วิชาเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

อ.พิทยา

หลกัการเบ ื อ้งตน ้ ของเคร ื อ่งกาํเนิดไฟฟ้ า กระแสสลับ 1.1 โครงสรา ้ งและสว่นประกอบของเคร ื อ่งกาํเนิด ไฟฟ้ าแบบขั ้วแม่เหล ็ กหมุน 1.2 1.3 ขดลวดแดมเปอร ์ เอ็กไซเตอร ์ของเคร ื อ่ 1.4 งกาํเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั หัวข้อ เร ื อ่ง ถัดไป

เครือ่งกาํเนิดไฟฟ้ากระแสสลบัมชี ือ่ เรยีกวา่เครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าซงิโครนัส (Syn chronous generator) หรอืมชี ือ่ เรยีกกนัโดยทั ่วไปวา่ อัลเทอร ์เนเตอร ์ (Alt ernator) ซึ ่งมหีนา้ที ่ เปลีย่นพลงังานกลเป็ นพลงังานไฟฟ้า โดยกาํลงัไฟฟ้าที ่ ไดจ้ะเป็ นไฟฟ้ากระแสสลบัซึ ่งจะมี2 แบบ คือ เครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าแบบนีข้ดลวดสนามแม่เหล ็ กและขั ้วแม่เหล ็ กจะยดึตดิอยู่กบั ที ่แกนอารเ ์ มเจอรจ ์ ะเป็ นสว่นทีห่มุน โดยเสน้แรงแม่เหล ็ กที ่แกนขั ้วไดจ้ากการ จา่ยไฟฟ้ากระแสตรงเขา้ทีข่ดลวด สนามแม่เหล ็ ก (If ) ซึ ่งจา่ยเขา้โดยตรง จาก รปูที ่1.1 เมือ่แกนอารเ ์ มเจอรห ์ มุนจะนําพาขดลวดอารเ ์ มเจอรไ์ป ตัดกับเส้น แรงแม่เหล ็ กที ่แกนขั ้วทาํ ใหเ้กดิแรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวนําขึน้ โดยแรงดนัไฟฟ้า เหนี ่ยวนําที ่ไดจ้ากขดลวดอารเ ์ มเจอรตอ่ที ่วงแหวน สลิปริง (Slip ring) 2 วง ผ่านแปรงถา่นมาทีจ่ดุ a กับ b ซึ ่งจะเป็ นเอาตพ ์ุตของไฟฟ้ากระแสสลบั หลก ั การเบ ื อ้งตน ้ ของเคร ื อ่งกา ํ เนิด ไฟฟ้ ากระแสสลับ 1.1 1.1.1 แบบอาร ์เมเจอร ์หมุน (Rotat ing armature) ถัดไป

1.1.2 แบบข ั ว้แม่เหล ็ กหมุน (Rotat ing field) เครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าแบบนีข้ดลวดอารเ ์ มเจอรจ ์ ะอยู่กบัที ่ในรอ่งสเตเตอร ์ขดลวด สนามแม่เหล ็ กและขั ้วแม่เหล ็ กจะเป็ นสว่นทีห่มุน โดยเสน้แรงแม่เหล ็ กที ่แกนขั ้ว ไดจ้ากการจา่ยไฟฟ้ากระแสตรงเขา้ทีข่ดลวดสนามแม่เหล ็ กซึ ่งจา่ยออกมาที ่ แปรงถ่าน 2 อันและผ่านวงแหวนสลิปรงิจากรปูที ่1.2 มือ่ขั ้วแม่เหล ็ กหมุนจะทาํ ใหเ้สน้แรงแม่เหล ็ กที ่แกนขั ้วไปตดักบัขดลวดอารเ ์ มเจอรท ์ําใหเ้กดิแรงดนัไฟฟ้า เหนี ่ยวนําขึน้ โดยแรงดนัไฟฟ้าที ่ ถัดไป

ขอ ้ เปรย ี บเทย ี บของเคร ื อ่งกา ํ เนิดไฟฟ้ าแบบอารเ ์ มเจอรห ์ มุนกบ ั แบบข ั ว้แม่เหล ็ กหมุน ดง ั ตารางท ี ่1.1 ถัดไป 1. ขดลวดสนามแม่เหล็กจ่ายไฟฟ้ า กระแสตรงจะต้องต่อผ่านแปรงถ่าน และวงแหวนสลิปรงิเพือ่ ใหเ้กดิเสน้แรง แม่เหล ็ กที ่แกนขั ้ว 2. แรงดนัไฟฟ้าที ่ไดจ้ากขดลวดอาร ์ เมเจอรจ ์ ะตอ่ โดยตรง ดงันั ้นการเกดิ ประกายไฟจะไม่เกดิขึน้ เมือ่จา่ยโหลด 3. ผลติแรงดนัไฟฟ้าทีอ่ารเ ์ มเจอรไ์ ด้ สูงและจ่ายกระแสไฟฟ้ าให้กับโหลดได้ มากจึงเหมาะสมกับ เครือ่งกาํเนิด ไฟฟ้ ากระแสสลับขนาดใหญ่ 1. ขดลวดสนามแม่เหล็กจ่ายไฟฟ้ า กระแสตรงเขา้โดยตรง เพือ่ ใหเ้กดิ เสน้แรงแม่เหล ็ กที ่แกนขั ้ว 2. แรงดนัไฟฟ้าที ่ไดจ้ากขดลวดอาร ์ เมเจอร ์ต้องต่อผ่านวงแหวนสลิปริง และแปรงถ่าน ผลทําให้เกิดประกาย ไฟขึน้ เมือ่จา่ยโหลด 3. ผลติแรงดนัไฟฟ้าทีอ่ารเ ์ มเจอรไ์ ม่ สูงมากนักและจ่ายกระแสไฟฟ้ าให้กับ โหลดไม่มากจงึเหมาะสมกบัเครือ่ง กําเนิดไฟฟ้ ากระแสสลับขนาดเล็ก แบบข ั แบบอาร ์เมเจอร ์หมุน ว ้ แม ่ เหล ็ กหม ุ น

1.2.1 ส่วนท ี อ่ยู่กบ ั ท ี ่มสี ่วนประกอบ ดง ั น ี ้ 1. โครงอยู่กบัที ่(Stator frame) ทําจากเหล ็ กหลอ่ ซึ ่งทําหนา้ที ่รองรบั แกนเหล ็ กของอารเ ์ มเจอร ์ และสว่นประกอบอืน่ๆ ของเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้า ใน เครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าทีม่คีวามเรว ็ รอบตํ ่าโครงอยู่กบัทีจ่ะมีเสน้ผานศนูยก ์ ลางที ่ ใหญ่ ส่วนในเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าทีม่คีวามเรว ็ รอบสงูโครงอยู่กบัทีจ่ะมเีสน้ผ่าน ศนูยก ์ ลาง ที ่ เล ็ กกวา่และโครงทีอ่ยู่กบัทีน่ีย้งัถกูออกแบบใหม้ชีอ่งวา่งสําหรับ ระบายความรอ้น ดงัแสดงในรปูที ่1.3 (ก) รปูที ่1.3 (ก) โครงอยู่ กบัที ่ โครงสรา ้ งและสว่นประกอบของเคร ื อ่งกาํเนิด ไฟฟ้ าแบบขั ้วแม่เหล ็ กหมุน 1.2 ถัดไป

2. แกนเหล็กอาร ์เมเจอร ์ ทํามาจากเหล็กแผ่นบางๆ (Laminated sh eet steel) ปัม๊ เป็ นรอ่งสําหรับใสข่ดลวดอารเ ์ มเจอรด ์ งัรปูที ่1.3 (ข) โดยแต่ ละแผ่นจะเคลอืบดว้ยฉนวนแลว้นํามาอดัซอ้นกนัเพือ่ลดการสญูเสยีจากฮิส เทอรีซิสและกระแสไหลวน รปูที ่1.3 (ข) แกนเหล็กอาร ์เมเจอร ์แผ่นบางแบบ ร่องเปิด ถัดไป

ถา้เป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่แกนอารเ ์ มเจอรจ ์ ะทําเป็ นสว่น (Segm ent) ปัม๊ เป็ นรอ่งเปิดเพือ่ความสะดวกในการลงขดลวดพรอ้มมชีอ่งสําหรับ ใหอ้ากาศผ่านเพือ่ชว่ยระบายความรอ้น แลว้นําแตล่ะสว่นมาประกอบเขา้ ดว้ยกนัดงัรปูที ่1.3 (ค) ถ้าเป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กและไม่ใหญ่ มากนักจะปัม๊แกนเป็ นรอ่งกึ ่งปิด ซึ ่งแกนอารเ ์ มเจอรจ ์ ะทําหนา้ที ่รองรบั ขดลวดอาร ์เมเจอร ์ รปูที ่1.3 (ง) แกนอารเ์มเจอรท์ีป่ระกอบ เสร็จแล้ว รปูที ่1.3 (ค) การประกอบแกนอาร ์ เมเจอรเ์ขา้กบัโครงอยู่กบัที ่ ถา้เป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่แกนอารเ ์ มเจอรจ ์ ะทําเป็ นสว่น (Segm ent) ปัม๊ เป็ นรอ่งเปิดเพือ่ความสะดวกในการลงขดลวดพรอ้มมชีอ่งสําหรับ ใหอ้ากาศผ่านเพือ่ชว่ยระบายความรอ้น แลว้นําแตล่ะสว่นมาประกอบเขา้ ดว้ยกนัดงัรปูที ่1.3 (ค) ถ้าเป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กและไม่ใหญ่ มากนักจะปัม๊แกนเป็ นรอ่งกึ ่งปิด ซึ ่งแกนอารเ ์ มเจอรจ ์ ะทําหนา้ที ่รองรบั ขดลวดอาร ์เมเจอร ์ ถัดไป

3. ขดลวดอาร ์เมเจอร ์ทํามาจากทองแดงอาบนํ ้ายา ถา้เป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้า ขนาดเล ็ กขดลวดอารเ ์ มเจอรจ ์ ะเป็ นลกัษณะเสน้ลวดทองแดงอาบนํ ้ายาและถา้ เป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่จะมีลักษณะเป็ นแท่งทองแดงโดยถูกวางใน ร่องสเตเตอรด ์ งัรปูที ่1.4 โดยมหีนา้ทีกําเนิด่แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวนําเมือ่มเีสน้แรง แม่เหล็กมาตัดผ่าน รปูที ่1.4 ขดลวดอารเ์มเจอรท์ี ่วางอยู่ในรอ่ง ของแกนอาร ์เมเจอร ์ 2. แกนเหล็กอาร ์เมเจอร ์ ทํามาจากเหล็กแผ่นบางๆ (Laminated sheet steel ) ปัม๊ เป็ นรอ่ง สําหรับใสข่ดลวดอารเมเจอรด ์ งัรปูที ่1.4) 3. ขดลวดอาร ์เมเจอร ์ทํามาจากทองแดงอาบนํ ้ายา ถา้เป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้า ขนาดเล ็ กขดลวดอารเ ์ มเจอรจ ์ ะเป็ นลกัษณะเสน้ลวดทองแดงอาบนํ ้ายาและถา้ เป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่จะมีลักษณะเป็ นแท่งทองแดงโดยถูกวางใน ร่องสเตเตอรด ์ งัรปูที ่1.4 โดยมหีนา้ทีกําเนิด่แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวนําเมือ่มเีสน้ แรงแม่เหล็กมาตัดผ่าน ถัดไป

1.2.2 ส่วนท ี ห่มุน โครงสรา ้ งของส่วนท ี ห่มุนหรอ ื ข ั ว้แม่เหล ็ ก หมุนหรือเรียกว่าโรเตอร ์มี 2 แบบ คือ 1. แบบขัว้แม่เหล ็ กยืน่(Salient pole type) โรเตอร ์แบบนี ้แกน ขั ้วแม่เหล ็ กจะสงูยืน่ออกไป จากแกนของโรเตอร ์ซึ ่งแกนขั ้วแม่เหล ็ กยืน่ นีจ้ะทํามาจากเหล ็ กแผ่นบาง ๆ แลว้นํามาอดัซอ้นกนัเรยีกวา่แผ่น เหล็กลามิเนต (Laminated sheet steel) และมีขดลวด สนามแม่เหล ็ กทีพ่นัเสรจ ็ แลว้สวมอยู่ที ่แกนขั ้วแม่เหล ็ ก ลกัษณะของโร เตอร ์แบบนีข้ ั ้วแม่เหล ็ กจะสงูยืน่ออกมาเห ็ นเดน่ ชดัขนาดเสน้ผ่าน ศนูยก ์ ลางใหญ่ความยาวของแกนจะสัน้จงึเหมาะสมกบัโรเตอร ์ทีห่มุน ดว้ยความเรว ็ รอบตํ ่าและความเรว ็ รอบปานกลาง ซึ ่งมแีกนขั ้วแม่เหล ็ ก ตั ้งแต่ 6 ขั ้วขึน้ไป รปูที ่1.5 โรเตอร ์แบบขั ้วแม่เหล ็ กยืน่ทีม่จํานวน ี ขั ้วแม่เหล ็ กจํานวนต่างๆ ถัดไป

ขดลวดสนามแม่เหล็กไว้ในร่อง ลักษณะของโรเตอร ์บรเิวณที ่ เป็ นขั ้วแม่เหล ็ กจะ ไม่มรีอ่งขนาดเสน้ผ่านศนูยก ์ ลางเล ็ กกวา่แบบขั ้วแม่เหล ็ กยืน่ความยาวของ แกนจะยาวเพือ่หลกีเลีย่งแรงหนีศนูยก ์ ลางและลดการสญูเสยีจาก แรงลมตา้นเมือ่หมุน ขดลวดสนามแม่เหล็กไว้ในร่อง ลักษณะของโรเตอร ์บรเิวณที ่ เป็ นขั ้วแม่เหล ็ กจะไม่มี ร่องขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง เล ็ กกวา่แบบขั ้วแม่เหล ็ กยืน่ความยาวของแกนจะยาวเพือ่หลกีเลีย่งแรงหนี ศูนย์กลางและลดการสูญเสียจาก แรงลมตา้นเมือ่หมุน ถัดไป

ทํามาจากแทง่ทองแดงและฝังไวท้ีบ่รเิวณหนา้ขั ้วแม่เหล ็ กของโรเตอร ์แบบ ขั ้วแม่เหล ็ กยืน่ โดยปลายทั ้งสองขา้งของแทง่ทองแดงเหลา่นีจ้ะถกูลดัวงจรดว้ย วงแหวนทองแดงทั ้งสองดา้นคลา้ยกบัขดลวดกรงกระรอก ดงัรปูที ่1.7 หนา้ที ่ ของขดลวดแดมเปอร ์นีม้ ไีวเ้พือ่ป้องกนัการสัน่หรอืการแกวง่ของโรเตอร ์ เนื ่องจากการหมุนของเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าที ่ไม่สมํ ่าเสมอเนื ่องจากการเพิม่หรอื ลดโหลดลงในทันทีทันใด 1.3 ขดลวดแดมเปอร ์ ถัดไป

เอ็กไซเตอร ์ (Exciter) เป็ นแหล่งกําเนิดไฟฟ้ ากระแสตรง ทําหนา้ทีจ่า่ยไฟฟ้า กระแสไฟตรงให้กับ ขดลวดสนามแม่เหล็กของเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าหลักของโร เตอร ์แบบขั ้วแม่เหล ็ กหมุน โดยทั ่วไปมี2 แบบ คือ 1.4.1 แบบใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้ ากระแสตรงจากภายนอก (Exte rnal direct current source) การทํางานของขดลวดแดมเปอร์ ์ ขณะที ่โรเตอร ์หมุนไปด้วยความเร็ว ซิงโครนัสทําให้ขดลวด แดมเปอร ์ก็จะหมุนด้วยความเร็วซิงโครนัสด้วย จึงทําให้ ขดลวดแดมเปอร ์ไม่ตดักบัเสน้แรงแม่เหล ็ กของ สนามแม่เหล ็ กหมุนทีส่ เตเตอร ์ แตเ่มือ่มกีารเพิม่ โหลดหรอืลดโหลดลงทนัททีนัใดจะทําให้เกดิการสัน่ของ โร เตอร ์และหมุนดว้ยความเรว ็ไม่สมํ ่าเสมออาจจะหมุนเรว ็ หรอืชา้กวา่ความเรว ็ ซิงโครนัส จึงเป็ นผลทําให้เกดิ ปิกิ ิรยิาตอ่ตา้นกบัการเคลือ่นทีท่ีต่ดักบั สนามแม่เหล็กหมุนของขดลวดแดมเปอร ์จึงทําให้มแีรงตา้นการสัน่จากอํานาจ แม่เหล็กของขดลวดแดมเปอร ์กับอํานาจแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กหมุนของ ขดลวดอารเ ์ มเจอรท ์ีส่ เตเตอรซ์ ึ ่งจะหน่วงการสัน่ ใหห้ยุดเรว ็ ขึน้ แบบใชแ้หลง่จา่ยไฟฟ้ากระแสตรงจากภายนอก แบบนีจ้ะนําแหลง่จา่ยไฟฟ้า กระแสตรงที ่ได้จากภายนอกมาจา่ยใหก้บัขดลวดสนามแม่เหล ็ ก ดงัรปูที ่1.8 เอ็กไซเตอร ์ของเคร ื อ่งกา ํ เนิดไฟฟ้ า กระแสสลับ 1.4 ถัดไป

1.4.2 แบบใช้แหล่งจ่ายกําลังไฟฟ้ ากระแสตรงพิเศษ (Special dir ect current power source) แบบใชแ้หลง่จา่ยกาํลงัไฟฟ้ากระแสตรงพเิศษ แบบนีจ้ะนําไฟฟ้ากระแสตรงที ่ ได้จากเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้ากระแสสลบัทีต่ดิตั ้งอยู่บนแกนเพลาเดยีวกนักบั เครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าหลกัมาจา่ยใหก้บัขดลวดสนามแม่เหล ็ ก ดงัรปูที ่1.9 ถัดไป

ถัดไป

ถัดไป

เม ื อ่ เคร ื อ่งกาํเนิดไฟฟ้ าถูกขับให้หมุนก็จะเกิดแรงดันไฟฟ้ าเหน ี ่ยวนําโดย อธิบายการทํางานออกเป็ น 3 สว่น ดงัน ี ้ 1. ไพลอตเอ็กไซเตอร ์ (Pilot exciter) มหีนา้ทีผ่ลติไฟฟ้า 3 เฟสมาจ่าย ให้กับชุดเรียงกระแส 3 เฟส ซึ ่งเป็ นอปุกรณส์ ารกึ ่งตวันําคอืไดโอด (Diode) โดยการตอแบบบรดิจซ์ ึ ่งชดุเรยีงกระแสนีจ้ะอยู่กบัที ่ โดยจะเรยีงกระแสไฟฟ้า สลับ 3 เฟส ใหเ้ป็ นไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสตรงนีจ้ะไหลผ่านตวั ต้านทานรีโอสแตต เพือ่ ใชค้วบคมุกระแสไฟฟ้าทีข่ดลวดสนามแม่เหล ็ กของ เครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าเอ็กไซเตอรอ ์ กีครั ้งหนึ ่ง โครงสรา้งของไพลอตเอก ็ไซเตอร ์ดัง รปูที ่1.10 ถัดไป

2. เครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าเอ็กไซเตอร ์ มหีนา้ทีผ่ลติไฟฟ้า 3 เฟส จากขดลวด อาร ์เมเจอร ์มาจ่ายให้กับชุดเรียงกระแส 3 เฟส ซึ ่งเป็ นอปุกรณส์ ารกึ ่งตวันําคอื ไดโอด (Diode) โดยการต่อแบบบริดจ ์เช่นเดียวกันกับแบบไพลอตเอ็กไซเตอร ์ แตท่นกระแสไฟฟ้าไดม้ากกวา่ ซึ ่งชดุเรยีงกระแสนีจ้ะยดึอยู่กบัโรเตอร ์แล้วนํา กระแสไฟฟ้ ามาจ่ายให้กับขดลวดสนามแม่เหล็กของเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าหลัก 3. เครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าหลัก จะเป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส ซึ ่ง เป็ นเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าซงิโครนัสและมขีนาดใหญ่มขี ั ้วแม่เหล ็ กเป็ นสว่นทีห่มุน โดยขดลวดสนามแม่เหล็กจะรับไฟฟ้ ากระแสตรงจากเครือ่งกาํเนิดไฟฟ้าเอ็กไซ เตอร ์และมขีดลวดอารเ ์ มเจอรเ ์ป็ นสว่นทีอ่ยู่กบัทีทํ่าหนา้ทีผ่ลติไฟฟ้า 3 เฟสจาก ขดลวดอารเ ์ มเจอรเ ์ พือ่มาจา่ยใหก้บัโหลดตอ่ ไป จบ

หัวข้อ เร ื อ่ง การเกดิแรงดน ้ไฟฟ้ าเหน ี 2.1่ยวน า ทศิทางของแรงดนัไฟฟ้ าเหน ี 2.2่ยวน าและกระแส ค าท ี ม่ผ ี ลต อแรงดนัไฟฟ้ าเหน ี 2.3่ยวน า การเกดิรปูคล ื 2.4 น่ของแรงดนัไฟฟ้ ากระแสสลบั ความสัมพันธ ์ต่างๆของเคร ื อ่งกา เนิดไฟฟ้ า กระแสสลับ 2.5 การคา นวณหาคา่ตา่งๆของเคร ื อ่งกา เนิด ไฟฟ้ ากระแสสลับ 2.6 ถัดไป

การเกดิแรงดน ้ไฟฟ้ าเหน ี 2.1่ยวน า จากกฎของฟาราเดย์เมือ่ เคลือ่นทีต่วัน าตดักบัเสน้แรงแม่เหล ็ กหรอืมกีาร เปลีย่นแปลงเสน้แรงแม่เหล ็ กทีต่วัน าวางอยู่ย่อมท าให้เกิดแรงดันไฟฟ้ า เหนี ่ยวน าขึน้บนตวัน านั ้น โดยทศิทางของแรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน าจะขึน้อยู่กบั การเคลือ่นทีข่องตวัน ากบัการวางขั ้วแม่เหล ็ กที ่แตกตา่งกนัจากรปูที ่2.1 ตวัน าจะวางอยู่ระหวา่งขั ้วแม่เหล ็ กเหนือ (N) กบัขั ้วแม่เหล ็ กใต้(S) เมือ่ เคลือ่นทีต่วัน าขึน้จะตดักบัเสน้แรงแม่เหล ็ กท าให้เกดิแรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน า ถัดไป

ทศิทางของแรงดน ัไฟฟ้ าเหน ี ่ยวน าและ กระแส 2.2 การหาทศิทางของแรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน า จะใชก้ฎมอืขวา จากรปูที ่2.2 โดย กางมอืขวาออกและใหน้ิ ้วหวัแม่มอืตั ้งฉากกบันิ ้วทั ้งสี ่ถา้กา หนดใหเ้สน้แรง แม่เหล ็ กทีพ่ ุ่งออกจากขั ้วเหนือ (N) พุ่งเขา้หาองุ้มอืและนิ ้วหวัแม่มอืชีท้ศิ ทางการเคลือ่นทีข่องตวัน า ดงันั ้นนิ ้วทั ้งสีจ่ะชีท้ศิทางของแรงดนัไฟฟ้า เหนี ่ยวน า ถา้นิ ้วทั ้งสีช่ี ้ เขา้จะแทนดว้ยกระแสไหลเขา้และถา้นิ ้วทั ้งสีช่ีอ้อก จะ แทนด้วยกระแสไหลออก ถัดไป

ทศิทางการเคลือ่นทีข่องตวัน า จากรปูที ่2.3 (ก) ถา้เคลือ่นตวัน าไป ทางขวามอืตดัผ่านเสน้แรงแม่เหล ็ กในแนวตั ้งฉาก เมือ่ ใชก้ฎมอืขวาจะเห ็ นวา่ กระแสจะไหลเขา้ตวัน า และจากรปูที ่2.3 (ข) ถา้เคลือ่นตวัน าไปทางซา้ยมอื ตดัผ่านเสน้แรงแม่เหล ็ กในแนวตั ้งฉาก เมือ่ ใชก้ฎมอืขวาจะเห ็ นวา่กระแสจะไหล ออกจากตัวน า ถัดไป

ค าท ี ม่ผ ี ลต อแรงดน ัไฟฟ้ าเหน ี 2.3่ยวน า 2.3.1 ความหนาแน่นของเส้นแรง แม่เหล็ก (B) ความหนาแน่นของเสน้แรงแม่เหล ็ ก หากมกีารเพิม่ความหนาแน่นของเสน้แรง แม่เหล ็ กใหม้ากขึน้ผลจะท าให้แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน ามคีา่มากขึน้ตาม นั ่นคอื (e แปร ตาม B) (e ∝ B) 2.3.2 ความยาวของตัวน า () ความยาวของตวัน า หากมกีารเพิม่ความยาวของตวัน า (เฉพาะสว่นทีต่ดักบั เสน้แรงแม่เหล ็ กใหย้าวมากขึน้ ) ผลท าให้แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน ามคีา่มากขึน้ ตาม นั ่นคอื (e แปร ตาม ) (e ∝ ) ถัดไป

2.3.3 ความเรว ็ในการเคล ื อ่นท ี ่(v) ความเรว ็ในการเคลือ่นที ่หากมกีารเพิม่ความเรว ็ในการเคลือ่นทีข่องตวัน าใหเ้รว ็ มากขึน้ผลจะท าให้แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน ามคีา่มากขึน้ เชน่เดยีวกนันั ่นคอื (e แปร ตาม v) (e ∝ v ) จากผลทั ้ง 3 ข อทีก่ล าวมาจึงสรุปได ว า e = By ..... (2.1) เมือ่ e = แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน า (V) B = ความหนาแน้นของเส้นแรงแม่เหล็ก (Wb/ m2, Tesla) = ความยาวของตวัน าทีต่ดักบัเสน้แรงแม่เหล ็ ก (m) v = ความเรว ็ในการเคลือ่นท (m/s) ถัดไป

2.3.4 ตว ั น าเคล ื อ่นท ี ่ในแนวเฉ ี ยง ตวัน าเคลือ่นที ่ในแนวเฉียง ทีก่ลา่วมาเมือ่ตวัน าตดัในแนวตั ้งฉากกบัเสนแ่รง แม่เหล ็ กจะไดข้นาดแรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน าขึน้มาขนาดหนึ ่ง จากรปูที ่2.4 ถ้า ตวัน าตดัในแนวเฉียงขึน้ เป็ นมุม θ ผลท าให้ขนาดของแรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน ามี ขนาดลดลงจากเดมิเมือ่ เทยีบกบัตดัในแนวตั ้งฉาก ถัดไป

ถัดไป

การเกดิรูปคล ื น่ของแรงดน ัไฟฟ้ า กระแสสลับ 2.4 จากรปูที ่2.5 (ก) หากก าหนดให้ตัวน ามีการพันเพียง 1 รอบ โดยปลายตัวน า ของขดลวดจะถูกต่อกับวงแหวนสลิปริง (Slip ring) ซึ ่งแยกกนัโดยอสิระและมี แปรงถ่าน a และ b สมัผสัอยู่ที ่วงแหวน เพือ่จะไดน้ าแรงดนัไฟฟ้าที ่ เหนี ่ยวน า ขึน้ไปใชง้าน ดงันั ้นถา้มตีวัขบัเคลือ่น (Prime mover) มาขับขดลวดตัวน า ใหเ้คลือ่นทีผ่ ่านเสน้แรงแม่เหล ็ กในทศิทางใดทศิทางหนึ ่งก ็ไดก้็ จะท าให้เกิด แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน าขึน้ทีป่ลายทั ้งสองของขดลวดซึ ่งพจิารณาไดจ้ากการ ท างานในต าแหน่งตา่งๆ ดงันี ้ รปูที ่2.5 การเคลือ่นทีข่องขดลวดตวัน าเมือ่หมุนครบ 1 รอบ (วิชาญ ก องตาวงษ , 2537 : 350) ถัดไป

รปูที ่2.5 การเคลือ่นทีข่องขดลวดตวัน าเมือ่หมุนครบ 1 รอบ (ต่อ) (วิชาญ ก องตาวงษ , 2537 : 350) ถัดไป

จากรปูที ่2.5 (ก) จะเห ็ นวา่ทีต าแหน่ง่นีข้ดลวดตวัน าแถบสด าี ซึ ่งอยู่ดา้นบน และตวัน าแถบสขีาวซึ ่งอยู่ดา้นลา่งจะเคลือ่นทีข่นานกบัเสน้แรงแม่เหล ็ ก (θ=0° ) ดงันั ้นแรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน าจะมขีนาดเทา่กบั ศนูยเ ์ มือ่ขดลวดตวัน าเคลือ่นที ่ ตอ่ ไปอกีในทศิทางตามเข ็ มนาฬกิา จะเห ็ นวา่ตวัน าตดัในแนวตั ้งฉากมากขึน้ก ็ จะสง่ผลใหแ้รงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน าคอ่ย ๆเพิม่ขึน้และเมือ่ เคลือ่นทีถ่งึต าแหน่ง กึ ่งกลางขั ้วโดยตวัน าแถบสด าีอยู่กึ ่งกลางขั ้ว N และตวัน าแถบสขีาวอยู่กึ ่งกลาง ขั ้ว S ซึ ่งขดลวดตวัน าจะตดัตั ้งฉากมากทีส่ดุ (θ=90°) แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน า ก ็ จะสงูสดุดว้ย ดงัรปูที ่2.5 (ข)

เมือ่ตวัน าเคลือ่นทีต่อ่ ไปอกีในทศิทางเดมิจะเห ็ นวา่ขดลวดตวัน าจะตดัตั ้งฉาก นอ้ยลง สง่ผลใหแ้รงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน าคอ่ย ๆ ลดลงจนกระทั ่งขดลวดตวัน า เคลือ่นทีข่นานกบัเสน้แรงแม่เหล ็ กอกีครั ้งหนึ ่งดงัรปูที ่2.5 (ค) (θ=180°) ซึ ่ง ตัวน าสีแถบสีด าอยู่ด้านล่างตัวน าแถบสีขาวอยู่ด้านบน ก็จะส่งผลให้ แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน ามคีา่เท่ากบั ศนูยซ์ ึ ่งชว่งมุม θ มากกว่า 0 องศาและน้อย กว่า 180 องศา ทศิทางของแรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน าจะเป็ นกระแสไหลออกจะมี ศักย์เป็ นบวก หรือเรียกว่า ชว่งการเปลีย่นแปลงครึ ่งไซเกิลบวก ถัดไป

และจากรปูที ่2.5 (ค) เมือ่ขดลวดตวัน าเคลือ่นทีต่อ่ ไปอกี ชว่งมุม θ มากกว่า 180 องศาและน้อยกว่า 360 องศา ก็จะเกิดแรงดันไฟฟ่า เหนี ่ยวน าในลกัษณะเดยีวกนัเพยีงแตม่ที ศิทางของแรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน า จะเป็ นกระแสไหลเข้าจะมีศักย์เป็ นลบหรือเรียกว่า ชว่งการเปลีย่นแปลง ครึ ่งไซเกิลลบ ดงัรปูที ่2.5 (ง) และรปูที ่2.5 (จ) ตามล าดับ ถัดไป

ก็จะท าให รปูคลืน่ ไฟฟ ากระแสสลบัมกีารเปลีย่นแปลงครบ 1 รอบ หรือ 360 องศาพอดจากการเปลีย่นแปลงครบ 1 รอบ พอดนีีจ้ะท าให ได ค าสูงสุด 2 ค า คือ ค าสงูสดุทางบวกทีม่ ุม (θ=90°) และค าสงูสดุทางลบทีม่ ุม (θ=270 °) จากการเปลีย่นแปลงครบหนึ ่งรอบพอดจีะท าให ได รปูคลืน่ออกมาตามรปู ที ่2.5 (จ) เรียกว า ไฟฟ ากระแสสลบัรปูคลืน่ ไซน ความสัมพันธ ์ต่างๆของเคร ื อ่งกา เนิด ไฟฟ้ ากระแสสลับ 2.5 2.5.1 ความสัมพันธ ์ระหว่างองศาทางไฟฟ้ ากับองศาทางกล จากรปูที ่2.6 เมือ่พจิารณาภาพตดัดา้นหนา้ของเครือ่งกา เนิดไฟฟ้า กระแสสลบัอย่างง่ายจะมตีวัน าตน้และปลายวางอยู่ทีข่ ั ้วแม่เหล ็ กจ านวน 1 คู่ (2 ขั ้วแม่เหล ็ ก) เมือ่ตวัน าหมุนตดัผ่านเสน้แรงแม่เหล ็ ก 2 ขั ้ว จ านวน 1 รอบ ซึ ่ง การหมุน 1 รอบ จะได้มุม 360 องศาทางกล ก าหนดให้เป็ น θm และท าให้เกิด รปูคลืน่ ไซนจ านวน ์ 1 ไซเกิล จะได้มุม 360 องศาทางไฟฟ้ า ก าหนดให้เป็ น θe ดงันั ้นจะได้θm เท่ากับ θe เมือ่ θm คอืมุมองศาทางกลซึ ่งมคีาเท ากับ 360 องศา θe คือ มุมองศาทางไฟฟ า

จากรปูที ่2.7 ถา้เพิม่ขั ้วแม่เหล ็ กอกี 2 ขั ้ว เป็ น 4 ขั ้ว และมตีวัน าตน้และปลาย วางอยู่ทีข่ ั ้วแม่เหล ็ กจ านวน 2 คู่ (4 ขั ้วแม่เหล ็ ก) เมือ่ตวัน าหมุนตดัผ่านเสน้แรง แม่เหล็ก 4 ขั ้ว จ านวน 1 รอบ ซึ ่งการหมุน 1 รอบจะได้มุมองศาทางกล 360 เท าเดิม แต่จะท าให้เกดิรปูคลืน่ ไซนจ านวน ์ 2 ไซเกิล เป็ นมุม 720 องศาทาง ไฟฟ้ า รปูที ่2.7 ตัวน าหมุน 1 รอบที ่ ขั ้วแม่เหล ็ ก 2 คขู่ั ้ว

จะเห ็ นวา่ทีข่ ั ้วแม่เหล ็ ก 1 คขู่ ั ้วจะได้θe = 360 องศาทางไฟฟ้าและที ่ ขั ้วแม่เหล ็ ก 2 คขู่ ั ้วจะได้θe = 720 องศาทางไฟฟ้าและทีข่ ั ้วแม่เหล ็ ก 3 คขู่ ั ้ว จะได้θe = 1080 องศาทางไฟฟา นั ่นคอืถา้จ านวนคขู่ ั ้วแม่เหล ็ กเพิม่ขึน้มุม องศาทางไฟฟ้าจะเพิม่ขึน้ เป็ น P 2 ขององศาทางกล ดงันั ้น θe =θm × P 2 ..... (2.5) เมือ่ P คือจ านวนขั ้วแม่เหล ็ ก 2.5.1 ความสัมพันธ ์ระหว่างองศาทางไฟฟ้ ากับองศาทางกล ความถี ่ (Frequency) หมายถงึการเปลีย่นแปลงของรปูคลืน่ ไฟฟ้าสลบัตั ้งแต่ 1 รอบหรือ 1 ไซเกิลขึน้ไป ภายใน 1 วินาทีมีหน่วยเป็ น รอบต่อวินาทีหรือ เฮิรตซ ์ (Hz) ใช ้ f เป็ นอักษรก ากับ ซึ ่งคา่ทีม่ผีลตอ่ความถีข่องรปูคลืน่ ไฟฟ้า กระแสสลบัมดีงันี ้ ถัดไป

1. ความเร็วรอบในการหมุน (Revolution) จากรปูที ่2.8 (ก) หมุน ตัวน า 1 รอบ ใน 1 วนิาทจีะไดค้วามถี ่1 Hz จากรปูที ่2.8 (ข) หมุนตัวน า 2 รอบ ใน 1 วนิาทจีะไดค้วามถี ่2 Hz และจากรปูที ่2.8 (ค) หมุนตัวน า 6 รอบ ใน 1 วนิาทจีะไดค้วามถี ่6 Hz ตามล าดับ ถัดไป

2. จ านวนคูข่ ัว้แม่เหล ็ ก (Pair of pole) จากรปูที ่2.9 (ก) เมือ่หมุนตวัน า 1 รอบ ใน 1 วินาทีผ่าน 1 คขู่ ั ้วแม่เหล ็ ก จะไดค้วามถี ่1 Hz หรอืไดค้ลืน่ ไซน ์1 รอบตอ่วนิาทแีละจากรปูที ่2.9 (ข) เมือ่หมุนตวัน า 1 รอบ ใน 1 วินาทีผ่าน 2 คู่ ขั ้วแม่เหล ็ ก จะไดค้วามถี ่2 Hz หรอืไดค้ลืน่ ไซน 2 รอบต่อวินาที รปูที ่2.9 ผลของความถี ่ เมือ่คขู่ั ้วแม่เหล ็ กเพิม่ขึน้ ถัดไป

ดงันั ้น เมือ่พจิารณาจากรปูที ่2.9 (ก) และ 2.9 (ข) จะได f ∝ P (f แปรตาม P) ดงันั ้น f = nP …... (2.6) จากสมการ (2.6) สว่นมากแลว้ขั ้วแม่เหล ็ กจะบอกมาเป็ นจ านวน ขั ้วและความเรว ็ รอบจะก าหนดเป็ นรอบต่อนาที (r/min) ดงันั ้นจะไดว้า่ f = n 60x P 2 f = nP 120 …... (2.7) เมือ่ f = ความถี ่ (Hz) P = จา นวนขั ้วแม่เหล ็ ก n = ความเร็วรอบในการหมุน (r/mi n) ถัดไป

การคา นวณหาคา่ตา่งๆของเคร ื อ่ง ก าเนิดไฟฟ้ ากระแสสลับ 2.6 ตวัอย่างที ่2.1 จงคา นวณหามุมองศาทางไฟฟ้า เมือ่ เครือ่งกา เนิดไฟฟ้าหมุน ใน 1 รอบ ซึ ่งมีขั ้วแม่เหล ็ กดงันี ้ ก. 8 ขั ้วแม่เหล ็ ก ข. 12 ขั ้วแม่เหล ็ ก ค. 36 ขั ้วิธีท า โจทยก ์ า หนดใหเ้วคแรมอื ่ ่เงหกลา ็ กเนิดไฟฟ้าหมุน 1 รอบ ดงันั ้น θm = 360° ทางกล ก. 8 ขั ้วแม่เหล ็ ก θe = θm × P 2 = 3600× 8 2 = 1440° มุมองศาทางไฟฟ้าที ่8 ขั ้วแม่เหล ็ กมคีา่เท่ากบั 1440° ทางไฟฟ้ า ตอบ ถัดไป

ข. 12 ขั ้วแม่เหล ็ ก θe=θm× P 2 = 3600 × 12 2 θe=2160° มุมองศาทางไฟฟ้าที ่12 ขั ้วแม่เหล ็ กมคีา่เท่ากบั 2160° ทาง ไฟฟ้ า ตอบ ค. 36 ขั ้วแม่เหล ็ ก θe=θm× P 2 = 3600 × 36 2 θe=6480° มุมองศาทางไฟฟ้าที ่36 ขั ้วแม่เหล ็ กมคีา่เท่ากบั 6480° ทาง ไฟฟ้ า ตอบ ถัดไป

ตวัอย่างที ่2.3 เครือ่งกา เนิดไฟฟ้าหมุนใน 1 รอบ มีมุม 4320° ทาง ไฟฟ้าจงคา นวณหาขั ้วแม่เหล ็ ก วิธีท า โจทยก ์ า หนดใหเ้ครือ่งกา เนิดไฟฟ้าหมุน 1 รอบ ดงันั ้น θm=360° ทางกล และ θe=4320° ทางไฟฟ้ า จากสมการ θe=θm× P 2 ดงันั ้น P = θe θm ×2= 4320° 360° ×2 P = 24 ขั ้ว ขั ้วแม่เหล ็ กของเครือ่งกา เนิดไฟฟ้ามคีา้เท่ากบั 24 ขั ้ว ตอบ ถัดไป

ตวัอย่างที ่2.4 เครือ่งกา เนิดไฟฟ้าแบบเครือ่งยนตด ์ เีซลมี6 ขั ้วแม่เหล ็ ก จงค านวณหาความเร็วรอบ ของเครือ่งกา เนิดไฟฟ้า เมือ่ตอ้งการความถีข่อง แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน า ก. 50 Hz ข. 60 Hz วิธีท า โจทย์ก าหนดค่า P = 6 ขั ้ว ก. ทีค่วามถี ่50 Hz n= 120f P = 120×50 6 n=1000 r/min ความเร็วรอบของเครือ่งกา เนิดไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ 1000 r/min ตอบ ข. ทีค่วามถี ่60 Hz n= 120f P = 120×60 6 n=1200 r/min ความเร็วรอบของเครือ่งกา เนิดไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ 1200 r/min ตอบ ถัดไป

ตวัอย่างที ่ 2.4 เครือ่งกา เนิดไฟฟ้าแบบพลงัน ้ามี40 ขั ้วแม่เหล ็ ก หมุนดว้ย ความเร็ว 150 r/min จงคา นวณหาความถีข่อง แรงดนัไฟฟ้าเหนี ่ยวน าและมุมองศาทางไฟฟ้า วิธีท า โจทย์ ก าหนดค่า P = 40 n = 150 r/min ดงันันความถี ่ f = nP 120 = 150 × 40 120 f = 50 ความถีข่องเครือ่งกา เนิดไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ 50 Hz ตอบ θe = θm × P 2 = 360° × 40 2 θe = 7200° มุมองศาทางไฟฟ้าที ่40 ขั ้วแม่เหล ็ กมคีา่เท่ากบั 7200° ทางไฟฟ้ า ตอบ ถัดไป

หัวข้อ เร ื อ่ง 3.1 ความหมายของค่าต่าง ๆ ในการพันขดลวด การพนัขดลวดอารเ ์ มเจอรท ์ีส่ 3.2 เตเตอร ์ สูตรการคํานวณหาค่าต่าง ๆ ในการพัน ขดลวดอาร ์เมเจอร ์ 3.3 การคํานวณหาค่าต่าง ๆ ในการพันและผัง การลงขดลวดอาร ์เมเจอร ์ 3.4 ถัดไป

ความหมายของค่าต่างๆในการพัน ขดลวด 3.1 3.1.1 พิตช ์ขดลวด (Coil pitch) คือ ระยะห่างของขดลวดระหว่างคอยล์ด้านซ ้ายกับคอยล์ด้านขวาของขดลวด ชดุเดยีวกนัดงัรปูที ่3.1 ถัดไป

3.1.2 พติ ชข ์ ั ว้แม่เหล ็ ก (Pole pitc h) พติ ชข ์ั ้วแม่เหล ็ ก คอืระยะหา่งของขั ้วแม่เหล ็ กระหวา่งจดุกึ ่งกลางของขั ้วแม่เหล ็ ก เหนือ (N) กบัขั ้วแม่เหล ็ กใต้(S) ทีอ่ยู่ประชดิกนัซึ ่งมคีา่เท่ากบั 180° ทางไฟฟ า ดงัรปูที ่3.2 ถัดไป

3.1.3 พิตช ์เต็ม (Full pitch) พิตช ์เต็ม คือ ระยะห่างของขดลวดระหว่างคอยล์ด้านซ ้ายกับคอยล์ด้านขวา ของขดลวดชดุเดยีวกนัซึ ่งมรีะยะหา่งเท่ากบัพติ ชข ์ั ้วแม่เหล ็ ก หรอืเท่ากบั 18 0° ทางไฟฟ้า จากรปูที ่3.3 แสดงร่องสเตเตอร ์และขั ้วแม่เหล ็ กในแนวระนาบ ซึ ่งขดลวดที ่วางอยู่ในรอ่งสเตเตอร ์มีคอยล์ด้านซ ้ายและคอยล์ด้านขวาวาง ห่างกัน 180° ทางไฟฟ้าซึ ่งเท่ากบั พิตชขั ้วแม่เหล ็ ก ถัดไป

3.1.4 พติ ชเ ์ศษส่วนหรอ ื พติ ชส์ ั น้(Fractional pitch or short pitch) พติ ชเ ์ศษสว่นหรอืพติ ชส์ัน้คอืระยะหา่งของขดลวด ระหวา่งคอยลด ์ า้นซา้ย กบัคอยลด ์ า้นขวาของขดลวดชดุเดยีวกนัซึ ่งมรีะยะหา่งนอ้ยกวา่พติ ช ์ ขั ้วแม่เหล ็ ก หรอืนอ้ยกวา่ 180° ทางไฟฟ้า ดงัรปูที ่3.4 ถัดไป