ทอร์คของมอเตอร์ (Motor Torque)

ทอร์คของมอเตอร์ (Motor Torque)

            เมื่อพูดกันถึงคุณสมบัติของมอเตอร์แล้ว เรามักจะพิจารณากันถึงคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความเร็วรอบของมอเตอร์, แรงม้ามอเตอร์, กระแสที่ใช้หรือความร้อนจากตัวมอเตอร์ แต่ปัจจัยที่สำคัญอีกอันหนึ่งซึ่งเรามักจะมองข้ามไปก็คือ แรงบิดหรือทอร์คของมอเตอร์นั่นเอง

            ทอร์คของมอเตอร์นั้นจะเป็นปัจจัยสำคัญในการที่จะทำให้เราสามารถใช้งานมอเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและช่วยลดค่าไฟของมอเตอร์ ความเข้าใจในเรื่องทอร์คของมอเตอร์จำเป็นสำหรับการเลือกมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดและสามารถใช้งานได้อย่างดีที่สุดกับงานแต่ละอย่าง เพราะราคาของมอเตอร์นั้นขึ้นกับแรงบิดของมอเตอร์โดยตรง ถ้าสามารถเลือกมอเตอร์ที่มีแรงบิดเหมาะสมกับโหลด ก็จะทำให้มอเตอร์ทำงานได้ประสิทธิภาพ แต่ถ้าเลือกมอเตอร์ที่มีแรงบิดสูงๆ ไปใช้กับโหลดที่ต้องการแรงบิดต่ำแล้ว ประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์จะตกลงไปเป็นอย่างมาก

            เมื่อพูดถึงทอร์คในเรื่องเกี่ยวกับมอเตอร์นั้น จะมีความหมายเป็น 2 นัย นัยแรกก็คือ ทอร์คของตัวมอเตอร์คือ แรงบิดที่มอเตอร์สามารถให้ในการขับโหลดได้ ที่เรียกว่า มอเตอร์ทอร์ค (motor torque) ซึ่งเป็นแรงบิดที่แกนเพลาของมอเตอร์ปกติจะกำหนดค่าเป็น ฟุต-ปอนด์ นัยที่สองคือ โหลดทอร์ค (load torque) คือแรงบิดที่แกนเพลาของโหลดที่ต้องการในการหมุนให้ได้รอบที่ถูกต้อง และปกติ จะมีค่าเป็นฟุต-ปอน เช่นเดียวกัน

            ตามมาตรฐานจะกำหนดแต่เพียงค่าของแรงม้าและความเร็ว แต่ค่าแรงม้าและค่าแรงบิดของมอเตอร์จะมีความสัมพันธ์กันโดยสูตร ต่อไปนี้คือ

            แรงม้ามอเตอร์ = แรงบิดที่แกนเพลาของมอเตอร์ (ฟุต-ปอนด์ * ความเร็วรอบ)
                                                                                                         5250

            แนวทางในการเลือกมอเตอร์ใช้งาน

            ในแง่ของการสิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายแล้ว แนวทางที่สำคัญ 2 ประการซึ่งเราควรจะยึดในการเลือกซื้อมอเตอร์มาใช้งาน ก็คือ

            1. เลือกมอเตอร์ให้มีกำลังเพียงพอกับการใช้งานเท่านั้น อย่าเลือกมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่เกินไป

            2. พยายามลดการนำเอามอเตอร์มาใช้งานในสภาวะที่โหลดมีค่าต่ำเป็นเวลานานๆ

            ในแง่ของการใช้งานแล้วจะมีทอร์คของมอเตอร์อยู่ 3 ประการที่จะต้องนำมาพิจารณา นั่นก็คือ

            1. ทอร์คในสภาวะการใช้งานปกติ (steady state torque)

            2. ทอร์คสำหรับการเร่งรอบความเร็ว (acceleration torque)

            3. ทอร์คสำหรับการเริ่มหมุนจากสภาวะหยุดนิ่ง หรือค่าทอร์คสูงสุด (starting or break anay torque)

            ในการที่จะนำเอามอเตอร์ไปใช้งานอย่างได้ผลนั้น ผู้ใช้จำเป็นที่จะต้องเข้าใจถึงคุณสมบัติของมอเตอร์ตามมาตรฐานชนิด NEMA DESIGN B ที่แสดงให้เห็นทอร์คที่เกิดขึ้นเทียบกับความเร็วรอบต่างๆ ของมอเตอร์

            ทอร์คในสภาวะการใช้งานปกติ

            ทอร์คในสภาวะการใช้งานปกติของโหลดนั้น คือทอร์คที่โหลดต้องการสำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่อง มีผลเกี่ยวกับความร้อนที่เกิดขึ้นด้วย ดังนั้นมอเตอร์จะต้องสามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่อง ค่าแรงม้าที่ระบุไว้บนแผ่นป้ายของมอเตอร์จะเป็นสิ่งรับประกันว่าโหลดที่มีค่าดังกล่าวนี้จะสามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่อง โดยไม่ก่อให้เกิดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจนเกินกว่าค่าที่ฉนวนของมอเตอร์จะทนได้

            รายละเอียดที่แสดงไว้บนแผ่นป้ายของมอเตอร์จะบอกข้อมูลอื่นๆ ที่เกี่ยวกับการใช้งานโหลดน้อยมาก ด้วยเหตุนี้ทอร์คที่โหลดต้องการในสภาวะการใช้งานตามปกติจึงมักจะไม่ค่อยเหมาะกับโหลดที่มอเตอร์สามารถจ่ายให้ได้ ดังนั้นมอเตอร์ตามมาตรฐานของ NEMA จึงมีการกำหนดค่าของปัจจัยบริการ (service factor) (ปกติจะมีค่า 1.15 สำหรับมอเตอร์ชนิดกันหยดน้ำกระเซ็น หรือ (drip proof motor) ทั้งนี้เพื่อให้มอเตอร์สามารถใช้งานได้กับสภาวะโหลดเกินกำลังที่อาจจะเกิดขึ้นในบางครั้ง

            ทอร์คสำหรับการเร่งรอบความเร็ว

            การเร่งรอบความเร็วของโหลดส่วนใหญ่นั้น โดยปกติแล้วจะไม่ใช่ปัญหาอะไร ยกเว้นในกรณีที่โหลดซึ่งถูกขับนั้น มีค่าความเฉื่อยสูง ซึ่งเวลาที่ใช้ในการเร่งรอบความเร็วจากสภาวะหยุดนิ่งจนถึงรอบความเร็วปกตินั้นอาจจะกลายเป็นปัญหาที่สำคัญได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่เวลาดังกล่าวนั้นเกินกว่า 10 วินาที เหตุผลเรื่องนี้สามารถแสดงได้ดังในรูปที่ 2 ที่ผ่านมา ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามอเตอร์จะดึงกระแสไฟฟ้าสูงมาก ในขณะที่เริ่มหมุน จนกว่ามันจะมีรอบความเร็วตามปกติ ถ้ากระแสที่มีค่าสูงของมอเตอร์นี้มีอยู่นานจะเกินไป ค่าการสูญเสียก็จะทำให้มอเตอร์เกิดความร้อนจัดหรือทำให้อุปกรณ์ป้องกันในวงจรไฟฟ้าเกิดการ trip บ่อยครั้ง ซึ่งล้วนแต่เป็นสภาวะที่ไม่อาจยอมรับได้

            เวลาที่ใช้ในการเร่งรอบความเร็วนี้จะขึ้นกับค่าความเฉื่อยของอุปกรณ์ที่หมุนเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม เวลานี้ก็ยังขึ้นกับค่าความแตกต่างของทอร์คที่โหลดต้องใช้ในการหมุน และทอร์คที่มอเตอร์สามารถจ่ายให้ได้ที่แต่ละความเร็วรอบดังในรูปที่ 3  จะเป็นมอเตอร์มาตรฐานชนิด NEMA B ซึ่งใช้กับโหลดที่ต้องการค่าทอร์คคงที่

            การเลือกมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่าปกติย่อมทำให้มีทอร์คสำหรับการเร่งรอบความเร็ว เหลือพอสำหรับแก้ปัญหาดังกล่าวนี้ แต่ก็จะทำให้ตุ้นทุนของมอเตอร์สูงขึ้น และสำหรับการใช้งานในสภาวะปกตินั้นมอเตอร์จะถูกใช้งานที่ค่าเปอร์เซ็นต์ของทอร์คต่ำลงกว่าทอร์คปกติ อันทำให้มอเตอร์ถูกใช้งานในสภาพที่มีประสิทธิภาพต่ำ

            ทอร์คสำหรับการเริ่มต้นหมุน

            โหลดบางประเภทอาจจะก่อให้เกิดปัญหาในด้านของทอร์คสำหรับการเริ่มต้นหมุนอุปกรณ์นั้น

            ค่าความเสียดทานในขณะที่ชิ้นส่วนเริ่มเกิดการหมุน (static friction) จะมีค่าสูงกว่าความเสียดทานในขณะที่มีการหมุน (rolling friction) แล้วหรือไม่นั้นจะขึ้นกับชนิดของแบริ่งที่ใช้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบริ่งแบบปลอก (sleeve bearing) ซึ่งต้องอาศัยน้ำมันหล่อลื่นเลี้ยงแบริ่ง ดังนั้น ก่อนที่แกนเพลาของโหลดจะหมุนไปได้นั้น ทอร์คของมอเตอร์จะต้องสามารถเอาชนะค่าทอร์คที่โหลดต้องใช้ในขณะเริ่มต้นหมุน ซึ่งมีค่าสูงกว่าทอร์คในขณะที่โหลดได้หมุนไปแล้ว

            และก็เช่นเดียวกับกรณีอื่น ๆ การเลือกมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจะสามารถแก้ปัญหานี้ได้ แต่จะทำให้เกิดความสูญเสียพลังงานในสภาพการใช้งานตามปกติ ดังนั้น จึงควรเลือกมอเตอร์ที่มีคุณสมบัติเหมาะสำหรับการใช้กับงานบางประเภท โดยเฉพาะซึ่งเป็นทางเลือกที่ดีกว่าการใช้มอเตอร์ชนิดทั่วไปในการขับโหลดดังกล่าว

            ผลของการเปลี่ยนแปลงความถี่ของกระแสไฟฟ้า และแรงดันไฟฟ้าที่มีผลต่อทอร์คของมอเตอร์

            ในปัจจุบันนี้ได้มีการคิดค้นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนแปลงค่าความถี่ของกระแสไฟฟ้า ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรอบความเร็วของมอเตอร์ อย่างไรก็ตามในเรื่องของการเปลี่ยนแปลงทอร์คของมอเตอร์ที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของกระแสไฟฟ้านั้นกลับเป็นเรื่องที่แทบจะไม่มีใครเคยพูดถึง ทั้งที่การเปลี่ยนแปลงทอร์คมอเตอร์นั้นจะมีผลต่อการใช้งานมอเตอร์เป็นอย่างมาก ในที่นี้เราจะพูดถึงผลของการเปลี่ยนแปลงความถี่กระแสไฟฟ้าที่มีผลต่อทอร์คของมอเตอร์ และในขณะเดียวกันก็จะได้กล่าวถึงผลการเปลี่ยนแปลงค่าแรงดันไฟฟ้าที่มีทอร์คของมอเตอร์ด้วยเช่นกัน อันจะทำให้ผู้ใช้สามารถนำไปพิจารณาในการเลือกมอเตอร์ใช้ขับโหลดในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงค่าความถี่กระแสไฟฟ้า หรือค่าแรงดันไฟฟ้าดังกล่าว โดยจะกล่าวถึงมอเตอร์ชนิดเหนี่ยวนำ (induction motor) 

ผลของการแปรเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่มีต่อมอเตอร์

ผลของการแปรเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่มีต่อมอเตอร์

            มอเตอร์ไฟฟ้าจัดได้ว่าเป็นเครื่องต้นกำลังที่มีความสำคัญมากที่สุดอย่างหนึ่ง วิธีใช้งานมอเตอร์ให้ยาวนานนั้น จำเป็นที่จะต้องเข้าใจสาเหตุต่างๆ เพื่อเป็นการป้องกันมิให้สาเหตุเหล่านั้นมีโอกาสที่จะทำให้มอเตอร์ชำรุดเสียหาย

            ส่วนประกอบที่สำคัญที่จะส่งผลกระทบโดยตรงต่อสมรรถนะของมอเตอร์เมื่อเกิดการแปรเปลี่ยนก็คือ แรงดันไฟฟ้าและความถี่ ดังนั้นเพื่อเป็นการป้องกันมิให้เกิดความเสียหายขึ้นกับมอเตอร์ จึงมีความจำเป็นที่จะต้องตรวจสอบค่าทั้งสองนี้อยู่เสมอ  การตรวจสอบก็ยึดถือคู่มือที่ติดมากับมอเตอร์จากผู้ผลิตเป็นสำคัญ

            โดยทั่วๆ ไปแล้วในการออกแบบมอเตอร์ มักจะออกแบบให้มอเตอร์สามารถทนทานต่อการแปรเปลี่ยนของแรงดันไฟฟ้าได้ ±10% ความถี่ ±5% และผลรวมของการแปรเปลี่ยนทั้งแรงดันและความถี่ไม่เกิน 10%  ถ้าหากการใช้งานเป็นไปตามพิกัดกำลังที่ระบุไว้บนแผ่นป้ายมอเตอร์ ดังนั้นในการเลือกซื้อมอเตอร์มาใช้งานจึงต้องมีการพิจารณาถึงข้อมูลเหล่านี้โดยละเอียด

            กรณีที่ความถี่ของระบบไฟฟ้ามีค่าต่ำลง หรือมีการนำเอามอเตอร์มาใช้งานที่ความถี่ต่ำกว่าที่มอเตอร์ได้รับการออกแบบมา เช่น มอเตอร์ระบบ 60 Hz. มาใช้กับระบบ 50 Hz. นอกจากความเร็ว ซิงโครนัส (synchronous speed : Ns) ของมอเตอร์จะลดลงถึง 17% แล้ว ยังส่งผลถึงความเร็วที่ใช้ในการขับโหลดอีกด้วย นอกจากนี้ยังทำให้เส้นแรงแม่เหล็กของสเตเตอร์ (stator-flux) และกระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการสร้างอำนาจแม่เหล็กสูงขึ้น ความร้อนที่เกิดขึ้นในขดลวดและแกนเหล็กก็จะสูงขึ้นด้วย จึงพอสรุปได้ว่า หากความถี่ของระบบไฟฟ้าลดลงจะมีผลทำให้ความเร็วของมอเตอร์ลดลง และมอเตอร์จะร้อนมากขึ้น

            ในทำนองเดียวกันถ้าหากความถี่มีค่าสูงขึ้น หรือมีการนำเอามอเตอร์มาใช้งานที่ความถี่สูงกว่าที่มอเตอร์ได้รับการออกแบบมา เช่น มอเตอร์ระบบ 50 Hz. มาใช้กับระบบ 60 Hz. ความเร็วมอเตอร์จะสูงขึ้นกว่าเดิม 17% เส้นแรงแม่เหล็กของสเตเตอร์และกระแสที่ใช้สร้างอำนาจแม่เหล็กจะลดลง ซึ่งจะมีผลทำให้แรงบิดเริ่มหมุนของมอเตอร์ลดลง ประสิทธิภาพของมอเตอร์จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเพราะมอเตอร์หมุนด้วยความเร็วรอบที่สูงขึ้น ทำให้มีการระบายความร้อนที่ดี แต่ความสามารถในการรับสภาวะเมื่อเกิดการใช้เกินกำลัง (maximum overload capacity) จะลดลง

            สำหรับกรณีที่แรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามอเตอร์ลดลงนั้น เนื่องจากค่าแรงบิดเริ่มหมุนและค่าแรงบิดสูงสุดขณะทำงาน เป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนยกกำลังสอง ดังนั้นหากแรงดันไฟฟ้าลดลงเพียง 10% ก็จะทำให้แรงบิดเริ่มหมุนและแรงบิดลดลงตรามแรงดัน ดังนั้น มอเตอร์จะสตาร์ตไม่ไหว และถ้าหากเกิดแรงดันไฟตกขณะมอเตอร์ฉุดโหลดอยู่ กระแสไฟฟ้าในช่วงนี้จะสูงมากเพราะมอเตอร์จะดึงกระแสจากระบบเข้ามาเพื่อรักษากำลังงานที่จ่ายเข้าให้คงเดิม ถ้ามอเตอร์ไม่มีอุปกรณ์ป้องกัน เช่น รีเลย์ป้องกันกระแสเกินติดไว้เพื่อตัดกระแสและปลดมอเตอร์ออก มอเตอร์จะไหม้ หากยังหมุนต่อไป

            ส่วนกรณีที่แรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามอเตอร์มีค่าสูงเกินกว่าแรงดันกำหนดบนแผ่นป้ายมอเตอร์ไม่ (หากไม่เกิน 10%)  ซึ่งหากการเพิ่มขึ้นของแรงดันนี้เกิดขึ้นในช่วงที่มอเตอร์ทำงานเต็มที่แล้วกลับจะเป็นผลดีคือ กระแสขณะใช้งานจะลดลงอีก 7%  แต่ถ้าหากการเพิ่มขึ้นของแรงดันมีมากกว่า 10% ขึ้นไปจะทำให้สเตเตอร์เกิดการอิ่มตัวของแม่เหล็ก(saturation) ทำให้กินกระแสเพิ่มมากขึ้นได้ และจะร้อนขึ้นจากเดิมมาก

            ในกรณีของมอเตอร์สามเฟส มักจะประสบกับปัญหาระบบไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามอเตอร์อยู่ในสภาวะไม่สมดุล (phase unbalance) ปกติแล้วสภาพดังกล่าวมักเกิดจากโหลดในเฟสใดเฟสหนึ่งแตกต่างกันมาก และมากกว่าร้อยละ  50 มักเกิดจากการใช้มอเตอร์เฟสเดียวในโรงงาน ทำให้โหลดของแต่ละเฟสแตกต่างกันไปมาก ซึ่งหากใช้เฉพาะมอเตอร์สามเฟสก็จะไม่ค่อยมีปัญหา แต่เนื่องจากระบบไฟเฟสเดียวยังมีใช้งานอยู่มาก ดังนั้นการที่จะต้องใช้ไฟทั้งสองระบบนี้จึงเป็นปัญหาในการจัดโหลดในแต่ละเฟสให้สมดุลกัน ซึ่งเป็นไปได้ยากมาก

            เมื่อมอเตอร์ถูกใช้งานขณะเกิดภาวะไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า ก็จะมีผลทำให้อัตราส่วนของกระแสไม่สมดุลเพิ่มขึ้นสูงกว่าอัตราส่วนของแรงดันที่ไม่สมดุลมาก อันจะเป็นสาเหตุที่ทำให้กำลังใช้งานของมอเตอร์ตกลงและอุณหภูมิของมอเตอร์จะสูงมากขึ้น ซึ่งตามปกติแล้วอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของมอเตอร์ขณะใช้งานเต็มที่มักจะสูงกว่าอุณหภูมิห้องไม่เกิน 40 องศาเซลเซียส แต่ถ้าหากแรงดันไฟฟ้าระหว่างเฟสมีสภาพที่ผิดไปจากสมดุลเพียง 3.5% อุณหภูมิของมอเตอร์จะสูงขึ้นกว่าเดิมถึง 25%  ผลก็คือมอเตอร์จะมีอายุการใช้งานสั้นลงกว่าเกณฑ์ปกติ (2 เพราะความร้อนสูงทำให้ฉนวนของขดลวดเสื่อมสภาพลง

            จะเห็นได้ว่ามีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องหมั่นตรวจสอบระดับแรงดันไฟฟ้าและความถี่ของระบบไฟฟ้าเป็นระยุอยู่เสมอ และหากพบว่าเกิดสภาวะไม่สมดุลเกินกว่า 1% (ตามมาตรฐานของ NEMA) ควรจะต้องปฏิบัติดังนี้

            1. ตรวจค้นในระบบเพื่อหาจุดผิด เช่น

- มีโหลดในเฟสใดเฟสหนึ่งมากเกินไปหรือไม่ ควรจัดโหลดในแต่ละเฟสให้สมดุลกัน

- ขั้วต่อไฟต่าง ๆหลวม หลุดหรือไม่แน่น ทำให้เกิดปัญหาไฟเดินไม่สะดวก ควรขันให้แน่น และต่อให้ถูกวิธี

- ตรวจชุดหม้อแปลงไฟฟ้าว่ามีวงจรเปิดอันเป็นสาเหตุทำให้มีไฟไม่ครบทั้งสามเฟสอยู่หรือไม่

            2. หากยังแก้ไขภาวะไม่สมดุลยังไม่ได้ ควรลดโหลดของมอเตอร์ลงหรือเลือกใช้มอเตอร์ที่มีพิกัดสูงขึ้นกว่าเดิม
******************************************************************************************************
จำหน่าย Induction Motor "ABB" สนใจติดต่อได้ที่ที่นี้

            

"KATO" Synchronous Generator

สำหรับ บทความนี้นำเสนอให้ผู้สนใจ ศึกษา หรือผู้ใช้งาน Alternator ยี่ห้อ KATO นะครับ

รูปที่ 1 Synchronous Generator 500 KW

เรามาทำความรู้จักกับ KATO ก่อน

KATO ทำการผลิต Synchronous generator ตั้งแต่ 1 KW ถึง 3000 KW โดยสามารถแบ่งตาม spec ดังนี้

1.แบ่งตาม kilowatts : 1 kw -3000 kw

2.แบ่งตาม voltage : 115,120,208,220,380,3300 และ 6600 voltage

3.แบ่งตาม power factor : 0.8 และสามารถออกแบบได้ตามต้องการ

4.แบ่งตาม phase : 1 เฟส,3 เฟส และสามารถออกแบบได้ตามต้องการ

5.แบ่งตาม frequency : 50,60,400 และสามารถออกแบบได้ตามต้องการ

6.แบ่งตาม insulation : class F

7.แบ่งตาม speeds : (60 Hz)  600,720,900,1200,1800,3600 rpm ,(50 Hz) 500,600,750,1000,1500,3000 rpm, (400 Hz) 1200,1500,1600,1714,1846,2400,3428 rpm

8.แบ่งตาม connection : ใช้ single-bearing และ 2-bearing

9.แบ่งตาม enclosures : ใช้พัดลมระบายความร้อนออก โดยการดูดอากาศภายนอกเข้ามาผ่านบริเวณที่ทำงาน(ความร้อนที่เกิดขึ้น) ออกไปบริเวณด้านนอก, และใช้น้ำวนไปขดลวดที่ใช้งาน(ขดลวด stator) เพื่อลดความร้อนที่เกิดขึ้น โดยน้ำที่ผ่านชุดขดลวดอาจไหลด้วย motor-pump เป็นต้น

ส่วนในหัวข้ออื่น เป็นการเลือกใช้โดยอ้างอิงประสิทธิภาพการใช้งาน และหลักทฤษฏีตามหลักการวิศวกรรมไฟฟ้า

10.voltage regulation : การรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า KATO จะมีความสัมพันธ์อยู่ระหว่าง 15% และ 25% ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานจากช่วง no load จนถึง full load .คือช่วงเดิน no load ระดับแรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงในช่วง 0-15%ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน และในกรณีเดิน full load ระดับแรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงในช่วง 0-25%ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน แต่จะกลับเข้าคืนสู่สภาวะ steady-state ไม่เกิน 0.3-0.5 วินาที โดยประมาณ

11.response time : เวลาตอบสนองจากภาระในการใช้โหลด ซึ่งจะมีผลต่อ ความถี่และแรงดันไฟฟ้า ในขณะที่มีการ shock load ซึ่งเวลาที่จะนำค่าความถี่และแรงดันไฟฟ้ากลับคืนสู่สภาวะปกติ คือ  0.3 หรือ 0.5 วินาที

12.phase balance : ความสมดุลระหว่างเฟสจะถูกออกแบบให้แตกต่างกัน เท่ากับ 1% กับโหลดสมดุล

13.Temperature rise: spec ของขดลวด จะมี range การทำงานที่ 40ºc, 50ºc, 60ºc, 70ºc และ 95º เมื่อรวมกับอุณหภูมิภายนอกและทำงานที่ full load แล้ว range ที่กำหนดจะเพิ่มขึ้นไม่เกิน 40ºc.

14.parallel operation: ประสิทธิภาพการทำงานในแบบขนานกัน จะมีการออกแบบขดลวด damper เพื่อลดการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้า เพื่อง่ายต่อการใช้งาน

15.efficiency: ช่วงคือจาก 70 ถึง 96% ประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับขนาดของตัว synchronous generator

17.tests:  KATO อยู่ภายการทดสอบมาตรฐานดังต่อไปนี้

• High Potential
• Open Circuit Saturation
• Winding Resistance
• Phase Balance
• Transient Voltage Dip and Response (with regulator)
• Voltage Regulation (with regulator)
• Phase Rotation
• Insulation resistance

และประสิทธิภาพการทดสอบได้คำนึงถึงทั้งการสูญเสียอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นด้วย

ส่วนในหัวข้อต่อไป จะเป็นหลักการกระตุ้นการเกิดไฟฟ้า เพื่อนำไปใช้งาน

รูปที่ 2 หลักการกระตุ้นแรงดันไฟฟ้า

รูปที่ 3 ขั้นตอนการทำงานของ AVR

จากรูปที่ 2 และ 3 ผมจะไล่การทำงาน ดังนี้

จากหลักการของฟาราเดย์ “เมื่อมีการหมุนตัดกันของสนามแม่เหล็กใดๆ จะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันทางไฟฟ้าขึ้น” เช่นกันเมื่อต้นกำลัง (Prime mover) หมุนที่ 1500 rpm เพลาของต้นกำลัง(Shaft) จะทำให้เพลาของ synchronous generator (Main Rotor, Rectifier, Exciter armature และ PMG rotor) หมุนด้วยความเร็ว  1500 rpm เช่นกัน

รูปที่ 4 เมื่อหมุน 1500 RPM

โดยหลักการทำงานของ PMG (Permanent Magnet Generator) เมื่อ PMG ทั้ง rotor และ stator หมุนตัดกัน จะเกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้า AC ขึ้น โดยเป็นสัญญาณที่ไปเลี้ยงวงจร AVR.

รูปที่ 5 PMG rotor

รูปที่ 6 PMG stator (ชุดขดลวดด้านหลัง)

ซึ่งสัญญาณไฟฟ้า AC (25-230 VAC) ที่ออกมาจาก PMG stator นั้นจะเป็นสัญญาณที่ supply แก่ AVR นั่นเอง (สัญญาณไฟฟ้าเลี้ยงวงจร AVR)

รูปที่ 7

จากนั้นจะเป็นหน้าที่ของวงจร AVR ที่จะทำการสร้างสัญญาณไฟฟ้า AC ยิงกลับไปยังชุด Exciter stator

รูปที่ 8

รูปที่ 9 Exciter stator (ชุดขดลวดด้านหน้า)

จากนั้น ก็ใช้หลักการเหนี่ยวนำเหมือนเดิม โดย Exciter rotor จะสร้างแรงดันไฟฟ้า AC เกิดขึ้นแล้วผ่านวงจร Rectifier เป็นแรงดันไฟฟ้า DC กระตุ้นเข้าสู่ Main rotor

รูปที่ 10

ดังนั้น แรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นจากการกระตุ้นของสัญญาณไฟฟ้า DC ที่ยิงเข้าไป นั้นจะส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนขดลวด stator (Main stator) 400/230 VAC, 50 Hz นั่นเอง ซึ่งแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวก็ถูก sensing ไปยัง AVR ด้วยเพื่อเป็นตัวบ่งบอกการรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงโหลด (no load to full load)

รูปที่ 11

และนี้ก็เป็นส่วนหนึ่งในการ Exciter Synchronous generator 1500 RPM 400/230 VAC ซึ่งหวังว่าคงเป็นประโยชน์ต่อผู้ศึกษาต่อไป

ปล.ถ้าต้องการให้ up-date ข้อมูลเพิ่มเติม ก็แจ้งเข้ามาได้อีกนะครับ

Battery charger

เครื่องประจุแบตเตอรี่แบบอัตโนมัติ 

กล่าวถึงหลักการออกแบบและการทำงานของเครื่องประจุแบตเตอรี่แบบอัตโนมัติ ที่ทำหน้าที่เป็นเครื่อง UPS. ของระบบไฟฟ้ากระแสตรง (DC. Uninterruptible Power Supply) กล่าวคือ สามารถจ่ายพลังงานไฟ DC. (กระแสตรง) เก็บสะสมในหม้อแบตเตอรี่ได้ทั้งการประจุแบบปกติ (Float Charge, Normal Charge) หรือการประจุแบบรุนแรง (Equalizing Charge, Boost Charge) พร้อมๆ กับการจ่ายไฟให้แก่โหลด ที่ต้องการระบบไฟ DC. 

หลักการออกแบบและการทำงาน 

ในภาวะปกติเมื่อระบบไฟที่ใช้กันอยู่เป็นระบบไฟ AC. ถูกแปลงให้เป็นระบบไฟ DC. แล้ว พลังงานไฟฟ้าเหล่านี้จะถูกเก็บสะสมในหม้อแบตเตอรี่ และจ่ายไฟ DC. ให้กับโหลดไปพร้อมๆ กัน ในภาวะที่ระบบไฟ AC. ผิดปกติ เช่น ไฟตก ไฟเกิน หรือไฟดับ แบตเตอรี่ก็จะจ่ายพลังไฟฟ้าให้แก่โหลดทันที และเมื่อไฟ AC. ของการไฟฟ้าฯ กลับสู่สภาวะปกติใหม่อีกครั้งเครื่องประจุแบตเตอรี่ก็จะทำหน้าที่ประจุแบตเตอรี่ใหม่ ทั้งนี้อาจจะเป็นการประจุแบบปกติ หรือประจุแบบรุนแรง ขึ้นอยู่กับการออกแบบระบบ Automatic Equalizing Device (AED.) ขณะเดียวกับที่ความสามารถในการควบคุมระดับแรงดันไฟ DC. ที่จ่ายให้กับโหลดให้มีระดับคงที่อยู่เสมอนั้น ขึ้นกับการออกแบบระบบ Silicon Dropper (SID.) 

หม้อแปลง  

หม้อแปลงทำหน้าที่ปรับแรงดันไฟ AC. เพื่อให้ได้ค่าที่เหมาะสมสำหรับการควบคุมแปลงไฟเป็นไฟ DC. การออกแบบหม้อแปลงตามปกติทั่วไป จะเป็นชนิด Two winding transformer. เพื่อจะไม่ให้มีปัญหากับอาร์โมนิค (Harmonic) ที่ 3 และที่ 5 เกิดขึ้น 

ส่วนแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรง 

วงจรแปลงกระแสนี้ออกแบบเป็นระบบ SCR. Full Wave Rectifier ทั้งนี้การเปิดปิดของ SCR. ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงนี้จะถูกควบคุมด้วยวงจรจุดชนวน (Firing Control Circuit) 

ส่วนวงจรจุดชนวน 

วงจรจุดชนวนFiring Control & Charge Fail Circuit) ทำหน้าที่สร้างสัญญาณไฟจุดชนวน SCR. เพื่อรักษาและปรับระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้คงที่เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า หรือมีการเปลี่ยนแปลงของโหลด ซึ่งมีวงจรการทำงานดังแสดงในรูป 

ส่วนควบคุมภาวะประจุแบตเตอรี่ 

ส่วน AED. นี้ (Automatic Equalizing Device : AED.) มีบทบาทสำคัญต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ เพราะผลจากการประจุแบตเตอรี่ที่ไม่เหมาะสมกับภาวะ หรือชนิดของแบตเตอรี่จะทำให้แบตเตอรี่เสียหายหรืออายุการใช้งานสั้นลงกว่าปกติ หรืออาจมีผลเสียหายต่อการใช้งาน 

การออกแบบจะเลือกชนิดการประจุแบตเตอรี่แบบปกติหรือแบบรุนแรง โดยการนับระยะเวลาที่ไฟ AC. ผิดปกติ หรือดับไป หรือระยะเวลาที่เครื่องประจุแบตเตอรี่ในภาวะรุนแรงมาเปรียบเทียบกับเวลาที่ตั้งไว้ โดยเวลาที่ตั้งนี้จะเลือกพิจารณาความเหมาะสมของภาวะการใช้งาน หรือตามชนิดของแบตเตอรี่ที่ใช้หรือตามชนิดของแบตเตอรี่ที่ใช้ จากวงจรการทำงานดังแสดง ดังนี้ 

1. ปกติทั่วไป เวลาที่ตั้งไว้สามารถตั้งอยู่ในช่วงเวลา 1 นาทีถึง 2 ชั่วโมง 

2. การพิจารณากำหนดระยะเวลาในการประจุแบบรุนแรงช่วงเวลาหนึ่งแล้วกลับคืนสู่การประจุแบบปกติ ทั้งนี้ตามคุณสมบัติทั่วๆ ไปของแบตเตอรี่ หรือความจำเป็นเร่งด่วนในการใช้งานที่มีความจำเป็นที่ต้องประจุแบตเตอรี่แบบรุนแรง เพื่อเพิ่มพลังงานไฟฟ้าที่เก็บสะสมในแบตเตอรี่ถึงระดับหนึ่งแล้วจึงประจุแบบปกติจากการ การออกแบบระยะเวลาในการประจุแบบรุนแรงสามารถตั้งเวลาได้ตามต้องการตั้งแต่ 1 นาทีถึง 72 ชั่วโมง 

 ส่วนควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้คงที่อยู่เสมอ 

ดังที่กล่าวมาแล้ว เครื่องประจุแบตเตอรี่แบบอัตโนมัติทำหน้าที่เป็นเครื่อง UPS. ระบบไฟ DC. ด้วยนั่นเอง เครื่องประจุแบตเตอรี่นี้ จะต้องให้แรงดันไฟ DC. แก่โหลดในค่าปกติที่คงที่ค่าหนึ่ง เช่น 24 V.DC. หรือ  48 V.DC. เป็นต้น ไม่ว่าในขณะนั้น เครื่องประจุแบตเตอรี่กำลังประจุแบตเตอรี่อยู่ในแบบปกติหรือแบบรุนแรงก็ตาม ซึ่งระดับแรงดันที่จ่ายให้แบตเตอรี่ย่อมสูงกว่า 24 V.DC. หรือ 48 V.DC. 

วงจร SID. (Silicon Dropper) จะควบคุมปิดแมกเนติกคอนแทคเตอร์ให้คร่อมไดโอดเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่จะจ่ายแก่โหลด หรือควบคุมปิดแมกเนติกคอนแทคเตอร์ เพื่อให้มีแรงดันไฟฟ้าส่วนหนึ่ง ตกคร่อมไดโอดที่ต่ออนุกรมอยู่กับโหลด จะทำให้แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายแก่โหลดมีค่าลดลง 

การออกแบบได้ออกแบบ Dropper ไว้ 2 ชุด กล่าวคือในภาวะที่ประจุแบตเตอรี่แบบปกติ ไดโอดชุดหนึ่งจะถูกลัดวงจรคร่อมด้วยคอนแทคเตอร์ ส่วนไดโอดอีกชุดจะต่ออนุกรมกับโหลดทำให้มีแรงดันไฟฟ้าเท่ากับที่โหลดต้องการตามพิกัด ส่วนในภาวะที่ประจุแบบรุนแรง คอนแทคเตอร์จะถูกเปิดออกหมด เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าที่คร่อมไดโอดสูงขึ้นตามที่ต้องการในการใช้งานจริง ในกรณีที่เกิดภาวะไฟผิดปกติหรือเกิดไฟดับ แบตเตอรี่จะทำหน้าที่เป็นตัวจ่ายพลังงานทดแทน คอนแทคเตอร์จะคร่อมไดโอดทั้งสองชุด ทำให้แรงดันไฟ DC. ที่จ่ายแก่โหลด จะเท่าแรงดันไฟ DC. ของแบตเตอรี่ในขณะนั้น 

ส่วนตรวจสอบแรงดัน DC. ที่จ่ายให้แก่โหลด 

ในส่วนนี้วงจรจะทำหน้าที่ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่จ่ายแก่โหลดว่า มีค่าสูงหรือต่ำกว่าพิกัดที่ตั้งไว้หรือไม่ ถ้าสูงกว่าหรือต่ำกว่า หลอด LED ก็จะแสดงให้ทราบว่าเกิดภาวะไฟผิดปกติขึ้นในเครื่องประจุแบตเตอรี่ ซึ่งอาจจะป้องกันโดยตัดโหลดออกก็ได้ โดยเพิ่มแมคเนติคคอนแทคเตอร์อีกตัวหนึ่ง ทำการตัดต่อไฟที่จะจ่ายแก่โหลด