและมู่เล่ เกิดการลื่นไถล ทำให้เกิดการชำรุดและสึกหรออย่างรวดเร็ว หรือหากใช้กับปั๊มก็จะทำให้ปั๊มเกิดการคลอนตัว เกิดการกระแทกของท่อในขณะมอเตอร์ทำงานและหยุดทำงาน 
  
  
            การสตาร์ทแบบ DOL โดยทั่วไปเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมใช้งานกันอย่างกว้างขวาง เนื่องจากเป็นวงจรสตาร์ทที่ทำได้ง่ายๆ, ค่าใช้จ่ายต่ำ ความผิดพลาดในการสตาร์ทก็มีน้อย จึงทำให้มีเสน่ห์ และแรงดึงดูด จนทำให้หลายท่านลืมคิดถึงค่าใช้จ่ายแฝงที่จะส่งผลกระทบในระยะยาว เช่นค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาที่เพิ่มขึ้น ,อายุการใช้งานอุปกรณ์ส่งกำลังและอื่นๆลดลง นอกจากนั้นยังเสี่ยงต่อความเสียหายของมอเตอร์ค่อนข้างสูง โดยเฉพาะการใช้งานที่มีการสตาร์ทและหยุดบ่อยๆ
   

•  การสตาร์ทโดยการลดแรงดัน (Reduce Voltage Starting) 

   

     เทคนิกการลดแรงดันช่วงสตาร์ทโดยทั่วไปจะมีหลายวิธ เช่น Auto-Transformer starting หรือ Primary resistance starting และอื่นๆ  แต่ในที่นี้จะกล่าวถึงวิธีที่นิยมใช้งานมากที่สุดในอุตสาหกรรม คือการสตาร์ทแบบสตาร์- เดลต้า (Star – delta starting)

    องค์ประกอบของวงจรแบบสตาร์- เดลต้า  จะประกอบด้วยคอนแทคเตอร์ 3 ชุด  และ ไทเมอร์   วิธีเหมาะสำหรับใช้งานกับมอเตอร์ขนาดกลางจนถึงขนาดใหญ่ที่ขดลวดสเตเตอร์ถูกออกแบบมาใช้งานที่พิกัดเมื่อต่อแบบ เดลต้า ( 380/660 v.)  
  
     ลักษณะการทำงานของวงจรสตาร์ทแบบนี้ เมื่อเริ่มสตาร์ท ขดลวดของมอเตอร์จะถูกต่อวงจรให้เป็นแบบสตาร์โดยคอนแทคเตอร์ (แรงดันที่จ่ายเข้าขดลวดจะต่ำกว่าพิกัด 42% และเหลือเพียง 58 % ) หลังจากนั้นเมื่อความเร็วรอบของมอเตอร์เพิ่มขึ้นถึง 80 % ขดลวดก็จะถูกเปลี่ยนไปเป็นแบบเดลต้า โดยใช้ไทเมอร์เป็นตัวตั้งเวลา   ผลของการสตาร์ทด้วยวิธีนี้จะทำให้แรงบิดมอเตอร์ลดลงเหลือ 1 ใน 3 (ประมาณ 34 %) ของแรงบิดขณะถูกล๊อคโรเตอร์ (Locked rotor torque ,LTR) ซึ่งก็ทำให้กระแสขณะสตาร์ท และ อัตราการเร่งเครื่องลดลงด้วย

  แต่อย่างไรก็ตามในช่วงที่มีการปลดวงจรเพื่อเปลี่ยนจากสตาร์ไปเป็นเดลต้าอย่างรวดเร็ว จะมีสนามแม่เหล็กตกค้างและมีกระแสไหลในโรเตอร์ ซึ่งจะทำให้เกิดแรงดันในขดลวดสเตเตอร์ เนื่องจากความถึ่โรเตอร์ และในขณะที่ต่อแบบเดลต้าเข้าไปอีกครั้ง ในขณะที่ความเร็วของโรเตอร์ต่ำกว่า 80 % จะทำให้ เกิดกระแสเสิร์จสูงและเกิดการแกว่ง (Oscillation) ของกระแส และแรงบิดซึ่งทำให้มีค่าสูงสุดถึง 15 เท่าของระดับโหลดสูงสุด

 

 Soft Starters คืออะไร ?

       จากปัญหาดังที่กล่าวมา สามารถปรับปรุงและแก้ไขได้โดยใช้ Soft Start (การสตาร์ทแบบนุ่มนวล) ลักษณะโครงสร้างที่สำคัญของ Soft Starter   คือวงจรกำลัง (power circuit) จะใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเข้ามาทำหน้าที่ตัดต่อกระแสไฟฟ้าที่จ่ายไปยังขดลวดมอเตอร์แทน คอนแทคเตอร์ วงจรโดยทั่วไปประกอบด้วย thyristors หรือ SCR ต่อกลับหัวแบบขนานกัน 3 ชุด (antiparallel หรือ back to back )
 

 

 

        การควบคุมการจ่ายกระแสไฟฟ้าของ Soft Starter จะขึ้นอยู่กับมุมจุดชนวน (firing angle) หรือมุมทริกที่ SCR เช่นถ้ามุมจุดชนวนของ SCR ต่ำหรือเข้าใกล้ 0 องศา แรงดันเฉลี่ยด้านขาออกจะสูง หากมุมจุดชนวน SCR สูง หรือเข้าใกล้ 180 องศา แรงดันเฉลี่ยขาออกก็จะต่ำ  

 

ตัวอย่าง Soft Starter ที่ใช้ในอุตสาหกรรม

 Soft Starters มีข้อได้เปรียบอย่างไร ?

       จากหลักการดังกล่าว ทำให้ Soft Starter สามารถทำการควบคุมแรงดันและพลังงานที่จ่ายไปยังมอเตอร์ได้  โดยแรงดันที่ค่อยๆเพิ่มขึ้นตามการตั้งเวลา Ramp up ทำให้การออกตัวและการหยุดเป็นไปอย่างนุ่มนวล ความเร็วที่ค่อยๆเพิ่มขึ้น จะช่วยลดแรงฉุดหรือแรงกระชากในขณะออกตัว ซึ่งจะช่วยลดการสึกหรอของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น โซ่ สายพาน เกียร์ หรือเฟืองทด และอื่นๆได้ 

     นอกจากนั้นโดยทั่วไปยังมีฟังก์ชั่นการจำกัดกระแส (Current Limiting) ทำให้สามารถควบคุมกระแสขณะสตาร์ทไม่ให้เกินค่าสูงสุดตามที่ปรับตั้งไว้ได้  (2.5 – 5 ของกระแสพิกัด) ซึ่งเหมาะสำหรับมอเตอร์ที่ใช้ขับโหลดที่มีทอร์คเพิ่มขึ้นตามความเร็ว เช่น ปั๊ม หรือ พัดลม (ต้องการทอร์คในการออกตัวไม่สูง ) ซึ่งต้องการการลดกระแสขณะสตาร์ท หรือกรณีที่โหลดหนักที่ต้องการแรงบิด 1 หรือ 2 เท่า ของทอร์คพิกัด กระแสสตาร์ทจะมีค่าเท่ากับการสตาร์ทด้วยวิธี DOL แต่จะไม่เกิดการกระชากอย่างรุนแรง  เนื่องจาก Soft Starters จะมีการปอ้งกันกระแสไฟฟ้าไหลอย่างรุนแรง (Switching Surge) 

 

 

            นอกจากนั้นในบางรุ่นหรือบางยี่ห้อ ยังประกอบด้วยฟังก์ที่สามารถช่วยประหยัดพลังงานได้อีกด้วย โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้มีการเปลี่ยนแปลงตามโหลดที่ใช้งาน ซึ่งจะช่วยให้ค่า Power factor มีค่าสูงขึ้น ลด reactive power ให้ต่ำลง  ค่า power factor มีค่าใกล้เคียงกับการใช้งานขณะ Full Load   วิธีนี้จะช่วยให้ลดกระแส และลดการสูญเสียในขดลวดของมอเตอร์ รวมถึงการสูญเสียในสายด้วย    (ฟังก์ชั่นนี้จะประหยัดพลังงานได้เฉพาะกรณีที่มีโหลดต่ำ หรือมีการรันเครื่องแบบ no load เป็นช่วงๆ )

 

          หากพิจารณาในแง่ของราคาลงทุนขั้นต้น การใช้ Soft Starter อาจจะดูเหมือมีราคาแพงกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับการสตาร์ทด้วยวิธีอื่นๆ เช่นเมื่อเปรียบเทียบวิธี D.O.L หรือแบบ Star- Delta ดังที่กล่าวมา

          แต่หากพิจารณาถึงผลกระทบระยะยาว เช่นการสึกและการฉีกขาดทั้งด้านทางกล (Mechanical) และทางด้านไฟฟ้า (Electrical) ค่าบำรุงรักษาเครื่องจักร ,เวลาที่เครื่องจักรหยุดทำงาน (down time ) รวมถึงการชำรุดเสียหายของสินค้าที่ผลิดอันเนื่องจากการกระตุก หรือการกระชากของเครื่องจักรในขณะสตาร์ทและขณะหยุดทำงาน จะเห็นว่ามีค่าใช้จ่ายโดยรวมระยะยาวจะค่อนข้างแตกต่างกันมาก



  Soft Starter กับ  Inverter แบบไหนจะดีกว่ากัน ?

            โดยทั่วไปแล้ว อินเวอเตอร์ จะมีฟังก์ชั่นและขีดความสามารถที่เหนือกว่า Soft Starters จนกระทั่งมีคำกล่าวขานในกลุ่มตัวแทนจำหน่ายอินเวอร์เตอร์ว่า “ ฟังก์ชั่นอะไรก็ตามที่ Soft Starter  ใช้งานได้  อินเวอร์เตอร์ ทำได้หมด “  ถึงแม้ว่าคำกล่าวนี้จะเป็นจริงก็ตาม แต่ถ้าพิจารณาจากประโยชน์ในการประยุกต์ใช้งานแล้ว เช่นถ้าเครื่องจักรของคุณไม่จำเป็นต้องมีการควบคุมความเร็ว ใช้งานที่ความเร็วรอบคงที่ (fixed speed) ต้องการการควบคุม ramp time  ต้องการความนุ่มนวล ไม่มีการกระตุก (jerk) หรือการกระชากในขณะออกตัวหรือช่วงหยุด  การใช้ Soft Starter จะเป็นคำตอบสุดท้ายที่ถูกต้องกว่า เนื่องจากจะประหยัดค่าใช้จ่ายกว่าการใช้อินเวอร์เตอร์ (จ่ายแพงกว่าทำไม ? )



 

 

เปรียบเทียบการสตาร์ทด้วยวิธี DOL.,Star-Delta และ Soft starter

 

 

การใช้ Soft Starter จะทำให้มีค่าใช้จ่ายที่แพงกว่าหรือไม่ ?

เนื้อหาโดย: 9engineer.com (http://www.9engineer.com/)