Synchronous Machine (เครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัส)

เครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัส (Synchronous Machine) หมายถึงเครื่องกลไฟฟ้ากระแสสลับที่ทำงานด้วยการหมุน และขณะที่หมุนด้วยความเร็วคงที่  จะมีความเร็วรอบเท่ากับความเร็วซิงโครนัสซึ่งขึ้นอยู่กับจำนวนขั้วและความถี่กระแสสลับ  เครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัสนี้อาจจะไม่ได้พบเห็นโดยทั่วไปมากนัก แต่ยังคงมีการใช้งานอยู่ในบางอุตสาหกรรม

พื้นฐานของเครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัส

หลักการของเครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัส

รูปด้านล่างแสดงให้เห็นว่ามีขดลวดเหมือนกัน 3 ขดเรียงตัวทำมุม 2π/3 rad ซึ่งกันและกัน ด้านในมีขั้วแม่เหล็กที่หมุนได้วางอยู่

เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำให้ขั้วแม่เหล็กหมุนด้วยความเร็วคงที่ เส้นแรงแม่เหล็กที่ตัดกับขดลวดจะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นวงรอบ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟสที่มีความถี่คงที่ขึ้น เท่ากับทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

รูป  หลักการทำงานของเครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัส 3 เฟส

ถ้าจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟสให้ขั้วของขดลวด จะทำให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็กหมุนขึ้น รูป (b) แสดงให้เห็นว่าเมื่อเครื่องนี้หมุนโดยที่แกนเส้นแรงแม่เหล็กและแกนขั้วแม่เหล็กทำมุมกันคงที่ค่าหนึ่ง จะเกิดแรงบิดขึ้น เท่ากับทำหน้าที่เป็นมอเตอร์

คุณสมบัติพื้นฐานของเครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัส

ความเร็วซิงโครนัส (n) แสดงได้ด้วยสูตรดังต่อไปนี้

โดยที่

f₁            คือ ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ

p             คือ จำนวนขั้ว

ประเภทของเครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัส

เครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัสมีทั้งแบบ Revolving field ซึ่งขั้วแม่เหล็กหมุนและแบบ Revolving armature ซึ่งขดลวดอาร์เมเจอร์หมุนแต่เครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัสส่วนใหญ่จะเป็นแบบ Revolving field

เครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัสแบบ Revolving field ยังแบ่งออกได้เป็นแบบ Salient pole และแบบ Non-salient pole แบบแรกมักจะใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันน้ำ แบบหลังจะใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์ร์

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส (synchronous generator)

ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส เฟสของกระแสโหลดที่ไหลในขดลวดอาร์เมเจอร์จะทำให้เส้นแรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์ซึ่งเกิดจากกระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์เปลี่ยนตำแหน่งสัมพัทธ์กับขั้วแม่เหล็ก ดังนั้น แรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำต้านกลับจึงมีอิทธิพลโดยตรงกับขนาดและ การกระจายเส้นแรงแม่เหล็กในแก็ป นอกจากนี้ กระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์ยังสร้างเส้นแรงแม่เหล็กรั่ว จากขดลวดอาร์เมเจอร์ซึ่งจะตัดกับขดลวดอาร์เมเจอร์เท่านั้น

เมื่อแตกเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์ออกเป็น 2 ส่วนรีแอกแตนซ์ที่เกิดจากเส้นแรงแม่เหล็กส่วนที่มีผลโดยตรงต่อเส้นแรงแม่เหล็กในแก็ป เรียกว่า รีแอกแตนซ์ต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์ x_a และรีแอกแตนซ์ที่เกิดจากเส้นแรงแม่เหล็กรั่ว เรียกว่า รีแอกแตนซ์รั่วของขดลวดอาร์เมเจอร์  นอกจากนี้เมื่อให้ความต้านทานของขดลวดอาร์เมเจอร์เป็น r_a แล้ว วงจรสมมูลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสจะแสดงได้ตามรูปด้านล่าง โดยวงจรสมมูลนี้มีความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้

รูป  วงจรสมมูลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส

รูปด้านล่างต่อมา แสดงความสัมพันธ์ของตำแหน่งสัมพัทธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำต้านกลับ   ที่เกิดจากกระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์กับสนามแม่เหล็ก จากรูป เมื่อขดลวดอาร์เมเจอร์มีตำแหน่งตรงกันกับแกนขั้วแม่เหล็ก N และ S จะเกิดแรงดันเหนี่ยวนำสูงสุด

รูป การต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส

หากกระแสโหลดมีเฟสตรงกันแล้ว แรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำต้านกลับที่เกิดจากกระแสใน     ขดลวดอาร์เมเจอร์กับสนามแม่เหล็ก F_a จะเป็นสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับแรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก F_f โดยมีเฟสต่างกัน π/2 ตามรูปที่  (a) ทำให้มีผลสร้างสนามแม่เหล็กตัดกับระนาบขั้วแม่เหล็ก กรณีที่กระแสโหลดล้าหลังเท่ากับ π/2  แล้ว F_a จะมีทิศทางตรงข้ามกับ F_f ทำให้มีผลลดสนามแม่เหล็กตามรูป (b) และกรณีที่กระแสโหลดนำหน้าเท่ากับ π/2 แล้ว F_a จะมีทิศทางเดียวกับ F_f ทำให้มีผลเพิ่มสนามแม่เหล็ก

ในกรณีของกระแสโหลดทั่วไป กำลังไฟฟ้าจริงจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กตัดกัน และกระแสจะล้าหลังหรือกระแสนำหน้าซึ่งสร้างกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟจะเพิ่มหรือลดสนามแม่เหล็ก

คำอธิบายข้างต้นใช้ในกรณีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่ในกรณีของมอเตอร์ก็จะเกิดแรงกระทำในทำนองเดียวกัน ตามที่แสดงในตารางต่อไปนี้

ตาราง แรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์

มอเตอร์ซิงโครนัส (synchronous motor)

วงจรสมมูลของมอเตอร์

วงจรสมมูลของมอเตอร์จะเหมือนกับกรณีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กล่าวคือถ้าให้รีแอกแตนซ์ต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์เท่ากับ x_a ให้รีแอกแตนซ์รั่วของขดลวดอาร์เมเจอร์เท่ากับ x_ℓ จะได้วงจรดังรูปต่อไปนี้

รูป  วงจรสมมูลของมอเตอร์ซิงโครนัส

เส้นกราฟคุณลักษณะเฟส (เส้นกราฟ V)

เมื่อรักษาแรงดันที่ขั้ว V ของมอเตอร์ซิงโครนัสให้คงที่ และปรับกระแสสนามแม่เหล็ก I_f โดยที่ให้กำลังขาออก P₀ คงที่แล้ว แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ E₀ จะเปลี่ยนแปลงไป ผลคือทำให้ขนาดและเฟสของกระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์ I_a เปลี่ยนแปลงไปด้วย เมื่อวาดกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง I_f กับ I_a จะได้ดังรูปด้านล่างเรียกว่า เส้นกราฟคุณลักษณะเฟส (เส้นกราฟ V) ของมอเตอร์ซิงโครนัส

รูป เส้นกราฟคุณลักษณะเฟส (เส้นกราฟ V)

วิธีสตาร์ตเครื่อง

แรงบิดของมอเตอร์ซิงโครนัส จะเกิดขึ้นเมื่อโรเตอร์หมุนด้วยความเร็วซิงโครนัสเท่านั้น ดังนั้นในการสตาร์ตจึงต้องวิธีการต่อไปนี้ในการเร่งความเร็วของโรเตอร์ให้ใกล้เคียงกับความเร็วซิงโครนัสก่อน แล้วจึงป้อนสนามแม่เหล็กเพื่อปรับความเร็วให้ได้ความเร็วซิงโครนัส

-       วิธีสตาร์ตด้วยตัวเอง  สตาร์ทโดยใช้ขดลวดควบคุมการเคลื่อนที่ซึ่งติดตั้งไว้ที่ผิวหน้าขั้วแม่เหล็กของโรเตอร์

-       วิธีสตาร์ตด้วยมอเตอร์สำหรับสตาร์ท  ใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำหรือมอเตอร์กระแสตรงเป็นมอเตอร์สำหรับสตาร์ต

อ้างอิง

เอกสารประกอบการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส, กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน