มอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องกลไฟฟ้ากระแสสลับ

เครื่องกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีการใช้งานในอุตสาหกรรมกันอย่างแพร่หลาย จึงเป็นเรื่องจำเป็นที่เราต้องทำความเข้าใจอย่างถูกต้องเพื่อนำไปสู่การอนุรักษ์พลังงานที่มีประสิทธิผลต่อไป

1.1   พื้นฐานของเครื่องกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้า

(1)   คำจำกัดความของเครื่องกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

เครื่องกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็นเครื่องกลไฟฟ้ากระแสสลับที่ประกอบด้วยสเตเตอร์และโรเตอร์ซึ่งต่างมีขดลวดอาร์เมเจอร์ที่เป็นอิสระต่อกัน และทำงานด้วยการถ่ายทอดกำลังไฟฟ้าโดยใช้หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจากขดลวดด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง ในสภาวะที่มีเครื่องหมุนด้วยความเร็วคงที่ ความเร็วนี้จะไม่เท่ากับความเร็วซิงโครนัส ขดลวดที่ต่อกับแหล่งจ่ายไฟกระแสสลับเรียกว่า ขดลวดปฐมภูมิ ส่วนขดลวดอีกขดหนึ่งเรียกว่า ขดลวดทุติยภูมิ

(2)   หลักการของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส

รูปที่ 1 การเกิดสนามแม่เหล็กหมุน

(a)   สนามแม่เหล็กหมุน

รูปที่ 2.16 (a) แสดงขดลวดที่เหมือนกัน 3 ขด ได้แก่ uu', vv' และ ww' เรียงตัวโดยทำมุม 2π/3 [rad] ซึ่งกันและกัน เมื่อลัดวงจรขั้ว u', v' และ w' และจ่ายกระแสไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟสตามที่แสดงในรูปที่ 2.16 (b) ให้กับขั้ว u, v และ w แล้ว เมื่อเวลาเท่ากับ t₁ t₂ t₃ และ t₄ ในขดลวดแต่ละขดตามทิศทางแกนหมุนจะเกิดแรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำตัดกัน   และ ที่มีขนาดแปรผันตามกระแสตามรูป 1 (c) แรงลัพธ์ของแรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำ จะมีขนาดคงที่ค่าหนึ่งตามรูป เป็นแรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำที่หมุนด้วยความเร็วเชิงมุม ω₀ = 2πf [rad/s] ทำให้ในบริเวณนั้นเกิดสนามแม่เหล็กหมุนขึ้น

(b)   การเกิดแรงบิด

เมื่อวางทรงวัตถุกระบอกที่นำไฟฟ้าไว้ในสนามแม่เหล็กหมุน เส้นแรงแม่เหล็กจะตัดผ่านวัตถุกระบอกที่นำไฟฟ้าทรงกระบอก ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นในวัตถุกระบอกที่นำไฟฟ้า และมีกระแสไหลวนเกิดขึ้น แรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างกระแสนี้กับเส้นแรงแม่เหล็กจะทำให้เกิดแรงบิดขึ้นตามทิศทางการหมุนของสนามแม่เหล็ก และวัตถุกระบอกที่นำไฟฟ้าจะหมุนตามทิศทางการหมุนของสนามแม่เหล็ก หรือแทนที่จะใช้วัตถุกระบอกที่นำไฟฟ้าจะใช้ขดลวด 3 เฟสที่ต่อลัดวงจรแล้วก็จะได้ผลลัพธ์เช่นเดียวกัน นี่เป็นหลักการทำงานของมอเตอร์เหนี่ยวนำ

(3)   คุณสมบัติพื้นฐานของมอเตอร์เหนี่ยวนำ

-   ความเร็วซิงโครนัส  n_s

ในที่นี้     f₁             คือ ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ

               p              คือ จำนวนขั้ว

-     ความเร็วรอบ n

-     ความถี่ทุติยภูมิ (ความถี่สลิป) f₂

-     แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ : แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำปฐมภูมิ E₁ [V] และแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำทุติยภูมิ E_2s [V] เมื่อเดินเครื่องด้วยสลิปเท่ากับ s คำนวณได้ตามสูตรต่อไปนี้

ตารางที่ 1 จะสรุปความสัมพันธ์ระหว่างสถานะการเดินเครื่อง สลิป ความถี่ทุติยภูมิและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำทุติยภูมิ

รูปที่ 3 รูปร่างโรเตอร์ของมอเตอร์กรงกระรอกแบบพิเศษ

(4)   ประเภทของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส

แบ่งประเภทตามโครงสร้างของโรเตอร์ได้ดังต่อไปนี้

-       มอเตอร์เหนี่ยวนำโรเตอร์แบบกรงกระรอกธรรมดา โครงสร้างของโรเตอร์ประกอบด้วยตัวนำ รูปแท่งจำนวนมากซึ่งมีขดลวดทุติยภูมิฝังอยู่ในสล็อต กับวงแหวนลัดวงจรซึ่งทำหน้านี้ลัดวงจรขดลวดเหล่านี้

-       มอเตอร์เหนี่ยวนำโรเตอร์แบบกรงกระรอกแบบพิเศษ โรเตอร์มีโครงสร้างขดลวดทุติยภูมิแบบพิเศษเพื่อควบคุมกระแสขณะเริ่มหมุนและเพิ่มแรงบิดขณะเริ่มหมุน แบ่งเป็นมอเตอร์กรงกระรอกสองชั้นกับมอเตอร์กรงกระรอกร่องลึก (รูปที่ 2)

-       มอเตอร์เหนี่ยวนำโรเตอร์แบบรูปขดลวด โครงสร้างของโรเตอร์มีขดลวดทุติยภูมิเป็นขดลวดหลายเฟส และต่อขั้วสายขดลวดออกมาภายนอกโดยใช้สลิปริง

(5) ขดลวดสเตเตอร์

-       Concentrated winding กับ Distributed widing : หากจำนวนสล็อตของแต่ละขั้วและแต่ละเฟสเท่ากับ 1 ช่องจะเรียกว่า Concentrated winding หากมีจำนวนตั้งแต่ 2 ช่องขึ้นไปจะเรียกว่า Distributed widings แบบที่นิยมใช้กันในเกือบทุกกรณีได้แก่ Distributed widings เนื่องจากจะมีอัตราการใช้งานแกนเหล็กของสเตเตอร์สูงกว่า

-       Full pitch widings กับ Fractional pitch winding: หากความกว้างของขดลวดเท่ากับระยะห่างระหว่างขั้วแม่เหล็กจะเรียกว่า Full pitch widings หากสั้นกว่าระยะห่างระหว่างขั้วแม่เหล็กจะ เรียกว่า Fractional pitch winding โดยทั่วไปจะใช้ Fractional pitch winding เพื่อลดคลื่นฮาร์โมนิก

-       Lap widings กับ Concentric winding: Lap widings จะมีคลื่นฮาร์โมนิกของเส้นแรง   แม่เหล็กน้อยกว่า แต่ Concentric winding จะพันขดลวดด้วยเครื่องจักรได้ง่ายกว่า

รูปที่  3 เปรียบเทียบขดลวดได้ศูนย์กับขดลวดซ้อน (ต่อ 1 เฟส)

1.2 คุณลักษณะ

(1)   วงจรของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส

-       กระแสทุติยภูมิ กำหนดให้กระแสทุติยภูมิของมอเตอร์ที่เดินเครื่องด้วยสลิป s คำนวณได้ตามสูตรต่อไปนี้

โดยทุกค่าต้องแปลงเทียบเป็นด้านปฐมภูมิ

-   วงจรกับเวกเตอร์   เวกเตอร์เมื่อต่อวงจรแบบสตาร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟสตามที่แสดงในรูปที่ 1 (a) และ (b)

รูปที่ 4 (a) ผังวงจรของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส (ต่อ 1 เฟส)

รูปที่ 4 (b) ผังเวกเตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส (ต่อ 1 เฟส) 

(2) วงจรสมมูล

(3) การคำนวณคุณลักษณะ

การคำนวณคุณลักษณะของเครื่องกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะนิยมใช้วิธีผังวงกลมกันมาก แต่เมื่อมีการปรับปรุงมาตรฐาน JEC “เครื่องกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำ” ก็มีการเปลี่ยนไปใช้วิธีโหลดจริงหรือวิธีวงจรสมมูล อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการใช้วงจรสมมูลรูปตัว T-II ซึ่งกำหนดโดย JEC นั้น การคำนวณค่อนข้างจะซับซ้อน ในที่นี้จึงจะอธิบายการคำนวณคุณลักษณะโดยใช้วงจรสมมูลรูปตัว L ตามรูป 5 (b)

ประสิทธิภาพ :

แรงบิด :

หมายเหตุ: การคำนวณประสิทธิภาพและแรงบิด แต่เดิมใช้วิธีคำนวณเทียบกับกำลังขับที่เกิดขึ้น แต่ในมาตรฐาน JEC ฉบับปรับปรุงได้กำหนดให้คำนวณเทียบกับกำลังขาออกที่เพลาของมอเตอร์ซึ่งได้จากกำลังขับที่เกิดขึ้นลบกำลังสูญเสียทางกลและกำลังสูญเสียจากสเตรย์โหลด

(4) การคำนวณคุณสมบัติพื้นฐานเพื่อคำนวณคุณลักษณะตามวงจรสมมูล

(ก) ความต้านทานขดลวดปฐมภูมิ คำนวณค่าความต้านทานขดลวดปฐมภูมิ r1 [Ω] จากค่าเฉลี่ย R1 ของความต้านทานขดลวดปฐมภูมิที่วัดได้ระหว่างทั้ง 3 ขั้วได้ดังต่อไปนี้

ทั้งนี้        T     คือ อุณหภูมิมาตรฐานของขดลวด [°C]

t    คือ อุณหภูมิของขดลวดขณะที่วัด [°C]

(ข)   คุณสมบัติที่ได้จากการทดสอบโดยไม่มีโหลด จากพิกัดแรงดัน V₁ กระแสขณะไม่มีโหลด I₀ และกำลังขาเข้า 3 เฟส  P₁₀ จะคำนวณ r_n (= r₁ + r_M) [W] และ x_n (= x₁ + x_M) [W] ดังต่อไปนี้

หมายเหตุ         มาตรฐาน JEC ฉบับปรับปรุงได้กำหนดให้หักกำลังสูญเสียทางกลจากกำลังขาเข้า 3 เฟส และคำนวณหาค่าอิมพิแดนซ์เมื่อไม่มีโหลดโดยไม่คิดกำลังสูญเสียทางกล

(ค)   คุณสมบัติที่ได้จากการทดสอบโดยตรึงอยู่กับที่ จากแรงดันปฐมภูมิ V_1s กระแสปฐมภูมิ I_1s และกำลังขาเข้า 3 เฟส P_1s จะคำนวณอิมพิแดนซ์สมมูล Z_s (ความต้านทาน R_s และรีแอกแตนซ์ X_s) [W]   ดังต่อไปนี้

ในวงจรสมมูลรูปตัว L จะคำนวณค่าคงที่ของวงจรสมมูลโดยให้ R_s = r₁ + r₂ และ X_s = x₁ + x₂

หมายเหตุ:     กรณีที่จะคำนวณค่าคงที่ของวงจรสมมูลจากอิมพิแดนซ์ขณะที่ทำการทดสอบโดยตรึงอยู่กับที่ แต่เดิมในการทดสอบโดยตรึงอยู่กับที่จะคำนวณโดยถือว่า I_0s << I_1s และไม่คำนึงถึงวงจรสร้างสนามแม่เหล็ก แต่มาตรฐาน JEC ฉบับปรับปรุงได้กำหนดให้คำนวณค่าคงที่โดยต้องคำนึงถึงวงจรสร้างสนามแม่เหล็กด้วย

(5)   คุณลักษณะแรงบิด

-       Proportional shifting   คุณสมบัติใดๆ ที่ขึ้นอยู่กับความต้านทานทุติยภูมิและสลิปในรูป r₂/s   เพียงพจน์เดียวนั้น หาก r₂/s มีค่าคงที่ คุณสมบัตินั้นก็จะมีค่าคงที่ด้วย กล่าวคือ เมื่อแรงบิดหรือกระแสมีค่าคงที่ สลิปของมอเตอร์จะเปลี่ยนแปลงแปรผันตามความต้านทานของวงจรทุติยภูมิ คุณลักษณะเช่นนี้เรียกว่า Proportional shifting

-     คุณลักษณะแรงบิดของมอเตอร์กรงกระรอกสองชั้น: ขณะเริ่มหมุนมอเตอร์จะมีความถี่สลิปสูง และอิมพิแดนซ์ของตัวนำภายในจะมีค่าสูงกว่าตัวนำภายนอก กระแสส่วนใหญ่จึงไหลผ่านตัวนำภายนอก มอเตอร์จึงเริ่มหมุนโดยมีความต้านทาน ทุติยภูมิสูง ทำให้คุณลักษณะขณะเริ่มหมุนดีขึ้น แต่ขณะที่กำลังเดินเครื่องมอเตอร์จะมีความถี่สลิปต่ำ กระแสส่วนใหญ่จึงไหลผ่านตัวนำภายในซึ่งมีความต้านทานต่ำ จึงช่วยป้องกันไม่ให้มีกำลังสูญเสียมาก

-     คุณลักษณะกำลังขาออก รูปที่ 8 แสดงตัวอย่างหนึ่งของประสิทธิภาพ เพาเวอร์แฟกเตอร์ และสลิปเทียบกับกำลังขาออก

1.3  การเดินเครื่องกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำ 3 เฟส

(1) การสตาร์ท

(a)   มอเตอร์เหนี่ยวนำกรงกระรอก (กรงกระรอกธรรมดาและกรงกระรอกแบบพิเศษ)

-   การสตาร์ตด้วยแรงดันเต็มที่ ใช้กับมอเตอร์ที่มีขนาดเล็ก แรงบิดขณะเริ่มหมุนจะเท่ากับ 100-200% ของพิกัด กระแสเริ่มหมุนจะเท่ากับ 500-700% ของพิกัด กรณีที่แหล่งจ่ายไฟมีกำลังมากอาจใช้กับมอเตอร์ที่มีขนาดปานกลางด้วยก็ได้

-   การสตาร์ตแบบสตาร์-เดลต้า แรงดันของขดลวดจะเท่ากับ 1/ ทั้งกระแสเริ่มหมุนกับแรงบิดเริ่มหมุนจะเท่ากับ 1/3

-   การสตาร์ตด้วยรีแอกเตอร์ เลือกแท็ปตามแรงบิดของโหลด หากกระแสเป็น 1/a แรงบิดจะเป็น 1/a²

-   การสตาร์ตด้วยเครื่องชดเชย ใช้หม้อแปลงขดลวดเดี่ยว เมื่อลดแรงดันเป็น 1/a แรงบิดจะเป็น 1/a² กระแสจะเป็น 1/a²

(b)   มอเตอร์เหนี่ยวนำรูปขดลวดใช้ตัวต้านทานสตาร์ต

(2)   การควบคุมความเร็ว

(a)   มอเตอร์เหนี่ยวนำรูปขดลวด

- การควบคุมความต้านทานทุติยภูมิ ใช้คุณลักษณะ Proprotional shifting ของแรงบิด เพิ่มหรือลดความต้านทานทุติยภูมิเพื่อควบคุมความเร็ว มีข้อเสียคือกำลังสูญเสียจากโหลดจะเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพจะลดลง

- การควบคุมการสร้างสนามแม่เหล็กทุติยภูมิ ปรับแรงดันของความถี่สลิปที่จ่ายให้วงจรทุติยภูมิ     รับและจ่ายกำลังไฟฟ้าระหว่างแหล่งจ่ายไฟทุติยภูมิไปพร้อมๆ กับควบคุมความเร็วอย่างมี           ประสิทธิภาพ มีทั้งวิธีเครเมอร์ซึ่งใช้กำลังไฟฟ้าทุติยภูมิของมอเตอร์เป็นกำลังขับทางกล และแบบ Scherbius ซึ่งนำกลับมาใช้เป็นกำลังไฟฟ้า

(b) มอเตอร์เหนี่ยวนำกรงกระรอก

-   การควบคุมความถี่ปฐมภูมิ ความเร็วซิงโครนัสจะแปรผันตามความถี่ และปรับแรงดันให้แปรผันตามความถี่ด้วยเพื่อรักษาความหนาแน่นเส้นแรงแม่เหล็กให้คงที่ (ควบคุม V/f ให้คงที่)

-   การควบคุมแรงดันปฐมภูมิ ควบคุมความเร็วโดยใช้ประโยชน์จากการที่เส้นกราฟ             แรงบิด-ความเร็วจะเปลี่ยนแปลงแปรผันตามกำลังสองของแรงดัน

-   การแปลงจำนวนขั้ว มีโครงสร้างซับซ้อน และการปรับความเร็วจะทำได้เป็นขั้นๆ

(3) การเบรก

-   Regenerative braking ใช้เฟืองหรือการแปลงจำนวนขั้วทำให้มอเตอร์ทำงานเหมือนกับเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำด้วยความเร็วเท่ากับหรือสูงกว่าความเร็วซิงโครนัส และกำเนิดไฟฟ้า

-   Dynamic braking ตัดวงจรปฐมภูมิจากแหล่งจ่ายไฟ ให้สนามแม่เหล็กกระแสตรงเพื่อให้ด้านปฐมภูมิกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและเปลี่ยนเป็นความร้อน

-   Counter current braking (Plugging) สลับการต่อวงจร 2 เฟสจาก 3 เฟส เพื่อทำให้สนามแม่เหล็กหมุนกลับทิศ

-   Single phase braking: รวมสาย 2 เส้นของขดลวดด้านปฐมภูมิเข้าด้วยกัน แล้วจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับระหว่างสองเส้นนั้นกับอีก 1 เส้นที่เหลือ ส่วนด้านทุติยภูมิให้ต่อกับตัวต้านทานเพื่อให้เกิดแรงเบรก (จากการกลับเฟส)

ที่มา : คู่มือผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. กระทรวงพลังงาน

มอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องกลไฟฟ้ากระแสสลับ