VFD ย่อมาจาก Variable Frequency Drives หรือไม่ก็อาจจะเรียกกันว่า VSD (Variable Speed Drives) หรือไม่ก็ อินเวอร์เตอร์ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับควบคุมแรงบิดและความเร็วรอบของมอเตอร์ และแน่นอนสามารถที่จะใช้สำหรับการ สตาร์ทและสต๊อปมอเตอร์ได้อีกด้วย
เหตุผลหลักสำหรับการเลือกใช้ VFD นั้นก็คือความสามารถในการควบคุมมอเตอร์นั้นเอง
การใช้งานตัว VFD ในการควบคุมมอเตอร์นั้น ก็เปรียบเสมือนการที่เรากำลังขับรถอยู่บนถนนด้วยความเร็ว 100 กิโลเมตร/ชั่วโมง แล้วอยู่ๆ คุณก็เจอป้ายจำกัดความเร็วที่ 80 กิโลเมตร/ชั่วโมง เมื่อเจอสถานะการเช่นนี้คุณจะทำอย่างไรระหว่าง
- เหยียบคันเร่งจ่ายน้ำมันปกติ แล้วควบคุมความเร็วรถด้วยการแตะเบรคไปเรื่อย
- ลดคันเร่ง แล้วเปลี่ยนเกียร์เพื่อลดความเร็วรอบของเครื่องยนต์ลง
ซึ่งทั้ง 2 แบบสามารถลดความเร็วมอเตอร์ลงได้เหมือนกัน แต่แบบที่ 1 คุณยังใช้น้ำมันเท่าเดิม หรือพลังงานเท่าเดิม แต่แบบที่สองใช้พลังงานน้อยลง ซึ่งแบบที่สองก็เปรียบเสมือนการใช้ VFD ในการควบคุมมอเตอร์นั่นเอง
อุปกรณ์ควบคุมความเร็วรอบมอเตอร์ (Variable Frequency Drives : VFD, Variable Speed Drives : VSD ) เป็นอุปกรณ์ที่เพิ่มประสิทธิภาพการทํางานของมอเตอรในขบวนการการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม เช่น ระบบปั๊มน้ำ พัดลม และระบบปรับอากาศอาคารขนาดใหญ่ อุปกรณ์ VFD ใช้เทคโนโลยีแบบ Flux Current Control (FCC) ซึ่งเทคโนโลยีนี้ช่วยทําให้เพิ่มประสิทธิภาพในการควบคุมไม่ให้มีการสูญเสียพลังงานไปในรูปของความร้อนภายในตัวมอเตอร์ (Derating)
เหตุผลหลักทีคุณควรหรือไม่ควรใช้ VFD หรือ AC Drive
ควรใช้
- Change Speed– ปรับความเร็วรอบ
- Maintain Speed– ควบคุมความเร็วรอบให้อยู่คงที่
- Limit– จำกัดพารามิเตอร์ของมอเตอร์ (เช่นความเร็วรอบหรือกระแส)
- Ramp– ควบคุมอัตราการเร่งความเร็วขึ้นหรือลดความเร็วลงของตัวมอเตอร์
- Forward/Reverse Operation– ควบคุมทิศทางการหมุน
- Save Energy– ประหยัดพลังงาน
ไม่ควรใช้
ในกรณีที่ไม่จำเป็นที่เราต้องปรับความเร็วรอบของตัวมอเตอร์ การที่ใช้ตัว VFD แค่เพียง Start และ Stop ตัวมอเตอร์ VFD จะทำให้สูญเสียพลังงานโดยใช่เหตุเนื่องด้วยว่าในขนาดที่มอเตอร์ทำงาน อยู่ที่ความเร็วรอบคงที่ ตัว VFD ยังใช้พลังงานในการสร้างลูกคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับอยู่ตลอดเวลา ในขนาดที่อุปกรณ์อย่าง Soft Starter จะกลายเป็นแค่สะพานไฟฟ้าและใช้พลังงานเฉพาะตอนช่วงสตาร์ทกับสต๊อปตัวมอเตอร์เท่านั้น ซึ่งในระยะยาวและโดยเฉพาะในงานที่ใช้มอเตอร์ตัวใหญ่จะสูญเสียพลังงานไปมาก มอเตอร์หลายหลายตัวก็ยังใช้ทำงานอยู่ตลอด 24 ชั่วโมงอีกด้วย
มีงานหลาย Application ที่ออกแบบตัว VFD ให้ใช้ควบคู่กับตัว Soft Starter แล้วทำให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าการใช้ตัว VFD อย่างเดียวทุกตัวได้
พื้นฐานการทำงานของตัว VFD
Frequency converter บางครั้งก็จะเรียกว่า VSD (Variable Speed Drive), VFD (Variable Frequency Drive) หรือ Drive ซึ่ง Drive แต่ช่างส่วนใหญ่มักจะเรียกกันว่า Inverter ซึ่งมักจะสับสนกับอุปกรณ์ Invertor ที่ใช้กับระบบแผงโซล่าเซลล์ ซึ่งชื่อที่ถูกต้องนั้นคือ VFD ซึ่งเป็นชื่อทางการค้า เพราะตัว VFD นัั้น จะประกอบด้วยการทำงานอยู่สองส่วน คือ
- วงจรแปลงสัญญาณ AC (50/60Hz) เป็น DC หรือวงจร Regulator
- วงจร DC ไปเป็นสัญญาณ AC ใหม่ที่มีความถี่ตั้งแต่ 0 – 250Hz หรือวงจร Inverter
โดยวงจรแปลงสัญญาณ AC (50/60Hz) เป็น DC นั้นจะทำหน้าที่รับแรงดันไฟฟ้า 3P3W หรือ 1P2W ที่เป็นแบบไฟฟ้ากระแสสลับ AC ผ่านวงจร Rectifier เพื่อแปลงเป็นไฟกระแสตรง หรือ DC หลังจากนั้นจะทำการแปลงกลับไปใหม่จากสัญญาณ DC ไปเป็นสัญญาณ AC ใหม่ที่มีความถี่ตั้งแต่ 0 – 250Hz ทั้งนี้ในการควบคุมความถี่นั้นส่งผลให้สามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ได้ดังสมการ
ns=120f/p
โดยค่า ns คือ ค่าความเร็วรอบมอเตอร์ ค่า p คือจำนวนขั้วของมอเตอร์หรือ Pole ซึ่งเป็นค่าคงที่ ดังนั้นเมื่อเปลี่ยนแปลงค่า f หรือความถี่ ก็จะทำให้ความเร็วรอบของมอเตอร์เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งในขณะทำการเริ่มสตาร์มมอเตอร์นั้น VFD จะค่อยๆเพิ่มความถี่ตั้งแต่ 0 Hz จนถึงความถี่ของระบบ 50 หรือ 60 Hz ทั้งนี้ทำให้มอเตอร์สามารถเพิ่มความเร็วให้ถึงพิกัดความเร็วของมอเตอร์ที่สัมพันธ์กับความถี่นั้นๆได้
ความสัมพันธ์ของแรงบิดมอเตอร์ เมื่อใช้ VFD ปรับความเร็วรอบ
ความสัมพันธ์ของความเร็วรอบมอเตอร์และแรงบิดของมอเตอร์ตามรูปข้างบนนั้น จะแสดงให้เห็นการเปรียบเทียบ พิกัดความเร็ว พิกัดของทอร์กที่สามารถออกตัวขณะสตาร์ทมอเตอร์ และพิกัดของกระแสของมอเตอร์ ซึ่งตัว VFD สามารถควบคุมการจ่ายกระแสที่ใช้สำหรับการ Start Motor กระแสพิกัดใช้งานของมอเตอร์ เพื่อลดการเกิดกระแสกระชากในขณะสตาร์ทมอเตอร์ได้ และควบคุมความเร็วรอบโดยการปรับค่าความถี่ไฟฟ้า โดยสามารถรักษาค่าแรงบิดของมอเตอร์ให้คงที่ได้ ในการควบคุมมอเตอร์โดยใช้ VFD โดยปกติแล้ว VFD จะทริปก็ต่อเมื่อกระแสที่จ่ายให้กับมอเตอร์มีค่ามากกว่ากระแสใช้งานปกติคุณ 1.5 เท่า
สำหรับการใช้ VFD ในการควบคุมมอเตอร์นั้นเราสามรถทำการหยุดมอเตอร์แบบค่อยๆ หยุด หรือ Soft stop ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งการทำ Soft stop จะมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อใช้ในการหยุดปั๊มเพื่อลดปัญหาการเกิด water hammer ทั้งนี้ยังเหมาะกับงานที่เป็นสายพานลำเลี้ยง (conveyor belts) อีกด้วย
ประเภทของการควบคุมของ VFD
V/Hz (Open Loop)
Volts/Hz เป็นประเภทของ VFD ที่ราคาถูกที่สุดมีฟีเจอร์น้อยที่สุดอีกด้วย VFD พวกนี้ปกติแล้วใช้กับงานที่ใช้แรงบิดคงที่และเป็นการควบคุมแบบ Open Loop เท่านั้น
- Response: 500 – 1000ms
- Accuracy: 10% +
- Speed range: 10:1 – 180rpm
V/Hz + Encoder (Closed loop)
เพิ่ม feedback เอ็นโค้ดเดอร์จากตัวมอเตอร์เข้ามาที่ตัว Drive ทำให้ประสิทธิภาพดีขึ้น แต่ก็จะมีค่าใช้จ่ายของตัวเอ็นโค้ดเดอร์เพิ่มขึ้นมา
- Response: 500 – 1000ms
- Accuracy: 2%-0.3%
- Speed range: 10:1 – 180rpm
Vector (Open Loop)
Voltage Vector มีฟีเจอร์หลากหลายกว่าและมีศักยภาพในการทำงาน Application แบบแรงบิดคงที่ และ แรงบิดไม่คงที่
- Response: 50 – 300ms
- Accuracy: 0.2%-2%
- Speed range: 100:1 – 18rpm
Vector + Encoder (Closed loop)
ในการที่เสริม closed Loop เข้ามาให้กับ Vector VFD จะช่วยให้ประสิทธิภาพดียิ่งขึ้น มี Range ของความเร็วอยู่มากกว่า ซึ่งมากพอที่จะทำ Holding Torque ที่มอเตอร์ไม่หมุนแต่มีแรงบิดอยู่ จำเป็นสำหรับงาน Application พวก Lift และเครนยกของ
- Response: 50 – 300ms
- Accuracy: 0.2%-2%
- Speed range: 1500:1 – 1rpm
Flux Vector
Flux Vector drives มีการคำนวณมากกว่าธรรมดาทำให้มีราคาสูงกว่าและ accuracy ดีกว่าด้วย บางตัวจำเป็นที่จะต้องใช้ร่วมกับมอเตอร์พิเศษ
- Response: 5 – 60ms
- Accuracy: 0.02% – 0.1%
- Speed range: 1500:1
Servo Drives
Servo drives นั้นไม่ได้ใช้กับไฟ AC จำเป็นที่จะต้องใช้กับไฟและมอเตอร์ DC มีราคาสูงกว่า VFD อยู่มาก ใช้กับงานที่ควบคุมตำแหน่งให้แม่นยำเช่นในโรบอท
- Response: 2 – 8ms
- Accuracy: 0.007% – 0.08%
- Speed Range 1800:1 – 1rpm
Harmonic ที่ VFD สร้างขึ้น
นอกจากนี้การควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์ และการ Start และ Stop motor โดยการปรับความถี่ของแรงดันไฟฟ้าในอยู่ในช่วง 0 – 50 Hz จะทำให้เกิดการสร้างสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า เนื่องจากการใช้อุปกรณ์ Power Electronics เช่น IGBT ทำหน้าที่เป็น Switch เพื่อสร้างความถี่ ดังนั้นในตัว VFD ที่ดี จะมีการติดตั้งอุปกรณ์กําจัดสัญญาณรบกวน (Harmonic Filter) ซึ่งเป็นอุปกรณ์มาตรฐานของเครื่องป้องกันการรบกวนสัญญาณที่ส่วนของวงจรควบคุม
นอกจากการใช้งาน VFD สำหรับการควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์ และการ Start และ Stop motor แล้ว ผลพลอยได้ที่ได้จากการควบคุมนั้นคือการประหยัดพลังงานไฟฟ้าที่จ่ายในกับมอเตอร์ เช่น การใช้กฎของ Affinity Law และการลดค่า Peak Demand หรือความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุด
เปรียบเทียบการควบคุมมอเตอร์แบบ Traditional VS AC Drive
ในการควบคุมมอเตอร์ในระบบปั้มน้ำ ปํญหาที่น่าปวดหัวและน่ากลัวเป็นอย่างยิ่ง คือการเกิด Water Hammer ในระบบท่อ ซึ่งสร้างความเสียหายอย่างรุนแรงให้กับระบบ เช่น ท่อแตก ข้อต่อรั่ว เครื่องมือวัดได้รับความเสียหาย จนกระทั่งตัวปั้มพัง ซึ่งสาเหตุเป็นที่ทราบกันอยู่แล้วว่าเกิดจากการหยุดมอเตอร์ของปั้มแบบทันที ทำให้เกิดคลื่นน้ำ หรือจากการปิดวาล์วน้ำ
จากรูปตัวอย่างด้านบน เมื่อเราใช้ระบบควบคุมมอเตอร์แบบดั่งเดิม เช่น DOL, Star Delta นั้น จำเป็นต้องติดตั้งวาล์วน้ำเมื่อต้องการเร่งหรี่น้ำ หรือปรับแรงดันน้ำ ซึ่งไม่ได้ช่วยเรื่องของการประหยัดพลังงาน และจำเป็นต้องติดตั้ง Water Tank เพื่อลดการเกิด Water Hammer ในขณะที่หยุดมอเตอร์
แต่สำหรับการควบคุมระบบปั้มน้ำแบบมอเตอร์ด้วย VFD AC Drive นั้น เราสามารถปรับความเร็วรอบมอเตอร์ เพื่อรักษาอัตราการไหลของน้ำให้เป็นไปตามความต้องการได้ จึงช่วยเรื่องของการประหยัดพลังงาน และสามารถควบคุมการหยุดตัวมอเตอร์โดยรักษาทั้งความเร็วรอบ และแรงบิดไปพร้อมๆกัน เพื่อป้องกันการเกิด Water Hammer ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
VFD ตอบโจทย์จุดมุ่งหมายหลักในการสตาร์ทและควบคุมมอเตอร์แค่ใหน?
1 เพื่อที่จะสตาร์ทมอเตอร์ให้สำเร็จ
สำหรับการสตาร์ทมอเตอร์ด้วย VFD นั้นถือว่าเป็นวิธีการสตาร์ทที่มีประสิทธิการที่สุด สามารถสตาร์ทมอเตอร์ได้สำเร็จทุกการใช้งาน
2 เพื่อที่จะไม่สร้างปัญหาให้กับระบบไฟฟ้าในไซด์งาน
การสตาร์ทด้วย VFD ไม่ก่อให้เกิด Inrush current แต่เนื่องจาก VFD เป็นการสตาร์ทแบบอิเล็กทรอนิก ทำให้สร้างสัญญาณฮาร์โมนิกรบกวนได้ ดังนั้นควรเลือก VFD ทีมีการป้องกันสัญญาณฮาร์โมนิกด้วย
3 เพื่อที่จะการป้องกันอันตรายที่มีโอกาสที่จะเกิดขึ้นได้กับผู้ใช้งานหรือผู้ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียง
การป้องกันอันตรายที่มีโอกาสที่จะเกิดขึ้นได้แก่ผู้ใช้งานหรือผู้ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงได้ มีฟังก์ชั่นการป้องการ โหลดเกิน Overload, Underload, Under Voltage, Over Voltage, Phase loss และ Phase Sequence ในตัว ส่วนของป้องการการซ๊อตยังต้องติดเซอร์กิตเบรกเกอร์อยู่
4 เพื่อที่จะป้องกันความเสียหายของระบบไฟฟ้า ในกรณีที่มีอุบัติเหตุที่ไม่คาดคิดเกิดขึ้น
Function for underload protection to detect pumps running dry/broken belt, with kick start to start blocked pumps and with locked rotor protection toprevent damage caused by pumps being jammed while running
5 เพื่อที่จะควบคุมทิศทางของตัวมอเตอร์ เช่น การกลับทางหมุน
เนื่องจาก VFD เป็นการสตาร์ทแบบอิเล็กทรอนิกและยังมีคอนโทรลเลอร์ในตัว ทำให้สามารถกลับทางหมุนได้โดยที่ไม่ต้องต่ออุปกรณ์อื่นเพิ่ม
6 เพื่อที่ต้องการปรับแรงบิดและความเร็วรอบในขณะที่มอเตอร์ทำงานอยู่
สามารถปรับแรงบิดและความเร็วที่เหมาะกับการเปลี่ยนแปลงโหลดได้ ด้วยฟังก์ชันการควบคุมแบบลูปปิด (Close loop)
7 เพื่อที่จะลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาอุปกรณ์แมกคานิคที่ต่อพวงกับมอเตอร์
VFD มีฟังก์ชัน soft start ในตัว ทำให้ไม่เกิดแรงกระชากกับอุปกรณ์แมกคานิคที่ต่อพวงกับมอเตอร์
8 เพื่อที่จะได้ประสิทธิภาพสูงสุดและประหยัดพลังงาน ลดการเกิด Inrush Current และสามารถลดความเร็วรอบของมอเตอร์ลงได้
VDF เป็นวิธีการสตาร์ทมอเตอร์วิธีเดียวที่สามารถประหยัดพลังงานและปรับลดความเร็วรอบได้ ทั้งนี้ยังสามารถทำซอฟสตาร์ทเพื่อลดปัญหาที่เกิดจาก Inrush Current ได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย
9 เพื่อที่จะได้ความคุ้มค่ากับการลงทุนของระบบการสตาร์ทมอเตอร์ที่สุด
VFD เหมาะกับการสตาร์ทมอเตอร์ทุกประเภท แต่ด้วยราคาที่แพง ทำให้ VFD นิยมใช้กับงานที่ต้องการปรับแรงบิด, ความเร็วรอบ และกลับทางหมุน ตามการเปลี่ยนแปลงของโหลดได้
