• 18 October 2010
• Author: Administrator
• Tags: articles, technical
• 0 Comments Read 17880

มอเตอร์นับเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญสำหรับเครื่องจักรต่างๆ เนื่องจากการทำหน้าที่เป็นตัวต้นกำลัง โดยแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลเพื่อขับโหลดต่างๆ ความเสื่อมสภาพจากการใช้งานหรือความผิดปกติต่างๆที่เกิดขึ้น เนื่องจากโรเตอร์และสเตเตอร์ต้องรับแรงที่เกิดจากสนามแม่เหล็กอยู่ตลอดเวลา ความเสียหายที่เกิดขึ้นทางกล จากความร้อนและทางไฟฟ้าจะกระทบโดยตรงกับประสิทธิภาพในการทำงานและอายุการใช้งานของมอเตอร์

เทคโนโลยีในปัจจุบันที่นำมาใช้ตรวจสภาพหรือวิเคราะห์ความเสียหายมอเตอร์แบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือ การตรวจวิเคราะห์ที่ต้องทำขณะที่มอเตอร์หยุดทำงาน (Off-Load Inspection) และ การตรวจวิเคราะห์ที่ทำในขณะที่มอเตอร์ทำงาน (On-Load Inspection)

ในบทความนี้ จะขอเน้นถึง การตรวจวิเคราะห์ที่ทำในขณะที่มอเตอร์ทำงาน ที่ค่อนข้างใหม่สำหรับอุตสาหกรรมบ้านเรา แต่นิยมนำมาใช้กันมากในประเทศอุตสาหกรรมชั้นนำ เนื่องจาก ไม่จำเป็นต้องหยุดมอเตอร์เพื่อทำการตรวจสอบ ให้เสียเวลาในการผลิต, วิเคราะห์จากข้อมูลจริง ขณะทำงานจริง เช่น ความสั่นสะเทือนขณะทำงานที่โหลดจริง, อุณหภูมิจริงขณะทำงาน หรือ กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่โหลดจริงในช่วงนั้นๆ ทำให้สามารถประเมินสภาพปัจจุบันของมอเตอร์ได้ตรงความเป็นจริงมากที่สุด เพื่อวางแผนบำรุงรักษา แก้ไขได้ตรงกับปัญหาและสภาพนั้นๆ ได้อย่างเหมาะสม และทันท่วงที เป็นต้น เทคโนโลยีในปัจจุบันที่นำมาใช้ตรวจสภาพหรือวิเคราะห์ความเสียหายมอเตอร์ที่ทำในขณะที่มอเตอร์ทำงาน ได้แก่ การวัดและวิเคราะห์ความสั่นสะเทือน การวัดและวิเคราะห์อุณหภูมิ การวัดและวิเคราะห์กระแสไฟฟ้าและเส้นแรงแม่เหล็ก การวัดและวิเคราะห์ความสั่นสะเทือน กระแสไฟฟ้าและเส้นแรงแม่เหล็ก อาศัยการแยกความถี่จากสัญญาณที่วัดจากเซ็นเซอร์ เพื่อนำมาหาสาเหตุของความผิดปกติ ส่วนการวัดและวิเคราะห์อุณหภูมิ เป็นการประเมิณสภาพความผิดปกติต่างๆที่ให้ผลออกมาในรูปของความร้อนเพื่อหลีกเลี่ยงหรือป้องการการใช้งานในสภาวะอุณหภูมิสูงเกิน (Over heat) ซึ่งอาจนำไปสู่การเสื่อม ไหม้ของฉนวนหรือแบริ่งเสียหายเนื่องจากขาดสารหล่อลื่นและปัญหาอื่นๆที่อาจเกิดขึ้นตามมา ผลกระทบที่เกิดจากการสั่นสะเทือนที่เห็นได้ชัดเจนคือการหลวมคลอนของชิ้นส่วนต่างๆ เช่นแบริ่ง ขดลวด การแตกร้าวของฉนวนที่นำไปสู่การลัดวงจร ผลกระทบจากความร้อน อุณหภูมิเพิ่ม (Temperature rise) ของมอเตอร์นำไปสู่การเสื่อมของฉนวน สารหล่อลื่นมีความหนืดลดลงอาจทำให้แบริ่งเสียหายเนื่องจากการขาดสารหล่อลื่น ผลกระทบทางไฟฟ้า เช่นกระแสและแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล แรงดันตกหรือเกิน การหลวมของจุดต่อ การลัดวงจรภายในขดลวด การแตกร้าวของตัวนำโรเตอร์ นำไปสู่ความร้อนหรือการสั่นสะเทือนในที่สุด ปัญหาจากกระแสที่ไหลผ่านแกนเพลาที่เรียกว่า Shaft current สามารถสร้างความเสียหายแก่แบริ่งได้เมื่อกระแสนี้ไหลผ่านแบริ่ง นอกจากวิธีการที่กล่าวมา ยังมีวิธีการทดสอบและตรวจสอบมอเตอร์ด้วยการวัดค่าพารามิเตอร์ต่างๆของมอเตอร์เพื่อวิเคราะห์สภาพของมอเตอร์ ซึ่งต้องทำในขณะมอเตอร์หยุดทำงาน เช่น วัดสภาพการเป็นฉนวนไฟฟ้า ด้วยวิธี Polarization Index และ Step voltage test การไม่สมดุลของค่าความเหนี่ยวนำ ความต้านทานของขดลวดในแต่ละเฟส การทดสอบค่าความต้านทานแม่เหล็กระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ ทั้งนี้การวัดและทดสอบเหล่านี้ ส่วนใหญ่จะกระทำภายหลังจากการซ่อมหรือติดตั้งมอเตอร์ ซึ่งบทความนี้จะขอนำเสนอปัญหา สาเหตุและลักษณะความผิดปกติที่เกิดขึ้น หรือกำลังจะเกิดขึ้น ที่สามารถตรวจวิเคราะห์ จากความสั่นสะเทือน อุณหภูมิ กระแสไฟฟ้าและเส้นแรงแม่เหล็ก รวมถึงกระแสเหนี่ยวนำที่แกนเพลา ในขณะที่มอเตอร์นั้นๆ ยังทำงานได้อยู่ ในการออกแบบมอเตอร์ ผู้ผลิตมักลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์ลงและเพิ่มความยาวให้มากฃึ้นเพื่อลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานของมอเตอร์ เมื่อโรเตอร์ยาวขึ้นความร้อนที่เกิดขึ้นจากการทำงานซึ่งแปรผันตามโหลดอาจทำให้แกนเหล็กโรเตอร์และสเตเตอร์มีโอกาสคดงอได้

นอกจากออกแบบแล้ว การใช้งานก็เป็นอีกสาเหตุหนึ่งที่สำคัญที่ทำให้โรเตอร์คดงอได้ เช่นจากการสตาร์ทมอเตอร์ภายใต้ภาวะโหลดหนักอยู่บ่อยครั้ง ซึ่งตัวนำโรเตอร์ที่อยู่ภายใต้ขั้วแม่เหล็กจะมีกระแสไหลผ่านจำนวนมากจะเกิดความร้อนสูงกว่าตัวนำอื่นๆ ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอบนโรเตอร์นี้ที่ทำให้โรเตอร์โก่งหรือคด นำไปสู่ภาวะไม่สมดุลทางกล (1x) ซึ่งเมื่อมอเตอร์เย็นตัวปัญหานี้จะหายไป

ช่องอากาศ (Air gap) คือช่องว่างระหว่างผิวด้านในสเตเตอร์ถึงผิวโรเตอร์ ซึ่งในการออกแบบมอเตอร์ ผู้ผลิตพยายามออกแบบให้ช่องอากาศมีความสมมาตรหรือสม่ำเสมอตลอดเส้นรอบวงของโรเตอร์ มอเตอร์เหนี่ยวนำขนาดใหญ่จะมีค่าความไม่สมมาตรอยู่ที่ 5-10%

ปัญหาช่องอากาศไม่สมมาตร (Uneven or eccentric) อาจมีมากขึ้นจากการซ่อม การประกอบ รวมถึงการติดตั้งทีไม่เหมาะสม เช่นการขันยึดระหว่างแท่นมอเตอร์และฐานรองที่ไม่ได้ระดับกันทำให้สเตเตอร์บิดตัวเกิดปัญหาช่องอากาศไม่สมมาตรขึ้นได้

เมื่อเกิดภาวะไม่สมมาตรหรือสม่ำเสมอของช่องอากาศผลที่ตามมาคือกระแสไหลในตัวนำไม่สมดุลและแรงบิดไม่สมดุลบนโรเตอร์ เกิดการสั่นสะเทือนขึ้นซึ่งมีความถี่แปรตามสนามแม่เหล็กหมุน (Rotating magnetic field) ที่ความถี่100Hz หรือสองเท่าของความถี่ไฟฟ้า แรงบิดที่เกิดขึ้นจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ ดังนั้นการไม่สมมาตรของช่องอากาศเพียงเล็กน้อยก็ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนที่รุนแรงได้

การวัดความไม่สมมาตรของช่องอากาศอาจใช้วิธีติดตั้งอุปกรณ์วัดระยะช่องอากาศที่ติดตั้งผ่านช่องที่เจาะผ่านตัวเรือนของแบริ่ง ผู้ผลิตมอเตอร์บางรายอาจเตรียมช่องดังกล่าวเอาไว้ให้แล้ว แต่ส่วนมากการใช้เครื่องมือวัดเช่น Analyzer จะเป็นวิธีที่สะดวกและให้ความถูกต้องมากกว่าวิธีอื่น การเผาขดลวดเพื่อรื้อขดลวดมาพันใหม่ที่ไม่มีการควบคุมอุณหภูมิ อาจทำให้แผ่นโลหะบาง Laminate ที่ประกอบเป็นแกนเหล็กสเตเตอร์เกิดการผิดรูปไป หรืออาจทำให้ฉนวนเคลือบแผ่น Laminate ชำรุดเสียหาย หรือการนำเอาขดลวดที่เผาออกจากร่องสล็อตที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้ร่องสล็อตบิดหรือแยกออก และการเผาอาจทำให้โครงเหล็กสเตเตอร์บิดและขยายตัว กระแสไลวน (Eddy current) ที่เกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำบนแผ่นlaminateที่วางชิดกันอาจลัดวงจรหากัน เกิดประกายไฟและความร้อนขึ้น การผิดรูปของแกนเหล็กจะทำให้เกิดปัญหาช่องอากาศไม่สมมาตรตามมา
การเปลี่ยนแปลงโหลดหรือแรงดันไฟฟ้าอย่างฉับพลันทำให้โรเตอร์มีอุณหภูมิสุงขึ้นและขยายตัว (กระแสเพิ่มขึ้นฉับพลัน) บางครั้งโรเตอร์ก็อาจคลอนไปมาบนเพลาได้ เกิดการสั่นสะเทือนความถี่1x และฮาร์โมนิกส์ขึ้น ซึ่งมักเกิดขึ้นในช่วงที่อุณหภูมิเปลี่ยน กรณีรูปทรงของโรเตอร์ไม่สมมาตร จะเกิดแรงไม่สมดุลทางแม่เหล็กที่เรียกว่า Pole pas frequency: FP ปรากฏเป็น side band อยู่รอบๆความถี่ 1x โดย
FP = ความถี่ลื่นไถล X จำนวนขั้วแม่เหล็ก …Hz
ความถี่ลื่นไถล (Slip frequency) = (ความเร็วสนามแม่เหล็กหมุน – ความเร็วโรเตอร์) / 60 …Hz
และ ความเร็วสนามแม่เหล็กหมุน (Rotating magnetic field) = 120 x ความถี่ / จำนวนขั้วแม่เหล็ก …RPM

กรณีถ้าขดลวดบนสเตเตอร์เกิดหลวมเล็กน้อย จะทำให้เกิดความถี่สั่นสะเทือนที่ 100Hz รุนแรงมากขึ้น ยิ่งทำให้เกิดปัญหาการแตกหลุดของฉนวนของขดลวด ซึ่งนำไปสู่การลัดวงจรของขดลวด การลัดวงจรลงกราวน์และสเตเตอร์เสียหายในที่สุด การเสียหายหลักของมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ คือการร้าว (Crack) ซึ่งผลที่ตามมาคือความร้อนและการแตกหักของตัวนำที่โรเตอร์ โดยเฉพาะมอเตอร์ที่สตาร์ทในขณะมีโหลดบ่อยครั้ง การสตาร์ทมอเตอร์แต่ละครั้งจะก่อให้เกิดความเครียดบนตัวนำโรเตอร์ เนื่องจากมีกระแสไหลผ่านตัวมันสูงสุดในขณะที่มอเตอร์เริ่มเดินต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัส กระแสที่ไหลผ่านตัวนำจำนวนมากก่อให้เกิดความร้อนและการขยายตัวของตัวนำโรเตอร์ ซึ่งทำให้ความต้านทานไฟฟ้าในแต่ละตัวนำแตกต่างกัน ส่งผลให้เกิดความร้อนไม่เท่ากันและการขยายตัวที่ไม่เท่ากัน นำไปสู่การแตกร้าวของจุดต่อที่เชื่อมระหว่างตัวนำและแหวนลัดวงจรด้านหัวและท้ายของโรเตอร์

ในขณะเดียวกันการแตกร้าวของตัวนำก็ยิ่งทำให้ความต้านทานไฟฟ้าของตัวนำเพิ่มขึ้น กระแสจำนวนมากที่ไหลผ่านก็ทำให้เกิดความร้อนสูงมากขึ้นและเกิดการแตกร้าวมากขึ้นอีก ในขณะเดียวกันตัวนำอื่นใกล้เคียงก็ต้องรับภาระกระแสที่สูงขึ้นแทนตัวนำที่แตกที่มีกระแสไหลน้อยลงตามความต้านทานที่มากขึ้น เกิดความร้อนภายในตัวโรเตอร์และโรเตอร์คดในที่สุด การสั่นสะเทือนในมอเตอร์กระแสตรงอาจเกิดได้จากการผิดรูปหรือเกิดหลุมที่ซี่คอมมิวเตเตอร์ หรือหน้าแปรงถ่าน(Brush) และซี่คอมมิวเตเตอร์ (Segment) สัมผัสกันไม่สนิท ความถี่ที่เกิดขึ้นจะเรียกว่า Segment pass frequency ซึ่งSegment pass frequency = เท่ากับความถี่ในการหมุนของมอเตอร์ x จำนวนซี่คอมมิวเตเตอร์

ในระบบควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์สำหรับมอเตอร์กระแสตรงขนาดใหญ่ที่มักใช้อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่เรียกว่า Silicon Controlled Rectifiers (SCRs) ในการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (Rectifier) ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวจะสร้างแรงดันกระแสตรงที่มีการระรอก (Ripple) ที่มีความถึ่ 3เท่า (Half wave) และ 6เท่าของความถี่ไฟฟ้า (Full wave) ตามลักษณะวงจร เมื่อกระแสไฟฟ้าเหล่านี้ป้อนเข้าสู่มอเตอร์จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนที่ความถี่ดังกล่าว การใช้งานมอเตอร์ที่มีความร้อนสูงเป็นเวลานาน ทำให้อายุการใช้งานของมอเตอร์ลดลง ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเพิ่ม(Temperature rise) ที่ยอมรับได้ของฉนวนขดลวดและอุณหภูมิของแบริ่ง เนื่องจากค่าอุณหภูมิเพิ่มทุก10องศา จะทำให้อายุการใช้งานของฉนวนลดลงครึ่งหนึ่ง และความร้อนสูงยังส่งผลกับความหนืด(Viscosity) ของสารหล่อลื่นในแบริ่ง อาจทำให้แบริ่งเสียหายจากการขาดสารหล่อลื่นได้เร็วขึ้น ดังนั้นการวัดอุณหภูมิเพื่อป้องกันการใช้งานมอเตอร์ขณะเกิดความร้อนสูงเป็นเวลานานเป็นสิ่งที่ควรกระทำ

ตามมาตรฐาน IEC 85 ได้แบ่งฉนวนออกเป็นคลาส ดังตัวอย่างในตารางที่1 หมายเหตุ

1 °C (เซลเซียส) เท่ากับ 1°K (เคลวิน) มาตรฐาน ISO ได้ระบุหน่วยองศาจากการวัดเป็นเซลเซียส และความแตกต่างของอุณหภูมิเป็นเคลวิน

ค่าเผื่อทางอุณหภูมิ เป็นค่าที่เผื่อไว้ระหว่างอุณหภูมิเฉลี่ยของขดลวดและอุณหภูมิ ณ จุดร้อนที่สุด (Hottest point) โดย อุณหภูมิเพิ่มสูงสุดที่ยอมรับได้ = อุณหภูมิสุงสุด – อุณหภูมิห้องสูงสุด – ค่าเผื่อ

อุณหภูมิเพิ่มทุก10องศา คิดจากอุณหภูมิห้องสูงสุด40องศา ทำให้อายุของฉนวนลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง โดยอายุการใช้งานของฉนวนสัมพันธ์กับอุณหภูมิเพิ่มดังรูปที่4

การวัดอุณหภูมิแบบเปรียบเทียบแนวโน้ม(Trending) เป็นวิธีที่สะดวก รวดเร็วในการประเมินสภาพความร้อนสูงเกิน (Over heat) ในมอเตอร์ สาเหตุหลักของความร้อนสูงเกิน เกิดจากการใช้งานเกินพิกัด แบริ่งยึดติดและการเยื้องศูนย์ (Misalignment) นอกจากนี้ความผิดปกติอื่นๆที่อาจก่อให้เกิดความร้อนสูงเกินได้คือการระบายความร้อนที่จำกัด อุณหภูมิบรรยากาศโดยรอบสูง อัตราการใช้งาน (Duty cycle) ที่มากเกินไป และแหล่งจ่ายไฟผิดปกติ เช่น แรงดันตก เกินหรือไม่สมดุล

การวัดอุณหภูมิควรทำในขณะมอเตอร์อยุ่ในภาวะคงตัว(Steady state) โดยตำแหน่งวัดอุณหภูมิต่างๆที่แนะนำ 4 มีอยู่ 7ตำแหน่งด้วยกันคือ 3 จุดบริเวณผิวด้านข้างของมอเตอร์ บริเวณแบริ่งทั้งสองด้าน บริเวณกล่องต่อสายและบริเวณประกับโหลด (Coupling) การวัดอุณหภูมิยังมีปัจจัยต่างๆที่มีผลกับการวิเคราะห์ เช่นโหลด อุณหภูมิห้อง ความร้อนจากรังสีจากดวงอาทิตย์ และตำแหน่งที่วัด อุณหภูมิเพิ่มเป็นผลของกำลังสูญเสียต่างๆเช่น แรงเสียดทาน (Bearing friction) แรงลมต้านการหมุน (Windage) ความสูญเสียในแกนเหล็ก (Core loss) การสูญเสียในขดลวด (Copper loss หรือ I²R loss) และ Stray load loss ซึ่ง Stray load loss และ Copper loss จะขึ้นอยู่กับโหลด โดยการสูญเสียในขดลวดถือว่ามีมากที่สุดและอยู่ในรูปของความร้อน ดังนั้นในการวิเคราะห์ปัญหาความร้อนแบริ่งและที่ผิวของมอเตอร์แบบแนวโน้มจึงจำเป็นต้องนำสภาวะโหลดมาพิจารณาด้วย

สิ่งที่ต้องตระหนักคืออุณหภูมิห้องยิ่งสูง ทำให้ผิวของมอเตอร์มีอุณหภูมิสูงขึ้นตาม นอกจากนี้ความร้อนจากรังสีดวงอาทิตย์ขณะใช้งานภายใต้แสงแดด สี ความหนาและคุณสมบัติของโลหะก็ส่งผลกับอุณหภูมิผิวที่วัดได้ เพื่อหลีกเลี่ยงหรือลดผลกระทบดังกล่าว การวัดอุณหภูมิผิว ควรวัดในตำแหน่งที่ไม่ได้รับแสง และอยู่ต่ำกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางในแนวนอน4

อีกปัจจัยที่สำคัญ ที่มีผลต่ออุณหภูมิผิวคือตำแหน่งวัด โดยทั่วไปตำแหน่งที่มีอุณภูมิสูงสุดคือตำแหน่งที่มีมวลมากสุดและการระบายความร้อนทำได้น้อยสุด4 ดังนั้นในมอเตอร์แบบเปิด (Open enclosure) ตำแหน่งที่อุณหภูมิสูงที่สุดจะอยู่ที่กลางมอเตอร์ ในขณะที่มอเตอร์แบบปิด (Totally enclose) ตำแหน่งที่อุณหภูมิสูงที่สุดคือตำแหน่งใดก็ตามที่อยู่ระหว่างกึ่งกลางถึงตำแหน่งที่ได้รับลมระบายความร้อนจากพัดลมน้อยที่สุด อุณหภูมิมอเตอร์รอบแนวรัศมีจะแตกต่างกันออกไปตามลักษณะการระบายความร้อน รวมถึงระยะห่างของสเตเตอร์กับตัวเรือนมอเตอร์จะมีค่าไม่เท่ากันตลอดแนวรัศมีมอเตอร์ ยิ่งสเตเตอร์อยู่ห่างจากโครงมอเตอร์น้อยเท่าใด ค่าที่วัดได้ก็จะคงที่และถูกต้องมากขึ้น ในการวัดอุณหภูมิผิวแบบเปรียบเทียบแนวโน้ว ควรทำการวัดในตำแหน่งเดิมหรือใกล้เคียงกับตำแหน่งเดิมทุกครั้ง และควรเลือกวัดในตำแหน่งที่สเตเตอร์อยู่ใกล้กับโครงมอเตอร์มากที่สุด

ในการพิจารณาอุณหภูมิเพิ่มของมอเตอร์สำหรับการวิเคราะห์แบบเปรียบเทียบแนวโน้ม เพื่อชดชยผลของอุณหภูมิห้องและสภาวะโหลด ค่าอุณหภูมิเพิ่มหลังชดเชยผลของโหลด (Normalized temperature rise) จะเป็นดังนี้



ซึ่ง TN คือ Normalized temperature rise
Tpt คืออุณหภูมิที่วัดได้
Tamb คืออุณหภูมิบรรยากาศ
%load คือร้อยละของโหลดขณะทำการวัดเทียบกับโหลดสูงสุดของมอเตอร์

ในการวิเคราะห์แบบแนวโน้ม การเพิ่มขึ้นของค่า Normalized temperature rise แสดงถึงความผิดปกติและความรุนแรงของปัญหา อุปกรณ์เซ็นเซอร์ที่ใช้วัดกระแสที่ใช้คือหม้อแปลงกระแสโดยมีแบบต่างๆกันดังรูปที่6 ตัวนำโรเตอร์ (Rotor bar) เมื่อเคลื่อนที่อยุ่ในสนามแม่เหล็กจะกำเนิดความถี่ที่เรียกว่า Pole pass frequency (FP ) ปรากฏอยู่ใน Spectrum ของกระแส โดยสนามแม่เหล็กหมุนที่สเตเตอร์ (Rotating magnetic field) จะเคลื่อนที่เร็วกว่าโรเตอร์ และโรเตอร์เคลื่อนที่ตามการหมุนของสนามแม่เหล็กหมุนในลักษณะไถล แสดงว่าขั้วแม่เหล็กทั้งหมดของสนามแม่เหล็กหมุนที่สเตเตอร์จะเลื่อนตัดตัวนำใดๆบนโรเตอร์ด้วยความเร็วลื่นไถล (Slip speed) โดยความถี่ที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า Pole pass frequency: FP

FP = ความถี่ลื่นไถล X จำนวนขั้วแม่เหล็ก

Pole pass frequency จะเกิดขึ้นตามปกติและปรากฏอยู่โดยรอบความถี่หลัก 50Hz ในลักษณะ Side band (การวัดสัญญาณสั่นสะเทือน ความถี่นี้จะปรากฏเป็น Side band รอบๆความถี่1x) โดยขนาดแอมปลิจูดเมื่อเปรียบเทียบกับความถี่หลัก (Line frequency) จะใช้บอกความรุนแรงของความผิดปกติ โดยจากรูปทึ่7 ถ้าขนาด Pole pass frequency น้อยกว่า ขนาด Spectrum ของความถี่หลัก (50Hz) 54 dB แสดงว่าโรเตอร์สภาพเป็นปกติ แต่ถ้าน้อยกว่า 45 dB แสดงว่าโรเตอร์เริ่มเสียหาย เช่นจุดต่อต่างๆหลวมทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น หรือตัวนำแตกร้าวเป็นต้น
Eccentricity หรือความไม่สมมาตรของช่องอากาศ แบ่งได้ 2 แบบ คือ Static และ Dynamic ความไม่สมมาตรแบบ Static แนวการเยื้องศูนย์ของโรเตอร์และสเตเตอร์จะขนานกัน โดยช่องอากาศจะไม่เปลี่ยนแปลงตามการหมุนของโรเตอร์ ส่วนแบบ Dynamic ช่องอากาศจะเปลี่ยนไปตามการหมุนของโรเตอร์เช่นกรณีโรเตอร์คดหรือบิด และไม่ว่าจะเป็นการไม่สมมาตรแบบใดก็ตาม การที่ช่องอากาศไม่สม่ำเสมอตลอดเส้นรอบวงหรือรัศมีมอเตอร์มีผลให้เส้นแรงแม่เหล็กในช่องอากาศไม่สมดุล กระแสที่เหนี่ยวนำขึ้นไม่สมดุล รวมถึงแรงบิดที่เกิดก็ไม่สมดุลด้วยซึ่งสิ่งเหล่านี้เห็นได้ใน Spectrumในรูป Side band ฮาร์โมนิกส์อันดับคี่ของความถี่หลัก 50Hz โดยความถี่ Side band เหล่านี้จะเกิดอยู่รอบๆความถี่ Eccentricity frequency (FECC) โดย
FECC = (จำนวนตัวนำโรเตอร์ X ความเร็วโรเตอร์) / 60 ในการวิเคราะห์ปัญหาทางกล การเปลี่ยนแปลงของโหลดของมอเตอร์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของกระแสที่ไหลและเส้นแรงแม่เหล็กในลักษณะเดียวกัน เราสามารถนำสัญญาณเหล่านี้มาแยกความถี่ (Demodulation) ของการเปลี่ยนแปลงโหลดออกจากความถี่ไฟฟ้าหลัก 50Hz
ความถี่ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของโหลด เช่นความถี่ไม่สมดุล ความถี่ของการเยื้องศูนย์ ความถี่สายพาน และความถี่แบริ่ง จะรวม (Modulate) กับความถี่ไฟฟ้าหลัก ดังนั้นเมื่อแยกความถี่หลัก 50Hz ออกจากความถี่ทั้งหมด เราก็จะพบความถี่ผิดปกติต่างๆที่รวมอยู่

ปัจจุบันมีเครื่องมือที่ใช้การ Demodulate มาช่วยวิเคราะห์ปัญหาทางกลด้วย เช่น MCEmax ของบริษัท PdMA Corporation การแยกความถี่หลักออกทำให้ทราบความเร็วของมอเตอร์ ความถี่ Pole pass ความถี่เปลี่ยนแปลงทางกล ความถี่จากการ reflect ต่างๆ ซึ่งความถี่เหล่านี้จะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของโหลดที่เกิดจากชิ้นส่วนต่างๆเช่น สายพาน ฟันเฟือง ปั๊ม พัดลมและอุปกรณ์อื่นๆ

จากรูปที่8 และ9 แสดงความถี่ของกระแสมอเตอร์ที่ผ่านการแยกความถี่ไฟฟ้าหลักออกไป ของมอเตอร์ 6 pole ทำงานที่ความถี่ 60Hz โดยรูปที่9 แสดงความถี่ไม่สมดุลและเยื้องศูนย์ ส่วนรูปที่10 แสดงความถี่หลังแก้ไขปัญหาแล้ว ความถี่ของสายพานที่ปรากฏใน Spectrum เป็นดังสมการ

Belt Frequency = 3.142 (D/L) X (RPM/60)

D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของมู่เลย์ด้านมอเตอร์: เมตร
L คือความยาวของสายพาน: เมตร
RPM คือความเร็วมอเตอร์: รอบ/นาที

จากรูปที่11 และ 12 แสดงความถี่สายพานที่ 8.18Hz ก่อนแก้ไขและหลังแก้ไขตามลำดับ ความถี่ที่เกิดจากใบพัดลมหรือใบจักร แสดงได้ดังสมการ

Fan/Pump Blade pass frequency: FP = (จำนวนใบ x ความเร็วในการหมุน) / 60

รูปที่13 และ 14 แสดงการเปรียบเทียบความรุนแรงของปั๊มป์ประเภทเดียวกัน โดยรูปที่12 คือค่าที่วัดได้จากปั๊มป์หลายๆตัว และรูปที่ 13 จากปั๊มป์ที่คิดว่าใบจักรมีปัญหา
การหลวมของ Bolt ยึดแท่นมอเตอร์ Soft foot หรือการบิดของแผ่นรอง นำไปสู่ปัญหาช่องอากาศไม่สมมาตร ปัญหาการติดตั้งไม่เหมาะสม เมื่อมีการขยายตัวทำให้โครงมอเตอร์บิดซึ่ง ปัญหาการหลวมคลอนนี้จะสร้างความถี่ 0.5x ของความถี่ในการหมุนมอเตอร์ โดยระดับแอมปลิจูดจะแปรตามความรุนแรงของปัญหา ความถี่ผิดปกติของแบริ่งจะขึ้นอยู่กับขนาดและการออกแบบ โดยความถี่ต่างๆแสดงดังตารางที่2

Bd คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของลูกปืน
Pd คือ Pitch diameter ของแบริ่ง
n คือ จำนวนลูกปืน
θ คือ Contact Angle

ข้อมูลต่างๆสามารถหาได้จากคู่มือของผู้ผลิต รวมถึงความถี่ต่างๆ อย่างไรก็ดีเราสามารถประมาณค่าความถี่คร่าวๆจาก

Outer race fault = จำนวนเม็ดลูกปืน X (RPM/60) X (0.4)
Inner race fault = จำนวนเม็ดลูกปืน X (RPM/60) X (0.6)
Fundamental Train Frequency = (0.4) X (RPM/60)

อย่างไรก็ตามควรตรวจสอบสภาพที่แท้จริงของแบริ่งจากการวัดการสั่นสะเทือนร่วมด้วย

การวัดเส้นแรงแม่เหล็กเพื่อนำสัญญาณมาวิเคราะห์ความถี่ อาศัยปรากฏการณ์ที่เส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจากกระแสไฟฟ้ามีความไม่สมดุลอยู่บ้างเล็กน้อยตามปกติทำให้การวัดเส้นแรงแม่เหล็กสามารถทำได้ตามตำแหน่งต่างๆรอบมอเตอร์

จากการศึกษาของ Stewart V. Bowers(6) จาก CSI พบว่าความผิดปกติต่างๆของมอเตอร์ที่ส่งผลกับการเปลี่ยนแปลงของเส้นแรงแม่เหล็กในการวัดเปรียบเทียบโดยติดตั้ง Flux coil ในแนว รัศมีแนวนอน แนวตั้ง และแนวแกนตรงจุดศูนย์กลางด้านท้ายมอเตอร์ พบว่าความผิดปกติต่างๆจะทำให้เส้นแรงแม่เหล็กที่วัดในแนวแกนมีการเปลี่ยนแปลงมากที่สุด ในขณะที่การวัดในแนวรัศมีทั้งแนวนอนและแนวตั้งพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงน้อยมาก แต่จากการทดลองพบว่าความผิดปกติจากแรงดันไม่สมดุลจะสามารถพบได้จากการวัดในแนวรัศมีเช่นกันแต่น้อยกว่าแนวแกนอยู่พอสมควร บางตำแหน่งสามารถให้ค่าที่ดีกว่าแนวอื่นแต่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งการติดตั้ง Flux coil และขึ้นอยู่กับมอเตอร์แต่ละตัว

นอกจากนี้ยังมีปัจจัยที่สำคัญส่งผลกับพารามิเตอร์ของมอเตอร์ซึ่งจะสัมพันธ์กับค่าความรุนแรงโดยรวม (Overall) ของสัญญาณจากการวัดเส้นแรงแม่เหล็ก คือโหลดของมอเตอร์และสภาวะแรงดันไม่สมดุล ตัวแปรทั้งสองจะส่งผลให้พารามิเตอร์ของมอเตอร์เปลี่ยนไป

ความผิดปกติจากแรงดันไม่สมดุลจะปรากฏใน Spectrum โดยมีความถี่หลักบวกกับความถี่ในการหมุนของมอเตอร์คูณจำนวนขั้วแม่เหล็กหารสอง (LF + NP/2) แม้การไม่สมดุลของแรงดันจะเกิดขึ้นเล็กน้อยก็ตาม จากการทดลองกับมอเตอร์ 50 แรงม้าพบว่า ที่แรงดันไม่สมดุล 3% จะทำให้ขนาดแอมปลิจูดของความถี่ LF + NP/2 เปลี่ยนไป 0.61%

ในการวัดเปรียบเทียบดูแนวโน้ม ปัจจัยที่กล่าวมาจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งกับความถูกต้องของข้อมูลในการนำไปวิเคราะห์ จากการศึกษาพบว่าสภาวะโหลดควรแตกต่างกันไม่เกิน 10 ถึง 15% ในการเปรียบเทียบแนวโน้ม และตำแหน่งที่วัดควรเป็นตำแหน่งเดิมทุกครั้ง

การวัดเส้นแรงแม่เหล็ก จะไม่มีบรรทัดฐานในการบอกความรุนแรงของปัญหา ต้องอาศัยการเปรียบเทียบค่ากับค่าอ้างอิง (Base line) ของมอเตอร์ที่มีอาการปกติ ดังนั้นการวัดแบบดูแนวโน้มจึงเป็นช่องทางหนึ่งในการตรวจดูสภาพความเสื่อมและแนวโน้มของปัญหาของมอเตอร์

ความถี่ที่ปรากฏใน Spectrum ส่วนใหญ่จะสัมพันธ์กับความเร็วรอบของมอเตอร์ซึ่งคล้ายกับ Spectrum ของกระแส ข้อมูลที่ได้จากการวัดจะช่วยให้สามารถตรวจสอบความผิดปกติของโรเตอร์และสเตเตอร์ได้ตั้งแต่เบื้องต้น โดยจำนวนความถี่ Side band จะบอกความรุนแรงของปัญหา

ความผิดปกติที่สามารถตรวจวัดได้ทางเส้นแรงแม่เหล็กด้วย Flux coil จะคล้ายกับการวัดกระแส เช่น ตัวนำโรเตอร์ชำรุด แรงดันไม่สมดุล และความผิดปกติกับสเตเตอร์ ข้อมูลที่วัดได้ทั้งหมดจะปรากฏที่ย่านความถี่ต่ำ โดยทั่วไปประมาณ 200Hz ความถี่ปรากฏใน Flux spectrum จะมีสิ่งที่บอกถึงความผิดปกติบนสเตเตอร์คือ ระดับแอมปลิจูดของ Side band ที่ความถี่ในการหมุนของมอเตอร์ (1x) รอบๆความถี่หลัก 50Hz และ แอมปลิจูดของความถี่หลัก จากรูปทึ่18 เป็น Spectrum ของมอเตอร์ปกติ และรูปที่19 เป็น Spectrum ของมอเตอร์ที่ขดลวดสเตเตอร์ลัดวงจรระหว่างรอบ จะเห็นว่าแอมปลิจูดของ Side band รอบๆความถี่หลักมีขนาดเพิ่มขึ้นเมื่อมีการลัดวงจร ความถี่ที่สัมพันธ์กับปัญหาที่โรเตอร์ คือ Pole pass frequency: FP ซึ่งปรากฏเป็น Side band อยู่รอบๆความถี่ 1x โดย

FP = ความถี่ลื่นไถล X จำนวนขั้วแม่เหล็ก

ในการวิเคราะห์จำเป็นต้องวิเคราะห์กระแสร่วมด้วย แอมปลิจูดของ Side band อาจมีค่ามากตามตำแหน่งการติดตั้ง flux coil ซึ่งอาจแตกต่างเมื่อเทียบกับ Spectrum กระแสซึ่งแอมปลิจูดของ Side band มักจะต่ำกว่าแอมปลิจูดความถี่หลัก 50Hz อย่างไรก็ตามเมื่อเกิดปัญหาที่โรเตอร์แอมปลิจูดของ Side band ของการวัดทั้งสองแบบก็จะเพิ่มขึ้นเหมือนกัน แต่ถ้าแอมปลิจูดของ Side band จากการวัดกระแสไม่เพิ่มขึ้นแต่เพิ่มขึ้นจากการวัดเส้นแรงแม่เหล็ก แสดงว่าปัญหาเกิดที่สเตเตอร์ และจากการศึกษาของบริษัท CSI พบว่าแอมปลิจูดของความถี่หลัก 50Hz จะเพิ่มขึ้นถ้าปัญหาลัดวงจรระหว่างรอบของขดลวดมีมากขึ้นจากการวัดในแนวแกน แรงดันไม่สมดุลจะทำให้ลักษณะเส้นแรงแม่เหล็กในวงจรแม่เหล็กไม่สมดุล จากที่กล่าวข้างต้น แอมปลิจูดของความถี่ LF + NP/2 ที่เกิดขึ้นจะแปรตามแรงดันไม่สมดุล

เส้นแรงแม่เหล็กบางส่วนที่เกิดจากความไม่สมมาตรของแกนเหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่แกนเพลามอเตอร์ เกิดกระแสไหลระหว่างสเตเตอร์ โรเตอร์และโครงมอเตอร์ครบวงจรโดยผ่านแบริ่ง จากงานวิจัยพบว่ากระแสที่แกนเพลาเกิดจากหลายสาเหตุ คือ แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic) ไฟฟ้าสถิตย์ (Electrostatic) แรงดันภายนอกที่จ่ายให้โรเตอร์หรืออาเมเจอร์ของมอเตอร์กระแสตรง และเส้นแรงแม่เหล็กกระจายตัวไม่สมมาตรจากการวางขดลวด กระแสจากไฟฟ้าสถิตย์มักพบในเครื่องกังหันไอน้ำ (Steam turbine)จากอิเล็กตรอนที่เกิดจากไอน้ำวิ่งผ่านผิวใบจักร เครื่องจักรที่ใช้สายพานขับและ Wet gas compressor ก็มักจะพบปัญหานี้ ในการวัดกระแสที่แกนเพลา4 จะใช้ Shaft brush ต่อออกมาจากเพลาผ่านตัวต้านทาน 1 โอห์มที่ต่ออนุกรมมายังกราวนด์และวัดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน แรงดันที่วัดได้จะขึ้นอยู่กับความต้านทานของกราวน์กับแบริ่ง โดยแรงดันจะมีองค์ประกอบต่างๆเช่น กระแสตรงรวมกับกระแสสลับที่มีความถี่มอเตอร์หมุนปรากฏเป็น Side band ของความถี่หลัก แต่ไม่มีต่ำสุดของแรงดันที่แน่นอน (Threshold) มาตรฐาน IEEE 112-1991 ได้แนะนำว่าให้วัดค่ายอดสูงสุดของแรงดันกระแสตรงรวมกับค่ายอดสูงสุดของแรงดันกระแสสลับความถี่หลัก แต่ในมาตรฐานไม่ได้ระบุระดับสูงสุดของแรงดันไว้ว่าควรเป็นเท่าใด นอกจากนี้ ในการวัดการสั่นสะเทือนก็สามารถตรวจวัดกระแสแกนเพลาได้เช่นกัน งานวิจัยที่อ้างอิงโดย David Kowal(8) ได้กล่าวว่า ราว 8% ของการเสียหายของแบริ่งทั้งหมดเกิดจากการเหนี่ยวนำ และ 25% สำหรับมอเตอร์ที่ปรับความเร็วโดยวิธี Electronic switching โดยในงานวิจัยระบุว่ากลุ่มความถี่ของพลังงานนี้อยู่ในช่วง 2000 – 4000 Hz และจะพบความถี่ Side band เท่ากับความถี่ BPFO หรือBPFI ของแบริ่งอยู่รอบๆ ดังในรูปที่23

จากการศึกษา(8) ในบางกรณีการเกิดขึ้นของความถี่ที่เกิดจากการ Electric discharge อาจไม่ได้เกิดขึ้นที่ช่วงดังกล่าว เช่นมอเตอร์ที่มีอุปกรณ์ปรับความเร็ว เกิดขึ้นที่ราว 80 เท่าของความถี่ในการหมุนของมอเตอร์เหนี่ยวนำ และ 130 เท่าในมอเตอร์กระแสตรง โดยจากการศึกษา(8) ยังไม่มีข้อมูลว่าปัจจัยใดที่ทำให้เกิดความถี่ในช่วงดังกล่าว

มาตรฐาน NEMA MG 1-1993, Section IV, Part 31 ได้ระบุว่ามอเตอร์ที่มีขนาดเฟรมมากกว่า 500 ระดับแรงดันที่แกนเพลาเทียบกับกราวนด์ตั้งแต่ 300mV ขึ้นไปจะทำให้เกิดการอาร์กขึ้น แต่ระดับแรงดันที่ทำให้แบริ่งเริ่มเสียหายยังไม่ชัดเจนแต่จากการศึกษาอยู่ที่ 50V ขึ้นไป ส่วนในกรณีมอเตอร์ที่ปรับความเร็วด้วย Electronic switching จะมีค่าตั้งแต่ 3V ขึ้นไป
การตรวจสอบความผิดปกติต่างๆในมอเตอร์สามารถทำได้หลายวิธี การวิเคราะห์จากความถี่กระแสไฟฟ้า เส้นแรงแม่เหล็ก และอุณหภูมิเป็นสิ่งที่สามารถบอกถึงปัญหาที่เกิดขึ้นทางไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ยังสามารถตรวจพบปัญหาทางกลได้อีกด้วย แต่ทั้งนี้จำเป็นต้องอาศัยเครื่องมือวัดการสั่นสะเทือนเข้ามาช่วยวิเคราะห์ความรุนแรงหรือสภาพของปัญหาร่วมด้วย การนำเครื่องมือต่างๆมาใช้ประกอบกันในการวิเคราะห์จะช่วยให้ผู้วิเคราะห์สามารถระบุปัญหาได้ง่ายและถูกต้องยิ่งขึ้น
1. Glenn D. White; Introduction to Machine Vibration; DLI Engineering Corporation; 1998
2. Advanced Spectral Analysis; PdMA Corporation
3. Don Taft; Vibration Problems Associated with Two Pole, Alternating Current Motors; Plant Superintendent R.A. Reed Electric Co. Los Angeles, California
4. S.V. Bowers, and K.R. Piety; Proactive Motor Monitoring Through Temperature, Shaft Current and Magnetic Flux Measurements; Computational Systems, Incorporated
5. A.E. Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr., Stephen D. Umans; ELECTRIC MACHINERY Fifth Edition; McGraw-Hill; 1992
6. Stewart V. Bowers, Ph.D.; The State of Flux; Computational Systems, Incorporated
7. Stewart V. Bowers, Ph.D.; Flux Technology Overview; Computational Systems, Incorporated
8. David Kowal; Proactive Maintenance Strategy for Electrically Induced Bearing Damage; Computational Systems, Inc.


BACK