ธราธิป ภู ระหงษ the development of measuring tool and ... ·...

Naresuan University Journal 2011; 19(3) 71

การพฒนาเครองมอวดและวเคราะหความผดพรองมอเตอรเหนยวนา กรณศกษาการเกดสภาวะแรงดนไฟฟาไมสมดลย

ธราธป ภระหงษ

The Development of Measuring tool and Induction Motor Fault Analysis Case Study Voltage Unbalance

Tharathip Phurahong

สาขาวชาเทคโนโลยไฟฟาอตสาหกรรม มหาวทยาลยนครพนม ถ.นตโย ต.หนองญาต อ.เมอง จ.นครพนม 48000 Department of Industrial Electrical Technology, Nakhon phanom University, Nakhon phanom 48000 *Corresponding Author. E-mail address: [email protected] Received 23 August 2011; accepted 2 February 2012

บทคดยอ บทความวจยนนาเสนอการพฒนาเครองมอวดและวเคราะหความผดพรองมอเตอรเหนยวนากรณศกษาความผดพรองของมอเตอร

เหนยวนาสภาวะแรงดนไฟฟาไมสมดล เครองมอวดประกอบดวย วงจรตรวจวดสญญาณกระแส วงจรกรองความถตา ชดแปลงสญญาณ อนาลอกเปนสญญาณดจตอล พฒนาระบบแสดงผลโดยใชโปรแกรมแลปววและวเคราะหประมวลผลโดยใชอลกอรทมของการแปลงฟเรยร แบบเรว ทาการจาลองและทดสอบการเกดสภาวะแรงดนไมสมดลทเกดขนกบมอเตอรเหนยวนา 3 เฟส ขนาด 0.5 และ 1 แรงมา

ผลการทดสอบพบวาเครองมอวดทพฒนาขนสามารถแสดงผลสญญาณกระแสและสเปคตรมกระแสฮารมอนกสเนองจากสภาวะแรงดน ไฟฟาไมสมดลและสามารถนาไปใชในการพฒนางานวจยเครองมอวดในระดบหองปฏบตการได

คาสาคญ: การผดพรองมอเตอรเหนยวนา แรงดนไฟฟาไมสมดล การประมวลผลสญญาณ

Abstract This research paper presents a development of the tool and motor current signal analysis case study fault voltage unbalance. The

tool consist, current sensor circuit, low pass filter circuit, analog signal to digital signal circuit and analysis and processing the motor current signal using the fast fourier transform algorithm by Labview program. The testing the unbalance voltage with the three phase induction motor 0.5 and 1 HP.

The result of the testing show of the measuring tool can monitoring the current signal and harmonic current spectrum due to the unbalance voltage and can application to develop the measuring tool research in the laboratory.

Keywords: Fault induction motor, Voltage unbalance, Digital Signal Processing

บทนา

มอเตอรจดเปนอปกรณทมความสาคญสาหรบเครอง จกรกลตางๆ เนองจากทาหนาทเปนเครองตนกาลง อาศย การแปลงพลงงานไฟฟาเปนพลงงานกลเพอขบโหลดตางๆ เมอมการใชงานระยะเวลาหนงจะเกดการเสอมสภาพและ ความผดปกตตางๆ เกดขน โดยสวนหนงเกดขนจากสาเหต โรเตอรและสเตเตอรรบแรงทเกดจากสนามแมเหลกอย ตลอดเวลา ความเสยหายทเกดขนจากภาระทางกลจาก ความรอนและทางไฟฟาสงผลกระทบโดยตรงกบประสทธภาพ ในการทางานและอายการใชงานของมอเตอร เทคโนโลยใน ปจจบนทนามาใชตรวจสภาพหรอวเคราะหความเสยหาย มอเตอร แบงออกเปน 2 ประเภท คอ การตรวจวเคราะห ขณะทมอเตอรหยดทางาน (Offline Inspection) และการ ตรวจวเคราะหในขณะทมอเตอรทางาน (Online Inspection) มการทบทวนวรรณกรรม (เอกกมล และคณะ, 2554) ได

นาเสนอเทคนควธการหลายรปแบบเพอนามาวดและบนทก ขอมล อาทเชน คาแรงดนและกระแสสเตเตอร ชองวาง อากาศ ความเขมของเสนแรงแมเหลกภายนอก ความเรว และตาแหนงโรเตอร แรงบดเอาตพตอณหภมภายในและ ภายนอก การสนสะเทอน เพอใชในการระบความผดพรอง ทเกดขนกบมอเตอร โดยทวไปการตรวจสภาพการทางาน ของมอเตอรขณะทางาน จะใชการวเคราะหจากความรอน และการสนสะเทอนซงจาเปนตองใชอปกรณตรวจวดทโครง สรางของมอเตอรทาใหมตนทนในการพฒนาระบบสงขน การตรวจสอบกระแสสเตเตอรใชตนทนการพฒนาระบบ ตรวจสอบนอยกวาเมอเปรยบเทยบการวเคราะหทางกล บทความนตองการนาเสนอการพฒนาเครองมอวดและ วเคราะหสญญาณกระแสกรณศกษาการเกดสภาวะแรงดน ไฟฟาไมสมดล โดยทาการแสดงผลการจาลองและผลการ ทดสอบมอเตอรเหนยวนา 3 เฟส ขนาด 0.5 และ 1 แรงมา

72 Naresuan University Journal 2011; 19(3)

วสดอปกรณและวธการ

1. วงจรตรวจวดสญญาณกระแสสเตเตอร (Stator Current Signal Detection Circuit)

การตรวจวดสญญาณกระแสสเตเตอรจะถกลดทอน โดยใช เลมเซนเซอร (Lam Sensor) ซงใชหลกการฮอร เอฟเฟค (Hall Effect) มการตอบสนองตอความถสงไดด และมคาความคลาดเคลอนของสญญาณกระแสนอยกวา ระบบหมอแปลงกระแส (Current Transformer) สาหรบ งานวจยนเลอกใช LEM รน HX10-NP พกดกระแส 20 A

2. วงจรกรองความถตา (Lowpass Filter Circuit) วงจรกรองความถตาทาหนาทกรองความถตงแต 0 Hz

จนถงความถกาหนดซงเรยกวา ความถคทออฟ (Cutoff Frequency) ใหผานไปไดโดยไมมการลดทอนของสญญาณ และถาความถของสญญาณเขามคาเกนทกาหนดไวสญญาณ ออกควรจะมคาเปนศนย แตในทางปฏบตไมสามารถจะทา เชนนนได เนองจากการตอบสนองสญญาณทความถตางๆ ของอปกรณประเภทพาสซฟ จะเปนแบบคอยเปนคอยไป ไมเปลยนแปลงทนททนใด ดงนน ผลทไดจงเปนดงรปท 2

รปท 1 วงจรตรวจวดสญญาณกระแสสเตเตอร

R1 R2 R3

C1 C2 C3 I input I output

รปท 2 วงจรตรวจวดสญญาณกระแสสเตเตอร

3. การวเคราะหสญญาณกระแส (Current signal analysis)

กระแสสเตเตอรสามารถตรวจวดไดงายถงแมมอเตอร จะอยในสภาวะทางานการวเคราะหสญญาณมอเตอรเปนท นยมในการนามาตรวจวนจฉยแยกความผดปกตของมอเตอร เนองจากวธน ไมตองยงเกยวกบโครงสรางของมอเตอร การวนจฉยความผดปกตของมอเตอรประกอบดวยการได มาของขอมล (Data Acquistion) กอนกระบวนการ (Pre- Process) อลกอรทมการตรวจจบ (Detection Algorithm) และกระบวนการ(Post-process) หรอกระบวนการตดสน ใจสาหรบระบความเสยหาย [2], [3] ทเกดขนกบมอเตอร โดยมแผนผงไดอะแกรมดงรปท 3

ขอมล

กระแสมอเตอร

อลกอรทม กระบวนการตดสนใจ

ระบความเสยหายมอเตอร

รปท 3 แผนผงไดอะแกรมระบบการวเคราะหความผดปกตของมอเตอร

ระบความเสยหายมอเตอร


วงจรตรวจวดกระแส มอเตอร

วงจรกรองความถตา

โปรแกรมประมวลผล สญญาณดวย Labview

วงจรแปลง Analog to Digital

วเคราะหระบ ความผดปกตมอเตอร

4. วธการดาเนนการ ในงานวจยนไดทาการบนทกขอมลใชอปกรณ Data

Acquisition (DAQ) ตอเชอมเขากบคอมพวเตอรเพอเกบ ขอมล และสงตอไปเกบไวทหนวยความจาของคอมพวเตอร หรอเกบอยในรปของไฟลขอมลเพอนามาประมวลผลดวย โปรแกรมแลปวว โดยมรายละเอยดดงตอไปน

1. เครองคอมพวเตอรใชสาหรบการประมวลผลขอมล ทไดมาในลกษณะของสญญาณ

2. เซนเซอร สญญาณทางไฟฟา เพอทาใหระบบ DAQ สามารถเกบขอมลและแสดงผลได เซนเซอรทนยมใชใน งานวศวกรรม เชน Thermocouple, Pressure sensor, Accelerometer, Strain Gage, Force sensor, Torque sensor เปนตน

3. Signal conditioning เปนอปกรณทใชปรบปรง สญญาณทางไฟฟา สญญาณทตรวจวดจากเซนเซอรบาง ชนดจะมระดบสญญาณทตาเกนไปหรอสงเกนไปหรอ

เซนเซอรบางชนดจะใชการกระตนดวย voltage current เพอ ใหสญญาณทางไฟฟาออกมาจงตองมอปกรณทใชปรบปรง สญญาณกอนใหเหมาะสมกบอปกรณ DAQ ทเชอมตอกบ คอมพวเตอร อปกรณสาหรบ Signal conditioning หรอ กรองสญญาณ

4. อปกรณเกบขอมล (DAQ Hardware) เปนอปกรณ ทใชเชอมตอกบคอมพวเตอรและมหนาทแปลงสญญาณ จากอนาลอกเปนสญญาณดจตอล หรอสญญาณดจตอล เปนสญญาณอนาลอก ซงจะทาใหตดตอและควบคมผาน ทางคอมพวเตอรได

5. Software ใชโปรแกรมแลปววในการเขยนคาสง ตางๆ เพอควบคมการทางานของระบบการเกบขอมล (DAQ system) เพอใชในการวเคราะหความผดปกตของ มอเตอรโดยมแผนผงไดอะแกรมระบบการวเคราะหความ ผดปกตของมอเตอรดงน

รปท 4 แผนผงไดอะแกรมระบบการวเคราะหสญญาณกระแสมอเตอร

5. วธการเตรยมการทดลอง ในการศกษาวจยครงนผวจยไดจดทาเครองมอวเคราะห

สญญาณกระแสมอเตอรโดยประกอบดวยชดวงจรเซนเซอร สาหรบวดกระแส ชดวงจรกรองความถตา ชดตวแปลง สญญาณอนาลอกเปนสญญาณดจตอลและโปรแกรม Labview ใชในการประมวลผลสญญาณและไดทาการ ทดลองวดกระแสมอเตอรโดยจาลองการเกดสภาวะแรง ดนไฟฟาไมสมดลโดยมขนตอนการทดลองดงน

1. เตรยมมอเตอรเหนยวนา 3 เฟส แรงดนไฟฟา 380 V ความถ 50 Hz ขนาด 0.5 แรงมาและขนาด 1 แรงมา จานวนอยางละ 1 ตว

2. ชดหมอแปลงปรบแรงดนไฟฟากระแสสลบ 3 เฟส จานวน 1 ชด

3. ชดเครองมอวดและวเคราะหสญญาณกระแสมอเตอร ทสรางขนจานวน 1 ชด

4. ดาเนนการตอมอเตอรแบบสตารและทาการสตารท ทดลองการเกดสภาวะแรงดนไมสมดลทเฟส A, เฟส B และเฟส C โดยใชหมอแปลงปรบแรงดนไฟฟา ในสภาวะไม สมดล 5%, 10% และ 15%

5. ทาการวดและวเคราะหสญญาณกระแสดวยเครอง มอวดทพฒนาขน

รปท 5 ชดเครองมอวดและการเตรยมการทดสอบมอเตอรเหนยวนาในสภาวะแรงดนไมสมดล


ผลการศกษา

ในงานวจยพฒนาเครองมอวดและวเคราะหสญญาณกระแสมอเตอรไดทำการทดลองและวเคราะหกระแสมอเตอรในสภาวะแรงดนไฟฟาไมสมดลมผลการวจยแบงเปน 2

สวน คอ การพฒนาโปรแกรมเครองมอวดดวยโปรแกรมLabview ในการวเคราะหและประมวลผลสญญาณและผลการทดลองการวดและวเคราะหสญญาณกระแสของมอเตอรเหนยวนำในสภาวะแรงดนไฟฟาไมสมดล ซงมผลการวจยดงน

1. ผลการพฒนาโปรแกรมเครองมอวดและวเคราะหสญญาณกระแสมอเตอรเมอ หมายเลข 1 คอ หนาตางแสดงผลสญญาณกระแสในโดเมนเวลา

หมายเลข 2 คอ หนาตางแสดงผลสญญาณกระแสในโดเมนความถ

หมายเลข 3 คอ หนาตางแสดงผลคาเฉลยของ สญญาณในโดเมนเวลา

หมายเลข 4 คอ หนาตางแสดงผลคาเฉลยประสทธผลของสญญาณในโดเมนเวลา

หมายเลข 5 คอ หนาตางแสดงผลคาสงสดของยอดคลนดานบวกและลบของสญญาณในโดเมนเวลา

หมายเลข 6 คอ หนาตางแสดงผลคาสงสดของยอดคลนดานลบของสญญาณในโดเมนเวลา

หมายเลข 7 คอ หนาตางแสดงผลคาสงสดของยอดคลนดานบวกของสญญาณในโดเมนเวลา

หมายเลข 8 คอ หนาตางแสดงผลคาประสทธผลของสญญาณในโดเมนเวลา

หมายเลข 9 คอ หนาตางแสดงผลคาขนาดของสญญาณในโดเมนความถ

หมายเลข 10 คอ หนาตางแสดงผลคาความถของสญญาณกระแส

หมายเลข 11 คอ หนาตางควบคมการรบสญญาณอนพทและการจำลองสญญาณกระแส

หมายเลข 12 คอ หนาตางควบคมการเรมตนทำงานของโปรแกรมเครองมอวดและวเคราะหสญญาณกระแส

หมายเลข 13 คอ หนาตางควบคมการหยดทำงานของโปรแกรมเครองมอวดและวเคราะหสญญาณกระแส

หมายเลข 14 คอ หนาตางควบคมการออกจากโปรแกรมเครองมอวดและวเคราะหสญญาณกระแส

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1 2

รปท 6 หนาตางโปรแกรมแสดงผลการวดและการวเคราะหสญญาณกระแสมอเตอร

รปท 7 หนาตางแสดงฟงกชนบลอกของโปรแกรมเครองมอวดและการวเคราะหสญญาณกระแสมอเตอร


รปท 8 สญญาณทางเวลาและทางความถของสญญาณกระแสมอเตอรในสภาวะแรงดนไฟฟาปกตทเฟส A

2. ผลการวเคราะหสญญาณกระแสมอเตอรเหนยวนำ 3 เฟสขนาด 0.5 แรงมา

รปท 9 สญญาณทางเวลาและทางความถของสญญาณกระแสมอเตอรในสภาวะแรงดนไฟฟาไมสมดลทเฟส A

รปท 10 สญญาณทางเวลาและทางความถของสญญาณกระแสมอเตอรในสภาวะแรงดนไฟฟาปกตทเฟส B


รปท 11 สญญาณทางเวลาและทางความถของสญญาณกระแสมอเตอรในสภาวะแรงดนไฟฟาไมสมดลทเฟส B

รปท 12 สญญาณทางเวลาและทางความถของสญญาณกระแสมอเตอรในสภาวะแรงดนไฟฟาปกตทเฟส C

รปท 13 สญญาณทางเวลาและทางความถของสญญาณกระแสมอเตอรในสภาวะแรงดนไฟฟาไมสมดลทเฟส C

สรปผลการวจย

ในการศกษาวจยเรองการพฒนาเครองมอวดและ วเคราะหสญญาณกระแสมอเตอรนไดแบงการวจยเปน 2 สวนคอสวนแรกเปนการพฒนาเครองมอวดและสวนทสอง คอการพฒนาโปรแกรมวเคราะหดวยโปรแกรมแลปวว โดยใชเทคนคการวเคราะหสญญาณกระแสดวยอลกอรทม

ของการแปลงฟเรยรแบบเรว (Fast fourier transform) ทา การศกษาสญญาณกระแสมอเตอรในสภาวะแรงดนไฟฟา ไมสมดล ผลการศกษาพบวาเมอเกดสภาวะแรงดนไฟฟา ไมสมดลสงผลทาใหปรากฏในสเปคตรมโดยมความถหลก บวกกบความถในการหมนของมอเตอรคณจานวนขวแม เหลกหารสอง (LF + NP/2) แมการไมสมดลของแรงดน จะเกดขนเลกนอยกตาม ซงผลการศกษาสอดคลองกบผล


การศกษาของ (Stewart V. Bowers, 2003) ทไดทาการ ทดสอบมอเตอรขนาด 50 แรงมาพบวา ทแรงดนไมสมดล 3% จะทาใหขนาดแอมปลจดของความถ LF + NP/2 เปลยนไป 0.61% ดงนน เครองมอวดและวเคราะห สญญาณกระแสทพฒนาขนสามารถนาไปใชในการพฒนา ในงานวจยระดบหองปฏบตการได

กตตกรรมประกาศ

งานวจยนไดรบการสนบสนนดานการใชเครองมอและ อปกรณทดลองจากวทยาลยเทคนคนครพนม มหาวทยาลย นครพนม

เอกสารอางอง

เอกกมล บญยะผลานนท สรพนธ ตนสรวงษ และพนศกด โกษยาภรณ. (2554). การวเคราะหความผดพรองของ มอเตอรเหนยวนา 3 เฟส ดวยสเปกตรมกระแส: การ ทบทวน. วารสารวชาการพระจอมเกลาพระนครเหนอ, 21(1).

B. M hl. (2003). A Composite Drive with Separate Control of Force and Position. Proceedings of the 11th International Conference on Advanced Robotics. pp. 1606-1610.

B. M hl. (1997). A Two Jointed Robot Arm with Elastic Drives and Active Oscillation Damping. Workshop: Bio-Mechatronic Systems, IEEERSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.

Mitsubishi. (2005). Introduction to FX Positionning Control System. Mitsubichi Copperatio, Japan.

M GOPAL. (2004). Digital Control and State Variable Methods. Convention and Neural-Fuzzy Control System, 2nd edition International.

Peter Hamann & Thomas Mueller. (1990). Omron C200H Operation Manual PLC.

S.V. Bowers & K.R. Piety. (2003). Proactive Motor Monitoring Through Temperature. Shaft Current and Magnetic Flux Measurements; Computational Systems, Incorporated.

ธราธิป ภู ระหงษ the development of measuring tool and ... ·...

Documents