20127-2122 การควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้าเบื้องต้น_03_อินเวอร์เตอร์และโมดูลโซลิดสเตต

20127-2122 การควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้าเบืองต้น อนิ เวอร์เตอร์และโมดูลโซลดิ สเตต Mr. Tanan SRISAKUL Dept. of Teacher Training in Electronic, Communication Computer and Mechatronics 20127-2122 การควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้าเบืองต้น, Tanan Srisakul

อนิ เวอร์เตอร์ (Inverter) คืออะไร บางครังจะเรียกวา่ \"V/F Control\" อินเวอร์เตอร์ (Inverter) ยงั มีชือเรียกอีกหลายอยา่ งเช่น  VSD : Variable Speed Drives  VVVF : Variable Voltage Variable Frequency  VC : Vector Control หลกั การทาํ งานของอนิ เวอร์เตอร์ อนิ เวอร์เตอร์ (Inverter) จะแปลงไฟกระแสสลบั (AC) จากแหล่งจา่ ยไฟทวั ไปทีมีแรงดนั และความถีคงที ใหเ้ ป็นไฟกระแสตรง (DC) โดยวงจรคอนเวอร์เตอร์ ( Converter Circuit ) จากนนั ไฟกระแสตรงจะถูกแปลงเป็นไฟ กระแสสลบั ทีสามารถปรับขนาดแรงดนั และความถีไดโ้ ดยวงจรอินเวอร์เตอร์ (Inverter Circuit) วงจรทงั สองนีจะเป็นวงจรหลกั ทีทาํ หนา้ ทีแปลงรูปคลืน และผา่ นพลงั งานของอินเวอร์เตอร์ โดยทวั ไปแหล่งจา่ ยไฟกระแสสลบั มีรูปคลืนซายน์ แต่เอาทพ์ ุตของInverterจะมีรูปคลืนแตกตา่ งจากรูปซายน์ นอกจากนนั ยงั มีชุดวงจรควบคุม (Control Circuit) ทาํ หนา้ ทีควบคุมการทาํ งานของวงจรคอนเวอร์เตอร์และวง อินเวอร์เตอร์ใหเ้ หมาะสมกบั คุณสมบตั ิของ 3-phase Induction motor โครงสร้างภายในของInverter 1. ชุดคอนเวอร์เตอร์ (Converter Circuit) ซึงทาํ หนา้ ที แปลงไฟสลบั จากแหล่งจา่ ยไฟ AC. power supply (50 Hz) ใหเ้ ป็นไฟตรง (DC Voltage) 2. ชุดอนิ เวอร์เตอร์ (Inverter Circuit) ซึงทาํ หนา้ ที แปลงไฟตรง (DC Voltage) ใหเ้ ป็นไฟสลบั (AC Voltage) ทีสามารถเปลียนแปลงแรงดนั และความถีได้ 3. ชุดวงจรควบคุม (Control Circuit) ซึงทาํ หนา้ ที ควบคุมการทาํ งานของชุดคอนเวอร์เตอร์ และชุดอินเวอร์เตอร์ ตวั อยา่ งการทาํ งานของอินเวอร์เตอร์ (Inverter) ทีพบเห็นไดใ้ นปัจจุบนั ไดแ้ ก่ การใชอ้ ุปกรณ์ไฟฟ้าเพือจา่ ยไฟสาํ รอง หรือทีเรียกวา่ UPS (Uninterruptible Power Supply) เพือแกป้ ัญหาไฟเกิน, ไฟตก, ไฟดบั และคลืน รบกวน ช่วยป้องกนั การเกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้า โดยไฟฟ้าทีสาํ รองไวจ้ ะเก็บในแบตเตอรี ยกตัวอย่าง ถา้ กระแสไฟฟ้าดบั ระบบสาํ รองไฟจะสวทิ ชม์ าใชไ้ ฟจากแบตเตอรีโดยทนั ที ต่อจากนนั ไฟฟ้าซึงเป็นกระแสตรง จะเขา้ สู่อินเวอร์เตอร์ ซึงจะเปลียนไฟฟ้ากระแสตรงนนั ใหเ้ ป็นไฟฟ้ากระแสสลบั ทีมีความถีคงที และถูกตอ้ ง ไฟฟ้ากระแสสลบั ทีออกมาจากอินเวอร์เตอร์กจ็ ะป้อนสู่เครืองไฟฟ้าทวั ไป โดยทีไฟกระแสสลบั ทีไดอ้ อกมาจะถูกนาํ ไปป้อนกลบั มาทาํ การเปรียบเทียบกบั ความถีอา้ งอิงค่าหนึง แลว้ นาํ ผลจากการเปรียบเทียบไป ควบคุมการกาํ เนิดความถีของอินเวอร์เตอร์เพอื ใหไ้ ดไ้ ฟฟ้ากระแสสลบั ทีมีความถีคงทแี ละถูกตอ้ ง ตามทีเครืองใชไ้ ฟฟ้ากระแสสลบั ตอ้ งการ

อินเวอร์เตอร์ (Inverter) ถูกนาํ มาใชใ้ นเครืองใชไ้ ฟฟ้าต่างๆ เช่น เครืองปรับอากาศ, ตูเ้ ยน็ , โทรทศั น์ และระบบเซอร์โวควบคุมมอเตอร์ (Servo Motor) เนืองจากความตอ้ งการลดการสูญเสียกาํ ลงั งานทีสูงโดยเฉพาะขณะเริมตน้ ทาํ งาน และจากการสูญเสียในแกนเหลก็ และในตวั ขดลวด (สาํ หรับเครืองเชือมแบบมือหมุน และมอเตอร์) ซึงการสูญเสียกาํ ลงั งานหรือค่าไฟฟ้าเป็นดงั นีคือ เมือเครืองใชไ้ ฟฟ้าเริมทาํ งาน จะมีค่ากระแสเร่ิมทาํ งาน I (Start) สูงกวา่ ขณะเดินปรกติถึง 4 – 6 เทา่ ตวั เช่น มอเตอร์เครืองปรับอากาศ ทีมีขนาด 220 V ,1 A Pnormal = 220V 1A = 220W ขณะเริมตน้ มอเตอร์หรือหมอ้ แปลงจะดึงกระแสเพือสร้างสนามแมเ่ หลก็ อยา่ งนอ้ ย 4 เทา่ ของขณะปกติ Pstart = 220V (4 1A) = 880W ทาํ ใหร้ ะบบเดิมทีไม่มีการใชอ้ ินเวอร์เตอร์จะตอ้ งเสียคา่ ไฟสูงมาก และทาํ ใหร้ ะดบั ของแรงดนั ไฟฟ้าในสายไมเ่ สถียร (Stable) รวมถึงทาํ ใหเ้ กิดแรงดนั สไปค์ ขณะหยดุ การทาํ งานซึงสิงเหล่านีจะทาํ ใหอ้ ุปกรณ์ไฟฟ้าเกิดการ เสียหาย หรือบนั ทอนอายกุ ารใชง้ านใหส้ นั ลง ตัวอย่างปัญหาและการแก้ไข โดยนําอนิ เวอร์เตอร์ (Inverter) มาใช้งาน การทาํ งานของเครืองปรับอากาศ ระบบเดิมนนั จะทาํ งานติดๆ ดบั ๆ อยบู่ อ่ ยครัว ซึงสร้างปัญหากบั อุปกรณ์ไฟฟ้าอืนๆ อีกทงั ยงั กินไฟสูง จึงไดม้ ีการนาํ เอาระบบอินเวอร์เตอร์เขา้ มาแกไ้ ข ทาํ ใหม้ อเตอร์แอร์ทาํ งานต่อเนืองไม่มี การติด-ดบั ดงั เช่นในระบบเดิม ซึงจากการพิสูจน์แลว้ พบวา่ \"การให้มอเตอร์ทาํ งานต่อเนือง จะช่วยประหยดั พลงั งาน และค่าไฟฟ้าได้มากกว่าการหยุด และเริมเดินใหม่อย่างน้อย 1 เท่าตวั ขึนไป\" ซึงก็มหี ลกั การทาํ งาน ดงั นี ขณะทีเขา้ สู่สถานะการทาํ งานแลว้ ชุดอินเวอร์เตอร์จะสงั ใหม้ อเตอร์ทาํ งานมากขึน (หมุนเร็วขึน) โดยการเพิมความถีหรือปรับเปลียน Duty Cycle และขณะสแตนบาย หรืออุณหภูมิคงที ระบบอินเวอร์เตอร์จะลดการทาํ งาน ของมอเตอร์ลง (หมุนชา้ ลง) แตไ่ ม่หยดุ การทาํ งานของมอเตอร์ ซึงจะช่วยลดกาํ ลงั งานทีใชน้ นั เอง Inverterได้นําไปใช้ในระบบงานต่างๆ เช่น 1. ใชเ้ ป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้าสาํ รอง ทีเรียกวา่ Stand by power supply หรือ Uninterruptible Power Supplies (UPS) เพือใชท้ ดแทนในกรณีแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลบั หลกั เกิดความขดั ขอ้ ง 2. ใชค้ วบคุมความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลบั โดยใชหั ลกั การควบคุมความถีของแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั เพือตอ้ งการให้แรงบิด (Torque) คงทีทุกๆ ความเร็วทีเปลียนแปลงไป 3. ใชแ้ ปลงไฟฟ้าจากระบบส่งกาํ ลงั ไฟฟ้าแรงสูงชนิดไฟฟ้ากระแสตรงให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลบั เพอื บริการใหแ้ ก่ผใู้ ช้ 4. ใชใ้ นระบบเตาถลุงเหลก็ ทีใชห้ ลกั การเหนียวนาํ ใหเ้ กิดความร้อน (Induction heating) ซึงใชแ้ รงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั ความถีสูงในการทาํ งาน

อนิ เวอร์เตอร์ (Inverter) แผงโซล่าเซลลจ์ ะผลิตพลงั งานไฟฟ้าออกมาในรูปแบบของไฟกระแสตรง(Direct Current) แต่เครืองใชไ้ ฟฟ้าในทีอยอู่ าศยั โดยส่วนใหญ่ เป็ นเครืองใชไ้ ฟฟ้าทีใชก้ บั ไฟกระแสสลบั เป็นหลกั ดงั นนั การทีจะทาํ ใหไ้ ฟฟ้าทีผลิต จากแผงโซล่าเซลลใ์ หใ้ ชก้ บั เครืองใชไ้ ฟฟ้าโดยทวั ไปได้ กต็ อ้ งมีตวั แปลงกระแสไฟฟ้าเสียก่อน อุปกรณ์ตวั นนั กค็ ือ อินเวอร์เตอร์ นนั เอง หลกั การทาํ งานของอินเวอร์เตอร์คือจะรับพลงั งานไฟฟ้ากระแสตรงเขา้ ไปสู่ตวั เครืองอินเวอร์เตอร์ ไม่วา่ การผลิตจากแผงโซล่าเซลลแ์ ลว้ ส่งไปทคี วบคุมกระแส หรือไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรีก็ตาม หลงั จากนนั จะผา่ น วงจรไฟฟ้าภายในตวั อินเวอร์เตอร์ทีประกอบไปดว้ ยทรานซิสเตอร์ ซึงจะทาํ หนา้ ทีในการแปลงแรงดนั ใหส้ ลบั กนั ไปมาระหวา่ งความต่างศกั ยท์ ีเป็ นบวกและลบจนไดเ้ ป็นพลงั งานไฟฟ้าทีเป็นไฟกระแสสลบั โดยมีจาํ นวนครังที สลบั ไปมาเท่ากบั 100-120ครังตอ่ วินาที(ความถี 50-60 เฮริตส์ ) แลว้ แตก่ ารออกแบบวงจรภายใน โดยเครืองใชไ้ ฟฟ้าทีผลิตและใชก้ นั อยใู่ นประเทศไทยโดยทวั ไป มีแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั อยทู่ ี 220-230 โวลท(์ V) ความถี 50 เฮริตส์ (Hz) รูปแบบของรูปคลืน แรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั ทีแปลงไดจ้ ากตวั อินเวอร์เตอร์ จะมีรูปแบบของลูกคลืนทีผลิตไดอ้ ยสู่ องแบบใหญๆ่ ดว้ ยกนั 1.) รูปคลืนสแควร์เวฟ(Square Wave)มีลกั ษณะเป็นทรงเหลียม อีกรูปแบบทีใกลเ้ คียงกบั รูปคลืนสแควร์เวฟกค็ ือโมดิฟายซานยเ์ วฟ(Modified-Sinewave)ซึงจุดทีเปลียนระหวา่ งคลืนบวกกบั ลบจะมีความชนั นอ้ ยกวา่ ส่วนใหญ่ แลว้ จะเจอกบั อินเวอร์เตอร์ทีมีราคาถูก หาซือไดโ้ ดยทวั ไป อินเวอร์เตอร์ทีมีแรงดนั ขาออกเป็ นแบบสองลูกคลืนนีจะนาํ ไปใชก้ บั เครืองใชไ้ ฟฟ้าทีไม่ค่อยมีผลกบั รูปแบบของลูกคลืนมากนกั เช่นหลอดไฟ เป็นตน้ แต่ถา้ นาํ ไปใช้ กบั เครืองใชไ้ ฟฟ้าทีมีส่วนประกอบของเส้นลวดพนั เช่นมอเตอร์พดั ลม จะทาํ ใหเ้ กิดเสียงฮมั และความร้อนจากตวั มอเตอร์ ส่งผลใหม้ อเตอร์เสียหายได้ เนืองจากรูปแบบลูกคลืนไม่สอดกบั หลกั การทาํ งานภายในของตวั มาเตอร์ นนั เอง

2.) รูปคลืนซายนเ์ วฟ(Sine Wave) หรือทีเรียกตามทวั ไปคือเพียวซายน์เวฟ(Pure-Sine Wave) อินเวอร์เตอร์ทีผลิตรูปคลืนแบบนีออกมาจะมีราคาทีสูงกวา่ เพราะรูปคลืนซานยจ์ ะรองรับการนาํ ไปใชง้ านกบั เครืองใชไ้ ฟฟ้าไดท้ ุก ชนิดโดยไมท่ าํ ใหเ้ กิดปัญหา และมีรูปร่างของคลืนทีผลิตไดเ้ หมือนกบั รูปคลืนไฟฟ้าตามบา้ นทุกประการ การนาํ เอาทพ์ ตุ ของอินเวอร์เตอร์ซายนเ์ วฟนีไปจ่ายใหก้ บั พดั ลม พดั ลมจะทาํ งานปกติไมเ่ กิดเสียงฮมั แต่อยา่ งใด อนิ เวอร์เตอร์ตามระบบทตี ิดตงั โดยทวั ไปอินเวอร์เตอร์จะแบ่งแยกตามระบบผลิตพลงั งานไฟฟ้าจากโซล่าเซลลซ์ ึงมีอยสู องแบบใหญ่ๆดว้ ยกนั ไดแ้ ก่ 1.) อินเวอร์เตอร์ทีใชก้ บั ระบบสแตนอโลน(Stand-Alone System) หรือระบบอิสระทีไม่มีปฏิสมั พนั ธ์กบั การไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์แบบนีจะมีหลกั การทาํ งานเบืองตน้ ทีกล่าวไปคือ รับพลงั งานไฟฟ้ากระแสตรงทีผลิตไดจ้ ากแผง โซล่าเซลล์ หรือไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี(เวลากลางคืนจากพลงั งานทีชาร์จไวโ้ ดยแผงโซล่าเซลลใ์ นเวลากลางวนั ) แลว้ แปลงเป็ นไฟฟ้ากระแสสลบั จา่ ยใหก้ บั เครืองใชไ้ ฟฟ้ากระแสสลบั ต่อไป 2.) อินเวอร์เตอร์ทีใชก้ บั ระบบออนกริต(On-grid System) หรือระบบทีทาํ งานสมั พนั ธ์กบั การไฟฟ้า มีชือเรียกอินเวอร์เตอร์ชนิดนีโดยทวั ไปวา่ กริตไทน์อินเวอร์เตอร์(Grid-Tied Inverter)ลกั ษณะการทาํ งานของอินเวอร์เตอร์ ระบบนีจะเหมือนกบั อินเวอร์เตอร์โดยปกติทวั ไปแต่จะตอ้ งมีแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั จากการไฟฟ้าป้อนใหก้ บั อินเวอร์เตอร์อีกทางหนึงดว้ ย ตวั อินเวอร์เตอร์แบบนีถึงจะทาํ งาน ไฟฟ้าทีผลิตไดจ้ ากแผงโซล่าเซลลจ์ ะถูกใชไ้ ป กบั เครืองใชไ้ ฟฟ้าตา่ งๆภายในบา้ น(สาํ หรับระบบออนกริตแบบลดภาระค่าไฟฟ้า) หรืออาจจะแปลงไฟฟ้าทีผลิตไดจ้ ากแผงโซล่าเซลลป์ ้อนตรงใหก้ บั สายส่งเพอื ขายไฟใหก้ บั การไฟฟ้าตามโครงการVSPPได้ กริตไทน์อินเวอร์เตอร์ในปัจจุบนั จะตดั การทาํ งานตวั มนั เองทนั ทีทีไฟฟ้าจากการไฟฟ้าดบั เพอื ป้องกนั ไฟฟ้าทีผลิตไดจ้ ากแผงโซล่าเซลลผ์ า่ นไปยงั สายไฟของการไฟฟ้าซึงจะเป็นอนั ตรายตอ่ ช่างไฟฟ้าทีจะมาซ่อมได้

Solid State Relay ดกี ว่า Relay ทวั ไปอย่างไร

ในปัจจุบนั การใชง้ านของอุปกรณ์ทีใชใ้ นการตดั ต่อวงจรทางดา้ น Output ทีนาํ ไปตดั ต่อ Load ของฮีตเตอร์ (Heater) หรือ Motor ส่วนใหญ่มกั จะใช้ Relay หรือ Megnetic แตย่ งั มีอุปกรณ์ทีใชใ้ นการตดั ตอ่ Load อีกอยา่ งหนีงที เราพบเห็นกนั บ่อยเช่นกนั นนั ก็คือ โซลิดสเตตรีเลย์ (Solid State Relay) แลว้ ระหวา่ ง Solid State Relay กบั Relay ทวั ไปต่างกนั อยา่ งไร และลกั ษณะงานแบบไหนทีควรใช้ Solid State Relay วนั นีเราจะมาแนะนาํ กนั โดยให้ เห็นถึงโครงสร้างภายใน (ดงั แสดงในรูปที 1.1 และ 1.2) รีเลย์ (Relay) คือ อุปกรณ์ทีทาํ หนา้ ทีเป็นสวิตซ์ตดั -ต่อวงจร โดยใชแ้ ม่เหลก็ ไฟฟ้า ซึงปกติถา้ มีการจ่ายไฟเขา้ ทีตวั รีเลย์ (Relay) จะทาํ ใหข้ ดลวดเหนียวนาํ หนา้ สมั ผสั ติดกนั จึงมีสถานะปิ ดวงจร (Closed Circuit) แตถ่ า้ หากไม่ มีการจ่ายไฟให้ รีเลย์ (Relay) ขดลวดเหนียวนาํ หนา้ สมั ผสั ไมต่ ิดกนั จะมีสถานะเปิ ดวงจร (Open Circuit) รูป 1.1 แสดงโครงสร้างภายในของรีเลย์ (Relay) โซลดิ สเตตรีเลย์ (Solid State Relay) หรือตวั ยอ่ SSR คืออุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์ทีทาํ หนา้ ทีเป็นสวติ ซ์ ทีไม่ใชห้ นา้ สมั ผสั ในการตดั -ตอ่ วงจร โดยใชเ้ ทคโนโลยขี อง เซมิคอนดกั เตอร์ (Semiconductor) ทีไมม่ ีส่วนเคลือนที จึง ไม่มีเสียงในขณะเวลาตดั -ต่อของหนา้ สัมผสั (Contact)

รูป 1.2 แสดงโครงสร้างภายในของโซลดิ สเตตรีเลย์ (Solid State Relay)

รีเลย์ (Relay) และ โซลดิ สเตตรีเลย์ (Solid State Relay) กม็ ีความแตกต่างกนั ซึงในบทนีเราจะมาเปรียบเทียบทงั สองชนิดนีวา่ มีขอ้ ดี ขอ้ เสีย ต่างกนั อยา่ งไร (ดงั ตาราง) Relay Solid State Relay 1. จาํ นวนครังในการตดั ต่อนอ้ ย เนืองจากหนา้ สมั ผสั เป็นแมคคานิค 1. มีอายกุ ารใชง้ านนาน 2. หนา้ สัมผสั ของ Relay คา้ ง และเสียง่าย 2. ตดั ต่อรวดเร็ว / ราคาแพง 3. อาจเกิดการสญั ญาณ (Debouche) 3. ไมม่ ีปัญหาการเกิดสญั ญาณ (Debouche) 4. เสียงดงั เวลาตดั ต่อ 4. ไมม่ ีเสียงเวลาตดั ตอ่ 5. ง่ายในการตรวจเช็ค 5. ใชง้ านนาน ๆ จะเกิดความร้อนสะสม (แนะนาํ ใช้ Heatsink ร่วม) ซึงโดยทวั ไปนิยมใช้ โซลิดสเตตรีเลย์ (Solid State Relay) ในการควบคุมการทาํ งาน ของ Resistive Load เช่น ฮีตเตอร์ (Heater ), หลอดไฟ หรือ Inductive Load เช่น Motor และมกั จะเลือกใช้ Solid State Relay แทน Relay ทวั ไปใชก้ บั งานทีมีความถีในการตดั ต่อบอ่ ย เพือลดปัญหาการสึกหรอของหนา้ สัมผสั (Contact), การเกิด Arc และอายกุ ารใชง้ านของอุปกรณ์ นอกจากนียงั มีชนิดของ Solid State Relay ใหเ้ ลือกหลายหลากแบบ เช่น Solid State Relay สาํ หรับแรงดนั ไฟ DC (Solid State DC) , Solid State Relay แบบเร่ง-หรี (Phase Angle control) , Solid State Relay สาํ หรับใชก้ บั แผง PCB และมีใหเ้ ลือกทงั แบบ 1 เฟส , 2 เฟส และ 3 เฟส ซึงมีรูปร่างทีแตกต่างกนั ของ Solid State Relay ตามลกั ษณะการติดตงั ดงั รูป

Solid State Relay แบบ Slim Solid State Relay แบบ Phase Angle Control Solid State Relay สาํ หรับแผง PCB เหมาะสาํ หรับติดตงั ในพืนทีจาํ กดั เหมาะสาํ หรับงานควบคุมแบบเร่ง-หรี ข้อแนะนํา : เพอื เพมิ ประสิทธิภาพในการทาํ งานของ Solid State Relay ควรติดตงั อุปกรณ์สาํ หรับระบายความร้อน (Heatsink) ใหก้ บั Solid State Relay ดงั รูป