วิชามอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 20104-2008
ศึกษาและปฏิบัติเกี่ยวกับ ชนิด โครงสร้างและส่วนประกอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟส 3 เฟส และมอเตอร์ไฟฟ้าหลายความเร็ว หลักการทำงาน การกลับทิศทางการหมุน คุณลักษณะการนำไปใช้งานและบำรุงรักษา การตรวจซ่อมมอเตอร์ การถอดประกอบและการพันขดลวด และทดสอบมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟส และ 3 เฟส
หน่วยที่ 1 แม่เหล็ก แม่เหล็กไฟฟ้า ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ
สาระการเรียนรู้
1.1 แม่เหล็ก
แม่เหล็ก หรือ แม่เหล็กถาวร (Permanent Magnetic) เป็นวัตถุที่สร้างสนามแม่เหล็ก ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้แต่คุณสมบัติ คือ มีแรงที่ดึงดูดวัตถุที่เป็นโลหะ แม่เหล็กถาวร ทำจากวัสดุ ที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและสร้างสนามแม่เหล็กถาวรของตัวเอง เช่น แม่เหล็กที่ใช้ในลำโพง เป็นต้น ที่มีส่วนประกอบด้วยเหล็กนิกเกิลโคบอลต์โลหะผสม เช่น หินแกรนิต มีคุณสมบัติดึงดูดให้กับแม่เหล็กที่แรงพอที่จะพิจารณาว่าเป็นแม่เหล็ก แต่สารอื่น ๆ จะตอบสนอง ต่อสนามแม่เหล็กได้บ้าง
การสร้างแม่เหล็กให้มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กตลอดไป โดยการนำเอาลวดทองแดงอาบน้ำยา พันรอบแท่งเหล็กกล้าแล้วปล่อยกระแสไฟฟ้าให้ขดลวด จะทำให้เกิดสนานแม่เหล็กไปดูดเหล็กผลักโมเลกุลภายในแท่งเหล็กกล้าให้มีการเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบตลอดไป ดังแสดงในรูปที่ 1.1
รูปที่ 1.1 แสดงแม่เหล็กถาวร (Permanent Magnetic)
ที่มา : https:// www.nutchar.wordpress.com, สืบค้นเมื่อ 2559
ทฤษฎีแม่เหล็ก ค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเฮม เวเบอร์ (Wilhem weber) เมื่อปี ค.ศ. 1852 จากนั้น เซอร์เจมส์ อัลเฟรด อีวิงก์ (Sir. james Alfred- Ewing) นักฟิสิกส์และวิศวกรชาวสกอตแลนด์ พัฒนาทฤษฎีแม่เหล็กขึ้น ในปี ค.ศ. 1890 โดยสรุป เป็นทฤษฎีดังนี้ โมเลกุลของสารทุกชนิดมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กภายในตัวมันเองอยู่แล้ว ซึ่งโมเลกุลแต่ละโมเลกุลนั้นมี ขั้วเหนือ (N) และขั้วใต้ (S) แต่ถ้าสารใดไม่มีอำนาจแม่เหล็กแสดงว่า โมเลกุลในสารนั้นวางตัวกันอยู่ ไม่เป็นระเบียบ ดังนั้นอำนาจแม่เหล็กจึงไม่แสดงออกมาเลย ดังแสดงในรูปที่ 1.2 (ก) แต่เมื่อ นำแท่งเหล็กไปวางไว้ในสนามแม่เหล็กโมเลกุลต่าง ๆ ก็จะจัดตัวเองเป็นแถวขนานกัน ตามทิศทาง ของเส้นแรงแม่เหล็ก ถ้านำแท่งนี้ออกจากสนามแม่เหล็กโมเลกุลจะกลับไปอยู่สภาพเดิมหรือเรียงตัวกัน เป็นระเบียบอยู่ก็ได้ แต่ถ้าโมเลกุลของแท่งเหล็กยังเรียงตัวกันอยู่ตลอดไปแท่งเหล็กนั้นแสดงอำนาจแม่เหล็กถาวร ดังแสดงในรูปที่ 1.2 (ข) ถึงแม้ว่าแท่งเหล็กนั้นไม่ได้วางในสนามแม่เหล็กแล้วก็ตาม การแสดงอำนาจแม่เหล็ก คือปลายข้างหนึ่งจะเป็นขั้วเหนือส่วนอีกข้างหนึ่งจะเป็นขั้วใต้การปรับตัวนี้จะทำให้โมเลกุลเกิดการเสียดสีกันทำให้เกิดการสูญเสียขึ้น เรียกว่า “การสูญเสียเนื่องจากฮิสเตอรีซิส”
(ก) การจัดกลุ่มของโมเลกุล (ข) โมเลกุลที่เรียงตัวกัน
รูปที่ 1.2 แสดงการจัดกลุ่มและการเรียงตัวกันของโมเลกุล
ที่มา : ไชยชาญ หินเกิด, มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ, 2559, หน้า 1
1.1.1 อำนาจแม่เหล็ก อำนาจแม่เหล็กไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปรียบได้กับกระแสลม ถึงแม้ว่ากระแสลมจะมีอานุภาพมากแต่ไม่สามารถมองเห็นด้วยตาแต่สามารถรับรู้ได้ด้วยความรู้สึก อำนาจแม่เหล็กวิ่งออกจากขั้วหนึ่งไปอีกขั้วหนึ่งเรียกว่า “เส้นแรงแม่เหล็ก” (Flux line) ซึ่งมีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 1.3
รูปที่ 1.3 แสดงลักษณะของเส้นแรงแม่เหล็ก
ที่มา : ไชยชาญ หินเกิด, มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ, 2559, หน้า 2
วิธีแสดงให้เห็นทางเดินของเส้นแรงแม่เหล็กรอบแม่เหล็กนั้น สามารถทำได้โดยการวางแม่เหล็กแท่งหรือแม่เหล็กเกือกม้าใต้แผ่นพลาสติกแล้วค่อยๆ โรยผงเหล็ก (ผงตะไบเหล็ก) ลงรอบ ๆ แม่เหล็กบนแผ่นพลาสติกนั้น แล้วเคาะเบาๆ จะเห็นว่าผงเหล็กเหล่านั้นเกิดการเรียงตัวกันเป็นเส้นอยู่รอบ ๆ ขั้วแม่เหล็ก ดังแสดงในรูปที่ 1.4
รูปที่ 1.4 แสดงของเส้นแรงแม่เหล็กรอบแม่เหล็ก
ที่มา : https://www.nutchar.wordpress.com, สืบค้นเมื่อ 2559
เมื่อนำขั้วแม่เหล็กขั้วใต้ของแม่เหล็กทั้งสองหันเข้าหากันจะเกิดการผลักกัน ซึ่งสามารถรู้สึกได้ ในทำนองเดียวกัน ถ้าเรานำขั้วเหนือหันเข้าหากันบ้างก็จะมีแรงผลักออกจากกัน แต่ถ้านำขั้วเหนือและขั้วใต้หันเข้าหากันขั้วแม่เหล็กทั้งสองจะดูดกัน ซึ่งเหมือนกับประจุไฟฟ้าสถิต คือ ประจุไฟฟ้าเหมือนกันจะผลักกันและประจุไฟฟ้าต่างกันจะดูดกัน อำนาจแม่เหล็กที่เกิดการดูดและผลักกัน ของแท่งแม่เหล็กนี้เกิดจากสนามแม่เหล็กรอบ ๆ แท่งแม่เหล็กนั้น
โดยเส้นแรงแม่เหล็กจะวิ่งออกจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ ส่วนภายในแท่งแม่เหล็กเส้นแรงแม่เหล็กจะออกจากขั้วใต้ไปสู่ขั้วเหนือ ดังแสดงในรูปที่ 1.5 (ก), รูปที่ 1.5 (ข), และรูปที่ 1.5 (ค)
(ก ) เมื่อหันขั้วใต้เข้าหากัน (ข) เมื่อหันขั้วเหนือเข้าหากัน (ค) เมื่อหันขั้วเหนือและขั้วใต้เข้าหากัน
รูปที่ 1.5 แสดงการผลักและดูดแม่เหล็ก
ที่มา : ไชยชาญ หินเกิด, มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ, 2559, หน้า 2
และ http://energiein.e-monsite.com/pages/55, สืบค้นเมื่อ 2559
คุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งของเส้นแรงแม่เหล็ก คือ เส้นแรงแม่เหล็กแต่ละเส้นนั้นจะผลักกันจะไม่มีเส้นแรงแม่เหล็กตัดกันหรือรวมกันเป็นเส้นเดียว ถ้าวางแท่งแม่เหล็กสองแท่งไว้ใกล้กันเส้นแรงแม่เหล็กจะปรับลักษณะทางเดินใหม่และไม่มีฉนวนใดในโลกที่จะกั้นเส้นแรงแม่เหล็กได้ เส้นแรงแม่เหล็กจะวิ่งผ่านวัตถุได้ทุกชนิด แต่จะต่างกันตรงที่วัตถุบางชนิดเส้นแรงแม่เหล็กผ่านได้ยาก วัตถุเส้นแรงแม่เหล็กผ่านได้ยากแสดงว่าวัตถุนั้นมีความต้านทาต่อเส้นแรงแม่เหล็ก โดยความต้านทานแม่เหล็กในวงจรแม่เหล็กจะเหมือนกันกับความต้านทานในวงจรไฟฟ้านั่นเอง เส้นแรงแม่เหล็กจะเดินในทางที่มีความต้านทานแม่เหล็กต่ำและเนื่องจากอากาศมีความต้านทานแม่เหล็กสูงกว่าเหล็ก
ดังนั้น เส้นแรงแม่เหล็กจึงเดินผ่านเหล็กได้ง่ายกว่าอากาศ ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ความเข้ม ของสนามแม่เหล็กมีมากกว่าในอากาศ นั่นคือ ถ้าต้องการเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็ก ในวงจรแม่เหล็กใดก็ตาม ทำได้โดยการเพิ่มเหล็กเข้าไปในวงจรนั้น ดังแสดงในรูปที่ 1.6
รูปที่ 1.6 แสดงลักษณะการปรับทางเดินของเส้นแรงแม่เหล็ก
ที่มา : ไชยชาญ หินเกิด, มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ, 2559, หน้า 3
1.1.2 การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (Magnetic induction) ไม่จำเป็นเสมอไปที่แม่เหล็กจะต้องได้ มาจากสารที่เป็นแม่เหล็กที่นำมาแยกหรือผ่าออกมา เราสามารถสร้างแม่เหล็กได้โดยที่ไม่ต้องถู หรือสัมผัสกับแม่เหล็กเลย เช่น การนำเหล็กอ่อนไปวางไว้ใกล้ ๆ แท่งแม่เหล็ก เหล็กอ่อนนั้นก็จะกลายสภาพเป็นแม่เหล็กทันที เรียกว่า “วิธีการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก” ดังแสดงในรูปที่ 1.7 (ก)
โดยแท่งเหล็กอ่อนจะกลายเป็นแม่เหล็กที่ได้จากการเหนี่ยวนำนี้จะมี 2 ขั้ว ขั้วที่อยู่ใกล้แท่งแม่เหล็กถาวรจะมีขั้วตรงกันข้ามกับขั้วของแท่งแม่เหล็กถาวรที่อยู่ใกล้กัน ซึ่งสามารถตรวจสอบได้โดยนำตะปูไวไว้ใกล้ ๆ กับแท่งเหล็กอ่อน แท่งเหล็กอ่อนนั้นจะสามารถดูดตะปูได้ ดังแสดงในรูปที่ 1.7 (ข)
(ก) วิธีการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (ข) แท่งเหล็กอ่อนดูดตะปู
รูปที่ 1.7 แสดงการสร้างแม่เหล็กโดยการเหนี่ยวนำ
ที่มา : ประยุกต์จาก ไชยชาญ หินเกิด, มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ, 2559, หน้า 4
และ http://www.rmutphysics.com, สืบค้นเมื่อ 2559
1.2 แม่เหล็กไฟฟ้า (Electro Magnetic)
ในปีค.ศ.1819 ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Oersted) นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก ทำการทดลองเกี่ยวกับการไหลของกระแสไฟฟ้าในตัวนำ พบว่า เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลในตัวนำจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นเสมอ การทดลองของเออร์สเตด โดยการนำเอาลวดตัวนำไฟฟ้าต่อเข้ากับเซลล์ไฟฟ้าและให้ตัวนำนั้นวางขนานกับเข็มทิศที่วางอยู่ใต้ตัวนำ เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำจะทำให้เข็มทิศเกิดการเบี่ยงเบนเป็นมุม 90 องศา หรือ ทำมุมฉากกับแนวตัวนำเดิม เมื่อทดลองจ่ายกระแสไฟฟ้าให้ไหลกลับทาง เข็มทิศจะเกิดการเบี่ยงเบนไปอีกทางหนึ่งกับตำแหน่งเดิมเป็นมุม 180 องศาหรือมีทิศทางตรงข้ามกับมุมเดิม และยังพบอีกว่าถ้าวางลวดตัวนำเป็นมุม 90 องศากับ เข็มทิศแล้วเข็มทิศจะไม่เบี่ยงเบนไปในทิศทางใด ๆ เลย ดังแสดงในรูปที่ 1.8
นอกจากนี้ ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด ยังได้ค้นพบอีกว่าสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเนื่องจาก การไหลของกระแสไฟฟ้านั้น ประกอบไปด้วยเส้นแรงแม่เหล็กจำนวนหนึ่งจัดเรียงเป็นวงรอบ ๆ ตัวนำที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านนั้น โดยตัวนำจะเป็นจุดศูนย์กลางของวงกลมนั่นเอง สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นรอบ ๆ ตัวนำนี้ ถ้ายิ่งอยู่ห่างตัวนำมากอำนาจแม่เหล็กก็ยิ่งน้อย
การเกิดสนามแม่เหล็กนี้สามารถเป็นการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำไฟฟ้าที่อยู่ในแนวตั้งทะลุผ่านกระดาษแข็ง แล้วนำเข็มทิศวางไว้บนกระดาษแข็งตามตำแหน่งต่าง ๆ จะสังเกตเห็นว่าทิศทางของเข็มทิศจะหันเหเรียงตามกันไปเป็นวงกลมรอบตัวนำด้วย
รูปที่ 1.8 แสดงการทดลองแม่เหล็กไฟฟ้าของเออร์สเตด
ที่มา : https://ca.wikipedia.org, สืบค้นเมื่อ 2559
และ http://energiein.e-monsite.com/pages/55, สืบค้นเมื่อ 2559
1.3 ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ
มอเตอร์ไฟฟ้าอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลในรูปแบบของ การหมุน เพื่อเป็นต้นกำลังไปขับเคลื่อนอุปกรณ์ต่าง ๆ ทั้งเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือน เช่น พัดลม ปั๊มน้ำ ปั๊มลม คอมเพรสเซอร์เครื่องปรับอากาศ และการใช้เป็นต้นกำลังของเครื่องจักรกลต่าง ๆ ในโรงงานอุตสาหกรรม เช่น ขับเคลื่อนลิฟท์ ขับเคลื่อนสายพานลำเลียง เครื่องไส เป็นต้น
ส่วนที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า คือ ขดลวดสเตเตอร์ที่เป็นส่วนที่อยู่กับที่ เมื่อขดลวด สเตเตอร์ได้รับพลังงานไฟฟ้าก็จะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมาในตัวที่อยู่กับที่หรือขดลวดสเตเตอร์ซึ่งสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นนี้จะมีการเคลื่อนที่หรือหมุนไปรอบ ๆ สเตเตอร์ เนื่องจากการต่างเฟสของกระแสไฟฟ้าในขดลวด ในขณะที่สนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ไป ตัดกับตัวนำที่เป็นวงจรปิดหรือขดลวดโรเตอร์ ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำของกระแสไฟฟ้าขึ้นในขดลวดโรเตอร์ ซึ่งสนามแม่เหล็กของโรเตอร์นี้เกิดพลังงานกลเคลื่อนที่ตามทิศทางการเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กที่สเตเตอร์ และสามารถควบคุมความเร็วและควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร์ได้ตามความต้องการ
มอเตอร์ไฟฟ้าแบ่งได้เป็น 2 ชนิด ตามประเภทของการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับมอเตอร์ คือ มอเตอร์ไฟฟ้ากระสตรง (Direct Current Motor) และมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating current Motor) ในส่วนนี้เราจะกล่าวเฉพาะมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ เท่านั้น
1.4 ชนิดของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ
มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับแบ่งได้เป็น 2 ชนิด คือ มอเตอร์ซิงโครนัส และ มอเตอร์ อะซิงโครนัส ซึ่งลักษณะสำคัญของมอเตอร์ทั้ง 2 ชนิด มีดังนี้
1.4.1 มอเตอร์ซิงโครนัส (Synchronous Motor) เป็นมอเตอร์ที่ตัวแกนโรเตอร์หมุนด้วยความเร็วซิงโครนัส ซึ่งตัวส่วนที่เป็นโรเตอร์ จะทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กเพื่อผลักตัวเองให้หมุนไปพร้อมกับสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นที่สเตเตอร์ โดยสนามแม่เหล็กที่ตัวแกนหมุนโรเตอร์นั้น มักจะถูกสร้างจากแม่เหล็กถาวรในกรณีที่เป็นมอเตอร์ขนาดเล็ก และเป็นแบบที่ใช้พันขดลวดที่แกนหมุนโรเตอร์ ในกรณีที่เป็นมอเตอร์ขนาดใหญ่ แล้วจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงผ่านทางวงแหวนสลิปริง (Slip ring) และแปรงถ่านเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแทน แต่ในปัจจุบันจะนิยมใช้เป็นแบบมอเตอร์ที่ไม่มีแปรงถ่าน (Brushless Motor) เช่น มอเตอร์สเตปปิ้ง (Stepping Motor) เพื่อลดปัญหาการซ่อมบำรุงเปลี่ยนแปรงถ่าน มอเตอร์ซิงโครนัส มี 2 ชนิด ได้แก่ มอเตอร์ซิงโครนัส 3 เฟสและมอเตอร์ซิงโครนัส 1 เฟส
1.4.2 มอเตอร์อะซิงโครนัส (Asynchronous Motor) หรือเรียกว่า “มอเตอร์เหนี่ยวนำ” (Induction Motor) เป็นมอเตอร์ที่ตัวแกนโรเตอร์หมุนด้วยความเร็วไม่เท่ากับซิงโครนัส เกิดจาก การส่งผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สเตเตอร์ มายังโรเตอร์ที่มีพันขดลวดอยู่โดยอาศัยหลักการ โดยมอเตอร์เหนี่ยวนำส่วนมากจะหมุนด้วยความเร็วคงที่แต่ก็มีบางชนิดที่สามารถเปลี่ยนแปลงความเร็วได้ มอเตอร์เหนี่ยวนำ แบ่งตามระบบไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายให้กับมอเตอร์แบ่งได้ 2 ชนิด คือ
(1) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับชนิด 3 เฟส (Three Phase Motor)
(2) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับชนิด 1 เฟส (Single Phase Motor)
มอเตอร์เหนี่ยวนำ หากแบ่งตามลักษณะของโรเตอร์ แบ่งได้ มี 2 ชนิด ได้แก่
(1) โรเตอร์แบบกรงกระรอก (Squirrel cage Rotor)
(2) โรเตอร์แบบพันขดลวด (Wound Rotor)
