คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 1 คุณลักษณะสมบัติของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง

คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 1 คุณลักษณะสมบัติของเครื่องกลไฟฟ้ากระแสตรง เรื่องที่ 1.6 มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง นายคมสัน กลางแท่น วิชา เครื่องกลไฟฟ้า 1 ชุดการสอนวิชาเครื่องกลไฟฟ้า 1 (3104-2002) สำหรับนักศึกษาระดับประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง ตามหลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง พ.ศ. 2563

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง มอเตอร์ไฟฟ้า คือ เครื่องกลซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าไปเป็น พลังงานกล โดยนำเอาพลังงานกลไปขับเคลื่อนสิ่งต่างๆ ที่ใช้งานกันอยู่โดย ทั่วไปในอาคารบ้านเรือนและโรงงานอุตสาหกรรม ได้แก่ พัดลม เครื่องบด เครื่องปั่ น เครื่องซักผ้า ปั๊ มน้ำ ฯลฯ ดังนั้นมอเตอร์ไฟฟ้าจึงเป็นเครื่องกล ไฟฟ้าที่ให้กำเนิดพลังงานกลที่จำเป็นและสำคัญยิ่งประเภทหนึ่ง

1. หลักการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า หลักการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า คือเมื่อมีกระแสไหลผ่านขดลวดตัวนำซึ่งวางอยู่ใน สนามแม่เหล็กนั้น จะทำให้เกิดแรงขึ้นที่ขดลวดตัวนำ ที่เกิดขึ้นโดยใช้กฎมือซ้ายของเฟลมมิ่ง ทำให้ลวดตัวนำเกิดการเคลื่ อนที่ แรงดันที่เกิดขึ้นนั้นนี้จะอยู่ในแนวตั้งฉากกับเส้นแรงแม่เหล็กและกระแสที่ไหลผ่านตัวนำ นั้นๆ ดังนั้นเมื่อมีกระแสไหลในขดลวดตัวนำที่พันอยู่บนแกนเหล็กอาร์เมเจอร์ จะเกิดเส้นแรง แม่เหล็กขึ้น รอบ ๆ ตัวนำ และจะเกิดการทำปฏิกิริยากับเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดจากขั้วแม่เหล็ก ของมอเตอร์ ทำให้เกิดแรงผลักขึ้นบนตัวนำ จึงทำให้อาร์เมเจอร์หมุนไปได้ ขนาดของแรง F ที่เกิดขึ้นในรูปในหน้าถัดไป หาได้จากสมการต่อไปนี้ คือ เมื่อ F = แรงที่เกิดขึ้นที่ขดลวดตัวนำ หน่วยเป็นนิวตัน B = ความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็ก หน่วยเป็นเทสลา I = กระแสที่ไหลผ่านขดลวดตัวนำ หน่วยเป็นแอมแปร์ = ความยาวของขดลวดตัวนำในสนามแม่เหล็ก หน่วยเป็นเมตร

ก) มีกระแส l ไหลผ่านและวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก ข) แสดงทิศทางของเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นรอบตัวนำ เมื่อเทียบกับ ทิศทางของสนามแม่เหล็ก ค) ผลรวมของสนามแม่เหล็กทั้งสองแห่ง ทำให้ตัวนำเคลื่อนที่ด้วยแรง F เราสามารถหาทิศทางของแรง F ที่เกิดขึ้นได้โดยใช้ “กฎมือซ้ายของเฟลมมิ่ง” หรืออาจ กล่าวได้ว่า ใช้สำหรับการหาทิศทางการหมุนของมอเตอร์ กฎมือซ้ายของเฟลมมิ่งกล่าวว่า “กางนิ้วหัวแม่มือ นิ้วชี้และนิ้วกลางของมือซ้ายออกให้ตั้ง ฉากซึ่งกันและกัน ให้นิ้วชี้ชี้ทิศทางของสนามแม่เหล็ก นิ้วกลางชี้ทิศทางกระแสที่ไหลผ่าน ลวดตัวนำ นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศทางการเคลื่อนที่ของลวดตัวนำ”

รูปที่ ข. แสดงการใช้กฎมือขวาของ เฟลมมิ่ง หรือ กฎมือขวาของเครื่อง กำเนิดไฟฟ้า เพื่อใช้หาทิศทางของ แรงเคลื่ อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในลวด ตัวนำของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือใช้ หาทิศทางของแรงเคลื่ อนไฟฟ้าต่อ ต้านในมอเตอร์ไฟฟ้า ดังรูป ก. การเปรียบเทียบพฤติการณ์ของมอเตอร์และ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ก) กฎมือซ้ายของมอเตอร์ ข) กฎมือขวาของเครื่องกำเนิด

2. การเกิดแรงบิดในมอเตอร์ แรงบิด หมายถึง โมเมนต์ของแรงที่ทำให้เกิดการหมุนหรือการบิดรอบแกนอันหนึ่ง ซึ่งสามารถวัดได้โดยใช้ผลคูณของแรงกับรัศมี ณ จุดที่แรงกระทำ ก. แรงบิดในมอเตอร์ สมการที่ใช้หาแรงบิดในมอเตอร์ไฟฟ้า คือ

แรงบิด (มูเล่)

ข. แรงบิดในอาร์เมเจอร์ สมการที่ใช้หาแรงบิดในอาร์เมเจอร์ คือ



ค. แรงบิดที่เพลาของมอเตอร์



3. แรงดันไฟฟ้าต้านกลับและสมการความเร็ว แรงดันไฟฟ้าต้านกลับ แสดงทิศทางของแรงดันไฟฟ้าต้านกลับ เมื่อมอเตอร์ทำงานคืออาร์เจอร์หมุน ตัวนำที่อาร์เมเจอร์ ( ก ) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง จะตัดกับเส้นแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้น แรงดันไฟฟ้า ( ข ) วงจรเทียบเคียงของมอเตอร์ เหนี่ยวนำจึงเกิดขึ้นในอาร์เมเจอร์ ทิศทางจะเป็นไปตาม ไฟฟ้ากระแสตรง กฎมือขวาของเฟลมมิ่ง ซึ่งจะมีทิศทางไปในทางตรงกัน ข้ามกับแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ เพราะว่ามี ทิศทางตรงกันข้ามกัน จึงเรียกว่า แรงดันไฟฟ้าต้านกลับ หรือแรงดันไฟฟ้าต้านกลับหรือแรงดันต่อต้าน ใช้ตัวย่อ Eb หรือ Ec และวงจรเทียบเคียงของมอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสตรง

เมื่ออาร์เมเจอร์หมุนมันจะเกิดแรงดันไฟฟ้าต้านกลับออกมา ซึ่งเปรียบเสมือนว่ามีแบตเตอรี่อยู่ ภายใน และจะเห็นได้ว่า แรงดันไฟฟ้าต้านกลับนั้นขึ้นกับองค์ประกอบหลายอย่าง เช่น ขึ้นอยู่กับความเร็วของ อาร์เมเจอร์ ถ้าความเร็วรอบสูงแรงดันไฟฟ้าต้านกลับก็จะมาก ดังนั้นกระแสที่ไหลในอาร์เมเจอร์ (Ia) จาก สมการข้างบนนั้นจะมีค่าน้อย ถ้าความเร็วรอบต่ำแรงดันไฟฟ้าต้านกลับก็จะน้อย Ia ก็จะมาก ดัง นั้นแรงบิดที่เกิดขึ้ นก็จะสูงกว่าเมื่ อมีความเร็วรอบสูง

สมการความเร็วรอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง องค์ประกอบในการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง จะเห็นว่าความเร็วของ มอเตอร์นั้นมีความสัมพันธ์กันดังต่อไปนี้

สำหรับซีรีส์มอเตอร์

สำหรับชั้นมอเตอร์

สำหรับสปีดเรกกูเลชั่น สปีดเรกกูเลชั่น หมายถึง การเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบจากสภาวะโหลดเต็มพิกัดมา เป็นสภาวะ ไร้โหลด ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด อัตราการเปลี่ยนแปลงนี้จะอยู่ในรูปเปอร์เซ็นต์ ของความเร็วรอบในสภาวะโหลดเต็มพิกัด เขียนเป็นสมการได้ดังนี้

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับความเร็ว

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับความเร็ว

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับความเร็ว