คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 1 คุณลักษณะสมบัติของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง

คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 1 คุณลักษณะสมบัติของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง เรื่องที่ 1.5 การสูญเสียและประสิทธิภาพของ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง นายคมสัน กลางแท่น วิชา เครื่องกลไฟฟ้า 1 ชุดการสอนวิชาเครื่องกลไฟฟ้า 1 (3104-2002) สำหรับนักศึกษาระดับประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง ตามหลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง พ.ศ. 2563

การสูญเสียและประสิทธิภาพของ เ ค รื่ อ ง กำ เ นิ ด ไ ฟ ฟ้า ก ร ะ แ ส ต ร ง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะทำหน้าที่รับพลังงานกลในรูปของการหมุนจากเครื่องต้นกำลัง ทางด้านอินพุทแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าทางด้านเอาท์พุท พลังงานที่ป้อนเข้า ทางด้านอินพุทต่อหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า กำลังทางกลและพลังงานไฟฟ้าทางด้าน เอาท์พุท พลังงานส่วนที่หายไปถือว่า เป็นค่าการสูญเสีย ซึ่งในการเปลี่ยนรูป พลังงานนั้นจะต้องมีการสูญเสียเกิดขึ้นเสมอ การสูญเสียในเครื่องกำเนิด ไฟฟ้ากระแสตรง แบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่ ๆ ได้ดังนี้ 1) การสูญเสียในขดลวดทองแดง 2) การสูญเสียในแกนเหล็ก 3) การสูญเสียทางกล

1.การสูญเสียในขดลวดทองแดง การสูญเสียในขดลวดทองแดง เป็นกำลังที่สูญเสียในรูปของความร้อนเนื่องจากกระแสไหลผ่าน ความต้านทานของขดลวดทองแดงการสูญเสียนี้จะเป็นปฎิภาคโดยตรงกับกระแสที่ไหลผ่านขด ลวดยกกำลังสองและค่าความต้านทานของขดลวด การสูญเสียในขดลวดทองแดง ประกอบด้วย ก. การสูญเสียในขดลวดทองแดงของอาร์เมเจอร์ เป็นการสูญเสียเนื่องจากกระแสอาร์ เมเจอร์ ( Ia )ไหลผ่านค่าความต้านทานของวงจรขดลวดอาร์เมเจอร์ (Ra ) เขียนเป็นสมการได้ เมื่อ Ia = กระแสไฟฟ้าอาร์เมเจอร์ เป็น A Ra = ค่าความต้านทานของอาร์เมเจอร์ขดลวดอินเตอร์โปลและอื่นๆ เป็น Ω การสูญเสียนี้มีค่าประมาณ 30 – 40 % ของการสูญเสียเมื่อโหลดเต็มพิกัด

ข. การสูญเสียในขดลวดทองแดงของสนามแม่เหล็ก เป็นการ สูญเสียในขดลวดทองแดงของชุดขดลวดสนามแม่เหล็ก แบ่งได้ดังนี้ 1) การสูญเสียในขดลวดทองแดงของชั้นท์ฟีลด์ เขียนเป็นสมการได้ เมื่อ Ish = กระแสขดลวดทองแดงของชั้นท์ฟีลด์ เป็น A Rsh = ค่าความต้านทานของขดลวดชั้นท์ฟีลด์ เป็น Ω Vsh = แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของขดลวดชั้นท์ฟีลด์ เป็น V

2) การสูญเสียในขดลวดทองแดงของซีรีส์ฟีลด์ เขียนเป็นสมการได้ เมื่อ It = กระแสในขดลวดทองแดงของซีรีส์ฟีลด์ เป็น A Rt = ค่าความต้านทานของขดลวดซีรีส์ฟีลด์ เป็น Ω การสูญเสียนี้มีค่าประมาณ 20 – 30 % ของการสูญเสียเมื่อโหลดเต็มพิกัด 3) การสูญเสียเนื่องจากความต้านทานที่หน้าสัมผัสของแปรงถ่าน โดยปกติจะรวมอยู่กับการสูญเสียในขดลวดทองแดงของอาร์เมเจอร์

2. การสูญเสียในแกนเหล็ก เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า การสูญเสียทางแม่เหล็กการสูญเสียในแกนเหล็กส่วนใหญ่เกิดขึ้นในแกน เหล็กอาร์เมเจอร์เมื่ ออร์เมเจอร์หมุนแกนเหล็กจะเคลื่ อนที่ผ่านขั้วเหนือและขั้วใต้ของขั้วแม่เหล็ก ทำให้สนามแม่เหล็กที่ผ่านแกนเหล็กมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้ นทำให้เกิดการสูญเสียเนื่ องจากฮิส เตอรีซิสและกระแสไหลวนนอกจากนั้นมีการสูญเสียที่ที่เกิดขึ้นตรงบริเวณด้านหน้าของขั้วแม่ เหล็กและโปลชูในบริเวณนั้นจะเพิ่มขึ้นและลดลงเมื่อร่อง (slot) เคลื่อนเข้ามาแทนที่ดังนั้นเมื่อ แกนเหล็กอาร์เมเจอร์หมุนผ่านโปลชูจะทำให้สนามแม่เหล็กบริเวณหน้าขั้วแม่เหล็กมีการ เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ทำให้เกิดการสูญเสียในแกนเหล็ก แบ่งได้ดังนี้ ก.การสูญเสียเนื่ องจากฮีสเตอรีซีส ข.การสูญเสียเนื่ องจากกระแสไหลวน

วิธีการลดสูญเสียเนื่ องจากกระแสไหลวน วิธีการลดการสูญเสียเนื่ องจาก ในแกนเหล็กอาร์เมเจอร์โดยใช้เหล็กแผ่น กระแสไหลวนในแกนเหล็กอาร์ ลามิเนท แสดงไว้ในรูป การสูญเสียในทาง เมเจอร์ โดยใช้เหล็กแผ่นลามิเนท ปฏิบัติถือว่าคงที่ และมีค่าประมาณ 20 – 30 % ของการสูญเสียเมื่อโหลดเต็มที่

3. การสูญเสียทางกล การสูญเสียทางกล เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า “การสูญเสียเนื่องจากการหมุน” การสูญเสีย ทางกลประกอบด้วย ก.การสูญเสียเนื่ องจากการเสียดสีหรือความฝืด ข.การสูญเสียจากแรงต้านลม การสูญเสียจากการเสียดสี เกิดขึ้นในตลับลูกปืนจะแปรผันตรงกับความข้นของ น้ำมันหล่อลื่ นและความเร็วรอบในการหมุนของเพลาส่วนการสูญเสียที่เกิดจากการ เสียดสีระหว่างแปรงถ่านกับคอมมิวเตเตอร์ จะแปรผันโดยตรงกับสัมประสิทธ์การเสียด ทานของแปรงถ่าน และที่แปรงถ่าน กดบนผิวหน้าคอมมิเตเตอร์และความเร็วรอบ ดัง นั้นจึงไม่ควรตั้งแปรงถ่านให้กดบนผิวหน้าของคอมมิวเตเตอร์จนแน่นมากเกินไป ทั้งนี้ นอกจากการเพิ่มค่าสูญเสียจากการเสียดทานแล้วยังรักษาแปรงถ่านและคอมมิวเต เตอร์ไม่ให้สึกหรอเร็วเกินไป

การสูญเสียจากแรงต้านลม คือการสูญเสียเนื่องจากการหมุนปะทะลมของ ตัวอาร์เมเจอร์และใบพัดความร้อนหากจำนวนรอบการหมุนคงที่การสูญเสีย เนื่องจากแรงต้านลมก็จะคงที่ การสูญเสียทางกลนี้มีค่าประมาณ 10 – 20 % ของ การสูญเสียเมื่ อโหลดเต็มพิกัด

การสูญเสียทั้งหมด ใ น เ ค รื่ อ ง กำ เ นิ ด ไ ฟ ฟ้า ก ร ะ แ ส ต ร ง การสูญเสียในขดลวด ก า ร สูญ เ สี ย ใ น แ ก น เ ห ล็ ก การสูญเสียทางกล ทองแดง - การเสียดสีหรือ -ควแารมงฝืตด้านจากลม - อาร์เมเจอร์ - ฮิสเตอรีซิส - ชั้นท์ฟิลด์ - กระแสไหลวน - ซีรีส์ฟิลด์

4. การสูญเสียสเตรย์ คือ ผลรวมการสูญเสียในแกนเหล็กกับการสูญเสียทางกล โดยปกติถือว่ามีค่าคงที่ 5. การสูญเสียคงที่ ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์และแบบคอมเปานด์การสูญเสียในขดลวดทองแดงหรือชั้นท์ฟิลด์คงที่ ดังนั้นทั้งการสูญเสียสเตรย์และการสูญเสียในขดลวดทองแดงของชั้นท์ฟิลด์ รวมกันจึงมีชื่อเรียกว่า “การสูญเสียคงที่” ใช้สัญลักษณ์ Wc ดังนั้นในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบชั้นท์และแบบคอมเปานด์ การสูญเสียทั้งหมด = การสูญเสียในขดลวดทองแดง + Wc = I2aRa + Wc การสูญเสียทั้งหมด = ( I+ Ish )2 Ra+ Wc การสูญเสียในขดลวดทองแดงอาร์เมเจอร์ Arm Culoss = I2aRa เรียกกันโดยทั่วไปว่า “การสูญเสียที่แปรค่าได้”ทั้งนี้เพราะว่ามันแปรค่าตามกระแสโหลด

6. การสูญเสียและกำลังในส่วนต่าง ๆ ของ เ ค รื่ อ ง กำ เ นิ ด ไ ฟ ฟ้า ก ร ะ แ ส ต ร ง เพาเวอร์โฟลว์ไดอะแกรม ซึ่งแสดงถึงการ สูญเสียและกำลังในส่วนต่าง ๆ

กำลังอินพุท หมายถึง กำลังทางกลที่ได้จากกำลังเอาท์พุทของเครื่องต้นกำลัง ที่ใช้ ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้หมุน ใช้สัญลักษณ์ Pin กำลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในอาร์เมเจอร์ ใช้สัญลักษณ์ Pe หาค่า Pe ได้จากสมการ ดังนี้ ผลต่างระหว่าง Pe กับ Pe คือ การสูญเสียในแกนเหล็กและความฝืด เขียนเป็นสมการได้ ผลต่างระหว่าง Pe กับ Pout คือ การสูญเสียในขดลวดทองแดง เขียนเป็นสมการได้

7. ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง กำลังอินพุททั้งหมดที่ป้อนให้กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง จะมีกำลังบางส่วนที่เสียไป กำลังส่วนที่เหลือจะได้ออกมาทางด้านเอาท์พุ ทในรูปของอัตราส่วนระหว่างกำลังเอาท์พุ ท ต่อกำลังอินพุท คือประสิทธิภาพซึ่งปกติจะบอกเป็นเปอร์เซ็นต์เขียนเป็นสมการได้ ดังนี้ ประสิทธิภาพในสมการ เรียกว่า ประสิทธิภาพทางการค้า จากเพาวเวอร์โฟลว์ไดอะแกรม หาประสิทธิภาพทางกลและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ได้ดังหน้าถัดไป

จะสังเกตเห็นว่าประสิทธิภาพทั้งหมด ก. ประสิทธิภาพทางกล M = E = C เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มี คุณลักษณะที่ดีอาจมีประสิทธิภาพสูงถึง 95 % หากกล่าวถึงประสิทธิภาพที่ใช้กัน อยู่ทั่วไป ย่อมหมายถึง ประสิทธิภาพ ข. ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ทั้งหมดหรือประสิทธิภาพทางการค้า( ) ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดจะสูงหรือ ต่ำขึ้นอยู่กับการออกแบบ ยิ่งเป็นเครื่อง ค. ประสิทธิภาพทั้งหมดหรือ ที่กำลังเอาท์พุ ทสูงๆ ก็ต้องยิ่งออกแบบ ประสิทธิภาพทางการค้า ใ ห้มี ป ร ะ สิ ท ธิภ า พ ยิ่ ง ขึ้ น