คุณสมบัติของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เรื่อง คุณสมบัติของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ
เมื่อให้ตัวต้นกำลังหมุนขับส่วนเคลื่อนที่ของเครื่องกำเนิด ส่วนเคลื่อนที่ได้เป็นขดลวด
สนามแม่เหล็ก ขดลวดสนามแม่เหล็กจะหมุนตัดกับขดลวดอาเมเจอร์ ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า
เหนี่ยวนำ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดจะเป็นไปตามหลักของเฟลมมิ่ง และปริมาณแรงเคลื่อน
ไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นมากน้อยเป็นไปตามหลักของฟาราเดย์
1.แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำรูปคลื่นไซน์และองศาไฟฟ้า
1.1แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำรูปคลื่นไซน์
ขั้วแม่เหล็กมีความหนาแน่นเส้นแรงแม่เหล็กมากที่สุดที่กึ่งกลางขั้ว
และความหนาแน่นน้อยลงไปทางด้านข้างทั้ง 2 ขั้วแม่เหล็ก เมื่อวางอยู่ในตำแหน่งศูนย์ ระหว่างขั้ว
แม่เหล็ก N-S จะไม่มีเส้นแรงแม่เหล็กตัดขดลวด เนื่องจากขดลวดวางขนานกับเส้นแรงแม่เหล็ก ทำ
ให้ไม่เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า เมื่อหมุนขดลวดไปเรื่อยแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นเรื่อย จน
มากที่สุดเมื่อขดลวดตั้งฉากกับเส้นแรงแม่เหล็กดังรูปที่ 2 เมื่อขดลวดเคลื่อนที่ต่อไป
เนื่องจากตัวต้นกำลังหมุนอยู่ตลอดเวลา ดังนั้นทำให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้มีลักษณะเป็นรูปคลื่น
ไซน์ มีแรงเคลื่อนสูงสุดและต่ำสุด
1.2 องศาไฟฟ้า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า จะประกอบด้วย ขั้วแม่เหล็ก 1 คู่ และขดลวดอาเมเจอร์ 1 ชุด
เมื่อขดลวดอาเมเจอร์เคลื่อนที่หมุนครบ 1 รอบ จะได้มุม 360 องศา จำนวนองศาไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ
จำนวนองศาทางกล แต่เมื่อมีขั้วแม่เหล็กขึ้น 2,4,…n คู่ จำนวนองศาทางไฟฟ้าจะเป็น 2,3,4…,m เท่า
ของจำนวนองศาทางไฟฟ้าของขั้วแม่เหล็ก 1 คู่
องศาทางไฟฟ้า = องศาทางกล x จำนวนคู่ของขั้วแม่เหล็ก
2.ความสัมพันธ์ระหว่าง ความเร็ว(N) ความถี่(f) และจำนวนโพล(P)
ตัวนำที่ตัดเส้นแรงแม่เหล็ก 1 รอบ ในจำนวนขั้วแม่เหล็ก จะได้รูปคลื่นของแรงเคลื่อนไฟ
ฟ้าออกมา 1 รอบ
ให้ P = จำนวนขั้วแม่เหล็ก
N = ความเร็วรอบ(รอบต่อนาที)
จำนวนรอบต่อการเคลื่อนที่ = P/2
และการเคลื่อนที่ต่อวินาที = N/60
จำนวนรอบต่อนาที = (P/2) x (N/60)
ความถี่ของแรงเคลื่อนที่ตัด 1 คู่ขั้วแม่เหล็ก ใน 1 รอบ ด้วยเวลา 1 วินาที
ตัวอย่างที่ 1 Alternator ตัวหนึ่งมี 6 ขั้ว ถูกขับด้วยความเร็ว 1200 รอบต่อนาที จงหา
ก. ความถี่ของ Alternator
ข. ถ้าต้องการความถี่ 50 Hz จะต้องให้ความเร็วของตัวขับเป็นเท่าไร
วิธีทำ
ก. ความถี่ของ Alternator
f = (PN)/120 Hz
= (6 x 1200)/120
= 60 Hz
ข. ความเร็วของตัวขับที่ความถี่ 50 Hz
rpm = (120f)/P
= (120 x 50)/6
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟส มีขดลวดอาเมเจอร์เพียง 1 ชุด ต่ออนุกรมกันจะ
เหลือปลายสายเพียง 2 เส้น ดังรูปที่ 6 เมื่อพิจารณาขั้วแม่เหล็ก N-S เส้นแรงแม่เหล็กส่งไปยังอาเม
เจอร์โดยขั้ว N จะเป็นบวก ส่วนขั้ว S จะเป็นลบ และสนามแม่เหล็กที่ขั้วทั้งสอง จะมีลักษณะเป็นรูป
คลื่นไซน์
ถ้ากำหนดให้
φ = ฟลักซ์แม่เหล็กต่อขั้วแม่เหล็ก(เวเบอร์)
P = จำนวนขั้วแม่เหล็ก
N = ความเร็วรอบของโรเตอร์(รอบต่อนาที)
Z = จำนวนตัวนำในการพันขดลวดอาเมเจอร์
T = จำนวนคอยล์ใน 1 เฟส
Kd = distribution factor
Kp = pitch factor
Kf = form factor = 1.11(แรงเคลื่อนไฟฟ้ารูปคลื่นไซน์)
Z = 2T
E/phase = 4.44KdKpfφT
ตัวอย่างที่ 2 Alternator 3 φ 16 ขั้วแม่เหล็ก ต่อแบบ Star มี 192 ร่อง มีตัวนำ 8 ตัวนำต่อร่อง และตัว
นำแต่ละเฟสต่อแบบอนุกรม Coil span 1500 จงหาแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในสาย ถ้ามีเส้นแรง
แม่เหล็กจำนวน 64 มิลลิเวเบอร์ และถูกขับด้วยความเร็ว 375 รอบต่อนาที
วิธีทำ
กำหนดให้
S = 192 ร่อง
m = 3 เฟส
P = 16 ขั้วแม่เหล็ก
Z = 8 ตัวต่อร่อง
Coil span = 1500
φ = 64 มิลลิเวเบอร์
N = 375 รอบต่อนาที
rpm = (120f)/P
f = (P x rmp)/120
= (16 x 375)/120
= 50 เฮิรตซ์
Kp = sin(nα/2)/(nsin(α/2))
n = slot/pole/phase
= 192/(16 x 3)
= 4
α = 180P/S
= (180 x 16)/192
= 150
Kd = sin(4 x150/2)/(4sin(150/2))
= 0.958
Kp = cos(β/2)
β = 1800 - 1500
= 300
Kp = cos(300/2)
= 0.966
slot/phase = 192/3 = 64
ตัวนำ/เฟส = 64 x 8
= 512
จำนวนรอบ = Z/2
= 512/2
= 256
E/phase = 4.44 KpKdfφT
= 4.44 x 0.957 x 0.966 x 50 x 256 x 64 x 10-3
= 336.7 โวลต์
Line Voltage = √3 x E/phase
= √3 x 336.7 โวลต์
= 1000 rpm
N = (120f)/P rpm
f = (PN)/120 Hz
แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ได้ในแต่ละเฟส เหมือนกับ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า 1 เฟส แต่ต่าง
กันตรงที่ การต่อปลายขดลวดอาเมเจอร์ซึ่งมี 2 แบบคือ สตาร์และเดลต้า ดังรูปที่ 7 การหาค่าแรงดัน
เฟสและแรงดันสายจึงมีค่าต่างกัน ดังนี้
1.แบบสตาร์
ELINE = √3 EPHASE
ILINE = IPHASE
2.แบบเดลต้า
ELINE = EPHASE
ILINE = √3 IPHASE
4.การทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ
4.1 ขณะที่ไม่มีโหลด(no - load)
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับทำงานขณะที่ไม่มีโหลด ที่ปลายสายไม่มีโหลดต่อ
อยู่ แรงดันไฟฟ้าที่ปลายสายของขดลวดแต่ละเฟส จะมีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ที่ขด
ลวดอาเมเจอร์แต่ละเฟส
เมื่อไม่มีโหลดต่อที่ปลายขดลวดอาเมเจอร์ ทำให้วงจรขดลวดอาเมเจอร์ไม่ครบวงจร ทำให้
ไม่มีกระแสเหนี่ยวนำเกิดขึ้น ดังนั้น
4.2 ขณะที่มีโหลด(On - load)
เมื่อมีโหลดมาต่อเข้าที่ปลายสายเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ขณะที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสร้าง
แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ปลายสายลดลง ทำให้มีกระแสไหลครบวงจรอาเม
เจอร์ สาเหตุที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าปลายสายลดลง มีดังนี้
4.2.1Armature Resistance(IaRa)
4.2.2 Leakage flux Reactance(IaXL)
4.2.3 Armature Reaction(IaXa)
4.2.1Armature Resistance(IaRa)
ตามปกติการพันขดลวด ที่ลงสล๊อทของสเตเตอร์ มีความยาวทำให้เกิดความต้าน
ทานขึ้น ดังนั้นเมื่อเกิ ดกระแสไหลในอาเมเจอร์ จะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อม(IARA) ตามปกติ ความ
ต้านทานประสิทธิผล(Effective Resistance) มีค่าสูงกว่าความต้านทานกระแสตรง ประมาณ 115-
175% ในทางคำนวณใช้ค่าประมาณ 150% ทางการค้าในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ ค่า
Armature Resistance ไม่คิดเพราะน้อยมากเมื่อเทียบกับค่า Reactance ( XS = XA+ XL )
V = EP = 4.44 fNφKPKD
I = 0
Rac = 1.5Rdc
4.2.2 Leakage flux Reactance(IaXL)
เมื่อกระแสไหลเข้าสู่ขดลวด จำนวนรอบการพันขดลวดทำให้เกิด leakage flux ซึ่ง
flux นี้จะไปเหนี่ยวนำจำนวนรอบการพันของอีกขดลวดหนึ่ง ทำให้เกิดค่า inductance ของขดลวด
ขึ้น
XL = 2πfL
เมื่อกระแสไหลผ่านทำให้เกิด reactance drop
IXL = I2πfL
การเกิด Leakage flux Reactance มีสาเหตุอยู่ 3 ประการคือ
1. slot reactance แต่ละจำนวนรอบของขดลวด จะสร้าง flux ซึ่ง flux จะไปเหนี่ยวนำกับขด
ลวดอื่น ๆ ดังนั้นถ้า slot แคบและลึกทำให้ Reluctance ต่ำ สร้าง flux ขึ้นมาได้มาก จึงเกิด
Reactance สูง