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 xa และรีแอกแตนซ์ที่เกิดจากเส้นแรงแม่เหล็กรั่ว เรียกว่า รีแอกแตนซ์รั่วของขดลวดอาร์เมเจอร์ นอกจากนี้เมื่อให้ความต้านทานของขดลวดอาร์เมเจอร์เป็น ra แล้ว วงจรสมมูลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสจะแสดงได้ตามรูปด้านล่าง โดยวงจรสมมูลนี้มีความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้
รูป วงจรสมมูลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส
รูปด้านล่างต่อมา แสดงความสัมพันธ์ของตำแหน่งสัมพัทธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำต้านกลับ ที่เกิดจากกระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์กับสนามแม่เหล็ก จากรูป เมื่อขดลวดอาร์เมเจอร์มีตำแหน่งตรงกันกับแกนขั้วแม่เหล็ก N และ S จะเกิดแรงดันเหนี่ยวนำสูงสุด
รูป การต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส
หากกระแสโหลดมีเฟสตรงกันแล้ว แรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำต้านกลับที่เกิดจากกระแสใน ขดลวดอาร์เมเจอร์กับสนามแม่เหล็ก Fa จะเป็นสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับแรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก Ff โดยมีเฟสต่างกัน π/2 ตามรูปที่ (a) ทำให้มีผลสร้างสนามแม่เหล็กตัดกับระนาบขั้วแม่เหล็ก กรณีที่กระแสโหลดล้าหลังเท่ากับ π/2 แล้ว Fa จะมีทิศทางตรงข้ามกับ Ff ทำให้มีผลลดสนามแม่เหล็กตามรูป (b) และกรณีที่กระแสโหลดนำหน้าเท่ากับ π/2 แล้ว Fa จะมีทิศทางเดียวกับ Ff ทำให้มีผลเพิ่มสนามแม่เหล็ก
ในกรณีของกระแสโหลดทั่วไป กำลังไฟฟ้าจริงจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กตัดกัน และกระแสจะล้าหลังหรือกระแสนำหน้าซึ่งสร้างกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟจะเพิ่มหรือลดสนามแม่เหล็ก
คำอธิบายข้างต้นใช้ในกรณีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่ในกรณีของมอเตอร์ก็จะเกิดแรงกระทำในทำนองเดียวกัน ตามที่แสดงในตารางต่อไปนี้
ตาราง แรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์
มอเตอร์ซิงโครนัส (synchronous motor)
วงจรสมมูลของมอเตอร์
วงจรสมมูลของมอเตอร์จะเหมือนกับกรณีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กล่าวคือถ้าให้รีแอกแตนซ์ต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์เท่ากับ xa ให้รีแอกแตนซ์รั่วของขดลวดอาร์เมเจอร์เท่ากับ xℓ จะได้วงจรดังรูปต่อไปนี้
รูป วงจรสมมูลของมอเตอร์ซิงโครนัส
เส้นกราฟคุณลักษณะเฟส (เส้นกราฟ V)
เมื่อรักษาแรงดันที่ขั้ว V ของมอเตอร์ซิงโครนัสให้คงที่ และปรับกระแสสนามแม่เหล็ก If โดยที่ให้กำลังขาออก P0 คงที่แล้ว แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ E0 จะเปลี่ยนแปลงไป ผลคือทำให้ขนาดและเฟสของกระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์ Ia เปลี่ยนแปลงไปด้วย เมื่อวาดกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง If กับ Ia จะได้ดังรูปด้านล่างเรียกว่า เส้นกราฟคุณลักษณะเฟส (เส้นกราฟ V) ของมอเตอร์ซิงโครนัส
รูป เส้นกราฟคุณลักษณะเฟส (เส้นกราฟ V)
วิธีสตาร์ตเครื่อง
แรงบิดของมอเตอร์ซิงโครนัส จะเกิดขึ้นเมื่อโรเตอร์หมุนด้วยความเร็วซิงโครนัสเท่านั้น ดังนั้นในการสตาร์ตจึงต้องวิธีการต่อไปนี้ในการเร่งความเร็วของโรเตอร์ให้ใกล้เคียงกับความเร็วซิงโครนัสก่อน แล้วจึงป้อนสนามแม่เหล็กเพื่อปรับความเร็วให้ได้ความเร็วซิงโครนัส
- วิธีสตาร์ตด้วยตัวเอง สตาร์ทโดยใช้ขดลวดควบคุมการเคลื่อนที่ซึ่งติดตั้งไว้ที่ผิวหน้าขั้วแม่เหล็กของโรเตอร์
- วิธีสตาร์ตด้วยมอเตอร์สำหรับสตาร์ท ใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำหรือมอเตอร์กระแสตรงเป็นมอเตอร์สำหรับสตาร์ต
อ้างอิง
เอกสารประกอบการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส, กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน
ข้อดีและข้อเสียของมันคืออะไรครับ
เขียนคลอบคลุมดีมาก เข้าใจง่าย
อยากให้เขียนมอเตอร์ประเภทอื่นด้วยค่ะ