มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ หน่วยที่ 1

1 20104-2008 มอเตอร์ไฟฟ้า กระแสสลับ ครูนฤมล เหรียญทองวัฒนา

Unit plan วัตถุประสงค์ วิชามอไฟฟ้ากระแสสลับ 01 ส่วนประกอบทั่วไปของมอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสสลับ บอกจุดประสงค์รายวิชาและ คำอธิบายรายวิชามอเตอร์ 02 หลักการทำงานของอินดักชันมอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสสลับได้ 03 อินดักชันมอเตอร์ 3 เฟส 04 อินดักชันมอเตอร์ 1 เฟส เพื่อให้ผู้เรียนสามารถบอก 05 ข้อขัดข้องการแก้ไขและบำรุงรักษา คุณสมบัติของมอเตอร์แบบ ต่างๆ เพื่อให้ผู้เรียนสามารถคำนวน หาค่าพารามิเตอร์ต่างๆใน มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ เพื่อให้ผู้เรียนนำไปใช้เป็นความ รู้พื้นฐานในการศึกษาระดับสูง



จุดประสงค์เชิงพฤติกกรรมหน่วยที่ 1 นักเรียนสามารถ 1. บอกส่วนประกอบทั่วไปของมอเตอร์กระแสสลับได้ 2. อธิบายส่วนประกอบแต่ละอย่างของมอเตอร์กระแสสลับได้ 3.อธิบายความแตกต่างของคำว่า อินดักชันมอเตอร์ 4. บอกความแตกต่างระหว่างสไควเรลเกจมอเตอร์กับวาวด์ โรเตอร์มอเตอร์ได้ 5.บอกความแตกต่างระหว่างขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ 1 เฟส กับ 3 เฟสได้

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับมีทั้งอินดักชันมอเตอร์และซิงโครนัส มอเตอร์ มีใช้งานอย่างแพร่หลายตั้งแต่โรงงานอุตสาหกรรมขนาด ใหญ่จนถึงโรงงานอุตสาหกรรมขนาดเล็ก แม้แต่ในบ้านพักอาศัยก็มี ใช้กัน ซึ่งออาจจะอยู่ในลักษณะของเครื่องอำนวยความสะดวกทั้งที่ จำเป็นและฟุ่มเฟือยในรูปแบบต่าง ๆ กันมากมายตั้งแต่ขนาดเล็ก ๆ ไปจนถึงขนาดใหญ่ ๆ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับเป็นมอเตอร์ที่ทำงาน ด้วยความเร็ว (speed) คงที่เป็นส่วนใหญ่ ยกเว้นบางชนิดซึ่งอาจจะ ออกแบบให้สามารถปรับความเร็วได้ก็มี แต่ก็เป็นส่วนน้อย

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับคือเครื่องกลไฟฟ้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็น พลังงานกล ในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกลนี้ พลังงานไฟฟ้าไม่ได้นำ เข้าสู่โรเตอร์ของมอเตอร์โดยตรง แต่ได้จากการเหนี่ยวนำหรือที่เรียกว่า อินดั๊กชั่น (induction) ดังนั้นจึงเรียกมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับว่า อินดักชันมอเตอร์ มอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสสลับนี้บางทีเรียกชื่อสั้น ๆ ว่า มอเตอร์ไฟสลับ หรือ มอเตอร์กระแสสลับ แบ่งออกได้เป็น 2 แบบด้วยกันคือ แบบที่มีโรเตอร์เป็นสไควเรสเกจ (squirrel cage) หรือกรงกระรอก เรียกมอเตอร์แบบนี้ว่า สไควเรลเกจมอเตอร์ (squirrel cage motor) และแบบที่โรเตอร์พันด้วยเส้นลวดเล็ก ๆ ที่เรียกว่า วาวด์โรเตอร์ (wound rotor) เรียกมอเตอร์แบบนี้ว่า วาวด์โรเตอร์มอเตอร์ (wound rotor motor) หรือ สลิปริงมอเตอร์ (slip ring motor)

มอเตอร์ทั้งสองแบบนี้ จะมีส่วนประกอบคล้าย ๆ กันดังนี้คือ ส่วนอยู่กับที่ (stator) เหมือนกัน ฝาครอบ (end plate) เหมือนกัน จะแตกต่างกันก็เฉพาะส่วนเคลื่อนที่ (rotor) เท่านั้น และมอเตอร์ไฟสลับหรืออินดั๊กชั่นมอเตอร์นี้ ยังแบ่งออกได้ 2 ชนิด ด้วยกันคือ ชนิดหนึ่งเฟส (หนึ่งยก, single-phase) และชนิดสามเฟส (สามยก, three-phase) มอเตอร์ไฟสลับทั้งชนิดหนึ่งและชนิดสามเฟสจะมีส่วนประกอบเบื้องต้นเหมือนกัน คือ ประกอบด้วยส่วนอยู่กับที่ ส่วนเคลื่อนที่ และฝาครอบ ดังรูปในหน้าถัดไป

ส่วนที่อยู่กับที่ ส่วนเคลื่อนที่ ฝาครอบ ฝาครอบ

1. ส่วนอยู่กับที่ (Stator) ส่วนอยู่กับที่นี้มักจะเรียกชื่อกันจนติดปากว่า สเตเตอร์และในส่วนนี้ยัง ประกอบด้วยสิ่งสำคัญดังนี้คือ โครงมอเตอร์ แกนขดลวดและขดลวด โครงมอเตอร์ (Frame หรือ Yoke) บางทีเรียกสั้น ๆ ว่าโครง ทำด้วย เหล็กหล่อรูปทรงกระบอกกลวง ฐานส่วนล่างมีลักษะเป็นขาตั้ง มีกล่อง สำหรับต่อสายไฟอยู่ด้านบนหรือด้านข้าง ดังรูปที่ 1.1 โครงทำหน้าที่จับ ยึดแกนขดลวดให้แน่นอยู่กับที่ ผิวด้านนอกโดยรอบของโครงมอเตอร์ บางตัวจะออกแบบให้มีลักษณะเป็นครีบ เพื่อช่วยในการระบายความร้อน

ในกรณีที่เป็นมอเตอร์ขนาดเล็ก ๆ โครงเหล็กจะทำด้วยเหล็กหล่อ (cast iron) แต่ถ้าเป็นมอเตอร์ขนาดใหญ่ โครงเหล็กจะทำด้วยเหล็กหล่อเหนียว (cast steel) ถ้าทำด้วยเหล็กหล่อ จะต้องใช้เหล็กหล่อปริมาณมาก ขนาดของโครงเหล็กจะใหญ่ มากจึงทำให้มอเตอร์มีขนาดใหญ่เกินไป ดังนั้นจึงเปลี่ยนมาใช้เหล็กหล่อเหนียว แทน ซึ่งจะทำให้โครงเหล็กบางลง และเป็นส่วนที่ทำให้น้ำหนักของมอเตอร์ลดลง ถึงประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ เมื่อขนาดเอ้าพุทของมอเตอร์เท่ากัน โดยที่จะไม่เพิ่ม ความต้านทานแม่เหล็ก (reluctance) ขึ้นเลย นอกจากนี้แล้วโครงเหล็กอาจจะทำด้วยเหล็กหล่อเหนียวแผ่นม้วนเป็นรูปทรง กระบอก ให้มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางตามที่ออกแบบไว้แล้วเชื่อมติดกัน

1.1 โครงมอเตอร์ พร้อมแกนขดลวด และขวดลวดที่พันเสร็จเรียบร้อยแล้ว

แกนขดลวด (Stator core) ทำด้วยแผ่นเหล็กบาง ๆ มีลักษณะกลม เจาะตรงกลางและ เซาะร่องภายในโดยรอบ แผ่นเหล็กนี้เรียกว่าแผ่นลามิเนท (laminated sheet) แต่ละ แผ่นหนา 0.025 นิ้ว แล้วนำเอาแผ่นเหล็กบางเหล่านี้ที่อาบซิลิกอนแล้ว มาอัดเข้าด้วยกัน เรียกว่าแกนขดลวด หรือสเตเตอร์ คอร์ ร่องที่เซาะภายในโดยรอบ เรียกว่า สล็อท (slots) เป็นที่สำหรับพันขดลวดและแกนขดลวดนี้ทำหน้าที่เป็นทางเดินเส้นแรงแม่เหล็กหรือเป็น วงจรแม่เหล็กด้วย แผ่นเหล็กลามิเนต แกนขดลวด และขดลวดสเตเตอร์

ขดลวด (Stator winding) ขดลวดที่พันลงในสล๊อทของแกนขดลวดนั้นแตกต่างกัน ตามชนิดของมอเตอร์ซึ่งจะได้กล่าวถึงรายละเอียดในตอนต่อไป เส้นลวดทองแดงที่ ใช้พันเป็นขดลวดนี้ จะเป็นชนิดที่เคลือบด้วยฉนวนไฟฟ้าอย่างดี เช่น น้ำมันวานิช ซึ่ง เมื่อแห้งสนิทแล้วจะเป็นฉนวนไฟฟ้าอย่างดี ลักษณะของขดลวดดังรูปด้านล่าง ก. ขดลวดมอเตอร์หนึ่งเฟสแบบหนึ่ง ข. ขดลวดมอเตอร์สามเฟส

2. ส่วนเคลื่อนที่ (Rotor) ส่วนนี้มักจะเรียกกันว่าโรเตอร์ (Rotor) มีสองแบบด้วยกันคือแบบสไควเรลเกจหรือกรง กระรอก (squirrel cage rotor) และแบบวาวด์โรเตอร์ (wound rotor) แต่ละแบบยัง ประกอบด้วยสิ่งสำคัญต่อไปนี้คือ แกนโรเตอร์ ขดลวด ใบพัด และเพลา ดังจะได้กล่าวราย ละเอียดต่อไป 2.1 โรเตอร์แบบสไควเรลเกจ เป็นโรเตอร์ที่ใช้กับมอเตอร์ไฟสลับหรือมอเตอร์ที่ทำงาน ด้วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เรียกว่า อินดั๊กชั่นมอเตอร์ แกนโรเตอร์จะทำด้วยแผ่นเหล็ก บางๆ ที่เรียกว่า แผ่นเหล็กลามิเนทหรือแผ่นลามิเนท (laminated sheet steel) เช่นเดียวกับ แกนขดลวดของสเตเตอร์ที่ได้กล่าวมาแล้ว มีลักษณะกลม เซาะผิวภายนอกให้เป็นร่องโดยรอบ ที่เรียกว่า สล็อท ตรงกลางแผ่นจะเจาะรูสำหรับสอดเพลา บริเวณระหว่างสล็อท รอบ ๆ ขอบ กับรูกลางแผ่นจะเจาะเป็นรูปไว้เพื่อใช้ช่วยในการระบายความร้อน และให้โรเตอร์มีน้ำหนักเบา ดังรูปในหน้าถัดไป เมื่อนำเอาแผ่นลามิเนทเหล่านี้มาอัดเข้าด้วยกัน จะได้แกนโรเตอร์

แผ่นลามิเนตที่อัดเข้าด้วยกันเป็นชั้นๆ จนเป็นแกนโรเตอร์

ขดลวดที่อัดเข้าไปในสล๊อทของแกนโรเตอร์นั้นแทนที่จะทําด้วยลวดทองแดงเส้นเล็ก ๆ ดังเช่นกรณีของขดลวดสเตเตอร์ แต่จะทําด้วยแท่งอลูมีเนียมหล่อ อัดเข้าไปในสล็อทให้แน่น แล้วยึดวงแหวนทีมีครีบยืนออกมาเข้ากับปลายแต่ละข้างของแท่งอลูมีเนียมทีโผล่ออกมา จากสล็อทเพื่อให้แท่งอลูมีเนียมเหล่านั้นครบวงจรทางไฟฟ้า หรือไม่ก็นําเอาแกนโรเตอร์เข้าไป วางไว้ในแบบพิมพ์ (mold) แล้วฉีดอลูมีเนียมเหลวเข้าไป จะได้อลูมีเนียมอัดแน่นอยู่ในสล็อท จนเต็มและมีครีบยื่นออกไปทั้งสองข้างของแกนโรเตอร์ด้วยครีบที่ยื่นออกไปเหล่านี้เรียกว่า ใบพัดใช้สําหรับระบายความร้อน และเมื่ออัดเพลาเข้าไปที่รูกลาง ของแกนแล้ว แกนโรเตอร์ที่มีตัวนำแท่งอลูมิ เนียมอัดอยู่ในสล็อต และแหวน อลูมิเนียมพร้อมครีบยึดติดอยู่

แสดงให้เห็นถึงโรเตอร์แบบกรงกระรอกที่ประกอบ ด้วยแกนโรเตอร์ขดลวด (แท่งอลูมี เนียม) ครีบ (ใบพัด) และเพลา

สาเหตุที่เรียกแกนโรเตอร์แบบนี้ว่า แกนแบบกรงกระรอกเพราะว่า ถ้านําเอาแท่งอลูมี เนียมที่อัดอยู่ ในสล็อทของแกนโรเตอร์ออกมาประกอบร่วมกับแผ่นวงแหวนที่ยึดติดหัว ท้าย จะได้ตัวนําที่มีโครง สร้างเหมือนกับกรงกระรอก หรือถ้านําเอาแกนโรเตอร์ออกจาก โรเตอร์ ก็จะเหลือตัวนําทั้งหมดที่มี โครงสร้างเหมือนกับกรงกระรอกดังแสดงให้เห็นในรูป จากรูปในหน้าที่แล้ว จะเห็นว่าสล๊อทจะมีลักษณะทํา มุมเอียงกับแกนหรือเพลาของโรเตอร์ แต่บางแบบ สล็อทจะมีลักษณะเป็นเส้นตรงขนานกับเพลา ข้อดี ของโรเตอร์ที่มีสล็อททํามุมเอียงกับเพลา (skewed) ก็คือเมื่อมอเตอร์ทํางานจะหมุนเรียบและเงียบกว่า แบบที่มีสล็อทขนานกับเพลา

2.2 โรเตอร์แบบวาวด์ หรือวาวด์โรเตอร์ โรเตอร์แบบนี้มีส่วนประกอบคล้าย ๆ กับ โรเตอร์แบบกรงกระรอก คือมีแกนโรเตอร์ ที่ทําด้วยแผ่นเหล็กลามิเนทอัดติดกัน มีขดลวดซึ่งพัน ด้วยเส้นลวดทองแดงที่หุ้มด้วย น้ํายาฉนวนไฟฟ้าโดยต่างจากขดลวดของโรเตอร์แบบกรงกระรอกที่ ทําด้วยแท่งอลูมี เนียม ใบพัดสําหรับระบายความร้อนยึดติดอยู่หัวท้ายของแกนโรเตอร์และเพลา นอกจากนี้โรเตอร์แบบวาวด์ยังมีแหวนทองแดงที่เรียกว่าสลิปริง (slipring) ต่อร่วมกับ ปลายสายของ ขดลวดอีกหนึ่งชุดจํานวน 3 ตัว โดยปกติแล้ว วาวด์โรเตอร์จะใช้กับ มอเตอร์สามเฟสเท่านั้น ดังนั้นสลิปริงทั้งสามตัวจึงมีไว้ สําหรับต่อเข้ากับอุปกรณ์ควบ คุมเพื่อทําให้ขดลวดโรเตอร์เกิดครบวงจรและประกอบการเริ่มหมุน (สตาร์ท, start) และการควบคุมความเร็ว ลักษณะของวาวด์โรเตอร์ดังรูปในหน้าถัดไป

ลักษณะของโรเตอร์แบบวาวด์

3. ฝาครอบ (End plate) ทําด้วยเหล็กหล่อ เจาะรูตรงกลางเพื่ออัดแบริ่งรองรับเพลาของโรเตอร์ ที่ฝาครอบนี้ บางที จะเจาะรูไว้ด้วยเพื่อช่วยในการถ่ายเทอากาศ ลักษณะของฝาครอบมอเตอร์จะเห็นได้ ในรูป ฝาครอบ ฝาครอบ

4. ขดลวดสเตเตอร์ (stator winding) หมายถึงขดลวดที่พันอยู่ในสล๊อทของแกนขดลวดที่สเตเตอร์หรือสเตเตอร์คอร์เท่านั้น ไม่ รวมไปถึงขดลวดหรือแท่งอลูมีเนียมที่พันหรืออัดอยู่ในสล๊อทของโรเตอร์ 4.1 ขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ไฟสลับสามเฟสเป็นแบบ whole coil lap winding ซึ่ง เหมือนกันกับขดลวดอาร์มาเจอร์ของเครื่องกําเนิดไฟสลับ กล่าวคือ ขด ลวดภายใต้ขั้วแม่เหล็กหนึ่ง ขั้วนั้นจะประกอบด้วยขดลวด 3 ชุดด้วยกัน ซึ่งแต่ละชุดเรียก่า เฟส หรือ ยก คือเฟส 1 เฟส 2 และเฟส 3 เป็นต้น และขดลวดแต่ละเฟส ก็จะมีกลุ่มของ คอยล์ (coil group) เช่นมอเตอร์ที่มี 36 สล๊อท 4 โพล (ขั้วแม่เหล็ก) สามเฟส จํานวน สล๊อทต่อหนึ่งโพลจะมีค่า 9 สล๊อท ดังนั้น จํานวนกลุ่มของ คอยล์ในหนึ่งโพลนี้ ก็คือ 9 คอยล์ และจํานวนกลุ่มคอยล์ต่อหนึ่งเฟส จะมีค่า 3 คอยล์ ในการพันขด ลวดทั้ง 3 คอยล์ ในหนึ่งเฟสนี้ จะพันลงสล๊อทเรียงกันไปได้ 3 สล๊อท และการพันขดลวดทั้ง 9 คอยล์ ใน หนึ่งโพลนี้ก็จะพันลงสล๊อทเรียงกันไป 9 สล๊อทด้วย ดังรูปในหน้าถัดไป

ลักษณะการพันขดลวดแบบแล็ป

เนื่องจากลักษณะของขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์จะเหมือนกับขดลวดอาร์มาเจอร์ ของ เครื่องกําเนิด ดังนั้นระยะพิชของคอยล์จึงแบ่งออกได้ 2 แบบด้วยกันคือ คอยล์มี ระยะพิชเต็ม (full pitch) และคอยล์ที่มีระยะพิชเศษส่วน (fractional pitch) คอยล์ที่มีระยะพิชเต็มก็หมายความว่า เมื่อคอยล์ไซด์ (coil side) ต้นของคอยล์ ๆ หนึ่งอยู่กึ่ง กลางขั้วเหนือแล้ว อีกคอยล์ไซด์หนึ่งของคอยล์เดียวกันนี้ ก็จะต้องอยู่ กึ่งกลางขั้วได้ที่อยู่ถัดไป นั่นก็ คือ คอยล์ไซด์ทั้งสองของคอยล์เดียวกันจะอยู่ห่างกัน 180 องศาไฟฟ้า แต่ถ้าคอยล์มีระยะพิชเศษส่วน คอยล์ไซด์ทั้งสองของคอยล์เดียวกันจะ อยู่ห่างกันไปถึง 180 องศาไฟฟ้า เมื่อคอยล์ไซด์ต้นของคอยล์หนึ่งอยู่กึ่งกลางขั้วเหนือ แล้ว อีกคอยล์ไซด์หนึ่งของคอยล์ เดียวกันจะอยู่ก่อนถึงจุดกึ่งกลางของขั้วใต้ที่อยู่ถัดไป และระยะพิชของคอยล์ของมอเตอร์สามเฟส ส่วนใหญ่จะมีระยะพิชเศษส่วน ซึ่งมีข้อดีดัง หน้าถัดไป

1. ลดลีกเกจรีแอ็คแตนซ์ลง ทําให้เพาเวอร์แฟคเตอร์สูงขึ้น 2. ความกว้างของคอยล์แคบลง ทําให้คอยล์แข็งแรงขึ้น 3. ลวดทองแดงที่ใช้พันขดลวดน้อยลง จึงทําให้ความสูญเสียเนื่องจาก ทองแดง (copper loss) ลดลง 4. ทําให้ความยาวของแกนขดลวดลดลงระยะห่างของแบริ่งทั้งสองข้าง จึงแคบลง ทําให้แข็งแรงขึ้น

4.2 ขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์หนึ่งเฟส มีลักษณะเป็นชุด ๆ มองเห็นได้อย่างเด่นชัดที่เรียกว่า concentrated winding (คอนเซน เตรท ไวน์ดิ้ง) โดยทั่ว ๆ ไปจะมีสองชุดด้วยกันคือ ขดรัน (running winding) และขดสตาร์ท (starting winding หรือ auxiliary winding) โดยปกติแล้ว ขดรัน จะพันด้วยลวดทองแดง เส้นโตจํานวนรอบมาก และขดสตาร์ทจะพันด้วยลวดทองแดงเส้นเล็ก จํานวนรอบน้อย และโดย ปกติทั่วไปแล้ว จํานวนของขดลวดทั้งสองชุดนี้จะเท่ากัน เช่น ถ้าขดรันมี 4 ชุด ขดสตาร์ทก็จะ ต้องมี 4 ชุดด้วย ลักษณะการพันขดลวดมอเตอร์ไฟสลับหนึ่งเฟส แบบหนึ่งดัง รูปในหน้าถัดไป ซึ่งขดรันจะพันอยู่ด้านในของสล๊อท ส่วนขดสตาร์ทจะพันอยู่ด้านนอกของสล๊อท ขดลวดหนึ่งชุดจะมี 3 คอยล์คือ คอยล์นอก (outer coil) คอยล์กลาง (middle coil) และ คอยล์ใน (inner coil) เวลาพันจะพันที่คอยล์ในก่อน เมื่อได้จํานวนรอบครบแล้วจึงพันคอยล์ กลาง เมื่อพัน คอยล์กลางเสร็จแล้วจึงพันคอยล์นอก ตามรูปในหน้าถัดไปนี้ คอยล์ในมีระยะพิช 1-4 คอยล์กลางมีระยะ พิช 1-6 และคอยล์นอกมีระยะพิช 1-8

ลักษณะการพันขดลวด มอเตอร์ไฟกระแสสลับหนึ่งเฟส

ลักษณะการพันขดลวดมอเตอร์ไฟกระแสสลับหนึ่งเฟสที่มี 32 สล็อท