การควบคุมความเร็วมอเตอร์

                เมื่อพูดถึงการควบคุมมอเตอร์ที่ใช้ในการขับเคลื่อนเครื่องจักรกลต่างๆ เรามักจะนึกถึงการควบคุมความเร็วของมอเตอร์เป็นอันดับแรก เนื่องจากเป็นสิ่งที่เรามองเห็นและเข้าใจง่าย อย่างไรก็ดีสิ่งที่จะต้องควบคู่กับการควบคุมความเร็วคือ แรงบิด ทั้งนี้เพราะเราจะสามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ได้ก็ต่อเมื่อ แรงบิดของมอเตอร์มีขนาดเพียงพอที่จะใช้ขับเคลื่อนเครื่องจักรกล ซึ่งเราจะเรียกว่า โหลด ของมอเตอร์ได้ ถ้าแรงบิดของมอเตอร์ต่ำเกินไป มอเตอร์จะหมุนช้าลงและดึงกระแสเพิ่มขึ้นเพื่อเพิ่มแรงบิดให้เพียงพอกับโหลดและอาจจะหยุดได้ถ้าแรงบิดสูงสุดของมอเตอร์เพียงพอที่จะขับเคลื่อนเครื่องจักรกลนั้น การควบคุมมอเตอร์เริ่มต้นมาพร้อมกับการเริ่มมีมอเตอร์โดยได้มีการพัฒนาให้ดีขึ้นเรื่อยๆในยุคแรกๆ การควบคุมจะเป็นระบบเชิงกลจนกระทั่งเมื่อได้มีการค้นพบ SCR การควบคุมมอเตอร์จึงเริ่มเปลี่ยนมาใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์ การพัฒนา SCR ,ทรานซิสเตอร์กำลังสูงและวงจรรวม(IC) ตลอดจนเทคนิคการควบคุมทำให้ขีดความสามารถและความคล่องตัวในการควบคุมมอเตอร์เพิ่มขึ้นเป็นอันมาก และในปัจจุบันการนำเอาไมโครโปรโซสเซอร์มาใช้ในการควบคุมเพื่อสั่งการภาคกำลังที่ใช้ SCR และทรานซิสเตอร์ที่มีสมรรถนะสูงได้เปลี่ยนโฉมการควบคุมมอเตอร์ไปอย่างสิ้นเชิง ตัวแปรของขบวนการผลิตในอุตสาหกรรมเป็นจำนวนมากจะขึ้นอยู่กับความเร็วและแรงบิด เช่นความเร็วในการเคลื่อนที่ ความเร็วรอบ อัตราการไหลของของเหลว ความดัน อัตราเร่งและอัตราการลดความเร็ว แรงดึง เป็นต้น ตัวแปรต่างๆเหล่านี้จะมีผลต่อคุณภาพของสินค้าและประสิทธิภาพในการผลิต ดังนั้นถ้าเราสามารถที่จะควบคุมตัวแปรเหล่านี้ได้อย่างเหมาะสมตามความต้องการของขบวนการผลิตแล้ว จะทำให้เราสามารถเพิ่มและควบคุมคุณภาพของสินค้า เพิ่มประสิทธิภาพ อันเป็นการลดต้นทุนการผลิตสินค้าได้ทางหนึ่ง ในการควบคุมของมอเตอร์นั้น เบื้องต้นเราจะต้องรู้ถึงวิธีการและคุณลักษณะที่สำคัญของการควบคุมแต่ละแบบ จากนั้นก็จะเป็นการเลือกอุปกรณ์ให้เหมาะสมกับวิธีการควบคุมนั้นๆ เราอาจจำแนกการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ออกตามชนิดของมอเตอร์ได้ 2 แบบคือ

1.การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรง ทำได้ 2 วิธี คือ

                1.1 การควบคุมแรงดันไฟฟ้าของอาร์เมเจอร์(Armature voltage control)
เนื่องจากความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงจะแปรผันตรงกับแรงดันที่ใส่ให้กับขดลวดอาร์เมเจอร์ ดังนั้นเราจึงสามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์โดยการควบคุมแรงดันของอาร์เมเจอร์ วิธีการนี้จะใช้ในช่วงความเร็วที่ต่ำกว่าความเร็วที่กำหนด การควบคุมแบบนี้จะทำให้แรงบิดสูงสุดของมอเตอร์มีค่าคงที่ตลอดช่วงความเร็ว เมื่อกระแสอาร์เมเจอร์มีค่าเท่ากับค่าสูงสุด ส่วนกำลังออกของมอเตอร์จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วเป็นเส้นตรง โดยจะมีกำลังออกสูงสุดที่ความเร็วที่กำหนด การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงโดยทั่วไปจะใช้การควบคุมแรงดันของอาร์เมเจอร์เนื่องจากจะให้แรงบิดสูง

     1.2 การควบคุมความเข้มของสนามแม่เหล็ก(Field control)
การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงในย่านความเร็วที่สูงกว่าความเร็วที่กำหนด จะทำโดยการควบคุมกระแสของขดลวดสร้างสนามแม่เหล็กของมอเตอร์ เมื่อเราต้องการเพิ่มความเร็วเราจะต้องลดขนาดของกระแสของขดลวดลง การลดความเข้มของสนามแม่เหล็กของมอเตอร์จะมีผลทำให้แรงบิดสูงสุดขอมอเตอร์ลดลง ขณะที่กำลังออกสูงสุดของมอเตอร์จะไม่เปลี่ยนแปลงดังแสดงในรูปที่ 1 วิธีการนี้จะใช้กับโหลดที่ต้องการความเร็วสูงโดยที่แรงบิดของโหลดจะต้องลดลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น ไม่เช่นนั้นจะเป็นการโอเวอร์โหลดมอเตอร์
2.การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสสลับ

การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสสลับนั้นจะทำได้หลายวิธี เพื่อให้มองเห็นแนวทางในการควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสสลับได้ง่ายขึ้น เราจะพิจารณาจากสมการของความเร็ว (N) ในรูปของตัวแปรต่างๆ ได้จากสมการที่ คือ

N = (1-S)*(120/P)*f

    N = ความเร็วของมอเตอร์

    S = สลิบของโรเตอร์เทียบกับความเร็วของสนามแม่เหล็กหมุน

    P = จำนวนขั้วขอมอเตอร์

    F = ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับที่ใส่ให้กับสเตเตอร์

จะเห็นได้ว่า ความเร็วของมอเตอร์กระแสสลับจะขึ้นอยู่กับตัวแปร 3 ตัว คือ ค่าสลิบ จำนวนขั้ว และความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับที่สเตเตอร์ของมอเตอร์สลิป

การควบคุมความเร็วโดยการควบคุมสลิป

สลิปของมอเตอร์จะขึ้นอยู่กับลักษณะสมบัติของแรงบิดกับความเร็ว torque-speed curve ของมอเตอร์ และลักษณะสมบัติของแรงบิดกับความเร็วของโหลด การควบคุมสลิบของมอเตอร์จะทำโดยการควบคุม torque-speed curve ของมอเตอร์ ซึ่งทำได้สองวิธี คือ

2.1 การควบคุมแรงดันของสเตเตอร์  เมื่อเปลี่ยนแรงดันที่ใส่ให้กับสเตเตอร์ของมอเตอร์ จะทำให้ torque-speed curve ของมอเตอร์เปลี่ยนไป จะเห็นได้ว่าเราสามารถควบคุมความเร็วขอมอเตอร์ซึ่งขึ้นอยู่กับจุดตัดของ torque-speed curve ของมอเตอร์และของโหลดโดยการปรับค่าแรงดันของสเตเตอร์ ซึ่งเป็นวิธีที่ทำได้ง่ายและราคาถูก วิธีนี้จะมีข้อเสียคือ แรงบิดสูงสุดของมอเตอร์จะลดลง เมื่อแรงดันของสเตเตอร์ลดลง ทำให้ช่วงในการควบคุมความเร็วแคบและเหมาะสำหรับโหลดที่แรงบิดเพิ่มกับความเร็ว เช่น พัดลมและปั๊มแบบหอยโข่ง เป็นต้น

2.2 โดยการควบคุม slip power ของมอเตอร์ หมายถึง กำลังสูญเสียในโรเตอร์ของมอเตอร์ซึ่งจะเพิ่มตามสลิป การควบคุมความเร็วขอมอเตอร์โดยการควบคุม slip power จะทำให้ประสิทธิภาพของระบบต่ำลงโดยเฉพาะที่ความเร็วต่ำ ๆ ซึ่งสลิปมีค่าสูง การควบคุมมอเตอร์โดยการควบคุมสลิบอาจจะทำโดยการนำเอา slip power ป้อนกลับเข้าสายส่งแทนการเปลี่ยนเป็นความร้อน ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพของระบบดีขึ้น การควบคุม slip power จะทำให้เราสามารถควบคุม torque-speed curve ของมอเตอร์ ดังนั้นเมื่อต้องการควบคุมความเร็วของมอเตอร์เราจะทำได้โดยการควบคุม torque-speed curve ของมอเตอร์เพื่อให้จุดตัดของ torque-speed curve ของมอเตอร์และโหลดอยู่ที่ความเร็วคงที่ที่ต้องการ

การควบคุมความเร็วโดยการควบคุมจำนวนขั้วของมอเตอร์

การควบคุมความเร็วของมอเตอร์โดยการควบคุมจำนวนขั้วของมอเตอร์นั้น จะใช้ได้กับมอเตอร์ที่ได้มีการออกแบบไว้ให้สามารถเปลี่ยนแปลงจำนวนขั้วได้เท่านั้น การควบคุมความเร็วโดยการเปลี่ยนจำนวนขั้วจะเหมาะสำหรับงานที่ไม่ต้องการควบคุมความเร็วอย่างต่อเนื่อง แต่เป็นการเปลี่ยนความเร็วเพียง 2-3 ระดับเท่านั้น ซึ่งในปัจจุบันมีใช้ไม่มากนัก

การควบคุมความเร็วโดยการควบคุมความถี่

การควบคุมความเร็วของมอเตอร์โดยการควบคุมความถี่นั้น เป็นวิธีการที่ได้รับความนิยมมากในปัจจุบัน เนื่องจากเราสามารถควบคุมความเร็วได้อย่างต่อเนื่องทั้งในย่านความเร็วที่ต่ำกว่าและสูงกว่าความเร็วที่กำหนด การควบคุมความเร็วของมอเตอร์โดยวิธีนี้จะต้องมีการปรับแรงดันตามไปด้วยตามความเหมาะสม เมื่อเราลดความถี่ของแรงดันสเตเตอร์ลงเราจะต้องลดแรงดันของสเตเตอร์ตามไปด้วย เพื่อให้อัตราส่วนของแรงดันกับความถี่มีค่าคงที่ ถ้าไม่เช่นนั้นแล้วจะทำให้แกนเหล็กสเตเตอร์อิ่มตัว กระแสจะไหลมากผิดปกติจนทำให้มอเตอร์เสียหายได้ การทำให้อัตราส่วนความถี่คงที่จะทำให้สนามแม่เหล็กของมอเตอร์มีค่าคงที่ แรงบิดสูงสุดของมอเตอร์จะมีค่าคงที่ด้วย

อย่างไรก็ดีที่ความถี่ต่ำๆ เราจำเป็นต้องเพิ่มอัตราส่วนของความถี่ เพื่อชดเชยแรงดันที่ตกคร่อมความต้านทานของสเตเตอร์ (stator resistance compensation) ความถี่ที่สูงกว่าความถี่กำหนด เราจะไม่สามารถเพิ่มแรงดันของสเตเตอร์ขึ้นไปได้ทำให้สนามแม่เหล็กของมอเตอร์ลดลง แรงบิดสูงสุดของมอเตอร์จะลดลงด้วย ถ้าเราไม่ยอมให้กระแสของสเตเตอร์เพิ่มขึ้น จะเห็นได้ว่า torque-speed curve และ voltage-speed curve ของมอเตอร์เหนี่ยวนำจะมีลักษณะเหมือนกับลักษณะของมอเตอร์ไฟฟ้าตรงคือ มีสนามแม่เหล็กและแรงบิดสูงสุดคงที่ในย่านความเร็วที่ต่ำกว่าความเร็วที่กำหนด แต่จะมีสนามแม่เหล็กและแรงบิดสูงสุดลดลง เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นในย่านความเร็วที่สูงกว่าความเร็วที่กำหนด

อุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมความเร็วขอมอเตอร์

จากหลักการในการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ดังได้กล่าวมาแล้ว การควบคุมความเร็วของมอเตอร์นั้นจะต้องใช้อุปกรณ์ในการควบคุมขนาดของกระแส และ/หรือแรงดันทั้งในกรณีของมอเตอร์กระแสตรงและมอเตอร์กระแสสลับ

เนื่องจากแหล่งพลังงานที่ใช้ในการขับเคลื่อนมอเตอร์นั้นส่วนใหญ่จะได้มาจากสายส่งไฟฟ้ากระแสสลับที่มีขนาดและความถี่คงที่ ดังนั้นเพื่อให้ได้มาซึ่งกระแสและแรงดันที่สามารถควบคุมได้เพื่อจ่ายให้กับมอเตอร์ เราจะต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า คอนเวอร์เตอร์ (converter) ในการทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าให้อยู่ในรูปที่เหมาะสมกับมอเตอร์คอนเวอร์เตอร์ อาจจะจำแนกออกได้เป็น 4 ชนิดคือ

- วงจรเรียงกระแสที่ควบคุมเฟสได้ (phase controlled rectifier)

- วงจรแปลงไฟตรง-ไฟตรง (DC-to-DC converter)

- วงจรอินเวอร์เตอร์ (inverter)

- ไซโคลคอนเวอร์เตอร์ (cycloconverter)
*********************************
ตรวจสอบราคา Inverter "FUJI" ได้ที่นี่ครับ