รายงาน ว ิชา เคร ื่องกลไฟฟ้ า 1 เสนอ อาจารย์ นพพร เมฆเพ็ง นาย สามารถ น่วมทอง รหัสประจ าตัวนักศึกษา 653010400202 ประเภทวิชา อุตสาหกรรม สาขาวิชา ไฟฟ้า สาขางาน ไฟฟ้าก าลัง วิทยาลัยสารพัดช่างสุโขทัย
คำนำ รายงานนี้เป็นส่วนหนึ่ง ของรายวิชา 30104-2003 เครื่องกลไฟฟ้า1 เพื่อการศึกษาหาความรู้ใน เรื่องเครื่องกลไฟฟ้า1 และได้ศึกษาอย่างเข้าใจเพื่อประโยชน์กับการเรียน ผู้จัดทำหวังว่า รายงานเล่มนี้จะเป็นประโยชน์กับผู้อ่าน หรือนักเรียน นักศึกษาที่กำลังหาข้อมูลเรื่องนี้ อยู่ หากมีข้อแนะนำหรือข้อผิดพลาดประการใด ผู้จัดทำน้อมรับไว้และขออภัยมา ณ ที่นี้ด้วย ผู้จัดทำ นาย สามารถ น่วมทอง
สารบัญ เรื่อง หน้าที่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง............................................................................... 1 การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้ารูปคลื่นซายน์ (Sine Wave)................................................ 5 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสกระแสตรงชนิดกระตุ้นภายนอก................................... 6 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสกระแสตรงชนิดกระตุ้นในตัวเอง................................... 7 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสกระแสตรงแบบขนาน................................................... 7 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสกระแสตรงแบบนุกรม................................................... 7 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสกระแสตรงแบบผสม..................................................... 7 มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง มอเตอร์ไฟฟ้า(Electric motor)................................................................................. 8 ประเภทมอเตอร์ไฟฟ้า.......................................................................................... 8 หลักการทำงานมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง............................................................. 8 หม้อแปรงไฟฟ้ากระแสตรง หม้อแปลงไฟฟ้าและเครื่องมือวัดทางไฟฟ้า........................................................ 11 ชนิดของกระแสไฟฟ้า.................... ............................................................... 11-14
-1- เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แบ่งออก 2 แบบ ด้วยกัน เครื่องกำเนิดไฟกระแสตรง และ เครื่องปั่นไปกระสลับ แต่ทั้งสองมีอะไรที่แตกต่างกัน ทั้งระบบการ ทำงาน ส่วนประกอบของเครื่องปั่นไฟส่วนต่างๆ ที่มีความสำคัญช่วยขับเคลื่อนการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้ง 2 แบบ แบบไหนเหมาะกับงานประเภทไหน วันนี้จะได้ไขข้อกระจ่างเกี่ยวกับเครื่อง กำเนิดไฟทั้งแบบกระแสตรง และเครื่องเนิดไฟฟ้ากกระแสสลับโดยทั่วไปแล้ว คนส่วนใหญ่ เรียกเครื่องกำเนิด ไฟฟ้า เป็นเครื่องปั่นไฟ หรือเครื่องกำเนิดไฟ ที่ให้ความสว่างหรือผลลิตกระแสไฟให้เครื่องมือใช้ไฟฟ้าต่างๆ ที่จำเป็น แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีความสำคัญยังไงในปัจจุบันเพราะปัจจุบันทั่วไปมีไฟฟ้าที่เพียงพอต่อการใช้ งานในระยะเวลาที่ยาวนาน และไม่มีปัญหา แต่สิ่งต่างๆอาจเกิดขึ้นได้อย่างคาดไม่ถึง เช่นโรงพยาบาลที่ต้องใช้ กระแสไฟฟ้าตลอด 24 ชั่วโมง หรือบางส่วนอาจขาดไฟฟ้าไม่ได้เลย เพื่อรักษาวัคซีนเป็นต้น ไฟฟ้าจึงมี ความสำคัญอย่างยิ่ง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสตรง หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้านั้น ไม่ว่าจะเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง หรือเครื่องกำเนิด ไฟฟ้ากระแสสลับต่างก็มีหลักการทำงานเหมือนกัน คือ การนำขดลวดอาร์เมเจอร์และขดลวดสนามแม่เหล็ก เคลื่อนที่ตัดผ่านกัน จึงจะได้พลังงานไฟฟ้าออกมา นั่นแปลว่า จะต้องมีขดลวดชุดหนึ่งอยู่กับที่ และมีขดลวดชุด หนึ่งที่หมุนเคลื่อนที่ โดยปกติแล้วเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง จะถูกออกแบบให้กำเนิดไฟฟ้าในลักษณะให้ขดลวดอาร์ เมเจอร์เป็นส่วนที่หมุนส่วนที่อยู่กับที่ คือขดลวดสนามแม่เหล็ก เมื่อพลังงานกลจากต้นกำลังหมุนขับเพลาส่ง กำลัง ไปยังแกนขดลวดอาเมเจอร์แรงหมุน ของแกนอาร์เมเจอร์จะมีการเคลื่อนที่ตัดผ่านสนามแม่เหล็กที่ถูก ปล่อยออกมาจากขดลวดแม่เหล็ก แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ จะมีลักษณะการทำงานที่แตกต่างกัน คือ ขดลวดอาร์เมเจอร์จะเป็นส่วนที่อยู่กับที่หรือจะเป็นส่วนที่เคลื่อนที่ก็ได้ และส่วนที่ หมุนเคลื่อนที่ก็คือขดลวด สนามแม่เหล็ก ถึงแม้ว่าลักษณะการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้ง 2 ชนิดจะมีความแตกต่างกัน แต่มี หลักการเดียวกันในการกำเนิดพลังงานไฟฟ้า โครงสร้างและส่วนประกอบ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสตรง ลักษณะการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงนั้น แกนเหล็ก ขดลวดอาร์เมเจอร์จะเป็นส่วนที่ เคลื่อนที่ตัดผ่านสนามแม่เหล็ก ขดลวดแม่เหล็กจึงจะเป็นส่วนที่อยู่กับที่ ซึ่งจะยึดติดอยู่กับโครงเครื่อง ประกอบ ที่สำคัญของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงจะมีอยู่ 4 ส่วนด้วยกัน
-2- อาร์เมเจอร์ (ส่วนที่หมุน หรือโรเตอร์) ส่วนที่ผลิตแรงเคลื่อนไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้า) โดยการหมุนตัดผ่านกับ สนามแม่เหล็ก ซึ่งโครงสร้างของอาร์เมเจอร์จะประกอบด้วยแกนเหล็ก และขดลวด รวมกันเป็นชุดแกนขดลวด อาร์เมเจอร์ หรือโรเตอร์ (Rotor) ของ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แกนเหล็กอาร์เมเจอร์จะผลิตจากแผ่นเหล็กซิลิคอน โดยแผ่น ขนาดความหนาที่ประมาณ 0.5 มิลลิเมตร ผิว ทั้งสองด้านของแกน ด้วยฉนวนไฟฟ้า (วานิช) แล้วนำแผ่นเหล็กมาอัดซ้อนกันเป็นรูปทรงกลม จะต้องอัดแผ่น เหล็กซิลิคอนให้ขึ้นรูปทรงกระบอก ก็เพื่อลดการสะสม ฮิสเตอรีซิส (Hysteresis Loss) หรือการสูญเสียของ เส้นแรงแม่เหล็ก จากขดลวดที่มีกระแสไหลวนในแกนเหล็ก (Eddy Current Loss) นอกจาก ด้านนอกของ แกนแผ่นเหล็กทรงกระบอก จะทำเป็นร่องเรียงตามแนวเส้น รอบนอกของแผ่นแกนเหล็ก เพื่อใช้ในการพัน ขดลวดอาร์เมเจอร์ ทั้งนี้ ร่อง ตามแนวเส้นรอบวงรอบนอกของแกนเหล็กจะมี ลักษณะอยู่ 2 แบบ คือ 1. ร่องแบบกึ่งปิด จะใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็ก หรือเครื่องกลไฟฟ้าที่มีความเร็วรอบสูง 2. ร่องแบบเปิด จะใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดกลางและขนาดใหญ่ ขดลวดอาร์เมเจอร์จะผลิตจากเส้นลวดทองแดงที่ฉาบด้วยฉนวนไฟฟ้า สำหรับลักษณะเส้นลวดทองแดงนั้น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็ก หรือที่มีกำลัง ไฟใช้งานไม่สูงมากนัก จะใช้เส้นลวดทองแดงพื้นที่หน้าตัดกลม แต่ สำหรับเครื่อง กำเนิดไฟฟ้าที่มีกำลังไฟใช้งานสูง จะใช้เส้นลวดทองแดงพื้นที่หน้าตัดสี่เหลี่ยมแบน โดยลักษณะของขดลวดอาร์เมเจอร์จะเป็นดังนี้ 1. ขดลวดอาร์เมเจอร์ที่พันไว้ล่วงหน้า หรือฟอร์มคอยล์ (Form Coil) 2. ส่วนขดลวดอาร์เมเจอร์ที่บรรจุลงในร่อง คือคอยล์ไซด์ (Coil Side) 3. ขดลวดอาร์เมเจอร์ในส่วนที่เหลือทั้งสองด้าน (หัวและท้าย) โดยสอดไว้ที่ปากร่อง เนื่องจากป้องกัน ไม่ให้ขดลวดอาร์เมเจอร์หลุดออกจากร่อง ในขณะที่เกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางตอนหมุนทำงาน
-3- ขั้วแม่เหล็ก (ส่วนที่อยู่กับที่ หรือสเตเตอร์) ส่วนที่สร้างสนามแม่เหล็ก โดยขั้วแม่เหล็กจะเป็นส่วนที่อยู่กับที่ และยึดติดกับโครงเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง โครงเครื่อง (Frame or Yoke) โครงส่วนที่ยึดแกนของขั้วแม่เหล็กและฝาครอบเครื่อง อีก ทั้งยังเป็นทางผ่าน ของสนามแม่เหล็กเพื่อให้เกิดการเดินครบวงจรของเส้นแรงแม่ เหล็ก โดยปกติแล้วโครงเครื่องจะผลิตจาก เหล็กหล่อ หรือเหล็กแผ่นที่โค้งงอเป็นทาง กระบอก แล้วเชื่อมยึดรอยต่อเข้าด้วยกัน นอกจากนี้สําหรับเครื่อง กําเนิดไฟฟ้าขนาด ใหญ่ จะออกแบบให้โครงเครื่องเป็นสอง ส่วน เพื่อสะดวกในการขนย้าย โดยโครง เครื่อง ส่วนหนึ่งจะเป็นส่วนบน อีกส่วนจะ เป็นส่วนล่าง ซึ่งจะสามารถประกอบโครง เครื่องได้ด้วยนอตและสกรู แกนขั้วแม่เหล็ก และ Pole Shoes และส่วนปลายของแกนขั้วแม่เหล็กที่ โค้งรับรูปกลมของแกนอาร์เมเจอร์ (Pole Shoes) จะผลิตจากเหล็กแผ่นลามิเน็ต ปั๊มเป็นแกนของขั้วแม่เหล็กและ Pole Shoes ให้ประกอบเป็น แผ่นเดียวกัน โดย ส่วนยื่นออกจากขอบทั้งสองข้างด้านหน้าของขั้วแม่เหล็ก ซึ่งจะมีลักษณะโค้งรับ รูปกลมของ แกนอาร์เมเจอร์ คือ Pole Shoes Pole and Pole Shoe ขดลวดสนามแม่เหล็ก คือ ขดลวดฟิลด์ที่พันรอบแกนของทุกขั่วแม่เหล็กหลัก โดยขดลวดฟิลด์จะหุ้มฉนวน ด้วยวัสดุอย่างเทปผ้าฝ้าย และอาบด้วย น้ำยาวานิชแล้วนำไปอบแห้ง จากนั้นนำ ไปสวมเข้ากับแกนขั้วแม่เหล็ก ทั้งนี้การ ต่อขดลวดฟิลด์แต่ละขั้วเข้าด้วยกัน ซึ่ง ขดลวดจะพันรอบขั้วแม่เหล็กหลัก จะต้องต่อให้เกิดขั้วเหนือ กับขั้วใต้สลับกัน หรือ ขั้วที่อยู่ติดกันจะต้องเป็นขั้วที่ต่างชนิดกัน คอมมิวเตเตอร์ส่วนที่ทำหน้าที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับใน ขดลวดอาร์เมเจอร์ให้เป็นแรงดันไฟฟ้า กระแสตรง นอกจากนี้คอมมิวเตเตอร์ทำ หน้าที่เรียงกระแสไฟฟ้า โดยคอมมิวเตเตอร์จะผลิตจากแท่งทองแดง ซึ่งแต่ละ จะมีคว้านลักษณะรูปลิ่ม เพื่อสะดวกในการนำมาประกอบเป็นรูปทรงกระบอก แต่จะมีแผ่นไมก้า คั่นกลางไว้ในแต่ละซี่ ทั้งนี้ ความหนาของซีคอมมิวเตเตอร์จะอยู่ กับขนาดกำลังไฟใช้งานของเครื่องกำเนิด ไฟฟ้า รวมถึง Voltage ระหว่างซีคอมมิวเตเตอร์ที่อยู่ประชิดกับโครงสร้างภายในของคอมมิวเตเตอร์
-4- คอมมิวอร์ แปรงถ่าน สำหรับแปรงถ่านและชุดยึด แปรงถ่าน จะมีหน้าที่ต่อวงจรปิด ลวดอาร์เมเจอร์กับวงจรภายนอก เข้าด้วยกัน โดยแปรงถ่านจะสัมผัส กับผิวหน้าของคอมมิวเตเตอร์อยู่ ตลอด ทั้งนี้ แปรงถ่านจะผลิตจาก วัสดุ2 ชนิด คือ คาร์บอนและแกรไฟต์ โดย แปรงถ่านชนิดที่ทำจากผงถ่านคาร์บอนบริสุทธิ์ จะเหมาะสำหรับ ใช้กับเครื่อง กำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็ก ที่มีขนาดกำลังไฟใช้งานต่ำ ส่วนแปรงถ่านที่ผลิตจาก แกรไฟต์ ซึ่งเป็นการ เพิ่มปริมาณความร้อนให้ผงถ่านคาร์บอนบริสุทธิ์จนเปลี่ยน สภาพเป็นแกรไฟต์ เป็นการเพิ่มคุณสมบัติให้แปรง ถ่านดียิ่งขึ้น แปรงถ่านแกรไฟต์ จึงเหมาะสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีขนาดกำลังไฟใช้งานสูง แต่ มีVoltage ต่ำ โดยแปรงถ่านจะถูกยึดให้อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสมโดยชุดยึดแปรงถ่าน และจะ มีสปริงกด แปรงถ่านให้สัมผัสกับผิวหน้าคอมมิวเตเตอร์อยู่ตลอด ซึ่งด้านบนของ แปรงถ่านจะมี เส้นลวดทองแดงฝอยถักเชื่อมต่อระหว่างแปรงถ่านกับชุดยึดแปรงถ่าน อีกทั้งจะต้องติดตั้งชุดยึดแปรงถ่านกับ แท่งตัวนำที่ยึดติดอยู่กับแขนร็อก (Rocker Arm) นอกจากนี้ปริมาณกระแสต่อพื้นที่แปรงถ่านนั้น จะขึ้นอยู่กับ ของแปรงถ่านที่ใช้ด้วย โดยแปรงถ่านคาร์บอนจะสามารถรับกระแสได้ประมาณ 4-7 แอมป์ต่อตาราง เซนติเมตร ส่วนแปรงถ่านแกรไฟต์จะสามารถรับกระแสได้ ประมาณ 8-12 แอมป์ต่อตารางเมตร เช่นนั้น ใน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีขนาด กำลังไฟใช้งานสูง จะต้องเพิ่มจำนวนชุดแปรงถ่านในแต่ละแท่งตัวนำบนแขนของ ร็อกเกอร์ด้วย
-5- แปรงถ่าน เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ลับ การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้ารูปคลื่นซายน์ (Sine Wave) แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงนั้น จะสร้างแรงเคลื่อนเอาต์พุตรูปคลื่นซายน์ขึ้น จากนั้นจึง จะถูกเปลี่ยนให้เป็นแรงเคลื่อนไฟกระแสตรงด้วยคอมมิวเตเตอร์ การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้ารูปคลื่นซายน์เมื่อขดลวดมีการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ จะได้รูปคลื่นซายน์ครบ 1 รูป พอดี โดยจะทำให้เกิดแรงเคลื่อนรูปซายน์ขึ้นในวงขดลวด และจะมีทิศทางแรงเคลื่อน ไฟฟ้าตามที่แสดงให้ใน รูปด้านบน และกระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำไปเรื่อยๆ ใน แต่ละรอบของการเคลื่อนที่ การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้ารูปคลื่นซา
-6- การเปลี่ยนแรงเคลื่อนไฟสลับของคอมมิวเตเตอร์และแปรงถ่าน คอมมิวเตเตอร์ จะทำหน้าที่เปลี่ยนแรงเคลื่อนไฟสลับที่เกิดขึ้นภายในวงขดลวด ให้เป็นแรงเคลื่อน ไฟตรง (DC) ซึ่งจะเชื่อมต่อระหว่างแปรงถ่านกับวงขดลวด โดยคอมมิวเตเตอร์มีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยน ไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง ส่วนแปรงถ่านนั้น จะทำหน้าที่เชื่อมต่อแรงเคลื่อนของกองกำเนิด ไฟฟ้าไปยังวงจรภายนอก โดยแปรงถ่านแต่ละอันจะต้องเชื่อมเข้ากับปลาย แต่ละข้างของวงขดลวด แต่ทั้งนี้ แปรงถ่านไม่สามารถเชื่อมต่อเข้ากับวงขดลวดโดยตรง เนื่องจากวงขดลวดเป็นส่วนที่หมุนเคลื่อนที่ เช่นนั้น แปรงถ่านทั้งสองด้านจึงถูกต่อเชื่อมโยงเข้ากับปลายทั้งสองของวงขดลวด โดยผ่านคอมมิวเตเตอร์แทนลักษณะ ของคอมมิวเตเตอร์นั้น รงถ่าน นอกจากนี้การทำงานของคอมมิวเตเตอร์และแปรงถ่าน ที่ทำให้ได้แรงเคลื่อนเอาต์พุต ในขณะที่แปรงถ่านแต่ ละอันผ่านจากซี่คอมมิวเตเตอร์หนึ่ง ไปอีกซี่หนึ่ง ช่วงระยะเวลาหนึ่งแปรงถ่านจะสัมผัสกับซี่ทั้งสองของคอมมิว เตเตอร์พร้อมๆ กัน ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าจำนวนมาไหลในวงขดลวด ที่เป็นเช่นนี้เพราะแปรงถ่านทั้งสอง อันจะลัดวงจรปลายทั้งสองของวงขดลวดเข้าด้วยกันโดยตรง เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงชนิดกระตุ้นภายนอก เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงชนิดกระตุ้นจากภายนอก จะมีหลักการถอดไฟฟ้าโดยการได้รับ กระแสไฟฟ้ากระตุ้นขดลวดสนามแม่เหล็กจากแหล่งไฟฟ้ากระแสตรงภายนอก ซึ่งต่อเข้าที่ขั้วของขดลวด สนามแม่เหล็ก ทั้งนี้ แหล่งจ่ายที่ใช้สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงคือแบตเตอรี่ หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสตรงขนาดเล็ก จะมีตัวกระตุ้นการทำงานที่ติดอยู่กับตัวเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเรียกว่า เอ็กไซเตอร์ (Exciter)
-7- เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงชนิดกระตุ้นในตัวเอง เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงชนิดกระตุ้นในตัวเอง มีหลักการโดยขดลวด สนามแม่เหล็กจะถูกกระตุ้น โดยอาศัยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง จากการเหนี่ยวนำ ของสนามแม่เหล็กที่ตกค้างภายในตัวเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เอง เมื่ออาร์เมเจอร์หมุน ทำงาน จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นเล็กน้อย และจะเกิดกระแสไฟฟ้า เหนียว นำขึ้นเล็กน้อยเช่นกัน เช่นนั้น กระแสไฟฟ้าเล็กน้อยที่เกิดขึ้นนี้ จะไหลผ่าน ขดลวดสนามแม่เหล็กทำให้เกิด สนามแม่เหล็กขึ้น โดยสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นนี้ จะช่วยเสริมสนามแม่เหล็กซึ่งตกค้างที่ขั้วแม่เหล็ก จึงทำให้ สนามแม่เหล็กมีความ เข้มขึ้น ส่งผลให้เกิดการเหนี่ยวนำตามด้วยการเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเพิ่ม มาก ขึ้นเรื่อยๆ ทั้งนี้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงชนิดกระตุ้นในตัวเอง ยังสามารถแบ่ง ได้ตามลักษณะการต่อ ขดลวดสนามแม่เหล็กได้เป็น 3 แบบ โดยจะมีการเรียก ชื่อของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบกระตุ้น ภายในตัวเองในแต่ละแบบ จะ มีความสัมพันธ์สอดคล้องกับวิธีการต่อขดลวดสนามแม่เหล็กเข้ากับขดลวดอาร์ เมเจอร์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบขนาน (Shunt DC.Generator) หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงชนิดกระตุ้นในตัวเอง แบบขนาน คือ เมื่อขดลวด สนามแม่เหล็กต่อขนานกับขดลวดอาร์เมเจอร์ และ เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เช่นนั้น จึงมีการเรียก เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแส ตรงชนิดนี้ว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบขนาน โดยค่าของกระแสไฟฟ้า กระตุ้นขดลวดสนามแม่เหล็กในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบขนานจะขึ้น อยู่กับแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต และความต้านทานของขดลวดสนามแม่เหล็ก ซึ่งปกติ แล้วกระแสไฟฟ้าที่กระตุ้นขดลวดสนามแม่เหล็กจะถูก ควบคุมให้มีค่าในระหว่าง 0.5-5 เปอร์เซ็นต์ของกระแสไฟฟ้าที่โหลด เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบอนุกรม (Series DC Generator) หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงชนิดกระตุ้นในตัว แบบอนุกรม คือ ขดลวดสนามแม่เหล็กต่อ อนุกรมกับขดลวดอาร์เมเจอร์ และ เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เช่นนั้น จึงได้มีการเรียกชื่อเครื่องกำเนิด ไฟฟ้า ชนิดนี้ว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบอนุกรม กระแสไฟฟ้ากระตุ้นขดล สนามแม่เหล็กที่ไหลผ่าน ขดลวดสนามแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบนี้อยู่ เป็นค่าเดียวกันกับกระแสไฟฟ้าที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้า จ่ายให้กับโหลด จึงทำให้เรา ดันไฟฟ้าเอาต์พุตมีค่าขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านโหลด เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบผสม (Compound DC.Generator) เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบผสม คือ การนำข้อดีของเครื่องกำเนิด ไฟฟ้ากระแสตรงแบบขนานและแบบ อนุกรมมารวมอยู่ในเครื่องเดียวกัน กลาย เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบผสม ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ดียิ่งขึ้น ทั้งนี้ จะสามารถแบ่ง ชนิดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบผสมตามลักษณะการต่อวงจรของขด ลวด สนามแม่เหล็กได้2 ลักษณะดังนี้ 1. เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบผสมต่อแบบลองซันต์ (Long Shunt DC. Compound Generator) วงจรเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบผสมต่อแบบลองชันต์ 2. เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบบผสมต่อแบบชอร์ตชั้นต์ (Short Shunt DC. Compound Generator)
-8- มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง มอเตอร์ไฟฟ้า (Electric Motor) คือ อะไร? มอเตอร์ไฟฟ้า (Electric Motor) คือ อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากแหล่งจ่าย ของมอเตอร์ เป็นพลังงานจลน์ ซึ่งการแปลงพลังงานดังกล่าวนี้จะทำให้เกิดการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้าได้ ซึ่ง มอเตอร์ไฟฟ้ามีหลายประเภทที่สามารถนำไปใช้งานในทั้งบ้านเรือนและอุตสาหกรรมต่างๆ ตัวอย่างการทำงานในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานจลน์ ของมอเตอร์ไฟฟ้า ประเภทของมอเตอร์ไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้า (Electric Motor) ที่ใช้งานทั่วไปนั้นจะมี 2 ประเภทหลักๆ คือ 1.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Motor) 2.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Motor) ซึ่งใน EP นี้เราจะมาเล่าในส่วนของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงก่อนว่าหลักการทำงานเป็นอย่างไร และนำไปใช้ ประโยชน์ทางด้านไหน รวมถึงจะเล่าถึงวิธีการดูแลรักษาในเชิงอุตสาหกรรม ที่สามารถนำไปปรับใช้ใน บ้านเรือนได้ หลักการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Motor) DC Motor ย่อมาจาก Direct Current Motor ซึ่งเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงที่มีโครงสร้างภายในแตกต่าง จาก AC Motor หรือ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งเราจะมีดูโครงสร้างของ DC Motor กันก่อนนะครับ ว่ามี อะไรบ้าง ในส่วนของโครงสร้างมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง หรือ DC Motor นั้นจะมีส่วนประกอบไปด้วย 2 ส่วนใหญ่ๆ ดังนี้ 1.ส่วนที่อยู่กับที่ เราจะเรียกว่า Stator ที่มีขดลวดสนาม (Field Coil) 2.ส่วนที่เคลื่อนที่ เราจะเรียกว่า Rotor โดยในส่วนนี้นั้นจะประกอบไปด้วยขดลวดอาร์เมเจอร์ (Armature) และแปรงถ่าน (Brush)
-9- หลักการพื้นฐานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง หรือ DC Motor ประกอบด้วยขดลวด 2 ชุด ซึ่งขดลวดชุดหนึ่ง อยู่ที่ Stator เรียกว่าขดลวดสนาม (Field winding) ที่ทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กถาวร ซึ่งแหล่งจ่ายไฟฟ้า กระแสตรงที่จ่ายมานั้นจะมาจากแหล่งเดียวกันกับขดลวดอาร์เมเจอร์ แต่ในบางครั้งสำหรับมอเตอร์เล็กๆ นั้น จะใช้แม่เหล็กถาวรแทนการใช้ขดลวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กถาวร และขดลวดชุดที่สองที่อยู่ในส่วนของ Rotor จะเรียกว่าขดลวดอาร์เมเจอร์ (Armature winding) ซึ่งจะจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงเข้าขดลวดอาร์เมจอร์ ผ่านแปรงถ่าน (Brush) และชุด Commutator ซึ่งตัวขดลวดนั้นจะทำให้เกิด Torque ในการหมุนของ Rotor ที่เกิดมาจากการกระทำระหว่างขั้วแม่เหล็กของขดลวดใน Stator และ Rotor ที่ต่างขั้วกันและผลักกันทำให้ เกิดการหมุนขึ้นได้ในที่สุด ประเภทของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง และการนำไปใช้งาน ประเภทของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงนั้นจะขึ้นอยู่กับการต่อระหว่างขดลวดสนาม (Field Coil) และ ขดลวด อาร์เมเจอร์ (Armature Coil) ว่าเป็นการต่อแบบไหน ซึ่งมีวิธีการต่อดังนี้ 1. Shunt DC Motor เป็นการต่อขดลวดสนาม (Field Coil) และ ขดลวดอาร์เมเจอร์ (Armature Coil) เป็นแบบขนานกัน ดังนั้นกระแสะไฟฟ้าที่ไหลผ่าน Field Coil และ Armature Coil จะไม่เท่ากัน คุณสมบัติของประเภทนี้คือ มีแรงบิด Torque ปานกลาง และความเร็วรอบคงที่ การนำไปใช้งานนั้น จะนิยมกับมอเตอร์เครื่องเจาะ มอเตอร์เครื่องกลึง เป็นต้น 2. Serie DC Motor เป็นการต่อขดลวดสนาม (Field Coil) และ ขดลวดอาร์เมเจอร์ (Armature Coil) เป็น แบบอนุกรมกัน ซึ่งกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดทั้ง 2 นั้นจะมีค่าเท่ากัน ซึ่งปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลนั้นจะ ขึ้นอยู่กับภาระโหลดหรือภาระที่แกนมอเตอร์ โดยความเร็วของมอเตอร์จะลดลงเมื่อโหลดเพิ่มขึ้น
-10- คุณสมบัติของประเภทนี้คือ มีแรงบิด Torque สูงมาก และความเร็วของมอเตอร์ชนิดนี้จะลดลงถ้าภาระ โหลดมากขึ้น การนำไปใช้งานนั้น จะนิยมกับมอเตอร์สตาร์ทเครื่องยนต์ มอเตอร์ยกของ มอเตอร์ขับเคลื่อนรถไฟฟ้า เป็นต้น 3. Compound Motor เป็นมอเตอร์ที่มีขดลวดสนาม (Field Coil) 2 ชุด โดย ชุดที่ 1 จะต่ออนุกรมกับ ขดลวดอาร์เมเจอร์ (Armature Coil) ก่อนและค่อยมาขนานกับขดลวดสนาม (Field Coil) ชุดที่ 2 คุณสมบัติของประเภทนี้คือ เป็นการรวมคุณสมบัติของแบบ Shunt DC Motor และ Serie DC Motor เข้า ด้วยกัน ทำให้มอเตอร์ประเภทนี้มีแรงบิด Torque มากกว่า Shunt DC Motor แต่ไม่เท่ากับ Serie DC Motor และมีความคงที่ที่ดีกว่า Serie DC Motor แต่ไม่ดีเท่า Shunt DC Motor การนำไปใช้งานนั้น จะนิยมกับมอเตอร์ตัดโลหะ มอเตอร์เครื่องกดอัด เป็นต้น
-11- หม้อแปลงไฟฟ้ากระแสตรง หม้อแปลงไฟฟ้าและเครื่องมือวัดทางไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้า หรือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า คือ เครื่องมือที่ใช้สำหรับแปลงพลังงานกลเป็นพลังงาน ไฟฟ้า โดยอาศัยหลักการเหนี่ยวนำของแม่เหล็กตามหลักการของ ไมเคิล ฟาราเดย์ คือ การเคลื่อนที่ของ ขดลวดตัวนำผ่านสนามแม่เหล็ก หรือการเคลื่อนที่แม่เหล็กผ่านขดลวดตัวนำ จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า เหนี่ยวนำขึ้นในขดลวดตัวนำนั้น การเคลื่อนที่ของขดลวดตัวนำผ่านสนามแม่เหล็ก การเคลื่อนที่แม่เหล็กผ่านขดลวดตัวนำ แรงดันที่เกิดขึ้นในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับปัจจัยที่สำคัญสองตัวคือ ความเร็ว รอบและเส้นแรงแม่เหล็ก เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบ่งตามกระแสไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง(DC Generator) กับ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Generator) ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเราสามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้นได้โดยการปรับความเข้มของ สนามแม่เหล็ก และเพิ่มความเร็วรอบของเครื่องกำเนิด แต่ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับการเพิ่มแรงดันโดย การเพิ่มความเร็วไม่สามารถที่จะทำได้ เพราะจะทำให้ความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ได้เปลี่ยนแปลงไป สามารถ ทำได้เพียงการปรับความเข้มของสนามแม่เหล็กเท่านั้น รูปแสดงหม้อแปลงไฟฟ้าที่พบในชีวิตประจำวัน ชนิดของกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าแบ่งออกเป็น 2 ชนิด ดังนี้ ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current: DC) เป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลในทิศทางเดียวกัน โดยปกติ กระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า หรือจากขั้วบวกผ่านวงจรไปยังขั้ว ลบทางเดียวตลอดเวลา
-12- หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้ในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ 1. หม้อแปลงไฟฟ้าโวลต์ต่ำ 2 ระบบ (AC/DC Power supply) หม้อแปลงไฟฟ้าโวลต์ต่ำ 2 ระบบ คือ หม้อแปลงไฟฟ้าที่สามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ได้ทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ แต่ไม่สามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าทั้ง 2 ระบบได้พร้อมกัน ต้อง ใช้เพียงอย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีในห้องปฏิบัติการที่ใช้ในการฝึกมี 2 รุ่น คือ รุ่น METEC 19-250 และ รุ่น INTELLECT ITL-1222 ซึ่งจะอธิบายการทางานของปุ่มปรับต่างๆ ดังต่อไปนี้ หม้อแปลงไฟฟ้าโวลต์ต่ำ 2 ระบบ รุ่น METEC 19-250 รูปหม้อแปลงไฟฟ้า รุ่น METEC 19-250 การทำงานของปุ่มปรับต่างๆ 1. ปุ่ม Power : ทำหน้าที่ เปิด-ปิดเครื่อง 2. ปุ่ม Reset : ทำหน้าที่ Reset เครื่องใหม่ เมื่อเกิด Over Loadหม้อแปลงไฟฟ้า 3. ไฟแสดงสถานะ Over Load : ทำหน้าที่แสดงสถานะ Over Load กรณีเครื่องไม่จ่ายกระแสไฟฟ้า และป้องกัน(Protection) การลัดวงจร 4. ปุ่ม Voltage : ทำหน้าที่ปรับระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 0-30V 5. หน้าปัด Scale Voltage : ทำหน้าที่ แสดงค่าแรงดันไฟฟ้าที่หม้อแปลงไฟฟ้าจ่ายออกมา 6. ปุ่ม Current : ทำหน้าที่ ควบคุมการจ่ายค่ากระแสไฟฟ้ากระแสตรง 0-2A 7. หน้าปัด Scale Current : ทำหน้าที่ แสดงค่ากระแสไฟฟ้า 8. ช่องเสียบ Output : เป็นช่องเสียบสายไฟออกไปใช้ มี 2 ระบบ ดังนี้ a. ช่องเสียบ Output ไฟฟ้ากระแสตรงมี 2 ช่องเสียบ คือ ขั้วบวก (-) หรือสีดา และขั้วลบ (+) หรือสีแดง b. ช่องเสียบ Output ไฟฟ้ากระแสสลับจะไม่มีสัญลักษณ์บอกขั้ว จะใช้สีดำและสีแดงแทน และแต่ละ ช่องจะแสดงค่าแรงดันไฟฟ้า
-13- หม้อแปลงไฟฟ้าโวลต์ต่ำ 2 ระบบ รุ่น INTELLECT ITL-1222 รูปหม้อแปลงไฟฟ้า รุ่น Intellect ITL-1222 การทำงานของปุ่มปรับต่างๆ 1. ปุ่ม Power : ทำหน้าที่ เปิด-ปิดเครื่อง 2. ไฟแสดงสถานะเปิดเครื่อง 3. ปุ่ม Voltage : ทำหน้าที่ปรับระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 0-15V 4. หน้าปัด Scale Voltage : ทำหน้าที่ แสดงค่าแรงดันไฟฟ้าที่หม้อแปลงไฟฟ้าจ่ายออกมา 5. ช่องเสียบ Output : เป็นช่องเสียบสายไฟออกไปใช้ มี 2 ระบบ ดังนี้ a. ช่องเสียบ Output ไฟฟ้ากระแสตรงมี 2 ช่องเสียบ คือ ขั้วบวก (-) หรือสีดำ และขั้วลบ (+) หรือสีแดง b. ช่อเสียบ Output ไฟฟ้ากระแสสลับจะไม่มีสัญลักษณ์บอกขั้ว จะใช้สีดำและสีแดงแทน และแต่ละ ช่องจะแสดงค่าแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างการตั้งค่าแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 1.ก่อนเปิดหม้อแปลงไฟฟ้า ให้หมุนปุ่ม Current ไปทางขวาเพื่อให้หม้อแปลงไฟฟ้าจ่ายกระแสไฟฟ้า ออกมาให้แก่วงจร (เฉพาะรุ่น METEC 19-250) ก่อนใช้งาน ขณะใช้งาน 2. เสียบสายไฟสีแดงที่ขั้วบวก (+) และสายไฟสีน้าเงินหรือสีดำที่ขั้วลบ (-) ที่ช่องเสียบ Output ของ ไฟฟ้ากระแสตรง 3. ต่อวงจรไฟฟ้าเข้ากับหม้อแปลงตามรูป โดยให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านทางขั้วบวกของอุปกรณ์ไฟฟ้า เสมอ
-14- 4. หมุนปุ่ม Voltage ไปทางขวาตามค่าแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ โดยดูที่หน้าปัด Scale Voltage เมื่อ ต่อวงจรถูกต้อง อุปกรณ์ไฟฟ้าจะทางาน เช่น หลอดไฟจะสว่าง เป็นต้น หากต่ออุปกรณ์ผิดขั้ว ไฟแสดงสถานะ Over Load ที่หม้อแปลงไฟฟ้าจะสว่าง (เฉพาะรุ่น METEC 19-250) หรือหม้อแปลงจะทาการตัดวงจรโดย ไม่ยอมจ่ายกระแสไฟฟ้าออกมาให้กับวงจร