เศรษฐกาณจน์ อนุวัตรวงศ์
sedthakarn@se-ed.com
กองบรรณาธิการ Industrial Technology Review

          ในปัจจุบันโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ จำเป็นต้องมีเครื่องมือในการควบคุมความเร็วมอเตอร์ เพื่อควบคุมระบบการผลิตให้ได้ตามต้องการ อินเวอร์เตอร์ก็เป็นทางเลือกหนึ่ง ที่ใช้สำหรับการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ให้มีความเร็วต่าง ๆ กัน และการนำอินเวอร์เตอร์ไปใช้งานนั้น บางครั้งก่อให้เกิดปัญหาต่าง ๆ มากมาย ดังนั้นเราควรรู้จักดูแลรักษาอินเวอร์เตอร์ เพื่อเป็นการลดการ Down Time ของเครื่องจักรทางหนึ่งด้วย

การทำงานของอินเวอร์เตอร์ 
          มอเตอร์เหนี่ยวนำที่หมุนด้วยความเร็วต่าง ๆ กันนั้น จะขึ้นอยู่กับจำนวนขั้วแม่เหล็กต่อเฟสของตัวมอเตอร์ และความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ ตามสมการ N = 120f/P เมื่อ N คือ ความเร็วซิงโครนัส (rpm), f คือ ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ (Hz) และ P คือ จำนวนขั้วแม่เหล็กต่อเฟส (Pole/Phase) เช่นมอเตอร์ที่มีขั้วแม่เหล็ก 4 ขั้ว ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ 50 Hz ความเร็วซิงโครนัสจะมีค่าเท่ากับ 1,500 rpm ดังนั้นถ้าตัวแปรใดตัวแปรหนึ่งเปลี่ยนแปลง จะทำให้ความเร็วซิงโครนัสเปลี่ยนแปลงไปด้วย จากหลักการดังกล่าว จึงนำมาสร้างอินเวอร์เตอร์ ที่ทำหน้าที่ในการเปลี่ยนความถี่ของแหล่งจ่ายไฟกระแสสลับไปเป็นความถี่ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ของแรงดันกระแสตรง ทำให้สามารถปรับเปลี่ยนความเร็วของมอเตอร์ได้

          การทำงานของอินเวอร์เตอร์แสดงดังรูปที่ 1 โดยที่รูปคลื่นแรกจะเป็นรูปคลื่นแรงดันกระแสสลับความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ ซึ่งเป็นอินพุตของอินเวอร์เตอร์ ส่วนอีกรูปคลื่นจะเป็นเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ โดยจะเป็นคลื่นพัลส์ที่ความกว้างของพัลส์แต่ละลูกจะแตกต่างกันออกไป โดยที่พัลส์ตรงกลางจะมีความกว้างมากที่สุด และพัลส์ที่อยู่ขนาบข้างทั้งสอง  ความกว้างของพัลส์จะมีขนาดลดลงตามลำดับ แต่ขนาดของคลื่นแรงดันพัลส์จะเท่ากับค่ายอดของแรงดันของแหล่งจ่ายไฟ  ที่ป้อนเป็นอินพุตให้กับอินเวอร์เตอร์ ทำให้อินเวอร์เตอร์ดูเหมือนว่าเป็นการจำลองการเพิ่ม และลดขนาดของแรงดันกระแสสลับ จากหลักการทำงานของอินเวอร์เตอร์ ที่ทำการมอดูเลตความกว้างของพัลส์ บางครั้งเรียกว่า Pulse-Width Modulation Inverter

     
    
รูปที่ 1 แสดงอินเวอร์เตอร์ที่ผลิตคลื่นพัลส์กระแสตรงซึ่งมีความกว้างของพัลส์แปรเปลี่ยนตามความสูงของคลื่นแรงดันไซน์

          ในการนำอินเวอร์เตอร์ไปใช้งานควบคุมความเร็วของมอเตอร์นั้น บางครั้งก่อให้เกิดปัญหาต่าง ๆ มากมาย ซึ่งอาจมาจากปัญหาของการติดตั้ง และปัญหาจากหลักการทำงานของอินเวอร์เตอร์ที่ได้กล่าวไปข้างต้นแล้ว

          * ปัญหาจากความถี่ของการ Switching และความยาวของสายเคเบิลที่ติดตั้งใช้งาน เนื่องจากอินเวอร์เตอร์ส่งพัลส์จำนวนมากในแต่ละวินาที ความถี่ของการสวิตช์สามารถทำให้เกิดปัญหา โดยเฉพาะสายเคเบิลที่ต่ออยู่ระหว่างมอเตอร์และอินเวอร์เตอร์ยาวมากกว่า 50 ฟุต ในกรณีนี้พัลส์ที่ตกกระทบและพัลส์สะท้อนที่เกิดขึ้นที่ขั้วต่อของมอเตอร์ จะทำให้เกิดแรงดันเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าซึ่งเป็นแรงดันเสิร์จวิ่งเข้าไปในขดลวดของมอเตอร์ และจะทำให้ขนาดแรงดันเพิ่มขึ้นถึง 1,500-2,000 โวลต์ ที่ขั้วมอเตอร์เกินระดับแรงดัน ใช้งาน 460 โวลต์ ซึ่งระบบการฉนวนมาตรฐานไม่ได้ออกแบบมาที่ทนแรงดันเกินขนาดนี้

          ดังนั้นความยาวสายเคเบิล ฉนวนมอเตอร์ และช่วงขาขึ้นของพัลส์ของอินเวอร์เตอร์ มีความสัมพันธ์กัน ซึ่งแต่ละตัวแปรจะเป็นตัวกำหนดขนาดแรงดันเริ่มต้นของการเกิดโคโรนา เป็นแรงดันสูงเริ่มต้นที่ทำให้เกิดการดิสชาร์จบางส่วนหรือกระแสรั่ว โดยที่ขนาดแรงดันนี้ทำให้การฉนวนของมอเตอร์เสื่อมสภาพ ปัจจุบันผู้ผลิตมอเตอร์บางราย ได้ปรับปรุงผลิตภัณฑ์เพื่อให้ขดลวดมอเตอร์ทนแรงดันสูงขึ้นเช่นเดียวกันกับ ผู้ผลิตอินเวอร์เตอร์ได้ปรับปรุงคุณภาพของกำลังเอาต์พุต ที่ใช้กับสายเคเบิลยาวได้อย่างปลอดภัย

          * ปัญหาเนื่องมาจากความร้อนที่เพิ่มขึ้น แรงดันที่ป้อนมอเตอร์โดยรูปคลื่น PWM ที่ความถี่ 60 เฮิรตซ์ จะทำให้อุณหภูมิของมอเตอร์สูงกว่าอุณหภูมิพิกัดใช้งาน 20 องศาเซลเซียส เมื่อป้อนโดยรูปคลื่นแรงดันไซน์ ณ ความถี่เดียวกัน ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานของฉนวนลดลงหนึ่งในสี่ของอายุการใช้งานปกติ ส่วนอินเวอร์เตอร์ที่ขับมอเตอร์ให้ความเร็วช้าจะทำให้มอเตอร์มีความร้อนเพิ่มขึ้น เนื่องจากพัดลมซึ่งหมุนช้าจะกระจายความร้อนได้น้อย ทำให้มอเตอร์ร้อนขึ้นและความร้อนในขดลวดเพิ่มขึ้น ดังนั้นควรพิจารณาฉนวนในการใช้งานด้วย 

การบำรุงรักษาอินเวอร์เตอร์
 ในการบำรุงรักษาอินเวอร์เตอร์ประกอบไปด้วย 3 ขั้นตอนหลัก ที่ต้องคอยตรวจสอบเป็นประจำ คือ 
          * รักษาความสะอาด อินเวอร์เตอร์ ส่วนใหญ่จะใช้มาตรฐาน NEMA1 (มาตรฐานเกี่ยวกับการระบายอากาศด้านข้างสำหรับให้อากาศไหลเข้าออก) หรือ NEMA12 (มาตรฐานเกี่ยวกับการป้องกันฝุ่นละออง) มาตรฐานของ NEMA1 จะมีข้อเสียสำหรับฝุ่นละออง เนื่องจากฝุ่นละอองบนอุปกรณ์ อินเวอร์เตอร์จะทำให้อากาศไหลผ่านไม่สะดวก ทำให้ลดประสิทธิภาพการทำงานของแผ่นระบายความร้อน (Heat Sink) และพัดลมระบายความร้อน (Circulating Fan) ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงผงฝุ่นที่ถูกพัดลมเป่าเข้าไปในอินเวอร์เตอร์

          ฝุ่นที่เกิดขึ้นบนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถทำให้เกิดการทำงานที่ผิดพลาดได้ ซึ่งฝุ่นจะดูดซับความชื้นซึ่งจะส่งเสริมให้เกิดความเสียหายได้ด้วย

          การสเปรย์อากาศผ่านแผ่นระบายความร้อนของพัดลมเป็นมาตรการการบำรุงรักษาการป้องกันที่ดี การปล่อยอากาศที่อัดความดันเข้าไปในอินเวอร์เตอร์ ซึ่งเป็นทางเลือกหนึ่งที่สามารถใช้ได้กับสภาพแวดล้อมบางอย่าง แต่อากาศที่อยู่ภายในโรงงานจะประกอบด้วยน้ำมันและน้ำ ในการใช้อากาศอัดความดันสำหรับการระบายความร้อน เราต้องใช้อากาศซึ่งปราศจากน้ำมันและแห้ง หรือบางครั้งอาจทำให้มันเกิดอันตรายมากกว่าการทำให้เกิดผลดี

          พลาสติกทั่วไปจะเป็นตัวเริ่มต้นในการเกิดไฟฟ้าสถิต วัสดุที่ใช้ทำกล่อง ESD Vacuum และพัดลม เป็นวัสดุเฉพาะ ซึ่งเป็นพลาสติกที่ไม่ก่อให้เกิดไฟฟ้าสถิต กระบอกสุญญากาศและกระป๋องอากาศอัดความดันที่ไม่เกิดไฟฟ้าสถิต สามารถหาซื้อได้ง่ายจากบริษัทซึ่งมีความชำนาญเกี่ยวกับอุปกรณ์ควบคุมไฟฟ้าสถิต (Static-control Equipment)

          * ตรวจสอบความชื้น ในการติดตั้งอินเวอร์เตอร์นั้นต้องติดตั้งบนผนังที่สะอาด และแห้ง เพื่อป้องกันไม่ให้ฝุ่นและละอองไอน้ำจากความชื้นเข้าไปทำความเสียหายส่วนต่าง ๆ ที่อยู่ภายในของอินเวอร์เตอร์ได้ ซึ่งจะทำให้แผ่นวงจรเกิดการผุกร่อนเสียหายได้ ซึ่งแสดงดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงการผุกร่อนของวงจรจากความชื้น

          ในการป้องกันหยดน้ำจากการควบแน่นของไอน้ำนั้น สามารถใช้ความร้อนที่แผ่รังสีออกมาจากแผ่นระบายความร้อน (Heat Sink) มาเป็นตัวป้องกัน แต่ถ้าอินเวอร์เตอร์นั้นไม่ได้ใช้งานตลอดทั้งวันและติดตั้งอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีการควบแน่นของไอน้ำเกิดขึ้น สามารถใช้มาตรฐาน NEMA12 ซึ่งเป็นมาตรฐานเกี่ยวกับกล่องใส่อุปกรณ์และตัวทำความร้อนที่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ มาเป็นมาตรฐานในการกำหนดการป้องกันของอินเวอร์เตอร์ได้

          * ตรวจสอบรอยต่อให้แน่น วัฏจักรความร้อนและความสั่นสะเทือนทางกลที่เกิดขึ้น สามารถทำให้จุดเชื่อมต่อต่าง ๆ อยู่ในเกณฑ์ต่ำกว่าระดับมาตรฐานที่กำหนดในการบำรุงรักษา ซึ่งการเชื่อมต่อที่ไม่ดีจะทำให้เกิดการอาร์ก การเกิดอาร์กที่อินพุตของอินเวอร์เตอร์ จะทำให้เกิดแรงดันเกิน ซึ่งจะทำให้ฟิวส์ขาดและอุปกรณ์ป้องกันเสียหายได้ การเกิดอาร์กที่เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์จะทำให้เกิด กระแสเกินหรืออันตรายที่อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับกำลังไฟฟ้า
    

รูปที่ 4 แสดงความเสียหายของจุดเชื่อมต่ออินพุตที่หละหลวมไม่แน่นของอินเวอร์เตอร์

          ความเสียหายของจุดเชื่อมต่อของสายควบคุมสามารถทำให้เกิดการทำงานที่ผิดพลาด เช่น สายสัญญาณเส้นที่ควบคุมการสตาร์ทหลวมจะทำให้ไม่สามารถควบคุมให้อินเวอร์เตอร์สตาร์ทหรือหยุดทำงานได้อย่างแม่นยำ และถ้าสายสัญญาณที่ควบคุมความเร็ว หลวมจะทำให้ความเร็วในการขับมอเตอร์เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา จะทำให้เครื่องจักรไม่ทำงานหรือเสียหายได้

          * ตรวจสอบทางกล เมื่อพิจารณาถึงขั้นตอนการตรวจสอบทางกลไก อย่ามองข้ามส่วนประกอบต่าง ๆ ที่อยู่ภายในอินเวอร์เตอร์ โดยต้องตรวจสอบพัดลมโดยดูที่แบริ่งว่ามีความเสียหายหรือเปล่า และมีวัตถุติดอยู่ที่พัดลมหรือไม่ โดยสังเกตฟังที่เสียงที่ผิดปกติและแกนของพัดลมเกิดการโยกและคลอนหรือไม่ ดังรูปที่ 5 และพิจารณารวมถึงการจับยึดของสกรู ว่าเกิดการคลายตัวหรือไม่

รูปที่ 5 แสดงวัตถุที่ติดอยู่ในแกนพัดลม

          * ตรวจสอบตัวเก็บประจุ ต่อมาทำการตรวจสอบตัวเก็บประจุที่ใช้กับบัสแรงดันกระแสตรง ว่ามีการโป่งและมีสารละลายใด ๆ รั่วซึมหรือเปล่า ซึ่งทั้งสองกรณีนี้สามารถสังเกตได้จากส่วนประกอบต่าง ๆ ซึ่งมีความเครียดทางไฟฟ้าเกิดขึ้นและการนำส่วนประกอบต่าง ๆ ไปใช้ผิดวิธี และในขณะเดียวกันการวัดแรงดัน ขณะใช้งานอินเวอร์เตอร์ การขึ้น ๆ ลง ๆ ในการวัดแรงดันกระแสตรงที่บัสสามารถแสดงถึงการเสื่อมสภาพของตัวเก็บประจุ ซึ่งหน้าที่อย่างหนึ่งของตัวเก็บประจุคือ ทำหน้าที่เป็นตัวกรองกระแสที่ออกมาจากวงจรเรกติไฟเออร์ให้เรียบ แรงดันกระแสสลับที่ผิดปกติที่เกิดบนบัสของแรงดันกระแสตรงเป็นตัวบอกว่าตัวเก็บประจุมีปัญหาเกิดขึ้น

          ส่วนอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ใช้สำหรับการสำรองอุปกรณ์ของอินเวอร์เตอร์ เราจะต้องเก็บให้อยู่ในสภาพแวดล้อมที่สะอาดและแห้ง ไม่มีไอน้ำ และจะต้องทำการบำรุงรักษาการป้องกันอุปกรณ์ทั้งหมด เพื่อให้มีสภาพพร้อมใช้งานอยู่ตลอดเวลา โดยเฉพาะตัวเก็บประจุจะต้องทำการทดสอบทุก ๆ 6 เดือน เพื่อรักษาตัวเก็บประจุไฟฟ้าให้มีความสามารถในการทำงานสูงสุด มิฉะนั้นความสามารถในการชาร์จประจุของมันจะลดลง และพึงระลึกอยู่เสมอว่า อย่าใช้งานมอเตอร์และอินเวอร์เตอร์เกินพิกัดของมัน

เอกสารอ้างอิง
          * อรุณชัย วงศ์วิศาลศรี, เรียบเรียงจาก Maintaining Variable-Frequency Drives by Dave Polka