การประหยัดพลังงานด้วยอินเวอร์เตอร์รีเจนเนอร์เรทีฟ (Regenerative Inverter)

การประหยัดพลังงานด้วยไดรฟ์รีเจนเนอร์เรทีฟ (Regenerative Drive)

          ปัจจุบัน Inverter หรือ AC Drive หรือ Variable Frequency Drive(VFD) ซึ่งในที่นี้ขอเรียกว่า ไดรฟ์ เป็นที่นิยมใช้กันอย่างกว้างขวางทั้งในเรื่องประหยัดพลังงานไฟฟ้าและการควบคุมกระบวนการผลิตทั่วไป  โดยปกติโหลดที่สามารถใช้ไดรฟ์หรืออินเวอร์เตอร์เพื่อการประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพคือโหลดประเภท Variable Torque เช่น ปั๊ม และพัดลม เป็นต้น  แต่ยังมีอีกวิธีการหนึ่งคือการประหยัดพลังงานไฟฟ้าจากการรีเจนเนอร์เรชั่น (Regeneration) ที่เกิดจากมอเตอร์

วัตถุประสงค์หลักของมอเตอร์ไฟฟ้าคือการแปลงพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกล แต่ถ้าความเร็วซิงโครนัส(synchronous speed)ของมอเตอร์ช้ากว่าความเร็วของโรเตอร์  มอเตอร์จะทำหน้าที่เสมือนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและแปลงพลังงานเชิงกลเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้วพลังงานนี้จะถูกป้อนกลับเข้าไปที่ตัวเก็บประจุไฟฟ้าของบัส DC (DC bus)  แต่บัส DC สามารถจัดการกับแรงดันไฟฟ้าที่จำกัดและอาจก่อให้เกิด Overvoltage fault ซึ่งเราเรียกสิ่งที่เกิดขึ้นนี้ว่า Regeneration และพลังงานไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้จะต้องหาทางไปที่ไหนสักแห่งและถ้ามีพลังงานนี้มีมากเกินไปอาจทำให้ไดรฟ์หรืออินเวอร์เตอร์เกิดความเสียหายได้

ส่วนใหญ่แล้วจะใช้ตัวต้านทานเบรคแบบไดนามิก (Dynamic braking resistor) เพื่อลดพลังงานที่เกิดขึ้นนี้  อย่างไรก็ตามวิธีการใช้ตัวต้านทานเพื่อลดพลังงานที่เกิดขึ้นนี้จะเปลี่ยนพลังงานไปเป็นความร้อนซึ่งเป็นพลังงานที่สูญเปล่าไป   แต่แทนที่จะปล่อยให้พลังงานนี้สูญเสียไปเราสามารถใช้โซลูชั่นที่จะกล่าวต่อไปมาใช้เพื่อนำพลังงานนี้กลับมาใช้งานใหม่ได้

การทำงาน 4 quadrant ของมอเตอร์

การทำงาน “4-Quadrant” ของมอเตอร์แสดงในรูปข้างล่างนี้    จากรูปจะเห็นว่าการ Regeneration จะเกิดขึ้นใน quadrants II และ IV ซึ่งทิศทางของแรงบิดจะตรงกันข้ามกับทิศทางการหมุนของมอเตอร์  ดังนั้นมอเตอร์จะกำเนิดพลังงานไฟฟ้าขึ้นและไหลกลับสู่ตัวไดรฟ์

การแก้ปัญหาการรีเจนเนอร์เรชั่น (Regeneration)

ตามที่กล่าวไปก่อนหน้านี้ว่าเราสามารถใช้ตัวต้านทานเบรคแบบไดนามิก (Dynamic braking resistor) เพื่อลดพลังงานที่เกิดขึ้นนี้ได้  แต่มันจะทำให้สูญเสียพลังงานนี้ไปเปล่าๆ อีกวิธีการหนึ่งที่สามารถลดพลังงานที่เกิดจาก Regeneration ได้คือการใช้ Regenerative Drive ดังแสดงในรูปข้างล่างนี้   จากรูปชุด Inverter จะถูกต่อเข้ากับ DC bus เพื่อรับพลังงานส่วนเกินแล้วแปลงกลับไปเป็นพลังงานไฟ AC แล้วส่งกลับเข้าแหล่งจ่ายไฟของระบบ

จากรูปข้างบนเราต้องเพิ่มอุปกรณ์ให้กับไดรฟ์(VFD) เช่น ชุด Inverter และ Line reactor เป็นต้น  นอกจากนั้นต้องติดตั้งตู้ไฟเพิ่มเติมสำหรับติดตั้งชุด Inverter และ Line reactor รวมถึงการเดินสายระหว่างไดรฟ์(VFD) กับตู้ Inverter ซึ่งทำให้เกิดความยุ่งยาก   ในปัจจุบันได้มีการผลิตไดรฟ์(VFD)ที่มีชุด Regenerative อยู่ภายในตัวไดรฟ์เลยทำให้สะดวกในการใช้งานและติดตั้ง

งานประเภทไหนที่เหมาะสำหรับไดรฟ์รีเจนเนอร์เรทีฟ (Regenerative Drive)

งานที่ต้องมีการ Start และ Stop บ่อยๆ  งานที่มีการชะลอความเร็วคงที่ หรือโหลดลาก (overhauling loads)ซึ่งเป็นโหลดที่เคลื่อนที่เร็วกว่ามอเตอร์   ตัวอย่าง ได้แก่ สายพานดาวน์ฮิลล์ ลิฟท์ และมู่เล่ เป็นต้น แต่ในความเป็นจริงแล้วการใช้งานส่วนใหญ่จะเกิด Regeneration ขึ้นในบางขั้นตอนการทำงานเท่านั้น   ดังนั้นการเลือกใช้ไดรฟ์แบบ Regenerative ต้องคำนึงมูลค่าเงินที่ต้องจ่ายกับผลที่ได้รับจากการแปลงพลังงานกลับด้วย หรือพลังงานที่มันสามารถประหยัดได้นั่นเอง

การประหยัดพลังงานด้วยไดรฟ์รีเจนเนอร์เรทีฟ (Regenerative Drive)

เนื่องจากไดรฟ์จะถ่ายโอนพลังงานกลับไปที่สายไฟ AC (หรือแหล่งจ่ายไฟ) ดังนั้นพลังงานที่เกิดจากการ Regeneration หมายถึงพลังงานที่ประหยัดได้นั่นเอง   แต่ในทางกลับกันถ้าเราใช้งานชุดตัวต้านทานเบรคซึ่งพลังงานที่เกิดจากการ Regeneration จะกลายไปเป็นความร้อนแทนซึ่งจะสูญเสียไป

การประหยัดพลังงานสามารถคำนวณได้จากรอบการเกิด Regeneration และค่าพลังงานไฟฟ้า  ยกตัวอย่างเช่น เครื่องผสมขนาดใหญ่ตัวหนึ่งต้องถูกลดความเร็วลงทุกๆ 15 นาที และทำงานสองกะต่อวัน 6 วันต่อสัปดาห์    การประหยัดพลังงานรายปีจะทำได้มากกว่า 500,000 บาท การประหยัดจริงๆอาจสูงกว่านี้ เพราะถ้าเปรียบเทียบกับการเลือกใช้ตัวต้านทานเบรคซึ่งระบายพลังงานออกมาในรูปแบบของความร้อนซึ่งจะต้องถูกระบายออกโดยระบบปรับอากาศอีกทีหนึ่ง  ซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียทั้งพลังงานจาก Regeneration และค่าไฟสำหรับเครื่องปรับอากาศด้วย

เวลาที่เกิดขึ้นต่อรอบ(Total cycle time) = 15 นาที
ค่าเฉลี่ยพลังงานต่อรอบ = 25.51 kW
ค่าพลังงานไฟฟ้า 4 บาท/kW-Hr
จำนวนชั่วโมงทำงานต่อวัน 16 Hr/Day
จำนนวนวันทำงานต่อสัปดาห์ 6 Days/Wk
จำนวนสับดาห์ต่อปี 52 Wks/Yr
ค่าพลังงานที่ประหยัดได้ต่อปี = 25.51 x 4 x 16 x 6 x 52 = 509,383 บาท

ข้อสรุป การใช้อินเวอร์เตอร์หรือไดรฟ์แบบรีเจนเนอร์เรทีฟเพื่อประหยัดพลังงานต้องคำนึงถึงขนาดของพลังงานที่สามารถประหยัดได้และความถี่ของพลังงานที่ประหยัดได้ในแต่ละวัน  เพื่อนำมาใช้ในการเปรียบเทียบการลงทุนว่าจะใช้เวลาคืนทุนนานเท่าใด ยิ่งโหลดที่มีขนาดใหญ่จะเห็นผลค่อนข้างชัดเจน