คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 1 คุณลักษณะสมบัติของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง

คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 1 คุณลักษณะสมบัติของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง เรื่องที่ 1.7 คุณลักษณะของมอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสตรง นายคมสัน กลางแท่น วิชา เครื่องกลไฟฟ้า 1 ชุดการสอนวิชาเครื่องกลไฟฟ้า 1 (3104-2002) สำหรับนักศึกษาระดับประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง ตามหลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง พ.ศ. 2563

1.7 คุณลักษณะของมอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสตรง คุณลักษณะของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง มักจะแสดงเส้นเคอร์ฟคุณลักษณะระหว่างปริมาณ ต่าง ๆ ของมอเตอร์ไฟฟ้าแต่ละแบบ เช่น เส้นเคอร์ฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับ กระแสอาร์เมเจอร์ เส้นเคอร์ฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วกับกระแสอาร์เมเจอร์ ซึ่ง เส้นเคอร์ฟคุณลักษณะดังกล่าว อาจจะเรียกว่า เส้นเคอร์ฟคุณลักษณะทางไฟฟ้าก็ได้ นอกจาก นั้นยังกล่าวถึงเส้นเคอร์ฟคุณลักษณะของความเร็วกับแรงบิด หรืออาจเรียกว่าเส้นเคอร์ฟ คุณลักษณะทางกล การศึกษาหรือพิจารณาเกี่ยวกับคุณลักษณะของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงนั้น สิ่งสำคัญที่จะ ต้องคำนึงถึง คือ ความสัมพันธ์ของปริมาณทั้งสองประการ คือ

1. คุณลักษณะของมอเตอร์ไฟฟ้าแบบชั้นท์ แสดงการต่อวงจรของชั้นท์มอเตอร์ที่มีขั้วแม่เหล็กสองขั้ว

คุณลักษณะของแรงบิดกับกระแสอาร์เมเจอร์ เนื่องจากขดลวดชั้นท์ฟิลด์ของชั้นท์มอเตอร์ต่อขนานกับอาร์เมเจอร์ และต่อขนานกับแรงดันไฟฟ้าที่ป้อน V ซึ่งมีค่าคงที่ดังรูป ปริมาณเส้นแรงแม่เหล็ก จึงมีค่าคงที่ด้วย แม้ว่าเมื่อมอเตอร์ได้รับโหลดมาก ๆ ปริมาณ เส้นแรงแม่เหล็ก อาจจะลดลงบ้าง เนื่องจากผลของอาร์เมเจอร์รีแอคชั่น แต่อย่างไรก็ตามแรงบิดที่เกิดขึ้น ในอาร์เมเจอร์ T ยังคงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกระแสอาร์เมเจอร์ Ia ดังสมการ เมื่อเขียนกราฟ T กับ Ia จะได้เคอร์ฟเป็นเส้นตรง โดยมีจุดเริ่มต้นอยู่ที่ศูนย์ดังรูปที่ เส้นเคอร์ฟ T เป็นแรง บิดทั้งหมดที่เกิดขึ้นในอาร์เมเจอร์ และเส้นเคอร์ฟ Ish เป็นแรงบิดที่ปลายเพลา ซึ่งมีค่าน้อยกว่าแรงบิด T ที่ เกิดขึ้น ณ กระแสอาร์เมเจอร์ Ia ค่าเดียวกัน ทั้งนี้เพราะว่าแรงบิดบางส่วนต้องจ่ายให้กับการสูญเสียในแกน เหล็กและความฝืดต่าง ๆ ภายในมอเตอร์ ดังได้กล่าวมาแล้ว ค่าของการสูญเสียในแกนเหล็กและความฝืดของ มอเตอร์แต่ละตัวถือว่าคงที่ทุกสภาพโหลด ดังนั้นความชันของเส้นกราฟ Ish จึงเท่ากับเส้นเคอร์ฟ T หากนำ ชั้นท์มอเตอร์ไปใช้หมุนขับโหลดหนักมากในขณะสตาร์ท กระแสในขณะสตาร์ทจะสูงมาก จึงควรหลีกเลี่ยง

ก ) ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับกระแสอาร์เมเจอร์ หรือ T = f (Ia ) ข ) ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วกับกระแสอาร์เมเจอร์ หรือ N = f (Ia ) ค ) ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วกับแรงบิด หรือ N = f (T)

คุณลักษณะของความเร็วกับกระแสอาร์เมเจอร์ จึงทำให้ความเร็วของชั้นท์มอเตอร์ลดลงบ้างประมาณ 5 – 10 % ของ ความเร็วเมื่อโหลดเต็มพิกัด ความเร็วที่แท้จริงของชั้นท์มอเตอร์ที่ลด ลงแสดงด้วยเคอร์ฟเส้นเต็มในรูป

คุณลักษณะของความเร็วกับแรงบิด การพิจารณาในกรณีนี้ก็ต้องอาศัยคุณลักษณะทั้งสองข้อที่ กล่าวมาแล้วข้างต้น จะได้เส้นเคร์ฟความสัมพันธ์ระหว่าง ความเร็วกับแรงบิด ดังรูป ค. คือ ความเร็วรอบของชั้นท์ มอเตอร์จะลดลงเล็กน้อยเมื่อแรงบิดเพิ่มขึ้น ในรูปด้านซ้าย เป็นเคร์ฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วรอบกับแรงบิด ของชั้นท์มอเตอร์ ซึ่งเปลี่ยนแปลงตามกระแสอาร์เมเจอร์หรือ ขนาดของโหลด จากเคอร์ฟจะสังเกตเห็นว่าแรงบิดของชั้นท์ มอเตอร์จะเพิ่มขึ้นตามกระแสอาร์เมเจอร์ แต่ความเร็วรอบจะ ลดลง เคอร์ฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วรอบกับแรงบิด ค ของชั้นท์มอเตอร์ซึ่งเปลี่ยนแปลงแปลงตามกระแสอาร์เมเจอร์ หรือขนาดของโหลด

คุณลักษณะของความเร็วกับแรงบิด เนื่ องจากความเร็วของชั้นท์มอเตอร์ขณะไร้โหลดกับขณะหมุนขับโหลดเต็มพิกัดไม่แตกต่างกัน มากนักด้วยเหตุดังกล่าวไม่ว่าโหลดจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร มอเตอร์จะหมุนด้วยความเร็วรอบ เกือบคงที่ตราบเท่าที่มอเตอร์ยังต่ออยูกับแรงดันป้อน V ซึ่งมีค่าคงที่ดังนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่า “ชั้นท์มอเตอร์เป็นมอเตอร์ที่หมุนด้วยความเร็วคงที่” จึงเหมาะสำหรับงานที่ต้องการความเร็ว รอบค่อนข้างคงที่ เช่นเครื่องกลึง เครื่องมือกล เครื่องจักรกลงานไม้ เป็นต้น

2. คุณลักษณะของมอเตอร์ไฟฟ้าแบบซีรีส์ คุณลักษณะของแรงบิดกับกระแสอาร์เมเจอร์ เนื่ องจากอาร์เมเจอร์และขดลวดซีรีส์ฟิลด์ของซีรีส์ มอเตอร์ต่ออนุกรมกัน ดังรูป ดังนั้น กระแสอาร์- เมเจอร์ Ia จึงเป็นกระแสกระตุ้นขดลวดซีรีส์ฟิลด์ จากสมการแรงบิด แสดงการต่อวงจรซีรีส์มอเตอร์ที่มีขั้ว แม่เหล็ก 2 ขั้ว

ก) ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับกระแสอาร์เมเจอร์ หรือ T = f (Ia ) ข) ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วกับกระแสอาร์เมเจอร์ หรือ N = f (Ia ) ค) ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วกับแรงบิดหรือ N = f (T )

คุณลักษณะของความเร็วกับกระแสอาร์เมเจอร์

คุณลักษณะของความเร็วกับกระแสอาร์เมเจอร์

คุณลักษณะของความเร็วกับแรงบิด ค การพิจารณาความสัมพันธ์ในกรณีนี้ก็อาจอาศัยคุณลักษณะทั้งสอง จะได้เส้น เคอร์ฟความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วกับแรงบิด ดังรูปที่ ค. จะสังเกตเห็นว่า แรงบิดซีรีส์มอเตอร์จะเป็นสัดส่วนผกผันกับความเร็วรอบ กล่าวคือ แรงบิดจะ มีค่าสูงสุดก็ต่อเมื่อความเร็วรอบน้อยที่สุด ดังนั้นขณะที่ซีรีส์มอเตอร์หมุนขับ โหลดหนักมาก ๆ ความเร็วรอบจะลดลง ทำให้ทั้งกระแสอาร์เมเจอร์ Ia และ ปริมาณเส้นแรงแม่เหล็ก เพิ่มขึ้น มีผลทำให้เกิดแรงบิดเพิ่มขึ้นเป็นอย่างมาก ในรูปในหน้าถัดไป เป็นเคอร์ฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วรอบกับแรง บิดของซีรีส์มอเตอร์ ซึ่งเปลี่ยนแปลงตามกระแสอาร์เมเจอร์หรือขนาดของ โหลดจากเคอร์ฟจะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของทั้งแรงบิด และความเร็วรอบ เมื่อกระแสอาร์เมเจอร์หรือขนาดของโหลดเพิ่มขึ้น

เคอร์ฟแสดงความ สัมพันธ์ระหว่าง ความเร็วรอบกับแรงบิด ของซีรีส์มอเตอร์ ซึ่ง เปลี่ยนแปลงแปลงตาม กระแสอาร์เมเจอร์หรือ ขนาดของโหลด

3. คุณลักษณะของมอเตอร์ไฟฟ้าแบบคอมเปานด์ คอมเปานด์มอเตอร์ เป็นมอเตอร์ที่อาศัยการทำงานร่วมกันของขดลวดซีรีส์ฟิลด์ และขดลวดชั้นฟิลด์ในอัตราส่วนที่เหมาะสม มอเตอร์ไฟฟ้าแบบคอมเปานด์แบ่ง คุณลักษณะสมรรถนะออกได้เป็น 2 แบบ คือ 1) มอเตอร์ไฟฟ้าแบบคิวมูเลตีฟ คอมเปานด์ วงจรของมอเตอร์แบบนี้ จะต้องต่อขดลวดซีรีส์ฟิลด์ให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็กเสริมหรือมีทิศทาง เดียวกับเส้นแรงแม่เหล็กของชั้นท์ฟิลด์ ขณะหมุนตัวเปล่าหรือไร้โหลดจะมีกระแสจำนวนเล็กน้อย ไหลในขดลวดซีรีส์ฟิลด์ ดังนั้นมอเตอร์จึงหมุนโดยอาศัยเส้นแรงแม่เหล็กส่วนมากที่เกิดจากชั้นท์ ฟิลด์ด้วยความเร็วรอบคงที่ค่าหนึ่ง เช่นเดียวกับชั้นท์มอเตอร์ ในรูป ก. ในหน้าถัดไป แสดงการต่อ วงจรมอเตอร์ไฟฟ้าแบบคิวมูเลตีฟ คอมเปานด์ โปรดสังเกตทิศทางกระแสในขดลวดทั้งสองชุด ซึ่งมีทิศทางไปทางเดียวกัน ดังนั้นมันจึงสร้างเส้นแรงแม่เหล็กเสริมกัน

การต่อวงจรของมอเตอร์ไฟฟ้าแบบคิวมูเลตีฟ คอมเปานด์ ก. ข. ค. คุณลักษณะของความเร็วรอบกับกระแสอาร์เมเจอร์ คุณลักษณะของแรงบิดกับกระแสอาร์เมเจอร์หรือ T= f (Ia) ของคอมเปานด์ หรือ N =f ( Ia ) ของคอมเปานด์ มอเตอร์ทั้งสองแบบเมื่อเปรียบเทียบกับชั้นท์มอเตอร์ และซีรีส์มอเตอร์

1) มอเตอร์ไฟฟ้าแบบคิวมูเลตีฟ คอมเปานด์ เมื่อโหลดเพิ่มขึ้นเส้นแรงแม่เหล็กของขดลวดซีรีส์ฟิลด์จะเพิ่มขึ้น เสริมกับเส้นแรงแม่เหล็ก ของชั้นท์ฟิลด์ ทำให้ปริมาณเส้นแรงแม่เหล็กต่อขั้วเพิ่มขึ้นจึงทำให้เกิดแรงบิดหมุนขับโหลดสูง กว่าชั้นท์มอเตอร์ ดังรูป ค. ในเวลาเดียวกันความเร็วรอบของมอเตอร์จะลดลงอย่างรวดเร็ว และ ลดลงมากกว่าชั้นท์มอเตอร์ ดังรูป ข. และด้วยขนาดของแรงบิดที่เท่ากันมอเตอร์แบบคิวมูเลตีฟ จะกินกระแสน้อยกว่าชั้นท์มอเตอร์ มอเตอร์ทั้งสองแบบเมื่อเปรียบเทียบกับชั้นท์มอเตอร์ และซีรีส์มอเตอร์ มอเตอร์แบบนี้เหมาะ สมกับงานประเภทที่ต้องการแรงบิดเริ่มหมุนสูงและมีความเร็วคงที่อยู่ที่ค่าๆ หนึ่งในขณะไร้โหลด หรือสามารถวัดความเร็วรอบขณะไร้โหลดได้นั่นเอง จึงมักนำไปใช้หมุนขับโหลดหนักๆ เช่น เครื่อง อัดย้ำ เครื่องตัดโลหะ เป็นต้นซึ่งเครื่องจักรกลดังกล่าวสามารถ่อกับมอเตอร์คิวมูเลตีฟ คอมเปา นด์ด้วยสายพานสะดวกซึ่งม่ามารถกระทำได้ในซีรีส์มอเตอร์

2) มอเตอร์แบบดิฟเฟอเรนเชียล คอมเปานด์ วงจรของมอเตอร์แบบนี้จะต้องต่อขดลวดซีรีส์ฟิลด์ให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็กต่อต้านหรือ สวนทางกับเส้นแรงแม่เหล็กของชั้นท์ฟิลด์ทำให้ปริมาณเส้นแรงแม่เหล็กต่อขั้วลดลง เมื่อ มอเตอร์ได้รับโหลดเพิ่มขึ้นความเร็วรอบของมอเตอร์จะคงที่อยู่ชั่วขณะหนึ่งแล้วจึงเพิ่มขึ้น ตามการเพิ่มขึ้นของตามกระแสอาร์เมเจอร์ ในรูป แสดงการต่อวงจรของ มอเตอร์ไฟฟ้าแบบดิฟเฟอเรนเชียลคอมเปานด์โปรดสังเกตทิศทางกระแสในขดลวดทั้งสอง ชุดจะมีทิศทางสวนทางกัน ดังนั้นมันจึงสร้างเส้นแรงแม่เหล็กต่อต้านหรือหักล้างกัน ต้องการความเร็วรอบคงที่ตลอดเวลาไม่ว่า โหลดจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรก็ตามแม้เลือก ใช้ชั้นท์มอเตอร์ ก็ไม่สามารถตอบสนองความ ต้องการได้ ปัญหาดังกล่าวสามารถแก้ไขได้ ด้วยการใช้มอเตอร์ไฟฟ้าแบบดิฟเฟอเรนเชียล คอมเปานด์

การเปรียบเทียบคุณลักษณะ ของมอเตอร์แบบชั้นท์ และแบบซีรีส์ 1) มอเตอร์แบบชั้นท์ คุณลักษณะต่าง ๆ ของชั้นท์มอเตอร์ ซึ่งนำมาสรุปได้ ดังนี้ ก. เป็นมอเตอร์ที่มีความเร็วรอบเกือบคงที่ ข. เมื่อใช้กระแสอินพุทเท่ากัน จะให้แรงบิดเริ่มหมุนต่ำกว่าซีรีส์มอเตอร์ จากคุณลักษณะ จึงทำให้ชั้นท์มอเตอร์นิยมใช้กับงานดังนี้ ก. งานที่ต้องการรักษาความเร็วรอบให้คงที่ จากสภาวะร็โหลดถึงมีโหลดเต็มพิกัด ข. ใช้หมุนขับโหลด ณ ความเร็วรอบต่าง ๆ กัน โดยแต่ละความเร็วจะคงที่กับงานหนึ่ง ๆ เป็นเวลานาน เช่น ใช้หมุนเครื่องกลึงซึ่งต้องการใช้ความเร็วในการกลึงโลหะแต่ละชนิดแตก ต่างกัน สามารถควบคุมความเร็วได้ง่ายและประหยัด

การเปรียบเทียบคุณลักษณะ ของมอเตอร์แบบชั้นท์ และแบบซีรีส์ 2) มอเตอร์แบบซีรีส์ คุณลักษณะต่างๆ ของซีรีส์มอเตอร์ซึ่งนำมาสรุปได้ ดังนี้ ก. เป็นมอเตอร์ที่มีแรงบิดเริ่มหมุนสูงมาก ข. มีอัตราเร่งของแรงบิดดีมาก ค. มีความเร็วรอบต่ำ เมื่อหมุนขับโหลดมากๆ และความเร็วจะสูงมากจนอาจเป็นอันตราย กับมอเตอร์เมื่ อโหลดลดลงมา

การเปรียบเทียบคุณลักษณะ ของมอเตอร์แบบชั้นท์ และแบบซีรีส์ 2) มอเตอร์แบบซีรีส์ จากคุณลักษณะจึงทำให้ซีรีส์มอเตอร์นิยมใช้กับงาน ดังนี้ ก. งานที่ต้องการแรงบิดเริ่มหมุนสูงมาก เช่นใช้หมุนขับกว้าน ปั้ นจั่น รถรางเป็นต้น ข. งานที่มอเตอร์สามารถต่อกับโหลดได้โดยตรง เช่นพัดลมซึ่งแรงบิดของมันจะเพิ่มขึ้นตาม ความเร็วรอบ ค. งานที่ไม่ต้องการความเร็วรอบคงที่ งานที่โหลดเพิ่มขึ้นแล้วความเร็วรอบลดลง ซึ่งถือว่า เป็นข้อได้เปรียบของซีรีส์มอเตอร์ คือแรงบิดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วแต่กำลังอินพุทของ มอเตอร์จะเพิ่มเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ง. ไม่ควรนำซีรีส์มอเตอร์ไปใช้งานที่โหลดมีโอกาสลดลง จนกระทั่งเหลือค่าน้อยมาก เช่นงาน หมุนขับปั๊ มหนีศูนย์กลางและงานหมุนขับโหลดด้วยสายพานเป็นต้น

1.8 กำลังสูญเสียและประสิทธิภาพ 1.8.1 การสูญเสียในมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงนี้สามารถหา ได้เช่นเดียวกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง คือ 1) การสูญเสียในขดลวดทองแดง 2) การสูญเสียกำลังเนื่องจากแม่เหล็ก 3) การสูญเสียกำลังทางกล

1.8 กำลังสูญเสียและประสิทธิภาพ 1.8.2 ประสิทธิภาพของมอเตอร์ สภาวะที่เกิดประสิทธิภาพสูงสุด คือการสูญเสียกำลังที่ขดลวดอาร์เมเจอร์ เท่ากับกำลังที่มีค่าคงที่ เช่นเดียวกันกับในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง