เครื่องยกของ  (Overhead Crane)

ในโรงงานอุตสาหกรรมหรือโกดังวัตถุดิบและโกดังสินค้าส่วนใหญ่จะมีการติดตั้งเครื่องยกของ(Overhead Crane)หรือเครน เพื่อการใช้งานอยู่จำนวนมาก เรามาทำความรู้จักกับเครื่องยกของหรือเครนกัน

(1)   ประเภทของปั้นจั่น

ปั้นจั่นเป็นเครื่องจักรที่ใช้บรรทุกสินค้าขึ้นเรือหรือรถไฟ เคลื่อนย้ายวัสดุ ผลิตภัณฑ์ในโรงงานหรือในสถานประกอบการ ซึ่งจะมีหลายหลากประเภทขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งานและเป้าหมาย แบ่งคร่าวๆ ได้เป็น Overhead Crane,  Jib Crane,  Bridge Crane, Container Crane,  Unloader Crane,  Cable Crane ฯลฯ

ยิ่งไปกว่านั้น หากยกตัวอย่างของ Overhead Crane นอกจากจะใช้สำหรับโรงงานทั่วไปแล้ว ปั้นจั่นที่ใช้งานกับการผลิตเหล็กนั้น ยังแยกย่อยออกได้เป็น  Ladle Crane,  Stripper Crane,  Charging Crane ต่างๆ  เป็นต้น ซึ่งจะขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งาน

Overhead Crane  จะพาดคานที่มีล้อบนรางเลื่อนที่ติดตั้งบนเสาดังรูปที่ 1  แล้วติดตั้ง Trolley ติดกว้านและให้ Trolley วิ่งบนรางที่ติดไว้ที่คาน เวลาที่จะเคลื่อนย้ายของ ก่อนอื่น จะต้องกว้านของนั้นขึ้นจนถึงตำแหน่งที่สูงกว่าสิ่งกีดขวางระหว่างทาง แล้วเคลื่อนย้ายไปยังตำแหน่งที่ต้องการโดยการเลื่อนและเคลื่อนที่ไป เมื่อไปถึงที่จึงวางของลง

Source : http://checkcrane.igetweb.com/

Source : http://www.munckcranes.com/

รูปที่ 1  Overhead Crane 

(2)    พิกัดกำลังขาออกของมอเตอร์

ในกรณีที่ไม่มีการสตาร์ตมอเตอร์ และไม่มีปัญหาเรื่องอุณหภูมิเพิ่มสูงมากนัก เช่นในกรณีของ Overhead Crane ในโรงงานทั่วไป จะสามารถคำนวณกำลังขับที่ต้องใช้โดยสังเขปดังนี้

(1)   มอเตอร์สำหรับกว้าน ถ้าให้น้ำหนักของของที่จะยกขึ้นเท่ากับ W₁ [kg] ความเร็วในการยกขึ้นเท่ากับ v₁ [m/min] ประสิทธิภาพเชิงกลของเครื่องกว้านเท่ากับ η₁ [%]   ความเร่งแรงโน้มถ่วง
g = 9.8 [m/s²] ซึ่งเนื่องการพันเคเบิลเป็นแบบไม่สมดุล ดังนั้นจะได้ว่า

สมการที่ 1 กำลังกว้านขึ้น     

(2)   มอเตอร์สำหรับเลื่อนแนวระดับ ถ้าให้มวลของ Trolley เท่ากับ W₂ [kg] ความเร็วในการเลื่อนเท่ากับ v₂ [m/min] ความต้านทานการเลื่อนเท่ากับ c₂g [N/kg] ประสิทธิภาพเชิงกลของเครื่องเลื่อนเท่ากับ η₂ [%] จะได้ว่า

สมการที่ 2 กำลังเลื่อนแนวระดับ

(3)  มอเตอร์สำหรับเลื่อนคาน ถ้าให้มวลของคานเท่ากับ W₃ [kg] ความเร็วในการเลื่อนเท่ากับ v₃ [m/min]   ความต้านทานการเลื่อนเท่ากับ c₃g [N/kg] ประสิทธิภาพเชิงกลของเครื่องเลื่อนเท่ากับ  η₃ [%] จะได้ว่า

สมการที่ 3 กำลังเลื่อนคาน

ตัวอย่างที่ 1  มีรถกระเช้าแบบ Well Bucket ตามข้อกำหนดดังต่อไปนี้ กำลังขาออกสูงสุด [kW] ที่มอเตอร์ต้องให้ในการขับเครื่องกว้านนี้จะเท่ากับเท่าใด  ทั้งนี้ ให้มวลของกระเช้าแต่ละตู้เท่ากับ 4,000 kg พิกัดจำนวนผู้โดยสาร 24 คน น้ำหนักผู้โดยสาร 60 kg/คน ความเร็วในการเดินเครื่อง 40 m/min ความชันของเส้นทางเท่ากับ 30° ความต้านทานการเคลื่อนที่เท่ากับ 10·g × 10^-3 N/kg ประสิทธิภาพเชิงกลเท่ากับ 85%

วิธีทำ รถเคเบิลจะมีโครงสร้างคล้ายกับเครื่องกว้านขึ้นตามปล่องเอียง แบบ Well Bucket หมายถึง ใช้สายเคเบิลโยงกระเช้าแต่ละตู้ที่เลื่อนขึ้นลงตามราง นำไปคล้องกับรอก แล้วพันเคเบิลแบบสมดุล ความต้านทานในการเคลื่อนที่จะมีคุณสมบัติเหมือนกับความต้านทานของการเคลื่อนที่แนวระดับและการเลื่อนคานของ Overhead Crane กำลังขาออกสูงสุดของมอเตอร์ จะต้องใช้ในกรณีที่กระเช้าขาขึ้นมีผู้โดยสารเต็มคันรถ และกระเช้าขาลงไม่มี ผู้โดยสารเลย ดังนั้น

กระเช้าขาขึ้นจะเท่ากับ 4,000 + (60 × 24) = 5,440 kg  กระเช้าขาลงจะเป็น 4,000 kg

ดังนั้น กำลังขับในการเอาชนะความต้านทานของการเคลื่อนที่ของกระเช้าแต่ละตัว

ขาขึ้น      5,440 × 0.098 × (40 / 60) × cos 30° = 307.8 W

ขาลง       4,000 × 0.098 × (40 / 60) × cos 30° = 226.3 W

กำลังจากมวลของตัวกระเช้าจะสมดุล ดังนั้น น้ำหนักไม่สมดุลจึงเกิดจากผู้โดยสารเท่านั้น ซึ่งเมื่อคำนวณแรงย่อยตามทิศทางของรางจะได้ว่า

F = (24 × 60) × 9.8 × sin 30° = 7,056 N

กำลังขับเพื่อดึงต้านแรง F ขึ้นด้วยความเร็ว 40 m/min จะเท่ากับ

Fv = 7,056 × (40 / 60) = 4,704 W

จากข้างต้นจะได้ว่า กำลังขาออก P [kW] ที่มอเตอร์ต้องการจะเท่ากับ

ตัวอย่างที่ 2  มี Overhead Crane ซึ่งมีมวลรวมในขณะเคลื่อนที่ W (W₁ + W₂ + W₃) เท่ากับ 30t ความเร็วในการเคลื่อนที่เท่ากับ 50 m/min ความต้านทานการเคลื่อนที่เท่ากับ 30g × 10^-3 N/kg หากปิดมอเตอร์ขับในขณะที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 50 m/min ปั้นจั่นจะเคลื่อนที่ต่อไปด้วยแรงเฉื่อยกี่เมตรจึงจะหยุด

วิธีทำ พลังงานจลน์ A ของปั้นจั่นในขณะที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 50 m/min จะเท่ากับ

หากให้แรงต้านจากความต้านทานการเคลื่อนที่เท่ากับ F จะได้ว่า

F = 30 × 30 × 9.8 = 8.82 × 10³ N

หาระยะทางที่เคลื่อนที่ต่อไป ℓ จากความสัมพันธ์ของงาน F × ℓ = A จะได้ว่า

ℓ = A / F = 1.04 × 10⁴ / 8.82 × 10³ = 1.18 m

(3)     มอเตอร์สำหรับปั้นจั่นและระบบการควบคุม

ภาระของปั้นจั่นประกอบด้วยภาระแนวระดับ เช่น การเลื่อนในแนวระดับ การเลื่อนคาน และการหมุนรอบตัว และภาระแนวดิ่งที่แขวนห้อยลง  เช่น
การกว้านขึ้น การเงยขึ้นลง ภาระเหล่านี้ทุกตัวเป็นภาระแรงบิดคงที่ในการเปลี่ยนความเร็ว และในการขับและเบรกจะต้องเดินเครื่องด้วย
โหมด  2-quadrant หรือ 4-quadrant การควบคุมปั้นจั่นเป็นการควบคุมตำแหน่งด้วยการแรงบิดตามสัญญาณสั่งความเร็ว

คุณลักษณะการเดินเครื่องที่ต้องใช้ในการทำงานนั้น ได้แก่ ความเร็วคงที่ที่ค่าใดๆ แรงบิดเบรกเพื่อป้องกันการของหล่น และสามารถที่จะเดินเครื่องแบบขยับที่ลดน้อยได้บ่อยๆ

แต่เดิมจะใช้คุณลักษณะแรงบิดมอเตอร์ด้วยการควบคุมความต้านทานทุติยภูมิของมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบโรเตอร์พันขดลวดสำหรับปั้นจั่น (JEM 1202) เป็นหลัก ซึ่งได้นำเอา Thruster Braking, Eddy Current Braking, DC Dynamic Braking  (การปรับการกำเนิดสนามแม่เหล็กกระแสตรงทางด้านปฐมภูมิของมอเตอร์หลัก) มาใช้ร่วมในการให้แรงบิดเบรก แล้วนำแรงบิดมอเตอร์และแรงบิดเบรกมารวมกันที่เพลาของมอเตอร์ นอกจากนี้ ในกรณีที่ต้องการการควบคุมความเร็วอย่างละเอียดหรือความเร็วสูง เช่น Unloader และ Container Crane จะใช้ระบบ Static Ward Leonard ของมอเตอร์กระแสตรง

ในระยะหลังนี้ ระบบการขับด้วยอินเวอร์เตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบกรงกระรอกได้แพร่หลายไปอย่างรวดเร็ว ในจำนวน Overhead Crane นั้น จะมีปั้นจั่นยกขยะซึ่งต้องทำงานภายใต้สภาพแวดล้อมที่ย่ำแย่ จึงควรทำให้ไม่ต้องมีการซ่อมบำรุง

นอกจากนั้น การควบคุมด้วยอินเวอร์เตอร์แบบไม่ใช้เซ็นเซอร์วัดความเร็วยังถูกนำมาใช้ในทุกๆ การเคลื่อนไหวของปั้นจั่น เช่น การยกขึ้น การเลื่อนแนวระดับ และการเลื่อนคาน เมื่ออินเวอร์เตอร์มี Capacity สูงขึ้น ได้มีการนำไปใช้ในปั้นจั่นขนาดใหญ่ เช่น Unloader, Container Crane อีกด้วย สำหรับการยกและการเลื่อนในแนวระดับที่ต้องการการตอบสนองการบังคับจะใช้การควบคุมเวกเตอร์แบบใช้เซ็นเซอร์ ส่วนการเลื่อนคานที่จะเดินเครื่องพร้อมกันหลายเครื่องโดยทั่วไปจะใช้การควบคุม V/f

จะเรียกรวมส่วนของ Trolley เพื่อเครื่องกว้านและเลื่อนไปในแนวระดับว่า Hoist แต่ใน Inverter Hoist ขนาด 1/2-30t จะใช้การควบคุม V/f เนื่องจากความเที่ยงตรงของความเร็วที่ต้องการจะอยู่ในระดับ ±10%

ในกรณีที่จะใช้อินเวอร์เตอร์กับปั้นจั่น จุดที่ควรระวังจะมีดังนี้

- จะต้องมีขั้นตอนพิเศษ เช่น ตรวจสอบการสร้างสนามแม่เหล็กระยะแรกของมอเตอร์กับการกำเนิดแรงบิดของมอเตอร์ การอุ่นเบรก เป็นต้น เพื่อป้องกันการเลื่อนตกหล่นของสิ่งของและป้องกันการสูญเสียความเร็ว

- ในการยกขึ้น จะต้องใช้แรงบิดสำหรับสตาร์ทจำนวนมาก

- ในเวลาที่หย่อนลง เนื่องจากเป็นการเดินเครื่องแบบ Regenerative จำเป็นที่จะต้องใช้เร็กติฟายเออร์ PWM ที่สามารถ Regenerate กำลังไฟฟ้าไปที่แหล่งจ่ายไฟ หรือทำการป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงเกิน โดยเชื่อมต่อกับความต้านทานการหยุดที่ลิงค์กระแสตรง

- เมื่อสิ่งของลงถึงพื้นแล้ว จะต้องรองรับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของแรงบิดภาระได้

ตัวอย่างที่ 3  เมื่อหย่อนสิ่งของมวล 10t ลงด้วยความเร็วคงที่ 0.2 m/s ด้วยปั้นจั่นที่ใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำขับด้วยอินเวอร์เตอร์ที่มีการ Regenerate กำลังไฟฟ้าไปที่แหล่งจ่ายไฟ จงหากำลังไฟฟ้า P ที่ Regenerate ให้แหล่งจ่ายไฟกระแสสลับ อนึ่ง กำหนดให้ประสิทธิภาพรวมของปั้นจั่น มอเตอร์ อินเวอร์เตอร์ และอุปกรณ์ปรับกระแส PWM เท่ากับ 70%

วิธีทำ      กำลังไฟฟ้าที่ Regenerate ได้ จะเท่ากับอัตราการลดลงของพลังงานศักย์ของสิ่งของคูณด้วยประสิทธิภาพ 70%

P = mgvη = 10,000 × 9.8 × 0.2 × 0.7 = 13.36 × 1,000 W = 13.64 kW

(4)   การอนุรักษ์พลังงานของ เครื่องยกของหรือเครน 

1)  การลดความสูญเสียเชิงกล

ประสิทธิภาพของชุดเกียร์ความต้านทานการเลื่อนรถ Trolley และคานจะมีผลต่อกําลังขาออกของมอเตอร์ ดังนั้น  จึงควรบํารุงรักษาชุดเกียร์และแบริ่งเป็นประจํา

2) การเลือกขนาดของมอเตอร์

ความเร็วกว้าน ความเร็วในการเลื่อนรถ Trolley และคานจะมีผลต่อกําลังขาออกของมอเตอร์ ดังนั้น จึงควรพิจารณาทบทวนขนาดของมอเตอร์ ตรวจสอบการทํางาน และไม่เดินเครื่องด้วยความเร็วสูงกว่าที่จําเป็น

3)  การทบทวนวิธีควบคุม

การควบคุมความเร็วรอบด้วยอินเวอร์เตอร์จะสามารถปรับความเร็วรอบได้อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพสูง และสามารถทํา Regenerative Braking ได้จึงเหมาะกับ เครื่องยกของหรือเครนที่ต้องเดินเครื่องด้วยความเร็วต่ำบ่อยๆ

Bibliography
คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน