คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 1 คุณลักษณะสมบัติของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง

คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 1 คุณลักษณะสมบัติของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง เรื่องที่ 1.4 คุณลักษณะของเครื่อง กำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง นายคมสัน กลางแท่น วิชา เครื่องกลไฟฟ้า 1 ชุดการสอนวิชาเครื่องกลไฟฟ้า 1 (30104-2003) สำหรับนักศึกษาระดับประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง ตามหลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง พ.ศ. 2563

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบ่งออกได้หลายแบบ และ เครื่องกำเนิดแต่ละแบบก็มีคุณลักษณะในการทำแตกต่างกัน ดังนั้นการ เลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบใดแบบหนึ่งไปใช้งานได้ถูกต้อง และเหมาะสม ก็จะทราบถึงคุณลักษณะหรือลักษณะสมบัติของเครื่อง กำเนิดไฟฟ้าแต่ระบบเสียก่อน

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 1. คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง คุณลักษณะที่สำคัญของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงโดยทั่วไป มักจะแสดงด้วยเส้นเคอร์ฟคุณลักษณะ (Characteristics curve) ดังต่อไปนี้ 1) เส้นเคอร์ฟการอิ่มขณะไร้โหลด (No–load saturation curve) เรียกกันโดยทั่วไป ว่าเส้นเคอร์ฟแมก เนไตเซชั่น (magnetization curve) หรือคุณลักษณะในสภาวะวงจรเปิด (open circuit characteristics) หรือ o.c.c ใช้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในอาร์ เมเจอร์ขณะที่ไร้โหลด (E) และกระแสฟีลด์ (If) เมื่อความเร็วรอบคงที่ ในทางปฏิบัติเส้นเคอร์ฟการอิ่มตัว ขณะไร้โหลดนี้ จะมีลักษณะรูปร่างเหมือนกันไม่ว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้านั้นจะเป็นแบบกระตุ้นแยก หรือแบบ กระตุ้นตัวเอง 2) เส้นเคอร์ฟคุณลักษณะภายนอก (External characteristics) เป็นเส้นเคอร์ฟที่แสดงความสัมพันธ์ ระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว (V) กับกระแสที่จ่ายให้โหลด (I) เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า “คุณลักษณะสมรรถนะ” (performance characteristics)

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 2. คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกระตุ้นแยก (separately excitation) 1) เส้นเคอร์ฟการอิ่มตัวขณะไร้โหลด คือ เส้นเค เส้นเคอร์ฟการอิ่มตัวขณะไร้โหลด แสดงความสัมพันธ์ อร์ฟแสดงการเปลี่ยนแปลงของแรงเคลื่อนไฟฟ้า ระหว่างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ กับกระแสฟิลด์เมื่อ เหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในอาร์เมเจอร์ ขณะไร้โหลดโดย การปรับค่ากระแสกระตุ้นขดลวดฟิลด์ที่ได้มาจาก ความเร็วรอบคงที่ แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสจากภายนอกเมื่อกำหนดให้ อาร์เมเจอร์หมุนด้วยความเร็วคงที่ ที่ความเร็วเต็ม พิกัด (reted speed)

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง รูปที่หน้าซ้าย เส้นเคอร์ฟการอิ่มตัวขณะไร้โหลดเมื่อเครื่องกำเนิดถูกขับให้หมุนด้วย ความเร็วรอบคงที่ที่ 1,500 r.p.m. จากรูปจะสังเกตเห็นว่าที่กระแสฟีลด์เป็นศูนย์ จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดขึ้นจำนวนเล็กน้อยคือ Er เนื่องจากอาร์เมเจอร์หมุนตัดเส้น แรงแม่เหล็กตกค้าง (Residualflux) อยู่ภายในของแกนขั้วแม่เหล็ก ที่กระแส ฟิลด์น้อย ๆ เคอร์ฟจะเป็นเส้นตรง และเคอร์ฟจะเป็นเริ่มโค้งงอที่จุด S เมื่อเส้นแรง แม่เหล็กภายในแกนของขั้วแม่เหล็กเพิ่มขึ้นจนถึงจุดอิ่มตัว (saturation point)

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง จากสมการแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ คือ ∅จากสมการ แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะแปรผันโดยตรงกับเส้น แรงแม่เหล็กต่อขั้ว ( ) และความเร็วรอบของอาร์ เมเจอร์ (N)

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง จากสมการแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ คือ

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 2) เส้นเคอร์ฟคุณลักษณะภายนอกหรือคุณลักษณะเมื่อจ่ายโหลด ก ) เส้นเคอร์ฟคุณลักษณะภายนอกของเครื่องกำเนิด การทดลองหาเส้นเคอร์ฟนี้ทำได้โดยต่อวงจร แล้วขับอาร์ ไฟฟ้ากระแสตรงแบบกระตุ้นแยก เมเจอร์ด้วยความเร็วรอบเต็มพิกัด ปรับกระแสฟิลด์เพื่อให้แรง เคลื่อนไฟฟ้าเต็มพิกัด หลังจากนั้นให้คงค่ากระแสฟิลด์นั้นไว้ ข ) การต่อวงจรทดลองหาเส้นเคอร์ฟในรูป ก. ตลอดการทดลอง หลังจากนั้นจึงค่อยๆ เพิ่มโหลดไปเรื่อยๆ (เพิ่มกระแสโหลด) แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วจะเปลี่ยนแปลงไปจาก E เป็น Vt ดังรูป ทุกครั้งที่เพิ่มโหลดความเร็วของรอบอาร์เมเจอร์ จะลดลง ต้องปรับความเร็วรอบให้คงที่ทุกระดับของกระโหลด ตลอดการทดลอง ผลที่ได้จากการทำลอง จะพบว่าแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิด จะลดลง เมื่อโหลดเพิ่มขึ้น ทั้งนี้เนื่องจาก 2 สาเหตุ คือ ก. แรงดันไฟฟ้าลดลงเนื่องจากแรงดันตกค่อมความต้านทาน ของอาร์เมเจอร์ (Ia Ra Voltagedrop) ข. แรงดันไฟฟ้าลดลงเนื่องจากผลของอาร์เมเจอร์รีแอคชั่น

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 3. คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกระตุ้นตัวเอง (self excitation) ก. การสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้น (building up of shunt Generator) เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่นิยมใช้กันส่วนใหญ่ เป็นแบบ กระตุ้นตังเอง กล่าวคือ กระแสที่นำมากระตุ้นขดลวดสนามแม่เหล็กได้มาจาก อาร์เมเจอร์ เมื่ออาร์เมเจอร์ถูก ขับให้หมุนด้วยความเร็วเต็มพิกัด ขดลวดอาร์เมเจอร์จะตัดกับเส้นแรงแม่เหล็กตกค้างจึงมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า จำนวนเล็กน้อยเกิดขึ้น คือ Er ดังนั้นจึงเริ่มมีกระแสจำนวนเล็กน้อยไหลผ่านขดลวดสนามแม่เหล็กนี้จะสร้าง เส้นแรงแม่เหล็กขึ้นมาจำนวนหนึ่ง โดยจะต้องมีทิศทางเสริมกันกับเส้นแรงแม่เหล็กตกค้างทำให้เส้นแรงแม่ เหล็กรวมมีค่าเพิ่มขึ้น เมื่ออาร์เมเจอร์หมุนตัดเส้นแรงแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้น ทำให้มีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเพิ่มขึ้นตาม จะมีกระแสไหลวนผ่านขดลวดสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นไปอีก นั่นหมายความว่าทั้งแรงเคลื่อนไฟฟ้าและกระแส ฟิลด์จะมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า “การสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า”

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ก ) วงจรเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์ในสภาวะไร้โหลด พิจารณาเส้นเคอร์ฟการอิ่มตัวขณะไร้โหลด หรือเส้น ข ) วิธีการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิด เคอร์ฟแมกกเนไตเซชั่นของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ ไฟฟ้าแบบชั้นท์ ชั้นท์ (หาได้ด้วยวิธีการเดียวกันกับเครื่องกำเนิด ไฟฟ้าแบบกระตุ้นแยก) กับเส้นกราฟความต้านทาน ของวงจรฟีลด์ ซึ่งเส้นกราฟนี้เปลี่ยนแปลงได้โดย การปรับแต่งค่าความต้านทานของรีโอทตาท ซึ่งต่อ อนุกรมกับขดลวดชั้นฟีลด์ หากความต้านทานมาก เส้นกราฟก็จะชันมากขึ้นพิจารณาได้จากรูป

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เมื่อนำเส้นเคอร์ฟทั้งสองมาเขียนลงบนแกนเดียวกันให้แกน X เป็นกระแสฟีลด์และแกน Y เป็นแรง เคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ เมื่อเริ่มต้นเดินเครื่องจนกระทั่งอาร์เมเจอร์หมุนด้วยความเร็วเต็มพิกัด คือ 1,500 r.p.m. หากพิจารณาตำแหน่งที่กระแสฟิลด์ If = O จะพบว่ามีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้น 6 โวลท์ แรงเคลื่อนไฟฟ้า 6 โวลท์ ที่เกิดขึ้นเนื่องจากอาร์เมเจอร์หมุนตัดเส้นแม่เหล็กตกค้างทำให้มี กระแสตกค้างประมาณ 0.6 แอมแปร์ไหลผ่านขดลวดสนามแม่เหล็ก สร้างเส้นแรงแม่เหล็กเสริมกับเส้น แรงแม่เหล็กตกค้าง เมื่ออาร์เมเจอร์หมุนตัดกับเส้นแรงแม่เหล็กจำนวนมากขึ้น จะได้แรงเคลื่อนไฟฟ้า เพิ่มขึ้นเป็น 12 โวลท์และมีมีกระแสไหลผ่านขดลวดสนามแม่เหล็ก 1.0 แอมแปร์ นั่นหมายความว่า กระแสฟิลด์ 1.0 แอมแปร์ให้กำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็น 18 โวลท์ แรงเคลื่อนไฟฟ้า 18 โวลท์ ทำให้มีกระแสไหลผ่านขดลวดสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นเป็น 1.5 แอมแปร์ กระแสฟิลด์ 1.5 แอมแปร์ให้กำหนดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็น 25 โวลท์ การเพิ่มขึ้นของแรงเคลื่อนไฟฟ้าและกระแสฟีลด์จะไปสิ้นสุด ณ จุดตัดกันของเส้นเคอร์ฟทั้งสองคือจุด ทำงาน (operating opint) ของเครื่อง เป็นการสิ้นสุดกระบวนการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิด

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ข. เส้นกราฟความต้านทานของวงจรขดลวดสนามแม่เหล็ก (field resistanceline) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกระตุ้นตัวเอง การสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะสิ้นสุดลง ณ จุดตัดกันระหว่าง เส้นเคอร์ฟการอิ่มตัวขณะไร้โหลดกับเส้นเคอร์ฟความต้านทานของวงจรฟีลด์จะพิจารณาต่อไปว่า หากความต้านทานในวงจรฟีลด์เปลี่ยนแปลงจะเกิดผลอย่างไรบ้างกับคุณลักษณะของเครื่อง กำเนิดไฟฟ้า ในรูป แสดงเส้นเคอร์ฟการอิ่มตัวขณะที่ไร้โหลด หรือเส้นเคอร์ฟแมกเนไตเซชั่นซึ่งมีจุดเริ่มต้นคือ er ซึ่งเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากเสนแรงแม่เหล็กตกค้าง เส้นกราฟอีก 4 เส้น เป็นเส้นกราฟความ ต้านทานของวงจรฟิลด์ ซึ่งมีค่าความต้านทานขนาดต่างๆ กันโดยมีเส้นกราฟ Oa od และ oc ที่มีค่า ความต้านทานเรียงป็นลำดับจากค่าน้อยไปหาค่ามาก ความต้านทานของวงจรฟิลด์นี้จะมีค่ามากหรือ น้อย ขึ้นอยู่กับค่าความต้านทานของรีโอสตาทที่ต่ออนุกรมกับขดลวดฟิลด์จะมีค่าต่ำสุดเมื่อลดค่า ความต้านทานของรีโอสตาทไว้ต่ำที่สุด

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เส้นกราฟความต้านทานขนาดต่างๆ พิจารณารูป จะพบว่าเส้นกราฟความต้านทานของวงจรฟีลดมีค่าความต้านทานสูงที่สุด กันของวงจรฟิลด์ คือเส้นกราฟที่มีความชัน (slope) มากที่สุดคือเส้นกราฟ oc ซึ่งมีค่าความต้านทานเป็น Rf ถัดลงมาคือเส้นกราฟ od, ob และ oa ซึ่งมีค่าความต้านทานเป็น Rf3, Rf2 และ Rf1 ตามลำดับ หากเครื่องกำเนิดถูกขับให้หมุนด้วยความเร็วคงที่ คือ N1 และปรับค่าความ ต้านทานของวงจรฟีลด์ให้มีค่าเป็น Rf1 จะได้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็น E1 เมื่อเพิ่ม ความต้านทานของวงจรฟีลด์โดยปรับค่าความต้านทานของวงจรฟิลด์เป็น If1 จะได้แรง เคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็น E1 เมื่อเพิ่มความต้านทานของวงจรฟิลด์ โดยปรับค่าความ ต้านทานรีโอสตาทให้เพิ่มขึ้นจนกระทั่งมีค่าเป็น R2 (เส้นกราฟ ob) กระแสในวงขดลวด ฟิลด์จะลดลงเป็น If2 เมื่อเส้นแรงแม่เหล็กลดลงแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำลดลงเป็น E2 ถ้าเพิ่มความต้านทานของรีโอสตาทต่อไปอีกจนกระทั่งวงจรฟิลด์มีค่าความต้านทานเป็น Rf3 (เส้นกราฟ od) ซึ่งเป็นเส้นความต้านทานของวงจรฟิลด์ที่สัมผัสกับเส้นเคอร์ฟกา รอิ่มตัวขณะไร้โหลด เราเรียกเส้นกราฟ Rf3 นี้ว่า “ความต้านทานวิกฤตของวงจรฟิลด์” (critical field resistance) หรือ Rcritical ซึ่งหมายถึง ค่าความต้านทานจะสูงสุดของ วงจรฟิลด์ที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถสร้างไฟฟ้าให้เพิ่มขึ้นได้ หากค่าความต้านทาน ของวงจรฟิลด์สูงกว่าค่า Rf3 (ค่าความต้านทานวิกฤต) ดังเส้นกราฟ oc เครื่องกำเนิด ไฟฟ้าจะไม่สามารถสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเพิ่มขึ้นได้ แต่จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าประมาณ Er เท่านั้น

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ค. สาเหตุที่เครื่องกำเนิดไม่สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า (failure to building up) การที่เครื่องกำเนิดไม่สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า ในที่นี้หมายถึงเครื่องกำเนิดสร้างแรงเคลื่อน ไฟฟ้าแต่ไม่ได้ขนาดตามที่ต้องการ อาจมีสาเหตุขัดข้องอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทุกอย่างดังนี้ - ต่อขดลวดชั้นฟิลด์กลับขั้ว (polarity) ทำให้กระแสที่ไหลผ่านขดลวดฟีลด์สร้างเส้นแรง แม่เหล็กต่อต้าน (หักล้าง) กับเส้นแรงแม่เหล็กตกค้าง (residual flux) ดังนั้นแทนที่เส้น แรงแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นกลับลดลง ด้วยเหตุดังกล่าวเครื่องกำเนิดจึงไม่สามารถสร้างแรง เคลื่อนไฟฟ้าได้การแก้ไขก็คือ กลับขั้วขดลวดชั้นฟิลด์เสียใหม่ - ความต้านทานในวงจรฟิลด์มีค่าสูงเกินไป คือ สูงกว่าค่าความต้านทานวิกฤต (Critcal resistance) การไขทำได้โดยลดค่าความต้านทานของรีโอสตาทลงจนกระทั่งมีแรงเคลื่อน ไฟฟ้าเกิดขึ้น

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง -หน้าสัมผัสระหว่างแปรงถ่านกับคอมมิวเตเตอร์ไม่แนบสนิทอย่างแท้จริง สาเหตุเนื่องจาก สปริงกดแปรงถ่านไม่แน่น แปรงถ่านไม่เรียบร้อยหรือสึกหรอไปมากคอมมิวเตเตอร์สกปรกมอ อกไซด์จับมากทำให้ความต้านทานที่หน้าสัมผัสมากเกินไป ดังนั้นกระแสที่ไหลผ่านขดลวดฟิลด์ จึงน้อยมาก ไม่เพียงพอที่จะทำให้เส้นแรงแม่เหล็กเพิ่มขึ้นจึงทำให้เครื่องกำเนิดไม่สามารถสร้าง เคลื่อนไฟฟ้าได้ การแก้ไขให้ตรวจดูสปริงที่กดแปรงถ่านถ้าแรงกดไม่แน่นเนื่องจากแปรงถ่าน สึกกร่อนไปมากให้เปลี่ยนแปรงถ่านใหม่ และทำความสะอาดผิวหน้าของคอมมิวเตเตอร์ - ไม่มีเส้นแรงแม่เหล็กตกค้าง (residualflux) เหลืออยู่เลยทั้งนี้อาจเนื่องมาจากทิ้งเครื่อง กำเนิดไว้โดยไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานานหรือในกรณีเครื่องกำเนิดเพิ่งถูกสร้างขึ้นใหม่จะไม่มีเส้น แรงแม่เหล็กตกค้าง ดังนั้นเครื่องกำเนิดจึงไม่สามารถสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าแก้สาเหตุดังกล่าว ได้โดยนำแรงจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (D.C. Source) จากที่อื่นมากระตุ้นขดลวดฟีลด์ วิธีนี้เรียก ว่า “ Flashinethe field ” ใช้เวลาสั้นๆ เพียง 2 – 3 วินาทีก็จะมีเส้นแรงแม่เหล็กตกค้าง

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง - ความเร็วของรอบเครื่องกำเนิดต่ำกว่า “ความเร็ววิกฤต” (Critcal speed) เนื่องจาก แรงเคลื่ อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำแปรผันโดยตรงกับความเร็วรอบและจำนวนเส้นแรงแม่เหล็ก ดังนั้นเมื่ อความเร็วต่ำเกินไปแม้จะมีเส้นแรงแม่เหล็กตกค้างก็ตามเครื่ องกำเนิดจะสร้าง แรงเคลื่ อนไฟฟ้าขึ้นน้อยเกินไปทำให้กระแสไหลผ่านขดลวดฟิลด์น้อยมากไม่เพียงพอที่จะ สร้างเส้นแรงแม่เหล็กเพิ่มการแก้ไขก็คือ ต้องเร่งความเร็วของเครื่องต้นกำลัง (prine mover) ที่ใช้ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้สูงถึงความเร็วเต็มพิกัด (rated speed)

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 4. คุณลักษณะภายนอกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์ ก ) เส้นเคอร์ฟคุณลักษณะภายนอกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์ ข ) วงจรของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์ หลังจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสร้างแรงเคลื่ อนไฟฟ้าขณะไร้โหลดเรียบร้อยแล้ว เมื่ อต่อโหลดเข้าไปที่ขั้วของเครื่องกำเนิดโดยมีโวลต์มิตเตอร์วัดแรงดันไฟฟ้าที่ ขั้วและแอมมิเตอร์วัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านโหลด ดังรูป ข ค่อยๆ เพิ่มโหลดที ละค่าโดยรักษาความเร็วรอบให้คงที่ความเร็วตอบเต็มพิกัด จะพบว่าแรงดัน ไฟฟ้าที่ขั้วจะลดลงเรื่อยๆ เมื่อโหลดเพิ่มขึ้น การลดลงของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว เนื่องจาก 3 สาเหตุ คือ ก. ลดลงเนื่องจากอาร์เมเจอร์รีแอคชั่น ข. แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมความต้านทานของขดลวดอาร์เมเจอร์ (IaRa drop) ค. กระแสฟิลด์ลดลงเนื่องจากผลของข้อ ก. และข้อ ข.

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 4. คุณลักษณะภายนอกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์ ในรูป ก. เป็นเส้นเคอร์ฟคุณลักษณะภายนอกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์ จะสังเกตเห็นว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วจะลดลง เมื่อกระแสโหลดเพิ่มขึ้น และจะลดลง มากกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกระตุ้นแยกอีกด้วย จุด b เป็นจุดที่เครื่องกำเนิด ไฟฟ้าจ่ายกระโหลดเต็มพิกัด เมื่อเพิ่มกระแสโหลดต่อไปจนกระทั่งถึงจุด C ซึ่งเรียก ว่าจุดเบรกดาวน์ (Breakdown point) แม้ว่าจะลดค่าความต้านทานของโหลดต่อ ไปอีกกระแสโหลดจะยังไม่เพิ่มอีกต่อไป แต่จะมีค่าลดลงเรื่อยๆ ดังเส้นเคอร์ฟ cd ดังนั้น สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์กระแสโหลดจะมีค่าจำกัดค่าหนึ่งเสมอ คือ กระแส OC ในรูป ก. เมื่อลดค่าความต้านทานของโหลดจนมีค่าเป็นศูนย์ (จุด d) แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วและกระแสฟิลด์จะมีค่าเป็นศูนย์ด้วย ในทางปฏิบัติจึงไม่ควรให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์จ่ายกระแสไฟฟ้าถึงจุด C เพราะเป็นย่านที่แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมีการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างมากในขณะที่กระแส โหลดเปลี่ยนแปลงซึ่งเป็นคุณลักษณะที่ไม่เหมาะสมกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต้องการ แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วค่อนข้างคงที่ในสภาพที่โหลดมีการเปลี่ยนแปลงอยู่บ่อยๆ

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 5. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์ การสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์แตกต่าง จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอื่น คือ ขดลวดอาร์เมเจอร์ ขดลวด สนามแม่เหล็กหรือขดลวดซีรีส์ฟิลด์ และโหลดต่ออนุกรมกัน ดัง วงจรในรูป ถ้าไม่มีโหลดต่ออยู่ที่ขั้ว วงจรของเครื่องกำเนิดจะเป็น วงจรเปิด (open circuit) ไม่มีกระแสไหลผ่านทั้งอาร์เมเจอร์ และขดลวดซีรีส์ฟิลด์ ดังนั้นในสภาวะไร้โหลดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จะไม่สามารถสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าได้ แต่จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า จำนวนเล็กน้อยเกิดขึ้นเนื่องจาก อาร์เมเจอร์หมุนตัดเส้นแรงแม่ เหล็กตกค้างเท่านั้น วงจรของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 5. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์จะให้แรงกำเนิดแรงเคลื่ อนไฟฟ้าก็เมื่ อมีโหลดมาต่อที่ขั้วเพื่ อให้ วงจรของเครื่องกำเนิดเป็นวงจรปิด (Closed circuit) แรงเคลื่อนไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยซึ่ง เกิดจากเส้นแรงแม่เหล็กตกค้างทำให้มีกระแสจำนวนเล็กน้อยไหลออกจากขั้วบวกของอาร์ เมเจอร์ ไหลผ่านขดลวดฟีลด์และไหลผ่านโหลดเครื่องกำเนิดจะให้กำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า เพิ่มขึ้น หากต่อโหลดเพิ่มเข้าไปที่ขั้ว (ลดความต้านทานของโหลดลง) กระแสที่ไหลผ่านขด ลวดซีรีส์ฟีลด์จะยิ่งเพิ่มขึ้นทำให้เส้นแรงแม่เหล็กเพิ่มขึ้นจนกระทั่งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้ กำเนิดแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วตามขนาดพิกัดแรงดันของเครื่อง กระบวนการดังกล่าวมาข้างต้น เรียกว่า “การสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า” (building up)

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง คุณลักษณะภายนอกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์ เส้นเคอร์ฟคุณลักษณะภายนอก เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์ คุณลักษณะภายนอกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์แสดงด้วยเส้น เคอร์ฟ b ในรูป สำหรับเส้นเคอร์ฟ a ในรูปคือ เส้นเคอร์ฟการอิ่มตัว ขณะไร้โหลด หรือเป็นเส้นเคอร์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำของเครื่อง กำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์ซึ่งได้การต่อวงจรทดลองเป็นแบบกระตุ้นแยก เส้นเคอร์ฟ b เป็นคุณลักษณะเมื่อจ่ายโหลด หรือคุณลักษณะ ภายนอกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์ หรือเส้นเคอร์ฟแรงดัน ไฟฟ้าที่ขั้วของเครื่องกำเนิด ความแตกต่างระหว่างเส้นเคอร์ฟทั้งสอง 2 สาเหตุ คือ ก. เนื่องมาจากอาร์เมเจอร์รีแอคชั่น ข. เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมความต้านทานของขดลวดอาร์ เมเจอร์และขดลวดซีรีส์ฟิลด์ Ia (RA + RS)

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง จากเส้นเคอร์ฟ b จะสังเกตเห็นว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์จะเปลี่ยนแปลงมากตามการ เปลี่ยนแปลงของกระแสโหลดกล่าวคือถ้าลดความ ต้านทานของโหลดลงเพียงเล็กน้อยแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วจะ เพิ่มขึ้นมากและในทางกลับกันถ้าเพิ่มความต้านทานของ โหลดเพียงเล็กน้อย แรงดันไฟฟ้าจะลดลงอย่างรวดเร็ว ด้วยสาเหตุดังกล่าวเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์ จึงไม่ เหมาะกับงานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าคงที่ เส้นเคอร์ฟคุณลักษณะภายนอก เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 6. คุณลักษณะภายนอกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบคอมเปานด์ วงจรของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบคอมเปานด์ เป็นเครื่องกำเนิดที่ แบบชอร์ทชั้นท์คอมเปานด์ รวมเอาคุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์ และแบบซีรีส์ไวในเครื่องเดียวกัน เราเคยทราบมาแล้วว่า ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์เมื่ อเพิ่มกระแสโหลด แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วเพิ่ม (ก่อนที่แกนของขั้วแม่เหล็กจะถึง จุดอิ่มตัว) หากเอาคุณลักษณะทั้งสองแบบดังกล่าวมา รวมไว้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องเดียวกัน แล้วปรับ กระแสของขดลวดซีรีส์ฟิลด์ให้เหมาะสม ก็สามารถขจัด ปัญหาเรื่องการลดลง หรือการตกของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว เมื่ อโหลดเพิ่มขึ้ นได้

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เส้นเคอร์ฟคุณลักษณะภายนอกของเครื่องกำเนิด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบคอมเปานด์ที่จะกล่าวต่อไป คือ ไฟฟ้าแบบคอมเปานด์ทั้งแบบเมื่อเปรียบเทียบกับ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบคิวมูลตีฟคอมเปานด์ ซึ่ง แอมแปร์–เทินส์ของขดลวดชั้นท์ฟีลด์ และซีรีส์จะสร้าง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์ เส้นแรงแม่เหล็กเสริมกันคุณลักษณะภายนอก หรือ คุณลักษณะเมื่ อจ่ายโหลดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบ่งนี้ ออกได้เป็น 3 ลักษณะ คือ ถ้าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ เกิดจากสนามแม่เหล็กจากขดลวดซีรีส์ฟิลด์มีปริมาณ เพียงพอที่จะชดเชยการตกของแรงดันไฟฟ้าของกำเนิด แบบชั้นท์ได้ก็จะทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วเมื่ อโหลดเต็มพิกัด มีขนาดเท่ากับแรงดันไฟฟ้าเมื่ อไร้โหลดเครื่องกำเนิด ไฟฟ้าแบบคอมเปานด์ที่มีคุณลักษณะดังกล่าว มีชื่อเรียก ว่า “แฟลท คอมเปานด์” (Flatcompound) E3

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบคอมเปานด์บางเครื่อง ออกแบบขดลวดซีรีส์ฟีลด์ ให้มีจุดต่อไว้ถึง 3 จุด โดยแต่ละคู่ของจุดต่อมีจำนวนรอบไม่เท่ากัน ดังนั้นจึงสามารถเลือกใช้จำนวนรอบของขดลวด ซีรีส์ได้เหมาะสมคุณลักษณะของเครื่องถ้าหากเลือกใช้จุดต่อของขดลวดซีรีส์ฟิลด์คู่ที่มีจำนวนรอบ มากก็จะทำให้แรงเคลื่ อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นปริมาณมากเกินเพียงพอที่จะชดเชยการตกของ แรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดจึงทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วโหลดเต็มพิกัดสูงกว่า แรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว ไร้โหลดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบคอมเปานด์ที่มีคุณลักษณะดังกว่าเรียกว่า “โอเวอร์ คอมเปานด์” (Overcompound) ดังเส้นเคอร์ฟ E4 ในทางตรงข้ามถ้าเลือกใช้จุดต่อของขดลวดซีรีส์ฟิลด์ที่มีจำนวนรอบน้อยก็จะทำให้แรงเคลื่ อน ไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นมีปริมาณน้อยเกินไปไม่เพียงพอที่จะชดเชยการตกของแรงดันไฟฟ้าดัง กล่าวจึงทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วเมื่ อโหลดเต็มพิกัดต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วเมื่ อไร้โหลดเครื่อง กำเนิดไฟฟ้าแบบคอมเปานด์ที่คุณลักษณะดังกล่าว “อันเดอร์คอมเปานด์” (Under compound) ดังเส้นเคอร์ฟ E2

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง คุณลักษณะทั้ง 3 แบบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบคิวมูเลตีฟคอมเปา นด์ยังสามารถทำได้โดยใช้ “ไดเวอร์ทเตอร์” (Diverter) Rd คือรีโอ สตาร์ทชนิดค่าความต้านทานต่ำ (Lowresistance) ต่อขนานกับขด ลวดซีรีส์ฟีลด์ Rs ดังแสดงไว้ในรูป แทนการเปลี่ยนแปลงจำนวนรอบ ของขดลวดซีรีส์ฟีลด์ซึ่งได้เวอร์ทเตอร์จะทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งกระแสจาก ขดลวดซีรีส์ฟีลด์หมายความว่าสามารถปรับกระแสที่ไหลผ่านขดลวดซีรีส์ ฟิลด์ได้มากหรือน้อยตามต้องการหากไม่ใส่ไดเวอร์ทเตอร์กระแสจะไหล ผ่านขดลวดซีรีส์ฟิลด์มากที่สุดหรือ 100% ควรจะได้คุณลักษณะของ เครื่องกำเนิดเป็น “โอเวอร์คอมเปานด์” (ทั้งนี้หมายความว่าจะต้องเป็น เครื่องกำหนดที่ออกแบบให้ขดลวดซีรีส์ฟิลด์มีจำนวนรอบมากพอ) หาก ใส่ไดเวอร์ทเตอร์แล้วปรับค่าความต้านทานของไดเวอร์ทเตอร์ให้เหมาะ สม จะได้คุณลักษณะเครื่องกำเนิดเป็น “แฟลทคอมเปานด์”หากปรับค่า ความต้านทานของไดเวอร์ทเตอร์ให้มีกระแสไหลผ่านขดลวดซีรีส์ฟิลด์ น้อย จะได้คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดเป็น “อันเดอร์ คอมเปานด์”

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ “ดิฟเฟอเรเชียล คอมเปานด์” ซึ่งแอมแปร์เทินส์ของขด ลวด ซีรีส์ฟีลด์จะมีทิศทางต่อต้าน (หักล้าง) กับแอมแปร์ – เทินส์ของขดลวดชั้นฟีลด์นั้น แรงดันไฟฟ้าจะตกลงอย่างรวดเร็วเมื่ อกระแสไฟฟ้าโหลดเพิ่มขึ้ นเมื่ อนำเส้นเคอร์ฟ คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบคอมเปานด์และแบบชั้นมาเขียนเปรียบเทียบกันจะ ได้ดังรูป เคอร์ฟคุณลักษณะภายนอกเครื่อง กำเนิดไฟฟ้าแบบคอมเปานด์เมื่อ กำหนดให้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วคงที่ เมื่อ กระแสโหลดเต็มพิกัด

โวลต์เตจเรกกูเลชั่น (voltage regulation) โวลต์เตจเรกกูเลชั่น หมายถึง ความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าเมื่อ ไร้โหลด (No – load voltage) กับแรงดันไฟฟ้าเมื่อมีโหลดเต็มพิกัด (Full – load voltage) มักจะแสดงค่าเป็นเปอร์เซ็นต์ของแรงดัน ไฟฟ้าเมื่อมีโหลดเต็มพิกัด เขียนเป็นสมการได้ดังนี้

โวลต์เตจเรกกูเลชั่น (voltage regulation) หมายเหตุ โวลต์เตจเรกกูเลชั่นยิ่งมีค่าต่ำ คุณสมบัติของเครื่องกำเนิดยิ่งดี เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์จะมีค่าโวลท์เตจเรกกูเลชั่นประมาณ 5–15% เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกระตุ้นแยกจะมีค่าโวลท์เตจเรกกูเลชั่น กรณีของ เครื่องแฟลทคอมเปานด์จะมีค่าโวลท์เตจเรกกูเลชั่นเป็นศูนย์ และกรณีของ โอเวอร์คอมเปานด์จะมีค่าโวลท์เตจเรกกูเลชั่นติดลบประมาณ -5 ถึง -15% แต่ในกรณีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์นั้นเนื่ องจากแรงดันไฟฟ้าที่มีขั้วการ เปลี่ยนแปลงอย่างมาก เมื่อกระแสโหลดเปลี่ยนแปลง จึงไม่มีการพิจารณา ค่าของโวลท์เตจเรกกูเลชั่น

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง 7. ลักษณะการใช้งานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกระตุ้นแยก เป็นเครื่องกำเนิดที่ต้องมีแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแยก ต่างหากเพื่อใช้กระตุ้นขดลวดสนามแม่เหล็กโดยเฉพาะ ดังนั้นจึงนิยมใช้งานที่ต้องการความ แน่นอน (Accuracy) เช่น ในระบบวาร์ดเลียวนาร์ด (WardLeonard system) ซึ่งเป็นระบบ ปรับความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์ เหมาะกับงานที่ต้องแรงดันไฟฟ้าคงที่ นิยมใช้เป็นเอ็กไซเตอร์ (Exciter) ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับหรือใช้เป็นเอ็กไซเตอร์ของมอเตอร์ซิงโครนัส เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์ ในอดีตใช้ทำหน้าที่เป็นซีรีส์ บูตเตอร์ (Series booster) หรือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบสำหรับเพิ่มแรงดันสายส่งไฟฟ้ากระแสตรง โดยต่อวงจรเครื่องกำเนิด ไฟฟ้าแบบซีรีส์อนุกรมกับสายตรงไฟฟ้า ดังรูปในนหน้าถัดไป โดยมีมุ่งหมายเพื่อชดเชยแรงดัน ตกเนื่ องจากค่าความต้านทานของสายส่ง

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง การใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซีรีส์ ทำหน้าที่เป็นซีรีส์บูสเตอร์ ให้ E1 เป็นแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่าย เพื่อ ชดเชยแรงดันตกในสายส่งไฟฟ้ากระแสตรง E2 เป็นแรงดันไฟฟ้าที่โหลดและ Eb เป็นแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากซีรีบูสเตอร์ E2 = E1 + Eb ถ้าปรับค่า Eb ให้เท่ากับแรงดันไฟฟ้า ตกในสายส่ง จะได้แรงดันไฟฟ้าที่ โหลดเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่าย

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบคิวมูเลตีฟคอมเปานด์ เครื่องกำเนิดแบบนี้มีคุณลักษณะภายนอกแบ่งได้ 3 ลักษณะ คือ ก. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแฟลท คอมเปานด์ นิยมใช้งานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้า คงที่และใช้ในสายส่งไฟฟ้ากระแสตรงที่มีความยาวไม่มากนัก ข. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบโอเวอร์ คอมเปานด์ นิยมใช้เป็นเครื่องกำเนิดสายส่ง ไฟฟ้ากระแสตรงที่มีระยะห่างไกลจากโหลดมาก เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าส่วนที่เพิ่ม ชดเชยกับแรงดันตกในสาย ค. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอันเดอร์ คอมเปานด์ ไม่นิยมใช้กันเนื่องจากให้ คุณลักษณะภายนอกใกล้เคียงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์

คุณลักษณะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบดิฟเฟอเรนเชียล คอมเปานด์ เครื่องกำเนิดแบบนี้จะใช้เป็นเพาเวอร์ซัพพลาย (power supply) ในงานเชื่ อมโลหะด้วยไฟฟ้าหรือใช้เป็นเครื่ องชาร์จแบตเตอรี่เพราะว่าให้ ปริมาณกระแสค่อนข้างคงที่เมื่ อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วลดต่ำลงมาก