BLDC Motors: เลือกมอเตอร์ให้เหมาะกับงาน และใช้พลังงานอย่างคุ้มค่า

มอเตอร์ที่เหมาะสม เริ่มจากความเข้าใจงาน

มอเตอร์อยู่เบื้องหลังพัดลม ปั๊มน้ำ และระบบปรับอากาศ เมื่อพูดถึงการประหยัดพลังงาน เรามักเห็นคำว่า BLDC บนอุปกรณ์รุ่นใหม่ แต่ชื่อเทคโนโลยีเพียงอย่างเดียวไม่บอกว่าเหมาะกับงานหรือไม่ ต้องพิจารณากำลัง แรงบิด ความเร็ว วิธีควบคุม และช่วงใช้งานจริงร่วมกัน

BLDC คืออะไร และทำไมจึงไม่มีแปรงถ่าน

BLDC ย่อมาจาก Brushless Direct Current Motor หรือมอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่าน มอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่านใช้แปรงถ่านและคอมมิวเตเตอร์สลับกระแสตามจังหวะการหมุน ส่วน BLDC ใช้ชุดขับอิเล็กทรอนิกส์สลับกระแสในขดลวดแทน

โดยทั่วไปขดลวดอยู่บนสเตเตอร์ที่ไม่หมุน และแม่เหล็กถาวรอยู่บนโรเตอร์ที่หมุน มีทั้งโครงสร้างโรเตอร์ด้านในและด้านนอก สำหรับพัดลม EC แบบ external rotor สเตเตอร์อยู่ด้านในและโรเตอร์หมุนล้อมรอบ โดยใบพัดสามารถยึดกับโรเตอร์ได้ ภาพหลักการในบทความนี้แสดงรูปแบบหลัง ไม่ใช่แบบตัดของผลิตภัณฑ์รุ่นใด

แม้ชื่อมีคำว่า DC ขดลวดไม่ได้รับ DC คงที่โดยตรง ชุดขับนำพลังงานจาก DC link มาสวิตช์เป็นกระแสเฟส อุปกรณ์ที่เสียบไฟบ้านอาจมีวงจรแปลง AC เป็น DC ภายใน การไม่มีแปรงถ่านลดการสึกหรอส่วนนั้น แต่ลูกปืน จุดต่อไฟ และวงจรขับยังต้องดูแล อ่านข้อมูลชุดขับจาก Texas Instruments

ประหยัดจากมอเตอร์และการควบคุมที่ทำงานร่วมกัน

โรเตอร์แม่เหล็กถาวรไม่ต้องอาศัยกระแสเหนี่ยวนำในโรเตอร์แบบมอเตอร์เหนี่ยวนำ จึงลดความสูญเสียส่วนนั้นได้ แต่ยังมีความสูญเสียในขดลวด แกนเหล็ก ลูกปืน และชุดขับ ประสิทธิภาพจึงขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์และจุดทำงานจริง

อีกส่วนสำคัญคือการปรับรอบให้ตรงกับความต้องการ มอเตอร์เหนี่ยวนำประสิทธิภาพสูงที่ใช้ VFD ก็ปรับรอบได้ จึงควรเปรียบเทียบอุปกรณ์ที่ทำงานเท่ากันและวัดไฟเข้าจากจุดเดียวกัน ไม่สรุปว่า BLDC ทุกตัวประหยัดกว่าเสมอ

ลดรอบพัดลม ทำไมกำลังจึงลดลงมาก

ภายใต้เงื่อนไขของ Fan Affinity Laws สำหรับพัดลมเดิม ปริมาณลมแปรตามรอบ ความดันแปรตามรอบยกกำลังสอง และกำลังเพลาแปรตามรอบยกกำลังสาม หากลดรอบเหลือ 80% กำลังเพลาประมาณ 0.8³ = 0.512 หรือ 51.2% ของเดิม

ตัวเลขนี้เป็นค่าประมาณตามสมมติฐาน ไม่ใช่คำรับรองว่าค่าไฟจะลด 48.8% เสมอ ประสิทธิภาพและลักษณะระบบยังมีผล การลดรอบต้องรักษาปริมาณลมที่จำเป็นต่อคุณภาพอากาศและความปลอดภัย แนวทางมอเตอร์และชุดปรับรอบจากกระทรวงพลังงานออสเตรเลีย

เลือกชนิดมอเตอร์จากภาระงาน

DC แบบมีแปรงถ่านเหมาะกับงานบางประเภทที่ต้องการระบบเรียบง่าย แต่ต้องดูการสึกหรอ มอเตอร์เหนี่ยวนำเป็นทางเลือกที่ใช้แพร่หลายในปั๊ม พัดลม และเครื่องจักร และจับคู่กับ VFD ได้เมื่อเหมาะสม ส่วน BLDC/EC พร้อมชุดขับน่าสนใจในงานปรับรอบ ขนาดกะทัดรัด หรือทำงานเป็นเวลานาน

ตรวจชั่วโมงใช้งาน แรงบิดเริ่มหมุน ความเร็วต่อเนื่อง การระบายความร้อน ระดับเสียง ความชื้น และบริการซ่อมก่อนเลือก มอเตอร์ใหญ่เกินจำเป็นหรือใบพัดไม่ตรงกับระบบอาจทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมไม่ดี

วัตต์อย่างเดียวบอกแรงบิดไม่ได้

ความสัมพันธ์พื้นฐานคือ Pshaft = Tω และในหน่วยใช้งาน T (N·m) ≈ 9550 × Pshaft (kW) / n (rpm) กำลังในสูตรเป็นกำลังกลที่เพลา ไม่ใช่กำลังไฟฟ้าเข้า

ตัวอย่างกำลังเพลา 0.1 kW ที่ 1,000 rpm ให้แรงบิดประมาณ 0.955 N·m แต่ที่ 3,000 rpm และกำลังเท่ากันให้ประมาณ 0.318 N·m ต้องตรวจกราฟแรงบิด–ความเร็ว ภาระต่อเนื่อง และแรงบิดเริ่มหมุน ค่ากำลังสูงสุดชั่วขณะใช้แทนกำลังต่อเนื่องไม่ได้

BLDC, PMSM และ EC Motor

ในตำรามักแยก BLDC ที่มี Back EMF ใกล้สี่เหลี่ยมคางหมูจาก PMSM ที่ใกล้รูปไซน์ แต่ชื่อในตลาดอาจไม่เคร่งครัด EC หรือ Electronically Commutated เน้นการสลับกระแสด้วยอิเล็กทรอนิกส์ ในพัดลมอาคารมักเป็นชุดมอเตอร์แม่เหล็กถาวรพร้อมวงจรขับ

ผู้ผลิตมีพัดลม centrifugal EC ทั้งแบบใบพัด forward-curved และ backward-curved รูปแบบมอเตอร์และแหล่งจ่ายต้องดูข้อมูลรุ่นจริง แม่เหล็กถาวรไม่จำเป็นต้องเป็น rare-earth ทุกตัว ดูรูปแบบผลิตภัณฑ์จริงจาก ebm-papst และ อ่านหลักการ external-rotor EC motor

ชุดควบคุมมีผลต่อเสียงและการเริ่มหมุน

Six-step สลับกระแสเป็นช่วง ๆ ส่วนการควบคุมแบบไซน์และ FOC จัดการกระแสกับสนามแม่เหล็กได้ละเอียดขึ้น ผลต่อแรงบิดกระเพื่อม เสียง และประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับมอเตอร์ ชุดขับ และการปรับจูน ไม่มีวิธีหนึ่งดีที่สุดในทุกกรณี

การตรวจตำแหน่งอาจใช้ Hall Sensors หรือประเมินทางไฟฟ้าแบบ sensorless วิธีอาศัย Back EMF เพียงอย่างเดียวมีข้อจำกัดตอนหยุดนิ่งหรือรอบต่ำ งานเริ่มหมุนภายใต้ภาระสูงต้องตรวจสมรรถนะเฉพาะ

ดูประสิทธิภาพทั้งระบบ

ในงานพัดลม ผลลัพธ์ที่ต้องการคือปริมาณลม ณ ความดันที่กำหนด มอเตอร์ดีแต่ใบพัดไม่เหมาะหรือท่อมีความต้านทานสูงก็ยังสิ้นเปลือง ควรเปรียบเทียบกำลังไฟเข้าของทั้งชุด ณ ปริมาณลมและความดันเดียวกัน รวมแหล่งจ่ายและชุดขับ

ขอกราฟพัดลม ช่วงปรับรอบ ประสิทธิภาพที่ภาระบางส่วน เสียง อุณหภูมิใช้งาน และวิธีซ่อมจากผู้ขาย พัดลมไม่สามารถรักษาปริมาณลมได้เองเพียงเพราะเป็น BLDC ต้องมีการวัดหรือกลยุทธ์ควบคุมที่เหมาะสมด้วย

BLDC กับโซลาร์เซลล์ ต้องจับคู่ให้ถูกต้อง

มอเตอร์และชุดขับที่รองรับ DC สามารถใช้ในระบบโซลาร์ได้ แต่แรงดันแผง กระแส จุดเริ่มหมุน และชุดควบคุมต้องเข้ากัน EC ที่รับไฟบ้านไม่ใช่อุปกรณ์ที่ต่อแผงโซลาร์ได้ตรง ๆ ระบบบางแบบต้องมีวงจรปรับแรงดันหรือจัดการกำลัง เพื่อไม่ให้หยุด–เริ่มซ้ำเมื่อแสงอ่อน

ประยุกต์ใช้ในระบบจัดการอากาศ

พัดลมเติมอากาศภายนอก พัดลมระบาย พัดลมหมุนเวียนผ่านไส้กรอง และพัดลมระบบแลกเปลี่ยนความร้อน สามารถใช้ BLDC/EC ตามสมรรถนะที่ต้องการ การปรับลมตามจำนวนคน ตารางใช้งาน หรือข้อมูลเซนเซอร์ ช่วยให้ทำงานเท่าที่จำเป็น

ห้องประชุมอาจใช้ CO₂ ประกอบการปรับอากาศภายนอก แต่ CO₂ ไม่ได้บอกมลพิษทุกชนิด ต้องรักษาปริมาณอากาศขั้นต่ำและพิจารณาแหล่งมลพิษอื่นด้วย ภาพสำนักงานแสดงแนวคิดทางลมและสัญญาณเท่านั้น ไม่ใช่แบบติดตั้ง

ไส้กรองและแรงดัน ต้องควบคุมด้วยข้อมูลที่เหมาะสม

เมื่อไส้กรองสะสมฝุ่น ความต้านทานเพิ่ม ระบบที่มีการควบคุมปริมาณลมสามารถเพิ่มรอบชดเชยได้ในขอบเขตพัดลม แต่ใช้ไฟและอาจมีเสียงเพิ่ม จึงต้องติดตามความดันตกคร่อมและเปลี่ยนไส้กรอง ไม่เร่งชดเชยอย่างไม่มีขอบเขต

ห้องแรงดันบวกต้องจัดสมดุลลมเข้า–ออกและตรวจความดันต่าง รวมถึงรอยรั่วและประตู ชุดควบคุมภายนอกส่งค่าที่ต้องการ ส่วนวงจรขับในพัดลมทำหน้าที่ commutation อินเทอร์เฟซเช่น 0–10 V หรือ Modbus มีในบางรุ่น ต้องดูคู่มือจริง ตัวอย่างระบบควบคุมจาก ZIEHL-ABEGG

ประโยชน์ที่ได้เมื่อออกแบบทั้งระบบ

ลดการใช้พลังงานในช่วงต้องการลมน้อย ควบคุมสภาพแวดล้อมละเอียดขึ้น ลดเสียงในบางช่วง ลดงานบำรุงรักษาแปรงถ่าน และรองรับการติดตามสถานะเมื่อชุดขับมีข้อมูลให้ใช้ แต่ลูกปืน ไส้กรอง และอิเล็กทรอนิกส์ยังต้องดูแล

ในระบบใต้หลังคาที่ใช้โซลาร์ ต้องจัดอากาศภายนอกเข้าให้เพียงพอและปิดรอยรั่วจากห้องปรับอากาศ เพื่อไม่ให้พัดลมดึงอากาศเย็นไปทิ้ง ประโยชน์ของมอเตอร์ต้องประเมินร่วมกับผลต่อพลังงานทั้งอาคาร

ส่งอากาศให้พอดี กับพื้นที่และเวลา

สำหรับสยามพัฒน์ การเลือกมอเตอร์เริ่มจากภาระงานจริง เลือกพัดลมและทางลมให้เหมาะ ควบคุมเท่าที่จำเป็น และตรวจวัดหลังใช้งาน เป้าหมายคือส่งอากาศในปริมาณที่เหมาะสม ไปยังพื้นที่ที่ต้องการ ในเวลาที่จำเป็น พร้อมความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพระยะยาว