Induction motor หลักการทํางาน

ส่วนประกอบของมอเตอร์เหนี่ยวนำ3เฟส

        มอเตอร์เหนี่ยวนำ  3 เฟส  เป็นมอเตอร์ที่นิยมใช้งานกันทั่วไปในโรงงานอุตสาหกรรมโดยเฉพาะมอเตอร์เหนี่ยวนำ  3 เฟส ชนิดที่มีโรเตอร์แบบกรงกระรอก มีข้อดี คือ ไม่มีแปรงถ่าน  ทำให้การสูญเสียเนื่องจากความฝืดมีค่าน้อยมีตัวประกอบกำลังสูงการบำรุงรักษาต่ำการเริ่มเดินทำได้ไม่ยากความเร็วรอบค่อนข้างคงที่  สร้างง่าย  ทนทาน  ราคาถูก  และมีประสิทธิภาพสูงแต่มีข้อเสีย  ได้แก่  การเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบของมอเตอร์ทำได้ยาก  ปัจจุบันได้มีการพัฒนาชุดควบคุมอินเวอร์เตอร์ใช้สำหรับปรับความเร็วรอบของมอเตอร์และเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย

        มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ  เป็นเครื่องกลไฟฟ้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกล  ในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกลนี้  พลังงานไฟฟ้าไม่ได้นำเข้าสู่ที่โรเตอร์โดยตรง  แต่ได้จากการเหนี่ยวนำ (Induction) จึงนิยมเรียกมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับว่า  มอเตอร์เหนี่ยวนำ  (Induction Motor)

        มอเตอร์เหนี่ยวนำ  3 เฟส  แบ่งออกได้  2  แบบ  ได้แก่  แบบโรเตอร์กรงกระรอก (Squirrel cage Rotor) และโรเตอร์แบบพันขดลวด (Wound Rotor) มอเตอร์ทั้งสองแบบนี้จะมีส่วนประกอบที่เหมือนๆ กัน คือ ส่วนที่อยู่กับที่  แต่จะแตกต่างกันเฉพาะส่วนที่เคลื่อนที่เท่านั้น 

  ส่วนที่อยู่กับที่  ประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังนี้            

1.  โครงมอเตอร์  (Frame) ทำจากเหล็กหล่อเหนียว หรือเหล็กเหนียวเป็นรูปทรงกระบอกกลวงมีฐานเป็นขาตั้ง  ด้านข้างตัวมอเตอร์จะมีกล่องสำหรับต่อสายไฟ (Terminal Box) โครงทำหน้าที่จับยึดแกนเหล็กที่พันขดลวดให้แน่นอยู่กับที่  และรองรับน้ำหนักทั้งหมดของมอเตอร์ที่ผิวด้านนอกของโครงจะออกแบบให้มีครีบ  เพื่อช่วยในการระบายความร้อนของมอเตอร์

  รูปที่ 8.2 โครงมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส

2.  แกนเหล็กสเตเตอร์ (Stator core) ทำมาจากแผ่นเหล็กบางๆ อัดซ้อนกันและยึดติดเข้ากับโครงของมอเตอร์  มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอก  และด้านในทำเป็นสลอต ไว้สำหรับพันขดลวด  นอกจากนี้แกนเหล็กยังทำหน้าที่เป็นทางเดินของวงจรแม่เหล็ก

รูปที่ 8.3  แกนเหล็กสเตเตอร์และขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส

3.  ขดลวดสเตเตอร์ (Stator Winding) ซึ่งเป็นขดลวดทองแดงที่พันอยู่ในสลอตของแกนเหล็กสเตเตอร์  และเป็นลวดทองแดงที่เคลือบด้วยฉนวนไฟฟ้าอย่างดี  เมื่อพันเสร็จแล้วจะอาบด้วยน้ำมันวานิชและอบให้แห้งอีกครั้งหนึ่งมอเตอร์เหนี่ยวนำ  3 เฟส ที่สเตเตอร์มีขดลวดพันอยู่ 3 ชุด หรือ 3 เฟส  ซึ่งแต่ละเฟสจะทำมุมห่างกัน 120 องศาไฟฟ้า และขดลวดแต่ละเฟสจะต่ออนุกรมกันเหมือนกับขดลวดอาร์เมเจอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ  แต่ละเฟสมีกลุ่มของขดลวดอีก เช่น  มอเตอร์ที่มี 36 สลอต (Slot) 4 ขั้วแม่เหล็ก (Pole) 3 เฟส (Phase)จำนวนสลอตต่อขั้ว (Slot/Pole) จะมีค่าเท่ากับ 9 สลอต  ดังนั้นจำนวนกลุ่มของขดลวดในหนึ่งขั้วแม่เหล็กต้องเท่ากับ 9 ขด  และแบ่งจำนวนกลุ่มของขดลวดต่อหนึ่งเฟสจะมีค่าเป็น 3 ขด  ในการพันขดลวดทั้งสามขดของแต่ละเฟสนี้จะพันลงสลอตเรียงกันไป 3สลอต  และการพันขดลวดทั้ง 9 ขดในหนึ่งขั้วจะพันเรียงกันไป 9 สลอต

        ก.  กลุ่มของขดลวดต่อเฟส        ข.  กลุ่มของขดลวด 3 เฟสต่อหนึ่งขั้ว

 เมื่อพันขดลวดจนครบทั้ง 36 ขดแล้ว  จะสังเกตเห็นว่าในหนึ่งสลอตจะมีขดลวด 2 ขด  ซึ่งเป็นด้านของขดลวดที่ต่างกัน เรียกว่า การพันขดลวดแบบสองชั้น (Two Layer) เป็นที่นิยมพันกันโดยทั่วไป

                เนื่องจากลักษณะการพันขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์จะเหมือนกับขดลวดอาร์เมเจอร์ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ  ซึ่งระยะพิตช์ (Pitch) ของขดลวดสามารถแบ่งออกได้เป็น 2  แบบ ได้แก่ ขดลวดที่มีระยะพิตช์เต็ม (Full Pitch) และระยะพิตช์เศษส่วน (Fractional Pitch or Short Pitch)

                การพันขดลวดของมอเตอร์เหนี่ยวนำ  3 เฟส ส่วนมากพันขดลวดเป็นแบบพิตช์เศษส่วน  ซึ่งมีข้อดีดังนี้

1)  เพื่อลดค่าลีคเกจรีแอกแตนซ์  ทำให้มอเตอร์มีค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์สูงขึ้น

2)  การพันขดลวดมีความแข็งแรงขึ้น  เนื่องจากความกว้างของขดลวดแคบลง

3)  ประหยัดขดลวดทองแดงที่ใช้พันมอเตอร์

4)  ลดกำลังไฟฟ้าสูญเสียในขดลวดทองแดง (Copper Losses)

4.  ฝาปิดหัวท้าย (End Plate) ทำจากเหล็กหล่อเหนียวหรือเหล็กเหนียว  ฝาปิดนี้จะถูกยึดติดอยู่กับโครงมอเตอร์ด้วยสลักเกลียว  มีแบริ่งอยู่ตรงกลางสำหรับรองรับเพลา  เพื่อให้โรเตอร์ หมุนอยู่ในแนวศูนย์กลางพอดี

รูปที่ 8.5  ฝาปิดหัวท้าย

2  ส่วนที่เคลื่อนที่มีอยู่  2  แบบ  ได้แก่ โรเตอร์แบบกรงกระรอกและโรเตอร์แบบพันขดลวด  ซึ่งโรเตอร์ทั้งสองแบบนี้  ประกอบด้วยส่วนที่สำคัญ  คือ  แกนเหล็กโรเตอร์                     

ขดลวดทองแดง  ใบพัด  และเพลา

1.  โรเตอร์กรงกระรอก  (Squirrel cage  Rotor) ประกอบด้วยแกนเหล็กที่ทำมาจากแผ่นเหล็กบางๆ มีลักษณะกลมอัดซ้อนกันโดยมีเพลาร้อยทะลุเพื่อยึดให้แน่น  ที่ผิวของโรเตอร์นี้จะมีสลอตไปตามทางยาวและในสลอตจะมีแท่งตัวนำทองแดงหรืออะลูมิเนียมฝังอยู่โดยรอบ  ที่ส่วนปลายของแท่งตัวนำจะเชื่อมติดกับวงแหวนโลหะ  ซึ่งจะมีลักษณะคล้ายกรงกระรอก  ดังนั้นจึงมีชื่อเรียกว่า โรเตอร์แบบกรงกระรอก  ในปัจจุบันตัวนำที่ฝังอยู่ในสลอตของโรเตอร์จะใช้วิธีหล่อตัวนำที่เป็นโลหะผสมหรืออะลูมิเนียมเข้าไปเลย  รวมทั้งหล่อวงแหวนตัวนำที่มีครีบช่วยระบายความร้อนเชื่อมเข้ากับปลายตัวนำแต่ละด้านของโรเตอร์ด้วย

รูปที่ 8.6โรเตอร์แบบกรงกระรอก

2.  โรเตอร์พันขดลวด (Wound Rotor) เป็นโรเตอร์ที่มีส่วนประกอบคล้ายกับโรเตอร์กรงกระรอก  แตกต่างกันตรงที่ตัวนำที่ใช้จะพันด้วยขดลวดทองแดงเคลือบด้วยฉนวนไฟฟ้าอย่างดี  จำนวน 3 ชุด  หรือ 3 เฟส  พันอยู่ในสลอต   แต่ละเฟสจะวางทำมุมห่างกัน 120 องศาไฟฟ้า  และต้องพันขดลวดให้มีจำนวนขั้วแม่เหล็กเท่ากับจำนวนขั้วแม่เหล็กที่สเตเตอร์ด้วย  ขดลวดทั้ง 3 ชุดจะต่อกันแบบสตาร์ (Star) และปลายอีกด้านหนึ่งต่อเข้ากับสลิปริง(Slip ring) 3 วงที่ติดอยู่บนเพลาด้านหนึ่ง  ซึ่งจะมีแปรงถ่านสัมผัสอยู่  เพื่อต่อไปยังอุปกรณ์ควบคุมภายนอก (ตัวต้านทานปรับค่าได้)

ดังนั้นมอเตอร์เหนี่ยวนำ  3 เฟส  ที่มีโรเตอร์แบบนี้จึงนิยมเรียกว่า สลิปริงมอเตอร์(Slip ring Motor)  และการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ทำได้โดยการเพิ่มหรือลดค่าความต้านทานภายนอกที่ต่อผ่านทางสลิปริง  มอเตอร์เหนี่ยวนำ  3 เฟสที่มีโรเตอร์แบบพันขดลวดจะให้แรงบิดเริ่มเดินสูง  เมื่อมอเตอร์หมุนเข้าสู่ความเร็วปกติ  สลิปริงจะถูกลัดวงจร  ทำให้โรเตอร์ทำงานแบบกรงกระรอก

2  หลักการทำงานของมอเตอร์เหนี่ยวนำ3เฟส

        เมื่อจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส ให้กับขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุนขึ้นที่ขดลวดสเตเตอร์  โดยจะหมุนตัดกับตัวนำโรเตอร์ที่วางอยู่ในสลอตที่โรเตอร์  ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำและกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในตัวนำของโรเตอร์               ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นที่โรเตอร์ผลรวมของเส้นแรงแม่เหล็กที่สเตเตอร์กับเส้น เส้นแรงแม่เหล็กรอบตัวนำที่โรเตอร์ทำให้เกิดแรงบิดขึ้นที่ตัวนำและทำให้โรเตอร์หมุนไปตามทิศทางของสนามแม่เหล็กหมุนที่สเตเตอร์ ซึ่งการเกิดสนามแม่เหล็กหมุนและการเกิดแรงบิดที่โรเตอร์ได้อธิบายไว้ในหน่วยที่ 1 แล้ว

                8.2.1  การทำงานของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส โรเตอร์แบบกรงกระรอก 

                เมื่อป้อนกระแสไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟสให้กับขดลวดสเตเตอร์จะเกิดสนามแม่เหล็กหมุนขึ้นที่สเตเตอร์ด้วยความเร็วซิงโครนัส () สนามแม่เหล็กหมุนนี้จะเคลื่อนที่ตัดขดลวดที่โรเตอร์ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นที่ตัวนำบนโรเตอร์  แต่ตัวนำบนโรเตอร์นี้ได้ถูกลัดวงจรไว้  ทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลที่ตัวนำนี้  ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่โรเตอร์เกิดขั้วเหนือและขั้วใต้ขึ้น                      ในโรเตอร์เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นที่สเตเตอร์ผลรวมของเส้นแรงแม่เหล็กที่สเตเตอร์กับเส้นแรงแม่เหล็กรอบตัวนำที่โรเตอร์ทำให้เกิดแรงบิดขึ้นที่โรเตอร์  และทำให้โรเตอร์หมุนไปได้และมีทิศทางตามทิศทางของสนามแม่เหล็กหมุนที่สเตเตอร์

 รูปที่ 8.8 การเกิดแรงบิดที่ตัวนำของโรเตอร์

คุณลักษณะและการนำไปใช้งาน

พิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วรอบและแรงบิดของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส ที่มีโรเตอร์แบบกรงกระรอกในสภาวะที่ขับโหลดเต็มพิกัด ดังแสดงในรูปที่ 8.10 จะพบว่าแรงบิดในสภาวะปกติที่โหลดเต็มพิกัดคือ T และแรงบิดในสภาวะที่โรเตอร์หยุดนิ่งเท่ากับ 1.5 เท่าของแรงบิดเต็มพิกัด สำหรับแรงบิดเบรกดาวน์จะมีค่าประมาณ 2.5 เท่าของแรงบิดเต็มพิกัด

รูปที่8.10 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับความเร็วรอบของมอเตอร์

ที่โหลดเต็มพิกัดความเร็วรอบของมอเตอร์จะเท่ากับ Nrแต่ถ้าแรงบิดของโหลดเพิ่มขึ้นความเร็วจะลดลง จนกระทั่งมอเตอร์สร้างแรงบิดได้เท่ากับแรงบิดของโหลด ในสภาวะดังกล่าวมอเตอร์ยังคงหมุนไปได้ แต่เมื่อใดก็ตามที่แรงบิดของโหลดเกินกว่า 2.5 เท่าของแรงบิดเต็มพิกัด ซึ่งเรียกว่าแรงบิดเบรกดาวน์ จะทำให้มอเตอร์หยุดหมุนอย่างรวดเร็ว เพราะว่ามอเตอร์ไม่สามารถสร้างแรงบิดขึ้นมาเท่ากับแรงบิดของโหลดได้  สำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟสที่มีขนาดเล็กกว่า 10 kW  ความเร็วที่แรงบิดเบรกดาวน์จะมีค่าประมาณ 80 % ของความเร็วซิงโครนัส  แต่ถ้าเป็นมอเตอร์ขนาดใหญ่ที่มีพิกัดมากกว่า 1000 kW ความเร็วที่แรงบิดเบรกดาวน์จะมีค่าประมาณ 98% ของความเร็วซิงโครนัสมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส โรเตอร์แบบกรงกระรอกส่วนมากจะนำไปใช้เป็นต้นกำลังขับเครื่องกลชนิดต่างๆ ในงานอุตสาหกรรมเช่น เครื่องกลึง เครื่องไส เครื่องกัด เครื่องเจียระไนราบและตั้ง ขับปั้มไฮดรอลิกส์ ขับปั้มน้ำ ขับคอมเพรสเซอร์และงานอื่นๆ เนื่องจากมีคุณลักษณะให้แรงบิดในการเริ่มเดินที่ดี และมีความเร็วรอบค่อนข้างคงที่ ส่วนมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส โรเตอร์แบบพันขดลวดจะใช้กับงานหนัก ใช้ความต้านทานภายนอกช่วยในการเริ่มเดินจะได้แรงบิดในตอนเริ่มเดินสูงสุดและกระแสเริ่มเดินจะลดลง

การต่อใช้งานมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส โดยที่สเตเตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟสมีขดลวดพันอยู่ 3 ชุด คือเฟส A, B และ C สามารถนำมาต่อใช้งานได้ 2 แบบ คือ การต่อใช้งานแบบสตาร์และแบบเดลตา การจะต่อมอเตอร์ใช้งานแบบใดจะต้องพิจารณาให้สอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าที่แผ่นป้ายของมอเตอร์และระบบไฟฟ้าของประเทศนั้นๆ ดังแสดงในรูปที่ 8.11

                                                                                              ก. การต่อขดลวดแบบสตาร์                               ข. การต่อขดลวดแบบเดลตา

รูปที่8.11การต่อมอเตอร์ใช้งานแบบสตาร์และเดลตา

การกลับทางหมุนมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส โรเตอร์แบบกรงกระรอกและโรเตอร์แบบพันขดลวด มีวิธีการกลับทางหมุนที่เหมือนกันคือสลับสายจ่ายไฟเข้ามอเตอร์คู่ใดคู่หนึ่ง ดังแสดงในรูปที่ 8.12เป็นการสลับสายจ่ายไฟเข้ามอเตอร์ขั้ว L2 กับ L3

        ก. การต่อใช้งานหมุนตามเข็มนาฬิกา 

        ข. การต่อใช้งานหมุนทวนเข็มนาฬิกา

รูปที่ 8.12  การกลับทางหมุนมอเตอร์ 3 เฟส

การควบคุมความเร็วรอบมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟส เมื่อพิจารณาจากสมการของความเร็วสนามแม่เหล็กหมุนจะได้

     จะเห็นได้ว่ามีตัวแปรอยู่ 2 ตัว ที่ทำให้ความเร็วรอบของสนามแม่เหล็กหมุนหรือความเร็วซิงโครนัสเปลี่ยนแปลงได้คือจำนวนขั้วแม่เหล็ก (P) และความถี่ (f) ของแหล่งจ่ายที่ป้อนให้กับมอเตอร์  สำหรับจำนวนขั้วแม่เหล็กจะเป็นปฏิภาคผกผันกับความเร็วซิงโครนัส คือ เมื่อจำนวนขั้วแม่เหล็กมาก ความเร็วซิงโครนัสจะน้อย แต่เมื่อจำนวนขั้วแม่เหล็กน้อยความเร็วซิงโครนัสจะมาก การปรับความเร็วรอบด้วยวิธีนี้มี 2 แบบคือแบบคอนซีเควนโพล กับแบบใช้ขดลวดหลายชุด การเปลี่ยนแปลงจำนวนขั้วแม่เหล็ก ความเร็วรอบของมอเตอร์ที่ได้จะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นขั้นๆ ไม่เรียบสม่ำเสมอส่วนความถี่จะเป็นปฏิภาคโดยตรงกับความเร็วซิงโครนัส เมื่อความถี่มาก ความเร็วซิงโครนัสจะมากตาม ในทางตรงกันข้ามถ้าความถี่ลดลงความเร็วซิงโครนัสก็จะลดลงด้วย การปรับความเร็วรอบของมอเตอร์ด้วยวิธีนี้ โดยการใช้อินเวอร์เตอร์ในการเริ่มเดินมอเตอร์ สามารถปรับความถี่หรืออัตราส่วน v/f ได้ตามต้องการ ความเร็วของมอเตอร์จะเปลี่ยนแอย่างสม่ำเสมอ และสามารถปรับเพิ่ม – ลดแรงบิดได้อีกด้วยซึ่งอินเวอร์เตอร์ที่นิยมใช้งานในปัจจุบันจะเป็นแบบ PWM (Pulse width modulation )