บทที่ 2 ทำความรู้จักกับ มอเตอร์ 3 เฟส
วีดีโอแนะนำบทที่ 2
เพื่อที่จะใช้งาน และควบคุมตัวมอเตอร์ไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้น จำเป็นต้องทำความเข้าใจการทำงานของตัวมอเตอร์ โดยเฉพาะมอเตอร์แบบกรงกระรอก หรือ squirrel cage 3-phase motor ซึ่งมีใช้มากที่สุดในอุตสาหกรรม โดยในบทความนี้จะพูดเกี่ยวกับมอเตอร์ชนิดนี้เป็นหลัก โดยสิ่งที่สำคัญมากอันดับแรกที่ต้องทำความเข้าใจนั้น ก็คือเรื่องความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับความเร็วรอบของมอเตอร์ Torque/Speed และกระแสไฟฟ้ากับความเร็วรอบของมอเตอร์ Current/Speed graph ซึ่งอธิบายในรูปแบบของกราฟ โดยเราได้อธิบายพฤติกรรมการทำงานของมอเตอร์ในขณะ Start จากการดูกราฟเหล่านี้ และสิ่งที่สำคัญรองลงมา นั่นก็คือการทำความเข้าใจถึงคุณสมบัติ และเงื่อนไขของโหลดของมอเตอร์ประเภทต่างๆ ผลกระทบของแรงบิดของโหลดขณะมอเตอร์หยุดอยู่ load breaking torque และโมนเมนต์ความเฉื่อย moment of inertia รวมถึงการเปรียบเทียบวิธีการ Start และ Stop motor กับโหลดแบบต่างๆ ในเรื่องของผลกระทบที่เกิดขึ้น และต้นทุนการบำรุงรักษาอุปกรณ์ส่งกำลังจากมอเตอร์ไปยังโหลด ซึ่งจะช่วยให้คุณเข้าใจถึงพฤติกรรมของมอเตอร์ เพื่อเลือกวิธีการสตาร์ทและหยุดมอเตอร์ได้อย่างถูกต้อง จากที่กล่าวมาทั้งหมดสามารถดูรายละเอียดได้จากด้านล่างนี้
Electric Motor คืออะไร ?
AC Electric Motor คือ เครื่องกลไฟฟ้าที่หน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า เป็นพลังงานกล ซึ่งทำหน้าที่หมุนขับเคลื่อนโหลด โดยองค์ประกอบของตัวมอเตอร์ไฟฟ้านั้นจะประกอบไปด้วย 2 ส่วนหลักๆ คือ
- Stator คือ ส่วนที่อยู่กับที่ และรับพลังไฟฟ้าจากภายนอก เพื่อเปลี่ยนเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
- Rotor คือ ส่วนที่ทำหน้าที่หมุน เพื่อสร้างพลังงานกล
ประเภทของมอเตอร์ไฟฟ้า
มอเตอร์ไฟฟ้าที่มีใช้งานนั้น มีอยู่ด้วยกันหลากหลายรูปแบบ ตัวอย่างเช่น มอเตอร์แบบ 1 เฟส มอเตอร์แบบ 3 เฟส มอเตอร์สำหรับงานเบรค มอเตอร์แบบ 2 หรือ 3 สปีด ซึ่งมอเตอร์เหล่านี้ล้วนแล้วแต่มีโครงสร้าง ประสิทธิภาพและคุณสมบัติที่แตกต่างกันไป แต่ในที่นี้เพื่อให้ง่ายต่อการทำความเข้าใจ จะขอแบ่งตัวมอเตอร์ไฟฟ้า เป็น 2 กลุ่มด้วยกันดังนี้
- Synchronus
- Asynchronus
แบบที่ 1 Synchronous Motor ซิงโครนัสมอเตอร์
เป็นมอเตอร์ที่ตัวแกนโรเตอร์หมุนด้วยความเร็วซิงโครนัส ซึ่งตัวส่วนที่เป็นโรเตอร์จะทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็ก เพื่อพลักตัวเองให้หมุนไปพร้อมกับสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นที่ตัว Stator โดยสนามแม่เหล็กที่ตัวแกนหมุน หรือ Rotor นั้นมักจะถูกสร้างจากแม่เหล็กถาวร ในกรณีที่เป็นมอเตอร์ขนาดเล็ก และแบบที่ใช้ขดลวดพันที่แกนหมุน Rotor แล้วจ่ายแรงดันไฟฟ้า DC ผ่านทางวงแหวน Slip ring และแปลงถ่าน เพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก แต่ในปัจจุบันจะนิยมใช้เป็นแบบ brushless motor เช่น Stepping Motor เพื่อลดปัญหาเรื่องจากซ่อมบำรุงเปลี่ยนแปรงถ่าน
แบบที่ 2 Asynchronous Motor อะซิงโครนัสมอเตอร์
เป็นมอเตอร์ที่ตัวแกนโรเตอร์หมุนด้วยความเร็วซิงโครนัสหักลบด้วยความเร็ว Slip ซึ่งเป็นผลทำให้ความเร็วที่ตัว Rotor มีค่าไม่เท่ากับ Synchronous Speed จึงถูกเรียกว่า Asynchronous Motor และการสร้างสนามแม่เหล็กที่ตัวแกน Rotor เพื่อพลักตัวเองให้หมุนนั้น จะไม่ได้ใช้แรงดัน DC หรือแม่เหล็กถาวร แต่จะใช้หลักการคล้ายๆ กับหม้อแปลง คือการส่งผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจาก Stator มายัง Rotor ที่มีขดลวดพันอยู่โดยอาศัยหลักการ Induce ซึ่งจึงเรียกมอเตอร์ที่มีหลักการทำงานแบบนี้ว่า Induction Motor โดยมอเตอร์แบบ Induction นั้นก็มีอยู่หลายประเภท โดยประเภทที่ได้ยินอยู่บ่อยครั้งนั่นก็คือ Squirrel cage mootr หรือมอเตอร์แบบกรงกระรอก ซึ่งเป็นมอเตอร์ประเภทที่มีใช้งานมากที่สุดในโรงงานอุตสาหกรรม และจะกล่าวถึงในหัวข้อถัดไป
มอเตอร์กรงกระรอก (Squirrel cage motors) คืออะไร? ทำไมถึงใช้เป็นหลักในงานอุตสาหกรรม?
Squirrel cage motor คือ Asynchronus motor หรือ Induction Motor ประเภทหนึ่งที่มีตัวแกนโรเตอร์ มีลักษณะเป็นแบบกรงกระรอก ซึ่งถือว่าเป็นมอเตอร์ที่มีส่วนแบ่งทางการตลาด และมีใช้ในอุตสาหกรรมสูงสุด เนื่องด้วยปัจจัยของราคาที่ไม่แพง และค่าบำรุงรักษาต่ำ ผู้ผลิตมอเตอร์ส่วนใหญ่จะใช้เป็นสินค้าหลักในการทำตลาด โดยมีหลากหลายราคา ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของมอเตอร์เอง
ด้วยเหตุผลดังกล่าวเหล่านี้เอง มอเตอร์ที่มีขนาดเท่ากัน ราคาต่างกัน ก็จะมีประสิทธิภาพที่ไม่เหมือนกัน ตัวอย่างเช่น มอเตอร์ของ ABB รุ่นที่มีสัญลักษณ์หรือเครื่องหมายประหยัดพลังงาน ก็จะใช้พลังงานที่ต่ำกว่าแต่ได้กำลังงานกลที่เท่ากัน เพื่อให้ง่ายต่อการเลือก หรือแยกแยะประสิทธิภาพของมอเตอร์ ตามมาตรฐาน IEC 60034-30 นั้น ได้แบ่งคลาสของมอเตอร์ออกเป็น 4 คลาส คือ IE1, IE2, IE3 และ IE4 โดยเรียงตามประสิทธิภาพจากต่ำไปสู่สูง ซึ่ง IE4 จะเป็นคลาสที่มีประสิทธภาพสูงสุด โดยสามารถดูข้อมูลเหล่านี้ได้จากกราฟคุณสมบัติของมอเตอร์ซึ่งจะแสดงให้เห็น 2 แกน คือ ประสิทธิภาพกับ พลังงานที่ใช้ โดยจะกล่าวในหัวข้อถัดไป
คุณลักษณะของมอเตอร์กรงกระรอก
การทำความเข้าใจคุณลักษณะของมอเตอร์นั้น เป็นการช่วยให้เราควบคุมการทำงานของมอเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปลอดภัย และไม่สร้างปัญหาให้กับระบบข้างเคียง โดยเริ่มจากการดูที่เนมเพลทของมอเตอร์ซึ่งจะบอกถึงระดับแรงดันไฟฟ้า กระแส ความถี่ ความเร็วรอบของมอเตอร์ตัวนั้นๆ และตามด้วยการทำความเข้าใจเรื่องของกราฟความสัมพันธ์ของแรงบิดกับความเร็วรอบ และกระแสกับความเร็วของมอเตอร์ ซึ่งการสตาร์ทมอเตอร์แต่ละแบบก็จะได้กราฟที่แตกต่างกัน ซึ่งต้องเลือกให้เหมาะกับประเภทของโหลด โดยสามารถดูได้ดังนี้
Torque vs RPM graph
การใช้งานตัว AC Induction Motor นั้น เป็นการเปลี่ยนพลังงานจากพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกล ซึ่งอยู่ในรูปของแรง ซึ่งเราทราบกันดีอยู่แล้วว่า F = m*a ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่แบบเป็นเส้นตรง แต่ลำหรับมอเตอร์นั้นพลังงานที่ได้นั้นจะอยู่ในรูปของแรงบิด หรือ Torque โดยหาได้จาก T = F * r หรือแรงบิดมีค่าเท่ากับ แรงคูณด้วยรัศมี ซึ่งมีหน่วยเป็น Nm ในระบบ SI โดยเราจะสามารถแปลงค่ากำลังไฟฟ้า (kW) ไปเป็นค่าแรงม้า (HP) และแรงบิด (Nm)ได้จากสมการ Torque = (HP x 5252)/RPM และมีตัวแปรที่เกี่ยวข้องอยู่ไม่กี่ตัว คือ
- kW = 1.732*V*I*PF
- 1HP = 746 Watts = 2545 BTU = 44742 Nm/m
- RPM = ความเร็วรอบของมอเตอร์ หรือ Speed
- V = แรงดันไฟฟ้า
- I = กระแสไฟฟ้า
- PF = power factor ตัวประกอบกำลังไฟฟ้า
จากสมการ Torque = (HP x 5252)/RPM จะเห็นได้ว่า ค่าแรงม้าซึ่งหาค่าได้จากกำลังไฟฟ้าโดยมีค่ากระแสและแรงดันไฟฟ้าเป็นตัวแปร รวมถึงค่าความเร็วรอบของมอเตอร์นั้นเป็นผลทำทำให้ค่าแรงบิดเปลี่ยนแปลงทั้งสิ้น โดยถ้าเราดูจากรูปด้านบนเราจะพบว่าตัวแรงบิดของมอเตอร์นั้น สัมพันธ์กับค่าความเร็วรอบของมอเตอร์จริงๆ โดยในช่วงออกที่มอเตอร์เริ่มหมุนตัวมอเตอร์จะให้ค่าแรงบิดที่สูงมากถึง 1.5 – 3 เท่าของแรงบิดปกติ ซึ่งเป็นผลมาจากการกินกระแสไฟฟ้าในช่วง Start motor ที่สูง ดังนั้นถ้ามีการ Start motor แบบ DOL จะทำให้เกิดแรงบิดที่ไม่ได้ใช้งานเมื่อเทียบกับโหลดทั้งที่เป็นโหลดเบา และโหลดหนัก ซึ่งแรงบิดที่เหลือเหล่านี้จะทำให้เกิดความเครียดที่ตัวอุปกรณ์ส่งกำลังที่ต่อกับตัวมอเตอร์ และเมื่อความเร็วรอบสูงขึ้นจนเข้าใกล้ความเร็วรอบสูงสุดของมอเตอร์ แรงบิดของมอเตอร์ก็จะตกลงมาสู่ค่าปกติ เราเรียกว่าสภาวะ Steady state
ในทางกลับกันถ้าใช้ตัว Softstart ในการ Start motor โดยการอาศัยวิธีการ voltage ramp up หรือ Torque control ก็จะสามารถลดค่าการเกิดแรงบิดที่ไม่ได้ใช้ลงได้ และยังเป็นการถนอมและยืดอายุการใช้งานอุปกรณืสงกำลังต่างๆ ได้
Current vs RPM graph
นอกจากกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับความเร็วรอบของมอเตอร์ที่ได้กล่าวไปแล้ว ยังมีอีกกราฟที่จะเป็นตัวช่วยในการเลือกวิธีการ Start Motor หรือการเปลี่ยนจากการ Start Motor แบบ DOL ไปเป็น Softstart นั่นก็คือกราฟความสัมพันธ์ของกระแส และความเร็วรอบ ที่เป็นสาเหตุของการเกิดปัญหาหลายๆ อย่างในระบบไฟฟ้า เช่น ไฟตก ไฟกระพริบ อุปกรณไฟฟ้าเสียหาย ฟิวส์ขาด เป็นต้น
จากสมการที่ได้กล่าวไปแล้วว่า Torque = (HP * 5252)/RPM ซึ่งค่าแรงม้าก็สามารถหาค่ามาได้จาดค่ากระแสและแรงดันนั่นเอง โดยจากกราฟ จะเห็นได้ว่ากรณีที่เราจะ Start motor ให้สำเร็จนั้น ตัวมอเตอร์เองจะต้องมีค่าแรงบิดที่มากกว่า breaking torque ของโหลด ไม่ว่าจะเป็นโหลดหนัก หรือโหลดเบาก็ตาม โดยเมื่อค่า Torque ของมอเตอร์มากกว่า Torque ของโหลด ก็จะทำให้มอเตอร์เริ่มหมุนแล้วสามารถทำความเร็วจนเท่ากับความเร็วสูงสุดของมอเตอร์ได้ ซึ่งในความเป็นจริงแล้วกระแสในการ Start Motor แบบ DOL นั้นมีค่ามากกว่ากระแสที่มอเตอร์ต้องการที่จะใช้ในการสร้างแรงบิดเพื่อเอาชนะค่าแรงบิดของโหลดอยู่แล้ว นั่นจึงเป็นเหตุผลหนึ่งที่เราสามารถใช้ Softstart หรือ Star/Delta ในการลดค่าแรงดันไฟฟ้าใช้ช่วง start motor เพื่อให้ motor กินกระแสน้อยลง ซึ่งถ้าเป็นโหลดปกติมอเตอร์จะกิินกระแส 7 – 10 เท่าในขณะ Start แต่ถ้าเป็นโหลดหนักๆ ใช้เวลา Start อาจจะกินกระแสสูงกว่า 10 เท่าของกระแสมอเตอร์ปกติ ดังนั้นในการใช้งาน Softstart สามารถช่วยลดกระแสในการ Start ช่วงนี้ลงเหลือ 3-5 เท่า ของการ start motor แบบปกติ
ความเร็วรอบมอเตอร์ไฟฟ้าหาได้จากอะไร ?
ความเร็วรอบของมอเตอร์ไฟฟ้านั่้น จะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ 2 ส่วน คือ
- จำนวนโพลของขดลวดที่ตัว Stator ของมอเตอร์ไฟฟ้า
- ความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับตัวมอเตอร์
ซึ่งถ้าเราทราบองค์ประกอบ 2 ส่วน เราสามารถคำนวณหาค่าความเร็วรอบของมอเตอร์ได้โดยใช้สมการง่ายๆ ด้านล่างนี้
จากสมการด้านบน ถ้าเราใช้มอเตอร์ที่มีจำนวน Pole = 4 และจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่มีความถี่ 50 Hz มอเตอร์ตัวนี้จะหมุนด้วยความเร็ว 1500 rpm หรือ 1500 รอบต่อนาที ความเร็วรอบมอเตอร์ที่ได้นี้จะเรียกว่า Synchronous Speed
ทำไมความเร็วรอบมอเตอร์ที่ได้ ถึงไม่เท่ากับที่คำนวณ ?
เราสามารถหาค่าความเร็วรอบของมอเตอร์ Synchronous Speed ได้จากการคำนวณ แต่ในความเป็นจริงแล้ว สำหรับ Squirrel-cage, Slip-ring หรือ Induction motor นั้น ไม่สามารถทำความเร็วได้เท่าความเร็ว Synchronous Speed เลย
ในสภาวะมอเตอร์ไม่มีโหลดนั้น ตัวแกนหมุน Rotor นั้นสามารถหมุนได้ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็ว Synchronous Speed และความเร็วจะเริ่มลดลงเมื่อมี load มากขัึ้น โดยปรากฏเหล่านี้ทำให้เกิดค่า Slip หลือการลื่นไถล ซึ่งถูกเรียกว่า Slip speed และนี่คือเห็นผลที่ทำให้ความเร็วจริงของมอเตอร์ไม่เท่ากับที่คำนวณ
จะหาค่า Slip Speed ได้อย่างไร ? เราสามารถหาค่า Slip speed ได้จากการคำนวณอย่างง่าย โดยใช้สมการด้านล่างนี้
ดังนั้นในการใช้งานจริงนั้น เราต้องใช้ความเร็วรอบที่หักลบค่าความเร็วสลิป ออกแล้ว มาคำนวณหาค่าความเร็วรอบจริงที่จะใช้ในการขับเคลื่อนโหลด
แรงดันไฟฟ้าในการ Start AC Induction motor 3 phase
แรงดันที่ใช้ในการ Start Motor 3 phase AC induction น้้น จะขึ้นอยู่กับวิธีการต่อมอเตอร์ หรือการเข้าสายที่ตัวมอเตอร์ แต่โดยปกติแล้วจะมีอยู่ด้วยกัน 2 วิธี คือ
- ต่อสายแบบสตาร์ Star wiring
- ต่อสายแบบเดลต้า Delta wiring
ซึ่งตัว nameplate ของมอเตอร์นั้น จะบอกรายละเอียดทั้งหมดอยู่แล้วว่าการต่อแบบ Delta สามารถใช้แรงดันกี่โวลต์ได้บ้าง และการต่อแบบ Delta สามารถใช้แรงดันกี่โวลต์ได้บ้าง จากตัวอย่าง nameplate motor ด้านล่าง
ความสัมพันธ์ของกระแสและแรงบิดของมอเตอร์ เป็นอย่างไร
ในการใช้งานตัว Squirrel cage motor ที่เป็นแบบ Induction Motor นั้น สิ่งที่ต้องคำนึงถึงการใช้งานตัวมอเตอร์นั้นก็คือเรื่องของกระแสไฟฟ้า Starting Current และแรงบิด torque โดยทั้งสอบตัวนี้จะแสดงให้เห็นในรูปของความสัมพันธ์ดังรูปด้านบน เราสามารถแบ่งค่าต่างๆ เหล่านี้ได้ตามช่วงเวลา 2 ช่วงคือ
- Starting time เป็นช่วงเวลาที่ทำให้เกิดค่ากระแส Start ซึ่งมีค่าสูงกว่าค่ากระแสปกติถึง 6-8 เท่า และค่าแรงบิดที่สูงกว่าแรงบิดปกติประมาณ 1.5-2.5 เท่า ของแรงบิดปกติ ดังนั้นเวลาออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในการ Start Motor และกลไกต่างๆ ต้องสามารถทนค่าเหล่านี้ได้
- Runing time เป็นช่วงเวลาที่ความเร็วมอเตอร์เข้าสู่ความเร็วปกติ และทำให้มอเตอร์กินกระแสและให้แรงบิดไว้ตามรายละเอียดบน Nameplate ของมอเตอร์
Breaking Torque Load และ Moment of inertia สองปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการสตาร์ทและหยุดมอเตอร์
ในการในงานมอเตอร์เพื่อส่งกำลังไปในลักษณะการหมุนนั้น เราจะพูดถึงเรื่องของแรงที่เกินขึ้นในลักษณะเชิงมุม นั้นก็คือแรงบิดนั่นเอง ซึ่งปัจจัยที่เกี่ยวกับการหาค่าแรงบิดนั้น ก็จะมีอยู่ 2 ส่วนคือค่า
- Breaking torque load
- Moment of inertia
หลายๆ ครั้งผู้ที่ควบคุมหรือออกแบบการควบคุมมอเตอร์ละเลยที่จะทำความเข้าใจในเรื่องเหล่านี้ ทำให้การ Start/Stop Motor นั้น ทำได้ไม่สำเร็จ หรือส่งผลกระทบต่อระบบข้างเคียง หรือปัญหาต่างๆ ตามมา ทั้งนี้เราได้อธิบายถึงความสำคัญของค่าทั้งสองนี้ เพื่อจะเลือกวิธีการ Start และ Stop motor ให้ได้อย่างเหมาะสม และสำเร็จ ไว้ตรงด้านล่างนี้แล้ว
Breaking Torque Load
เราทราบกันกีอยู่แล้วว่าแรงบิดของมอเตอร์นั้น ต้องมีค่ามากกว่าค่าแรงบิดของโหลด เพื่อทำให้วัตถุเริ่มหมุนตามกฎของ Newton ดังนั้น การเลือกพิกัดของมอเตอร์ และอุปกรณ์ Start มอเตอร์นั้นมีความสำคัญมาก เพราะถ้าเลือกผิด เช่น พิกัดมอเตอร์เล็กเกินไป ก็ไม่สามารถขับโหลดได้ หรือพิกัดของมอเตอร์ใหญ่เกินไปทำให้เกินความเครียดสูงในขณะ Start มอเตอร์ ส่งผลให้อุปกรณ์ส่งกำลัง เช่น สายพาน ได้รับความเสียหาย หรือสึกหรอเร็วขึ้น นอกจากนี้ถ้าพิกัดมอเตอร์กับโหลดเหมาะสมกันแล้ว แต่เลือวิธี Start motor ผิด ก็อาจจะไม่สามารถ Start motor ได้สำเร็จ โดยปัจจัยที่จะทำให้มอเตอร์หมุนโหลดได้นั้นสามารถดูได้จากสมกการ Accelerating torque = Available motor
torque – Braking load torque และจากที่กล่าวมาทั้งหมดนั้นเป็นที่มาของการเลือกมอเตอร์ และอุปกรณ์ควบคุมมอเตอร์ ให้เหมาะสมกับ Breaking torque หรือค่าแรงบิดของโหลดขณะอยู่กับที่ ซึ่งโหลดแต่ละประเภทก็มีลักษณะของแรงบิดที่ไม่เหมือนกัน โดยสามารถดูได้จากกราฟด้านล่าง
จากกราฟด้านบนเราสามารถแบ่งลักษณะของ Breaking torque ของโหลด ได้ 3 ลักษณะ ดังนี้
- โหลดแบบ Exponential เป็นโหลดที่ต้องการแรงบิดของมอเตอร์เพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียล ซึ่งในช่วงออกตัวนั้น จะมีภาระโหลดไม่มาก สามารถ Start Motor ได้โดยง่าย แต่แรงบิดจะสูงขึ้นเป็นกำลังสองเมื่อความเร็วรอบมอเตอร์สูงขึ้น ตัวอย่างของโหลดประเภทนี้ได้แก่ ปั้มน้ำ พัดลม
- โหลดแบบ Constant เป็นโหลดที่ต้องการแรงบิดของมอเตอร์สูงคงที่ตั้งแต่เริ่มต้น ถือว่าเป็นโหลดที่หนักมาก การ Start มอเตอร์แบบนี้ต้องเลือก Softstart ที่มีประสิทธิภาพสูง จึงจะสามารถ Start Motor ได้สำเร็จ ตัวอย่างของโหลดประเภทนี้ได้แก่ สายพานลำเลียง เครื่องบด เครื่องอัด เครื่องปั้ม เครื่องสีต่างๆ
- โหลดแบบ Linear เป็นโหลดที่ต้องการแรงบิดของมอเตอร์เพิ่มขึ้นแบบเชิงเส้น ซึ่งในช่วงออกตัวนั้น จะมีภาระโหลดไม่มาก สามารถ Start Motor ได้โดยง่าย ตัวอย่างของโหลดประเภทนี้ได้แก่ เครื่องอัดอากาศแบบคอมเพรสเซอร์
Moment of Inertia
ในการใช้งานตัวมอเตอร์เพื่อหมุนโหลดนั้น สิ่งที่ต้องพิจารณาสำหรับการเลือกขนาดของมอเตอร์นั้นก็คือ Moment of Inertia หรือโมเมนต์ความเฉื่อย เป็นสมบัติอย่างหนึ่งเกิดขึ้นเมื่อวัตถุหมุน โมเมนต์ความเฉื่อยเป็นปริมาณที่บอกความเฉื่อยในการหมุน (Rotational Inertia) ของวัตถุ ในการที่ตัววัตถุต้องการที่จะพยายามรักษาสภาพเดิมของการหมุนเอาไว้ โดยวัตถุมีโมเมนต์ความเฉื่อยมาก ก็จะทำให้วัตถุนั้นเปลี่ยนสภาพของการหมุนเดิมได้ยาก และถ้าวัตถุนั้นมีโมเมนต์ความเฉื่อยน้อยก็จะทำให้วัตถุนั้นเปลี่ยนสภาพของการหมุนเดิมได้ง่าย ซึ่งโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุมีค่าขึ้นกับแกนหมุน รูปร่างของวัตถุและลักษณะการเรียงตัวของวัตถุรอบแกนหมุน ซึ่งในที่นี้วัตถุที่ต้องการหมุนนั้นก็คือประเภทของโหลดต่างๆ เช่น ใบพัด พูลเล่ โดยเราสามารถหาค่า Moment of Inertia ได้จากสมการ
m = น้ำหนักของวัตถุ (kg)
r = รัศมี (m)
ข้อสังเกตุ จากรูปด้านล่างจะเห็นได้ว่าวัตถุที่มีขนาดใหญ่ น้ำหนักมากก็จะมีค่า Moment of Inertia ที่สูง ต้องใช้แรงบิดมากในการทำให้วัตถุเคลื่อนที่ในทิศทางเป็นวงกลม ดังนั้นในการ Start Motor เพื่อหมุนวัตถุที่มีค่า moment of inertia สูงก็จะใช้เวลามากขึ้นในการ Start Motor เมื่อเทียบกับมอเตอร์ที่มี moment of inertia น้อยกว่า เมื่อใช้มอเตอร์ขนาดเท่ากัน
Bonus: ข้อมูลอื่นๆ ของมอเตอร์ 3 เฟส
ปัญหาที่ทำให้ตัวมอเตอร์ได้รับความเสียหายนั้น มีอยู่ 2 ปัจจัย ซึ่งในที่นี้เราจะไม่กล่าวถึงอายุการใช้งานปกติ หรือรอบการซ่อมบำรุงรักษา เราจะดูที่ปัจจัยที่ทำให้มอเตอร์เสียหรือพังก่อนเวลาอันควร โดยปัจจัยหลัก 2 อย่างคือ…
18/12/2017
ที่ตัวมอเตอร์จะมีป้ายกำกับ เพื่อบอกรายละเอียดเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน กระแสไฟฟ้าที่ใช้งาน วิธีการต่อสาย ตัวมอเตอร์ Nameplate บงบอกข้อมูลต่างๆ ดังนี้
18/12/2017
วิธีปรับความเร็วรอบมอเตอร์
การปรับความเร็วรอบมอเตอร์ 3 เฟส แบบ AC Induction Motor นั้น สามารถทำได้หลากหลายวิธี แต่ละวิธีก็มีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับการใช้งานมอเตอร์นั้น วิธีการปรับความเร็วรอบมอเตอร์ที่พบมากในการใช้งานอุตสาหกรรม แบ่งออกเป็น 2 วิธีใหญ่ คือ
- ปรับรอบโดยวิธีทางกลไก เช่น การปรับรอบโดยใช้เฟืองทด หรือเกียร์ เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความเร็วรอบคงที่ หรือไม่ต้องการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบบ่อยๆ สิ่งที่ได้จากการลดความเร็วรอบคือแรงบิดที่มากขึ้น ทำให้สามารถขับโหลดที่หนักๆ มากขึ้นได้
- ปรับรอบโดยวิธีทางไฟฟ้า เราสามารถปรับความเร็วรอบโดยการปรับค่าความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ซึ่งจากสมการของความเร็วรอบที่ได้กล่าวในตอนแรก จะเห็นได้ว่าเมื่อเราเปลี่ยนความถี่ ก็จะทำให้ความเร็วรอบเปลี่ยนไป ซึ่งข้อดีของการปรับความเร็วโดยใช้อุปกรณ์ปรับความถี่ เช่น VSD variable speed drive นั้น เราสามารถปรับรอบได้ตามต้องการตลอดเวลาเท่าที่ตัวมอเตอร์จะสามารถทำได้ และได้ในส่วนของวงจร Motor protection ที่เป็นฟังก์ชั่นที่มากับตัว VSD เช่น motor overload
วิธีการกลับทางหมุนมอเตอร์
ในการใช้มอเตอร์ หลายๆ ครั้งอาจจำเป็นต้องมีการกลับทิศทางการหมุนของตัวมอเตอร์ เช่น งานเครน ซึ่งเราสามารถกลับทางหมุนของมอเตอร์จากซ้ายไปขวา หรือจากขวาไปซ้าย ได้ 2 วิธีหลัก คือ
- ปรับโดยใช้กลไก การปรับด้วยวิธีนี้จำเป็นต้อง ออกแบบกลไกไว้ตั้งแต่แรก เนื่องจากถ้าปรับเปลี่ยนหลักจากติดตั้งไปแล้ว จะให้การปรับเปลี่ยนการทำงานทำได้ยาก
- ปรับโดยวงจรไฟฟ้า การปรับด้วยวิธีนี้เป็นการปรับทางหมุนโดยการกลับเฟสใดเฟสหนึ่งของมอเตอร์ ซึ่งทำได้ง่ายกว่า สามารถใช้ Contactor ในการกลับเฟส หรือใช้ฟังก์ชั่นของตัว VSD ในการกลับทางหมุนก็ได้
วิธีการหยุดมอเตอร์
การออกแบบระบบกลไกแบบหมุนนั้น จำเป็นต้องมีการหยุดกลไก ซึ่งเราต้องหยุดการหมุนจากต้นกำลังก่อน เช่น มอเตอร์ โดยการหยุดมอเตอร์ นั้นสามารถตัดแหล่งจ่ายแรงดันได้เลย แต่ในขณะที่ตัดไฟเลี้ยงมอเตอร์แล้ว มอเตอร์จะยังคงไม่หยุดในทันที เนื่องจากมีแรงเฉื่อยจากโหลดที่ยังหมุนอยู่ ซึ่งเราจะต้องเอาชนะแรงเฉื่อยเหล่าเหล่านี้ ซึ่งสามารถทำได้ 2 วิธี
- หยุดโดยใช้การหยุดตัวโรเตอร์ จากการใช้เบรค ซึ่งมีทั้งแบบจานเบรค ผ้าเบรค หรือแม็กเนติกเบรก
- หยุดโดยใช้การลดความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับตัวมอเตอร์ จากความถี่ใช้งานปกติ 50 Hz หรือ 60 Hz ลดลงเหลือ 0 Hz หรือ DC ทำให้ตัวแกนมอเตอร์ล็อค โดยอาศัยตัว VSD หรือ AC Drive
ทั้งสองวิธีสามารถหยุดมอเตอร์ได้ และมีข้อดี และข้อเสียที่แตกต่างกันไป ซึ่งจะกล่าวในคราวหน้า
D-end กับ N-end ของมอเตอร์ คืออะไร ?
ในการใช้งานตัวมอเตอร์นั้น จะมีเรื่องทิศทางการหมุนของมอเตอร์ว่าหมุนตามเข็ม หรือหมุนทวนเข็มนาฬิกา แต่ก็ขึ้นอยู่กับว่าดูทีมอเตอร์ฝั่งไหน จากมาตรฐาน IEC 34-7 ได้ระบุไว้ว่าด้านที่มีการขับโหลดของแกนโรเตอร์ Rotor นั้น เราเรียกว่า D-end ส่วนด้านที่มีการติดตั้งใบพัดระบายความร้อน จะเรียกว่า N-end
ขนาดของ AC Induction motor 3 phase ดูอย่างไร ?
ขนาดของ AC motor โดยปกติแล้วจะเน้นไปที่เรื่องของกำลังวัตต์ Kw และขนาด Frame Size ซึ่งจะเป็นสัดส่วนกัน โดยมาตรฐาน IEC ได้มีการให้คำแนะนำวิธีการทดสอบและแบ่งกลุ่มมอเตอร์ให้เป็นไปตามมาตรฐาน ซึ่งจะแสดงอยู่ของตารางความสัมพันธ์ระหว่าง Power และ Frame size ในยุโรปได้อ้างอิงมาตรฐาน CENELEC EN 50347 โดยมีการระบุขนาดมอเตอร์ที่ Frame size ตั้งแต่ 56M จนถึง 315M ได้ดังนี้
ประสิทธิภาพของ AC Induction motor 3 phase หาได้อย่างไง ?
เราสามารถหาค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์ได้ง่ายที่สุดโดยการดูที่ตัวเอกสารคู่มือ Datasheet หรือ Catalog สินค้าเอง หรือเราสามารถดูได้จากตัว nameplate ของตัวมอเตอร์เอง ซึ่งตัวอย่างมอเตอร์ของ ABB เองใช้มาตรฐาน IEC 60034-30 นั้น ได้แบ่งคลาสของมอเตอร์ออกเป็น 4 คลาส คือ IE1, IE2, IE3 และ IE4 โดยเรียงตามประสิทธิภาพจากต่ำไปสู่สูง ซึ่ง IE4 จะเป็นคลาสที่มีประสิทธภาพสูงสุด
นอกจากนี้ถ้าจะคิดตามหลักการทำงานของมอเตอร์ ก็ต้องไปดูที่ค่าสูญเสียต่างๆ หรือค่า loss ที่เกิดขึ้น ยิ่งมีค่าน้อยยิ่งดี หรือดูที่ตัว PF power factor ยิ่งมีค่าเข้าใกล้ 1 ยิ่งดี ซึ่งมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงๆ จะมีประสิทธิภาพ เกือบ 100% โดยคิดจาก Pout/Pin
รูปแบบการติดตั้งมอเตอร์ไฟฟ้า
ในการติดตั้งมอเตอร์ไฟฟ้านั้นสามารถที่จะติดตั้งได้หลากหลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับวิธีการออกแบบชุดส่งกำลังทางกล ซึ่งในมาตรฐานทางการติดตั้งมอเตอร์นั้น จะสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 วิธีคือ
- Foot mounting การยึดติดตั้งมอเตอร์ที่ตัวโครง นิยมวางแนวระนาบกับพื้น
- Flange mounting การยึดติดตั้งมอเตอร์ที่หน้าแปลน หรือการติดตั้งแบบลอย
- Combined foot and flange mounting
การระบายความร้อนมอเตอร์
แน่นอนครับสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้า ซึ่งย่อมต้องมีการสูญเสียในรูปแบบของความร้อน ซึ่งอาจจะเกิดจากหลากหลายสาเหตุ แต่ที่สำคัญคือการระบายความร้อน เนื่องจากถ้าไม่มีการระบายความร้อนที่ดีอาจทำให้มอเตอร์เกิดการเสียหาย และอายุการใช้งานสั้นลง ในมอเตอร์ไฟฟ้านั้นมีระบบระบายความร้อนอยู่ 2 แบบ
- การระบายความร้อนที่ผิว โดยอาศัยอากาศหรือลม วิ่งผ่านครีบรอบๆ ตัว เพื่อแรกเปลี่ยนความร้อน พร้อมกับพัดลมทีี่ต่ออยู่กับแกนโรเตอร์อีกฝั่งช่วยระบายความร้อน ซึ่งใช้กับมอเตอร์ทั่วไป
- แต่สำหรับมอเตอร์ที่อุณหภูมิสูง หรือทำงานภายใต้สภาวะแวดล้อมที่อุณภูมิสูง จะใช้การระบายความร้อนโดยใช้น้ำเพื่อทำการหล่อเย็น และอาจจะมีตัวเซนเซอร์วัดอุณหภูมิที่ขดลวดภายในของมอเตอร์ เพื่อส่งสัญญาณไปให้อุปกรณ์ควบคุมภายนอก เพื่อทำการระบายความร้อนอีกทีก็ได้
การเลือกมาตรฐานการป้องกันฝุ่นและน้ำ หรือ IP (International Protection)
เพื่อให้มั่นใจได้ว่าตัวมอเตอร์ที่เราเลือกใช้งานตามสภาพวะแวดล้อมต่างๆ จะมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน การพิจารณาเรื่องของมาตรฐาน IP ของมอเตอร์จึงเป็นสิ่งสำคัญที่ไม่ควรมองข้าม โดยตัวเลขกำกับบนตัว IP_ _ นั้น จะประกอบไปด้วย 2 หลัก ซึ่งยิ่งมีค่ามากหมายความว่ามีความทนทานสูง เช่น Motor IP65 นั้น จะสามารถใช้งานภายให้สภาวะแวดล้อมที่มีฝุ่นได้ในระดับ 6 และภายใต้ความชื้น หรือน้ำ ได้ในระดับ 5 อย่างปลอดภัย สามารถอ่านหาข้อมูล IP ได้ที่นี้
คู่มือการสตาร์ทและควบคุมมอเตอร์ โดย Factomart
