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

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

การประเมินประสิทธิภาพมอเตอร์พัดลมระบายอากาศในอุโมงค์ขณะใช้งานอาจเป็นวิธีการเดียวที่จะทำให้ทราบค่าประสิทธิภาพได้ เนื่องจากมอเตอร์ไม่สามารถถูกถอดออกขณะให้บริการเพื่อไปทำการทดสอบได้ ถึงกระนั้นการถอดออกและการติดตั้งกลับเข้าไปก็ใช้เวลาหลายวัน

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

รูปที่ 3 การตรวจวัดข้อมูลต่ง ๆ จากมอเตอร์

 รูปที่ 4 วงจรสมมูลต่อเฟสที่ใช้ในการคำนวณ

โดย  R₁ = Stator resistance, R₂ = Rotor resistance refer to stator, X₁ = Stator leakage reactance, X₂ = Rotor leakage reactance refer to stator, R_c = Core loss resistance, X_m = Magnetizing reactance, R_SLL = Stray load loss 

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

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

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

ในส่วนของอัลกอริธึมจำเป็นต้องหา Boundary ของพารามิเตอร์ทั้ง 6 ตัว (Six Impedances; r₁, r₂, j_x1, jx₂, r_c, jx_m) 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)

                                   I_nl คือกระแสของมอเตอร์ขณะ No-load

เป็นวิธีที่มีความแม่นยำมากที่สุดโดยวัดค่ากำลังเอาต์พุตที่เพลาของมอเตอร์เทียบกับอินพุตโดยตรงมีความสะดวกในการประเมินประสิทธิภาพ แต่ยุ่งยากในการจัดตั้งการทดสอบ โดยเฉพาะมอเตอร์ที่อยู่ในการใช้งานที่ตรวจวัดลำบาก วิธีนี้นิยมทำในห้องปฏิบัติการ [5] ดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 วิธีการทดสอบมอเตอร์แบบ Shaft Torque Method

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]

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