Generator

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ ุนายน 2547 EE Students) 429296 Electrical Engineering I (for non-EE Students) เคร่อื งกาํ เนดิ ไฟฟากระแสตรง โดย ผชู ว ยศาสตราจารยเ ดชา พวงดาวเรือง Control and Automation Research (CAR) Group School of Electrical Engineering, Suranaree University of Technology, THAILAND Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครือ่ งกาํ เนดิ ไฟฟากระแสตรง (DC Generator) „ เครอื่ งกาํ เนิดไฟฟากระแสตรง (DC Generator) คอื เครอื่ งจกั รกล- ไฟฟา ทท่ี าํ หนา ทีร่ บั กําลงั งานกลจากภายนอกเขามา แลวเปลี่ยนเปน กาํ ลงั งานไฟฟากระแสตรงเพ่อื สงออกไป 28 June 2004 DC Generator 2 1

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ นุ ายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I โครงสรา งของเครอื่ งกําเนดิ ไฟฟากระแสตรง „ โครงสรางของเครอื่ งกําเนิดไฟฟากระแสตรงแสดงดังรูป 28 June 2004 DC Generator 3 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I การเกิดแรงเคลือ่ นไฟฟา 28 June 2004 DC Generator 4 2

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ นุ ายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I การทาํ งานของเครอ่ื งกําเนิด „ Induced Voltage eind = vBl (Volt) เมือ่ eind คอื แรงเคลื่อนเหนี่ยวนํา (V), v คือความเร็วในการหมนุ (rad/sec), B คอื ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลก็ (Tesla, T), l คอื ความยาวของ ตวั นาํ ในสนามแมเหล็ก (m) 28 June 2004 DC Generator 5 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I การกําเนดิ รปู คลื่นซายน 28 June 2004 DC Generator 6 3

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มิถุนายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I การทํางานของคอมมิวเตเตอรแ ละแปรงถาน 28 June 2004 DC Generator 7 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I การทํางานของคอมมวิ เตเตอรและแปรงถาน (ตอ) B = µH H = ℑ / l = Ni / l ∴ B = µ Nif l 28 June 2004 แมเหลก็ ถาวร แมเ หลก็ ไฟฟา 8 DC Generator 4

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ ุนายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I ชนดิ ของเครอื่ งกําเนดิ ไฟฟากระแสตรง 28 June 2004 DC Generator 9 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครอื่ งกําเนิดไฟฟาแบบแยกกระตนุ ƒ วงจรสมมูลของเครื่องกําเนดิ ไฟฟาแบบแยกกระตุน (separately excited DC generator) 28 June 2004 EA = Kφω (V) 10 DC Generator 5

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มิถนุ ายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เคร่ืองกาํ เนิดไฟฟาแบบแยกกระตนุ (ตอ ) „ ขอดี „ φ ถกู สรางข้ึนจากภายนอก สามารถควบคุมไดอสิ ระจาก ω และ if „ VR ดี „ ขอเสยี „ ตองมีแหลง จา ยภายนอก „ โหลดเปลย่ี น ทาํ ใหก ระแสโหลดเปลี่ยนตาม „ P↑, VT คงท่,ี IL ↑ 28 June 2004 DC Generator 11 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครอ่ื งกาํ เนิดไฟฟา แบบแยกกระตนุ (ตอ ) 28 June 2004 DC Generator 12 6

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มิถุนายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครื่องกําเนดิ ไฟฟา แบบแยกกระตนุ (ตอ) „ ขณะไรโหลด (no load) VT = EA แตเ มือ่ มีโหลด IL จะไหลกลับ เขามาในเครื่องกําเนดิ แลวสราง eind ขน้ึ สวนทางกบั EA เรา เรียกวา “armature reaction” (AR) „ แนวทางแกไ ขคอื ใสข ดลวดอกี หนงึ่ ชุดเขาไปในวงจรของเครือ่ ง กําเนดิ เพือ่ สรา ง φ หรอื eind ชดเชยกบั ทีเ่ สยี ไป ซ่ึงนั่นกค็ อื เครื่อง กาํ เนดิ แบบ compound 28 June 2004 DC Generator 13 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เคร่อื งกาํ เนิดไฟฟาแบบขนาน ƒ วงจรสมมูลของเครื่องกําเนิดไฟฟาแบบขนาน (shunt DC generator) ขดลวดอาร- EA = Kφresω เมเจอร = VT + I ARA 28 June 2004 ขดลวดสนาม 14 DC Generator 7

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ นุ ายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครอ่ื งกําเนิดไฟฟาแบบขนาน (ตอ) „ เม่ือเครอ่ื งกาํ เนิดหมนุ IF จะสรา ง φ ซ่งึ เดมิ จะมีสนามแมเหลก็ ตกคา ง (residual flux, φres ) อยูแ ลว จะนน้ั จะชว ยเสริมกนั จนคงท่ี „ ขอดี „ ไมใ ชแหลงจายภายนอก „ ควบคมุ ไดจาก ω, RF, และ IF „ ขอเสยี „ VR ไมด ี 28 June 2004 DC Generator 15 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เคร่อื งกาํ เนิดไฟฟาแบบขนาน (ตอ ) 28 June 2004 DC Generator เมอื่ ทาํ งานถึงระดบั หนึ่ง IF จะลดลง ทําให EA ลดลงตาม 16 8

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ นุ ายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เคร่อื งกาํ เนดิ ไฟฟาแบบอนกุ รม ƒ วงจรสมมูลของเครื่องกาํ เนดิ ไฟฟาแบบอนกุ รม (series DC generator) ขดลวดอาร- ขดลวดสนาม เมเจอร 28 June 2004 DC Generator 17 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครอื่ งกําเนดิ ไฟฟา แบบอนกุ รม (ตอ) „ ในขณะไรโ หลด ไมส ามารถจายแรงดันได เพราะไมสามารถสรา ง φ ได „ เมือ่ มีโหลด จะมี IL ไหลจะมี φ จาก LS มากระตุน เคร่อื งกําเนิด ใหเกดิ EA ข้นึ แตเ มอื่ ทาํ งานไประดบั หน่ึง φ จะอมิ่ ตวั ทาํ ให EA อ่มิ ตวั ดวย „ มกี าร drop ของแรงดันเนือ่ ง RA และ RS จึงทาํ ให VT ลดลงตามรูป 28 June 2004 DC Generator 18 9

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ ุนายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครอื่ งกาํ เนิดไฟฟา แบบอนกุ รม (ตอ ) 28 June 2004 DC Generator 19 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครือ่ งกําเนดิ ไฟฟาแบบอนุกรม (ตอ ) „ ปกตแิ ลว เครื่องกาํ เนิดไฟฟาแบบอนุกรม จะมีจํานวนขดลวดนอย แตม พี ื้นที่หนาตดั ทใี่ หญ ซึ่งสามารถทนกระแสไดส งู ซง่ึ จะเหมาะ กับงานประเภทเคร่อื งเชือ่ มไฟฟา „ ขอ ดี „ ใหก ระแสสูง „ ขอเสยี „ ไมส ามารถทํางานขณะไรโหลด 28 June 2004 DC Generator 20 10

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มิถุนายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครือ่ งกําเนดิ ไฟฟาแบบผสมชนิด Long-shunt ƒ วงจรสมมูลของเครอ่ื งกําเนิดไฟฟา แบบผสมชนดิ Long-shunt 28 June 2004 DC Generator 21 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครอ่ื งกาํ เนิดไฟฟาแบบผสมชนดิ Long-shunt (ตอ ) „ เครอื่ งกาํ เนิดชนดิ นจ้ี ะสามารถแกปญหาเรอื่ ง AR drop ได ดว ยการเพมิ่ ขดลวดเขา มาชดเชย φ ท่ีสูญเสยี ไป „ สญั ลักษณ • ท่ีขดลวด ถา ตามกนั หมายถงึ ให φ ทเี่ สรมิ กัน 28 June 2004 DC Generator 22 11

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ นุ ายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เคร่ืองกาํ เนดิ ไฟฟาแบบผสมชนดิ Short-shunt ƒ วงจรสมมูลของเครอื่ งกําเนดิ ไฟฟา แบบผสมชนดิ Short-shunt 28 June 2004 DC Generator 23 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครื่องกาํ เนดิ ไฟฟา แบบผสมชนิด Short-shunt (ตอ ) „ เคร่อื งกาํ เนดิ ชนดิ นใี้ ช IL มากระตนุ φ เสริมใหกบั φ หลกั „ ขอดี „ ลด Field weakening „ เพิม่ VR „ ขอ เสยี „ ควบคุมยาก „ คา ใชจา ยในการสรา ง และบาํ รุงรักษาสูง 28 June 2004 DC Generator 24 12

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ นุ ายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เคร่อื งกาํ เนิดไฟฟา แบบผสม 28 June 2004 DC Generator 25 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I เครื่องกาํ เนดิ ไฟฟาแบบผสม (ตอ ) „ เคร่อื งกาํ เนดิ แบบผสม สามารถใหแ รงเคล่ือนไดด กี วาแบบขนาน เพราะนําเอาคุณสมบตั ขิ องขดลวดอนกุ รมมาชดเชย „ ในกรณที ขี่ ดลวดอนกุ รมมีจํานวนรอบเหมาะสม เม่อื มีกระแส ไหลผาน φ ทถ่ี ูกสราง จะเสริมกันพอดี จนใหแรงดันคงที่ (Flat) „ ในกรณีทข่ี ดลวดอนกุ รมมจี ํานวนรอบมาก เมื่อมกี ระแส ไหลผา น φ ท่ีถกู สราง จะเสรมิ กันจนใหแ รงดันเกนิ (Over) „ ในกรณีท่ขี ดลวดอนกุ รมมีจํานวนรอบนอย เมือ่ มกี ระแส ไหลผาน φ ทถ่ี กู สราง จะเสรมิ กนั อยา งไมเพียงพอ (Under) 28 June 2004 DC Generator 26 13

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มิถุนายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I ตัวอยา ง „ Ex#1 Shunt Generator จายไฟได 450 A, 230 V มีคา ความตานทาน ของ Shunt field 50 Ω และคา ความตา นทานที่ Armature 0.03 Ω จงหาแรงเคลื่อนไฟฟา ทเ่ี กดิ ขน้ึ ภายใน Generator # EA = 243.64 V 28 June 2004 DC Generator 27 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I ตวั อยา ง (ตอ) „ Ex#2 Compounded Generator แบบ Long-shunt จา ยไฟได 100 A, 5Ω00จVงหมาคี แา รคงวเคามลอ่ืตนานไทฟาฟนา ทRีเ่Aก=ดิ ข50้ึนภΩาย,ใRนS = 0.04 Ω, โแดลยะท่มีRFีแร=ง1ด0ัน0 Generator ตกครอ มแปรงถา นดานละ 1 V (ไมพ ิจารณา AR drop) 28 June 2004 DC Generator # EA = 508.30 V 28 14

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ ุนายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I ตัวอยาง (ตอ) „ Ex#3 Compounded Generator แบบ Short-shunt มกี าํ ลัง 20 kW จา ย กระแสเตม็ ที่ มีแรงดนั ท่ขี วั้ 250 V มคี า ความตานทาน RA = 0.05 Ω, RS = 0.025 Ω, และ RF = 100 Ω จงหาแรงเคลื่อนไฟฟาทีเ่ กดิ ข้นึ ภายใน Generator โดยที่มแี รงดนั ตกครอ มแปรงถา นดานละ 1 V 28 June 2004 DC Generator # EA = 258.126 V 29 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I กําลงั งานสญู เสยี ในเครือ่ งกําเนิดไฟฟากระแสตรง „ กาํ ลงั สญู เสยี ที่มีคาไมคงท่ี „ กาํ ลังสญู เสียที่ขดลวดทองแดง (Copper losses, Pcu) „ กาํ ลังสูญเสียทแ่ี กนเหลก็ (Core Losses, Pcore) „ กาํ ลังสญู เสยี ทแี่ ปรงถา น (Brush losses, Pbrush) „ กาํ ลังสูญเสยี ทมี่ คี า คงท่ี „ กาํ ลังสญู เสยี ทางกล „ Mech losses, Friction, Windage losses, Stray load losses 28 June 2004 DC Generator 30 15

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ นุ ายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I ประสิทธภิ าพของเครอื่ งกาํ เนดิ ไฟฟากระแสตรง „ ประสิทธภิ าพ (efficiency, η) ของเครื่องกําเนิดไฟฟา คอื ตวั บงชี้ความสามารถในการจา ยแรงดันของเครื่องกาํ เนดิ η = Poutput Pinput P = P − Poutput losses(total ) input Plosses(total ) = Pcu + Pcore + PF &W + Pbrush + Pstrayload 28 June 2004 DC Generator 31 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I ตวั อยาง „ Ex#4 Shunt Generator จา ยไฟได 195 A, 250 V มีคาความตานทาน ของ Shunt field 50 Ω และคาความตา นทานที่ Armature 0.02 Ω มกี ําลงั สูญเสยี ในแกนเหล็กรวมกบั กาํ ลังสูญเสยี จากการเสียดทาน 950 W จงหา 1). EA 2). Pcu 3). Pinput และ 4). %η # EA = 254 V, Pcu=2050 W, Pin=51750 W (69.4 h.p.), 28 June 2004 DC Generator %η=94.2% 32 16

429296 Electrical Engineering I (for non- 28 มถิ ุนายน 2547 EE Students) Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I Andre Marie Ampere „ เกดิ ในเมอื ง Lyon, France „ ในวัยเดก็ ไดอ า นหนงั สือเก่ียวกบั ผลงานวจิ ยั วทิ ยาศาสตรในหอ งสมดุ ของพอ „ อายุ 12 ไดอานตําราวทิ ยาการตา งๆ ในหองสมด Lyon สว นใหญเ ปนภาษาละตนิ „ อายุ 18 พอ ถูกสังหารทา มกลางสงครามการปฏวิ ัติใน France „ ภรรยาเสียชวี ติ หลังจากแตงงานได 4 ป „ Ampere เปน นักวทิ ยาศาสตรท ปี่ ราดเปรอ่ื ง ได formulate กฎทางไฟฟาและ แมเหล็กไวม ากมาย „ ดวยผลงานทีโ่ ดดเดน ในป 1881 เขาจึงไดรบั เกยี รติใหใชช่ือเปนหนวยของคา กระแสไฟฟา 28 June 2004 DC Generator 33 Deacha PUANGDOWNREONG 429296 Electrical Engineering I End of Presentation 28 June 2004 DC Generator 34 17