วิธีการควบคุมและป้องกันมอเตอร์ไฟฟ้า 3 เฟส

การควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระเเสสลับ 3 เฟส

มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในโรงงานต่างเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมเครื่องจักรกลต่างๆ
ในงานอุตสาหกรรมมอเตอร์มีหลายแบบหลายชนิดที่ใช้ให้เหมาะสมกับงาน ดังนั้นเราจึงต้องทราบถึงความหมายและชนิดของมอเตอร์ไฟฟ้า ตลอดคุณสมบัติการใช้งานของมอเตอร์แต่ละชนิดเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้งานของมอเตอร์นั้นๆ และสามารถเลือกใช้งานให้เหมาะสมกับงานออกแบบระบบประปาหมู่บ้านหรืองานอื่นที่เกี่ยวข้องได้ ดังนั้นเพื่อศึกษาและปฏิบัติเกี่ยวกับ ชนิดโครงสร้าง ส่วนประกอบและหลักการทำงานของมอเตอร์กระแสตรง มอเตอร์กระแสสลับ 1 เฟส และ 3 เฟส การเริ่มเดินมอเตอร์ การกลับทางหมุน การต่อวงจรมอเตอร์ต่างๆ สัญลักษณ์ที่ใช้ในงานควบคุม การเลือกขนาดสายไฟฟ้าและป้องกันอุปกรณ์ควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้า การควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับ การต่อวงจรขดลวดสปลิตเฟสมอเตอร์และมอเตอร์ 3 เฟส ต่อสายวงจรการเริ่มเดินและกลับทางหมุนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับ 1 เฟส และ 3เฟส

ความรู้พื้นฐานมอเตอร์ไฟฟ้ากระเเสสลับ 3 เฟส

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส

แบ่งออกตามโครงสร้างและหลักการทำงานของมอเตอร์ได้ 2 แบบ คือ
1. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส แบบอินดักชั่น (3 Phase Induction Motor)
2. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส แบบซิงโครนัส (3 Phase Synchronous Motor)

1. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส แบบอินดักชั่น

มอเตอร์ไฟสลับ 3 ที่มีคุณสมบัติที่ดี คือมีความเร็วรอบคงที่เนื่องจากความเร็วรอบอินดักชั่นมอเตอร์ขึ้นอยู่กับความถี่ (Frequency) ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ มีราคาถูก โครงสร้างไม่ซับซ้อน สะดวกในการบำรุงรักษาเพราะไม่มีคอมมิวเตเตอร์และแปรงถ่านเหมือนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เมื่อใช้ร่วมกับเครื่องควบคุมความเร็วแบบอินเวอร์เตอร์ (Invertor) สามารถควบคุมความเร็ว (Speed) ได้ตั้งแต่ศูนย์จนถึงความเร็วตามพิกัดของมอเตอร์ นิยมใช้กันมาก เป็นต้น กำลังในโรงงานอุตสาหกรรม ขับเคลื่อนลิฟท์ขับเคลื่อนสายพานลำเลียง ขับเคลื่อนเครื่องจักรไฟฟ้า เช่น เครื่องไส เครื่องกลึง มอเตอร์อินดักชั่นมี 2 แบบ แบ่งตามลักษณะตัวหมุนคือ

1.โรเตอร์
2. ขดลวดสนามแม่เหล็ก
3. ขั้วต่อสาย
4. โครงมอเตอร์
5. ฝาครอบหัว
6. ฝาครอบท้าย

1.1 อินดักชั่นมอเตอร์ที่มีโรเตอร์แบบกรงกระรอก (Squirrel Cage Induction Motor)

อินดักชั่นมอเตอร์แบบนี้ ตัวโรเตอร์จะมีโครงสร้างแบบกรงกระรอกเหมือนกับโรเตอร์ของสปลิทเฟสมอเตอร์

1.2 อินดักชั่นมอเตอร์ที่มีโรเตอร์แบบขดลวด (Wound Rotor Induction Motors)

อินดักชั่นมอเตอร์ชนิดนี้ตัวโรเตอร์จะทำจากเหล็กแผ่นบาง ๆ อัดซ้อนกันเป็นตัวทุ่นคล้าย ๆอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง มีร่องสำหรับวางขดลวดของตัวโรเตอร์เป็นขดลวด 3 ชุด สำหรับสร้างขั้วแม่เหล็ก 3 เฟส เช่นกันปลายของขดลวดทั้ง 3 ชุดต่อกับสปริง(Slip Ring) จำนวน 3 อันสำหรับเป็นทางให้กระแสไฟฟ้าครบวงจรทั้ง 3 เฟสการทำงานของอินดักชั่นมอเตอร์
เมื่อจ่ายไฟฟ้าสลับ 3 เฟสให้ที่ขดลวดทั้ง 3 ของตัวสเตเตอร์จะเกิดสนามแม่เหล็กหมุนรอบ ๆ ตัวสเตเตอร์ ทำให้ตัวหมุน(โรเตอร์) ได้รับการเหนี่ยวนำทำให้เกิดขั้วแม่เหล็กที่ตัวโรเตอร์ และขั้วแม่เหล็กนี้ จะพยายามดึงดูดกับสนามแม่เหล็กที่หมุนอยู่รอบ ๆ ทำให้มอเตอร์
ของอินดักชั่นมอเตอร์หมุนไปได้ ความเร็วของสนามแม่เหล็กหมุนที่ตัวสเตเตอร์นี้จะคงที่ตามความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ ดังนั้นโรเตอร์ของอินดักชั่น ของมอเตอร์ จึงหมุนตามสนามหมุนดังกล่าวไปด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของสนามแม่เหล็กหมุน
2. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ
3 เฟสแบบซิงโครนัสเป็นมอเตอร์ได้ใหญ่ที่สุด

ซิงโครนัสมอเตอร์เป็นมอเตอร์ขนาดใหญ่ที่สุด ที่ขนาดพิกัดของกำลังไฟฟ้าตั้งแต่ 150 kW (200 hp) จนถึง 15 MW (20,000 hp) มีความเร็วตั้งแต่ 150 ถึง 1,800 RPM
มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟสแบบซิงโครนัส (3 Phase Synchronous Motor)

โครงสร้างของซิงโครนัสมอเตอร์ ที่สำคัญมี 2 ส่วนคือ
1. สเตเตอร์ (Stator)
2. โรเตอร์ (Rotor)

1. สเตเตอร์ (Stator) ของซิงโครนัสมอเตอร์เหมือนกับสเตเตอร์ของ 3 เฟส
อินดักชั่นมอเตอร์มีร่องสำหรับพันขดลวดจำนวน 3 ชุด เฟสละ1 ชุด เมื่อจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส ให้กับสเตเตอร์จะเกิดสนามแม่เหล็กหมุนขึ้น เมื่อสนามแม่เหล็กหมุนอินดักชั่นมอเตอร์

2. โรเตอร์ (Rotor) ของซิงโครนัสมอเตอร ์ เป็นแบบขั้วแม่เหล็กยื่น (Salient Poles) และมีขดลวดพันข้าง ๆ ขั้วแม่เหล็กยื่นเหล่านั้นขดลวดสนามแม่เหล็กที่พันรอบขั้วแม่เหล็กยื่นต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงภายนอก เพื่อสร้างขั้วแม่เหล็กขึ้นที่ตัวโรเตอร์ การทำงานของซิงโครนัสมอเตอร์เมื่อจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส ให้กับสเตเตอร์ของซิงโครนัสมอเตอร์ จะเกิดสนามแม่เหล็กหมุนเนื่องจากตัวหมุน (โรเตอร์)
ของซิงโครนัสมอเตอร์เป็นแบบขั้วแม่เหล็กยื่น และมีขดลวดสนามแม่เหล็กพันอยู่รอบ ๆโดยใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสภายนอก เมื่อจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงให้กับโรเตอรจะทำให้เกิดขั้วแม่เหล็กที่โรเตอร์ขึ้น ขั้วแม่เหล็กนี้จะเกาะตามการหมุนของสนามหมุนของสเตเตอร์ ทำให้มอเตอร์หมุนไปด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของสนามแม่เหล็กที่สเตเตอร์

การเริ่มเดินมอเตอร์โดยตรง (Direct on line starter: DOL)

การเริ่มเดินมอเตอร์โดยตรง เป็นการจ่ายแรงดันไฟฟ้าตามพิกัดที่ระบุบน Name Plate มอเตอร์ เรียกย่อว่าการสตาร์ทแบบ DOL โดยไม่มีการลดกระแสหรือแรงดันขณะสตาร์ท ซึ่งมอเตอร์จะมีกระแสขณะสตาร์ทประมาณ 6 ถึง 7 เท่าของกระแสพิกัด จึงเหมาะกับมอเตอร์ขนาดเล็กเช่นมอเตอร์มีขนาดไม่เกิน 7.5 กิโลวัตต์หรือ 10 แรงม้า แต่อาจมีการสตาร์ทแบบ DOL ได้เช่นกันในมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่านี้ สำหรับงานที่ต้องการแรงบิดสูง

การกลับทิศทางหมุนมอเตอร์ไฟฟ้ากระเเสสลับ 3 เฟส

มอเตอร์ไฟฟ้า 3 เฟส นิยมใช้กันมาก เครื่องจักรในงานอุตสาหกรรม เช่นเครื่องกลึง, เครื่องกัด, เครื่องใส,เครนยกของ ฯลฯ เครื่องดังกล่าวอาจต้องมีการทำงานที่เปลี่ยนทิศทาง 2 ทิศทาง จึงต้องรู้จักวิธีการกลับทางหมุนมอเตอร์ 3เฟส อย่างถูกวิธี ไม่ว่ามอเตอร์จะต่อขดลวดแบบสตาร์หรือเดลต้า ถ้าทำการสลับสายแหล่งจ่ายไฟฟ้าให้กับมอเตอร์คู่ใดคู่หนึ่ง จะทำให้มอเตอร์กลับทิศทางการหมุนได้

การกลับทางหมุนมอเตอร์ 3 เฟส สามารถทำได้ 2วิธีคือ

1. การกลับทางหมุนโดยใช้สวิตช์เช่น ดรัมสวิตช์ (Drum Switch)
หรือโรตารี่แคมสวิตช์ (Rotary Camp SWitch)
2. โดยการใช้แมคเนติกคอนแทคเตอร์
การกลับทางหมุนโดยใช้สวิตช์เช่นโรตารี่แคมสวิตช์จะเป็นสวิตช์หมุน 3 ตำแหน่ง
คือ I-O-II (Clockwise-Counter Cockwise) หรือ F-O-R (Forward-Stop-Reverse)
หรือ L-O-R (Left-Stop-Right)

 

การลดกระเเสขณะเริ่มเดินมอเตอร์ไฟฟ้ากระเเสสลับ 3 เฟส

ชุดการเริ่มเดิน หรือชุดสตาร์ทเตอร์ของมอเตอร์ไฟฟ้า 3 เฟส จากจุดหยุดนิ่ง จำเป็นต้องใช้กระแสจำนวนมากระดับหนึ่งในการเอาชนะแรงเฉื่อย หรือน้ำหนักของโรเตอร์ให้เริ่มขยับหมุน ในขณะที่มีการจ่ายกระแสสูง จะเกิดแรงบิด หรือแรงฉุดกระชากสูงมาก เพื่อให้โรเตอร์หรือส่วนหมุนขยับตัวและค่อยๆ เพิ่มความเร็วรอบ จนกระทั่งเข้าสู่ความเร็วรอบตามพิกัดของมอเตอร์นั้นๆ จากการที่มีแรงบิดสูงกระชากช่วงสตาร์ทนั้น จะมีผลทำให้อุปกรณ์ทางกลต่างๆ เช่น ลูกปืน เพลา บูท รวมถึงโหลดที่ต่ออยู่เกิดความเสียหายเร็วขึ้น ดังนั้นจึงมีหลายวิธีในการสตาร์ทมอเตอร์ไฟฟ้า เพื่อลดความเสียหายต่อตัวมอเตอร์ โหลดต่างๆ ที่ต่ออยู่ในระบบ อุปกรณ์ทางกลต่างๆ การลดกระแสช่วงสตาร์ท แรงดันตก ไฟกระพริบ รวมถึงประสิทธิผลในการสตาร์ทมอเตอร์นั้นๆ ได้ จึงมีการสตาร์ทมอเตอร์ไฟฟ้าตามความเหมาะสมในหลากหลายประเภทการใช้งานดังต่อไปนี้

1. การสตาร์ทมอเตอร์โดยตรง (Direct on line starting)

การสตาร์ทมอเตอร์โดยตรง คือ การสตาร์ทด้วยแรงดันเต็มพิกัด ซึ่งเป็นวิธีที่นิยมในการสตาร์ทมอเตอร์ เพราะสะดวก มีราคาถูก จะใช้สำหรับมอเตอร์ที่มีขนาดเล็ก โดยมอเตอร์จะถูกต่อตรงกับแหล่งจ่ายที่มีแรงดันตามพิกัด กระแสขณะสตาร์ทจะสูงถึงประมาณ 4 – 7 เท่า ของแรงดันพิกัด จึงทำให้เกิดอันตรายต่อมอเตอร์, โหลด, อุปกรณ์ทางกลที่เกี่ยวข้อง และระบบไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง เกิดผลกระทบอย่างต่อเนื่องจากการสตาร์ทมอเตอร์โดยตรงแบบนี้

หมายเหตุ การสตาร์ทมอเตอร์ขนาดใหญ่ หรือการสตาร์ทขนาดมีโหลด ด้วยวิธีแบบตรงก็ยังเป็นวิธีหนึ่งที่จะนำมาเลือกใช้ เพราะกังวลว่าการสตาร์ทแบบ Y-D หรือ วิธีอื่นๆ อาจสตาร์ทไม่ผ่าน หรือสิ้นเปลืองเงินลงทุน แต่ที่จริงแล้วการสตาร์ทได้นั้น ก็จะมีผลเรื่องของกระแสกระชาก แรงบิดเริ่มต้นที่สูง มีผลกับอุปกรณ์ทางกลที่เกี่ยวเนื่องกัน ระบบไฟฟ้าอาจเกิดการกระพริบ ได้ตามที่ได้กล่าวไว้แล้วข้างต้น

2. การสตาร์ทมอเตอร์ โดยการลดแรงดัน การลดแรงดัน จะมีผลให้มีการลดกระแสในขณะสตาร์ทของมอเตอร์ไม่ให้สูงมากเกิน จนเป็นอันตรายต่ออุปกรณ์หรือส่วนที่เกี่ยวข้อง ซึ่งมีหลายวิธีในการลดแรงดันขณะสตาร์ทมอเตอร์ ดังต่อไปนี้

การเริ่มเดินมอเตอร์เเบบสตาร์-เดล

มอเตอร์แบบสตาร์ เดลต้า เป็นวิธีที่ง่าย และสามารถลดกระแสขณะสตาร์ทได้ ซึ่งมอเตอร์ที่จะนำมาสตาร์ทแบบสตาร์ เดลต้าได้ ขดลวดสเตเตอร์จะถูกออกแบบให้ทำงานที่พิกัดขดลวดเป็นขดเฟสที่ต่อแบบเดลต้า เช่น มอเตอร์ชนิด 400 V (Delta)/690 V (Star) ในขณะทำการสตาร์ท ขดลวดมอเตอร์จะถูกต่อแบบสตาร์ ทำให้ค่าแรงดันตกคร่อมที่ขดลวดลดลงเหลือเพียง 57% เมื่อแรงดันตกคร่อมลดลงส่งผลทำให้กระแสสตาร์ทจะลดลง และแรงบิดล็อกโรเตอร์ก็จะลดลงไปด้วยประมาณ 1 ใน 3 ของค่าที่ต่อแบบเดลต้า หลังจากนั้นเมื่อความเร็วรอบมอเตอร์เข้าใกล้พิกัดก็จะต่อกลายเป็นแบบเดลต้าที่ระบบไฟฟ้า 400 V

การสตาร์ทมอเตอร์แบบสตาร์ เดลต้า จะเหมาะกับมอเตอร์ที่มีพิกัดมากกว่า 7.5 kW ซึ่งถ้าใช้การสตาร์ทมอเตอร์โดยตรง (Direct on Line) กับมอเตอร์ที่มีพิกัดมากกว่า 7.5 kW แล้วจะทำให้เกิดผลเสียกับระบบไฟฟ้าหลายอย่าง เช่น แรงดันไฟตกหรือเกิดโอเวอร์โหลดที่หม้อแปลง ดังนั้นการสตาร์ทแบบสตาร์ เดลต้า จะเหมาะสมกว่า


การเริ่มเดินมอเตอร์ด้วยหม้อเเปลงเเบบอัตโนมัติ

การเริ่มเดินมอเตอร์โดยตรง เป็นการจ่ายแรงดันไฟฟ้าตามพิกัดที่ระบุบน Name Plate มอเตอร์ เรียกย่อว่าการสตาร์ทแบบ DOL โดยไม่มีการลดกระแสหรือแรงดันขณะสตาร์ท ซึ่งมอเตอร์จะมีกระแสขณะสตาร์ทประมาณ 6 ถึง 7 เท่าของกระแสพิกัด จึงเหมาะกับมอเตอร์ขนาดเล็กเช่นมอเตอร์มีขนาดไม่เกิน 7.5 กิโลวัตต์หรือ 10 แรงม้า แต่อาจมีการสตาร์ทแบบ DOL ได้เช่นกันในมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่านี้ สำหรับงานที่ต้องการแรงบิดสูง

2. การเริ่มเดินมอเตอร์ด้วยการลดแรงดันไฟฟ้า (Reduced Voltage Starter)

เนื่องจากการเริ่มเดินมอเตอร์แบบ DOL จะมีกระแสสตาร์ทสูงประมาณ 7 ถึง 10 เท่า ทำให้การเลือกอุปกรณ์ไม่ว่าจะเป็นขนาดของเซอร์กิตเบรกเกอร์, คอนแทคเตอร์, สายไฟ จะต้องมีการเผื่อการรองรับกระแสให้เพียงพอ เพื่อป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น การเริ่มเดินมอเตอร์ด้วยการลดแรงดันไฟฟ้า (Reduced Voltage Starter) มีหลายแบบด้วยกันตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน แต่วิธีที่นิยมที่สุด คือ การเริ่มเดินแบบสตาร์-เดลต้า (Star-delta starter)

การสตาร์ทแบบสตาร์-เดลตานี้เป็นวิธีการที่นิยมใช้กันมาก เนื่องจากออกแบบง่าย และเหมาะสำหรับการสตาร์ทมอเตอร์สามเฟสแบบเหนี่ยวนำใช้สำหรับมอเตอร์ที่มีการต่อขดลวดภายในที่มีปลายสาย.ต่อออกมาข้างนอก 6 ปลาย และมอเตอร์จะต้องมีพิกัดแรงดันสำหรับการต่อแบบเดลตาที่สามารถต่อเข้ากับแรงดันสายจ่ายได้อย่างปลอดภัยปกติพิกัดที่ตัวมอเตอร์สำหรับระบบแรงดัน 3 เฟส 380 V จะระบุเป็น.เป็น 380/660 V

ในขณะสตาร์ทมอเตอร์จะทำการต่อแบบสตาร์ (Star หรือ Y) ซึ่งสามารถลดแรงดันขณะสตาร์ทได้ และเมื่อมอเตอร์หมุนไปได้สักระยะหนึ่งประมาณความเร็ว 75% ของความเร็วพิกัดมอเตอร์จะทำการต่อแบบเดลตา (Delta หรือ D)