การควบคุม เครื่องกล ไฟฟ้า คือ อะไร

สวัสดีคะพี่ๆ น้องๆ ชาว EF Magazine ทุกคนวันนี้เราจะมาทำความคุ้นเคยกับการควบคุมมอเตอร์กันนะคะ อย่างที่รู้ๆ กันว่ามอเตอร์ไฟฟ้าคือเครื่องกลไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล โดยมีลักษณะการทำงาน เป็นแบบเชิงมุม หรือลักษณะการหมุนซึ่งหลักการหมุนในมอเตอร์เกิดจากการดูดและผลักกันของขั้วแม่เหล็ก

การควบคุมมอเตอร์ที่นิยมใช้จะมี 2 แบบ คือ แบบวงจรสายเดี่ยวหรือที่เรียกกันว่า

Direct On Line (DOL) และ แบบวงจรสตาร์-เดลต้า (Y-D)

1. แบบวงจรสายเดียว (One Line Diagram)
การสตาร์ทมอเตอร์แบบต่อโดยตรงจากไลน์ หรือ (Direct on-line starting) เป็นวิธีที่ง่าย ราคาถูก ระบบไม่ซับซ้อน ทำให้โอกาสความผิดพลาดในการ
เดินเครื่องจึงมีน้อย แต่โชคไม่ดีนักที่วิธีการสตาร์ทอินดักชั่นมอเตอร์ 3 เฟส
แบบนี้ อาจจะไม่เหมาะกับโหลดบางอย่างของมอเตอร์ เพราะกระแสล็อกโรเตอร์
ของมอเตอร์อาจจะมีค่าเพิ่มขึ้นสูง และแรงบิดสตาร์ทกระชากอาจจะมีค่าถึง
3 เท่าของแรงบิดพิกัด ถ้าหากมอเตอร์มีขนาดใหญ่อาจทำให้แรงดันตก หรือ
แหล่งจ่ายไฟเสียหาย อันเนื่องมาจากกระแส ล็อกโรเตอร์ หรืออาจทำให้เกิด
ปัญหาทำงานผิดพลาดเกี่ยวกับระบบการป้องกันมอเตอร์ทางด้านอุณหภูมิ
เนื่องจากความร้อนสูงเกิน ซึ่งเกิดจากกระแสสตาร์ทที่มีค่าสูง 5-7เท่า

2. แบบวงจรสตาร์-เดลต้า (Star–Delta Diagram)
วิธีการการสตาร์ทอินดักชั่นมอเตอร์ แบบสตาร์-เดลต้า เป็นอีกวิธีที่ง่ายและ
สามารถลดกระแส ขณะสตาร์ทได้ดีขึ้น ซึ่งมอเตอร์ที่จะนำมาสตาร์ทแบบ
สตาร์-เดลต้า ได้ขดลวด สเตเตอร์ จะต้องถูกออกแบบให้ทำงานที่พิกัด
ขดลวดเป็นขดเฟสที่ต่อแบบเดลต้า เช่นมอเตอร์ ชนิด 400 VD/690 VY ในขณะทำการสตาร์ท ขดลวดมอเตอรจะถูกต่อแบบ Y ทำให้ค่าแรงดัน
ตกคร่อมที่ขดลวดลดลงเหลือเพียง 57% เมื่อแรงดันตกคร่อมลดลงส่งผล
ทำให้กระแสสตาร์ทจะลดลง และแรงบิดล็อกโรเตอร์ก็จะลงไปด้วยประมาณ
1 ใน 3 ของค่าที่ต่อแบบเดลต้า หลังจากนั้นเมื่อความเร็วรอบมอเตอร์
เข้าใกล้พิกัด ก็จะต่อกลับกลายเป็นแบบเดลต้า ที่ระบบไฟฟ้า 400 V ดังแสดงในรูป วงจรกำลัง และวงจรควบคุมของวงจร Star – Delta

ในการเลือก Contactor จำเป็นต้องรู้อะไรบ้าง
1. พิกัดแรงดันไฟฟ้า Contactor จะต้องมีค่าพิกัดในการทนแรงดันไฟฟ้าไม่ต่ำกว่าแรงดันของระบบไฟฟ้าที่ต่อใช้งาน
2. พิกัดกำลังไฟฟ้า ค่าพิกัดกำลังไฟฟ้าของมอเตอร์มักระบุเป็นกิโลวัตต์ (kW) หรือแรงม้า (HP) แต่โดยทั่วไปผู้ผลิตมักจะระบุเป็นพิกัดการทน
กระแสไฟฟ้า (A) ซึ่งพิกัด Contactor ต้องไม่น้อยกว่ากระแสโหลดเต็มที่ของมอเตอร์
3. ลักษณะของโหลด ตามมาตรฐาน IEC 60947-4 แบ่งชั้นการใช้งานของ Contactor เป็น 4 ชนิด
AC1: เหมาะสำหรับใช้โหลดที่เป็นความต้านทาน หรือค่าพาวเวอร์แฟคเตอร์มากกว่า 0.95
AC2: เหมาะสำหรับโหลดที่มีกระแสสตาร์ทและช่วงเบรคของมอเตอร์ Slip ring ประมาณ 2.5 เท่าของกระแสปกติ
AC3: เหมาะสำหรับใช้การสตาร์ทและหยุดโหลดที่เป็นมอเตอร์กรงกระรอก ที่ใช้กระแสสตาร์ทประมาณ 5-7 เท่าของกระแสปกติ
AC4: เหมาะสำหรับการสตาร์ท-หยุดมอเตอร์ วงจร jogging และการกลับทางหมุนมอเตอร์แบบกรงกระรอก
4. Breaking Capacity ค่ากระแสที่ Contactor สามารถปลดวงจรได้ โดยไม่ชำรุด
5. Making Capacity ค่ากระแสที่ Contactor สามารถต่อวงจรได้โดยไม่ชำรุด ขณะเริ่มเดินมอเตอร์

เป็นยังไงบ้างคะ หัวข้อในวันนี้ ทำให้พี่ๆ น้องๆ ชาว EF เข้าใจการควบคุมวงจรแต่ละประเภทมากขึ้นไหมเอ่ย? คราวหน้าเราจะมาเรียนรู้เรื่อง
อะไรกันต่อ โปรดติดตามใน EF Magazine ฉบับต่อไปกันนะคะ

หากท่านสนใจข้อมูลเพิ่มเติม ติดต่อ คุณสกาวรัตน์ สวัสดิ์วรวงศ์ : 091-556 0518 หรือส่ง E-mail มาที่ [email protected]

ชนิดของมอเตอร์

วงจรไฟฟ้าคือการนำแหล่งจ่ายไฟฟ้า จ่ายแรงดันและกระแสให้กับโหลด โดยใช้ลวดตัวนำ ถ้าเรามองดูอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้ารอบ ๆ ตัวเรา ไม่ว่าจะเป็นพัดลม เครื่องซักผ้า เครื่องเล่นเทป หรือของเล่นต่างๆ จะเห็นว่าเครื่องใช้ส่วนใหญ่ จะมีมอเตอร์เป็นส่วนประกอบในการทำงาน แทบทั้งสิ้น นอกจากนี้เครื่องจักรต่าง ๆ ที่ใช้ในงานผลิตของโรงงานอุตสาหกรรม ก็อาศัยมอเตอร์แทบทั้งสิ้น จึงอาจกล่าวได้ว่ามอเตอร์ คือ อุปกรณ์ที่มีความสำคัญ ต่อชีวิตความเป็นอยู่ของมนุษย์เราเลยทีเดียว

มอเตอร์จะทำหน้าที่ แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลให้เราไปใช้ในการทำงาน แทนการใช้แรงงานจากมนุษย์ เราอาจแบ่งมอเตอร์ ตามระบบไฟที่ใช้ได้ 2 ประเภท คือ

• มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Motor)
• มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Motor)

​

โดยมอเตอร์ทั้งสองประเภทจะมีส่วนประกอบที่แตกต่างกันออกไปบ้าง แต่ส่วนประกอบหลักคือจะมีส่วนที่อยู่กับที่เราเรียกว่า สเตเตอร์ (Stator) และส่วนที่เคลื่อนที่ซึ่งเราเรียกว่าโรเตอร์(Rotor)มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงมีด้วยกันหลายแบบ ถ้าจะแบ่งตามการสร้างสนามแม่เหล็กของ สเตเตอร์ ก็จะแบ่งได้เป็น 3 แบบคือ

• แบบที่ใช้แม่เหล็กถาวรเป็นตัวสร้างสนามแม่เหล็ก (Permanent DC Motor)แบบนี้จะมีแท่งแม่เหล็กอย่างน้อยสองแท่ง เป็นส่วนประกอบของสเตเตอร์ ส่วนใหญ่จะเป็นมอเตอร์ขนาดเล็ก ๆ ใช้ในของเด็กเล่น หรือเครื่องมือขนาดเล็ก เช่นสว่านเจาะปรินซ์
• แบบที่ใช้ขดลวดในการสร้างสนามแม่เหล็ก (Wound DC Motor) แบบนี้จะมีขดลวดสเตเตอร์ ในการสร้างสนามแม่เหล็ก และมีขั้วต่อออกเพื่อรับการจ่ายไฟเลี้ยง ซึ่งสามารถต่อได้ 2 ลักษณะคือ ต่ออนุกรมกับขดลวดโรเตอร์ เราเรียกว่า ซีรีส์มอเตอร์ (Series Motor) และต่อแบบขนานกับโรเตอร์ เรียกว่า ชันท์มอเตอร์ (Shunt Motor) โดยมอเตอร์แบบนี้จะใช้ในงานพิเศษที่ต้องการแรงบิดสูง หรือ งานที่ต้องการความเร็วรอบที่คงที่และปรับเปลี่ยนได้ง่าย โดยวิธีควบคุมกระแสที่จ่ายให้ขดลวดนี้
• แบบใช้ขดลวดพันพิเศษเพื่อหมุนแบบที่ละขั้นที่ละจุด มักเรียกกันว่า สเตปปิ้งมอเตอร์ (Stepping Motor) ซึ่งจะใช้ในการควบคุมแบบพิเศษ เช่นแขนกล หรืออุปกรณ์ที่ต้องการควบคุมการหมุนแบบละเอียด

สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ก็มีด้วยกันหลายประเภท เช่น มอเตอร์แบบซิงโครนัส (Synchronous Motor), มอเตอร์แบบอินดักชั่น (Induction Motor) เป็นต้นซึ่งในที่นี้จะไม่ขอกล่าวถึง เพราะมีรายละเอียดมากมาย ไม่เหมาะกับการเรียนรู้ในระดับพื้นฐาน จึงขอกล่าวรายละเอียด เฉพาะมอเตอร์อย่างง่าย ที่ใช้แม่เหล็กถาวรเท่านั้น เพราะศึกษาได้ง่ายและเห็นกันอยู่เสมอ

​

หลักการทำงาน

หลักการทำงานของมอเตอร์จะอาศัยแรงผลักที่เกิดจากสนามแม่เหล็ก โดยความรู้เบื้องต้นที่เราได้เรียนมาคือ เมื่อมีกระแสไหลผ่านลวดตัวนำ จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบตัวนำนั้น ถ้าเรานำตัวนำดังกล่าวไปวางไว้ในสนามแม่เหล็กถาวร ก็จะเกิดการต้าน และเสริมกับเส้นแรงแม่เหล็กจากแม่เหล็กถาวร ทำให้เกิดแรงผลักขึ้นที่ขดลวด เหมือนกับนักศึกษานำแม่เหล็ก 2 ชิ้นมาวางใกล้ ๆ กัน หรืออาจทดลองง่าย โดยหาแม่เหล็กแบบเกือกม้ามา 1 อัน จากนั้นนำขดลวดมาพันรอบตะปู แล้วจ่ายไฟด้วยแบตเตอรี่ดังรูป ก็จะเห็นปฏิกิริยาระหว่างกัน

​

การควบคุมมอเตอร์

โดยทั่วไปจะควบคุมองค์ประกอบ 3 ประการคือ

1. ควบคุมความเร็วของมอเตอร์ (Speed Control)

2. ควบคุมแรงบิดของมอเตอร์ (Torque Control)

3. ควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร์ ( Direction Control)

การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงนั้น จะทำได้โดยการปรับแรงดันที่จ่ายให้มอเตอร์ ส่วนการควบคุมแรงบิด ทำโดยการควบคุมกระแสที่ผ่านขดลวดอาเมเจอร์ และที่จ่ายให้กับขดลวดสเตเตอร์ ในกรณีสเตเตอร์แบบใช้ขดลวดพัน สำหรับการควบคุมการหมุน หรือการสลับทิศทางการหมุนนั้น ในกรณีมอเตอร์ไฟตรง สามารถทำได้โดยการสลับขั้วแหล่งจ่ายไฟ ที่จ่ายให้แก่มอเตอร์ สำหรับกรณีของ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงขนาดเล็ก แบบใช้แม่เหล็กถาวรเป็นสเตเตอร์ จะไม่สามารถควบคุมอะไรได้มากนัก โดยการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ จะถูกจำกัดด้วยขนาดแรงดัน โดยสามารถปรับได้ไม่เกินค่าแรงดันสูงสุดที่จ่ายให้มอเตอร์ ส่วนการควบคุมแรงบิด อาจทำโดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าแบบขดลวด (Wire Wound Resistor) แต่ก็จะเกิดกำลังไฟฟ้าสูญเสียที่ตัวต้านทาน ฉะนั้นในปัจจุบัน จึงมักนิยมใช้การควบคุม ด้วยวงจรพัลซ์วิธมอดูเลเตอร์ (Puls

e Width Modulator) ซึ่งจะใช้วิธีจ่ายไฟให้แก่มอเตอร์เป็นช่วง ๆ โดยการควบคุมแรงดัน คือการปรับช่วงกว้างของพัลซ์ที่จ่ายให้นั่นเอง ซึ่งวิธีนี้จะทำให้ลดกำลังสูญเสียได้มาก สำหรับการกลับทางหมุนของมอเตอร์ อาจใช้วิธีสลับขั้วด้วยมือ หรือใช้วงจรรีเลย์หรืออิเล็กทรอนิกส์เข้าไปควบคุม

​

สัญลักษณ์

ความหมาย

​

S1

สวิตช์ปุ่มกดหยุดเดินมอเตอร์ (Push Button Stop)

S2

สวิตช์ปุ่มกดเดินมอเตอร์ความเร็วตํ่า(Push Button Low Speed)

S3

สวิตช์ปุ่มกดเดินมอเตอร์ความเร็วสูง(Push Button Hing Speed)

F1

ฟิวส์ป้องกันวงจรกำลัง(Power Fuse)

F2

ฟิวส์ป้องกันวงจรควบคุม(Control Fuse)

F3

สว่นป้องกันมอเตอร์ทำงานที่ความเร็วตํ่า(Overload Relay)

​

F4

ส่วนป้องกันมอเตอร์ทำงานที่ความเร็วสูง(Overload Relay)

K1

แมคเนติคคอนแทคเตอร์ต่อความเร็วตํ่า ( Low Speed Contactor)

K2

แมคเนติคคอนแทคเตอร์ต่อความเร็วสูง (Hing Speed Contactor)

K3A

รีเลย์ช่วย (Auxiliary relay)

M1

มอเตอร์3เฟสแบบสองความเร็ว ( 3 Phase Induction Motor 2 Speed)

​

​

​

จุดประสงค์ของการควบคุมมอเตอร์

- เพื่อการเริ่มเดินมอเตอร์(starting)

- เพื่อการหยุดมอเตอร์ (stopping)

- เพื่อการกลับทางหมุน (reversing)

- เพื่อควบคุมการท างานของมอเตอร์(running)

- เพื่อการควบคุมความเร็ว (speed control)

- เพื่อความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงาน (safety of operator)

- เพื่อป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับมอเตอร์และระบบ (protection from damage)

- เพื่อการบ ารุงรักษาอุปกรณ์เริ่มเดินมอเตอร์(maintenance of starting requirement)

ปัญหาการสตาร์ทมอเตอร์ขนาดใหญ่

๑. เกิดแรงดันตกในระบบ เป็นผลท าให้โหลดอื่นๆ ที่ต่ออยู่ในวงจร เดียวกัน เช่น มอเตอร์ ไฟฟ้าแสงสว่าง อุปกรณ์อีเล็กทรอนิกส์และอื่นๆ มีผลเสียหายได้

๒. ค่ากระแสขณะสตาร์ทสูง ท าให้เกิดแรงบิดกระชากสูง อาจท าให้เกิดผล เสียแก่ เครื่องจักร โหลดที่ใช้งาน และตัวมอเตอร์ที่ใช้งานได้

๓. มีโมเมนต์ของความเฉื่อยสูง ถ้าท าการสตาร์ทบ่อยครั้ง ใช้ช่วงเวลาการ สตาร์ทนาน จะท าให้เกิดความร้อนสูงในขดลวด ทำให้อายุการใช้งาน ของมอเตอร์สั้นลง

การควบคุมด้วยมือ

• เป็นการสั่งงานให้อุปกรณ์ควบคุมท างานโดยใช้ผู้ปฏิบัติงานควบคุมให้ ระบบกลไกทางกลท างาน ซึ่งการสั่งงานให้ระบบกลไกท างานนี้โดย ส่วนมากจะใช้คนเป็นผู้สั่งงานแทบทั้งสิ้น ซึ่งมอเตอร์จะถูกควบคุมจาก การสั่งงานด้วยมือโดยการควบคุมผ่านอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น

- ท็อกเกิ้ลสวิทช์ (toggle switch)

- เซฟตี้สวิทช์ (safety switch)

- ดรัมสวิทช์(drum switch)

- ตัวควบคุมแบบหน้าจาน (face plate control)

การควบคุมกึ่งอัตโนมัติ (Semi Automatic control)

• การควบคุมกึ่งอัตโนมัติ โดยการใช้สวิทช์ปุ่มกด (push button) ที่สามารถ ควบคุมระยะไกล (remote control) ได้ ซึ่งมักจะต่อร่วมกับสวิทช์แม่เหล็ก (magnetic switch) ที่ใช้จ่ายกระแสจ านวนมาก ๆ ให้กับมอเตอร์แทนสวิทช์ ธรรมดา ซึ่งสวิทช์แม่เหล็กนี้อาศัยผลการท างานของแม่เหล็กไฟฟ้า วงจรการ ควบคุมมอเตอร์กึ่งอัตโนมัตินี้ ต้องอาศัยคนคอยกดสวิตช์จ่ายไฟให้กับสวิทช์ แม่เหล็ก สวิทช์แม่เหล็กจะดูดให้หน้าสัมผัสมาแตะกันและจ่ายไฟให้กับมอเตอร์ และถ้าต้องการหยุดมอเตอร์ก็จะต้องอาศัยคนคอยกดสวิทช์ปุ่มกดอีกเช่นเดิม จึง เรียกการควบคุมแบบนี้ว่า การควบคุมกึ่งอัตโนมัต

การควบคุมอัตโนมัติ(Automatic control)

การควบคุมแบบนี้จะ อาศัยอุปกรณ์ชี้น า (pilot device) คอย ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสิ่งต่างๆ เช่น สวิตช์ลูกลอยท าหน้าที่ ตรวจวัดระดับน้ าในถังคอยสั่งให้มอเตอร์ปั๊มท างานเมื่อน้ าหมดถัง และสั่ง ให้มอเตอร์หยุดเมื่อน้ าเต็มถัง สวิตช์ความดัน (pressure switch) ท าหน้าที่ ตรวจจับความดันลมเพื่อสั่งให้ปั๊มลมท างาน เทอร์โมสตัท ท าหน้าที่ ตัดต่อวงจรไฟฟ้าตามอุณหภูมิสูงหรือต่ า เป็นต้น วงจรการควบคุม มอเตอร์แบบนี้เพียงแต่ใช้คนกดปุ่มเริ่มเดินมอเตอร์ในครั้งแรก เท่านั้น ต่อไปวงจรก็จะท างานเองโดยอัตโนมัติตลอดเวลา

วงจรสายเดียว

วงจรสายเดียว เป็นแบบวงจรที่แสดงวงจรชนิดหนึ่งที่เขียนด้วย เส้นสายเดียวเท่านั้น จากวงจรในรูป จะแสดงให้เห็นเพียงแต่ – Power Supply จ านวน Phase Wire ระดับแรงเคลื่อนและ ความถี่ จ านวนสายไฟฟ้า ขนาดและชนิดของสายไฟฟ้า – ขนาดและจ านวนของอุปกรณ์ เช่น Contactor Relay (K1) Overload Relay (F2) Motor (M1 )

1.วงจรกำลัง (Power circuit)

- เป็นวงจรที่นำเอาแต่เฉพาะส่วนของวงจรกำลังที่จ่าย

– ก าลังไฟฟ้าเข้าสู่มอเตอร์มาเขียนเท่านั้น ละเว้นการเขียนวงจร ควบคุม โดยปกติแล้วจะมีแต่เพียงฟิวส์

–เซอร์กิตเบรกเกอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินในวงจรกำลัง (F1) คอนแทกเตอร์(K1) – หน้าสัมผัสหลัก (Main contact) โอเวอร์โหลดรีเลย์ (ตัดส่วนที่เป็น หน้าสัมผัสออก) และมอเตอร

​

2. วงจรควบคุม (Control circuit)

– เป็นวงจรแสดงล าดับการท างานของอุปกรณ์

– เริ่มตั้งแต่สายเมนจ่ายก าลังไฟฟ้า เข้าสู่ฟิวส์ หน้าสัมผัสของโอเวอร์โหลด สวิทช์ปุ่มกดปกติปิด

– (N.C.) หรือสวิทช์ปิด (OFF) สวิทช์ปุ่มกดปกติเปิด (N.O.) หรือสวิทช์เปิด (ON) และเรื่อยลงไปจนถึง

– ขดลวด (Coil) ของคอนแทกเตอร์และเข้าสู่สายนิวตรอน

– วงจรทั้งหมดนี้ไล่เรียงล าดับกันตั้งแต่บนสุดจนถึงล่างสุด

– วงจรแสดงการท างานนี้ มีประโยชน์มากในการออกแบบการท างาน และ ตรวจสอบการท างานของวงจร

ระบบการควบคุมมอเตอร์

ระบบการควบคุมมอเตอร์ มักจะแยกกันอยู่กับมอเตอร์ โดยเฉพาะ ตู้ควบคุม ยังประกอบด้วยแผงติดตั้ง Contactor ต่างๆ และฝาตู้ ซึ่งที่ ฝาตู้มักจะประกอบด้วยสวิทช์ต่างๆ หลอดสัญญาณ เครื่องวัด เป็นต้น ดังนั้นการที่จะน าสายไฟจากแผงควบคุมในตู้มายังฝาตู้มักจะประกอบ เข้าด้วยกันที่แผงต่อสาย (Terminal Box) โดยใช้ Wire Marker เป็น ตัวก ากับและชี้บอก เรามักจะเขียนวงจรจากชุดหนึ่งมายังอีกชุดหนึ่ง โดยเส้นวงจรเดียวแต่แสดงรายละเอียดที่ Terminal Box