- งานวิจัยเครื่องปั๊มลมชนิดปรับความเร็วรอบมอเตอร์ (VSD) -

ปัจจุบันเทคโนโลยีการประหยัดพลังงานในเครื่องปั๊มลมนั้นมีอยู่หลากหลายรูปแบบ แต่รูปแบบที่โดดเด่นและเห็นผลชัดที่สุดคงหนีไม่พ้นรุ่นปั๊มลมที่มาพร้อม inverter ซึ่งทาง Atlas Copco เองนั้นเป็นบริษัทแรกของโลกผู้ที่ได้เริ่มนำเทคโนโลยี inverter เข้ามาใช้งานกับตัวปั๊มลมและได้มีการศึกษาวิจัยและพัฒนารูปแบบของอุปกรณ์ให้มีการประหยัดพลังงานให้มากขึ้นตลอดเวลา

โดยปกติเครื่องปั๊มลม รุ่นชนิดที่มีการติดตั้งระบบปรับความเร็วรอบ motor ตามปริมาณการใช้งาน หรือรุ่น inverter มีลักษณะเด่นกว่าปั๊มลมชนิด fixed speed หลักๆ ดังนี้

1. ประหยัดพลังงานได้ถึง 35% - 50% (average saving ขึ้นอยู่กับโมเดลของเครื่องปั๊มลม)
2. มี Power factor สูงถึง 0.95
3. Starting current ต่ำ ไม่เกิน rated current
4. มีช่วงความดันแปรผันต่ำ (low pressure band)
5. สามารถยืดอายุการใช้งานของชุดสกรู และ อุปกรณ์ต่างๆ
6. ตัวเครื่องสามารถปรับตั้งความดันได้ตั้งแต่ 4-13 บาร์ โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ

- การวิจัย -

งานเริ่มทั้งหมดนั้นเริ่มต้นที่บริษัทผลิตไฟฟ้า Electrabel ซึ่งเป็นโรงงานผลิตไฟฟ้าสัญชาติของประเทศเบลเยี่ยม ได้ทำการศึกษาวิธีการประหยัดพลังงานไฟฟ้าของอุปกรณ์ต่างๆ โดยทำการค้นคว้า และวิจัยถึงลักษณะการใช้พลังงานต่างๆ ซึ่งหนึ่งในนั้นได้มีการรวมการใช้พลังงานของกลุ่มโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไปภายในประเทศยุโรปเข้าไปด้วย ซึ่งสำหรับระบบปั๊มลม compressed air ทางบริษัท Electrabel ได้สรุปรูปแบบการใช้ลม ในโรงงานต่าง ๆ ออกเป็น 3 รูปแบบดังนี้

- Profile 1 -

งานวิจัยกลุ่มที่ 1 พฤติกรรมเป็นกลุ่มโรงงานที่มีการใช้ลมตลอด 24 ชั่วโมง ซึ่งโรงงานกลุ่มนี้จะใช้ปริมาณลมมากในช่วงกลางวันและสลับเป็นการใช้น้อยในช่วงกลางคืน ส่วนช่วงวันหยุดสุดสัปดาห์นั้นมีพฤติกรรมการใช้ลมในปริมาณต่ำแต่มีลักษณะที่สม่ำเสมอ ซึ่งอาจเกิดจากการรั่วของระบบ จากการสำรวจพบว่าโรงงานที่มี Profile แบบที่ 1 มีอัตราอยู่ราว 64% ของทั้งหมด

- Profile 2 -

งานวิจัยกลุ่มที่ 2 พฤติกรรมเป็นกลุ่มโรงงานที่ทำงาน 5 วันต่อสัปดาห์ และมีการแบ่งกะการทำงานออกเป็น 2 กะ โดยพฤติกรรมการใช้ลมมีลักษณะที่มีการแกว่งตัวค่อนข้างสูงตลอดเวลา จากการสำรวจพบว่าโรงงานที่มี profile แบบที่ 2 มีอยู่ประมาณราว 28% ของทั้งหมด

- Profile 3 -

งานวิจัยกลุ่มที่ 3 พฤติกรรมการใช้ลมของโรงงานกลุ่มนี้เป็นการใช้ลมที่มีความสม่ำเสมอตลอดช่วงระยะเวลาปฏิบัติงานของโรงงาน ลักษณะพฤติกรรมมีการแกว่งตัวเพียงเล็กน้อย ซึ่งอาจเกิดจากการรั่วภายในระบบ และจากการสำรวจพบว่าโรงงานอุตสาหกรรมกลุ่มนี้มีจำนวนโรงงานอยู่ราวเพียงประมาณ 8% ซึ่งเป็นส่วนที่น้อยที่สุด

วิธีการทดสอบเครื่องปั๋มลมเพื่อเช็คการประหยัดพลังงาน จัดการทำด้วยด้วยการอัดอากาศโดยจำลองรูปแบบการใช้ลมทั้ง 3 Profile ของโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ โดยเปรียบเทียบเครื่องอัดอากาศที่มีระบบควบคุมการอัดอากาศแตกต่างกัน 3 แบบดังนี้คือ

1. GA 45 L-NL Capacity 125 l/s Load –No load regulation
2. GA 45 M Capacity 125 l/s Modulating regulation
3. GA 50 VSD Capacity 142 l/s VSD - regulation

- ผลการทดสอบ -

ผลการทดลองทั้ง 3 Profile เป็นดังตารางจะเห็นได้ VSD จะประหยัดพลังงานโดยเฉลี่ย ทั้ง 3 Profile ถึง 35% ซึ่งการวัดผลนั้นจัดทำโดยบริษัท Laborelec ซึ่งเป็นบริษัท third party เข้ามาทำการวัดผลให้

จากกราฟจะเห็นได้ชัดเจนว่า VSD ใช้พลังงานต่ำกว่ามาก โดยเฉพาะในช่วงที่มีการใช้ลมประมาณ 20-80% ของปริมาณลมที่เครื่องผลิตได้ และการ start เครื่องแบบ VSD จะ start ที่ความถี่ต่ำ ดังนั้นตัวมอเตอร์จะค่อยๆ หมุนเร็วขึ้นเรื่อยๆ เป็นการไต่ความเร็วขึ้นมา ซึ่งแตกต่างจากการ start แบบทั่วๆ ไปที่ตัวมอเตอร์หมุนที่ความเร็วสูงทันที ดังนั้นการ start ของ เครื่องแบบ VSD จะไม่เกิดกระแสกระชากทำให้ไม่ต้องเสียค่าปรับ (demand charge) ให้การไฟฟ้าฯ

เนื่องจาก Convector ทำหน้าที่ปรับความเรียบของกระแส จึงทำ Power factor ของ VSD Compressor สูงขึ้นในระดับสูง 0.95 ตลอดเวลา

Pressure band ของระบบ VSD จะอยู่ในช่วงประมาณ 0.1 bar ทำให้ประหยัดพลังงานและให้ความสม่ำเสมอกับระบบ โดยไม่ต้องมีการตั้งแรงดันให้สูง จนนำไปสู่การสิ้นเปลืองค่าไฟโดยไม่จำเป็น (pressure band ที่สูงเกินจำเป็นทุกๆ 1 bar มีค่าพลังงานเท่ากับ 7%)

ในส่วนของชุด screw element ของเครื่องปั๊มลมระบบ VSD จะมีความเร็วรอบโดยเฉลี่ยต่ำกว่าระบบธรรมดา ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วอายุงานของชุด screw element และตัวลูกปืนเองจะมีอายุการใช้งานที่คงทนและยืนยาวกว่า

- หลักการทำงานของ Inverter -

หลักการทำงานของ inverter เริ่มที่ pressure sensor ทำการวัดแรงดันภายในท่อลม และเปรียบเทียบกับระดับแรงดันที่ตั้งไว้ (set point) หลักการคือ สมมุติแรงดันของระบบลมต่ำกว่าค่า set point ที่ตั้งไว้ ตัว sensor จะส่งสัญญาณขนาด 4-20 mA ไปยังชุด Module Elektronikon ของเครื่องปั๊มลม เพื่อไปปรับค่าความถี่ไฟฟ้าที่ inverter ให้มีความถี่ไฟฟ้า (Hz) เพิ่มขึ้น ซึ่งจะส่งผลต่อความเร็วรอบของมอเตอร์โดยตรง อ้างอิงตามสูตรด้านล่าง

n = รอบความเร็วของ motor (rpm)

F = ความถี่ frequency (Hz)

P = Pole ของ motor

เมื่อคลื่นความถี่ frequency เปลี่ยน เช่นเพิ่มคลื่นความถี่ รอบของ motor ก็จะเพิ่มขึ้นตาม กลับกันเมื่อมีการลดค่าคลื่นความถี่ รอบของ motor ย่อมตกตาม ซึ่งไม่ว่าค่าของคลื่นความถี่จะเพิ่มหรือลด รอบของ screw element (ดูจากค่า n จากสูตร) ย่อมมีการเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางเดียวกันคลื่นความถี่ ณ ตอนนั้น โดยปกติเมื่อ demand ความต้องการลม คลื่นความถี่จะปรับลงตามและทำให้ค่าไฟที่เกิดขึ้นลดลงตามไปด้วย

- บทสรุป -

ผลจากงานวิจัย พบว่าค่าใช้จ่ายไฟฟ้าของโรงงานภายในระยะเวลา 5 ปี ราว 70% ของค่าใช้จ่ายทั้งหมดเป็นค่าใช้จ่ายที่มาจากการจ่ายค่าไฟฟ้าของระบบปั๊มลม ดังนั้นการเลือกใช้เครื่องปั๊มลมแบบชนิด inverter ซึ่งสามารถประยัดพลังงานได้โดยเฉลี่ย 35% - 50% นั้นมีแนวโน้มที่จะช่วยให้เกิดการประหยัดในระยะยาวได้มากกว่า อย่างไรก็ตามก่อนการตัดสินใจที่จะใช้ inverter นั้น เพื่อจะทราบว่าใช้อุปกรณ์ดังกล่าวแล้วจะประหยัดหรือไม่ จำเป็นต้องมีการตรวจจับพฤติกรรมของการใช้เครื่องปั๊มลมก่อน เพื่อทำการ simulate หาผลลัพธ์ของการประหยัดพลังงานที่แท้จริง