// บทที่ 21.12 · ควบคุมมอเตอร์ AC · VFD Principles

อินเวอร์เตอร์ (VFD) สำหรับมอเตอร์: วงจรเรียงกระแส บัส DC IGBT PWM การควบคุม V/f เวกเตอร์ และการต่อสายที่ถูกต้อง

คอนแทกเตอร์ทำได้แค่เปิดหรือปิดมอเตอร์ อินเวอร์เตอร์สร้างไฟสามเฟสใหม่ที่ปรับทั้งความถี่และแรงดันได้ มอเตอร์จึงเดินที่ความเร็วใดก็ได้ด้วยกระแสที่ควบคุมได้ หน้านี้อธิบายสิ่งที่อยู่ในกล่อง ทำไมต้องรักษา V/f และกฎการต่อสายที่ทำให้อินเวอร์เตอร์ทำงานนานโดยไม่รบกวนระบบอื่น

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 14 ต.ค. 2569

สรุปใน 30 วินาที

AC 400 V → เรียงกระแส → บัส DC ≈ 540–565 V → IGBT PWM → AC 0–400 V, 0–50 Hz (หรือสูงกว่า)
รักษา V/f = 8 V/Hz ให้ฟลักซ์คงที่ → แรงบิดเต็มที่ทุกความเร็วต่ำกว่า 50 Hz
เหนือ 50 Hz แรงดันคงที่ ฟลักซ์ลด แรงบิดลดตาม 1/f
ด้านออก: ห้ามคาปาซิเตอร์ ห้ามตัดคอนแทกเตอร์ขณะเดิน ใช้สายชีลด์ลงดิน 360°
ไฟเข้า 1 เฟส 230 V ขับมอเตอร์ 230/400 V ต่อ Δ ได้

ภายในอินเวอร์เตอร์ พื้นฐาน

รูป 1 · สามส่วน: วงจรเรียงกระแส (AC → DC) บัส DC พร้อมคาปาซิเตอร์ (เก็บพลังงาน) และอินเวอร์เตอร์ IGBT (DC → AC ความถี่ปรับได้)

V1 DC bus voltage แรงดันบัส DC

V_{dc} \approx 1.35\,V_L = 540\ \text{V (มีโหลด)} \qquad V_{dc,0} = \sqrt2\,V_L = 566\ \text{V (ตัวเปล่า)}

IGBT หกตัวสวิตช์ด้วยความถี่ 2–16 kHz สร้างแรงดันพัลส์ที่ความกว้างแปรตามรูปไซน์ (PWM) มอเตอร์ซึ่งเป็นตัวเหนี่ยวนำกรองพัลส์ออก กระแสจึงเกือบเป็นไซน์ ความถี่สวิตช์สูงเสียงมอเตอร์เงียบแต่ IGBT ร้อนกว่า (ต้องลดพิกัด)

V2 Maximum output voltage แรงดันออกสูงสุดจาก PWM

V_{LL,rms} = 0.612\,m\,V_{dc}\ (\text{SPWM}, m \le 1) \qquad V_{LL,max} \approx 0.707\,V_{dc}\ (\text{SVPWM})

ด้วย $V_{dc}$ = 540 V แรงดันออกสูงสุดแบบ SVPWM ≈ 382 V ซึ่งต่ำกว่า 400 V เล็กน้อย อินเวอร์เตอร์จึงใช้ over-modulation ใกล้ความถี่ฐาน และถ้าไฟเข้าต่ำ (เช่น 380 V) มอเตอร์ที่ 50 Hz จะได้แรงดันต่ำกว่าป้าย ทำให้กระแสสูงขึ้นเล็กน้อยที่โหลดเต็ม

การควบคุม V/f กลาง

ฟลักซ์ในแกนเหล็กแปรตาม $V/f$ ถ้าลดความถี่โดยไม่ลดแรงดัน แกนจะอิ่มตัว กระแสพุ่ง ถ้าลดแรงดันมากเกินฟลักซ์จะอ่อน แรงบิดหาย อินเวอร์เตอร์จึงรักษาอัตราส่วนคงที่ จนถึงความถี่ฐาน (ป้ายมอเตอร์) ที่ความถี่ต่ำ แรงดันตกคร่อม R₁ มีสัดส่วนมาก จึงเพิ่มแรงดัน (boost) เล็กน้อย

รูป 2 · ใต้ 50 Hz: แรงบิดคงที่ กำลังเพิ่มตามความเร็ว · เหนือ 50 Hz: แรงดันคงที่ กำลังคงที่ แรงบิดลดตาม 1/f

V3 Constant V/f V/f คงที่

V(f) = V_n\frac{f}{f_n} + V_{boost}\left(1 - \frac{f}{f_n}\right) \qquad \frac{V_n}{f_n} = \frac{400}{50} = 8\ \text{V/Hz}

V4 Speed with a VFD ความเร็วเมื่อปรับความถี่

n = \frac{120 f}{p} - \Delta n \qquad \Delta n \approx s_n\,n_{s,n}\ \ (\text{คงที่ที่แรงบิดพิกัด})

V5 Field weakening ย่านฟลักซ์ลด (f > f_n)

T_{cont} \approx T_n\,\frac{f_n}{f} \qquad T_{max} \approx T_{max,n}\left(\frac{f_n}{f}\right)^2 \qquad P \approx P_n

ตัวอย่าง V-1

มอเตอร์ 7.5 kW 4 ขั้ว 1470 rpm ที่ 30 Hz และ 60 Hz

V3 (ไม่รวมบูสต์): 30 Hz → $V = 8 \times 30 = 240$ V · 60 Hz → แรงดันคงที่ 400 V
V4: ส่วนต่างความเร็วที่พิกัด $\Delta n = 1500 - 1470 = 30$ rpm → 30 Hz: $n = 900 - 30 = 870$ rpm · 60 Hz: $n \approx 1800 - 35 \approx 1765$ rpm (ในย่านฟลักซ์ลด สลิปที่กำลังพิกัดเพิ่มขึ้นเล็กน้อย)
V5: ที่ 60 Hz แรงบิดต่อเนื่อง ≈ $48.7 \times 50/60 = 40.6$ N·m กำลังยังได้ ~7.5 kW แต่แรงบิดสูงสุดลดเหลือ $(5/6)^2 = 69\,\%$
ที่ 30 Hz แรงบิดเต็ม 48.7 N·m ได้ทางไฟฟ้า แต่พัดลมบนเพลาหมุน 60 % ระบายความร้อนได้น้อย ถ้าโหลดแรงบิดคงที่ต้องลดพิกัด

V/f เทียบกับเวกเตอร์ (sensorless vector)

V/f เพียงสั่งแรงดันและความถี่ ไม่รู้ว่ามอเตอร์ทำอะไร เหมาะกับปั๊มพัดลม และใช้กับมอเตอร์หลายตัวขนานกันได้ การควบคุมแบบเวกเตอร์ (FOC) ประมาณฟลักซ์และแรงบิดจากกระแสที่วัดได้ แยกควบคุมกระแสสร้างฟลักซ์กับกระแสสร้างแรงบิด จึงได้แรงบิดสูงที่ความเร็วต่ำ (150 % ที่ 1 Hz) และตอบสนองเร็ว เหมาะกับสายพาน เครื่องผสม รอก ต้องทำ auto-tuning ให้อินเวอร์เตอร์วัดพารามิเตอร์มอเตอร์ก่อนใช้ และใช้กับมอเตอร์ตัวเดียวต่ออินเวอร์เตอร์หนึ่งเครื่อง

การต่อสาย พื้นฐาน

รูป 3 · ชื่อขั้วต่างกันตามยี่ห้อ แต่หน้าที่ตรงกัน: ไฟเข้า R S T (L1 L2 L3) ไฟออก U V W อินพุตดิจิทัล อนาล็อก รีเลย์แจ้งเตือน และขั้วตัวต้านทานเบรก

กฎด้านกำลัง

ไฟเข้าผ่าน MCCB หรือฟิวส์ตามที่คู่มือกำหนด (ฟิวส์ gG/gR ป้องกัน IGBT/ไดโอดได้ดีกว่า) คอนแทกเตอร์ด้านเข้า (ถ้ามี) ใช้แยกไฟ ไม่ใช้สั่งเดิน-หยุด (สั่งผ่านอินพุตดิจิทัล) เพราะคาปาซิเตอร์บัส DC ชาร์จทุกครั้งที่จ่ายไฟ
ไม่ต้องใช้โอเวอร์โหลดแยก อินเวอร์เตอร์ป้องกันมอเตอร์ด้วยแบบจำลองความร้อนเมื่อใส่ค่ากระแสป้ายถูกต้อง (ยกเว้นมอเตอร์หลายตัวต่ออินเวอร์เตอร์เดียว ต้องมีโอเวอร์โหลดแยกต่อมอเตอร์)
สายมอเตอร์ใช้สายชีลด์แบบสมมาตร ต่อชีลด์ลงดินแบบ 360° ที่แคลมป์ทั้งสองปลาย สาย PE ของมอเตอร์กลับมาที่ขั้ว PE ของอินเวอร์เตอร์
แยกสายมอเตอร์ห่างสายสัญญาณอย่างน้อย 20–30 cm ถ้าต้องตัดกันให้ตั้งฉาก
สายยาวเกินที่คู่มือกำหนด (มักราว 50–100 m สำหรับสายชีลด์) ใช้ output reactor, dv/dt filter หรือ sine filter

ข้อห้ามด้านออก U V W: ห้ามต่อคาปาซิเตอร์ปรับ PF หรือสนับเบอร์ · ห้ามตัด-ต่อคอนแทกเตอร์ขณะอินเวอร์เตอร์จ่ายไฟ · ห้ามจ่ายไฟเมนเข้าขั้ว U V W (เช่น บายพาสที่ไม่มีอินเตอร์ล็อก) · ห้ามวัดความเป็นฉนวนด้วยเมกเกอร์ขณะสายยังต่ออยู่กับอินเวอร์เตอร์

บัส DC อันตรายแม้ตัดไฟแล้ว

คาปาซิเตอร์บัส DC เก็บประจุ 540–565 V ไว้หลายนาทีหลังตัดไฟ คู่มือกำหนดเวลารอ (มัก 5–15 นาที) และต้องวัดยืนยันที่ขั้ว DC+ DC− ก่อนแตะต้อง

EMC กระแสรั่ว และ RCD กลาง

ขอบแรงดันที่ชันของ PWM (หลายพันโวลต์ต่อไมโครวินาที) ทำให้กระแสความถี่สูงไหลผ่านความจุของสายและมอเตอร์ลงดิน และแผ่คลื่นรบกวน ฟิลเตอร์ EMC ด้านเข้ากันการรบกวนย้อนเข้าระบบ แต่เพิ่มกระแสรั่วลงดิน

ไดรฟ์สามเฟสอาจสร้างกระแสรั่วแบบ DC เรียบ ต้องใช้ RCD Type B · ไดรฟ์หนึ่งเฟสใช้ Type F หรือ Type B
ในระบบ IT (ไม่ต่อลงดิน) ต้องปลดตัวเก็บประจุ Y ของฟิลเตอร์ภายในตามคู่มือ
กระแสผ่านลูกปืนจากแรงดัน common-mode ทำให้ลูกปืนเป็นร่อง (fluting) ในมอเตอร์ใหญ่ ใช้ลูกปืนฉนวนหรือแปรงลงดินเพลา

การเบรกและตัวต้านทานเบรก ขั้นสูง

เมื่อสั่งลดความเร็วเร็วกว่าที่โหลดหยุดเอง มอเตอร์กลายเป็นเครื่องกำเนิด พลังงานไหลกลับเข้าบัส DC ซึ่งวงจรเรียงกระแสไดโอดส่งกลับเข้าไฟเมนไม่ได้ แรงดันบัสจึงสูงขึ้นจนอินเวอร์เตอร์ทริป “DC overvoltage” ทางแก้: เพิ่มเวลาลดความเร็ว ใช้ตัวต้านทานเบรกผ่าน brake chopper หรือใช้อินเวอร์เตอร์แบบจ่ายกลับ (regenerative/AFE)

V6 Braking resistor ตัวต้านทานเบรก

E = \tfrac12 J(\omega_1^2 - \omega_2^2) \qquad P_{peak} \approx \frac{J\,\omega_1\,\Delta\omega}{t_{dec}} \qquad R \le \frac{V_{br}^2}{P_{peak}},\ R \ge R_{min}

ตัวอย่าง V-2

พัดลม J = 2.2 kg·m² ลดจาก 1470 rpm ถึง 0 ใน 10 s

$\omega_1 = 2\pi(1470)/60 = 154$ rad/s · $E = \tfrac12(2.2)(154^2) = 26.1$ kJ (บางส่วนเสียในแรงต้านลม จึงเป็นกรณีเลวร้ายที่สุด)
V6: $P_{peak} \approx 2.2(154)(154)/10 = 5.2$ kW
chopper ทำงานที่ $V_{br} \approx 760$ V (ทั่วไปของไดรฟ์ 400 V) → $R \le 760^2/5{,}200 = 111\ \Omega$ และต้องไม่น้อยกว่า $R_{min}$ ในคู่มือ · กำลังเฉลี่ยขึ้นกับความถี่ในการเบรก ไม่ใช่ 5.2 kW ตลอดเวลา

อินเวอร์เตอร์ 1 เฟสเข้า 3 เฟสออก พื้นฐาน

บ้านพัก ฟาร์ม และร้านค้าที่มีแต่ไฟ 1 เฟส 230 V ใช้อินเวอร์เตอร์ 1 เฟสเข้า (ขั้ว L N) 3 เฟส 230 V ออก ขับมอเตอร์สามเฟสได้ถึงราว 2.2–3 kW มอเตอร์ต้องเป็นแบบ 230/400 V ต่อ Δ เพื่อให้ขดลวดได้ 230 V ข้อดีคือแรงบิดเริ่มสูงกว่ามอเตอร์ 1 เฟสคาปาซิเตอร์ ปรับความเร็วได้ และกระแสสตาร์ทต่ำ ข้อจำกัดคือกระแสด้านเข้าเป็นยอดแหลม (PF จริงต่ำ) ต้องเลือกเบรกเกอร์ด้านเข้าตามคู่มือ

คำถามที่พบบ่อย

ใส่คอนแทกเตอร์ระหว่างอินเวอร์เตอร์กับมอเตอร์ได้ไหม?

ได้เฉพาะเพื่อแยกไฟหรือบายพาส โดยต้องเปิด-ปิดเมื่ออินเวอร์เตอร์ไม่ได้จ่ายไฟออกเท่านั้น (สั่งหยุดและรอให้เอาต์พุตปิดก่อน) การตัดด้านออกขณะจ่ายกระแสทำให้เกิดแรงดันกระชากทำลาย IGBT และหน้าสัมผัส ส่วนการต่อเข้าขณะอินเวอร์เตอร์จ่ายอยู่ทำให้กระแสพุ่งจนอินเวอร์เตอร์ทริป

ทำไมเครื่องตัดไฟรั่วทริปเมื่อติดอินเวอร์เตอร์?

ฟิลเตอร์ EMC และความจุของสายชีลด์ทำให้มีกระแสรั่วลงดินความถี่สูงและกระแส DC ได้ ต้องใช้ RCD ที่ออกแบบสำหรับอินเวอร์เตอร์ (Type B สำหรับไดรฟ์สามเฟส Type F สำหรับไดรฟ์หนึ่งเฟส) พิกัด 30 mA เฉพาะที่จำเป็นต่อความปลอดภัยของคน หรือ 100–300 mA สำหรับป้องกันไฟไหม้ ตามคำแนะนำของผู้ผลิต

ใช้อินเวอร์เตอร์กับมอเตอร์เก่าได้ไหม?

ส่วนใหญ่ได้ แต่ IGBT สวิตช์เร็วทำให้เกิดแรงดันยอดสูงที่ขั้วมอเตอร์เมื่อสายยาว ฉนวนของมอเตอร์เก่าอาจรับไม่ไหว ควรเลือกสายสั้น ใช้ dv/dt filter หรือ sine filter เมื่อสายยาว และตรวจการระบายความร้อนเมื่อเดินรอบต่ำ

อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ
อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์