คำตอบก่อน: หม้อแปลงสำหรับสถานีตู้คอนเทนเนอร์ถูกกำหนดขนาดจากรายการโหลดของกลุ่มเครนพร้อมค่าตัวคูณความต้องการตามรอบการทำงาน และเครนไม่ใช่โหลดมอเตอร์ทั่วไป เครนขนถ่ายจากเรือขึ้นฝั่ง (STS) และเครนยกแบบราง (RMG) ดึงโหลดแบบเป็นรอบที่แกว่งระหว่างการสร้างพลังงานกลับและ 150% ของค่าเฉลี่ยภายในรอบ 90 วินาที ดังนั้นหม้อแปลงจึงถูกเลือกบนพื้นฐานของค่ากระแส RMS เชิงความร้อนและอุณหภูมิจุดร้อนสูงสุด มากกว่าผลรวมของพิกัดมอเตอร์บนแผ่นป้าย ปลั๊กตู้เย็นสินค้าเป็นปัญหาตรงกันข้าม — โหลดที่คงที่และขึ้นกับสภาพอากาศซึ่งกำหนดฐานของเส้นโค้งและค่าสูงสุดในฤดูร้อน กำหนดขนาดสถานีย่อยแรงกลางบนพื้นฐานของความบังเอิญระหว่างสองกลุ่มนี้ จากนั้นเลือกหม้อแปลงเครนบนพื้นฐานของพิกัดแบบรอบ K-factor และแรงดันตกตามแนวยาวท่าเทียบเรือ และค่า kVA, อิมพีแดนซ์, พิกัด IP และการตัดสินใจระหว่างแบบแห้งกับแบบน้ำมัน ล้วนกลายเป็นผลลัพธ์ที่คำนวณได้แทนที่จะเป็นความเคยชิน
ประเด็นสำคัญ
- กำหนดขนาดความจุเครน STS ที่ 1,200–1,600 kVA ติดตั้งต่อเครนยกคู่ ULCV และใช้ค่าตัวคูณความต้องการตามรอบการทำงานที่ 0.40–0.50 — ไม่ใช่ 0.7–0.9 ที่ใช้สำหรับโหลดอาคาร ความบังเอิญระหว่างเครนบนท่าเทียบเรือเดียวกันนั้นสูง แต่ความบังเอิญระหว่างเครนกับตู้เย็นสินค้านั้นไม่สูง
- ตู้เย็นสินค้าเป็นโหลดคงที่ที่ใหญ่ที่สุดในสถานีขนถ่ายสินค้า ตู้เย็นแบบครบชุดขนาด 40 ฟุตดึงกำลังประมาณ 5–9 kW อย่างคงที่ และ 11–13 kW ระหว่างการดึงอุณหภูมิลง และตัวปลั๊กเองมีพิกัดประมาณ 22 kVA ที่ 32 A/400 V สามเฟส ดังนั้นความต้องการออกแบบจึงคิดบนพื้นฐานของ kW ที่อุณหภูมิแวดล้อมออกแบบ แล้วแปลงเป็น kVA ที่ตัวประกอบกำลัง 0.85–0.90
- เลือกหม้อแปลงเครนบนพื้นฐานของกระแส RMS ใน 10 นาทีและขีดจำกัดจุดร้อน (98 °C สำหรับอายุการใช้งานแบบรอบปกติ ตาม IEC 60076-7) ไม่ใช่บนค่าสูงสุดชั่วขณะ หน่วยหล่อเรซินที่มีค่าคงที่เวลาความร้อน 30–60 นาทีแทบไม่ตอบสนองต่อค่าสูงสุดของการยกใน 20 วินาที ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมหน่วย 1,600 kVA จึงสามารถรองรับเครนที่มีความต้องการชั่วขณะแตะ 2,000 kVA ได้
- ไดรฟ์ของเครนเป็นแหล่งฮาร์มอนิกที่กำหนดการออกแบบหม้อแปลง ภาคหน้าของไทริสเตอร์หรือไดโอดแบบ 6 พัลส์สร้างกระแส THD 25–35%; แบบ 12 พัลส์ลดลงครึ่งหนึ่ง; ภาคหน้าออกแบบแอคทีฟ (AFE) พร้อมการสร้างพลังงานกลับลดลงเหลือ 4–8% ระบุ K-factor หรือการลดพิกัดตาม IEEE C57.110 เนื่องจากหม้อแปลงจำหน่ายมาตรฐานที่รับเนื้อหาฮาร์มอนิก K-13 สูญเสียความจุที่ใช้งานได้ 10–20% ไปกับการให้ความร้อนจากกระแสไหลวน
- จ่ายไฟให้เครนที่ 6.6, 11 หรือ 20 kV ผ่านรอกเคเบิลหรือรางตัวนำ และแปลงแรงดันบนตัวเครื่องหรือในสถานีย่อยที่ท่าเทียบเรือ ที่ 400 V เครน 1,400 kVA ที่ปลายระยะเดินสาย 400 m ตามท่าเทียบเรือมีแรงดันตกประมาณ 9% ที่โหลดเต็ม; ที่ 6.6 kV โหลดเดียวกันตกเพียง 0.3% ตัวเลขเดียวนี้เป็นตัวกำหนดแรงดัน
- สถานีชายฝั่งเป็นสภาพแวดล้อมการกัดกร่อนระดับ C5-M ที่อุณหภูมิแวดล้อม 40–45 °C มีหมอกเกลือและรอบการควบแน่น ซึ่งหมายถึงอย่างน้อย IP54 (IP55 บนเครน) ระบบสี ISO 12944 C5-M ฉนวนซิลิโคนหรือหล่อเรซินแรงสูง อุปกรณ์ยึดสแตนเลส และการออกแบบระบายความร้อนที่ถือว่าตู้ไม่ได้อยู่ในห้องสะอาด
- ความจุสำรองแบบ N-1 ที่สถานีไม่ใช่ทางเลือก: ท่าเทียบเรือที่ไม่มีเครนหยุดสร้างรายได้ การจัดวางตามปกติคือบัสเครน 11 kV แบบแบ่งส่วนที่จ่ายจากหม้อแปลง 33/11 kV สองหรือสามลูก เพื่อให้การหยุดทำงานของหม้อแปลงลูกใดลูกหนึ่งทำให้ทุกท่าเทียบเรือมีจำนวนเครนลดลงแทนที่จะมีท่าเทียบเรือหนึ่งตายไป
สถานีตู้คอนเทนเนอร์มีโหลดอะไรบ้างที่โรงงานธรรมดาไม่มี?
โรงงานมีกระบวนการที่กำหนดโปรไฟล์โหลดของตน สถานีมีกลุ่มเครื่องจักร และกลุ่มเครื่องจักรนั้นเคลื่อนที่ได้ กลุ่มโหลดสี่ประเภทมีพฤติกรรมแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง และข้อกำหนดของหม้อแปลงถูกกำหนดโดยกลุ่มใดก็ตามที่แย่ที่สุดสำหรับพารามิเตอร์ที่กำลังกำหนด — เครนสำหรับภาระความร้อนแบบรอบและฮาร์มอนิก ตู้เย็นสินค้าสำหรับ kVA คงที่ การจ่ายไฟฝั่งเรือสำหรับตัวประกอบกำลังต่ำที่โหลดต่ำ และชั้นระบบอัตโนมัติและไอทีสำหรับความทนทานต่อการหยุดทำงาน
| ประเภทโหลด | ขนาดต่อหน่วยโดยทั่วไป | ลักษณะโหลด | สิ่งที่กำหนดในสเปกหม้อแปลง |
|---|---|---|---|
| เครน STS (ship-to-shore) | ติดตั้ง 1,200–1,600 kVA ต่อเครน ULCV twin-lift หนึ่งตัว; ความต้องการเฉลี่ย 400–800 kVA | รอบการทำงาน 90–120 วินาที, การลดแบบรีเจนเนอเรทีฟ, ไดรฟ์สี่ควอดรันต์, กระแสพุ่งสูงขณะสตาร์ท | พิกัดแบบไซคลิก, K-factor, uk% ต่ำเพื่อลดแรงดันตก, AFE หรือตัวกรองฮาร์มอนิก, IP55 บนตัวเครื่อง |
| เครนลาน RMG / RTG | ติดตั้ง 300–600 kVA; เฉลี่ย 150–300 kVA | ภาระงานเดียวกับ STS ในขนาดเล็กกว่า; RTG อาจเป็นดีเซล-ไฟฟ้า หรือ e-RTG พร้อมรีลสายเคเบิล | พิกัดแบบไซคลิก, ความทนทานบัสบาร์แรงดันต่ำ, รีลสายเคเบิล e-RTG และการป้องกันกระแสไฟรั่วลงดิน |
| จุดเสียบตู้คอนเทนเนอร์เย็น (Reefer plugs) | 32 A/400 V สามเฟสต่อจุด (ประมาณ 22 kVA), กำลังไฟที่ใช้จริง 5–9 kW | ทำงานต่อเนื่อง 24/7, ขึ้นกับสภาพอากาศ, คอมเพรสเซอร์ทำงานพร้อมกันในสภาพอุณหภูมิสูง | ฐาน kVA แบบต่อเนื่อง, การสูญเสียขณะไม่มีโหลดต่ำ, ความทนทานฮาร์มอนิกสำหรับไดรฟ์คอมเพรสเซอร์, การควบคุมแรงดันที่จุดเสียบ |
| Cold ironing (จ่ายไฟจากฝั่ง) | 1–8 MVA ต่อท่าเทียบเรือ ขึ้นกับชั้นของเรือ | เป็นศูนย์ติดต่อกันหลายสัปดาห์ จากนั้น 60–80% ของพิกัดตลอดช่วงการจอดเทียบท่า; แปลงความถี่ 50/60 Hz | หม้อแปลงและตัวแปลงความถี่เฉพาะ; ดูคู่มือการจ่ายไฟจากฝั่ง |
| ระบบอัตโนมัติ ประตูทางเข้า IT และความปลอดภัย | 0.5–2 MVA | ต่อเนื่อง, ทนต่อการดับไฟได้เกือบเป็นศูนย์, แหล่งจ่ายแบบสวิตชิ่ง | แบบ 2N หรือสำรองด้วย UPS, K-13, เสียงรบกวนต่ำหากอยู่ใกล้สำนักงาน |
| ไฟส่องสว่างและอาคารในท่าเทียบ | รวม 1–3 MVA | ไฟเสาสูงเปิดตั้งแต่พลบค่ำถึงรุ่งเช้า, ไดรฟ์ LED, ความไม่สมดุลแบบเฟสเดียว | ความทนทานฮาร์มอนิกทริปเพลน, ขนาดสายนิวทรัล, การควบคุมแรงดันแบบขั้นบันได |
| การไฟฟ้าในลานและสถานีชาร์จ AGV | 2–6 MVA | การชาร์จแบบโอกาส, ความต้องการสูงในช่วงสั้น, แบบสองทิศทางในลานสมัยใหม่ | พิกัดแบบไซคลิก, การศึกษาฮาร์มอนิก, การประสานการป้องกันกับวงจรเรียงกระแสของเครื่องชาร์จ |
สิ่งแรกที่ตารางนี้แสดงให้เห็นคือ ตัวเลข "kVA ที่ติดตั้ง" แทบไม่มีความหมายที่ท่าเทียบเรือ การรวมเครน STS 12 ตัวที่ 1,400 kVA ได้ความจุเชื่อมต่อ 16,800 kVA และการออกแบบแบบง่ายที่ใช้ตัวคูณ 0.8 จะกำหนดสถานีไฟฟ้าย่อยขนาด 13 MVA สำหรับเครนเพียงอย่างเดียว เครนจะไม่ดึงไฟขนาดนั้นเลย: ไดรฟ์ของรอก, รถเข็น และโครงยกถูกอินเทอร์ล็อกโดยระบบควบคุมของเครนเอง และความต้องการเฉลี่ยของเครน ULCV ที่ทำงานอยู่คือ 400–800 kVA โดยมีค่าสูงสุดในช่วงสั้นๆ
จะสร้างรายการโหลดเครนและกำหนดขนาดสถานีไฟฟ้าย่อยของท่าเทียบเรือได้อย่างไร?
วิธีการนี้มีข้อมูลนำเข้าสามอย่างที่แตกต่างจากการคำนวณโหลดอาคารอย่างแท้จริง: kVA ที่ติดตั้งของเครน, รอบการทำงานที่วัดได้หรือกำหนดไว้ และผลิตภาพของท่าเทียบเรือที่ออกแบบไว้ ที่เหลือคือการคำนวณเลข
ขั้นตอนที่ 1 — ใช้ kVA ที่ติดตั้งต่อเครนจากตารางไดรฟ์ ไม่ใช่จากผลรวมมอเตอร์
เครน STS สมัยใหม่มีรอก, รถเข็น, โครงยก (เดินทางไกล) และมักมีรอกบูม รวมถึงโหลดเสริมสำหรับสเปรดเดอร์, ไฟส่องสว่าง, เครื่องปรับอากาศ และการระบายอากาศห้องเครื่อง บนเครน ULCV twin-lift กำลังไดรฟ์ที่ติดตั้งมักอยู่ระหว่าง 1,200 ถึง 1,600 kVA แต่ตัวเลขที่สำคัญคือพิกัดหม้อแปลงหลักหรือเบรกเกอร์หลักของเครนเอง เพราะผู้ออกแบบเครนได้ใช้ตัวคูณความพร้อมกันภายในเครนไปแล้ว ขอไดอะแกรมเส้นเดี่ยวของเครนและพิกัดเบรกเกอร์ขาเข้า; อย่าบวกป้ายชื่อมอเตอร์
พิกัดขาเข้านั้นยังบอกถึงกระแสพุ่งที่หม้อแปลงจะได้รับด้วย เครนที่มี AFE ด้านหน้า energise อย่างนุ่มนวลและดึงกระแสเกินพิกัดเพียงเล็กน้อย; เครนที่มีไดรฟ์แบบ 6-pulse diode ด้านหน้าและ DC bus ขนาดใหญ่จะชาร์จแบตเตอรี่คาปาซิเตอร์ผ่านตัวต้านทานพรีชาร์จ แต่การเคลื่อนที่ครั้งแรกของรอกที่เย็นยังสร้างขั้นกระแส 1.5–2.0 เท่าของพิกัด คู่มือกระแสพุ่งครอบคลุมด้านหม้อแปลงของเรื่องนี้; ที่ท่าเทียบเรือต้องตรวจสอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือการป้องกันต้นทางกับขั้นตอนการสตาร์ทของเครนด้วย
ขั้นตอนที่ 2 — ใช้ตัวคูณความต้องการตามรอบการทำงาน และตัวคูณความพร้อมกันของท่าเทียบเรือเพิ่มอีกชั้น
ตัวคูณความต้องการของเครนที่ 0.40–0.50 ของ kVA ที่ติดตั้งเป็นเรื่องปกติสำหรับฝูงเครนที่ทำงาน เพราะเครนใช้เวลาส่วนหนึ่งของทุกรอบในการรอ และไดรฟ์ไม่ได้ใช้กำลังเต็มพร้อมกันทั้งหมด ความพร้อมกันของท่าเทียบเรือสูงกว่าความพร้อมกันของเครื่องจักรในโรงงาน: เมื่อเรือถูกปฏิบัติงาน เครนทุกตัวบนท่าเทียบนั้นทำงาน และเมื่อเรือเทียบท่า ทั้งท่าเรือก็ผลิตงาน ความพร้อมกันระหว่างท่าเทียบเรือใกล้เคียง 1.0 ในช่วงพีค
ข้อยกเว้นคือโหลดตู้คอนเทนเนอร์แช่เย็น (reefer) ซึ่งไม่มีความสัมพันธ์แบบผกผันกับโหลดใด ๆ และยังคงอยู่ตลอดเวลา ตู้แช่เย็นไม่สนใจว่าเรือกำลังถูกปฏิบัติงานหรือไม่ และความต้องการใช้ไฟของตู้แช่เย็นจะสูงสุดในช่วงบ่ายที่อุณหภูมิแวดล้อมสูง ซึ่งที่ท่าเรือถ่ายลำ (transshipment terminal) นั่นก็เป็นช่วงที่ผลิตภาพของเครนสูงสุดด้วย เพราะลานจอดเรือกำลังพยายามเคลียร์งานที่ค้างอยู่
ขั้นตอนที่ 3 — สร้างความต้องการใช้ไฟที่เกิดขึ้นพร้อมกัน แล้วจึงใช้หลัก N-1 ซ้อนทับ
ตัวอย่างการคำนวณสำหรับท่าเรือ 1.2 ล้าน TEU ที่มี 6 ท่าเทียบเรือ เครน STS 12 ตัว เครน RMG 24 ตัว จุดจ่ายไฟตู้แช่เย็น 1,200 จุด ท่าเทียบเรือสำหรับจ่ายไฟชายฝั่ง (cold-ironing) 2 ท่า และลานจอดเรือที่ใช้ระบบไฟฟ้า:
| กลุ่มโหลด | กำลังไฟฟ้าที่ต่อพ่วง | ตัวคูณความต้องการ | ความต้องการ kVA | เกณฑ์อ้างอิง |
|---|---|---|---|---|
| เครน STS 12 ตัว | 12 × 1,400 = 16,800 kVA | 0.45 | 7,560 | รอบการทำงานและความพร้อมกันของไดรฟ์ภายในเครน |
| เครน RMG 24 ตัว | 24 × 450 = 10,800 kVA | 0.40 | 4,320 | อัตราการใช้งานต่ำกว่า STS; บางตัวไม่ได้ทำงาน |
| จุดจ่ายไฟตู้แช่เย็น 1,200 จุด | 1,200 × 8.5 kW ÷ 0.88 = 11,591 kVA | 0.65 | 7,534 | การใช้ไฟเฉลี่ย 8.5 kW ที่ 40 °C ทำงานพร้อมกัน 65% |
| ไฟส่องสว่างท่าเรือ อาคาร ประตูทางเข้า และระบบไอที | 2,400 kVA | 0.75 | 1,800 | ไฟ LED เสาสูง ระบบ HVAC แหล่งจ่ายแบบสวิตชิ่ง |
| ระบบไฟฟ้าลานจอดเรือและการชาร์จ AGV | 3,600 kVA | 0.50 | 1,800 | การชาร์จตามโอกาส แบบเหลื่อมเวลา |
| การจ่ายไฟชายฝั่ง 2 ท่าเทียบเรือ | 2 × 2,500 = 5,000 kVA | 0.35 | 1,750 | ทั้งสองท่าเทียบเรือถูกใช้งานเฉพาะในวันที่มีความต้องการสูงสุด |
| ผลรวมความต้องการของแต่ละกลุ่ม | 24,764 | |||
| ความต้องการสูงสุดที่เกิดขึ้นพร้อมกันที่ตัวคูณระหว่างกลุ่ม 0.85 | 21,049 | เครนและตู้แช่เย็นมีความต้องการสูงสุดพร้อมกันในฤดูร้อน | ||
| เมื่อรวมส่วนเผื่อการออกแบบ 10% | 23,154 | ≈ 23 MVA ที่เพาเวอร์แฟกเตอร์ 0.95 |
ความต้องการใช้ไฟที่เกิดขึ้นพร้อมกัน 23 MVA จะตกอยู่บนสถานีไฟฟ้าย่อย 33/11 kV ที่มีหม้อแปลง 20 MVA จำนวน 2 ลูก โดยแต่ละลูกมีโหลดประมาณ 58% ที่ความต้องการสูงสุด พร้อมด้วยหม้อแปลง 20 MVA ลูกที่สาม — หรือช่องสำหรับสถานีไฟฟ้าเคลื่อนที่ที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า — เพื่อให้มีความจุที่มั่นคงตามหลัก N-1 หากมีเพียงสองลูกจะให้ความจุที่มั่นคงเพียง 20 MVA ซึ่งต่ำกว่าความต้องการสูงสุดที่ออกแบบไว้ และที่ท่าเรือนั้นหมายถึงการต้องตัดโหลดเครนในวันที่ยุ่งที่สุดของปี คู่มือการกำหนดขนาดระบบจำหน่าย ครอบคลุมการคำนวณเดียวกันในระดับฟีดเดอร์
ทำไมรอบการทำงานของเครน ไม่ใช่ kW สูงสุด จึงเป็นตัวกำหนดพิกัดของหม้อแปลง?
หม้อแปลงเป็นอุปกรณ์ที่ขึ้นกับความร้อน อายุการใช้งานถูกใช้ไปตามอุณหภูมิจุดร้อน (hot-spot) ซึ่งเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิขดลวดด้วยค่าคงที่เวลาเป็นนาที (ชนิดหล่อเรซิน) ถึงสองสามชั่วโมง (ชนิดจุ่มน้ำมันที่มีมวลน้ำมันมาก) รอบการทำงานของเครน 90 วินาที จึงดูเหมือนโหลดคงที่ที่สูงขึ้นเล็กน้อยต่อหม้อแปลง มากกว่าจะเป็นชุดของค่าสูงสุดเป็นช่วง ๆ นั่นคือเหตุผลที่ข้อมูลนำเข้าที่ถูกต้องสำหรับการคำนวณพิกัดคือกระแส RMS ในช่วงเวลา 10 นาที บวกกับการตรวจสอบว่าจุดร้อนยังอยู่ในขีดจำกัดในช่วงความต้องการสูงสุด
| พารามิเตอร์รอบการทำงานของเครน | ค่าทั่วไป | ผลต่อหม้อแปลง |
|---|---|---|
| เวลาต่อรอบ | 90–120 วินาที (จากฝั่งบกไปฝั่งเรือและกลับ) | สั้นกว่าค่าคงที่เวลาความร้อนของขดลวด ค่าสูงสุดจึงถูกเฉลี่ย |
| ความต้องการเฉลี่ยในช่วง 10 นาที | 40–55% ของ kVA ที่ติดตั้ง | กำหนดภาระ RMS ซึ่งเป็นเกณฑ์การกำหนดขนาดที่แท้จริง |
| ความต้องการสูงสุดระหว่างการเร่งของรอกยก | 130–160% ของค่าเฉลี่ย | กำหนดการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าตกและการถ่วงน้ำหนักหน้าต่าง RMS |
| ช่วงการสร้างพลังงานกลับระหว่างการลดระดับ | 20–35% ของเวลาต่อรอบ, −30 ถึง −45% ของกำลังพิกัด | การไหลของกำลังไฟฟ้าแบบสองทิศทาง; พลังงานถูกส่งกลับเข้าบัสหรือเผาทิ้งในตัวต้านทาน |
| จำนวนครั้งที่สตาร์ทต่อชั่วโมง | 20–40 ครั้งสำหรับรอกยก | ขั้นตอนการสร้างสนามแม่เหล็กและการชาร์จ DC-bus ซ้ำ ๆ; ระบบป้องกันต้องทนต่อสภาวะนี้ได้ |
| ชั่วโมงการทำงานต่อปี | 6,000–8,000 ชั่วโมง | ค่าความสูญเสียต้องจ่ายเกือบทุกชั่วโมงของปี |
ระบุตัวเลขให้ชัดเจน เครนที่ติดตั้งกำลังไฟฟ้า 1,400 kVA จะดึงกำลังไฟฟ้า 700 kVA เป็นเวลา 70 วินาทีของรอบการทำงาน และ 1,050 kVA เป็นเวลา 20 วินาที และป้อนกำลังไฟฟ้ากลับ (regenerate) 450 kVA เป็นเวลา 20 วินาที ตลอดรอบการทำงาน 110 วินาที ค่า RMS อยู่ที่ประมาณ 700 kVA ดังนั้นหม้อแปลง 1,000 kVA จึงดูเพียงพอบนพื้นฐานของเนมเพลต — แต่ค่าสูงสุดที่ 1,050 kVA ที่เพาเวอร์แฟกเตอร์ 0.8 คิดเป็น 1.31 เท่าของกระแสพิกัด และขดลวดต้องอยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดจุดร้อน (hot-spot) ตลอดทั้งกะการทำงาน ไม่ใช่แค่ในช่วงค่าสูงสุดเท่านั้น ผลลัพธ์ในทางปฏิบัติคือ หม้อแปลงสำหรับเครนถูกกำหนดสเปกที่ 1.15–1.3 เท่าของค่า RMS ใน 10 นาที ซึ่งในตัวอย่างนี้คือหม้อแปลง 800–900 kVA สำหรับเครน 1,400 kVA นั่นคือตัวเลขที่ควรปรากฏบนเอกสารข้อมูล (datasheet) พร้อมแนบชั้นการทำงาน (duty class) ของเครนและการคำนวณค่า RMS มาด้วย
ชั้นการทำงาน (duty class) เองก็ควรระบุในลักษณะเดียวกับการจำแนกประเภทของเครน เครนถูกจำแนกตามจำนวนรอบการทำงานและสเปกตรัมโหลด (ISO 4301-1 กลุ่ม A1 ถึง A8 สำหรับเครนทั้งตัว, FEM 9.511 สำหรับกลไก, M1–M8) และเครนท่าเรือที่ทำงานตลอด 24 ชั่วโมง 7 วัน อยู่ในกลุ่มสูงสุด หม้อแปลงที่ซื้อมาสำหรับชั้นการทำงาน M4 แล้วนำไปติดตั้งบนเครน M8 จะทำงานร้อนตลอดอายุการใช้งาน และการลดพิกัด (derating) ภายหลังไม่ว่าจะมากเพียงใดก็ไม่สามารถแก้ไขค่าคงที่เวลา (time constant) ของขดลวดได้ ควรระบุกลุ่มชั้นการทำงานของเครนไว้ในใบสอบถาม (enquiry)
ทำไมเครน STS จึงสร้างฮาร์มอนิกมากกว่าโรงงานทั่วไป?
โรงงานมีไดรฟ์ขนาดใหญ่หนึ่งตัวที่ทำการเคลื่อนที่เดิมซ้ำ ๆ เครนมีไดรฟ์สี่ตัว แต่ละตัวเร่งความเร็วและลดความเร็วอย่างอิสระ โดยดึงกำลังไฟฟ้าผ่านวงจรเรียงกระแส (rectifier) ที่มีโหลดเพียงบางส่วนเกือบตลอดเวลา ดังนั้นสเปกตรัมฮาร์มอนิกจึงเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง และที่โหลดเบา ค่า THD ของกระแสจะแย่ที่สุด — ไดรฟ์ที่ดึง THD 8% ที่โหลดเต็มสามารถดึงได้ถึง 40% ที่โหลด 20% เนื่องจากองค์ประกอบพื้นฐาน (fundamental) ลดลง ในขณะที่รอยบากจากการเปลี่ยนสถานะ (commutation notch) ยังคงมีขนาดเท่าเดิม
| ส่วนหน้าของวงจร (Front end) | THD ของกระแส โดยทั่วไป | การป้อนกำลังกลับ (Regeneration) | ผลกระทบต่อหม้อแปลง |
|---|---|---|---|
| บริดจ์ไดโอด 6 พัลส์ พร้อมชอปเปอร์เบรก | 25–40% | ไม่มี (สูญเสียเป็นความร้อนในตัวต้านทาน) | K-13 หรือ K-20, การลดพิกัดตาม IEEE C57.110, มักต้องใช้ฟิลเตอร์แบบพาสซีฟ |
| ไทริสเตอร์ 6 พัลส์ (ไดรฟ์ DC, เครนรุ่นเก่า) | 25–35%, PF แบบแล็กกิ้งที่ความเร็วต่ำ | บางส่วน (การอินเวอร์ตของวงจรเรียงกระแสแบบควบคุม) | K-13, ฟิลเตอร์ฮาร์มอนิก, kVA ที่ใหญ่ขึ้นสำหรับองค์ประกอบรีแอกทีฟ |
| 12 พัลส์ (บริดจ์สองตัว, หม้อแปลงเลื่อนเฟส) | 8–15% | ไม่มี | ขดลวดทุติยภูมิสองชุด หนึ่งเดลต้าและหนึ่งสตาร์; หม้อแปลงเป็นส่วนหนึ่งของฟิลเตอร์ |
| ส่วนหน้าแบบแอคทีฟ (AFE) พร้อมวงจรเรียงกระแส IGBT | 4–8% | มี, สี่ควอดรันต์, PF ใกล้หนึ่ง | หน่วยมาตรฐาน K-4 ถึง K-9 เพียงพอ; ตรวจสอบองค์ประกอบความถี่สูงที่สูงกว่าลำดับที่ 25 |
| AFE พร้อมฟิลเตอร์แอคทีฟ | 2–5% | มี | หน่วยมาตรฐาน; ฟิลเตอร์เป็นสินทรัพย์แยกที่มีโหมดความล้มเหลวของตัวเอง |
กรณี 12 พัลส์เป็นสิ่งที่ควรทำความเข้าใจ เพราะมันย้ายปัญหาฮาร์มอนิกเข้ามาในหม้อแปลง บริดจ์ 6 พัลส์สองตัวที่ป้อนจากขดลวดทุติยภูมิแบบเดลต้าและสตาร์ โดยมีการเลื่อนเฟส 30° ระหว่างกัน จะหักล้างฮาร์มอนิกลำดับที่ 5 และ 7 ในด้านปฐมภูมิ การหักล้างนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อขดลวดทุติยภูมิทั้งสองมีโหลดเท่ากัน ซึ่งไม่เป็นเช่นนั้นเมื่อไดรฟ์ของรถเข็น (trolley) ตัวหนึ่งไม่ได้ทำงาน ดังนั้นเครน 12 พัลส์ยังคงต้องการหม้อแปลงที่ออกแบบสำหรับสเปกตรัมที่เหลืออยู่ ไม่ใช่สำหรับการหักล้างในอุดมคติตามตำรา หม้อแปลงสามขดลวดที่สร้างขึ้นสำหรับหน้าที่นี้เป็นผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างจากหน่วยจำหน่ายสองขดลวด และควรกำหนดสเปกให้เป็นเช่นนั้น
สำหรับกรณีใด ๆ เหล่านี้ K-factor คือภาษาที่ใช้ในการกำหนดสเปก K-factor จะถ่วงน้ำหนักฮาร์มอนิกแต่ละตัวด้วยกำลังสองของลำดับ เนื่องจากความสูญเสียจากกระแสไหลวน (eddy-current loss) เพิ่มขึ้นตามกำลังสองของความถี่ และหม้อแปลง K-13 ถูกออกแบบให้รองรับสเปกตรัมที่มี K-factor เท่ากับ 13 โดยไม่เกินจุดร้อนพิกัด คู่มือการเลือก K-factor ให้การคำนวณ และคู่มือฮาร์มอนิกครอบคลุมหลักฟิสิกส์และตัวเลือกในการบรรเทา ในด้านการไฟฟ้าของจุดเชื่อมต่อร่วม (point of common coupling) IEEE 519-2014 กำหนดขีดจำกัดความเพี้ยนของกระแส; ที่ท่าเรือ PCC มักเป็นระบบขาเข้า 33 kV และฮาร์มอนิกจากเครนจะถูกลดทอนโดยอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลง 33/11 kV ซึ่งเป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ไม่ควรตั้งค่า uk% ของหม้อแปลงนั้นให้สูงเกินความจำเป็น
ทำไมเครนจึงจ่ายไฟที่ 6.6–11 kV แทนที่จะเป็น 400 V?
เพราะท่าเทียบเรือนั้นยาว เครนเคลื่อนที่ตลอดความยาวของท่าเทียบ และรอกเก็บสายเคเบิล (cable reel) บรรจุสายเคเบิลยาว 300–600 m ที่แรงดันต่ำ ความต้านทานและรีแอกแตนซ์ของสายเคเบิลนั้นมีอิทธิพลต่อการออกแบบอย่างมาก; ที่แรงดันปานกลางสิ่งเหล่านี้ไม่มีความสำคัญ
การคำนวณแรงดันตกเป็นแบบมาตรฐาน:
ΔU% = √3 × I × (R cosφ + X sinφ) ÷ Un × 100
ยกตัวอย่างเครน 1,400 kVA ที่เพาเวอร์แฟกเตอร์ 0.9 จ่ายไฟผ่านระยะทาง 400 m:
| แรงดันไฟฟ้าจำหน่าย | กระแสไฟฟ้าของเครน | การจัดวางสายเคเบิลที่ระยะเกิน 400 m | แรงดันไฟฟ้าตกที่โหลดเต็ม |
|---|---|---|---|
| 400 V | 2,021 A | 4 × 240 mm² Cu ต่อเฟส แบบขนาน | ≈ 9.0% — ไม่สามารถยอมรับได้ |
| 690 V | 1,172 A | 3 × 240 mm² Cu ต่อเฟส แบบขนาน | ≈ 5.2% — อยู่ในเกณฑ์ marginal ต้องใช้ทองแดงปริมาณมาก |
| 6.6 kV | 122 A | 1 × 3 × 95 mm² Cu | ≈ 0.27% — น้อยมากจนไม่มีนัยสำคัญ |
| 11 kV | 74 A | 1 × 3 × 50 mm² Cu | ≈ 0.21% — น้อยมากจนไม่มีนัยสำคัญ |
เก้าเปอร์เซ็นต์ที่ 400 V ไม่ใช่ปัญหาเรื่องระยะเผื่อการออกแบบ แต่คือความล้มเหลว: ไดรฟ์ของเครนจะทริปจากแรงดันไฟฟ้าต่ำเกินระหว่างการเริ่มยก และวิธีแก้คือต้องใช้สายเคเบิลที่ใหญ่จนรีลรับน้ำหนักไม่ไหว หรือใช้ระบบจำหน่ายแรงดันปานกลาง นี่คือเหตุผลที่เครน STS ใช้ไฟเลี้ยงที่ 6.6 หรือ 11 kV ผ่านรีลสายเคเบิลแบบมอเตอร์หรือรางตัวนำที่ท่าเทียบเรือ โดยมีหม้อแปลงติดตั้งอยู่บนตัวเครน (พบมากที่สุด คือ 11 kV หรือ 6.6 kV ลงมาเป็น 0.69 kV หรือ 0.48 kV) หรืออยู่ในสถานีย่อยที่ท่าเทียบเรือซึ่งจ่ายไฟให้บัสบาร์แรงดันต่ำ คู่มือการควบคุมแรงดันไฟฟ้าอธิบายการคำนวณโดยละเอียดยิ่งขึ้น รวมถึงผลของตัวประกอบกำลังต่อพจน์ความต้านทานและพจน์รีแอกแตนซ์
การเลือกระหว่าง 6.6 และ 11 kV มักเป็นมาตรฐานของแต่ละพื้นที่มากกว่าเหตุผลทางเทคนิค แต่มีสองสิ่งที่ไม่เหมือนกัน: ที่ 11 kV สายเคเบิลและรีลมีขนาดเล็กกว่าและราคาถูกกว่าสำหรับกำลังไฟฟ้าเท่ากัน และระดับฉนวนกับค่า BIL ของหม้อแปลงจะสูงขึ้น ซึ่งมีต้นทุนเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ในกรณีที่ท่าเรือมีการจ่ายไฟฝั่งท่า (cold ironing) ที่ 6.6 หรือ 11 kV ด้วย การทำให้แรงดันไฟฟ้าของเครนสอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าของไฟฝั่งท่า จะทำให้สวิตช์เกียร์ตระกูลเดียวกันและอะไหล่ใช้ร่วมกันได้ทั้งสองระบบ ท่าเรือในระบบ 60 Hz เผชิญปัญหาอีกประการหนึ่ง คือ เครน 60 Hz ที่ซื้อมาสำหรับโครงการหนึ่งอาจถูกย้ายไปใช้งานที่ท่าเรือระบบ 50 Hz คู่มือเปรียบเทียบ 50 Hz กับ 60 Hzอธิบายว่าทำไมอัตราส่วน V/f ไม่ใช่ความถี่บนป้ายพิกัด ที่เป็นตัวกำหนดว่าการใช้งานนั้นจะได้ผลหรือไม่
การเบรกแบบรีเจนเนอเรทีฟส่งผลต่อหม้อแปลงและต่อค่าไฟฟ้าอย่างไร?
การเคลื่อนที่ลงทุกครั้งจะคืนพลังงานกลับมา การยกที่ลดสเปรดเดอร์รับน้ำหนัก 40 ตันลงจะกู้คืนพลังงานได้ 30–45% ของพลังงานที่ใช้ในการยกขึ้น และการชะลอความเร็วของโครงยกล้อวิ่งจะกู้คืนพลังงานจลน์ของมัน บนเครนที่ใช้ไฟหน้าสะพานแบบไดโอด พลังงานนั้นจะถูกเผาทิ้งในตัวต้านทานเบรกและกลายเป็นความร้อนในห้องเครื่อง บนเครนที่ใช้ AFE พลังงานจะถูกป้อนกลับเข้าบัส 11 kV ซึ่งสามารถถูกดูดซับโดยเครนอีกลำที่กำลังยก โดยตู้คอนเทนเนอร์แช่เย็น หรือส่งออกไปยังการไฟฟ้า
ผลที่ตามมาสามประการสำหรับหม้อแปลง ประการแรก หม้อแปลงต้องสามารถรองรับกำลังไฟฟ้าย้อนกลับ ซึ่งเป็นเรื่องของการป้องกันและการวัดมากกว่าเรื่องความร้อน แต่บ่อยครั้งถูกมองข้ามเมื่อเครนที่ใช้ไฟหน้าสะพานแบบไดโอดถูกดัดแปลงติดตั้งไดรฟ์ AFE ประการที่สอง สเปกตรัมฮาร์มอนิกในโหมดรีเจนเนอเรชันไม่เหมือนกับในโหมดมอเตอร์ ดังนั้นฟิลเตอร์ที่ปรับแต่งสำหรับโหมดมอเตอร์อาจไม่ครอบคลุมกรณีการรีเจนเนอเรต ประการที่สาม พลังงานที่กู้คืนได้ต้องมีที่ไป: หากท่าเรือไม่มีโหลดอื่น หม้อแปลง 33/11 kV จะนำพลังงานนั้นกลับไปยังการไฟฟ้า และการไฟฟ้าบางแห่งคิดค่าใช้จ่ายสำหรับการส่งออกกำลังไฟฟ้ารีแอกแตนซ์หรือกำหนดให้มีรีเลย์กำลังไฟฟ้าย้อนกลับ ในกรณีที่พลังงานรีเจนเนอเรตมีปริมาณมากและการเชื่อมต่อกับการไฟฟ้าอ่อนแอ ท่าเรือจะติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานแบบฟลายวีลหรือแบตเตอรี่ที่บัส 11 kV ซึ่งเป็นสินทรัพย์แยกต่างหาก แต่เปลี่ยนภาระ RMS ของหม้อแปลงและควรนำไปรวมในการศึกษาภาระ
หม้อแปลงสำหรับเครนควรเป็นแบบแห้งหรือแบบจุ่มน้ำมัน?
คำตอบแยกตามตำแหน่งที่ติดตั้ง ไม่ใช่ตามความชอบ บนตัวเครน หม้อแปลงตั้งอยู่ในห้องเครื่องเหนือท่าเทียบเรือ ซึ่งมักมีการระบายอากาศจำกัด และเป็นความเสี่ยงด้านอัคคีภัยที่การท่าเรือจะไม่ยอมรับในรูปแบบน้ำมัน ในสถานีย่อยที่ท่าเทียบเรือหรือสถานีย่อยหลัก 33/11 kV หน่วยแบบจุ่มน้ำมันมีราคาต่อ kVA ถูกกว่า ทนต่อสภาพแวดล้อมชายฝั่งได้ดีกว่า และมีค่าคงเวลาทางความร้อนที่ยาวนานกว่า ซึ่งเหมาะกับการรับภาระแบบเป็นรอบ
| ตำแหน่งติดตั้ง | ตัวเลือกทั่วไป | เหตุผล |
|---|---|---|
| บนเครน STS (11/0.69 kV, 1,000–1,600 kVA) | ชนิดแห้งหล่อเรซิน, IP55, คลาส F หรือ H | ไม่มีน้ำมันเหนือท่าเทียบเรือ ความเสี่ยงจากอัคคีภัยและการรั่วไหลเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ ใช้การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับสำหรับช่วงโหลดสูงสุด |
| บน RMG / e-RTG (6.6/0.4 kV) | ชนิดแห้งหล่อเรซิน, IP55 | เหตุผลด้านอัคคีภัยเช่นเดียวกันในระดับที่เล็กกว่า ต้องทนต่อการสั่นสะเทือนและการเอียงขณะเคลื่อนที่ |
| สถานีไฟฟ้าย่อยท่าเทียบเรือ (11/0.4 kV, 1,000–2,500 kVA) | แบบใดก็ได้ ใช้ชนิดแห้งหล่อเรซินในลานปิด ใช้ชนิดจุ่มน้ำมันเมื่อมีพื้นที่กลางแจ้งเพียงพอ | ชนิดน้ำมันมีราคาถูกกว่า 20–30% และมีระยะโอเวอร์โหลดที่ดีกว่า ส่วนชนิดเรซินหลีกเลี่ยงการก่อคันกั้นน้ำมัน |
| สถานีไฟฟ้าย่อยหลัก 33/11 kV (20–40 MVA) | ชนิดจุ่มน้ำมัน, ONAN/ONAF, พร้อม OLTC | ต้นทุน ประสิทธิภาพ ช่วงการปรับแทปสำหรับแรงดันของการไฟฟ้า ตรงตามแนวปฏิบัติมาตรฐานของการไฟฟ้า |
| สถานีไฟฟ้าย่อยตู้คอนเทนเนอร์แช่เย็น (11/0.4 kV) | ชนิดจุ่มน้ำมันหรือชนิดแห้งหล่อเรซิน | โหลดคงที่ ปริมาณฮาร์มอนิกต่ำ การคิดต้นทุนกำลังไฟฟ้าสูญเสียสนับสนุนให้เลือกหน่วยที่มีประสิทธิภาพสูง |
กรณีการติดตั้งบนเครนมีรายละเอียดที่ผู้ซื้อมักมองข้าม ผู้ผลิตเครนมักกำหนดหม้อแปลงเป็นส่วนหนึ่งของชุดอุปกรณ์เครน และข้อกำหนดของท่าเทียบเรือเองก็ไม่เคยไปถึงส่วนนั้น หากท่าเรือต้องการคลาสฉนวนเฉพาะ ค่า IP เฉพาะ หรือค่า K-factor จะต้องระบุไว้ในใบสั่งซื้อเครน ไม่ใช่ในใบสั่งซื้อหม้อแปลงที่มาถึงภายหลัง คู่มือการเลือกชนิดน้ำมันเทียบกับชนิดแห้ง อธิบายหลักการเลือกโดยทั่วไป และคู่มือวิธีการระบายความร้อน อธิบายว่าเหตุใดหน่วยชนิดแห้งหล่อเรซินแบบ AN/AF จึงสามารถกำหนดพิกัดได้ที่ 1.25–1.5 เท่าของพิกัด AN สำหรับช่วงโหลดสูงสุดของเครนในระยะสั้น ซึ่งมักเป็น kVA ที่ถูกที่สุดที่ท่าเทียบเรือสามารถซื้อได้
ท่าเทียบเรือชายฝั่งต้องการค่า IP และคลาสการกัดกร่อนระดับใด?
ท่าเทียบเรือคอนเทนเนอร์เป็นหนึ่งในสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าที่รุนแรงที่สุดในการใช้งานอุตสาหกรรมทั่วไป ทั้งอากาศที่มีเกลือเจือปน ความชื้นสัมพัทธ์ 80–95% การควบแน่นทุกคืนเมื่อเหล็กเย็นตัวลงต่ำกว่าจุดน้ำค้าง ทรายที่พัดตามลม และอุณหภูมิแวดล้อม 40–45 °C ในเขตร้อนพร้อมความร้อนจากแสงแดดที่เพิ่มขึ้น IP54 เป็นค่าขั้นต่ำสำหรับตู้หม้อแปลงใด ๆ ที่ท่าเทียบเรือ และ IP55 เป็นค่าปกติบนเครนเนื่องจากต้องล้างทำความสะอาดและฝนที่พัดกระหน่ำ ค่า IP ป้องกันน้ำและฝุ่น แต่ไม่ได้กล่าวถึงการกัดกร่อนซึ่งเป็นข้อกำหนดแยกต่างหาก
ข้อกำหนดการกัดกร่อนควรเป็นไปตาม ISO 12944-2 หมวด C5-M (การกัดกร่อนสูงมาก สภาพแวดล้อมทางทะเล) สำหรับทุกสิ่งภายในระยะไม่กี่กิโลเมตรจากแหล่งน้ำ โดยใช้ระบบสีที่มีความหนาฟิล์มแห้งรวมอย่างน้อย 240 µm ประกอบด้วยสีรองพื้นสูตรสังกะสีเข้ม สีอีพ็อกซี่ชั้นกลาง และสีโพลียูรีเทนชั้นทับหน้า รายละเอียดเชิงปฏิบัติที่เสื่อมสภาพก่อนในท่าเทียบเรือจริง ได้แก่ ตัวยึดชุบสังกะสี (ควรใช้สแตนเลส 316) รอยเชื่อมถังที่ไม่ได้ทาสี รางเดินสายเหล็กกล้าไม่ผสม และตัวหายใจมาตรฐานที่ดูดละอองเกลือเข้าไป รวมถึงปะเก็นยางที่แข็งตัวภายใต้รังสียูวี สำหรับหน่วยชนิดจุ่มน้ำมัน การออกแบบแบบสุญญากาศหรือถังรักษาระดับน้ำมันที่มีถุงเมมเบรนช่วยหลีกเลี่ยงการหายใจเอาอากาศชายฝั่งที่มีความชื้นเข้าไปโดยสิ้นเชิง
อุณหภูมิแวดล้อมเป็นอีกครึ่งหนึ่งของปัญหาเดียวกัน หม้อแปลงที่กำหนดพิกัดที่อุณหภูมิแวดล้อม 40 °C จะสูญเสียความสามารถประมาณ 8–10% ที่ 45 °C และหน่วยชนิดแห้งหล่อเรซินในตู้เหล็กที่ถูกแสงแดดอาจมีอากาศภายในสูงถึง 50 °C ต้องใช้การลดพิกัดกับค่ากำลังไฟฟ้า RMS ของเครน ไม่ใช่ค้นพบภายหลัง และการระบายอากาศของตู้ต้องออกแบบสำหรับการระบายความร้อนจริง ไม่ใช่สำหรับกำลังไฟฟ้าสูญเสียตามพิกัดของหม้อแปลงที่ 20 °C
จะรักษาให้เครนเดินเครื่องได้อย่างไรเมื่อหม้อแปลงขัดข้อง?
ความพร้อมใช้งานของท่าเทียบเรือวัดเป็นจำนวนตู้ที่เคลื่อนย้ายต่อชั่วโมง และการหยุดชะงักของหม้อแปลงที่ทำให้เครนสองตัวหยุดทำงานเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์มีต้นทุนสูงกว่าตัวหม้อแปลงเอง คำตอบด้านการออกแบบคือบัสแรงดันกลางที่แบ่งส่วนพร้อมความสามารถ N-1 บวกกับกลยุทธ์อะไหล่ที่ตกลงกันก่อนสั่งซื้อหน่วยแรก
การจัดวางที่พบบ่อยคือบัสบาร์คู่หรือบัสบาร์เดี่ยวที่มีส่วนแยกแบบปกติเปิดที่ระดับ 11 kV โดยแต่ละครึ่งจ่ายไฟจากหม้อแปลง 33/11 kV ของตนเอง และเครนท่าเทียบเรือแต่ละตัวจ่ายไฟจากส่วนบัสบาร์ผ่านรอกม้วนสายเคเบิล เมื่อหม้อแปลงตัวหนึ่งหยุดทำงาน เบรกเกอร์ส่วนแยกจะปิดวงจรและหม้อแปลงที่เหลือจะรับโหลดเต็มท่าเทียบเรือด้วยจำนวนเครนที่ลดลง ซึ่งเป็นการสูญเสียผลิตภาพมากกว่าการหยุดชะงักทั้งหมด ในกรณีที่ท่าเทียบเรือไม่สามารถยอมรับแม้แต่สถานการณ์นั้นได้ จะมีการจ่ายไฟให้หม้อแปลงตัวที่สามและเตรียมพร้อมแบบสแตนด์บายร้อน ซึ่งมีต้นทุนกำลังไฟฟ้าสูญเสียขณะไม่มีโหลดทุกชั่วโมงตลอดทั้งปี แต่ขจัดเวลาการสลับวงจร
การป้องกันต้องสอดคล้องกับโทโพโลยี ฟีดเดอร์ของเครนต้องรับกระแสเริ่มต้นซ้ำๆ การสร้างพลังงานกลับ (regeneration) และสายเคเบิลรีลที่เป็นชิ้นส่วนกลไกเคลื่อนที่ซึ่งมีอายุการใช้งานจำกัด — การป้องกันไฟดิน (earth-fault protection) บนเครนที่ป้อนผ่านรีลต้องมีความไวพอที่จะตรวจจับความผิดพร่องที่ปลายสายเคเบิลระยะ 600 m โดยไม่ทริปจากค่าคาปาซิแตนซ์ปกติของสายเคเบิลนั้น การป้องกันแบบดิฟเฟอเรนเชียลของหม้อแปลงบนเครื่องขนาด 20 MVA เป็นมาตรฐาน แต่บนหม้อแปลงเครนติดตั้งบนเครื่องขนาด 1,600 kVA มักถูกแทนที่ด้วย restricted earth fault และฟิวส์หรือเบรกเกอร์ฝั่ง MV เนื่องจากระบบป้องกันของเครนเองต้องประสานกับการป้องกันของท่าเรือ คู่มืออุปกรณ์ป้องกัน ครอบคลุมชุดอุปกรณ์ และ คู่มือการคำนวณกระแสลัดวงจร ให้วิธีการหาค่าระดับความผิดพร่อง (fault level) ซึ่งค่าตั้งต่างๆ ขึ้นอยู่กับวิธีนี้
ค่าอิมพีแดนซ์ส่งผลต่อระดับความผิดพร่องและแรงดันตกของเครนอย่างไร?
ข้อกำหนดสองประการดึงไปในทิศทางตรงกันข้าม uk% ต่ำช่วยให้แรงดันตกขณะเริ่มยกของมีค่าน้อยและช่วยให้เครนทำงานผ่านช่วงนั้นได้ ส่วน uk% สูงจำกัดระดับความผิดพร่องที่บัสบาร์ 0.4 kV หรือ 0.69 kV เพื่อให้เบรกเกอร์และบัสบาร์ของเครนเป็นผลิตภัณฑ์มาตรฐานได้ ที่ท่าเรือ แรงดันตกมักเป็นข้อจำกัดที่ผูกมัด เนื่องจากการเริ่มทำงานของเครนทุกครั้งปรากฏให้เห็นบนบัสเดียวกัน
| หม้อแปลง | uk% ทั่วไป | ผลกระทบ |
|---|---|---|
| 33/11 kV, 20 MVA | 10–12% | จำกัดระดับความผิดพร่องที่ 11 kV; ยังแยกฮาร์มอนิกของเครนออกจาก PCC ที่ 33 kV |
| 11/0.69 kV เครนติดตั้งบนเครื่อง, 1,600 kVA | 5–6% | ประนีประนอมระหว่างแรงดันตกกับระดับความผิดพร่องฝั่ง LV; ตรวจสอบความทนทานต่อแรงดันตกของไดรฟ์เครน |
| 11/0.4 kV สถานีไฟฟ้าย่อยท่าเทียบเรือ, 1,600 kVA | 5–6% | มาตรฐาน; ระดับความผิดพร่องฝั่ง LV ประมาณ 30–40 kA ที่บัสบาร์ |
| 11/0.4 kV สถานีไฟฟ้าย่อยตู้คอนเทนเนอร์แช่เย็น, 2,000 kVA | 6% | โหลดคงที่ ไม่มีข้อกำหนดเรื่องแรงดันตก; uk% สูงขึ้นช่วยประหยัดต้นทุนสวิตช์เกียร์ฝั่ง LV |
การคำนวณแรงดันตกใช้วิธีเดียวกับการคำนวณแรงดันดรอปที่กระแสเริ่มต้น หม้อแปลงขนาด 1,600 kVA ที่ uk 5.5% ซึ่งรับโหลดเครนที่กระแสพุ่งขึ้นเป็น 2.5 เท่าของกระแสพิกัดเป็นเวลาหนึ่งวินาที จะทำให้บัสมีแรงดันตกประมาณ 5.5% × 2.5 ≈ 13.75% หากแหล่งจ่ายต้นทางมีอิมพีแดนซ์อนันต์ และจะตกมากกว่านั้นเมื่อรวมอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลง 33/11 kV และแหล่งจ่ายจากการไฟฟ้าเข้าไปด้วย ไดรฟ์เครนส่วนใหญ่ทนแรงดันตกได้ 15–20% เป็นเวลาหนึ่งวินาที ไดรฟ์ AFE บางรุ่นจะทริปเมื่อแรงดันต่ำกว่าพิกัด 10% นานกว่าสองสามรอบคลื่น ค่าความทนทานนั้นคือตัวเลขที่ต้องออกแบบให้รองรับ และควรได้รับจากผู้จำหน่ายเครนเป็นลายลักษณ์อักษรแทนการสันนิษฐาน
อะไรควรอยู่ในใบสอบถามและบน datasheet?
ข้อเสนอหม้อแปลงสำหรับท่าเรือสองฉบับจะเปรียบเทียบกันได้ก็ต่อเมื่อทั้งสองตอบคำถามชุดเดียวกัน รายการด้านล่างสั้นพอที่จะส่งไปพร้อม RFQ และเจาะจงพอที่ผู้จำหน่ายจะไม่สามารถตอบด้วยแผ่นแคตตาล็อกมาตรฐานได้
| รายการ | สิ่งที่ต้องระบุ |
|---|---|
| กำลังพิกัดและรอบการทำงาน | kVA ที่อุณหภูมิแวดล้อมที่กำหนด พร้อมรอบการทำงานแบบไซคลิก (RMS kVA, kVA สูงสุด, เวลาต่อรอบ, จำนวนครั้งที่เริ่มต่อชั่วโมง) และกลุ่มการทำงานของเครน (ISO 4301-1 / FEM 9.511) |
| แรงดันและกลุ่มเวกเตอร์ | HV และ LV, ช่วงแทปและชนิดตัวเปลี่ยนแทป, กลุ่มเวกเตอร์ (Dyn11 เป็นปกติ; เครน 12 พัลส์ต้องการขดลวดทุติยภูมิสองชุด เช่น Dyn11d0) |
| อิมพีแดนซ์ | uk% ที่กระแสพิกัด พร้อมค่าความคลาดเคลื่อน และระดับความผิดพร่องฝั่ง LV ที่ได้ |
| ภาระฮาร์มอนิก | K-factor หรือสเปกตรัมที่วัดได้, ค่าลดพิกัดตาม IEEE C57.110 และว่าจะรวมฟิลเตอร์ไว้ในชุดจัดส่งหรือไม่ |
| การระบายความร้อนและอุณหภูมิเพิ่ม | AN/ANAF/AF, ชั้นอุณหภูมิเพิ่ม, อุณหภูมิแวดล้อมที่ออกแบบ (40 °C, 45 °C หรือ 50 °C), ขีดจำกัดจุดร้อน |
| ตู้ครอบ | ระดับ IP, ภายใน/ภายนอกอาคาร, การจัดวางระบบระบายอากาศ, ทางเข้าสายเคเบิล, จุดยกและจุดแม่แรงสำหรับห้องเครื่องของเครน |
| การกัดกร่อน | หมวดหมู่ตาม ISO 12944-2, ระบบสีและความหนาฟิล์มแห้ง, วัสดุตัวยึด, วัสดุถังและผิวสำเร็จ |
| ค่าสูญเสีย | ค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลดและขณะมีโหลดเป็น kW รับประกันพร้อมค่าความคลาดเคลื่อน และอัตราการคิดต้นทุนพลังงาน (capitalisation rate) ที่ใช้ในการประเมิน |
| การทดสอบและเอกสาร | การทดสอบประจำตาม IEC 60076-1, รายงานผลการทดสอบแบบ (type test), การทดสอบอุณหภูมิเพิ่ม, ระดับเสียงตาม IEC 60076-10 และระเบียบการตรวจสอบก่อนจัดส่ง |
| มาตรฐาน | มาตรฐานชุด IEC 60076 พร้อมข้อกำหนดเฉพาะท้องถิ่น (GB/T 6451 ในจีน, IEEE C57.12.00 ในอเมริกาเหนือ, การรับรอง UL ในเขตอำนาจศาลที่ใช้ UL) |
สองข้อมูลที่มักขาดหายไปบ่อยที่สุดจากคำขอใบเสนอราคาจริงคือระดับการใช้งาน (duty class) และฮาร์มอนิกสเปกตรัม ซึ่งเป็นสองปัจจัยที่ส่งผลต่อราคามากที่สุด ผู้จัดจำหน่ายที่ไม่ได้รับแจ้งระดับการใช้งานของเครนจะเสนอราคาหม้อแปลงจำหน่ายมาตรฐานที่มีค่าสูญเสียมาตรฐาน และท่าเรือจะพบความแตกต่างในฤดูร้อนปีที่สาม ส่งตารางการขับเคลื่อนของเครน แผนภาพเส้นเดี่ยว จำนวนปลั๊กตู้คอนเทนเนอร์แช่เย็น และอุณหภูมิแวดล้อมออกแบบไปพร้อมกัน และขอให้ระบุค่าสูญเสียและการคำนวณการลดพิกัด (derating) ในใบเสนอราคา รายการตรวจสอบก่อนการจัดส่ง ครอบคลุมสิ่งที่ต้องตรวจสอบก่อนที่เครื่องจะถูกจัดส่ง ซึ่งที่ท่าเรือมีความสำคัญเพราะไม่สามารถทดสอบเดินระบบเครนได้หากไม่มี
การเลือกหม้อแปลงส่งผลต่อต้นทุนตลอดยี่สิบปีอย่างไร?
ท่าเรือดำเนินงาน 6,000–8,000 ชั่วโมงต่อปี และค่าสูญเสียจ่ายตามอัตราค่าไฟฟ้าอุตสาหกรรมซึ่งมักสูงกว่า USD 0.10/kWh ตัวอย่างหม้อแปลงเครนบนเรือขนาด 1,600 kVA ที่มีค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลด 2.4 kW และค่าสูญเสียขณะมีโหลด 16 kW ที่โหลดเต็ม โดยมีภาระเฉลี่ย 45% ตลอด 7,000 ชั่วโมง:
ค่าสูญเสีย = 2.4 + 16 × 0.45² = 2.4 + 3.24 = 5.64 kW ซึ่งตลอด 7,000 ชั่วโมงคิดเป็น 39,480 kWh ต่อปี ที่ USD 0.10/kWh คิดเป็น USD 3,948 ต่อปี และมูลค่าปัจจุบันตลอดยี่สิบปีที่อัตรา 6% อยู่ที่ประมาณ USD 45,300 เมื่อคิดจากเครน STS 12 ตัว ค่าไฟฟ้าจากการสูญเสียมีมูลค่าปัจจุบันมากกว่าครึ่งล้านดอลลาร์ ซึ่งมักเป็นหลายเท่าของส่วนต่างราคาระหว่างการออกแบบมาตรฐานและแบบสูญเสียต่ำ
การคำนวณนี้สนับสนุนสองประการ คือ ระบุค่าสูญเสียและคิดเป็นมูลค่าในการประเมิน และอย่าเลือกขนาดเกินความจำเป็น หม้อแปลงเครนที่ทำงานที่ภาระเฉลี่ย 25% จ่ายค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลดเกือบเท่ากับที่ 50% แต่ให้จำนวนการเคลื่อนย้ายเพียงครึ่งเดียว และผู้ออกแบบท่าเรือที่เพิ่ม "ความจุในอนาคต" 30% ให้กับหม้อแปลงเครนทุกตัวจะต้องจ่ายค่านี้ไปตลอดสองทศวรรษ คู่มือต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ อธิบายวิธีการคิดเป็นมูลค่า และการเปรียบเทียบมาตรฐานประสิทธิภาพพลังงานระบุค่าขั้นต่ำตามกฎระเบียบที่บังคับใช้ในสหภาพยุโรป สหรัฐอเมริกา และจีน — ที่ท่าเรือ ค่าขั้นต่ำเหล่านั้นเป็นเพียงระดับพื้นฐาน ไม่ใช่เป้าหมาย
หากคุณกำลังเตรียมคำขอใบเสนอราคาสำหรับท่าเรือ สถานีไฟฟ้าย่อยริมท่า หรือชุดเครน วิธีที่เร็วที่สุดในการได้ใบเสนอราคาที่เปรียบเทียบได้คือการส่งรายการกองเรือเครนพร้อม kVA ที่ติดตั้งและระดับการใช้งาน จำนวนปลั๊กตู้คอนเทนเนอร์แช่เย็นและอุณหภูมิแวดล้อมออกแบบ แผนภาพเส้นเดี่ยวพร้อมแรงดันไฟฟ้าที่เสนอ และผลการศึกษาฮาร์มอนิกหรือตารางการขับเคลื่อน ทีมวิศวกรของเราสามารถแปลงข้อมูลเหล่านั้นเป็นข้อกำหนดหม้อแปลงที่กำหนดขนาดแล้ว พร้อมพิกัดแบบวัฏจักร การลดพิกัดตาม K-factor การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าตก และงบประมาณเบื้องต้นได้ในครั้งเดียว คุณยังสามารถเริ่มจากเครื่องคำนวณระบบไฟฟ้าเพื่อตรวจสอบระดับกระแสลัดวงจร แรงดันไฟฟ้าตก และการคิดค่าสูญเสียเป็นมูลค่า ก่อนติดต่อผู้จัดจำหน่ายรายใด
Sources / 资料来源
ที่มา: IEC 60076-1 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง ข้อกำหนดทั่วไป
ที่มา: IEC 60076-2 — การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิสำหรับหม้อแปลงชนิดจุ่มของเหลว
ที่มา: IEC 60076-3 — ระดับฉนวน การทดสอบไดอิเล็กทริก และระยะห่างภายนอกในอากาศ
ที่มา: IEC 60076-5 — ความสามารถในการทนต่อการลัดวงจร
ที่มา: IEC 60076-7 — คู่มือการโหลดสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังชนิดจุ่มน้ำมัน รวมถึงการโหลดแบบวัฏจักรและขีดจำกัดจุดร้อน
ที่มา: IEC 60076-10 — การกำหนดระดับเสียง
ที่มา: IEC 60076-11 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังชนิดแห้ง รวมถึงชั้นสมรรถนะด้านภูมิอากาศ สิ่งแวดล้อม และอัคคีภัย
ที่มา: IEC 60137 — บุชชิ่งหุ้มฉนวนสำหรับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่สูงกว่า 1,000 V
ที่มา: IEC 60214 — อุปกรณ์เปลี่ยนแทป
ที่มา: IEC 60034-1 — เครื่องจักรไฟฟ้าแบบหมุน การให้พิกัดและสมรรถนะ รอบการทำงาน S1–S10
ที่มา: IEC 61439-1 และ IEC 61439-2 — ชุดสวิตช์เกียร์และชุดควบคุมแรงดันต่ำ
ที่มา: IEC 61936-1 — การติดตั้งระบบไฟฟ้าที่เกิน 1 kV AC กฎทั่วไป
ที่มา: IEC 60529 — ระดับการป้องกันที่ให้โดยตู้หุ้ม (รหัส IP)
ที่มา: ISO 4301-1 — เครน การจำแนกประเภท ทั่วไป (กลุ่มการทำงานของเครน A1–A8)
ที่มา: FEM 9.511 — กฎสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ยกแบบซีรีส์ การจำแนกกลไก
ที่มา: IEEE C57.110-2018 — การกำหนดความสามารถของหม้อแปลงเมื่อจ่ายกระแสโหลดที่ไม่ใช่ไซน์
ที่มา: IEEE 519-2014 — การควบคุมฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้ากำลัง
ที่มา: IEEE C57.12.00 — ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับหม้อแปลงจำหน่าย หม้อแปลงกำลัง และหม้อแปลงปรับแรงดันชนิดจุ่มของเหลว
ที่มา: IEEE C57.91 — คู่มือการโหลดหม้อแปลงชนิดจุ่มน้ำมันแร่และเครื่องควบคุมแรงดันแบบขั้น
ที่มา: GB/T 6451-2015 — พารามิเตอร์ทางเทคนิคและข้อกำหนดสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังชนิดจุ่มน้ำมันสามเฟส
ที่มา: GB 20052-2020 — ค่าต่ำสุดที่อนุญาตของประสิทธิภาพพลังงานและระดับประสิทธิภาพพลังงานสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง
ที่มา: Commission Regulation (EU) No 548/2014 — ข้อกำหนดการออกแบบเชิงนิเวศสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังขนาดเล็ก ขนาดกลาง และขนาดใหญ่
ที่มา: U.S. Department of Energy, 10 CFR Part 431 Subpart K — มาตรฐานการอนุรักษ์พลังงานสำหรับหม้อแปลงจำหน่าย
ที่มา: ISO 12944-2 — หมวดหมู่การกัดกร่อนสำหรับโครงสร้างเหล็ก หมวดหมู่ C5-M สำหรับบรรยากาศชายฝั่งทะเล
ที่มา: NFPA 70 (National Electrical Code) Article 450 — หม้อแปลงและห้องหม้อแปลง
ที่มา: ประสบการณ์ทางวิศวกรรมของ QDTB — รายการโหลดของเครนท่าเทียบตู้คอนเทนเนอร์ การคำนวณขนาด RMS ตามรอบการทำงานของเครน STS ค่าตัวคูณความต้องการของปลั๊กตู้คอนเทนเนอร์แช่เย็น การตรวจสอบแรงดันตกที่ท่าเทียบเรือ และการลดพิกัดเนื่องจากฮาร์มอนิกสำหรับไดรฟ์เครน ค่าที่ระบุว่าเป็นประสบการณ์จากอุตสาหกรรมเป็นช่วงค่าทั่วไปจากโครงการท่าเรือและงานยกของหนัก ไม่ใช่มาตรฐานที่เผยแพร่