เวานด์โรเตอร์ หรือสลิปริงมอเตอร์ ถูกนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่จะปรับเปลี่ยนค่าความเร็วรอบ และค่าแรงบิด ซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้ชุดความต้านทานจากภายนอกเข้ามาต่อที่วงจรโรเตอร์
วัลลภ ลิ้มพลาสุข
เวานด์โรเตอร์ หรือสลิปริงมอเตอร์ ถูกนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่จะปรับเปลี่ยนค่าความเร็วรอบ และค่าแรงบิด ซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้ชุดความต้านทานจากภายนอกเข้ามาต่อที่วงจรโรเตอร์ โดยต่อผ่านอุปกรณ์ ตัวสลิปริง ชุดค่า ความต้านทาน อุปกรณ์ตัดต่อ ซึ่งอาจจะเป็นทั้งแบบแมนนวลหรือแบบอัตโนมัติ
ปัญหาสำคัญที่สุดของการใช้มอเตอร์ชนิดนี้คือ การเลือกค่าความต้านทานที่จะนำมาใช้ เพื่อให้ได้คุณลักษณะที่ ต้องการ และการนำความสามารถทนกระแสที่ไหลผ่าน (Current Carry Capacity) มาพิจารณาร่วมด้วย
หากต้องการเข้าใจหลักการทำงานของมอเตอร์สลิปริง ขอให้มองเหมือนเป็นหม้อแปลงที่สามารถปรับแรงดันได้ เมื่อขดลวดสเตเตอร์ถูกจ่ายไฟ สนามแม่เหล็กหมุนจะถูกสร้างขึ้น และหมุนรอบแกนเหล็กสเตเตอร์ ด้วยความเร็วของ สนามแม่เหล็กหมุน ส่งผลให้เกิดแรงดันเหนี่ยวนำขึ้นที่ทั้งขดลวดสเตเตอร์และโรเตอร์ สมมุติว่าตัวโรเตอร์อยู่ในสภาวะอยู่กับที่ แรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นที่โรเตอร์ จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอัตราส่วนของจำนวนรอบที่ใช้พันขดลวดสเตเตอร์ และขดลวดโรเตอร์ ความถี่ไฟฟ้าที่ปรากฏที่ขดลวดโรเตอร์ จะมีค่าเดียวกับความถี่ไฟฟ้า ที่ป้อนให้กับขดลวดสเตเตอร์
อย่างไรก็ดี เมื่อเริ่มหมุน โรเตอร์จะเร่งรอบเพิ่มขึ้นไปจนมีความเร็วห่างจากความเร็วของสนามแม่เหล็กหมุนเล็กน้อย ทิศทางการหมุนจะมีทิศทางเดียวกับการหมุนของสนามแม่เหล็กหมุน ส่งผลให้แรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นที่ขดลวดโรเตอร์ มีค่าแรงดัน และความถี่ที่ต่ำกว่าขณะที่โรเตอร์อยู่กับที่ ค่าแรงดันและความถี่ใหม่ที่เกิดขึ้นนี้จะมีค่าเป็นสัดส่วนผกผันกับความเร็วรอบที่เพิ่มขึ้น หมายความว่าถ้าโรเตอร์หมุนด้วยความเร็วครึ่งหนึ่งของความเร็วรอบสนามแม่เหล็กหมุน ค่าแรงดันและความถี่ที่เหนี่ยวนำขึ้นในโรเตอร์จะมีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของค่าเหนี่ยวนำในขณะที่โรเตอร์ถูกล็อกอยู่กับที่
ค่าสลิปของโรเตอร์ คือผลต่างค่าความเร็วรอบของความเร็วสนามแม่เหล็กหมุนและความเร็วใช้งาน ซึ่งสามารถแสดงได้ดังสมการที่ 1
ดังนั้นจะได้ว่าเมื่อมอเตอร์หมุนด้วยความเร็ว 75% ของสนามแม่เหล็กหมุน จะมีค่าสลิป 25% แรงดันเหนี่ยวนำ และความถี่โรเตอร์จะมีค่าเท่ากับ 25% สมมุติให้โรเตอร์มีความเร็ว 100% หรือเท่ากับความเร็วสนามแม่เหล็กหมุน จะทำ ให้ได้ค่าสลิปเท่ากับ 0 แรงดันเหนี่ยวนำและความถี่โรเตอร์ก็จะมีค่าเท่ากับ 0 เช่นเดียวกับค่าสลิป จึงเป็นเหตุผลที่มอเตอร์ อินดักชันออกแบบให้มีค่าสลิปขณะทำงานในสภาวะปกติ
แรงบิดขับโหลดถูกสร้างขึ้นด้วยกระแสที่ไหลและมีเฟสเดียวกับแรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นที่โรเตอร์ ค่ากระแสตัวนี้ เป็นส่วนหนึ่งของกระแสทั้งหมดที่เกิดจากแรงดันเหนี่ยวนำโรเตอร์ การเกิดกระแสไหลในขดลวดโรเตอร์เป็นผลมาจากค่า แรงดันเหนี่ยวนำ ที่ผลักดันผ่านค่าอิมพีแดนซ์ของวงจรโรเตอร์ ความสัมพันธ์เป็นไปตามสมการที่ 2
I2 = V/Zt ……….. (2)
เมื่อ I2 = กระแสที่ไหลในโรเตอร์ (แอมป์ต่อเฟส)
V = แรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นที่โรเตอร์ (โวลต์ต่อเฟส)
Zt = อิมพีแดนซ์รวมของขดลวดโรเตอร์ (โอห์มต่อเฟส)
=
R = ค่าความต้านทานภายในและภายนอกของโรเตอร์ต่อเฟส
X = ค่ารีแอกแตนซ์ ต่อเฟส
เป็นที่ทราบกันว่า ทั้งการเพิ่มแรงดัน หรือลดค่าความต้านทาน จะเป็นสาเหตุให้มีกระแสไหลเพิ่มมากขึ้น ถ้าค่า ความต้านทานขดลวดโรเตอร์มีค่ามากกว่าค่ารีแอกแตนซ์ กระแสที่มีเฟสเดียวกับแรงดันจะมีค่ามากขึ้น ทำให้แรงบิดของ มอเตอร์ที่ถูกสร้างขึ้นมีค่ามากขึ้น ถ้าแรงบิดที่ถูกสร้างไม่ได้ถูกใช้ในการขับโหลด จะส่งผลให้ความเร็วรอบของมอเตอร์สูงเพิ่มขึ้น ความเร็วที่เพิ่มขึ้นจะทำให้สลิปมีค่าน้อยลง ส่งผลให้แรงดันเหนี่ยวนำโรเตอร์ และกระแสโรเตอร์ลดลงตามไปด้วย ค่าสลิป แรงดัน และกระแสที่โรเตอร์ ในที่สุดก็จะวิ่งเข้าหาจุดที่เกิดความสมดุล
มอเตอร์สลิปริงสามารถทำงานที่ความเร็วรอบสูงสุด เมื่อนำความต้านทานภายนอกออกจากวงจรโรเตอร์พร้อมกับช๊อตลัดวงจรที่สลิปริง การเพิ่มค่าความต้านทานวงจรโรเตอร์ หรือการเพิ่มโหลดให้แก่มอเตอร์จะทำให้ความเร็วรอบ ของมอเตอร์ลดลง และยิ่งเพิ่มค่าความต้านทานมากเท่าไหร่ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบขับโหลดมาก ขึ้นเท่านั้น
ความสามารถพิเศษอย่างหนึ่งของมอเตอร์สลิปริง คือสามารถจำกัดค่ากระแสสตาร์ตของขดลวดสเตเตอร์ ลองจินตนาการดูในขณะที่โรเตอร์ถูกล็อกอยู่กับที่ด้วยโหลด และมีการจ่ายไฟเข้ามา โดยขณะนั้นมีความต้านทานภายนอก ต่ออยู่ เมื่อมีการสตาร์ตมอเตอร์ แรงดันที่จ่ายให้กับขดลวดสเตเตอร์มีค่าสูงตามปกติ แต่จะทำให้เกิดค่ากระแสไหลผ่านขดลวดสเตเตอร์มีค่าต่ำ สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะเมื่อโรเตอร์มีค่าความต้านทานสูง จะทำให้ค่าอิมพีแดนซ์รวมของขดลวดโรเตอร์มีค่าสูง ส่งผลให้กระแสสตาร์ตที่โรเตอร์มีค่าต่ำ เนื่องจากผลของความสัมพันธ์กันระหว่างกระแสโรเตอร์และกระแสสเตเตอร์ (Transformer Effect) ส่งผลให้กระแสสตาร์ตของขดลวดสเตเตอร์ต่ำลงไปด้วย
แรงบิดสูงสุดในขณะล็อกโรเตอร์จะเกิดขึ้นได้เมื่อค่าความต้านทานและรีแอกแตนซ์ของขดลวดโรเตอร์มีค่าเท่ากัน ถ้ามีการลดค่าความต้านทานจะส่งผลให้ลดแรงบิดล็อกโรเตอร์ แต่จะทำให้กระแสสเตเตอร์มีค่าสูงขึ้นเนื่องจากอิมพีแดนซ์ มีค่าลดลง และผลของการลดค่าความต้านทานทำให้ค่ารีแอกแตนซ์มีปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เพาเวอร์แฟกเตอร์มีค่าลดลง กระแสส่วนที่สร้างแรงบิดก็จะลดลง (In-phase Current) ลองพิจารณาจากรูปที่ 1 ซึ่งแสดงการทำงาน ของมอเตอร์ สลิปริงว่าทำงานอย่างไร
ในรูปที่ 1 เส้นกราฟ G แสดงค่าแรงบิดเทียบกับความเร็วรอบเมื่อโรเตอร์มีค่าความต้านทานอินฟินิตี้ ซึ่งทำให้ แรงบิดที่มอเตอร์ผลิตได้เป็นศูนย์ แต่ในทำนองกลับกัน เส้นกราฟ A เป็นกราฟที่แสดงค่าแรงบิดกับความเร็วรอบ เมื่อ มอเตอร์ไม่มีตัวต้านทานภายนอกมาต่อ มอเตอร์จะทำงานในสภาวะความเร็วรอบสูงสุด การสตาร์ตมอเตอร์ด้วยการนำค่าที่แตกต่างของความต้านทานมาต่อ จะทำให้ได้กลุ่มของกราฟแรงบิดเทียบกับความเร็วรอบตามรูปที่ 1กราฟ C จะเป็น กราฟที่ให้แรงบิดล็อกโรเตอร์สูงสุด (แรงบิดขณะสตาร์ต)
รูปที่ 1 แสดงกราฟแรงบิด-ความเร็วรอบ เมื่อมอเตอร์ถูกต่อด้วยค่าความต้านทานที่แตกต่างกัน
เมื่อความต้านทานที่นำมาต่อมีค่าเพิ่มขึ้นไปจากกราฟ C แรงบิดล็อกโรเตอร์จะมีค่าลดลง และในทางกลับกัน เมื่อลดค่าความต้านทานเมื่อเทียบกับกราฟ C แรงบิดล็อกโรเตอร์จะมีค่าลดลงเช่นเดียวกัน แต่แรงบิดสูงสุดยังมีค่าเท่า เดิม แต่จะเปลี่ยนไปทำงานที่ความเร็วรอบสูงขึ้น
ตำแหน่งซึ่งค่าความต้านทานมีค่ามากกว่าค่ารีแอกแตนซ์ กระแสโรเตอร์จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงบิด ดังนั้น กระแสจะมีค่าเปลี่ยนแปลงในรูปแบบเดียวกับกราฟ D, E, F และ G ของกราฟรูปที่ 1 ถ้าค่าความต้านทานเท่ากับค่ารีแอกแตนซ์ จะทำให้ได้กราฟ C และถ้ามีค่ามากกว่าจะทำให้ได้กราฟ A และ B กระแสสตาร์ตจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่แรงบิดสตาร์ตจะลดลง
เป็นสิ่งที่สำคัญที่ควรจำว่า กระแสโรเตอร์สัมพันธ์กับกระแสสเตเตอร์ ซึ่งหมายความว่า เมื่อกระแสโรเตอร์มีค่าลดลง จะส่งผลให้กระแสสเตเตอร์ลดลงตามไปด้วย
หลักการออกแบบทั่ว ๆ ไปจะมีข้อจำกัดเรื่องความเร็วรอบต่ำที่สุดที่ใช้ในการออกแบบ เมื่อพิจารณาจากรูปที่ 1 ให้สังเกตความชันของกราฟ A และ กราฟ E จะพบว่า กราฟ E ให้การเปลี่ยนแปลงแรงบิดต่อความเร็วรอบกว้างกว่า กราฟ A ดังนั้น มอเตอร์สลิปริงโดยปกติจะไม่ออกแบบให้ทำงานที่ความเร็วรอบต่ำกว่าครึ่งหนึ่งของความเร็วสนามแม่เหล็กหมุนอย่างต่อเนื่อง เพราะจะทำให้เกิดความร้อนขึ้นที่ขดลวดสเตเตอร์และโรเตอร์
การสตาร์ตมอเตอร์สลิปริงด้วยการช๊อตสลิปริงจะไม่เกิดประโยชน์ เพราะจะทำให้เกิดแรงเครียดที่ขดลวดของ มอเตอร์ มีโอกาสที่อาจจะรบกวนระบบไฟฟ้ารวม และวิธีการนี้ไม่ใช่วัตถุประสงค์ของการเลือกใช้มอเตอร์ประเภทนี้ การสตาร์ตที่ถูกวิธี ต้องเป็นการใช้ชุดตัวต้านทานภายนอกปรับเปลี่ยนค่าได้มาต่อ ซึ่งแสดงรายละเอียดดังรูปที่ 2
สมมุติให้มอเตอร์สลิปริงมีชุดความต้านทานภายนอกต่ออยู่ ความต้านทานรวมจะทำให้คุณลักษณะด้านแรงบิด ของมอเตอร์เป็นตามกราฟ F ในรูปที่ 2 กราฟ Fจะให้ค่าแรงบิดขณะสตาร์ต 150% ของแรงบิดพิกัด ส่งผลให้มอเตอร์สามารถสตาร์ตออกตัวไปได้ถึงแม้จะมีโหลดต่ออยู่ 100% เมื่อมอเตอร์เริ่มหมุนออกไป ความเร็วรอบจะเพิ่มขึ้นไปเรื่อย ๆ จนถึงจุดที่ 2 ของกราฟ F มอเตอร์จะยังคงทำงานยังตำแหน่งนี้ จวบจนกระทั่งต้องมีการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทาน หรือโหลด
อย่างไรก็ดีถ้ามีการลดค่าความต้านทานโรเตอร์ไป 1 สเต็ป จะมีผลทำให้คุณลักษณะด้านแรงบิดของมอเตอร์ เปลี่ยนไปทำงานตามเส้นกราฟ E แรงบิดและกระแสของมอเตอร์จะเปลี่ยนไปที่จุด 3 และที่จุด 3 แรงบิดจะมีค่ามากกว่า แรงบิดที่โหลดต้องการ ทำให้เกิดอัตราเร่งความเร็วของโรเตอร์ เปลี่ยนค่าความเร็วไปที่จุด 4 การเปลี่ยนค่าความต้านทาน และอัตราเร่งความเร็วจะดำเนินต่อไปจนถึงจุดความเร็วรอบพิกัดที่จุด 12 ซึ่งเป็นจุดที่ค่าความต้านทานภายนอกที่ต่ออยู่ ถูกช๊อตหมด จำนวนสเต็ปของการเปลี่ยนค่าความต้านทาน ยิ่งมากเท่าไหร่ยิ่งทำให้เกิดการความนิ่มนวลในการสตาร์ต มากขึ้นเท่านั้น และยังทำให้ระบบไฟฟ้ามีกระแสกระชากในขณะสตาร์ทไม่สูงมาก
รูปที่ 2 แสดงกราฟแรงบิด-ความเร็วรอบขณะสตาร์ตมอเตอร์และชุดความต้านทานถูกตัดออกไปทีละสเต็ป
กราฟของรูปที่ 2 แสดงเป็นเส้นตรงเพื่อสะดวกและง่ายในการคำนวณ และอาจจะเกิดค่าผิดพลาดบ้าง แต่ก็มีความแม่นยำเพียงพอที่จะนำมาใช้ในทางปฏิบัติ ถ้าการใช้งานต้องการความแม่นยำสูง จำเป็นต้องจัดหาเส้นกราฟจริงที่แสดงคุณลักษณะของตัวมอเตอร์ (Actual Characteristic Curve) มาใช้ในการคำนวณ
ปัญหาที่เราต้องหาคำตอบสำหรับการออกแบบ
1. ค่าความต้านทานรวมมีค่าเท่าไหร่เพื่อที่ต้องการให้มอเตอร์ทำงานเป็นไปตามกราฟ F
2. และค่าความต้านทานเท่าไหร่ที่ต้องตัดออกเพื่อทำให้เกิดอัตราเร่งความเร็วในแต่ละสเต็ป
ข้อแนะนำในการคำนวณคือการเปลี่ยนค่าแรงดันของกระแสให้อยู่ในเทอม ต่อเฟส ถ้าชุดตัวต้านทานต่อเป็นแบบสตาร์ แรงดันที่ใช้คำนวณต้องหารด้วย 1.732 แต่ถ้าต่อเป็นแบบเดลต้า กระแสที่ใช้คำนวณ ต้องหารด้วย 1.732
แรงดันโรเตอร์ปกติจะถูกระบุไว้ที่เนมเพลตมอเตอร์ ถ้าไม่มีการระบุไว้ สามารถหาได้จากการล็อกโรเตอร์เทสต์ ซึ่ง ทำได้โดยการล็อกโรเตอร์ไม่ให้หมุน จ่ายไฟเข้าที่ขดลวดสเตเตอร์ด้วยแรงดันพิกัด จากนั้นวัดแรงดันตกคร่อมสลิปริง ถ้า ไม่สามารถจ่ายไฟเข้าขดลวดสเตเตอร์ด้วยค่าแรงดันพิกัดได้ ให้ป้อนค่าแรงดันที่ลดลง และวัดค่าแรงดันตกคร่อมสลิปริง ก่อนที่จะมาคำนวณหาเทียบกับค่าที่แรงดันพิกัดอีกที และต้องไม่ลืมที่จะไม่ต่อชุดความต้านทานภายนอก คร่อมสลิปริง ระหว่างทดสอบเป็นอันขาด
จากรูปที่ 2 อีกครั้ง จะเห็นว่ากระแสส่วนที่สร้างแรงบิดของโรเตอร์ควรที่จะมีค่า 150%ของกระแสพิกัดโรเตอร์ เพราะกระแสสร้างแรงบิดของโรเตอร์จะสัมพันธ์โดยตรงกับแรงบิด ดังนั้น 150% ก็จะต้องใช้กระแสสร้างแรงบิด 150% เช่นเดียวกัน
ค่ากระแสพิกัดโรเตอร์ควรที่จะถูกระบุอยู่ในเนมเพลตมอเตอร์ ถ้าไม่ได้ถูกระบุไว้ สามารถหาได้จาก ตารางที่ 1และถ้าค่าแรงดันไม่ตรงกับสแตนดาร์ดที่อยู่ในตารางก็สามารถหาได้จากสูตร
I2 = I1 x (E1/E2) ………….. (3)
เมื่อ I2 = กระแสโรเตอร์ที่ต้องการทราบ
I1 = กระแสโรเตอร์ตามสแตนดาร์ด NEMA (ในตาราง)
E2 = แรงดันพิกัดโรเตอร์ ที่ระบุในเนมเพลตหรือทดสอบหา
E1 = แรงดันโรเตอร์ตามสแตนดาร์ด NEMA (ในตาราง)
กรณีมอเตอร์มีแรงม้ามากกว่าในตาราง ค่าของกระแสโรเตอร์สามารถคำนวณได้จากสมการ
I2 = Hp x 746/(V2 x 3 x 0.92) = Hp x 468/V2 …………. (4)
เมื่อ I2 = กระแสโรเตอร์ที่ต้องการทราบ
V2 =แรงดันพิกัดโรเตอร์ที่ระบุในเนมเพลต หรือทดสอบหา
ตารางที่ 1 ค่ากำหนด แรงดัน และ กระแส ของโรเตอร์ มอเตอร์สลิป-ริงตามมาตรฐาน NEMA
เมื่อทราบกระแสพิกัดโรเตอร์ จะทำให้ทราบความต้านทานโรเตอร์ขณะทำงานเต็มพิกัดได้ ค่าความต้านทานต่อเฟสหาได้จากแรงดันโรเตอร์ต่อเฟสหารด้วยกระแสโรเตอร์ต่อเฟส อย่างไรก็ดี สิ่งที่ต้องการทราบคือค่าความต้านทานภายนอกที่จะนำมาต่อ ดังนั้นค่าความต้านทานรวมที่หาได้ต้องนำมาคูณด้วยค่าแฟกเตอร์ ย่านตั้งแต่ 0.90-0.985 ขึ้นอยู่กับขนาดของมอเตอร์ ค่าที่น้อยจะใช้กับมอเตอร์ขนาดเล็กประมาณ 5 แรงม้า ในขณะที่ค่าที่มากกว่าจะใช้กับมอเตอร์ ตั้งแต่ 1,000 แรงม้าขึ้นไป ค่าแฟกเตอร์นี้สามารถเอาเข้าไปรวมอยู่ในสมการของการหาค่าความต้านทานรวม ทำให้ได้ สมการใหม่ที่จะใช้หาค่าความต้านทานภายนอกดังนี้
Re = KV2/I2 ………………… (5)
เมื่อ Re = ค่าความต้านทานภายนอก ที่ต้องการทราบ
K = แฟกเตอร์สำหรับหาค่าความต้านภายนอก (0.9 -0.985)
V2 = แรงดันพิกัดโรเตอร์ ต่อเฟส
I2 = กระแสโรเตอร์ ต่อเฟส
ดังนั้นการคำนวณหาค่าความต้านทานที่นำมาต่อวงจรโรเตอร์สลิปริง เพื่อให้ได้ตามคุณลักษณะด้านแรงบิดต่อ ความเร็วรอบเป็นไปตามกราฟ F จะใช้สมการที่ 4 หรือสมการที่ 5 ก็ได้ โดยแทนค่า I2 ด้วยค่า 150%ของกระแสพิกัดโรเตอร์ ผลจากการคำนวณจะได้ค่าความต้านทานที่ทำให้มอเตอร์มีอัตราเร่งความเร็วไปยังจุดที่ 2 ขณะที่มีการขับโหลด 100% มอเตอร์จะยังคงทำงานที่ความเร็วจุดนี้ จนกว่าค่าความต้านทานและโหลดจะมีการเปลี่ยนแปลง การที่จะทำให้ มอเตอร์มีความเร็วรอบไปจนถึงจุดที่ 12 หรือความเร็วรอบพิกัด ค่าความต้านทานภายนอกที่นำมาต่อจะต้องถูกนำออกไป อย่างเป็นสเต็ป
หลังจากได้ค่า Re มาแล้ว ขั้นต่อไปต้องหาค่าความต้านทานที่ต้องเอาออกไปในแต่ละสเต็ป ซึ่งสามารถหาได้จากการหาค่าเทียบจากรูปเส้นตรงในกราฟ จากจุด 2-12 ไปยัง Re จากนั้นก็ปรับให้เป็นค่าเปอร์เซ็นต์ของค่าความต้านทาน ในแต่ละช่วง 2-4, 4-6, 6-8, 8-10 และ 10-12 ทำให้สามารถรู้ค่าเปอร์เซ็นต์ของค่าความต้านทาน ภายนอกที่ยังคงต่อ อยู่ในแต่ละสเต็ป
วิธีนี้ยังสามารถใช้คำนวณหาค่าความต้านทาน เพื่อให้มอเตอร์ทำงานตามกราฟ ตั้งแต่ C ถึง G แต่ต้องระวัง เมื่อคำนวณเข้าใกล้กราฟ C ความแม่นยำของค่าที่คำนวณได้ จะลดน้อยลงเนื่องจากอิทธิพลของค่ารีแอกแตนซ์
การคำนวณเพื่อให้มอเตอร์ทำงานตามกราฟ B ค่อนข้างยุ่งยาก และไม่เหมาะสมในทางปฏิบัติที่จะนำมาใช้ใน การสตาร์ตมอเตอร์สลิปริง และคงไม่กล่าวถึง
ข้อด้อยของวิธีนี้ (การหาขนาดค่าความต้านทานตามค่าแรงบิดสูงสุดที่โหลดต้องการ) คือจำนวนสเต็ปที่จะทำให้ เกิดอัตราเร่งความเร็ว เพราะขนาดและรูปร่างของกราฟแรงบิดของโหลดจะเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนด ซึ่งกราฟดังกล่าวหาได้ไม่ง่ายในทางปฏิบัติ ตารางที่ 2 จะช่วยแก้ปัญหาหานี้ ในตารางที่ 2 จะแสดงค่าแนะนำของจำนวนสเต็ปและเปอร์เซ็นต์ของค่าความต้านทาน ต่อความต้านทานรวม
ตารางที่ 2 แสดงค่าแนะนำของจำนวนสเต็ป และเปอร์เซ็นต์ค่าความต้านทาน
ค่าความต้านทานรวมสตาร์ตต้องมีการคำนวณเป็นอันดับแรก ต่อมาใช้ตารางที่ 2 แบ่งค่าความต้านทานออก เป็นสเต็ป ๆ จะทำให้ค่าความต้านทานที่ได้ถูกแบ่งได้อย่างเหมาะสม
ต้องคำนึงไว้เสมอว่าค่าความต้านทานที่คำนวณได้เป็นค่าต่อเฟส ฉะนั้นชุดความต้านทานภายนอก ที่จะนำมาต่อเข้ากับสลิปริงจะต้องมี 3 ชุด และค่าอื่น ๆ เช่นแรงดัน และกระแส ที่นำมาใช้ในการคำนวณ ต้องเป็นค่าต่อเฟสเหมือนกัน และต้องระวังการนำค่าที่เนมเพลตมาใช้ เพราะค่าที่เนมเพลตมักระบุค่า ที่ไม่ใช่ต่อเฟส การหาค่าต่อเฟสต้องพิจารณา การต่อวงจรร่วมด้วย (สตาร์ หรือ เดลต้า)
การใช้งานมอเตอร์สลิปริงให้ทำงานที่ความเร็วต่างไปจากความเร็วพิกัด สามารถทำได้โดยการต่อความต้านทาน เข้าไปที่วงจรโรเตอร์เช่นเดียวกัน ค่าความต้านทานที่จะนำมาต่อ ถูกกำหนดด้วยค่าความเร็วรอบขณะมีโหลดต่ออยู่ ขณะ ที่มอเตอร์ทำงานขับโหลดค่าสูงสุด ค่ารีแอกแตนซ์ของขดลวดจะลดลงอย่างรวดเร็ว ทำให้ดูเหมือนอิมพีแดนซ์ของขดลวด เหลือเพียงแต่ค่าความต้านทานเท่านั้น
เป็นที่ทราบกันว่า แรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นที่โรเตอร์ จะสัมพันธ์โดยตรงกับค่าสลิป แต่จะสัมพันธ์แบบผกผันกับ ความเร็วรอบโรเตอร์ แรงบิดที่ถูกผลิตขึ้นจะสัมพันธ์โดยตรงกับกระแส การที่ทราบค่าทั้งสองจะทำให้สามารถใช้กฎของ โอห์ม ในการคำนวณหาค่าความต้านทานที่จะนำมาต่อ เพื่อให้เกิดการทำงานที่ความเร็วรอบต่าง ๆ
R = SV2/I2 ……………. (6)
เมื่อ S = ค่าสลิป ณ ความเร็วรอบที่ต้องการ (ค่าเป็นทศนิยม)
V2 = ค่าแรงดันพิกัดโรเตอร์ ต่อเฟส
I2 = กระแสโรเตอร์ที่ต้องการต่อเฟส ณ ความเร็วรอบที่ต้องการ
ค่าตัวแปรที่ถูกใช้ในสมการข้างบนหาได้จาก
1. ค่าสลิปซึ่งจะหาได้จากสมการที่ 1
2. แรงดันพิกัดโรเตอร์หาได้จากเนมเพลต หรือหาได้จากการล็อกโรเตอร์เทสต์
3. กระแสโรเตอร์หาได้จากกราฟแรงบิดของโหลด (Load Curve) แสดงได้ดังภาพที่ 3 รูปร่างของกราฟ จะขึ้นอยู่กับชนิดของโหลด (Type of Load)
การใช้สมการที่ 6 หาค่า R ค่าที่ได้จะเป็นค่าความต้านทานของโรเตอร์รวมกับค่าความต้านทานของสายหลีดเข้า ไปด้วย ในการใช้งานทั่วไป ๆ ถือว่าเป็นค่าที่ใช้งานได้ดีและมีค่าผิดพลาดที่ยอมรับได้
กระแสโรเตอร์ที่ใช้ในการคำนวณ ควรนำมาจากกราฟแรงบิดของโหลด ซึ่งปกติกราฟแรงบิดของโหลด หาไม่ได้ ง่ายนัก จึงทำให้ต้องมีการคาดคะเนค่าที่ใกล้เคียงเพื่อนำมาใช้ และเมื่อกระแสของโรเตอร์สัมพันธ์โดยตรงกับแรงบิด จึง ทำให้สามารถใช้กราฟแรงบิดแทนกราฟกระแสได้ รูปที่ 3 จึงถูกใช้กำหนดเปอร์เซ็นต์ของกระแสโรเตอร์ขณะขับโหลดที่ ความเร็วที่ต้องการได้ และชนิดของโหลดจะเป็นตัวกำหนดว่าควรที่จะใช้กราฟแบบใด
รูปที่ 3 แสดงกราฟแรงบิด-ความเร็วรอบของโหลดชนิดต่าง ๆ
รูปที่ 4 แสดงกราฟแรงบิด-ความเร็วรอบของโหลดที่มีการปรับแต่ง
กราฟในภาพที่ 3 ปั้มแรงเหวี่ยงทั่ว ๆ ไปจะแทนด้วยกราฟ C พัดลมหรือโบลเวอร์ทั่ว ๆ ไป จะแทนด้วยกราฟ B และเครื่องมือจักรกล หรือโหลดที่มีแรงเสียดทานสูง จะแทนด้วยกราฟ A
รูปที่ 4 แสดงกราฟที่นำกราฟภาพที่ 3 มาปรับแต่งเพื่อให้สะดวกในการคำนวณ โดยรวมกราฟ B และ C เป็น กราฟ B กราฟเดียว ซึ่งมีความแม่นยำเพียงพอและเหมาะสำหรับการใช้งานทั่ว ๆ ไปในทางปฏิบัติ อย่างไรก็ดีเมื่อมีการเลือกกราฟแรงบิดแล้ว สิ่งที่ต้องคำนึงคือ โหลดบางชนิดอาจจะต้องการแรงบิดขณะสตาร์ตที่มากกว่าแรงบิดใช้งานโหลดแรงเฉื่อยสูงจะต้องการแรงบิดที่สตาร์ตสูงตามไปด้วย ฉะนั้นจะต้องพิจารณาออกแบบค่าแรงบิดสตาร์ตให้สูงสุด ไว้ก่อน เมื่อมีการออกแบบให้ทำงานที่ความเร็วรอบอื่น ๆ
ค่าความต้านทานของโรเตอร์ที่ทำให้มอเตอร์ทำงานได้ที่ความเร็วรอบ ต่าง ๆ สามารถคำนวณได้จาก สมการที่ 6 ขนาดกำลังวัตต์ของตัวต้านทานก็เป็นปัจจัยหนึ่งที่ต้องคำนึง เหมือนกับการออกแบบวงจรไฟฟ้าอื่น ๆ ตัวต้านทานจะต้อง มีค่ากระแสที่ไหลผ่านได้อย่างปลอดภัย (Safe Allowable Current Carrying Capacity) และถ้าใช้งานเกินค่านี้ จะส่งผล ให้ตัวต้านทานเกิดความเสียหาย หรืออายุการใช้งานสั้นลง ปัจจัยที่เป็นตัวกำหนดค่ากระแสนี้คือ ชนิดของวัสดุที่ใช้ผลิต ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนเนื่องจากโครงสร้างทางกายภาพ อุณหภูมิรอบข้าง ชนิดของระยะเวลาการใช้งาน (Duty Cycle) และอื่น ๆ
ชุดควบคุมขดลวดโรเตอร์ของมอเตอร์สลิปริง แบ่งประเภทตามระยะเวลาการทำงาน (Duty Cycle) ออกเป็น 3 ประเภทได้แก่ สตาร์ต (Start), ใช้งานต่อเนื่อง (Running) และชั่วขณะ (Intermittent) NEMA ได้ทำการแบ่งประเภท และกำหนดเป็นตัวเลขแยกเป็นประเภทต่าง ๆ รายละเอียดแสดงได้ตามตารางที่ 3
ให้สังเกตว่า 6 กลุ่มในตารางที่ 3 เป็นชนิดทำงานแบบชั่วขณะ (Intermittent) ในขณะที่กลุ่มสุดท้ายเป็นชนิด ทำงานแบบต่อเนื่อง (Continuous) ในกลุ่มที่เป็นชนิดทำงานแบบชั่วขณะ ตัวเลข 2 ตัวแรกจะหมายถึง ตัวเลขแสดง ประเภทของคลาส (ทำงานนานเท่าไหร่ หยุดนานเท่าไหร่) ตัวเลขตัวที่ 3 แสดงเปอร์เซ็นต์ของกระแสโรเตอร์ ที่จะไหล ในวงจรโรเตอร์ คลาส 90 เป็นคลาสที่ระบุการทำงานแบบต่อเนื่อง และในตัวเลขหลักที่ 2 จะแสดงค่าเปอร์เซ็นต์ของ กระแสโรเตอร์ที่ไหลผ่านคลาส 130 ใช้กำหนดให้เป็นคลาสที่ใช้ในการสตาร์ทคลาส135 จะมีค่าแรงบิด 150% และต้องการ 150% ของกระแสพิกัดโรเตอร์ และโดยปกติจะมีค่ามากเพียงพอสำหรับการใช้งานทั่ว ๆ ไป
ตารางที่ 3 คลาสของประเภทชุดค่าความต้านทานภายนอกแบ่งตามระยะเวลาทำงาน กำหนดโดย NEMA
ผู้ผลิตตัวต้านทานทั่วไป จะออกแบบชุดค่าความต้านทานให้มีค่ากระแสไหลผ่านได้อย่างปลอดภัย (Maximum Allowable Current–carry Capacity) อ้างอิงกับค่าที่อยู่ในตารางที่ 3 ฉะนั้นค่าความต้านทานที่มีจำหน่ายจะมีกำลังวัตต์ ที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับคลาสของระยะเวลาการใช้งาน (Duty Cycle Classification Number)
ในการเลือกตัวต้านทานสำหรับการใช้งานแบบต่อเนื่อง (Continuous Duty Cycle) สิ่งที่ต้องคำนึงคือ กำลังวัตต์ ของตัวต้านทานที่ต้องมีความสามารถทนต่อค่ากระแสที่ไหลผ่านตามที่แรงบิดต้องการ ณ ความเร็วรอบนั้น ๆ การนำไป ใช้งานกับโหลดประเภท แรงบิดคงที่ ทุกสเต็ปของตัวต้านทานต้องสามารถทนค่ากระแสโรเตอร์เต็มพิกัดที่ไหลผ่าน
แต่ สำหรับโหลดประเภทเปลี่ยนแปลงค่าแรงบิดเมื่อความเร็วรอบเปลี่ยน (กลุ่มโหลดกราฟ B, C ของรูปที่ 3) สามารถออกแบบ เพื่อให้เกิดความประหยัด โดยพิจารณากิโลวัตต์ของตัวต้านทานให้เหมาะสมกับโหลดในแต่ละสเต็ป ซึ่งวิธีนี้จะต้องใช้ กราฟแรงบิด-ความเร็วของโหลดมาช่วยในการออกแบบ แต่อย่างไรก็ดีหากชุดความต้านทานที่นำมาต่อ (Resister Bank) ถูกใช้งานที่มากกว่า 1 ความเร็ว กิโลวัตต์ของชุดความต้านทานทุก ๆ ความเร็วควรมีความสามารถทนต่อค่ากระแสสูงสุดได้
สรุป
ถ้ามีความเข้าใจใน หลักการทำงานพื้นฐาน การใช้งาน และคุณสมบัติของมอเตอร์สลิปริง การเลือกค่า ความต้านทานที่นำมาต่อที่โรเตอร์ ดูเหมือนจะเป็นเรื่องที่ไม่ยากและไม่สลับซับซ้อน หลักการสำคัญและคุณลักษณะพิเศษต่าง ๆ สามารถสรุปได้ดังนี้
1. แรงบิดขับโหลดของมอเตอร์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับกระแสโรเตอร์
2. การวิเคราะห์คุณลักษณะด้านการทำงานของมอเตอร์สลิปริง (Operating Characteristic) จะมีลักษณะ เดียวกับการวิเคราะห์หม้อแปลงไฟฟ้าแบบปรับแรงดัน
3. แรงดันเหนี่ยนนำที่โรเตอร์จะสัมพันธ์โดยตรงกับค่าสลิปของโรเตอร์
4. สำหรับโหลดประเภท แรงบิดคงที่ ขนาดของค่าความต้านทานที่นำมาต่อที่สลิปริง จะสัมพันธ์กับค่าสลิปของโรเตอร์
5. ในการคำนวณเพื่อใช้งานทั่ว ๆ ไป ในทางปฏิบัติ ค่ารีแอคแตนซ์ของขดลวดโรเตอร์สามารถตัดทิ้ง ไม่ต้องนำมาใช้คำนวณ
6. แรงม้าจ่ายออกของมอเตอร์จะเป็นสัดส่วนโดยตรงการเปลี่ยนค่าแรงบิด หรือความเร็วรอบ
7. แรงบิดสตาร์ตของมอเตอร์สลิปริงสามารถกำหนดค่าได้ตั้งแต่ ศูนย์ ไปจนถึงค่าแรงบิดสูงสุดที่จะทำได้ของ มอเตอร์ โดยจะขึ้นอยู่กับการออกแบบค่าความต้านทานภายนอกที่นำมาต่อ
8. ก่อนจะมีการคำนวณค่าความต้านทานภายนอกที่นำมาต่อ จำเป็นที่ต้องรู้คุณลักษณะของโหลดก่อน (Load Characteristic )
9. ตัวต้านทานภายนอกที่ถูกนำมาต่อกับโรเตอร์ จะต้องมีขนาด (กิโลวัตต์) ใหญ่เพียงพอที่สามารถทน ค่ากระแส โรเตอร์ที่โหลดต้องการได้
10. สูตรที่ใช้คำนวณข้างต้นจะเป็นค่าต่อเฟส ในขณะที่ข้อมูลในเนมเพลต และ NEMA สแตนดาร์ดจะบอกเป็นค่า ต่อไลน์ (Per Line Value) ฉะนั้นก่อนนำมาใช้ ต้องแปลงค่าให้เป็นต่อเฟส ก่อนจะนำไปแทนค่าในสูตร
เอกสารอ้างอิง
* EASA Technical Manual© 1996-2002
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
