สินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-Use Items : DUI) ตอนที่ ๗ MO Memoir : Friday 6 September 2562

ตอนเรียนวิชาพื้นฐานวิศวกรรมไฟฟ้านั้นก็ได้เรียนเรื่องเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct current motor) และมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternative current motor) สิ่งหนึ่งที่ได้เรียนรู้ในตอนนั้นคือการปรับความเร็วรอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจะทำได้ง่ายกว่า ส่วนการปรับความเร็วรอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับนั้นทำได้ยากกว่าเพราะต้องไปปรับความถี่ของกระแสไฟฟ้า
 

(หมายเหตุ : ความเร็วรอบการหมุน (รอบต่อนาที) ของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับคำนวณได้จากสมการ (120f/p) เมื่อ f คือความถี่ของกระแสไฟฟ้า (บ้านเราคือ 50 Hz) ส่วน p คือจำนวนขั้วของมอเตอร์ที่มีจำนวนเป็นเลขคู่เสมอ ความเร็วรอบนี้เรียกว่าความเร็วซิงโครนัส (synchronus speed) ถ้าเป็น synchronus motor ก็จะหมุนด้วยความเร็วรอบนี้ แต่ถ้าเป็น induction motor (ภาษาไทยแปลว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ มอเตอร์แบบวนี้เป็นตัวที่เห็นกันทั่วไป) ก็จะหมุนด้วยความเร็วรอบที่ต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัสอยู่หน่อยเพราะมันมีการเกิด slip)
 

ช่วงที่ผมเรียนจบใหม่ ๆ (ก็เมื่อกว่า ๓๐ ปีที่แล้ว) อุปกรณ์พวกอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (power electronic) จัดว่าเป็นเรื่องค่อนข้างใหม่ในบ้านเรา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังคืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นำมาใช้ในการควบคุมระบบไฟฟ้ากำลัง (ที่ใช้ความต่างศักย์สูงและกระแสสูง) และงานหนึ่งที่มีการนำเข้ามาใช้คือใช้เพื่อควบคุมความเร็วรอบการหมุนของมอเตอร์เหนี่ยวนำ เช่นควบคุมความเร็วรอบการหมุนของปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) เพื่อให้ได้อัตราการไหลที่ต้องการ แทนการใช้การปรับระดับการเปิด-ปิดวาล์วด้านขาออก (ที่มีการสูญเสียพลังงานที่ตัววาล์ว) แต่สมัยนั้นอุปกรณ์พวกนี้มักจะไว้วางใจไม่ค่อยได้ มันก็เลยกลายเป็นเรื่องฝังใจวิศวกรในสมัยนั้น (บางคน) มาจนปัจจุบัน เรื่องนี้เคยเล่าไว้เมื่อ ๒ ปีที่แล้วใน Memoir ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๓๖ วันอาทิตย์ที่ ๑๐ กันยายน ๒๕๖๐ เรื่อง "การประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่ง"
 

ระบบไฟฟ้ากระแสสลับนั้น ถ้าหากเป็นมอเตอร์ที่ไม่ได้มีกำลังมาก ก็จะใช้ไฟเพียงแค่เฟสเดียว แต่ถ้าเป็นมอเตอร์ที่ให้กำลังมาก ก็จะใช้ไฟทั้ง 3 เฟสเพื่อกระจายไม่ให้กระแสในแต่ละเฟสมากเกินไป ตรงนี้คงต้องขอทบทวนนิดนึงว่าความสูญเสียในตัวนำไฟฟ้าเนื่องจากความต้านทานของตัวนำนั้น แปรผันตามกระแสไฟฟ้ายกกำลังสอง (I²R เมื่อ I คือกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำ และ R คือความต้านทานของตัวนำ) และถ้าเป็นมอเตอร์ที่ให้กำลังมาก ก็จะใช้ความต่างศักย์ที่สูงขึ้นเพื่อที่จะลดกระแสที่ต้องใช้ลง (พลังงานไฟฟ้าขึ้นอยู่กับผลคูณระหว่างกระแส I กับความต่างศักย์ V ที่ค่าผลคูณ IV เท่ากัน อุปกรณ์ที่ใช้ V สูงกว่าอีกตัวหนึ่งเท่าตัว จะมีกระแส I ไหลผ่านเพียงครึ่งเดียว แต่การสูญเสียเนื่องจากความต้านทานจะเหลือเพียงแค่ 1 ใน 4 ของอีกตัวหนึ่ง) แต่ทั้งนี้ไม่ว่าจะเป็นมอเตอร์ขนาดไหน ถ้ามีจำนวนขั้วเท่ากันและใช้ไฟฟ้าที่ความถี่เดียวกัน มันก็จะหมุนด้วยความเร็วรอบประมาณเดียวกัน
 

อุปกรณ์ไฟฟ้าเช่นหม้อแปลงที่ใช้แปลงความต่างศักย์นั้น ที่ออกแบบมาสำหรับไฟฟ้าเฟสเดียว แต่ก็สามารถนำหม้อแปลงดังกล่าวจำนวน 3 ตัวมาต่อเข้าด้วยกันเพื่อใช้กับไฟฟ้า 3 เฟสได้ ดังนั้นในการพิจารณาอุปกรณ์ไฟฟ้า ก็อย่างเพิ่งด่วนสรุปว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ออกแบบมาใช้สำหรับไฟฟ้า 1 เฟส ไม่สามารถนำมาใช้กับระบบไฟฟ้า 3 เฟส
 

ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับของระบบจ่ายไฟฟ้าที่ใช้กันในปัจจุบันเห็นจะมีอยู่ 2 ความถี่ กล่าวคือถ้าเป็นระบบไฟฟ้าความต่างศักย์ 100-120 V ก็จะมีความถี่ 60 Hz แต่ถ้าเป็นระบบไฟฟ้าความต่างศักย์ 200-240 V ก็จะมีความถี่ 50 Hz ดังนั้นแม้ว่าเราจะสามารถนำเอามอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟ 100-120 V มาใช้กับไฟฟ้า 200-240 V ได้ด้วยการใช้หม้อแปลงแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้าให้ลดต่ำลง แต่มอเตอร์ดังกล่าวก็จะหมุนช้าลงไปด้วย ถ้าเป็นกรณีของปั๊มหอยโข่งก็อาจจะพบว่าความสามารถในการทำงานลดต่ำลง เป็นเพราะใบพัดของปั๊มมันหมุนช้าลง
  

รูปที่ ๑ ภาพจากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 7,967,893 B2 "Supercritical fluid enrichment of isotopes" แก๊ส UF₆ ถูกป้อนเข้าทางท่อ F ไหลลงมาตามแนวแกนของเพลาหมุน U-235 ที่เบากว่าจะไหลวนกลับขึ้นไปทางด้านบนได้มากกว่าและไหลออกทางช่อง product - P ทำให้แก๊สส่วนนี้มี U-235 เข้มข้นมากขึ้น ในขณะที่ U-238 ที่หนักกว่าจะถูกดูดออกทาง Bottom Scoop (11) ด้านล่างและไหลออกทางช่องทาง waste - W โดยแก๊สส่วนนี้จะมีสัดส่วน U-235 ที่ลดต่ำลง

ในตอนที่ ๔ ของบทความชุดนี้ (ฉบับเมื่อวันอังคารที่ ๒๗ สิงหาคม ๒๕๖๒) ได้กล่าวถึงการแยกไอโซโทปของยูเรเนียมด้วยการใช้เครื่อง gas centrifuge ซึ่งเครื่องนี้มีการออกแบบที่หลากหลาย แต่สิ่งหนึ่งที่เหมือนกันก็คือจะมีส่วนแกนกลางหรือโรเตอร์ (rotor) ที่หมุนด้วยความเร็วรอบที่สูงเรียกว่าอยู่ในระดับหลักหมื่นรอบต่อนาทีขึ้นไปก็ได้ เพราะประสิทธิภาพในการแยกจะเพิ่มสูงขึ้นเมื่อความเร็วรอบการหมุนเพิ่มขึ้น ด้วยอัตราเร็วในการหมุนขนาดนี้จึงทำให้ความเร็วเชิงเส้นที่ผิวนอกสุดของตัวโรเตอร์สูงเกินกว่าความเร็วเสียง (ที่มีค่าประมาณ 340 m/s) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ต้องใช้โลหะที่มีความแข็งแรงสูงในการสร้างตัวโรเตอร์ และในกรณีของแก๊ส UF₆ โลหะดังกล่าวยังต้องทนต่อการกัดกร่อนของแก๊สนี้ด้วย
   

ด้วยความเร็วรอบการหมุนขนาดนี้ การใช้การปรับความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายให้กับมอเตอร์น่าจะเป็นวิธีการที่ดีสุดในการปรับความเร็วรอบ เช่นสมมุติว่าปรับความถี่ของกระแสไฟฟ้าเป็น 700 Hz และมอเตอร์มี 4 ขั้ว จำนวนรอบการหมุนก็จะอยู่ที่ประมาณ (120 x 700)/4 หรือ 21,000 รอบต่อนาที
    

รูปที่ ๒ รายละเอียดบางส่วนของรายการ 3A225 ตัวเลข 3 คือส่วนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อักษร A หมายถึงระบบ อุปกรณ์ หรือชิ้นส่วน เลข 2 ตัวถัดมาหมายถึงเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางที่มีที่มาจากรายการของ Nuclear Supplier Group (NSG) ส่วนเลข 25 คือลำดับรายการ

ด้วยเหตุนี้อุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์ที่สามารถปรับความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับให้สูงขึ้นและมีเสถียรภาพ จึงเป็นอุปกรณ์สำคัญตัวหนึ่งในการทำงานของเครื่อง gas centrifuge ที่ใช้แยกไอโซโทปของยูเรเนียม

รูปที่ ๒ เป็นข้อกำหนดอุปกรณ์ปรับความถี่กระแสไฟฟ้าที่เป็นสินค้าควบคุม จะเห็นว่าข้อกำหนดนั้นไม่ได้ระบุว่าอุปกรณ์ตัวนี้ใช้กับไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟสหรือ 3 เฟส กำหนดเพียงแค่พลังงานที่จ่ายออกมาได้ ช่วงความถี่ที่ผลิตได้ และเสถียรภาพของความถี่ที่สร้างขึ้น
  

รูปที่ ๓ เป็นตัวอย่างที่วิทยากรของ Mitsubishi Electric ยกมาบรรยายให้ฟังในระหว่างการสัมมนาที่ Keio Hotel กรุงโตเกียวในช่วงบ่ายของวันพุธที่ ๓๑ กรกฎาคม ๒๕๖๒ โดยเป็นกรณีของอุปกรณ์ปรับความถี่กระแสไฟฟ้าที่ใช้กับกระแสไฟฟ้า 1 เฟส แต่ว่าสามารถนำอุปกรณ์ตัวนี้ 3 ตัวมาประกอบเข้าด้วยกันเพื่อใช้กับไฟฟ้า 3 เฟสได้

  

รูปที่ ๓ ตัวอย่างประกอบการบรรยายที่วิทยากรจาก Mitsubishi Electric นำขึ้นมาเป็นตัวอย่าง กรณีนี้เป็นกรณีของอุปกรณ์แปลงความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับ
    

อุปกรณ์ปรับความถี่กระแสไฟฟ้านี้ปรากฏเป็นรายการควบคุมอยู่ใน Category 0 (Nuclear Materials, Facilities and Equipment) ในหัวข้อ 0B001 ที่เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับ gas centrifuge โดยตรง แต่ก็ยังไปปรากฏใน Category 3 (Electronics) ในหัวข้อ 3A225 ด้วย ตรงนี้ถ้าดูเผิน ๆ ตรงที่ค่าผลคูณระหว่างกระแส (I) กับความต่างศักย์ (V) ที่มีหน่วยเป็น VA (โวลต์-แอมแปร์) มึค่าเพียง 30 VA ก็ไม่น่าจะเข้าข่าย แต่ถ้านำ 3 เครื่องมาต่อเข้าด้วยกันเพื่อใช้กับระบบไฟฟ้า 3 เฟสมันก็จะสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าได้ 90 VA (ข้อ a.) ก็เลยทำให้มันเข้าข่ายเป็นสินค้าควบคุม

   

รูปที่ ๔ ผลการวินิจฉัยพบว่า แม้ว่าเครื่องแปลงความถี่ที่ใช้กับไฟเฟสเดียวนั้นจะไม่เป็นสินค้าควบคุมตามหัวข้อ 0B001 แต่สามารถนำอุปกรณ์นี้ 3 เครื่องมาต่อกันเพื่อใช้กับไฟ ๓ เฟสได้ ทำให้สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าได้เกินกว่า 40 VA และเมื่อพิจารณาในแง่นี้ก็พบว่าสินค้าชิ้นนี้เข้าข่ายเป็นสินค้าควบคุม

สำหรับบ้านเรานั้น ณ เวลานี้เรื่องการวินิจฉัยสินค้าเหล่านี้เรียกว่าเป็นเรื่องใหม่ โดยความเห็นส่วนตัวแล้วเห็นว่าการวินิจฉัยว่าสินค้าที่ส่งมาให้วินิจฉัยนั้นเข้าข่ายสินค้าควบคุมหรือไม่ เป็นเรื่องที่ง่ายกว่าการมองหาว่าสินค้าใดที่ควรต้องได้รับการวินิจฉัย ทั้งนี้เป็นเพราะผู้ที่ทำการวินิจฉัยเบื้องต้นจำเป็นต้องรู้ว่ากระบวนการผลิตอาวุธทำลายล้างสูงนั้นมีขั้นตอนการทำงานอย่างใดบ้าง และในขั้นตอนเหล่านั้นจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ชนิดใดที่มีชื่อเรียกเหมือนอุปกรณ์ที่ใช้งานกันทั่วไปในชีวิตประจำวัน (เช่นเครื่องปรับความถี่กระแสไฟฟ้าเพื่อปรับความเร็วรอบมอเตอร์ ก็มีการใช้งานกับเครื่องปรับอากาศระบบอินเวอร์เตอร์) แต่มีคุณลักษณะที่พิเศษกว่าที่จำเป็นสำหรับงานทั่วไป เพื่อที่จะดึงเอาสินค้าดังกล่าวมาตรวจสอบคุณลักษณะโดยละเอียดอีกที

การประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่ง (Centrifugal pump) MO Memoir : Sunday 10 September 2560

"ผมเข้าใจแล้วครับ ว่าทำไมผู้บริหารที่อายุ ๕๐ ขึ้นมักจะมีคำถามเกี่ยวกับเรื่องนี้เสมอ"
 

ประโยคนี้ของเขาหลังจากที่เขาได้ยินคำอธิบายของผม ทำให้ผมแอบยิ้มอยู่ในใจ ก็มันเข้าตัวผมเองด้วยเหมือนกัน เพราะตอนนี้ก็เป็นคนรุ่นอายุคราวเดียวกันกับผู้ที่ถูกพาดพิงถึง
 

คนที่เคยมีประสบการณ์ที่ดีกับสิ่งหนึ่ง และมันก็ยังใช้งานได้ดี ทำให้ยากที่จะเปลี่ยนเขาไปยังสิ่งใหม่ที่คนอื่นมาบอกว่ามันดีกว่าของเดิมที่เขาใช้อยู่ และในทำนองเดียวกัน คนที่เคยมีประสบการณ์ที่ไม่ดีกับสิ่งหนึ่ง แต่เมื่อสิ่งนั้นมันทำงานได้ดีแล้ว มันก็เป็นการยากที่จะทำให้เขาลองกลับไปใช้สิ่งนั้นอีกครั้งหนึ่ง
 

บทสนทนาที่เกิดขึ้นระหว่างการทักทายกันทางโทรศัพท์ระหว่างผมกับวิศวกรที่โรงงานแห่งหนึ่ง (เขาเป็นศิษย์เก่าของภาควิชา) เมื่อสัปดาห์ที่แล้ว เป็นเรื่องเกี่ยวกับการประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่ง แต่ก่อนที่จะเข้าเรื่องดังกล่าว เราลองมาทบทวนระบบ piping ของปั๊มหอยโข่งที่มีการควบคุมอัตราการไหกันหน่อยไหมครับ (รูปที่ ๑ ข้างล่าง)

รูปที่ ๑ แผนผังระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง P คือความดัน F คืออัตราการไหล

อย่างแรกคือระบบควบคุมอัตราการไหลด้านขาออกของปั๊มหอยโข่งจะอยู่ที่ระบบท่อด้านขาออกนะครับ ไม่ได้อยู่ที่ระบบท่อด้านขาเข้า (เพราะขืนไปติดไว้ด้านขาเข้ามันจะมีปัญหาเรื่องมันดูดของเหลวเข้าไม่ทันและเรื่อง net positive suction head หรือ NPSH) สำหรับระบบที่ต้องการควบคุมอัตราการไหล ก็จะมีการติดตั้งวาล์วควบคุมอัตราการไหลเอาไว้ และในกรณีที่ประเมินแล้วว่าในระหว่างการทำงานนั้นมีโอกาสที่วาล์วควบคุมการไหลจะปิดหรือเปิดน้อยมาก หรือในกรณีที่ของเหลวมีอุณหภูมิสูง หรือเกรงว่าของเหลวในปั๊มจะเดือดถ้าหากไหลผ่านตัวปั๊มช้าเกินไป ก็จะมีการติดตั้งท่อ minimum flow line เอาไว้ทางด้านขาออก (อยู่ก่อนถึงตำแหน่ง check valve ด้านขาออก - ไม่ได้แสดงไว้ในรูป) โดยท่อนี้จะมีการเปิดเอาไว้ก่อนเริ่มเดินเครื่องปั๊มและ/หรือเปิดทิ้งเอาไว้ตลอดเวลาในขณะที่ปั๊มทำงาน ขนาดของท่อเส้นนี้จะเล็กกว่าขนาดท่อหลักที่จ่ายของเหลวเข้าสู่ระบบ เพราะมันทำหน้าที่เพียงแค่ให้ของเหลวไหลผ่านปั๊มด้วยอัตราการไหลที่ต่ำสุดที่ป้องกันไม่ให้ของเหลวเดือดในปั๊มแค่นั้นเอง ท่อ minimum flow line (บางรายเรียก kick back line) นี้จะมีหรือไม่มี ขึ้นอยู่กับการทำงานและการออกแบบ อย่าไปจำว่ามันต้องมีเสมอไป
 

จากข้อกำหนดว่าระบบต้องการอัตราการไหล F2 ที่ความดัน P2 ดังนั้นปั๊มที่เลือกใช้จะต้องสามารถสร้างความดันด้านขาออกได้สูงกว่า P2 (คือสร้างได้ P1) และให้อัตราการไหลที่ความดันดันกล่าว (คือ F1) ได้อย่างน้อย F2 และโดยปรกติเวลาที่เลือกปั๊มมาใช้งานก็จะได้ปั๊มที่สร้างความดัน P1 และอัตราการไหล F1 ที่สูงกว่าความดันที่ต้องการ P2 และอัตราการไหล F2 เสมอ เรียกว่ามีการเผื่อขนาด (over size) เอาไว้ก่อน (เผื่อว่าความต้านทานการไหลจริงของระบบนั้นสูงกว่าค่าที่นำมาใช้คำนวณ หรือเผื่อการขยายกำลังการผลิตในอนาคต) แล้วค่อยไปใช้วิธีการหรี่วาล์วด้านขาออกเพื่อให้ได้อัตราการไหล F2 ที่ความดัน P2 ที่ต้องการ
 

เพื่อที่จะให้เห็นภาพง่ายขึ้น เรามาลองพิจารณากรณีที่ไม่มีการติดตั้ง minimum flow line พลังงานที่เราใส่เข้าไปที่ปั๊มหอยโข่ง (W1) นั้นจะสูงกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้ของเหลวไหลด้วยอัตราการไหล F2 ที่ความดัน P2 (W2) พลังงานส่วนเกินนี้ (W1 - W2) จะสูญเสียไปจากการไหลผ่านวาล์วควบคุมอัตราการไหล และเป็นการสูญเสียพลังงานที่ไม่สามารถนำกลับมาใช้ประโยชน์อะไรได้ ดังนั้นถ้าปั๊มนั้นมีการเผื่อขนาดเอาไว้มาก ค่าผลต่าง W1 - W2 หรือพลังงานที่ต้องสูญเสียผ่านวาล์วก็จะมากตามไปด้วย (คือต้องไม่เปิดวาล์วให้กว้างมาก เพื่อไม่ให้การไหลสูงเกินไป) และสำหรับโรงงานขนาดใหญ่ที่มีปั๊มจำนวนมาก เดินเครื่องกันตลอด ๒๔ ชั่วโมงทั้งปี การสูญเสียเนื่องจากการใช้ปั๊มที่มีการเผื่อขนาดไว้มากเกินไปเป็นจำนวนมาก ก็เรียกได้ว่าเป็นการสูญเสียพลังงาน (หรือค่าใช้จ่ายในการผลิต) ที่มากเหมือนกัน ด้วยเหตุนี้หลังจากที่ได้ทำการติดตั้งปั๊มแล้วพบว่าปั๊มนั้นมีการเผื่อขนาดเอาไว้มากเกินไป ก็ต้องหาทางลดการจ่ายพลังงานที่มากเกินควรให้กับของเหลวที่ไหลผ่านเข้าปั๊ม 
  

และสิ่งที่เขามักจะทำกันนั้นไม่ใช่การซื้อปั๊มใหม่ที่เล็กกว่าเดิม แต่เป็นการดัดแปลงระบบปั๊มที่ติดตั้งไว้แล้วให้มันใช้พลังงานน้อยกว่าเดิม

พลังงานที่ของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มได้มานั้น ได้มาจากความเร็วที่ของเหลวถูกเหวี่ยงออกจากขอบใบพัด (impeller) ของปั๊มหอยโข่ง ความเร็วที่ของเหลวถูกเหวี่ยงออกมานั้นขึ้นอยู่กับขนาดของใบพัดและความเร็วรอบการหมุน กล่าวคือที่ความเร็วรอบการหมุนคงที่ ใบพัดที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่จะให้พลังงานแก่ของเหลวได้มากกว่าใบพัดที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่า และในกรณีที่ใบพัดมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางคงที่ ความเร็วรอบการหมุนที่ลดลงจะทำให้พลังงานที่ของเหลวได้รับนั้นลดต่ำลงไปด้วย
 

ปั๊มหอยโข่งเกือบทั้งหมดที่ใช้กันในโรงงานนั้นขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (ชนิด induction motor) ทึ่ความเร็วรอบการหมุนขึ้นอยู่กับความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ (ของบ้านเราคือ 50 Hz) และจำนวนขั้ว (pole) ที่มอเตอร์มี (เป็นเลขคู่เสมอ ค่าตั้งแต่ 2 ขึ้นไป) ดังนั้นการลดพลังงานที่มากเกินไปที่ปั๊มให้กับของเหลว จึงใช้การลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดหรือไม่ก็ลดความเร็วรอบการหมุน

การลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดใช้การนำใบพัดเดิมนั้นมาเจียรขอบด้านข้างให้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ลดลง (ภาษาอังกฤษเรียกว่า impeller trimming) โดยที่ไม่ได้ทำการเปลี่ยนแปลงขนาดตัวเรือน (housing) ของปั๊ม การเจียรขอบใบพัดให้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลดลงทำให้ของเหลวถูกเหวี่ยงออกจากใบพัดด้วยความเร็วที่ลดต่ำลง พลังงานที่ปั๊มจ่ายให้กับของเหลวก็เลยลดต่ำลงไปด้วย แต่ทั้งนี้ต้องพึงระลึกว่าช่องว่างระหว่างขอบใบพัดและตัวเรือนนั้นส่งผลถึงสมรรถนะการทำงานของปั๊มด้วย ถ้าขนาดช่องว่างนี้มากเกินไป แทนที่ของเหลวจะถูกเหวี่ยงออกไปจากตัวเรือนปั๊ม จะกลายเป็นว่ามันวิ่งไหลวนอยู่ในตัวเรือนปั๊มแทน (คือแทนที่จะกลายเป็นปั๊มก็กลายเป็นถังกวนแทน) วิธีการนี้น่าจะมีค่าใช้จ่ายต่ำสุดและเหมาะกับการปรับแต่งที่ไม่มาก แต่ถ้าจะใช้วิธีการนี้ก็ต้องระวังที่จะไม่เจียรใบพัดจนมันมีขนาดเล็กเกินไป เพราะถ้าทำไปแล้วมันจะไม่สามารถทำใบพัดให้กลับมาใหญ่เหมือนเดิมได้ นอกจากไปหาซื้อมาใหม่
 

วิธีการที่สองใช้การเปลี่ยนมอเตอร์ไปเป็นมอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วเพิ่มมากขึ้น (เมื่อจำนวนขั้วของมอเตอร์เพิ่มขึ้น มอเตอร์จะหมุนช้าลง) วิธีการนี้เป็นวิธีการที่อาจลดการใช้พลังงานลงอย่างมากในทีเดียว แต่ถ้าเปลี่ยนจากมอเตอร์ที่มีจำนวนขั้ว 2 ขั้ว (ที่หมุนด้วยความเร็วเกือบ 3000 รอบต่อนาที) มาเป็นมอเตอร์ที่มี 4 ขั้ว (ที่หมุนด้วยความเร็วเกือบ 1500 รอบต่อนาที) ก็ต้องพิจารณาด้วยเหมือนกันว่ามันลดพลังงานมากเกินไปหรือเปล่า เดี๋ยวจะไม่สามารถจ่ายของเหลวที่อัตราการไหลและความดันที่ต้องการได้แม้ว่าจะเปิดวาล์วควบคุมการไหลด้านขาออกเต็มที่แล้วก็ตาม แต่ถ้าเป็นการเปลี่ยนจากมอเตอร์เดิมที่มี 6 ขั้ว (ที่หมุนด้วยความเร็วรอบเกือบ 100 รอบต่อนาที) มาเป็นตัวใหม่ที่มี 8 ขั้ว (ที่หมุนด้วยความเร็วรอบเกือบ 750 รอบต่อนาที) ก็เป็นการลดลงแบบไม่ฮวบฮาบ และยังสามารถใช้การเปิดวาล์วควบคุมการไหลด้านขาออกให้กว้างขึ้นเพื่อชดเชยได้ วิธีการนี้ต้องมีการลงทุนหามอเตอร์ตัวใหม่และจัดการกับมอเตอร์ตัวเก่าที่ถอดออกไป

สองวิธีการที่เล่ามาข้างต้นเป็นวิธีการหลักที่สมัยผมเรียนจบใหม่ ๆ เมื่อ ๓๐ ปีที่แล้วเรียนรู้กันว่าเขาใช้กันทั่วไป เรียกว่าเป็นงานของฝ่ายเครื่องกลฝ่ายเดียวก็ได้ แต่อันที่จริงยังมีอีกวิธีการหนึ่งที่ยุคสมัยนั้นจัดว่าเป็นเรื่องใหม่ พอมันเป็นเรื่องใหม่มันก็เลยก่อให้เกิดความสงสัยว่าจะใช้งานได้จริง ใช้ได้ทนทานนานแค่ไหน ไว้วางใจได้แค่ไหน ฯลฯ ตามมาเต็มไปหมด วิธีการนั้นการคือใช้การปรับเปลี่ยน "ความถี่" ของไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ซึ่งตรงนี้มันมีงานของฝ่ายไฟฟ้าเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

ความเร็วซิงโครนัส (synchronus) ของไฟฟ้ากระแสสลับคำนวณได้จากสูตร 120f/p เมื่อ f คือความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ (ของบ้านเราคือ 50 Hz) และ p คือจำนวนขั้ว (pole) ของมอเตอร์ที่ต้องมีจำนวนเป็นเลขคู่เสมอและเริ่มตั้งแต่ 2 ขึ้นไป ในกรณีของมอเตอร์เหนี่ยวนำ (induction motor) ที่ใช้กันเป็นส่วนใหญ่นั้น ความเร็วรอบการหมุนจะต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัสอยู่เล็กน้อยเนื่องจากการเกิด slip อย่างเช่นมอเตอร์ที่มี 4 ขั้วรอบความเร็วการหมุนจริงจะอยู่ที่ประมาณ 1450 รอบต่อนาที
 

เมื่อราว ๓๐ กว่าปีที่แล้วการเปลี่ยนความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (power electronic) เพื่อใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลัง (เช่นมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่) ยังจัดว่าเป็นเรื่องค่อนข้างใหม่ ตอนนั้นผมยังได้พบกับวิศวกรไฟฟ้ารุ่นพี่ไปเรียกปริญญาเอกและทำวิจัยเรื่องอิเล็กทรอนิกส์กำลังนี้อยู่ ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องแปลกที่วิศวกรที่ทำงานเกี่ยวกับปั๊มในยุคนั้นจะไม่ไว้วางใจการนำเอาอุปกรณ์ปรับเปลี่ยนความถี่กระแสไฟฟ้ามาใช้ในการประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่ง เพราะเขาเห็นอยู่ว่าวิธีการดั้งเดิมนั้นก็ทำงานได้ดีและอุปกรณ์ก็มีเสถียรภาพสูง ถ้าของใหม่ที่เข้ามานั้นทำได้เพียงแค่ทัดเทียมกับของเดิมแล้วจะเลือกใช้ของใหม่ทำไม ดังนั้นของที่เข้ามาใหม่จึงต้องแสดงให้เห็นว่ามันดีกว่าวิธีการดั้งเดิมอย่างไร เช่นอาจจะมีบางช่วงการทำงานที่เทคนิคใหม่นี้มีความเหมาะสมมากกว่า
 

ที่ภาระงาน (load) คงที่ มอเตอร์ไฟฟ้าที่หมุนได้ความเร็วรอบของมันแล้วจะกินกระแสไฟฟ้าน้อยกว่าตอนที่มันเริ่มหมุน ถ้าหากเกิดเหตุการณ์ไฟตก (คือความต่างศักย์ที่จ่ายมานั้นลดต่ำลงกว่าปรกติ) จะทำให้มอเตอร์ไฟฟ้าหมุนช้าลงและกินกระแสไฟมากขึ้น และถ้าปล่อยไว้นานเกินไปก็อาจทำให้มอเตอร์นั้นไหม้ได้เนื่องจากขดลวดทองแดงร้อนจัดจนน้ำยาเคลือบเส้นลวด (ที่เป็นฉนวนไฟฟ้า) ทนความร้อนไม่ได้จนไหม้หรือหลอมละลาย

ตรงนี้ต้องอย่าเอาเรื่องนี้ไปปนกับกรณีของมอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วมากกว่าที่หมุนช้ากว่ามอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วน้อยกว่านะครับ อย่าไปสรุปว่ามอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วมากกว่าจะกินกระแสมากกว่ามอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วน้อยกว่า มันคนละเรื่องกัน

ในกรณีของการปรับความถี่ของกระแสไฟฟ้าเพื่อให้มอเตอร์หมุนช้าลงนี้ มันมีเรื่องของภาระงานที่ลดลงเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ดังนั้นมันจึงไม่จำเป็นว่าต้องเกิดเหตุการณ์ดังที่กล่าวมาในย่อหน้าก่อนหน้านี้

เรื่องเกี่ยวกับการใช้การปรับความถี่กระแสไฟฟ้าในการลดการใช้พลังงานที่เกิดจากการเผื่อขนาดปั๊มไว้มากเกินไปนั้น เอกสารเรื่อง "Variable speed pumping - A guide to successful applications, Executive summary" ที่จัดทำขึ้นจากความร่วมมือกันระหว่าง the Hydraulic Institute, Europump และ U.S. Department of Energy's (DOE) industrial technologies program ที่ค้นเจอทางอินเทอร์เน็ตและเท่าที่ดูคร่าว ๆ ก็เห็นว่าให้ภาพที่ดีของวิธีการดังกล่าว (ดาวน์โหลดได้ที่ https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech_assistance/pdfs/variable_speed_pumping.pdf) และที่สำคัญคือมันเป็นเอกสารที่จัดทำขึ้นแบบเป็น "Executive summary" คือให้ความชัดเจนโดยไม่ลงลึกมากนัก เพื่อให้ระดับผู้บริหารทำความเข้าใจได้ดีขึ้น (มีการกล่าวถึงข้อดีและข้อเสียของเทคนิคนี้ด้วย) ในเอกสารนี้มี ๒ เรื่องที่อยากจะยกมาเล่าให้ฟังในที่นี้ในกรณีของข้อพึงคำนึงเมื่อคิดจะใช้การปรับเปลี่ยนความถี่ในการลดพลังงานที่ปั๊มใช้งาน
 

รูปที่ ๒ และ ๓ นั้นเป็นกรณีของระบบที่ ความต้านทานส่วนใหญ่เกิดจากการไหล ที่ความดันด้านขาออกไม่สูง หรือระบบท่อด้านขาออกไม่มีการยกตัวสูงกว่าระดับติดตั้งปั๊มมาก ในกรณีนี้การปรับเปลี่ยนความถี่เพื่อให้ปั๊มหมุนช้าลงตามอัตราการไหลที่ต้องการจะทำได้ในช่วงกว้าง ลองพิจารณาระบบที่มอเตอร์หมุนด้วยความเร็วรอบ 1480 rpm และเราต้องการลดอัตราการไหลจาก 720 m³/h (จุด A) ลงเหลือ 600 m³/h ถ้าเป็นระบบเดิมที่ใช้การหรี่วาล์วด้านขาออก การทำงานของปั๊มก็จะย้ายจากจุด A มายังจุด B แต่ถ้าใช้การปรับความเร็วรอบการหมุนจาก 1480 rpm มาเป็น 1184 rmp การทำงานจะย้ายจากจุด A มายังจุด C ที่สิ้นเปลืองพลังงานน้อยกว่า

รูปที่ ๒ ระบบที่ความต้านทานส่วนใหญ่เกิดจากการไหล ที่ความดันด้านขาออกไม่สูง หรือระบบท่อด้านขาออกไม่มีการยกตัวสูงกว่าระดับติดตั้งปั๊มมาก (เช่นการสูบน้ำทิ้ง)

รูปที่ ๓ Pump curve ของระบบที่ความต้านทานการไหลขึ้นกับอัตราการไหลเป็นหลัก ในกรณีนี้เส้น system curve (คือความต้านทานการไหลของระบบ) จะเริ่มจากตำแหน่งความดันด้านขาออกที่เป็นศูนย์หรือใกล้ศูนย์
 

รูปที่ ๔ และ ๕ เป็นตัวอย่างกรณีที่ความต้านทานการไหลด้านขาออกส่วนใหญ่เป็นผลจากความดัน เช่นการสูบของเหลวจ่ายเข้าระบบที่มีความดันสูง หรือจ่ายของเหลวขึ้นที่สูง (เช่น reflux pump ของหอกลั่นที่สูงมาก) ในกรณีนี้ system curve จะเริ่มจากตำแหน่งความดันด้านขาออกที่สูง ในกรณีนี้ความดันด้านขาออกจะเป็นตัวกำหนดว่าใบพัดของปั๊มจะต้องหมุนด้วยความเร็วรอบขั้นต่ำเท่าใดจึงจะเอาชนะความดันด้านทานด้านขาออกได้ (ปั๊มหอยโข่งให้พลังงานจลน์กับของเหลวที่มันเหวี่ยงออกไป แล้วค่อยเปลี่ยนพลังงานจลน์นั้นเป็นความดันอีกที) อย่างเช่นในกรณีของรูปที่ ๕ ที่นำมาแสดง ถ้าเราต้องการลดอัตราการไหลจากประมาณ 720 m³/h (จุด A) ลงเหลือ 600 m³/h (จุด B) ความเร็วรอบการหมุนของใบพัดจะต้องไม่ต่ำกว่า 1350 rpm และจะประหยัดพลังงานได้ไม่มากเท่าใดนักเมื่อเทียบกับการใช้การหรี่วาล์วด้านขาออก

รูปที่ ๔ ระบบที่ความต้านทานด้านขาออกมีความดันที่สูงต้านอยู่ในระดับหนึ่งตลอดเวลา เช่นการสูบของเหลวเข้าถังความดันสูง หรือการที่ท่อด้านขาออกนั้นมีการยกตัวสูงกว่าระดับติดตั้งปั๊มอยู่มาก

รูปที่ ๕ Pump curve ของระบบที่ความต้านทานด้านขาออกมีความดันที่สูงต้านอยู่ในระดับหนึ่งตลอดเวลา

หวังว่าบทความนี้คงพอมีประโยชน์ในการปูพื้นฐานให้กับผู้ที่ทำงานด้านนี้บ้าง :) :) :)

ไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวประกอบกำลัง ความร้อนที่เกิด MO Memoir : Thursday 25 April 2556

ขอทบทวนพื้นฐานไฟฟ้ากำลังกัน ก่อนที่จะต่อไปยังเหตุการณ์คืนวันศุกร์ที่ ๑๒ เมษายน ๒๕๕๖

สิ่งหนึ่งที่ไฟฟ้ากระแสสลับต่างจากไฟฟ้ากระแสตรงคือการที่ไฟฟ้ากระแสสลับมีมุมเฟส (θ) ระหว่างเฟสกระแสไฟฟ้า (I) กับเฟสความต่างศักย์ (V) ทำให้เกิดค่าที่เรียกว่า "ตัวประกอบกำลัง - power factor" ซึ่งเท่ากับ cos(θ) เราสามารถใช้ค่ามุม θ นี้จำแนกอุปกรณ์ไฟฟ้าออกเป็น ๓ ประเภทคือ
 

(ก) พวกมุมเฟสของกระแสและความต่างศักย์เปลี่ยนแปลงไปพร้อม ๆ กัน หรือค่า θ เป็นศูนย์ อุปกรณ์ในกลุ่มนี้ได้แก่พวกที่มีแต่ความต้านทานอย่างเดียว เช่นเตาให้ความร้อน หลอดไฟแบบมีไส้ 
   

(ข) พวกที่มุมเฟสของกระแสจะตามหลังเฟสของความต่างศักย์ เรียกว่ามีตัวประกอบกำลังแบบตาม (lagging power factor) อุปกรณ์ในกลุ่มนี้ได้แก่พวกที่มีขดลวดเหนี่ยวนำ เช่นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์ หลอดฟลูออเรสเซนต์ 
   

(ค) พวกที่มุมเฟสของกระแสนำหน้าเฟสของความต่างศักย์ เรียกว่ามีตัวประกอบกำลังแบบนำ (leading power factor) ได้แก่พวกที่มีตัวเก็บประจุ (capacitor หรือ condenser) 
  

ถ้าอุปกรณ์ไฟฟ้ามีทั้งความต้านทาน ขดลวดเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุรวมกันอยู่ ค่า θ จะขึ้นอยู่กับว่าชิ้นส่วนไหนให้ผลที่เด่นกว่ากัน ภาพโดยรวมก็คืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้กันส่วนใหญ่ในบ้าน อาคารพาณิชย์ และในโรงงานจะเป็นแบบ (ก) และ (ข)

อุปกรณ์ไฟฟ้าหลักที่ก่อให้เกิดปัญหา lagging power factorเห็นจะได้แก่มอเตอร์ไฟฟ้ากับหลอดฟลูออเรสเซนต์ ตัวมอเตอร์ไฟฟ้านั้นค่อนข้างจะชัดเจนอยู่แล้ว ส่วนตัวหลอดฟลูออเรสเซนต์นั้นตัวที่ก่อปัญหาคือตัวบัลลาสต์
  

บัลลาสต์แบบแกนขดลวดมีข้อดีคือมันทนดี ไม่เสียง่าย แต่ก็มีข้อเสียคือมีค่าตัวประกอบกำลังที่ต่ำ (ประมาณ 0.3) และมีการสูญเสียพลังงานค่อนข้างสูง คิดประมาณง่าย ๆ คือบัลลาสต์ธรรมดาสำหรับหลอด 36 W จะมีการสูญเสียพลังงานที่ตัวบัลลาสต์ประมาณ 10 W แต่ถ้าเป็นชนิด low loss ก็อาจจะสูญเสียพลังงานประมาณ 5 W การลดการสูญเสียที่บัลลาสต์ได้ 5 W ต่อไฟ 1 ดวง ถ้าคิดจำนวนหลอดไฟทั้งอาคารจะเห็นว่าเป็นปริมาณมาก ดังนั้นในบางอาคารจึงได้มีการประหยัดไฟด้วยการเปลี่ยนบัลลาสต์แบบธรรมดาให้กลายเป็นชนิด low loss ทั้งหมด ส่วนบัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์แม้จะให้ค่าตัวประกอบกำลังที่สูงกว่า (ที่เคยเห็นคือตั้งแต่ 0.5-0.8) และพลังงานสูญเสียต่ำกว่าแต่มีราคาสูงกว่ามากและไม่ค่อยอึดเท่าไรนัก ผมเคยซื้อมาใช้ปรากฏว่ามันพังก่อนหลอด ผมว่ามันเหมาะกับโคมไฟที่ต้องเปิดต่อเนื่องทั้งวันทั้งคืนมากกว่า
  

สำหรับอาคารบ้านเรือนแต่ละหลังนั้น คงไม่ได้มีการเปิดไฟพร้อมกันทุกดวงทั้งหลัง ดังนั้นปัญหาที่เกิดจากค่า power factor ต่ำนั้นจึงไม่เด่นชัด แต่ในส่วนอาคารสำนักงานที่มีการเปิดไฟใช้งานพร้อม ๆ กันจำนวนมาก หรือในโรงงานที่มีการเดินเครื่องมอเตอร์พร้อมกันจำนวนมาก พลังงานสูญเสียที่เกิดจากค่า power factor ต่ำนั้นจะสูงมาก ดังนั้นจึงมีการออกกฎหมายควบคุมให้ต้องมีการคุมค่า power factor ไว้ไม่ให้ต่ำเกินไป วิธีการที่ทำกันก็คือติดตั้งตัวเก็บประจุ (capacitor) เข้าไป ซึ่งอาจเป็นการติดตั้งเข้ากับอุปกรณ์แต่ละตัวหรือติดตั้งที่ระบบจ่ายไฟฟ้าเข้าโรงงาน/อาคารสำนักงาน ในอดีตนั้นเวลาไปเยี่ยมญาติที่ต่างจังหวัด จะเห็นว่าที่หลอดฟลูออเรสเซนต์แต่ละดวงจะต้องมีการติดตั้งตัวเก็บประจุเอาไว้ (ไม่รู้ว่าเป็นข้อกำหนดของการไฟฟ้าส่วนภูมิภาคในสมัยนั้นหรือเปล่า) เพราะสมัยนั้นโรงผลิตไฟฟ้าของบ้านเรายังมีไม่มาก การลดความสูญเสียจึงจำเป็นมาก แต่ในปัจจุบันไม่เห็นต้องทำเช่นนั้นกันแล้ว
  

ในกรณีของกระไฟฟ้ากระแสตรงนั้น เราเรียนมากันว่าพลังงาน (P) หน่วยเป็นวัตต์ (W) มีค่าเท่ากับผลคูณของกระแสกับความต่างศักย์หรือ P = IV แต่เนื่องจากความต่างศักย์คำนวณได้จากสูตร V = IR ดังนั้นเราจะได้อีกสูตรสำหรับคำนวณค่าพลังงานคือ P = I²R
  

แต่สำหรับไฟฟ้ากระแสสลับนั้น เนื่องจากทั้งกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์มีการเปลี่ยนแปลง พลังงานไฟฟ้าที่ได้ ณ จังหวะเวลาใด ๆ จึงเป็นผลคูณระหว่างกระแสและความต่างศักย์ที่จังหวะเวลานั้น ถ้าจังหวะใดที่ค่ากระแสเป็นศูนย์หรือความต่างศักย์เป็นศูนย์ (ไม่จำเป็นต้องเป็นศูนย์ทั้งสองตัวพร้อมกัน) ค่าพลังงานไฟฟ้าที่ได้ ณ จังหวะเวลานั้นก็จะเป็นศูนย์ 
   

สำหรับกรณีที่กระแสและความต่างศักย์คงที่ ค่าพลังงานไฟฟ้าเฉลี่ยจะมีค่ามากที่สุดเมื่อจังหวะเวลาที่กระแสเป็นศูนย์และความต่างศักย์เป็นศูนย์เกิดขึ้นพร้อมกัน (หรือค่ามุม θ เป็นศูนย์) สูตรคำนวณค่าพลังงานไฟฟ้า P = IV ที่ใช้กับไฟฟ้ากระแสตรงจึงใช้ไม่ได้ ในกรณีของไฟฟ้ากระแสสลับค่าพลังงานไฟฟ้าจะคำนวณได้จากสูตร P = IVcos(θ) มีหน่วยเป็นวัตต์ (W) ส่วนค่า P = IV นั้นจะใช้หน่วยเป็น VA (โวล์ต-แอมแปร์) มักจะใช้เป็นตัวบอกขนาดของกำลังไฟฟ้าที่หม้อแปลงจ่ายให้ได้ หรือพลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์ไฟฟ้าต้องการ

ในกรณีของอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับนั้น พลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์ต้องการคือ พลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์นำไปใช้งานได้จริง และพลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์รับเข้ามาและส่งคืนกลับระบบไป ส่วนที่เราจ่ายค่าไฟฟ้าคือพลังงานที่อุปกรณ์นำไปใช้งานได้จริง ส่วนพลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์รับเข้ามาและส่งคืนกลับระบบไปนั้นถือเป็นพลังงานสูญเสียของระบบส่ง เช่นอุปกรณ์ไฟฟ้าตัวหนึ่งมีค่า cos(θ) = 0.8 ถ้าอุปกรณ์ตัวนี้กินกระแส 1 A ที่ 220 V พลังงานไฟฟ้าระบบจ่ายไฟฟ้าต้องจ่ายให้กับอุปกรณ์คือ 220 W (ได้จากผลคูณระหว่าง I กับ V) แต่ตัวอุปกรณ์จะผลิตพลังงานได้เพียง 176 W (ผลคูณระหว่าง I กับ V และ cos(θ) ส่วนที่เหลืออีก 44 W เป็นส่วนที่ต้องส่งคือระบบจ่ายไฟฟ้ากลับไป

แต่พลังงานความร้อน (หน่วยเป็นวัตต์) ที่เกิดขึ้นจากความต้านทานของตัวนำไฟฟ้าในระบบไฟฟ้ากระแสสลับนั้นยังเป็นไปตามสูตร P = I²R อยู่ (แปรผันตามกระแสกำลังสอง) จากสูตร P = IVcos(θ) จะเห็นว่าสำหรับอุปกรณ์ที่กินพลังงานไฟฟ้าเท่ากัน อุปกรณ์ตัวที่มีค่าตัวประกอบกำลังสูงกว่าจะใช้กระแสไฟฟ้าต่ำกว่า และเมื่อปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ใช้ลดต่ำลง จะทำให้ความสูญเสียพลังงานไปเป็นความร้อน (คำนวณได้จากสูตร P = I²R) ลดต่ำลงไปด้วย นอกจากนี้เมื่อความต้องการกระแสไฟฟ้าลดต่ำลงยังทำให้สามารถใช้สายไฟฟ้าที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัดเล็กลงได้ด้วย ถือได้ว่าเป็นการประหยัดค่าใช้จ่ายในการเดินสายไฟ (พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ ทางผู้ใช้ไฟเป็นคนจ่ายค่าไฟในส่วนนี้ด้วย)
  

ด้วยเหตุนี้สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังไฟฟ้ามาก จึงมักเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการความต่างศักย์ที่สูงขึ้น เพราะจะไปลดความต้องการกระแสไฟฟ้าให้น้อยลง การสูญเสียไปเป็นพลังงานความร้อนจากความต้านทานภายในอุปกรณ์ (คำนวณจากสูตร P = I²R) ก็จะลดต่ำลงไปได้ เช่นมอเตอร์ที่มีแรงม้าสูงขึ้น จึงมักเป็นมอเตอร์ 3 เฟสใช้ไฟ 380 V แทนที่จะเป็นมอเตอร์เฟสเดียวใช้ไฟ 220 V เพราะความต่างศักย์ของไฟฟ้า 3 เฟสที่สูงกว่าทำให้การใช้กระแสไฟฟ้าลดลง และยังเป็นการกระจายปริมาณกระแสไฟฟ้าดังกล่าวออกไปยังสายไฟฟ้า 3 เส้น (เฟสละเส้น) แทนที่จะรวมกันอยู่ในสายไฟเส้นใหญ่เส้นเดียวเช่นในกรณีของไฟฟ้าเฟสเดียว

จากประสบการณ์ส่วนตัวที่เคยพบเจอนั้น ปัจจัยภายนอกที่เกิดจากระบบจ่ายไฟฟ้าที่สามารถทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเพลิงไหม้ได้มีอยู่ ๒ ปัจจัยคือ "ไฟตก" และ "ไฟดับ"

"ไฟตก" ในที่นี้คือเหตุการณ์ที่ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่มีอยู่ในระบบนั้นลดต่ำลงกว่าปรกติ คือในสายไฟฟ้ายังมีไฟฟ้าไหลอยู่ แต่แทนที่จะมีความต่างศักย์ 220 V กลับลดต่ำลงกว่า 220 V ส่วนสาเหตุจะเกิดจากอะไรบ้างนั้นผมก็ไม่รู้เหมือนกัน รู้แต่ว่าเวลาที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าในระบบสูงเกินกว่ากำลังที่ระบบจ่ายไฟฟ้า (เช่นโรงไฟฟ้าหรือหม้อแปลง) จะจ่ายให้ได้ ก็จะเกิดเหตุการณ์ทำนองนี้ขึ้นได้
  

ถ้าเป็นอุปกรณ์พวกที่ใช้ขดลวดความร้อนหรือความต้านทาน เช่นหลอดไส้ เวลาเกิดไฟตกจะพบว่าหลอดนั้นจุดติด คือเห็นไส้หลอดลุกส่องสว่าง แต่ความสว่างที่ได้จะต่ำผิดปรกติ ถ้าเป็นหลอดฟลูออเรสเซนต์ก็จะพบว่าไม่สามารถเปิดให้ติดได้ (ยกเว้นว่าใช้บัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์ จะพบว่ามันจุดติดได้ เพราะมันรองรับไฟตกได้ดีกว่าพวกบัลลาสต์แกนขดลวด)
  

แต่ถ้าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้มอเตอร์ เช่น พัดลม เราจะพบว่ามันหมุนช้าลง
  

อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์เป็นองค์ประกอบ (เช่น พัดลม คอมเพรสเซอร์ของเครื่องปรับอากาศและตู้เย็น) จะมีปัญหามากเวลาที่ไฟตก เช่นในกรณีของตู้เย็นนั้น ความต้องการการใช้พลังงานในการอัดสารทำความเย็นยังคงเท่าเดิมแม้ว่าจะมีปัญหาไฟตกเกิดขึ้น สิ่งที่มอเตอร์จะทำก็คือดึงกระแสเข้ามาชดเชย (V ลดลงก็ต้องดึง I เข้ามาชดเชยเพื่อให้ได้ P เท่าเดิม) ผลที่ตามมาคือตัวขดลวดจะร้อนขึ้น (ความร้อนแปรผันตามปริมาณกระแสยกกำลัง 2) โดยอาจจะเริ่มจากมอเตอร์ไหม้ก่อน (เกิดจากน้ำยาที่เคลือบลวดทองแดงเอาไว้เสื่อมสภาพจากความร้อน) และอาจลามไปถึงวัสดุที่ใช้เป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดนั้นด้วย ถ้าวัสดุนั้นลุกติดไฟได้ก็มีโอกาสที่จะเกิดไฟไหม้ขึ้น ด้วยเหตุนี้เวลาที่เกิดเหตุการณ์ไฟตกเขาจึงมักบอกให้รีบถอดปลั๊กตู้เย็นและปิดแอร์

เชื่อว่าพอได้ยินว่าเหตุการณ์ "ไฟดับ" สามารถทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเพลิงไหม้ได้หลายคนคงแปลกใจไม่น้อย ถ้าเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟเฟสเดียวเมื่อเกิดเหตุการณ์ไฟดับอุปกรณ์ก็จะหยุดการทำงาน เป็นเหมือนกับการที่เราไปปิดเครื่องมัน ที่มันจะมีปัญหาคือการที่ไฟดับ "เพียงบางเฟส" และเรามีการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟฟ้า 3 เฟส (เช่นมอเตอร์และคอมเพรสเซอร์ของเครื่องปรับอากาศขนาดใหญ่ของอาคาร) อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟฟ้า 3 เฟสนี้แม้ว่าไฟจะขาดหายไปบางเฟส อุปกรณ์ก็จะยังคงทำงานต่อไป โดยจะไปดึง "กระแสเพิ่มเติม" จากเฟสที่ยังมีไฟฟ้าอยู่
  

ปัญหามันเกิดตรงนี้แหละ เช่นไฟฟ้าดับไป 1 เฟส มอเตอร์ก็จะดึงกระแสเพิ่มจาก 2 เฟสที่เหลือ ทำให้ขดลวดและสายไฟของเฟสที่เหลืออีกสองเฟสร้อนขึ้น โดยปรกติตัวมอเตอร์เองมันก็จะทนได้ในระดับหนึ่ง ประมาณว่าให้เวลารู้ตัวและปิดอุปกรณ์ได้ทันเวลา แต่ไม่ได้หมายความว่าสามารถปล่อยให้มันทำงานได้ต่อไปเรื่อย ๆ เหตุการณ์นี้เคยเกิดขึ้นกับอาคาร ๔ ของคณะเรา ที่แต่ละชั้นมีเครื่องปรับอากาศส่วนกลางขนาดใหญ่ ๔ เครื่องสำหรับแต่ละมุมของอาคาร เครื่อปรับอากาศเหล่านี้ใช้ไฟฟ้า 3 เฟส มีวันหนึ่งไฟฟ้าหายไป 1 เฟส ไฟแสงสว่างก็มีติดบ้างไม่ติดบ้าง ปลั๊กไฟบางปลั๊กก็มีไฟบางปลั๊กก็ไม่มี ผู้ที่ทำงานอยู่ในอาคารก็ไม่รู้ว่าควรต้องทำอย่างไร กว่าช่างประจำอาคารจะทราบเรื่องและไล่ปิดเครื่องปรับอากาศได้ก็ปรากฏว่าเกิดความเสียหายไปหลายเครื่องแล้ว

จากประสบการณ์ส่วนตัวที่ผ่านมานั้น เหตุการณ์ที่ทำให้เกือบเกิดเพลิงไหม้ในแลปมักจะมีสาเหตุมาจากการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าไม่ถูกวิธี (จะโดยไม่รู้หรือไม่สนใจก็ตามแต่) มากกว่าที่จะเกิดจากไฟฟ้าที่จ่ายมามีความบกพร่อง ปัญหาที่เกิดจากไฟฟ้าที่จ่ายมามีความบกพร่องมักทำให้อุปกรณ์เสียหายมากกว่าที่จะทำให้เกิดเพลิงไหม้ เพราะเรามักรู้ว่ามีไฟฟ้ามีปัญหาก่อนเกิดเพลิงไหม้ ไม่เหมือนกับการใช้ไม่ถูกวิธี ซึ่งจะมารู้ก็ตอนกำลังจะหรือได้เกิดเพลิงไหม้ขึ้นแล้ว 
   

เรื่องการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าไม่ถูกวิธีนี้เคยเล่าเอาไว้เมื่อเกือบ ๕ ปีที่แล้วตั้งแต่ตอนกลุ่มเราเริ่มออก Memoir ลองไปอ่านย้อนหลังดูได้จาก Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓ วันศุกร์ที่ ๑๑ กรกฎาคม ๒๕๕๑ เรื่อง "นานาสาระเรื่องไฟฟ้ากำลัง วางเพลิงแลปไม่ใช่เรื่องยาก" ดูเอาเองก็แล้วกัน

บริเวณจุดสัมผัสระหว่างขาปลั๊กตัวผู้และขั้วโลหะที่อยู่ในปลั๊กตัวเมียเป็นตำแหน่งที่มีโอกาสที่จะมีความต้านทานไฟฟ้าสูง ขึ้นอยู่กับการสัมผัสกันระหว่างขาปลั๊กตัวผู้และขั้วโลหะที่อยู่ในปลั๊กตัวเมีย ถ้ามีการสัมผัสกันดี กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้สะดวก ก็จะไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าสัมผัสกันไม่ดี เช่นปลั๊กหลวม มีการสัมผัสกันเพียงบางจุด จะทำให้ตัวโลหะนำไฟฟ้าเกิดความร้อนสูง จนทำให้พลาสติกที่เป็นโครงสร้างของตัวปลั๊กหลอมเหลวหรือไหม้ได้ (ขึ้นกับชนิดพลาสติกที่ใช้ทำ ดูรูปที่ ๑ ข้างล่าง) และถ้าความร้อนนั้นสูงจนกระทั่งทำให้ฉนวนหุ้มสายไฟหลอมหรือไหม้จนสายไฟสัมผัสกันโดยตรง ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรขึ้นได้ ดังนั้นเพื่อป้องกันปัญหาดังกล่าว การต่อไฟฟ้าเข้ากับอุปกรณ์ที่กินกระแสสูงจึงควรใช้การต่อถาวรผ่าน circuit breaker จะดีกว่าใช้การเสียบปลั๊ก

รูปที่ 1 เต้ารับชนิด 3 ขา (มีสายดิน) (1) รอยไหม้ที่เกิดจากการเสียบปลั๊กไม่แน่น (2) (3) รูสำหรับเสียบปลั๊กชนิดขาแบน พึงสังเกตว่าความยาวของรู 2 และ 3 ไม่เท่ากัน เพราะปลั๊กตัวผู้แบบสองขาแบนบางชนิดออกแบบมาให้ขาสองข้างกว้างไม่เท่ากันอยู่ ดังนั้นถ้าเสียบไม่ลงให้ลองสลับข้างเสียบดู รูปนี้นำมาจาก Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓ ที่กล่าวถึงข้างบน

หวังว่าเมื่ออ่านเรื่องนี้จนหมดแล้ว พวกคุณคงมีพื้นฐานความเข้าใจเรื่องไฟฟ้ากำลังก่อนที่จะเข้าสู่เรื่องต่อไป

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊ม ตอนที่ ๓ MO Memoir : Friday 29 March 2556

เอกสารฉบับนี้เตรียมขึ้นเพื่อปูพื้นฐานให้กับผู้ที่มีพื้นความรู้ทางวิทยาศาสตร์ทั่วไป ที่ไม่ได้เรียนและทำงานสายวิศวกรรม เนื้อหาใน Memoir นี้แก้ไขเพิ่มเติมจากเอกสารที่ใช้ในโครงการอบรม Cosmetic Engineering and Production Planning (CEPP) สำหรับสมาคมผู้ผลิตเครื่องสำอางไทย เมื่อวันเสาร์ที่ ๑๖ มีนาคม ๒๕๕๖ ที่ผ่านมา แต่เนื่องจากเห็นว่าน่าจะพอให้ประโยชน์แก่บุคคลทั่วไปได้บ้าง จึงนำมาเผยแพร่ใน blog นี้ ฉบับนี้เป็นตอนสุดท้าย

๑. ระบบขับเคลื่อนปั๊ม

ระบบต้นกำลังที่ใช้กันทั่วไปในการขับเคลื่อนปั้มประกอบด้วย ไฟฟ้า ไอน้ำ อากาศอัดความดัน และเครื่องยนต์

การขับเคลื่อนโดยใช้ไฟฟ้าเป็นระบบที่ใช้กันมากที่สุด โดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นตัวขับเคลื่อน ข้อดีของระบบนี้คือไม่ยุ่งยาก แต่ข้อเสียคือถ้าเกิดปัญหาไฟฟ้าดับเมื่อใด การทำงานจะหยุดทันที

การขับเคลื่อนด้วยไอน้ำมักกระทำในโรงงานที่มีไอน้ำเหลือจากการใช้ในกระบวนการ หรือไม่ก็ใช้กับปั๊มที่มีความสำคัญที่ต้องการให้ทำงานอยู่ได้แม้ในช่วงเวลาที่ไฟฟ้าดับ (เช่นระบบปั๊มน้ำหล่อเย็นที่สำคัญ ระบบปั๊มน้ำมันเชื้อเพลิงที่จ่ายให้กับหม้อไอน้ำ) การใช้ไอน้ำขับเคลื่อนนั้นอาจใช้ในรูปแบบการขับเคลื่อนกระบอกสูบ หรือผ่านกังหันไอน้ำ
  

ข้อเสียของระบบนี้อยู่ตรงที่การเริ่มเดินเครื่องนั้นจะใช้เวลา เพราะต้องให้โลหะมีเวลาขยายตัวเนื่องจากความร้อน

การขับเคลื่อนด้วยการใช้อากาศอัดความดันเหมาะกับปั๊มขนาดเล็ก หรือใช้ในพื้นที่ที่จัดว่าเป็นพื้นที่อันตรายเสี่ยงต่อการระเบิด (เช่นในส่วนกระบวนการผลิตของโรงกลั่นน้ำมัน โรงงานปิโตรเคมี ปั๊มที่ใช้สูบจ่ายของเหลวที่ลุกติดไฟได้ ปั๊มที่ติดตั้งในบริเวณที่มีไอระเหย/ฝุ่นผง ที่สามารถเกิดการระเบิดได้) ในพื้นที่อันตรายดังกล่าวต้องใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งมีราคาสูง (เรียกว่า explosion proof) ในส่วนของตัวปั๊มเองตัวที่มีปัญหาคือตัวมอเตอร์กับอุปกรณ์เปิด-ปิดมอเตอร์ แต่ก็สามารถเลี่ยงได้ด้วยการใช้อากาศอัดความดันเป็นตัวขับเคลื่อนแทน นอกจากนี้การใช้อากาศอัดความดันยังมีข้อดีตรงที่แม้ว่าไฟฟ้าจะดับ แต่ตัวอุปกรณ์ก็ยังทำงานได้เป็นช่วงเวลาหนึ่ง ด้วยการใช้อากาศที่สำรองไว้ในถังเก็บ ทำให้ไม่สูญเสียการควบคุมทั้งหมดทันทีที่เกิดปัญหาไฟฟ้าดับ
  

เรื่องเกี่ยวกับการจำแนกพื้นที่อันตรายที่ต้องการอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดพิเศษนี้เคยเล่าเอาไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๔๐ วันพุธที่ ๓๑ มีนาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "Electrical safety for chemical process"

การขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์มักจะกระทำกับสถานที่ที่ไฟฟ้าเข้าไม่ถึง หรือใช้กับปั๊มสำรองฉุกเฉินในกรณีที่ไฟฟ้าดับ เช่นในกรณีของปั๊มน้ำดับเพลิงในอาคาร

เนื่องจากมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นแหล่งขับเคลื่อนปั๊มที่ใช้กันมากที่สุด ดังนั้นจะเกริ่นเฉพาะมอเตอร์ไฟฟ้าเพิ่มเติมในหัวข้อถัดไป

๒. มอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้งานกันทั่วไปนั้นแบ่งออกได้เป็น ๒ ประเภทโดยใช้ชนิดกระแสไฟฟ้าเป็นเกณฑ์คือ

๑. มอเตอร์กระแสตรง (Direct current motor) คือมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสตรง และ

๒. มอเตอร์กระแสสลับ (Alternative current motor) คือมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสสลับ

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงมีข้อดีตรงเรื่องการปรับเปลี่ยนความเร็วรอบและแรงบิดเริ่มต้นทำได้ง่าย ใช้งานกับอุปกรณ์ขนาดเล็กทั่วไปที่ใช้ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ หรือในยานพาหนะเช่นรถยนต์ไฟฟ้า

แต่เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตและจำหน่ายทั่วไปนั้นจะอยู่ในรูปของไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับมีการใช้งานกันแพร่หลายในอุตสาหกรรมมากกว่า มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับมีอยู่ ๒ ประเภทคือมอเตอร์ซิงโครนัส (synchronous motor) และมอเตอร์เหนี่ยวนำ (induction motor)

แต่ก่อนอื่นมาทำความรู้จักกับความเร็วซิงโครนัส (synchronous speed) ก่อน

ในเรื่องไฟฟ้ากระแสสลับนั้นจะมีความว่าความเร็วซิงโครนัส (synchronous speed) อยู่ ซึ่งเป็นค่าความเร็วรอบการหมุนของสนามแม่เหล็ก ค่าความเร็วซิงโครนัสนี้คำนวณได้จากสูตร

n = (120f/p)

เมื่อ n คือความเร็วซิงโครนัส (หน่วยเป็น rpm - round per minute หรือรอบต่อนาที)

f คือความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ (หน่วยเป็นเฮิร์ตที่เขียนย่อว่า Hz หรือต่อวินาที ในบ้านเราคือ 50 Hz) และ

p คือจำนวนขั้วของมอเตอร์ซึ่งจะเป็นเลขคู่เสมอ โดยจะเริ่มจาก 2

ความถี่กระแสไฟฟ้าสลับที่ใช้กันในประเทศไทยนั้นคือ 50 Hz แต่ก็มีบางประเทศที่ใช้ความถี่ 60 Hz (มักเป็นประเทศที่ใช้ไฟฟ้าความต่างศักย์ 100-120 V)
  

มอเตอร์ซิงโครนัสนั้นจะหมุนด้วยความเร็วซิงโครนัส เช่นของมอเตอร์ซิงโครนัสที่มี 4 ขั้ว ความเร็วซิงโครนัสที่คำนวณได้ (ที่ความถี่ 50 Hz) คือ 1500 rpm ตัวมอเตอร์ก็จะหมุนที่ความเร็วรอบ 1500 rpm ถ้าเป็นมอเตอร์ซิงโครนัสที่มี 6 ขั้ว มอเตอร์ก็จะหมุนที่ความเร็วรอบ 1000 rpm
  

ความเร็วซิงโครนัสนี้ขึ้นไม่ขึ้นอยู่กับแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ใช้ขับเคลื่อนหรือจำนวนเฟสที่ใช้

แต่มอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้กันมากที่สุดในโรงงานคือมอเตอร์เหนี่ยวนำ (induction motor) เพราะมีราคาถูกว่ามอเตอร์ซิงโครนัส มอเตอร์ไฟฟ้าที่เห็นนำมาใช้ขับเคลื่อนปั๊มทั่วไปในโรงงานจะเป็นมอเตอร์เหนี่ยวนำ

อัตราการหมุนของมอเตอร์เหนี่ยวนำขึ้นอยู่กับความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้และจำนวนขั้วของมอเตอร์เช่นเดียวกับมอเตอร์ซิงโครนัส แต่จะมี "สลิป (slip - ที่แปลว่าลื่นไถล)" เกิดขึ้นเล็กน้อย ทำให้ความเร็วรอบการหมุนที่แท้จริงของมอเตอร์เหนี่ยวนำต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัส
  

เช่นกรณีของมอเตอร์ที่มี 4 ขั้ว ความเร็วซิงโครนัสที่คำนวณได้ที่ความถี่ 50 Hz คือ 1500 rpm แต่ตัวมอเตอร์จะหมุนที่ความเร็วรอบประมาณ 14xx rpm (รูปที่ ๑๔) ถ้าเป็นมอเตอร์ที่มี 2 ขั้ว ความเร็วซิงโครนัสที่คำนวณได้ที่ความถี่ 50 Hz คือ 3000 rpm แต่ตัวมอเตอร์จะหมุนที่ความเร็วรอบประมาณ 29xx rpm
  

ในประเทศไทยนั้นถ้าต้องการให้หมุนที่ความเร็วรอบสูงกว่า 3000 rpm ก็คงต้องใช้ระบบเกียร์ทดหรือสายพานช่วย
  

ถ้าเราจ่ายไฟฟ้าให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้าก็จะหมุน แต่ถ้าเราเอามอเตอร์ไฟฟ้ามาหมุน (เช่นใช้กังหันไอน้ำ) มันก็จะจ่ายไฟฟ้าออกมาได้ แต่จะกลับทิศกัน ดังนั้นกระแสไฟฟ้าที่มอเตอร์ไฟฟ้าใช้ในขณะทำงานจึงเป็นผลลัพท์ระหว่างกระแสที่จ่ายและกระแสที่ผลิตขึ้น
  

และเนื่องโครงสร้างของมอเตอร์ไฟฟ้าประกอบด้วยลวดทองแดงเป็นหลัก ซึ่งมีความต้านทานต่ำมาก ดังนั้นถ้าหากมอเตอร์ไฟฟ้าหยุดนิ่งหรือไม่หมุนโดยที่ยังมีการจ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้าอยู่ จะเป็นเหมือนกับการลัดวงจรไฟฟ้า กระแสจะไหลผ่านขดลวดในปริมาณมากได้ ทำให้ขดลวดไหม้ได้
  

พฤติกรรมของมอเตอร์ที่มีการกินกระแสไฟมากในขณะที่เริ่มหมุนนั้นส่งผลต่อการเลือก circuit breaker ในการป้องกันกระแสเกินขนาด เพราะถ้าเลือก circuit breaker ขนาดที่เล็กเกินไปหรือไวเกินไป (คือไปคิดเฉพาะตอนมอเตอร์ทำงานปรกติ) ก็อาจทำให้เดินเครื่องปั๊มไม่ได้ เพราะในจังหวะที่เริ่มเดินเครื่องนั้นจะมีกระแสไหลเข้าเป็นปริมาณมากเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ ก่อนที่จะตกลงสู่ระดับปรกติ ดังนั้น circuit breaker ควรที่จะไม่ตัดกระแสไฟฟ้าในช่วงเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ แต่ถ้าเลือกขนาดใหญ่เกินไปก็จะไม่สามารถป้องกันความเสียหายให้กับมอเตอร์ในกรณีที่มีกระแสสูงเกินไปไหลเข้าต่อเนื่องเป็นเวลานานได้

รูปที่ ๑ name plate มอเตอร์เหนี่ยวนำ (Induction motor) รูปบนเป็นของมอเตอร์ชนิดไฟ 3 เฟส 4 ขั้ว (pole) รูปล่างเป็นของมอเตอร์ชนิดไฟ 1 เฟส 4 ขั้วเหมือนกัน จะเห็นว่าความเร็วรอบการหมุนจะต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัส (1500 rpm) อยู่เล็กน้อย แต่จะไม่ขึ้นอยู่ว่าจะเป็นมอเตอร์ชนิดไฟ 1 เฟสหรือ 3 เฟส และไม่ขึ้นกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ใช้ขับเคลื่อน

กำลังไฟฟ้าที่มอเตอร์ผลิตได้นั้นเป็นผลคูณระหว่างความต่างศักย์กับกระแสและตัวประกอบกำลัง (power factor) ถ้าใช้ความต่างศักย์สูง ก็จะกินกระแสน้อย ถ้าใช้ความต่างศักย์ต่ำ ก็จะกินกระแสมาก ในขณะที่ความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดนั้นแปรผันตามปริมาณกระแสไฟฟ้ายกกำลังสอง
  

ดังนั้นในช่วงเวลาที่ไฟฟ้าตก (ความต่างศักย์ลดลง) มอเตอร์จะดึงกระแสมากขึ้น อาจทำให้มอเตอร์เสียหายได้ หรือในกรณีของมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า 3 เฟส ถ้าเกิดไฟฟ้าขาดหายไป 1 เฟส มอเตอร์จะดึงกระแสจากอีก 2 เฟสที่เหลือเข้ามาชดเชย ทำให้กระแสไฟฟ้าในขดลวดอีก 2 เฟสเพิ่มมากขึ้นจนทำให้ขดลวดไหม้ได้
  

เคยมีเหตุการณ์ไฟ 3 เฟสขาดหายไป 1 เฟสที่ตึกทำงาน ผลก็คือมอเตอร์ที่ใช้ขับเคลื่อนเครื่องปรับอากาศที่ให้ความเย็นทั้งชั้นนั้นพังไปหลายตัว เพราะพอไฟฟ้าหายไป 1 เฟส มันก็ไปดึงกระแสจาก 2 เฟสที่เหลือเข้ามาแทน ทำให้ขดลวดทองแดงมอเตอร์ร้อนจัดจนไหม้ คนที่ทำงานส่วนใหญ่ไม่มีใครรู้ว่าควรต้องรีบไปปิดเครื่องปรับอากาศ (เพราะมันไม่ปิดเอง) ช่างไม่สามารถไล่ตามปิดให้ทัน (ตึก ๒๐ ชั้นมีชั้นละ ๔ เครื่อง)

๓. การปรับอัตราการไหลของปั๊ม

การปรับอัตราการไหลทำได้ก็ต่อเมื่อความสามารถในการจ่ายของเหลวของปั๊มสูงกว่าความต้องการการใช้ของเหลว
  

เราอาจต้องทำการปรับอัตราการไหลเมื่อ
  

(ก) อัตราความต้องการของเหลวนั้นไม่คงที่ มีการเปลี่ยนแปลง หรือ

(ข) อัตราความต้องการของเหลวนั้นคงที่ แต่ปั๊มนั้นมีขนาดใหญ่เกินไป

วิธีการทั่วไปที่ใช้กันในการปรับอัตราการไหลของปั๊มมี

๑. ติดตั้งวาล์วควบคุมอัตราการไหลด้านขาออก ซึ่งอาจเป็นการติดตั้งวาล์วบนเส้นท่อที่จ่ายของเหลวเข้าระบบ หรือติดตั้งบนเส้นท่อนำของเหลวไหลเวียนกลับ ถ้าเป็นกรณีของปั๊มหอยโข่งวิธีการนี้เหมาะกับกรณีที่อัตราการไหลเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา
  

การเลือกใช้วิธีการนี้ต้องระวังอย่าให้มีโอกาสที่วาล์วด้านขาออกของปั๊มมีการปิดสนิทจนของเหลวไม่สามารถไหลผ่านตัวปั๊มได้ หรือปั๊มไม่สามารถอัดของเหลวไปข้างหน้าได้ ถ้าเป็นปั๊มหอยโข่งจะป้องกันโดยการมีท่อไหลย้อนกลับไปยังถังเก็บของเหลวที่ทำการสูบตลอดเวลา ถ้าเป็นพวกปั๊มลูกสูบจะใช้การติดตั้งวาล์วระบายความดัน

๒. ปรับความเร็วรอบการหมุน/จังหวะการทำงานของปั๊ม ถ้าเป็นกรณีของปั๊มหอยโข่งวิธีการนี้เหมาะกับกรณีที่อัตราความต้องการของเหลวนั้นคงที่ แต่ปั๊มนั้นมีขนาดใหญ่เกินไป การใช้วาล์วจะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมากเกินไป แต่ถ้าเป็นพวกปั๊มลูกสูบนั้นมักจะใช้การปรับจังหวะการทำงานของปั๊ม
  

การปรับการปรับความเร็วรอบการหมุน/จังหวะการทำงานของปั๊มที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าอาจทำโดย
  

(ก) คงอัตราการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้าเอาไว้ แล้วใช้ระบบเฟืองทด/สายพาน

(ข) คงมอเตอร์ตัวเดิมเอาไว้ แต่ติดตั้งระบบปรับความถี่ของไฟฟ้า วิธีการนี้เป็นวิธีการที่ใช้กับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ โดยใช้อุปกรณ์เช่นอินเวอร์เตอร์ (Inverter) เปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรงก่อน จากนั้นจึงค่อยเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรงให้กลายเป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่มีแรงดันและความถี่ตามต้องการอีกครั้ง หรือ
  

(ค) เปลี่ยนมอเตอร์ โดยใช้มอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วที่แตกต่างไปจากของเดิม
  

การคงอัตราหมุนและใช้ระบบสายเฟืองทด/สายพานนั้นทำได้ในกรณีที่ไม่ได้มีการต่อเพลามอเตอร์เข้ากับเพลาปั๊มโดยตรง
  

ถ้าต้องการประหยัดพลังงานโดยทำให้ปั๊มหมุนช้าลง ก็สามารถทำได้โดยการเลือกใช้มอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วมากขึ้น

การเปลี่ยนมอเตอร์เหมาะกว่ากับปั๊มที่ใช้งานต่อเนื่อง (เดินเครื่องติดต่อกันเป็นเวลานาน)

รูปที่ ๒ การปรับอัตราการจ่ายของเหลวออกด้วย (บน) ใช้วาล์วปรับอัตราการไหลด้านจ่ายออก (ล่าง) ใช้วาล์วปรับอัตราการไหลด้านไหลกลับคืนแหล่งจ่าย

เช่นถ้ามอเตอร์มีจำนวนขั้วเป็น 6 ความเร็วซิงโครนัสคือ 1000 rpm มอเตอร์ก็จะหมุนที่ความเร็วรอบต่ำกว่า 1000 rpm เล็กน้อย ถ้าเป็นมอเตอร์มีจำนวนขั้วเป็น 8 ความเร็วซิงโครนัสคือ 750 rpm มอเตอร์ก็จะหมุนที่ความเร็วรอบไม่เกิน 750 rpm
  

เรื่องการเปลี่ยนมอเตอร์นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๕๖ วันจันทร์ที่ ๒๘ พฤษภาคมพ.ศ. ๒๕๕๕ เรื่อง "เก็บตกฝึกงานฤดูร้อน ๒๕๕๕"

ตรงนี้ต้องทำความเข้าใจหน่อยว่า สำหรับปั๊มหอยโข่งนั้น ผู้ผลิตปั๊มก็ผลิตตัวปั๊ม ส่วนมอเตอร์นั้นก็มาจากผู้ผลิตมอเตอร์ (ซึ่งมักไม่ใช่ผู้ผลิตปั๊ม แต่เป็นผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า) ดังนั้นตัวปั๊มยี่ห้อเดียวกันอาจขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ต่างยี่ห้อกันได้ เคยได้เห็นข้อกำหนดในการว่าจ้างก่อสร้างโรงงานปิโตรเคมีแห่งหนึ่งเกี่ยวกับเรื่องปั๊ม คือผู้ว่าจ้างนั้นมีการกำหนดยี่ห้อของตัวปั๊มที่ยอมรับ "และ" ยี่ห้อของมอเตอร์ที่ยอมรับ ส่วนที่เหลือก็เป็นหน้าที่ของผู้สร้างว่าจะไปหาซื้อปั๊มยี่ห้อไหน (ตามรายชื่อที่ผู้ว่าจ้างกำหนด) และจะไปซื้อมอเตอร์ยี่ห้อไหน (ตามรายชื่อที่ผู้ว่าจ้างกำหนดอีก) เพื่อนำมาประกอบเข้าด้วยกันเป็นระบบปั๊มที่สมบูรณ์ แต่สำหรับปั๊มขนาดเล็ก ผู้ขายบางรายก็ประกอบเป็นชุดสำเร็จรูปมีทั้งตัวปั๊มและมอเตอร์มาให้ ผู้ซื้อไปใช้ก็มีหน้าที่ต่อสายไฟเข้าเพียงอย่างเดียว

๔. การรักษาความดันในระบบท่อ

งานบางประเภทนั้นของเหลวในท่ออาจไม่ได้มีการไหลต่อเนื่องตลอดเวลา แต่ต้องให้ของเหลวในระบบท่อนั้นไหลได้ทันทีที่ต้องการการใช้งาน (เช่นเมื่อเปิดวาล์ว) งานประเภทนี้ที่เห็นได้ชัดได้แก่ งานระบบน้ำประปา และระบบน้ำดับเพลิง ในบางหน่วยงานผลิตนั้นอาจมีส่วนของระบบน้ำบริสุทธิ์เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

การรักษาความดันในระบบท่ออาจใช้วิธี
  

(ก) ใช้แรงโน้มถ่วงช่วย โดยการสูบของเหลวไปเก็บบนถังสูง และให้ไหลลงมาด้วยแรงโน้มถ่วง วิธีการนี้ใช้มากกับระบบน้ำประปา ใช้สวิตช์วัดระดับเป็นตัวกำหนดระดับน้ำขั้นต่ำที่ให้ปั๊มเดินเครื่อง และระดับขั้นสูงที่ให้ปั๊มหยุดการทำงาน ข้อดีของวิธีการนี้ก็คือแม้ไฟฟ้าดับก็ยังมีของเหลวให้ใช้
  

อุปกรณ์บางประเภทที่ทำหน้าที่บรรจุของเหลวเข้าภาชนะก็ทำงานโดยใช้วิธีการนี้ (ที่เคยเห็นคือบรรจุซอสมะเขือเทศลงกระป๋อง)

(ข) ใช้ปั๊มรักษาความดันในระบบท่อ โดยให้ปั๊มทำงานเมื่อความดันในระบบท่อลดลง (ความดันลดลงเกิดขึ้นเมื่อมีของเหลวไหลออกจากระบบท่อด้านขาออก ไม่ว่าจะเป็นการเปิดใช้งานหรือการรั่วไหล) วิธีการนี้เป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปตามอาคารบ้านเรือน (ที่ติดตั้งปั๊มน้ำอัตโนมัติทำงานโดยสวิตช์ความดัน ที่จะเริ่มเดินเครื่องเมื่อเปิดก๊อก พอน้ำไหลออกความดันในระบบท่อก็จะลดลง และปิดเครื่องเมื่อปิดก๊อกน้ำเพราะพอน้ำหยุดไหลความดันในระบบท่อก็จะสูงขึ้น) และใช้กับระบบท่อน้ำดับเพลิงในอาคารชนิดที่มีน้ำอยู่เต็มท่อพร้อมใช้ตลอดเวลา (ใช้ jogging pump รักษาระดับความดันในท่อ)

(ค) ใช้ปั๊มรักษาความดันในระบบท่อ โดยให้ปั๊มทำงานตลอดเวลา แต่มีท่อสำหรับให้ของเหลวไหลย้อนกลับไปยังถังเก็บของเหลวตลอดเวลาด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดโอกาสที่ปั๊มทำงานแต่ไม่มีการจ่ายของเหลวออก วิธีการนี้เหมาะกับกรณีที่ต้องมีการจ่ายของเหลวตลอดเวลา แต่ปริมาณที่ใช้อาจมีการเปลี่ยนแปลงไปตามจังหวะเวลา ท่อไหลย้อนกลับจะเป็นท่อที่มีขนาดเล็กกว่าท่อจ่ายของเหลวเข้าระบบ (หรือไม่ก็ติดตั้งวาล์วเพื่อลดอัตราการไหล) ขนาดของท่อนี้เพียงแค่ให้มีของเหลวไหลผ่านตัวปั๊มเพื่อให้ปั๊มยังทำงานได้อยู่โดยไม่เกิดความเสียหาย ระบบนี้จะเหมาะกับปั๊มหอยโข่งมากกว่า

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการรักษาความดันในระบบท่อของระบบน้ำ (ซ้าย) สูบน้ำขึ้นไปเก็บบนถังที่อยู่บนที่สูง จากนั้นปล่อยให้ไหลลงมาด้วยแรงโน้มถ่วง (กลาง) ใช้ปั๊มเปิด-ปิดอัตโนมัติด้วยการใช้สวิตช์ความดัน (ล่าง) ให้ปั๊มทำงานตลอดเวลา โดยมีท่อให้ของเหลวไหลย้อนกลับตลอดเวลา

เนื้อหาการอบรมดังกล่าวจบสิ้นที่นี่ แต่เนื่องจากมีบางประเด็นที่น่าสนใจเกิดขึ้นในระหว่างการอบรม คือเรื่องของปั๊มหอยโข่งความดันสูง ก็เลยคิดว่าเรื่องชุด "ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊ม" นี้จะมีตอนที่ ๔ เพิ่มเติมเป็นตอนพิเศษ คือเรื่องของปั๊มหอยโข่งความดันสูง ซึ่งหวังว่าคงจะออกมาได้ทันในเดือนหน้า