Unit 3

1. Unit 3 การควบคุมความเร็วและกลับทิศทาง มอเตอร์กระแสสลับ

2. ปัจจุบันงานอุตสาหกรรม มีการนำเครื่องจักรมาใช้ในงานผลิต เช่น งานเจาะ, งานกลึง, งานสายพานลำเลียง, ลิฟท์เคลื่อนย้ายวัตถุ เป็นต้น งานต่าง ๆ เหล่านั้นมีจำเป็นต้องใช้มอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งมีความจำเป็นต้องนำวิธีการควบคุมความเร็วและทิศทางมาใช้ เพราะงานบางประเภทต้องความเร็วรอบต่ำหรือการหมุนกลับทิศทาง

3. ซึ่งวิธีการควบคุมความเร็วและทิศทางมีวิธีการดังนี้ซึ่งวิธีการควบคุมความเร็วและทิศทางมีวิธีการดังนี้ • 1. การควบคุมความเร็วทางด้านสเตเตอร์ • 2. การควบคุมทางด้านทางด้านโรเตอร์

4. 3.1 การควบคุมความเร็วทางด้านสเตเตอร์ 3.1.1 การปรับเปลี่ยนแรงดันที่ขั้วของมอเตอร์ แรงบิดถูกสร้างขึ้นเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแรงดันที่ขั้วมอเตอร์ เมื่อลดแรงดันที่ขั้วของมอเตอร์ทำให้แรงบิด-อัตราเร็ว ลดลงเป็นกำลังสองของแรงดัน ดังรูปที่ 1 วิธีนี้ควบคุมได้เฉพาะอัตราเร็วที่ต่ำกว่าพิกัดเท่านั้น นิยมใช้กับ โบลเวอร์(blower) และปั๊มแรงเหวี่ยง(centrifugal pump)

6. 3.1.2 การปรับเปลี่ยนจำนวนขั้วแม่เหล็ก การเปลี่ยนการต่อสายของขดลวดทำให้ขั้วแม่เหล็กที่สเตเตอร์เปลี่ยนแปลง ความเร็วรอบของมอเตอร์จะเปลี่ยนแปลงในลักษณะเป็นขั้น ๆ วิธีนี้ใช้เฉพาะมอเตอร์แบบโรเตอร์กรงกระรอก รูปที่ 2 การควบคุมความเร็วของมอเตอร์เหนี่ยวนำ โดยปรับเปลี่ยนขั้วแม่เหล็ก

7. 3.1.3 การปรับเปลี่ยนความถี่ จากสมการ NS = 120f/P พบว่าอัตราเร็วซิงโครนัสเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ f ของแหล่งจ่าย เมื่อความถี่ต่ำกว่าความถี่พิกัด ค่ารีแอกแตนซ์ของมอเตอร์ลดลง ทำให้กระแสสูงขึ้นส่งผลให้เส้นแรงแม่เหล็กใน Air gap เพิ่มขึ้น ทำให้แรงบิดสูงขึ้น ความเร็วรอบจะสูงขึ้น ในทำนองกลับกัน เมื่อความถี่สูงกว่าความถี่พิกัด ค่ารีแอกแตนซ์ของมอเตอร์สูงขึ้น ทำให้กระแสลดลงส่งผลให้เส้นแรงแม่เหล็กใน Air gap ลดลง ทำให้แรงบิดลงดลง ความเร็วรอบจะต่ำลงเรียกวิธีนี้ว่า โวลต์ต่อเฮิร์ทซ์(V/Hz)

8. รูปที่ 3 การควบคุมความเร็วของมอเตอร์เหนี่ยวนำ โดยปรับเปลี่ยนความถี่

9. 3.2 การควบคุมทางด้านทางด้านโรเตอร์ 3.2.1 การปรับเปลี่ยนความต้านทานโรเตอร์ วิธีนี้ใช้เฉพาะมอเตอร์ชนิดโรเตอร์พันขดลวดเท่านั้น โดยการต่อ ความต้านทานอนุกรมกับวงแหวนสลิป ทำให้แรงบิดของมอเตอร์เพิ่มขึ้น ดังรูป 4 รูปที่ 4 การควบคุมความเร็วของมอเตอร์เหนี่ยวนำ โดยปรับเปลี่ยนความต้านทานโรเตอร์

10. 3.2.2 การฉีดแรงดันในวงจรโรเตอร์ วิธีการนี้การป้อนหรือฉีดแรงดันไฟฟ้าเข้าโรเตอร์ของมอเตอร์ โดยโหมดการทำงานมีอยู่ 4 แบบดังรูปที่ 5 รูปที่ 5 โหมดการขับเคลื่อนของมอเตอร์เหนี่ยวนำกับการฉีดแรงดันที่โรเตอร์

11. รูปที่ 6 กราฟแสดงความสัมพันธ์ความเร็วกับแรงดันดันที่ฉีดเข้าไปในโรเตอร์

12. จากหลักการควบคุมทั้งหมดที่กล่าว ได้ประยุกต์โดยนำวงจรอิเล็กทรอนิกส์มาควบคุมความเร็วและทิศทางของมอเตอร์เหนี่ยวนำ ซึ่งวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่นิยมใช้กัน คือ วงจรไซโคลนคอนเวอร์เตอร์ และวงจรอินเวอร์เตอร์ ในส่วนของหลักการทำงานของวงจรทั้งสองมีดังนี้

13. 3.3 วงจรไซโคลคอนเวอร์เตอร์(Cycroconverter) อาศัยหลักการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับระดับหนึ่ง ไปเป็นอีกระดับหนึ่งซึ่งความถี่ที่ใช้งานเหมือนเดิม หรือเรียกว่า AC-Chopper ดังรูปที่ 7 รูปที่ 7 หลักการทั่วไปของ AC-AC Converter

14. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นิยมนำมาทำเป็นวงจรดังกล่าวคือ เอสซีอาร์ และไตรแอคซึ่งคุณสมบัติมีการทำงานได้ในไฟฟ้ากระแสสลับโดยควบคุมเฟสและควบคุมความถี่ได้ การทำงานของวงจรไซโคลคอนเวอร์เตอร์ในระบบไฟฟ้า 1 เฟส ดังรูปที่ 8 การวางอุปกรณ์แบ่งเป็นกลุ่มทางด้านบวกและทางด้านลบ โดยอาศัยการจุดทริกที่เวลาจาก 00 ถึง 1800 วงจรทั้งสองด้านจะทำงานสลับกันดังรูปที่ 9

15. รูปที่ 8 วงจรไซโคลคอนเวอร์เตอร์เฟสเดียว

16. รูปที่ 8 การทำงานของไซโคลคอนเวอร์เตอร์เฟสเดียว

17. รูปที่ 9 การทำงานของคอนเวอร์เตอร์ทั้ง 2 วงจรที่ มุมทริก 0 องศา ถึง 180 องศา

18. สำหรับหลักการควบคุมแรงดันไฟสลับ ด้วยไซโคลคอนเวอร์เตอร์แบบสามเฟส ทำได้โดยนำไซโคลคอนเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว 3 วงจรนำมาต่อโดยให้มุมห่างกัน 120 องศา ทางไฟฟ้าดังรูปที่ 10 รูปที่ 10 ไซโคลคอนเวอร์เตอร์แบบ 3 เฟส

19. จากรูปที่ 10 วงจรแต่ละเฟสมี เอสซีอาร์ทั้งหมด 6 ตัว ซึ่งแบ่งเป็น 2 ชุดด้านบวกและด้านลบ ทั้งสองจะทำงานพร้อมกัน เนื่องคอนเวอร์เตอร์ด้านบวกและด้านลบทำงานอิสระกัน จึงทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างแรงดันเอาท์พุตแต่ละชุดที่เวลาเดียวกัน ทำให้เกิดการลัดวงจรได้ ดังนั้นจึงนำค่าความเหนี่ยวนำมาต่อไวระหว่างกลุ่มดังรูปที่ 11

20. รูปที่ 11 การนำค่าความเหนี่ยวนำมาต่อระหว่างคอนเวอร์เตอร์ด้านบวกและด้านลบ

21. จากวงจรคอนเวอร์เตอร์แบบ 3 เฟส แรงดันเอาท์พุทที่ได้จะเป็นดังรูปที่ 12 รูปที่ 12 แรงดันเอาท์พุทที่ได้จากวงจรไซโคลคอนเวอร์เตอร์ 3 เฟส

22. 3.3.1 คุณสมบัติของไซโคลคอนเวอร์เตอร์ ข้อดี • ทำงานอาศัยการสับเปลี่ยนการนำกระแสด้วยแรงดันสาย • (line commutation) จึงไม่ต้องสร้างวงจรบังคับการเปลี่ยน • การนำกระแส(force commutation) • - กำลังสูญเสียต่ำไม่ต้องคำนึงถึงค่า P.F. มากนัก • - เมื่อฟิวส์ที่เอสซีอาร์ขาด ไม่จำเป็นต้องปิดระบบไฟฟ้า • - แรงดันเอาท์พุตรูปคลื่นซายน์ความถี่ต่ำมีคุณภาพสูง

23. ข้อเสีย • - ความถี่สูงสุดต่ำกว่า 1/3 ของความถี่อินพุต • เมื่อมีเอสซีอาร์หลายตัว ทำให้การทริกมุม ทำได้ยาก • และซับซ้อน • - ค่า P.F.ทางด้านอินพุตต่ำ

24. 3.4 วงจรอินเวอร์เตอร์(Inverter) โดยอาศัยหลักการเบื้องต้น ในการเปลี่ยนไฟกระแสสลับเป็นกระแสตรง แล้วเปลี่ยนไฟกระแสตรงให้เป็นไฟกระแสสลับ ดังรูปที่ 13 รูปที่ 13 หลักการเบื้องต้นของอินเวอร์เตอร์

25. อินเวอร์เตอร์ที่ใช้งานในปัจจุบันแบ่งเป็นประเภทใหญ่ ๆ 2 ประเภทคือ 1.อินเวอร์เตอร์แบบแหล่งจ่ายแรงดัน (Voltage source inverter) 2.อินเวอร์เตอร์แบบแหล่งจ่ายกระแส (Current source inverter)

26. 3.4.1. อินเวอร์เตอร์แบบแหล่งจ่ายแรงดัน (Voltage source inverter) แบ่งเป็น 2 ชนิดคือ 1. แบบรูปคลื่นสี่เหลี่ยม (Square wave inverter) 2. แบบมอดูเลตความกว้างพัลส์ (Pulse-width modulation inverter)

27. รูปที่ 14.1 วงจรแบบรูปคลื่นสี่เหลี่ยม(Square wave inverter)

28. รูปที่ 14.2แบบรูปคลื่นสี่เหลี่ยม(Square wave inverter) การทำงานอาศัยคุณสมบัติของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการสวิตซ์ จากรูปที่ 14 มุมทริกเริ่มที่ 00 ถึง 1800 สัญญาณแรงดันเอาท์พุตเป็นดังรูปที่ 14 โดยในการทริกต้องให้แต่ละเฟสต่างกัน1200 ทางไฟฟ้า

29. รูปที่ 15 แบบมอดูเลตความกว้างพัลส์(Pulse-width modulation inverter)

30. จากรูปที่ 15 เป็นอินเวอร์เตอร์แบบ PWM โดยการเปรียบเทียบกับสัญญาณอ้างอิงซึ่งเป็นคลื่นซายน์กับสัญญาณสามเหลี่ยม ซึ่งผลที่ได้เป็นดังรูปที่ 16 รูปที่ 16 หลักการ PWM เบื้องต้น

31. ซึ่งสัญญาณที่เปรียบเทียบจะนำไปควบคุมสวิตซ์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่นทรานซิสเตอร์,เอสซีอาร์, มอสเฟต, ไอจีบีที เป็นต้น เป็นส่วนของวงจรขับโหลด(Drive) เมื่อมีการเปลี่ยนความถี่ของสัญญาณอ้างอิงและสัญญาณเปรียบเทียบ สัญญาณที่ได้จะมีความถี่เปลี่ยนไปดังรูปที่ 17

32. รูปที่ 17 สัญญาณที่เปรียบเทียบได้

33. 3.4.2.อินเวอร์เตอร์แบบแหล่งจ่ายกระแส (Current source inverter) หลักการพื้นฐานอินเตอร์แบบแหล่งจ่ายกระแส โดยการป้อนแหล่งจ่ายกระแสเข้าไป สวิตซ์จะนำกระแสตามลำดับเฟสซึ่งต่างกัน 60 องศา และต่างเฟสทางไฟฟ้า 120 องศา ซึ่งสวิตซ์ที่ใช้เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ทรานซิสแตอร์,มอสเฟต,ไอจีบีที เป็นต้น ดังรูปที่ 18

34. รูปที่ 17.1 วงจรอินเวอร์เตอร์แบบแหล่งจ่ายกระแส

35. รูปที่ 17 อินเวอร์เตอร์แบบแหล่งจ่ายกระแส