งานกลุ่ม เครื่องกลไฟฟ้าซิงโครนัส

เครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั SYNCHRONOUS MACHINE เครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั (Synchronous Machine) หมายถงึ เครอื่ งกลไฟฟ้ ากระแสสลบั ทที่ างานด้วยการหมุน และขณะทหี่ มนุ ด้วยความเรว็ คงที่ จะมคี วามเร็วรอบเทา่ กบั ความเรว็ ซงิ โครนสั ซง่ึ ข้นึ อยูก่ บั จานวนขว้ั และความถีก่ ระแสสลบั เครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั น้ีอาจจะไมไ่ ด้พบเห็นโดยท่วั ไปมากนกั แต่ยงั คงมีการใชง้ านอยูใ่ นบางอตุ สาหกรรม พื้นฐานของเครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั หลกั การของเครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั รูปดา้ นลา่ งแสดงใหเ้ ห็นวา่ มขี ดลวดเหมือนกนั 3 ขดเรยี งตวั ทามมุ 2π/3 rad ซง่ึ กนั และกนั ด้านในมีขว้ั แมเ่ หลก็ ทหี่ มนุ ไดว้ างอยู่ เมือ่ มแี รงภายนอกมากระทาใหข้ ว้ั แมเ่ หลก็ หมุนดว้ ยความเร็วคงที่ เสน้ แรงแมเ่ หลก็ ทตี่ ดั กบั ขดลวดจะมกี ารเปลีย่ นแปลงเป็ นวงรอบ ทาใหเ้ กดิ แรงดนั ไฟฟ้ ากระแสสลบั 3 เฟสทมี่ คี วามถี่คงทขี่ น้ึ เทา่ กบั ทาหน้าทเี่ ป็ นเครอื่ งกาเนดิ ไฟฟ้ า รปู หลกั การทางานของเครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั 3 เฟส ถา้ จา่ ยไฟฟ้ ากระแสสลบั 3 เฟสใหข้ ว้ั ของขดลวด จะทาใหเ้ กดิ เสน้ แรงแมเ่ หล็กหมุนขน้ึ รูป (b) แสดงใหเ้ ห็นวา่ เมือ่ เครื่องน้ีหมุนโดยทแี่ กนเสน้ แรงแมเ่ หลก็ และแกนขว้ั แมเ่ หล็กทามุมกนั คงทีค่ า่ หนึง่ จะเกดิ แรงบดิ ขน้ึ เทา่ กบั ทาหน้าทีเ่ ป็ นมอเตอร์ คุณสมบตั พิ ื้นฐานของเครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั ความเรว็ ซงิ โครนสั (n) แสดงไดด้ ว้ ยสูตรดงั ตอ่ ไปน้ี

โดยที่ คือ ความถีข่ องแหลง่ จ่ายไฟ p คอื จานวนขว้ั f1 ประเภทของเครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั เครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั มที ง้ั แบบ Revolving field ซง่ึ ขว้ั แมเ่ หล็กหมนุ และแบบ Revolving armature ซง่ึ ขดลวดอาร์เมเจอร์หมนุ แต่เครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั สว่ นใหญจ่ ะเป็ นแบบ Revolving field เครอื่ งกลไฟฟ้ าซงิ โครนสั แบบ Revolving field ยงั แบง่ ออกไดเ้ ป็ นแบบ Salient pole และแบบ Non-salient pole แบบแรกมกั จะใช้ในเครอื่ งกาเนิดไฟฟ้ าแบบกงั หนั น้า แบบหลงั จะใช้ในเครอื่ งกาเนดิ ไฟฟ้ าเทอรร์ ์ เครอื่ งกาเนิดไฟฟ้ าซงิ โครนสั (synchronous generator) ในเครอื่ งกาเนดิ ไฟฟ้ าซงิ โครนสั เฟสของกระแสโหลดทไี่ หลในขดลวดอาร์เมเจอร์จะทาใหเ้ สน้ แรงแมเ่ หล็กเหนี่ยวนาต้านก ลบั ของขดลวดอาร์เมเจอร์ซง่ึ เกดิ จากกระแสในขดลวดอาร์เมเจอรเ์ ปลยี่ นตาแหน่งสมั พทั ธ์ กบั ขว้ั แมเ่ หล็ก ดงั น้นั แรงแมเ่ หลก็ เหนี่ยวนาตา้ นกลบั จงึ มีอทิ ธพิ ลโดยตรงกบั ขนาดและ การกระจายเสน้ แรงแมเ่ หลก็ ในแก็ป นอกจากนี้ กระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์ยงั สรา้ งเสน้ แรงแมเ่ หล็กร่วั จากขดลวดอารเ์ มเจอร์ซง่ึ จะตดั กบั ขดลวดอารเ์ มเจอร์เทา่ น้นั เมือ่ แตกเสน้ แรงแมเ่ หล็กทเี่ กดิ จากกระแสในขดลวดอารเ์ มเจอร์ออกเป็ น 2 สว่ นรแี อกแตนซ์ทเี่ กดิ จากเสน้ แรงแมเ่ หลก็ สว่ นทมี่ ผี ลโดยตรงต่อเสน้ แรงแมเ่ หลก็ ในแก็ป เรยี กวา่ รีแอกแตนซ์ต้านกลบั ของขดลวดอารเ์ มเจอร์ xa และรีแอกแตนซ์ทเี่ กดิ จากเส้นแรงแมเ่ หลก็ ร่วั เรียกวา่ รีแอกแตนซ์ร่วั ของขดลวดอารเ์ มเจอร์ นอกจากนี้เมื่อใหค้ วามตา้ นทานของขดลวดอารเ์ มเจอรเ์ ป็ น ra แลว้ วงจรสมมลู ของเครอื่ งกาเนดิ ไฟฟ้ าซงิ โครนสั จะแสดงได้ตามรูปดา้ นลา่ ง โดยวงจรสมมูลน้ีมคี วามสมั พนั ธ์ดงั ต่อไปนี้

รูป วงจรสมมูลของเครอื่ งกาเนิดไฟฟ้ าซงิ โครนสั รปู ด้านลา่ งต่อมา แสดงความสมั พนั ธ์ของตาแหน่งสมั พทั ธร์ ะหว่างแรงแมเ่ หล็กเหนี่ยวนาตา้ นกลบั ทเี่ กดิ จากกระแสในขดลวดอารเ์ มเจอร์กบั สนามแมเ่ หลก็ จากรูป เมือ่ ขดลวดอารเ์ มเจอร์มตี าแหน่งตรงกนั กบั แกนขว้ั แมเ่ หล็ก N และ S จะเกดิ แรงดนั เหนี่ยวนาสงู สดุ รปู การต้านกลบั ของขดลวดอารเ์ มเจอรข์ องเครอื่ งกาเนดิ ไฟฟ้ าซงิ โครนสั หากกระแสโหลดมเี ฟสตรงกนั แลว้ แรงแมเ่ หล็กเหนี่ยวนาตา้ นกลบั ทเี่ กดิ จากกระแสใน ขดลวดอารเ์ มเจอร์กบั สนามแมเ่ หล็ก Fa จะเป็ นสนามแมเ่ หลก็ ตง้ั ฉากกบั แรงแมเ่ หล็กเหนี่ยวนาสนามแมเ่ หล็ก Ff โดยมเี ฟสต่างกนั π/2 ตามรูปที่ (a) ทาใหม้ ผี ลสรา้ งสนามแมเ่ หลก็ ตดั กบั ระนาบขว้ั แมเ่ หลก็ กรณีทกี่ ระแสโหลดล้าหลงั เทา่ กบั π/2 แลว้ Fa จะมีทศิ ทางตรงขา้ มกบั Ff ทาใหม้ ผี ลลดสนามแมเ่ หลก็ ตามรปู (b) และกรณีทกี่ ระแสโหลดนาหน้าเท่ากบั π/2 แลว้ Fa จะมีทศิ ทางเดียวกบั Ff ทาใหม้ ผี ลเพมิ่ สนามแมเ่ หลก็ ในกรณีของกระแสโหลดท่วั ไป กาลงั ไฟฟ้ าจรงิ จะทาใหเ้ กดิ สนามแมเ่ หลก็ ตดั กนั และกระแสจะลา้ หลงั หรือกระแสนาหน้าซง่ึ สรา้ งกาลงั ไฟฟ้ ารีแอกทฟี จะเพมิ่ หรือลดสนาม แมเ่ หลก็ คาอธบิ ายข้างตน้ ใช้ในกรณีของเครอื่ งกาเนิดไฟฟ้ า แต่ในกรณีของมอเตอร์ก็จะเกดิ แรงกระทาในทานองเดียวกนั ตามทแี่ สดงในตารางตอ่ ไปน้ี

ตาราง แรงแมเ่ หลก็ เหนี่ยวนาต้านกลบั ของขดลวดอาร์เมเจอร์ มอเตอรซ์ งิ โครนสั (synchronous motor) วงจรสมมูลของมอเตอร์วงจรสมมลู ของมอเตอร์จะเหมือนกบั กรณีของเครอื่ งกาเนดิ ไฟฟ้ า กลา่ วคอื ถา้ ใหร้ ีแอกแตนซ์ต้านกลบั ของขดลวดอาร์เมเจอร์เท่ากบั xa ใหร้ แี อกแตนซ์ร่วั ของขดลวดอารเ์ มเจอร์เท่ากบั xℓ จะไดว้ งจรดงั รปู ตอ่ ไปนี้ รปู วงจรสมมูลของมอเตอรซ์ งิ โครนสั เสน้ กราฟคุณลกั ษณะเฟส (เสน้ กราฟ V) เมือ่ รกั ษาแรงดนั ทขี่ ว้ั V ของมอเตอรซ์ งิ โครนสั ใหค้ งที่ และปรบั กระแสสนามแมเ่ หลก็ If โดยทใี่ หก้ าลงั ขาออก P0 คงทแี่ ลว้ แรงเคลอื่ นไฟฟ้ าเหนี่ยวนา E0 จะเปลยี่ นแปลงไป ผลคือทาใหข้ นาดและเฟสของกระแสในขดลวดอารเ์ มเจอร์ Ia เปลยี่ นแปลงไปด้วย เมือ่ วาดกราฟความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง If กบั Ia จะได้ดงั รปู ดา้ นลา่ งเรยี กวา่ เสน้ กราฟคุณลกั ษณะเฟส (เสน้ กราฟ V) ของมอเตอรซ์ งิ โครนสั

รูป เสน้ กราฟคุณลกั ษณะเฟส (เสน้ กราฟ V) วธิ ีสตาร์ตเครอื่ งแรงบดิ ของมอเตอรซ์ งิ โครนสั จะเกดิ ขนึ้ เมือ่ โรเตอรห์ มุนดว้ ยความเรว็ ซงิ โครนสั เทา่ น้นั ดงั นน้ั ในการสตารต์ จงึ ต้องวธิ กี ารต่อไปนี้ในการเรง่ ความเร็วของโรเตอร์ให้ใกลเ้ คยี งกบั ค วามเรว็ ซงิ โครนสั ก่อน แลว้ จงึ ป้ อนสนามแมเ่ หลก็ เพือ่ ปรบั ความเรว็ ใหไ้ ด้ความเรว็ ซงิ โครนสั - วธิ ีสตาร์ตดว้ ยตวั เอง สตาร์ทโดยใชข้ ดลวดควบคุมการเคลือ่ นที่ซงึ่ ตดิ ตง้ั ไวท้ ผี่ วิ หน้าขว้ั แมเ่ หล็กของโรเตอร์ - วธิ ีสตาร์ตดว้ ยมอเตอร์สาหรบั สตาร์ท ใช้มอเตอร์เหนี่ยวนาหรอื มอเตอร์กระแสตรงเป็ นมอเตอร์สาหรบั สตาร์ต อา้ งองิ เอกสารประกอบการฝึ กอบรมผูร้ บั ผดิ ชอบด้านพลงั งานอาวโุ ส, กรมพฒั นาพลงั งานทดแทนและอนุรกั ษ์พลงั งาน