วิเคราะห์และทำความเข้าใจเกี่ยวกับกระแสรองลื่นของมอเตอร์
ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com

ในยุคของการประหยัดพลังงานในปัจจุบัน วิศวกรไฟฟ้ามักจะเอาการเอางานในการหาวิธีประหยัดพลังงานไฟฟ้าเพื่อลดค่าไฟฟ้าลงให้ได้มากที่สุด เป้าหมายดังกล่าวนี้ทำให้วิศวกรไฟฟ้าหลายต่อหลายคนเลือกที่จะใช้ชุดควบคุมมอเตอร์ชนิดปรับเปลี่ยนความเร็วรอบ หรือ Variable Speed Drive เรียกว่า จะถูกจะแพง ขอใช้ VFD ไว้ก่อน หลายคนก็ไม่ผิดหวังที่พบว่าชุดควบคุมมอเตอร์ชนิด VFD ช่วยลดค่าไฟฟ้าลงได้ แต่ผลข้างเคียงที่วิศวกรไฟฟ้าหลายคนอาจจะยังไม่ทราบก็คือ VFD ยังทำให้อายุการใช้งานของมอเตอร์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ เกิดอะไรขึ้น ? สาเหตุก็คือว่าแรงดันเพลา (Shaft Voltage) ที่สร้างขึ้นโดย Common–mode Output ของ VFD ทำให้เกิดการอาร์กทางไฟฟ้าขึ้นที่บริเวณรองลื่น (Bearing) ของมอเตอร์ ในช่วงเวลาไม่นานนักก็จะเกิดเสียงรบกวน (Noise) นี่ยังไม่รวมถึงว่าในที่สุดจะทำให้มอเตอร์เสียหายจนใช้งานไม่ได้ (Motor Failure)

การใช้งานชุดควบคุมมอเตอร์ชนิด VFD ที่เพิ่มมากขึ้นในปัจจุบันรวมถึงความเสียหายของมอเตอร์ที่เกิดจากแรงดัน Shaft Voltage ได้มีการบันทึกเป็นเอกสารจนทำให้หน่วยงานที่จัดทำมาตรฐานเริ่มให้ความสนใจ ในบทความฉบับนี้จะให้ข้อมูลเบื้องต้นของการเกิดแรงดันเพลาและกระแสรองลื่น รวมถึงมาตรฐานอ้างอิงที่เกี่ยวข้องและวิธีการแก้ปัญหา เชิญติดตามรายละเอียดได้เลยครับ

เกิดอะไรขึ้นกับมอเตอร์
การทำความเข้าใจว่าทำไมแรงดันเพลาจึงเกิดขึ้นกับมอเตอร์ชนิดเหนี่ยวนำ (Induction Motor) ซึ่งต้องพิจารณาจากทฤษฏีของการสร้างมอเตอร์ชนิดเหนี่ยวนำ มอเตอร์เหนี่ยวนำทำงานจากสนามแม่เหล็กหมุนที่ทำให้เกิดแรงหมุนมอเตอร์ การสร้างสนามแม่เหล็กหมุนนี้ต้องสตาร์ทมอเตอร์ให้รับไฟจากแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าด้วยการสตาร์ทมอเตอร์แบบ Direct–on–line มอเตอร์จะสตาร์ทด้วยแรงดันเต็มพิกัด การสตาร์ทแบบ Direct–on–line นี้ แหล่งจ่ายไฟฟ้ากำลังเป็นชนิดสามเฟส แรงดันแต่ละเฟสจะมีขนาดเท่ากัน มีมุมทางไฟฟ้าแต่ละเฟสต่างกัน 120๐ ผลรวมของแรงดันเฟสจะเท่ากับศูนย์ ดังนั้นในทางทฤษฏีแล้วจะไม่มีกระแสไหลจากโครงของมอเตอร์ลงดินหรือถ้าจะมีก็จะมีน้อยมาก

ชุดควบคุมมอเตอร์ชนิด VFD ถูกนำมาใช้งานแทนที่สตาร์ทเตอร์ชนิด Direct–on–line เพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากสามารถลดกระแสขณะสตาร์ทของมอเตอร์ได้และยังสามารถปรับเปลี่ยนความเร็วรอบของมอเตอร์ได้เป็นอย่างดี สิ่งที่ตรงกันข้ามกับสตาร์ทเตอร์ชนิด Direct–on–line ก็คือ VFD เริ่มต้นสร้างสนามแม่เหล็กหมุนจากการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงด้วยวงจรเรียงกระแสและเปลี่ยนกลับมาเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับด้วยวงจรแปลงสัญญาณที่ความถี่สูง (High–speed Switching) เนื่องจากแรงดันด้านออกของ VFD เกิดจากการแปลงสัญญาณที่ความถี่สูง รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าจึงเกิดจากการรวมกันของรูปคลื่นรูปสี่เหลี่ยม (Square Wave) เพื่อให้ได้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับใกล้เคียงกับคลื่นรูปไซน์ ผลข้างเคียงที่เกิดขึ้นก็คือมีความไม่สมดุลเกิดขึ้นระหว่างเฟสทั้งสามหรือเกิดแรงดัน Common–mode ที่ขั้วต่อสายของมอเตอร์ ตามที่แสดงในรูปที่ 1 และ รูปที่ 2

รูปที่ 1 แสดงความไม่สมดุลเกิดขึ้นระหว่างเฟสทั้งสามหรือเกิดแรงดัน Common–mode ที่ขั้วต่อสายของมอเตอร์

รูปที่ 2 แสดงความไม่สมดุลเกิดขึ้นระหว่างเฟสทั้งสามหรือเกิดแรงดัน Common–mode ที่ขั้วต่อสายของมอเตอร์

ทันทีที่มอเตอร์ถูกสตาร์ทด้วย VFD ก็เกิดแรงดัน Common–mode ที่ไม่สมดุลขึ้นทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในโครงของมอเตอร์เพื่อหาเส้นทางสู่ดิน (Path to Ground) เกิดความไม่สมมาตรของวงจรแม่เหล็กในโรเตอร์ และขดลวดสเตเตอร์ เมื่อชั้นของน้ำมันหล่อลื่นเกิดการแยกสลาย (Break Down) สูญเสียความเป็นฉนวน ระดับแรงดันที่เพลามอเตอร์ก็จะเพิ่มสูงขึ้น และรองลื่นของมอเตอร์ก็จะมีค่าอิมพีแดนซ์น้อยที่สุดจนทำให้กระแสที่ไม่สมดุลไหลผ่านรองลื่น แรงดันไม่สมดุลทำให้เกิดการอาร์กทางไฟฟ้าที่รองลื่นที่ความถี่สูงตามรูปที่ 3 เกิดการดิสชาร์จของมอเตอร์หรือ Electrical Discharge Machining (EDM)

รูปที่ 3 เกิดการดิสชาร์จของมอเตอร์หรือ Electrical Discharge Machining (EDM)

เมื่อเกิดอาร์กไฟฟ้าในมอเตอร์ อาร์กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะเกิดที่รองลื่นอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดการเสียงรบกวน (Audible Noises) กระแสอาร์กไฟฟ้าจะเกิดขึ้นขณะมอเตอร์ทำงานถ้าเกิดมากเข้าและนานเข้าในที่สุดก็จะทำให้ผิวหน้าของรองลื่นหลอมละลาย ผิวหน้าของรองลื่นจะไม่เรียบ เกิดรอยตะปุ่มตะป่ำ ณ ตำแหน่งที่เกิดอาร์กไฟฟ้า ถ้าขาดการบำรุงรักษาที่ดีพอ รองลื่นของมอเตอร์ก็จะสึกหรอมากขึ้น เสียหายมากขึ้น และใช้งานไม่ได้ในที่สุด ในบางกรณีมอเตอร์ที่เพิ่งซื้อมาใหม่จะชำรุดภายในเวลาไม่กี่เดือน

ปัจจัยเสี่ยงที่ทำให้เกิดกระแสรองลื่น

ในบางกรณีการเกิดขึ้นของกระแสรองลื่นไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ อย่างไรก็ตามมีปัจจัยเสี่ยงหลัก ๆ ที่สามารถให้กระแสรองลื่นเกิดความรุนแรงมากขึ้น ปัจจัยเสี่ยงบางอันดูเหมือนจะคุ้นเคยกันดีแล้ว ลองดูกันครับ
1. ขนาดโครงของมอเตอร์ (Motor Frame Size)
กระแสรองลื่นมีความสัมพันธ์โดยตรงกับขนาดของมอเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมอเตอร์ที่มีขนาดตั้งแต่ 450 แรงม้าขึ้นไปพบว่าเป็นปัจจัยที่มีผลอย่างมากกับกระแสรองลื่นที่เกิดขึ้นเนื่องจากมีโอกาสที่จะเกิดสนามแม่เหล็กที่ไม่สมดุลในขดลวดของมอเตอร์ ยิ่งมอเตอร์ขนาดใหญ่จะใช้งาน VFD ในการควบคุมมอเตอร์เป็นส่วนใหญ่ ยิ่งทำให้สนามแม่เหล็กที่ไม่สมดุลจากแรงดัน Common–mode ที่สร้างขึ้นจากด้านออกของ VFD เพิ่มมากขึ้นไปอีก

2. การขนส่งที่ไม่ระมัดระวัง
มอเตอร์จะมีความเสี่ยงที่จะเกิดแรงดันเพลาเพิ่มมากขึ้นหากว่ามอเตอร์ไม่ได้รับการดูแลอย่างดีในขณะขนส่ง ในบางครั้งความเสียหายสามารถเกิดขึ้นขณะผลิตในโรงงาน ในขณะขนส่ง หรือ แม้กระทั่งการขนเข้าที่เพื่อติดตั้ง ความเสียหายเพียงเล็กน้อยในขณะขนส่งอาจจะเป็นสาเหตุของปัญหาด้านสมรรถนะของมอเตอร์ที่มองไม่เห็นก็เป็นได้ อย่างไรก็ตาม ความเสียหายเหล่านี้อาจทำให้สนามแม่เหล็กไม่สมดุลเพิ่มขึ้นจนนำไปสู่การเกิดกระแสรองลื่นในมอเตอร์

3.การต่อลงดินอย่างไม่เหมาะสมและไม่เพียงพอ
การต่อโครงของมอเตอร์ลงดินอย่างไม่เหมาะสมขัดขวางการไหลของกระแสไฟฟ้าตามปกติผ่านสายดินของอุปกรณ์ไฟฟ้า (Equipment Grounding Conductor) ลงดิน ทำให้ในที่สุดค่าอิมพีแดนซ์ของเส้นทางลงดิน (Path to Ground) มีค่าสูง ภายใต้สภาวการณ์นี้กระแสที่ต้องการไหลลงดินก็จะหาทางของเส้นทางสู่ดินที่มีค่าอิมพีแดนซ์น้อยที่สุดและบ่อยครั้งที่กระแสไหลลงดินก็จะเลือกไหลผ่านรองลื่นจนทำให้รองลื่นเกิดการอาร์กทางไฟฟ้าและเสียหายในที่สุด
สำหรับมอเตอร์ที่ควบคุมด้วย VFD การต่อลงดินของมอเตอร์ประเภทนี้ยิ่งมีความสำคัญมากขึ้นไปอีก ถึงแม้ว่ามีความยุ่งยากในการป้องกันรองลื่นจากความเสียหาย การปฏิบัติตามมาตรฐานทางอุตสาหกรรมและคำแนะนำผู้ผลิตจึงเป็นสิ่งจำเป็น เพื่อบรรเทาแรงดัน Common Voltage ที่ไม่สมดุลที่ด้านออกของ VFD การใช้สาย Shielded Cable จะช่วยให้การไหลของกระแสลงดินดีขึ้น คำแนะนำของผู้ผลิตในการติดตั้ง VFD เป็นสิ่งจำเป็นที่ผู้ติดตั้งจำเป็นต้องปฏิบัติตาม

4. คลื่นพาความถี่สูง (High Carrier Frequencies)
จากการวิจัยพบว่า VFD จะทำงานที่คลื่นพาความถี่สูงทำให้เกิดกระแสอิมพัลส์ดิสชาร์จปริมาณสูงและความเสียหายจากปรากฏการณ์ EDM ในการทำงานของมอเตอร์ที่คลื่นพาความถี่สูงทำให้ลดเสียงรบกวนของมอเตอร์ขณะทำงานลดลง ขณะเดียวกันมอเตอร์ก็มีความเสี่ยงที่จะเสียหายมากขึ้นตามไปด้วย เพื่อบรรเทาความกังวลนี้ จำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างการใช้คลื่นพาความถี่ที่ต่ำลงมาและเสียงรบกวนของมอเตอร์ ในกรณีนี้ทำได้โดยการตั้งค่าของคลื่นพาอย่างละเอียดในชุด VFD 

มาตรฐานทางอุตสาหกรรม
มาตรฐานทางอุตสาหกรรมมักจะได้รับการปรับปรุงตลอดเวลาเพื่อให้ทันกับการใช้งานของชุดควบคุมมอเตอร์ชนิด VFD ที่เพิ่มมากขึ้น มาตรฐานหลักของมอเตอร์ NEMA MG1: Motors and Generators และ มาตรฐาน IEEE 112: Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators ได้ระบุระดับกระแสรองลื่นที่ยอมรับได้ไว้ในมาตรฐานเพื่ออ้างอิง

มาตรฐาน NEMA MG1 ได้ระบุข้อมูลอ้างอิงแรกไว้ในหมวด 14.32 สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับที่ควบคุมโดยชุด VFD หรือชุดควบคุมชนิดปรับเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า โดยมีข้อความว่า “experience shows that although this is generally not a problem on this class of machine, shaft voltages higher than 0.5mV (peak), when tested per IEEE 112, may necessitate grounding the shaft and/or insulating a bearing.”

จากหลักฐานพบว่าถึงแม้ว่าสิ่งนี้ (หมายถึงแรงดันเพลาและกระแสรองลื่น– ผู้เขียน) โดยทั่วไปแล้วไม่เป็นปัญหาสำหรับมอเตอร์ชนิดนี้ แรงดันเพลาที่สูงกว่า 0.5 มิลลิโวลต์ (แรงดันสูงสุด) เมื่อทดสอบตามมาตรฐาน IEEE 112 อาจจำเป็นต้องต่อเพลาของมอเตอร์ลงดินหรือติดตั้งฉนวนที่รองลื่น

หมวด 31.4.4.3 ของมาตรฐานยังระบุความต้องการที่เกี่ยวข้องกับมอเตอร์ที่จ่ายไฟด้วยอินเวอร์เตอร์ (Inverter–fed motors) ไว้อย่างละเอียด ให้รายละเอียดของปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้ พร้อมทั้งให้คำแนะนำในการติดตั้งฉนวนที่รองลื่นในกรณีที่มีแรงดันที่รองลื่นมากกว่า 300 มิลลิโวลต์ ยิ่งไปกว่านั้นมีความน่าจะเป็นมากขึ้นที่จะเกิดกระแสรองลื่นในมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่า 500 แรงม้าอันเนื่องมาจากสนามแม่เหล็กที่ไม่สมดุลของมอเตอร์ในขั้นตอนการผลิต

มาตรฐาน NEMA MG1 ได้ระบุรายละเอียดของกระแสรองลื่นที่เกิดขึ้นจากชุดควบคุมมอเตอร์ชนิด VFD ไว้อย่างชัดเจนพร้อมทั้งวิธีการแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ นอกจากนี้ยังได้อ้างอิงการทดสอบและตรวจวัดแรงดันเพลา กระแสรองลื่นพร้อมขั้นตอนไปยังมาตรฐาน IEEE 112 ซึ่งในมาตรฐานนี้ ไม่เพียงแต่ระบุขั้นตอนในการทดสอบเท่านั้น แต่ยังให้รายละเอียดพร้อมทฤษฏีของการเกิดกระแสรองลื่นพร้อมทั้งวิธีการแก้ปัญหา

ข้อมูลอ้างอิง
1. www.ecmweb.com
2. Diagnosing & Understanding Motor Bearing Currents: EC&M August 2012