เนื้อหาวันที่ : 2010-10-27 12:12:06 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 7498 views

การประเมินประสิทธิภาพมอเตอร์พัดลมระบายอากาศขณะใช้งานเพื่อการซ่อมบำรุงตามสภาพ

การวัดประสิทธิภาพของมอเตอร์ทั่วไปเพื่อการประเมินสมรรถนะขณะใช้งานของมอเตอร์นั้นมีความจำเป็นเพื่อประโยชน์ในด้านการซ่อมบำรุงและเพื่อการประหยัดพลังงาน ในระบบรถไฟฟ้าใต้ดินนั้นมีมอเตอร์ใช้งานอยู่เป็นจำนวนมากทั้งในตัวรถไฟฟ้าและระบบสนับสนุนอื่น ๆ จึงพิจารณาวัดประสิทธิภาพของมอเตอร์ระบายอากาศในอุโมงค์ ซึ่งเป็นมอเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับระบบความปลอดภัยโดยตรง

อารีย์ หวังศุภผล

.

.

การวัดประสิทธิภาพของมอเตอร์ทั่วไปเพื่อการประเมินสมรรถนะขณะใช้งานของมอเตอร์นั้นมีความจำเป็นเพื่อประโยชน์ในด้านการซ่อมบำรุงและเพื่อการประหยัดพลังงาน ในระบบรถไฟฟ้าใต้ดินนั้นมีมอเตอร์ใช้งานอยู่เป็นจำนวนมากทั้งในตัวรถไฟฟ้าและระบบสนับสนุนอื่น ๆ จึงพิจารณาวัดประสิทธิภาพของมอเตอร์ระบายอากาศในอุโมงค์ (Tunnel Ventilation System: TVS) ซึ่งเป็นมอเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับระบบความปลอดภัยโดยตรง

.

ประกอบไปด้วย พัดลมระบายอากาศใต้ชานชาลา (Under Platform Exhaust Fan: UPEF) มีทั้งหมด 72 ตัว และพัดลมระบายอากาศในอุโมงค์ (Tunnel Ventilation Fan: TVF) ซึ่งมีทั้งหมด 88 ตัวในเบื้องต้นนี้จะดำเนินการกับมอเตอร์ของพัดลมระบายอากาศในอุโมงค์ก่อนเนื่องจากสามารถตรวจวัดค่าที่ต้องการนำมาประเมินประสิทธิภาพได้ทั้งหมด มอเตอร์นี้มีขนาด 108 กิโลวัตต์ ขับเคลื่อนด้วย Inverter มีการปรับความเร็วรอบโดยปรับความถี่และมีการกลับทางหมุนเพื่อใช้งาน 2 ทิศทาง

.

ปัญหาที่เคยพบคือ ขดลวดร้อน (Winding High Temperature) ขณะใช้งานซึ่งอาจเกิดจากสิ่งสกปรกสะสมที่ผิวนอกของมอเตอร์มากจนทำให้การระบายความร้อนของขดลวดไม่ดีได้ ซึ่งหากเกิดปัญหาขึ้นขณะที่มีความจำเป็นต้องใช้งานจะสร้างความเสียหายต่อระบบโดยรวม การวัดประสิทธิภาพขณะใช้งานเป็นวิธีการหนึ่งที่จะช่วยให้ทราบปัญหาที่กำลังเกิดขึ้นกับมอเตอร์เพื่อที่จะแก้ไขต่อไป

.

โดยเมื่อพบว่ามอเตอร์มีประสิทธิภาพต่ำลงกว่าปกติแสดงว่ามอเตอร์กำลังมีปัญหาอย่างใดอย่างหนึ่งเกิดขึ้น  ปัญหาอื่น ๆ ที่ทำให้ประสิทธิภาพมอเตอร์ต่ำลงอาจเป็นไปได้จากสาเหตุต่าง ๆ เช่น โรเตอร์ขาดการหล่อลื่นหรือมีความเสียดทานมาก การเยื้องศูนย์ หรือกรณีใบพัดลมสกปรก เป็นต้น

.

ในที่นี้จึงนำเสนอการประยุกต์ใช้งานโปรแกรมประเมินประสิทธิภาพมอเตอร์ขณะใช้งานโดยการนำข้อมูลอินพุตขณะใช้งานมาคำนวณหาวงจรสมมูลที่เหมาะสมโดยใช้จีเนติกอัลกอริธึม จากนั้นจึงคำนวณหาประสิทธิภาพของมอเตอร์จากวงจรสมมูลที่ได้ต่อไป

.

สาเหตุที่ต้องใช้วิธีนี้เพราะมอเตอร์ที่ใช้งานประเภทนี้ไม่สะดวกที่จะถอดออกมาตรวจวัดเพื่อหาประสิทธิภาพโดยวิธี Shaft Torque Method หรือ Load Test ซึ่งเป็นวิธีที่มีความแม่นยำสูงได้ มอเตอร์ต้องมีความพร้อมใช้งานตามมาตรฐานความปลอดภัยซึ่งทำให้การประเมินประสิทธิภาพเป็นไปได้ยาก หากจะใช้วิธี Slip Method และ Current Method ที่ตรวจวัดข้อมูลอินพุตบางอย่างมาคำนวณหาประสิทธิภาพ

.

ผลลัพธ์ที่ได้ก็มีความคาดเคลื่อนสูงจนไม่สามารถนำมาใช้งานได้ ความคาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อยของมอเตอร์พิกัดสูง ๆ ย่อมมีนัยสำคัญมากกว่ามอเตอร์พิกัดต่ำ ๆ วิธีการที่นำเสนอนี้จึงเป็นวิธีการที่สะดวกเหมาะสมกว่าทุกวิธีที่ผ่านมาและมีความแม่นยำสูงสามารถยอมรับได้ โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนไม่เกิน 2 % เมื่อเทียบกับประสิทธิภาพที่คำนวณได้จาก Inverter เป็นข้อมูลอ้างอิง

.

จากนั้นควรนำค่าประสิทธิภาพที่ได้ไปพิจารณาเรื่องการบำรุงรักษาตามสภาพ (Condition Based Maintenance: CBM) เพื่อปรับรูปแบบหรือวิธีการให้เหมาะสมมากขึ้น ให้เกิดความพร้อมความน่าเชื่อถือของมอเตอร์ และประหยัดค่าบำรุงรักษาได้มากกว่าการบำรุงรักษาแบบเก่า

.
ระบบระบายอากาศในอุโมงค์รถไฟฟ้าใต้ดิน

ระบบระบายอากาศในอุโมงค์นั้นมีไว้เพื่อ ระบายอากาศร้อนในอุโมงค์ในสภาวะปกติและสภาวะคับคั่ง และระบายอากาศร้อนและควันในอุโมงค์ในสภาวะฉุกเฉิน ทั้งยังช่วยควบคุมทิศทางลมและแรงดันลมจากการอัดอากาศในการวิ่งของรถไฟฟ้า (Train Piston Effect) ออกสู่ภายนอก

.

รูปที่ 1 มอเตอร์พัดลมระบายอากาศในอุโมงค์

.

พัดลมระบายอากาศในอุโมงค์เป็นส่วนหนึ่งของระบบระบายอากาศในอุโมงค์ทั้งหมดที่ประกอบไปด้วย ระบบดูดความร้อนใต้ชานชาลา ระบบระบายอากาศในอุโมงค์และระบบตรวจจับความร้อนในอุโมงค์ สำหรับพัดลมระบายอากาศในอุโมงค์ มีการใช้งานติดตั้งแบบ Axial Flow หมายถึงลมผ่านในแนวแกนของโรเตอร์ ดังรูปที่ 1

.

ระบบขับเคลื่อนของมอเตอร์ใช้  Inverter ที่มีเทคนิคควบคุมการทำงานแบบ Direct Torque Control และมี Dynamic Brake ไว้สำหรับหยุดการหมุนของมอเตอร์อย่างรวดเร็วสำหรับการกลับทิศทางหมุน

.

การบำรุงรักษาแผนใหม่

วิวัฒนาการในการบำรุงรักษาได้มีการพัฒนาการมาอย่างต่อเนื่องตั้งแต่การบำรุงรักษาเมื่อเครื่องจักรชำรุดขัดข้อง มาเป็นการบำรุงรักษาแบบป้องกัน ต่อมาเป็นบำรุงรักษาตามสภาพ จนกระทั่งในปัจจุบันมีการบำรุงรักษาแบบวิเคราะห์ความน่าเชื่อถือเป็นแกน (Reliability Centered Maintenance: RCM)  

.

ซึ่งเป็นการผสมผสานระหว่างการบำรุงรักษาแบบการซ่อมเมื่อเครื่องจักรชำรุด การบำรุงรักษาเชิงป้องกัน การบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์ และการบำรุงรักษาเชิงรุก โดยเมื่อนำการบำรุงรักษาทั้ง 4 ชนิดนี้รวมเข้าด้วยกันจะทำให้เกิดความน่าเชื่อถือสูงในระดับค่าใช้จ่ายต่ำที่สุด 

.

ในปัจจุบันการบำรุงรักษาแบบทีโรเทคโนโลยี ถือเป็นทฤษฎีการบำรุงรักษาแผนใหม่และเป็นปรัชญาในการบำรุงรักษาคือ การผสมผสานในวิธีการด้านการบริหารจัดการ การจัดการด้านการเงิน การดำเนินการด้านวิศวกรรมบำรุงรักษา และการปฏิบัติการในลักษณะอื่นที่ดำเนินการใช้กับทรัพย์สินขององค์กรเพื่อที่จะให้มีค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุงตลอดอายุขัยหรือตลอดวงจรชีวิตมีค่าต่ำที่สุด [1] ดังแสดงในรูปที่ 2

.

รูปที่ 2 การบำรุงรักษาแผนใหม่

.

ในส่วนของการเฝ้าระวังโดยการติดตามสมรรถนะเครื่องจักรเป็นเทคนิคการบำรุงรักษาแบบหนึ่งในการบำรุงรักษาตามสภาพ  ซึ่งเป็นส่วนสำคัญที่สนับสนุนองค์รวมของการบำรุงรักษาเชิงป้องกัน (Preventive Maintenance: PM) ทั้งหมดที่มักใช้งานอย่างแพร่หลาย

.
วิธีการหาประสิทธิภาพมอเตอร์
1. วิธีการประเมินประสิทธิภาพมอเตอร์ขณะใช้งาน

การประเมินประสิทธิภาพมอเตอร์พัดลมระบายอากาศในอุโมงค์ขณะใช้งานอาจเป็นวิธีการเดียวที่จะทำให้ทราบค่าประสิทธิภาพได้ เนื่องจากมอเตอร์ไม่สามารถถูกถอดออกขณะให้บริการเพื่อไปทำการทดสอบได้ ถึงกระนั้นการถอดออกและการติดตั้งกลับเข้าไปก็ใช้เวลาหลายวัน

.

สำหรับวิธีการที่นำเสนอนี้จะจดบันทึกค่าแรงดัน กระแส กำลังไฟฟ้า ความถี่อินพุท และความเร็วรอบที่เพลาของมอเตอร์ดังรูปที่ 3 [2] โดยการใช้เทคนิค One Operating Point Test: OPT ในการหาวงจรสมมูลดังรูปที่ 4 และหาประสิทธิภาพจากวงจรสมมูลนั้นต่อไป

.

รูปที่ 3 การตรวจวัดข้อมูลต่ง ๆ จากมอเตอร์

.
โมเดลที่ใช้ในการคำนวณประสิทธิภาพได้แสดงไว้ดังรูปที่ 4

 รูปที่ 4 วงจรสมมูลต่อเฟสที่ใช้ในการคำนวณ

 .

โดย  R1 = Stator resistance, R2 = Rotor resistance refer to stator, X1 = Stator leakage reactance, X2 = Rotor leakage reactance refer to stator, Rc = Core loss resistance, Xm = Magnetizing reactance, RSLL = Stray load loss 

 .

การเพิ่ม RSLL หรือ Stray Load Loss [3] เพื่อให้ได้ค่าประสิทธิภาพที่ถูกต้องตามความเป็นจริงมากขึ้น ซึ่งหาได้จากสมการที่ (1)

                                    
 .

โดย m คือค่า Full load per unit กำหนดไว้ระหว่าง 0.5-3% , sf คือ สลิปที่โหลดเต็มพิกัด
เมื่อได้ค่าพารามิเตอร์ทั้งหมดแล้วก็จะสามารถหาค่า I1 และ Pin ได้จากสมการที่ (2)

                                    
 .

การใช้จีเนติกอัลกอริธึมนั้นเพื่อคำนวณค่าพารามิเตอร์ของวงจรสมมูลเพื่อมาคำนวณหาค่ากระแสและกำลังไฟฟ้าและนำไปเปรียบเทียบกับค่ากระแสและกำลังไฟฟ้าที่วัดได้ โดยอัลกอริธึมจะต้องหาวงจรสมมูลที่ทำให้กระแสและกำลังไฟฟ้าที่คำนวณมีค่าใกล้เคียงกับค่าที่วัดได้มากที่สุดหรือมี Error น้อยที่สุดนั่นเอง ซึ่งอาศัย Objective Function ในสมการที่ (3) เป็นสมการเป้าหมายในการคำนวณ

 .
                                    
 .

ในส่วนของอัลกอริธึมจำเป็นต้องหา Boundary ของพารามิเตอร์ทั้ง 6 ตัว (Six Impedances; r1, r2, jx1, jx2, rc, jxm) ที่เป็นจริงหรือใกล้เคียงมากที่สุดใส่ไปในโปรแกรม ซึ่งสามารถคำนวณหาได้ตามวิธีการประมาณค่าพารามิเตอร์ในวงจรสมมูลของมอเตอร์ [4] ได้โดยอาศัยข้อมูลจาก Test Report ที่ได้มาจากผู้ผลิต ผลของ Inverter ที่มีการปรับความถี่จึงจำเป็นต้องปรับ Reactance ที่คำนวณได้ตาม Nameplate (50Hz) มาเป็นค่า Inductance ก่อนจึงนำไปใช้งานในโปรแกรมต่อไป

 .

2. Slip Method
เป็นวิธีการหาประสิทธิภาพของมอเตอร์โดยใช้หลักการเปรียบเทียบความเร็วรอบของมอเตอร์(Load Speed) กับความเร็วที่พิกัดของมอเตอร์ (Synchronous Speed) โดยใช้สมการพื้นฐานในการคำนวณดังสมการที่ (4)-(6) [5]

 .
                  
 .

3. Current Method
เป็นวิธีการหากำลังเอาต์พุตของมอเตอร์โดยใช้หลักว่ากำลังเอาต์พุตจะแปรผันตรงกับค่าของกระแสที่เปลี่ยนแปลงโดยหาได้จากสมการที่ (7) [5]

 .
                        

                                   I คือกระแสที่ทำการวัดด้านอินพุทของมอเตอร์ ณ โหลดใด ๆ
                                   Ifl คือกระแสที่อ่านได้จาก Nameplate ของมอเตอร์

 .

จากการใช้สมการที่ (7) จะมีค่าคาดเคลื่อนสูงมากเนื่องจากสมการคำนวณเป็นสมการเส้นตรง แต่ในความเป็นจริงกระแสกับกำลังเอาต์พุตไม่เป็นสัดส่วนโดยตรงต่อกัน จึงมีการปรับปรุงสมการให้ใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากที่สุดโดยนำกระแส No-load เข้ามาร่วมพิจารณาดังสมการที่ (8)

 .

                       

                                   Inl คือกระแสของมอเตอร์ขณะ No-load

 .
4. Shaft Torque Method

เป็นวิธีที่มีความแม่นยำมากที่สุดโดยวัดค่ากำลังเอาต์พุตที่เพลาของมอเตอร์เทียบกับอินพุตโดยตรงมีความสะดวกในการประเมินประสิทธิภาพ แต่ยุ่งยากในการจัดตั้งการทดสอบ โดยเฉพาะมอเตอร์ที่อยู่ในการใช้งานที่ตรวจวัดลำบาก วิธีนี้นิยมทำในห้องปฏิบัติการ [5] ดังรูปที่ 5

 .

รูปที่ 5 วิธีการทดสอบมอเตอร์แบบ Shaft Torque Method

 .
ผลลัพธ์ที่ได้

ดำเนินการเข้าตรวจวัดและจดบันทึกค่าแรงดัน กระแส ความถี่ กำลังอินพุท และความเร็วรอบ ของมอเตอร์โดยอ่านค่าจาก Inverter (Variable Speed Drive: VSD) ตามการทำงานของมอเตอร์ตามปกติทั้ง 2 ทิศทางคือ การทำงานแบบ Supply hi-speed: S (จ่ายลมเข้าอุโมงค์) และ Exhaust hi-speed: E (จ่ายลมเข้าอุโมงค์) โดยสังเกตทิศทางได้จากอักษรตัวสุดท้ายของชื่อพัดลม ตามตารางที่ 1

 .

ตารางที่ 1 ค่าที่บันทึกได้ของมอเตอร์พัดลมฯสถานีต่าง ๆ

 .

จากนั้นจึงนำไปคำนวณโดยโปรแกรมที่ใช้จีเนติกอัลกอริธึมได้ผลลัพธ์ออกมาใกล้เคียงกับค่าประสิทธิภาพที่ได้จากการคำนวณออกมาจาก Inverter โดยแตกต่างกันไม่เกิน 2 % ดังกราฟที่ 1 และกราฟที่ 2 สำหรับวิธีการคำนวณหาประสิทธิภาพมอเตอร์โดยวิธี Slip Method นั้นมีความคาดเคลื่อนสูง

 .

วิธี Current Method ก็ยังมีความคาดเคลื่อนสูงกว่าวิธีที่นำเสนอมากน้อยแตกต่างกันไปซึ่งไม่เหมาะสมที่จะนำมาใช้ประเมินประสิทธิภาพมอเตอร์พิกัดสูง ๆ ในที่นี้เพราะจะให้เกิดการตัดสินใจที่ผิดพลาดได้ 

 .

กราฟที่ 1 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพที่ได้จากการคำนวณรูปแบบต่าง ๆ ข้อมูลชุดที่ 1-12

 .

กราฟที่ 2 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพที่ได้จากการคำนวณรูปแบบต่าง ๆ ข้อมูลชุดที่ 13-22

 .

ผลพลอยได้จากข้อมูลแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจวัดที่ได้มาคือ หากพบว่าแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลระหว่างเฟสเกินกว่า 5% จะทำให้อายุการใช้งานฉนวนตามที่คาดการณ์ไว้และประสิทธิภาพของมอเตอร์ 3 เฟสลดลง 50 % และหากอุณหภูมิภายใน มอเตอร์สูงขึ้น 25 % ก็จะส่งผลให้อายุการใช้งานฉนวนลดลง 50 %เหมือนกับกรณีแรงดันไม่สมดุลดังกล่าวด้วย [6]

 .
สรุปผลลัพธ์ที่ได้

จากข้อมูลที่ได้จะเห็นว่าการประเมินประสิทธิภาพแบบ One Operating Point Test โดยใช้ Genetic Algorithms สามารถนำมาใช้หาประสิทธิภาพมอเตอร์พัดลมระบายอากาศในอุโมงค์ที่มีการขับเคลื่อนโดยใช้ Inverter ได้ ผลลัพธ์มีความแตกต่างกับการเปรียบเทียบกับ VSD ไม่เกิน 2 %

 .

ซึ่งหากใช้การประเมินประสิทธิภาพโดยวิธี Slip Method หรือ Current Method ซึ่งไม่ยุ่งยากในการใช้งานแต่ผลลัพธ์ที่ได้มี Error มากทำให้ไม่สามารถนำค่าประสิทธิภาพไปใช้งานได้ การใช้วิธีการที่นำเสนอจึงเสมือนเป็นวิธีการเดียวที่จะใช้ประเมินประสิทธิภาพของมอเตอร์ในลักษณะที่มีความยากลำบากในการถอดออกและติดตั้งกลับเข้าไปใหม่

 .

การนำไปปรับปรุงการซ่อมบำรุงสามารถใช้ค่าประสิทธิภาพที่ได้ไปเพิ่มความถี่ให้มากขึ้นเพื่อไม่ให้มอเตอร์มีประสิทธิภาพต่ำลงไปกว่าเดิม หรือเพื่อตรวจหาปัญหาที่อาจซ่อนเร้นอยู่เช่น อาจเกิดสิ่งสกปรกสะสมที่ผิวภายนอกของมอเตอร์ทำให้การระบายความร้อนไม่ดี

 .

หรือเกิดการเยื้องศูนย์ของโรเตอร์หรือการหล่อลื่นแบริ่งไม่เพียงพอ เหล่านี้อาจเป็นสาเหตุทำให้ประสิทธิภาพต่ำลงได้ ดังนั้นหากพบมอเตอร์กลุ่มเดียวกัน ทำงาน ณ จุดเดียวกันมีประสิทธิภาพต่ำกว่าตัวอื่นอย่างชัดเจน อาจพิจารณาแก้ไขปัญหาอย่างใดอย่างหนึ่งกับมอเตอร์ เพื่อให้มอเตอร์กลับมามีประสิทธิภาพที่เหมาะสมและมีความน่าเชื่อถือสูง

 .

เอกสารอ้างอิง

[1] ผศ.ดร. สุรพล ราษฎร์นุ้ย, วิศวกรรมการบำรุงรักษา, ซีเอ็ดยูเคชั่น, 2545
[2] T.Phumiphak, and C. Chat-uthai, “An Economical Method for Induction Motor Field Efficiency Estimation for Use in On-site Energy Audit and Management,” Proceeding of 2004 International Conference on Power System Technology, PowerCon 2004, November 2004.
[3] IEEE Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motor and generators, IEEE Standard 112-1996, New York, May 1997
[4] A.E. Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr., Stephen D. Umans, Electric Machinery, 5th edition, McGraw-Hill Book Co., 1990
[5] หัสสพล วรชัยยุทธ, อิทธิ ภู่วรวงศ์, อิษฎา อุบลไทรย์, การศึกษาประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำโดยการวัดค่าขณะใช้งาน, ปริญญานิพนธ์, สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าลาดกระบัง, 2547
[6] NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION (NASA) RELIABILITY CENTERED MAINTENANCE GUIDE FOR FACILITY AND COLLATERAL EQUIPMENT, FEB 2000

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด