เครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง

1. พื้นฐานของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง

(1)   หลักการทำงานของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง

จากรูปที่ 1 เมื่อตัวนำความยาวด้านตั้งฉาก ℓ [m] เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v [m/s] ผ่านสนามแม่เหล็กที่มีความหนาแน่นเส้นแรงแม่เหล็ก B [T] จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า E [V] ขึ้นในตัวนำตามกฎมือขวาของเฟลมมิ่ง

E = B ℓ v [V]      ................................... (1)

และเมื่อมีกระแส I [A] ไหลในตัวนำความยาว ℓ [m] ตัวนำจะได้รับแรงทางกลตามกฎมือขวาของเฟลมมิ่งดังต่อไปนี้

F = B ℓ I [N]    ................................... (2)

ตัวนำหมุนไปแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในตัวนำจะกลับขั้วเกิดเป็นกระแสสลับ จึงต้องใช้คอมมิวเตเตอร์และแปรงถ่านเพื่อกรองให้เป็นกระแสตรง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ประโยชน์จากแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่แสดง ในสูตร (1) ส่วนมอเตอร์กระแสตรงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ประโยชน์จากแรงทางกลที่แสดงในสูตร (2) หากจ่ายกระแสให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ก็จะเกิดแรงทางกลตามที่แสดงในสูตร (2) เช่นกันเพื่อกำเนิดกำลังไฟฟ้า

P₁ = E I กำลังขับที่ต้องป้อนให้กับเพลา

P₂ = F·v = (B ℓ I)·v = (B ℓ v)·I = E·I = P₁ [W]     ................................... (3)

ซึ่งเท่ากับกำลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

(2)   การต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์

การต้านกลับที่แรงแม่เหล็กเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นจากกระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์ทำต่อเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดสถิต เรียกว่า การต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์ เมื่อมีกระแสไหลในขดลวดอาร์เมเจอร์ การกระจายเส้นแรงแม่เหล็กในแก็ปจะไม่สม่ำเสมอดังรูปที่ 2 ซึ่งเป็นสาเหตุของปัญหาต่างๆ เช่น กรองเป็นกระแสตรงไม่สะดวก ลดแรงดันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เกิดแฟลชโอเวอร์ระหว่างแปรงถ่านขั้วบวก-ลบ ฯลฯ เพื่อป้องกันปัญหาเหล่านี้จึงต้องติดตั้งอินเตอร์โพลหรือ Compensating winding

Source : http://www.tgipmt.com

รูปที่ 1 การเกิดแรงดันกระแสตรง

รูปที่ 2 การต้านกลับของขดลวดอาร์เมเจอร์

(3) คุณสมบัติพื้นฐานของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง

- แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ: แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ E ของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรงแสดงได้ด้วยสูตรที่ 4 ต่อไปนี้

...............(4)

- แรงบิด แรงบิดของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง T แสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้

................(5)

- กำลังขาออก กำลังขาออกของมอเตอร์หมายถึงกำลังขับทางกล กำลังขาออกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมายถึงกำลังไฟฟ้ากระแสตรง กำลังขาออกทางกล P_o เท่ากับผลคูณของแรงบิด T กับความเร็วเชิงมุม ω [rad/s]

                                                  P_o  = ωT                              ....................... (6)

เมื่อแปลงสูตรจะได้ความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้

......................(7)

สูตรนี้แสดงว่าหากไม่คิดกำลังสูญเสียแล้ว กำลังขับทางกลจะเท่ากับกำลังไฟฟ้าขาออก

- ความเร็วรอบ ความเร็วรอบ n ของมอเตอร์กระแสตรงได้จากการแปลงสูตรแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำดังต่อไปนี้

........................(8)

- อัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดัน อัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดัน ε แสดงระดับการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากโหลดของแรงดันที่ขั้วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ถ้าให้ความเร็วรอบและกระแสสนามแม่เหล็กคงที่แล้วจะคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้

.......................(9)

- อัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็ว อัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็ว n   แสดงระดับการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบของมอเตอร์เนื่องจากโหลด ถ้าให้แรงดันที่ขั้วและกระแสสนามแม่เหล็กคงที่แล้วจะคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้

........................(10)

2. ประเภทและคุณลักษณะของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง

ตารางที่ 1 เป็นการสรุปรวบรวมประเภทของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรงและคุณลักษณะของมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

3. การควบคุมความเร็ว การสตาร์ต การหยุด

(1) การควบคุมความเร็ว

มอเตอร์กระแสตรงสามารถควบคุมความเร็วได้ในช่วงกว้างอย่างมีประสิทธิภาพ วิธีการควบคุมความเร็วมีดังต่อไปนี้

- การควบคุมสนามแม่เหล็ก ปรับตัวต้านทานสนามแม่เหล็กเพื่อเปลี่ยนความเข้มเส้นแรงแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กและควบคุมความเร็ว เนื่องจากกระแสที่ควบคุมมีค่าต่ำจึงมีกำลังไฟฟ้าสูญเสียต่ำไปด้วย เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไป

- การควบคุมความต้านทาน ต่อตัวต้านทานอนุกรมกับวงจรขดลวดอาร์เมเจอร์และควบคุมด้วยการลดความเร็ว มีกำลังไฟฟ้าสูญเสียขณะที่ควบคุมสูง รวมทั้งมีอัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วสูง ใช้กับซีรีส์มอเตอร์เป็นหลัก

- การควบคุมแรงดัน ปรับแรงดันที่ป้อนให้ขดลวดอาร์เมเจอร์เพื่อควบคุมความเร็วใช้กับ Separately excited motor เป็นหลัก วิธีป้อนแรงดันปรับได้จากแหล่งจ่ายไฟตรงเฉพาะให้กับขดลวด อาร์เมเจอร์ของ Separately excited motor เรียกว่าวิธีเลียวนาร์ด ซึ่งสามารถควบคุมความเร็วอย่างละเอียดในช่วงกว้างทั้งหมุนไปและกลับ และสามารถทำ Regenerative braking ได้อีกด้วย

(2) การสตาร์ตและเบรก

- การสตาร์ต มีทั้งการสตาร์ตด้วยตัวต้านทานและสตาร์ตด้วยการลดแรงดัน เพื่อลดเวลาที่ใช้ในการสตาร์ต การลดโมเมนต์ความเฉื่อยของโรเตอร์จะเป็นวิธีที่ได้ผลในการอนุรักษ์พลังงานอีกด้วย

- การเบรก (การเบรกด้วยไฟฟ้า) วิธี Dynamic braking เป็นวิธีเบรกโดยแปลงพลังงานกลของโรเตอร์เป็นพลังงานไฟฟ้า แล้วจ่ายให้ตัวต้านทานซึ่งต่ออยู่กับวงจรขดลวดอาร์เมเจอร์เพื่อให้สูญเสียไปเป็นความร้อน ส่วนวิธี Regenerative braking จะนำพลังงานไฟฟ้าที่แปลงมานั้นจ่ายคืนให้กับแหล่งจ่ายไฟ

4. วิธีควบคุมความเร็ว

(1) หลักการในการควบคุมความเร็ว

เนื่องจากคุณลักษณะแรงบิด-ความเร็วของมอเตอร์มีเพียงรูปแบบเดียว จุดสมดุลเสถียรที่ เกิดขึ้นจึงมีเพียงจุดเดียวเท่านั้น มอเตอร์จึงเดินเครื่องด้วยความเร็วคงที่ ωe หากสามารถเปลี่ยนเงื่อนไขของแหล่งจ่ายไฟ (แรงดันไฟฟ้า ความถี่ ฯลฯ) หรือเงื่อนไขของมอเตอร์ (เงื่อนไขของวงจรอาร์เมเจอร์ขนาดของเส้นแรงแม่เหล็กที่ขั้ว ฯลฯ) ข้อใดข้อหนึ่ง ทำให้คุณลักษณะแรงบิด-ความเร็วของมอเตอร์เปลี่ยนไปได้แล้ว น่าจะสามารถเปลี่ยนความเร็วเชิงมุม ω ที่ทำให้เกิดจุดสมดุลเสถียรได้
หากใช้เครื่องแปลงกำลังไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์กำลัง จะสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับและความถี่กระแสสลับได้โดยสะดวก จึงสามารถควบคุมความเร็วได้อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพสูง

(2) การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรง
ความเร็วรอบ N และแรงบิด T ของมอเตอร์กระแสตรงสามารถแสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้

.........................(11)

จากสูตรนี้จะเห็นว่า การเปลี่ยน N ทำได้ 3 วิธี คือ การควบคุมสนามแม่เหล็ก (เปลี่ยน Φ : มอเตอร์ขนาน มอเตอร์แบบฟีลด์แยก)

การควบคุมความต้านทาน (เปลี่ยน R_a มอเตอร์ขนาน มอเตอร์อนุกรม) วิธีควบคุมแรงดันไฟฟ้า

1) การควบคุมสนามแม่เหล็ก   การควบคุมทำได้ง่ายเนื่องจากเป็นการปรับกระแสกำเนิดสนามแม่เหล็กซึ่งมีค่าไม่มาก แต่ขีดจำกัดของความเร็วจะถูกจำกัดด้วยการอิ่มตัวของเส้นแรงแม่เหล็ก เมื่อลดความเข้มของสนามแม่เหล็กลงแล้วเพิ่มความเร็วจะทำให้ทำ Commutation ได้ยาก ช่วงที่สามารถปรับความเร็วได้ในกรณีของ

มอเตอร์ที่มี Interpole จะเท่ากับ 1 : 3-4 และแม้แต่ในกรณีของมอเตอร์ที่มีขดลวดชดเชยก็ยังเท่ากับปริมาณ 1 : 5 เท่านั้น คุณลักษณะของมอเตอร์จะมีรูปแบบเป็นคุณลักษณะกำลังขาออกคงที่   ที่ N µ 1 / Φ และ T µ Φ

(2) การควบคุมความต้านทานเป็นวิธีควบคุมโดยใส่ตัวต้านทาน r ลงไปเฉพาะในวงจรอาร์เมเจอร์เพื่อควบคุมความเร็วด้วยการลดแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้อาร์เมเจอร์ซึ่งจะลดลงเท่ากับ rI_a ถ้าให้   R = r + R_a นำไปวาดคุณลักษณะ n-T เทียบกับ r แทน R_a แล้วจะได้รูปที่ 3 ดังนั้นจึงมีจุดอ่อนว่า ยิ่ง r มีค่าเพิ่มขึ้นเสถียรภาพจะลดลงทำให้เกิดความสูญเสียเพิ่มขึ้น และถ้ามีภาระต่ำการควบคุมจะไม่มีประสิทธิผล ดังนั้น จึงไม่ค่อยนำมาใช้ในมอเตอร์ขนาดเล็กยกเว้นในมอเตอร์อนุกรม

(3) การควบคุมแรงดันไฟฟ้า (มอเตอร์แบบฟีลด์แยก)   ถ้าควบคุม Φ และ R_a ให้คงที่แล้วปรับค่า V จะได้คุณลักษณะ n-T ความชันของคุณลักษณะความเร็วจะเกือบคงที่เป็นแนวระดับโดยไม่ขึ้นกับค่าแรงดันไฟฟ้า ดังนั้น ไม่ว่าที่แรงดันใดๆ ก็ตามการเดินเครื่องจะมีเสถียรภาพดี และเนื่องจากเส้นแรงแม่เหล็กจะมีค่าคงที่ จึงไม่ทำให้เงื่อนไขการ Commutation แย่ลงเหมือนกับกรณีของการลดความเข้มสนามแม่เหล็ก

การจ่ายไฟให้อาร์เมเจอร์จากแหล่งจ่ายไฟแรงดันไฟฟ้าแปรผันต่างหากจากวงจรกำเนิดสนามแม่เหล็ก เรียกว่า ระบบควบคุมแรงดันแปรผัน หรือระบบ Leonard system โดยระบบที่ใช้มอเตอร์-เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าแปรผัน เรียกว่า ระบบ Ward Leonard system ส่วนระบบที่ใช้เครื่องแปลงกำลังไฟฟ้าไม่เคลื่อนไหว เรียกว่า ระบบ Static Ward Leonard ปัจจุบันโดยทั่วไปจะใช้แบบหลัง รูปที่ 5 เป็นตัวอย่างของระบบ Static Ward Leonard system ในกรณีที่ต่อวงจรแบบ Cross connection โดยใช้ไทริสเตอร์ ซึ่งจะควบคุมขนาดของแรงดันไฟฟ้า E_s ที่จ่ายให้อาร์เมเจอร์ของมอเตอร์แบบฟีลด์แยกด้วยการควบคุมเฟสของไทริสเตอร์

รูปที่ 6 แสดงคุณลักษณะ n-T ของระบบ Leonard ที่วาดขึ้นโดยใช้แรงดันคำสั่ง E_s เป็นพารามิเตอร์ โดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากกระแสภาระของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าแปรผันด้วย จุด A ในรูปหมายถึงจุดสมดุลของแรงบิดที่แรงดันคำสั่ง E_s1 ซึ่งจะเดินเครื่องด้วยความเร็ว n₁ กรณีที่ต้องการเร่งความเร็ว จะเพิ่มแรงดันเป็น E_s0 ทำให้เกิดแรงบิด T_m0 ซึ่งเทียบเท่ากับจุด B ดังนั้น มอเตอร์จึงถูกเร่งความเร็วด้วย T_m0 – T_ℓ = T_a ตามเส้นกราฟ BD เข้าสู่สมดุลใหม่ที่จุด D (ความเร็ว n₀) กรณีของการลดหน่วงความเร็วเมื่อลดแรงดันเป็น E_s2 แล้ว จะเกิดแรงบิดเบรก T_b จากจุด A เลื่อนไปที่จุด C มอเตอร์จะได้รับแรงบิดหน่วงความเร็ว (T_b + T_ℓ) ทำให้ลดความเร็วตามเส้นกราฟ CE ทำให้ไปสมดุลที่จุด E (ความเร็ว n₂) ด้วยการเลือก E_s ที่เหมาะสม จะสามารถปรับระดับแรงบิดเร่งความเร็ว-หน่วงความเร็วเป็นเท่าใดก็ได้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ดีของระบบควบคุมความเร็ว และระหว่างที่หน่วงความเร็วซึ่งเกิดแรงบิด T_b ขึ้นจะใช้การเบรกแบบ Regenerative braking.

รูปที่ 5 Static Ward Leonard

รูปที่ 6 การควบคุมความเร็วด้วยระบบ Ward Leonard

ตัวอย่างที่ 1 กรณีของการควบคุมความเร็วของมอเตอร์แบบฟีลด์แยก ในทางปฏิบัติ จะมีการ feedback ความเร็วและ Feedback กระแสไฟฟ้า จงยกตัวอย่างโครงสร้างของระบบควบคุมในกรณีนี้รูปที่ 7 ตัวอย่างระบบควบคุมความเร็วของมอเตอร์แบบฟีลด์แยก

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน

เครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง