การควบคุมแบบ V/F ในอินเวอร์เตอร์มีลักษณะยังไง ( แปล)

V/F Control / Inverter Concept / PWM

มอเตอร์เหนี่ยวนำปกติแล้วมักจะใช้ร่วมกับอินเวอร์เตอร์ เพื่อควบคุมการหมุนของมอเตอร์โดยการจัดการกับความถี่ที่ตัวอินเวอร์เตอร์ให้เปลี่ยนแปลงไปตามที่ต้องการ ความสามารถในการจัดการความถี่ว่าจะดีหรือไม่ดีก็จะขึ้นอยู่กับความสามารถของอินเวอร์เตอร์นั้นๆอินเวอร์เตอร์สามารถถูกสั่งให้ทำงานได้ทั้งในรูปแบบของการควบคุมแบบ Scalar หรือการควบคุมแบบ Vector

ในกรณีการควบคุมแบบ Scalar มักจะอ้างถึง Volts per hertz (V/Hz) หรือ Volts per frequency (V/f) เสมอ ซึ่งผู้ใช้อินเวอร์เตอร์ ควรทำความเข้าใจกับหลักการนี้ก่อน เพื่อจะได้ใช้งานอินเวอร์เตอร์ได้ดียิ่งขึ้น ส่วนการควบคุมแบบ Vector Control จะถูกนำเสนอในบทความอื่นนะครับ

หลักการควบคุมแบบ V/F

มอเตอร์กระแสสลับถูกออกแบบมาสำหรับให้มีสนามแม่เหล็กที่คงที่ สนามแม่เหล็กในมอเตอร์กระแสสลับนั้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอัตราส่วนของ แรงดัน(V) ต่อ ความถี่ (Hz), หรือ V/Hz แต่ว่าอินเวอร์เตอร์จะควบคุมมอเตอร์โดยการแปรผันค่าของความถี่จากแหล่งจ่ายกระแสสลับที่จ่ายมาตาม Synchronous Speed  ดังสมการ :

N = 120*f / P

เมื่อ:

N = ความเร็วรอบจองมอเตอร์ (RPM)

f = ความถี่ของแหล่งจ่ายกระแสสลับ

P = จำนวนขั้วของมอเตอร์

V/Hz control maintains a constant ratio between voltage (V) and frequency (Hz).
Image credit: Square D

แล้วหัวใจหลักของการควบคุมแบบ V/F คืออะไร

โดยทั่วไปแล้วนั้น การจะปรับค่าความถี่ของแหล่งจ่ายกระแสสลับจะมีผลทั้งการหมุนของมอเตอร์ และสนามแม่เหล็กในตัวมอเตอร์เองด้วย เมื่อความถี่ลดลง ( เพื่อที่จะลดความเร็วมอเตอร์ ) สนามแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้น ความร้อนส่วนเกินที่ไม่ต้องการจะถูกสร้างขึ้นที่มอเตอร์  เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ( เพื่อที่จะเพิ่มความเร็วมอเตอร์ ) สนามแม่เหล็กจะลดลง ทำให้มอเตอร์ไม่มีแรงขับโหลด เพื่อที่จะรักษาระดับของสนามแม่เหล็กให้คงที่ อัตราส่วนของ V/Hz ต้องคงที่ตลอดเวลา ซึ่งถ้าสามารถทำเช่นนั้นได้ เราก็จะสามารถใช้งานมอเตอร์ได้ไม่ว่าจะใช้งานที่ความถี่ใดก็ตาม นั่นแหละเป็นหัวใจหลักของการควบคุมแบบ V/F

การควบคุมแบบ V/F หลีกเลี่ยงการไม่คงที่ของสนามแม่เหล็กของมอเตอร์ โดยการควบคุมการแปรเปลี่ยนค่าแรงดันแหล่งจ่ายให้ขึ้นกับความถี่ของแหล่งจ่าย เพื่อที่จะรักษาระดับของอัตราส่วน V/F ไว้ตลอดเวลา ค่าที่เหมาะสมของอัตราส่วน V/Hz ถูกกำหนดโดยแรงดันและความถี่ของมอเตอร์  ตัวอย่างเช่น มอเตอร์ 230 V และ 60 Hz จะทำงานดีที่สุดที่อัตราส่วน V/Hz  เท่ากับ 3.83 ตลอดเวลา (230/60 = 3.83)

[Ads.] เช็คราคา อินเวอร์เตอร์ Mitsubishi Electric Click

สมัยก่อน การควบคุมแบบ V/F ไม่มีการใช้สัญญานป้อนกลับ มีเพียงแค่การเปลี่ยนแรงดันและความถี่ให้มอเตอร์โดยขึ้นกับอุปกรณ์สั่งการปรับความเร็วภายนอก สำหรับ การควบคุม V/Hz แบบ closed-loop เอ็นโคดเด้อร์ที่ตรวจจับสัญญานสามารถที่จะนำมาวัดความเร็วที่แท้จริงของมอเตอร์ สัญญานผิดพลาดจะถูกสร้างขึ้นโดยอ้างอิงจากผลต่างของความเร็วจริงของมอเตอร์และสัญญานสั่งการ และหน่วยควบคุมจะสร้างความถี่ใหม่ที่จะไปชดเชยค่าผิดพลาดที่วัดมาได้ แต่ก็แน่นอน มันมักจะมีค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นอีกากเลยทีเดียว

ประสิทธิภาพและประโยชน์ของการควบคุมแบบ V/Hz

การควบคุมแบบ V/Hz เป็นการควบคุมแบบพื้นฐาน ประหยัดค่าใช้จ่าย และเป็นหลักการที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย
มันเหมาะสมสำหรับทั้งโหลดที่มีแรงบิดแบบคงที่และแรงบิดแบบแปรผัน ซึ่งสามารถสร้างแรงบิดได้ถึง 150% ของแรงบิดปกติที่ความเร็วเป็นศูนย์เมื่อเริ่มเปิดและมีการขับโหลดแบบเต็มที่ การควบคุมความเร็วจะทำได้เพียงแค่ 2% – 3%  ของความถี่ปกติ ฉะนั้นการควคุมแบบนี้ไม่เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำอย่างสูง เช่น งานพวกระบบแขนขาของหุ่นยนต์ งานระบบแกนของเครื่องจักร เป็นต้น ส่วนงานที่ใช้ได้ดีก็งานพวก การควบคุมพัดลมทั่วไปและพัดลมระบายอากาศ

มีอีกสิ่งหนึ่งที่มีเพียง การควบคุมแบบ V/Hz  อย่างเดียวที่ทำได้คือ การที่สามารต่อหลายๆมอเตอร์เข้ากับอินเวอร์เตอร์ตัวเดียว โดยที่มอเตอร์ทั้งหมดจะเปิดและหยุดพร้อมกัน และพวกมันจะหมุนด้วยความเร็วเท่ากัน ซึ่งจะใช้ประโยชนืในงานที่อยู่ในระบบเดียวกัน เช่น งานระบบระบายความร้อนโดยใช้พัดลมหลายๆตัว ดังรูปตัวอย่างด้างล่าง

The V/Hz control method allows one VFD to control four motors in a cooling tower.
Image credit: variablefrequencydrive.org