เนื้อหาวันที่ : 2012-11-05 15:07:09 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 4526 views

วิเคราะห์และทำความเข้าใจเกี่ยวกับกระแสรองลื่นของมอเตอร์

ในยุคของการประหยัดพลังงานในปัจจุบัน วิศวกรไฟฟ้ามักจะเอาการเอางานในการหาวิธีประหยัดพลังงานไฟฟ้าเพื่อลดค่าไฟฟ้าลงให้ได้มากที่สุด

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

 

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