บทที่ 6 เครื่องกําเนิดไฟฟากระแสสลับ

6.1 ความนํา เคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับ (ac generator) เปนเคร่ืองจักรกลไฟฟาหลักท่ีผลิต

ไฟฟาเพื่อปอนสูระบบไฟฟากําลัง การใชงานสวนใหญจึงอยูในโรงไฟฟา (electric power plant) อยูในความดูแลของการไฟฟาท้ังสามหนวยงานจึงไมอาจพบเห็นไดโดยท่ัวไป สวนในสถานประกอบการขนาดใหญท่ีตองการสเถียรภาพดานพลังงานไฟฟาสูง ๆ จะมีการใชงานและติดต้ังเปนสถานีไฟฟายอย (unit substation) ในสถานประกอบการนั้น ๆ ตามความจําเปน เชน โรงพยาบาล ท่ีตองการพลังงานไฟฟาสํารองสําหรับการผาตัด อาคารสูงท่ีตองการไฟฟาสํารองสําหรับลิฟทโดยสารเมื่อมีเหตุการณไฟฟาดับ การผลิตในโรงงานอุตสาหกรรมบางประเภทท่ีไมสามารถหยุดเคร่ืองจักรไดเพราะวัสดุในระบบจะเกิดการแข็งตัว เชน อุตสาหกรรมปูนซีเมนต กระเบ้ือง มุงหลังคา เปนตน ในภาพท่ี 6.1 เปนชุดเคร่ืองกําเนิดไฟฟาท่ีโรงไฟฟาแหงหนึ่ง ผูจําหนายเรียก ชุดนี้เรียกวา TurboGenset ขนาด 160 เมกกะวัตต ขับเคล่ือนดวยกังหันไอน้ํา 3,000 รอบตอนาที

ภาพท่ี 6.1 ตัวอยางชุดเคร่ืองกําเนิดไฟฟาในโรงไฟฟาแหงหนึ่ง ท่ีมา : AEG Industrial Engineering, 2009

108

6.2 การใชงานเครื่องกําเนดิไฟฟา นอกจากการใชงานท่ีกลาวมาแลว เคร่ืองกําเนิดไฟฟาอาจถูกใชงานเฉพาะกรณีเชน

ในรถยนตจะใชเคร่ืองกําเนิดขนาดเล็กท่ีเรียกวาอัลเทอรเนเตอร (alternator) ชางเคร่ืองยนตมักเรียกวา ไดชารจ ดังในภาพที่ 6.2 อัลเทอรเนเตอรจะถูกขับโดยสายพานท่ีตอกับเคร่ืองยนต เพื่อทําหนาท่ีประจุไฟฟาใหกับแบตเตอร่ี หลังจากแปลงเปนไฟตรงแลวดวยอุปกรณอิเล็กทรอนิกส ภาพท่ี 6.2 เคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับท่ีใชในรถยนต

ในสถานกอสรางอาคารขนาดใหญท่ัวไป พลังานไฟฟาสําหรับการปฏิบัติงานกอสรางอาคาร ไฟฟาเรือนพักคนงาน อาคารสํานักงานช่ัวคราว เปนตน จะไดมาจากเคร่ืองกําเนิดไฟฟาท่ีขับเคล่ือนโดยเคร่ืองยนตดีเซล ดังในภาพท่ี 6.3 เปนเคร่ืองกําเนิดไฟฟาขับดวยเคร่ืองยนตดีเซล (diesel generator set) ซ่ึงสามารถเคล่ือนยายไปท่ีตาง ๆ ไดดวยรถลาก (mobile generator set) เปนภาพท่ีไดจากสถานกอสรางอาคารแหงหนึ่ง

ภาพท่ี 6.3 เคร่ืองกําเนิดไฟฟาขับดวยเคร่ืองยนตดีเซล

นอกจากนั้น จากเว็บไซตวิกิพีเดีย (2552) ไดกลาวถึงรถไฟชนิดหนึ่งท่ีเรียกวารถจักรดีเซลไฟฟา (diesel-electric locomotive) จะใชเคร่ืองยนตดีเซลขับเครื่องกําเนิดไฟฟา เพื่อผลิตไฟฟาปอนใหกับมอเตอรลากจูง (traction motor) ขับเคล่ือนเพลาและลอรถไฟอีกทอดหน่ึง เปนตน

109

6.3 เคร่ืองกําเนิดไฟฟาแบบข้ัวแมเหลก็หมุน ลักษณะโดยท่ัวไปของเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับจะถูกออกแบบใหข้ัวแมเหล็ก

เปนโรเตอร (rotor) ซ่ึงเปนสวนท่ีจะถูกขับเคล่ือนดวยชุดตนกําลัง (prime mover) เชน เคร่ืองยนตดีเซล กังหันน้ํา กังหันแกส เปนตน จึงทําใหไดชื่อวาเคร่ืองกําเนิดไฟฟาแบบข้ัวแมเหล็กหมุน (rotating field) สวนขดลวดอารเมเจอรท่ีใหกําเนิดไฟฟาจะติดต้ังอยูบนโครง (frame) ท่ีเปนสวนท่ีอยูกับท่ี (stator) ซ่ึงแตกตางจากลักษณะของเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสตรงท่ีถูกออกแบบใหขดลวดอารเมเจอรเปนโรเตอร (rotor) สวนขดลวดสนามแมเหล็กเปนสวนท่ีอยูกับท่ี โดยท่ัวไปเม่ือจะกลาวถึงเคร่ืองกําเนิดฟากระแสสลับ ก็จะเอยช่ือลอย ๆ วา เคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับ เทานั้น

เคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับ ประกอบดวยโครงสรางหลัก 2 สวน ดังกลาวไวในเบ้ืองตน มีรายละเอียดเพิ่มเติมดังนี้

6.3.1 สวนที่อยูกับที่ เรียกทับศัพทวาสเตเตอร ประกอบดวยสวนตาง ๆ ดังนี ้

6.3.1.1 โครงเครื่อง (frame) ทําดวยเหล็กหลอท่ีมีความทนทานเนื่องจากตองเปนสวนรองรับสวนประกอบอ่ืน ๆ เชนติดต้ังตลับลูกปนเพื่อรองรับโรเตอรเปนตน ในภาพท่ี 6.4 ภาพขวามือแสดงโครงเคร่ือง แกนเหล็กและขดลวดอารเมเจอรท่ีพึ่งติดต้ังเสร็จ สวนภาพซายมือ เปนลักษณะโครงเคร่ืองภายนอกของของชุดเคร่ืองกําเนิดท่ีขับดวยเคร่ืองยนตดีเซล

ภาพท่ี 6.4 โครงเคร่ืองและอารเมเจอรของเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับ ท่ีมา : Hebei Handa Engineering Machinery, 2009 (ซาย) และ swigercoil, 2009 (ขวา)

110

6.3.1.2 แกนเหล็กอาเมเจอร (armature core) ติดต้ังอยูภายในโดยรอบของโครงเคร่ืองอีกช้ันหนึ่ง ทําดวยเหล็กแผนบาง ๆ (laminated sheet steel) เพื่อลดการสูญเสียจากกระแสไหลวน (eddy current) มีรอง (slot) สําหรับรองรับการพันขดลวด ซ่ึงเรียกวาขดลวด อาเมเจอร (armature winding) เปนสวนจะเหนี่ยวนําแรงดันไฟฟาเพื่อจายสูโหลดภายนอก ท้ังแกนเหล็กและขดลวดมักถูกเรียกรวมกันวาอารเมเจอร (armature) ดังภาพที่ 6.5 ภาพขวามือเปนภาพขณะติดต้ังขดลวดอารเมเจอร สวนภาพซายมือเปนภาพหลังจากท่ีติดต้ังขดลวดเสร็จเรียบรอยกอนท่ีจะติดต้ังเขากับโครงเคร่ืองตอไป ภาพท่ี 6.5 ขดลวดและแกนเหล็กอารเมเจอร ท่ีมา : swigercoil, 2009

6.3.2 สวนที่หมุน เรียกทับศัพทวาโรเตอร (rotor) ประกอบดวยสวนตาง ๆ ดงันี้

6.3.2.1 ขั้วแมเหล็กหมุน (rotating field) ทําหนาท่ีเปนข้ัวแมเหล็ก

เพื่อใหเกิดการเหนี่ยวนํากับขดลวดอารเมเจอรสรางแรงดันไฟฟาข้ึนมาใชงาน การกําเนิดสนามแมเหล็กจะอาศัยหลักการของแมเหล็กไฟฟา ดังภาพท่ี 6.6 โดยการปอนไฟฟากระแสตรงจากแหลงจาย ซ่ึงอาจเปนแบตเตอร่ี หรือเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสตรงท่ีติดต้ังอยูระบบการขับเคล่ือนทางกลเดียวกันกับโรเตอร ใหกับขดลวดท่ีพันอยูบนโรเตอรทําใหเกิดเปนข้ัวแมเหล็กได ลักษณะของการเกิดข้ัวแมเหล็ก

111

ภาพท่ี 6.6 การเกิดข้ัวแมเหล็กบนโรเตอร ท่ีมา : Integrated publishing, 2009

จากภาพท่ี 6.6 โรเตอรจะมี 2 แบบ ซ่ึงจะจําแนกตามความเร็วรอบของชุดตนกําลัง

การใชงานในการผลิตไฟฟา ดังมีรายละเอียดตอไปนี้

6.3.2.1.1 แบบขั้วแมเหล็กยื่น (salient pole type) ประกอบดวยขดลวดพันอยูบนแกนเหล็กโรเตอรท่ีทําดวยแผนเหล็กบาง ๆ แบบเดียวกับแกนเหล็กอารเมจอร ใชงานกับเคร่ืองกําเนิดไฟฟาท่ีขับเคลื่อนดวยความเร็วปานกลางถึงความเร็วตํ่า เชน เคร่ืองกําเนิดไฟฟาพลังงานน้ํา เปนตน จะมีข้ัวแมเหล็กมากกวา 4 ข้ัวข้ึนไป จึงมีลักษณะเดนท่ีสังเกตไดคือ จะมีขนาดเสนผานศูนยกลางโต และสามารถมองเห็นข้ัวแมเหล็กแตละข้ัวไดอยางชัดเจน ดังภาพท่ี 6.7 ภาพซายเปนโรเตอรขนาด 6 ข้ัวแมเหล็ก สวนภาพขวา เปนภาพขณะท่ีคนงานกําลังประกอบข้ัวแมเหล็กเขากับโครงของโรเตอร ข้ัวแมเหล็กจํานวนมากน้ีเองจะทําใหโรเตอรมีขนาดโต (เม่ือเปรียบเทียบกับขนาดของตัวคน)

112

ภาพท่ี 6.7 โรเตอรแบบข้ัวแมเหล็กยื่น ท่ีมา : national-electric-coil, 2009

6.3.2.1.2 แบบรูปทรงกระบอก (cylindrical rotor or non-salient pole) จะมีข้ัวแมเหล็ก 2 - 4 ข้ัว โครงสรางเปนรูปทรงกระบอกเสนผานศูนยกลางขนาดเล็กและไมมีข้ัวแมเหล็กยื่นออกมาใหเห็นอยางชัดเจน ดังภาพท่ี 6.8 เปนโรเตอรขนาด 2 ข้ัว พิจารณาไดจากขดลวดท่ีพันอยูจะมี 2 ชุด โรเตอรแบบทรงกระบอกน้ีใชกับกับเคร่ืองกําเนิดไฟฟาท่ีขับเคล่ือนดวยความเร็วรอบสูง เชนท่ี 3,000 รอบตอนาที สําหรับเคร่ืองกําเนิดไฟฟากังหันแกส หรือกังหันไอน้ําเปนตน

โรเตอรทรงกระบอกตองมีเสนผานศูนยกลางขนาดเล็กเพราะตองการลดขนาดของแรงเหวี่ยงหนีศูนยกลาง สวนจํานวน 2 ข้ัวแมเหล็กนั้น เปนเหตุผลทางไฟฟาในการผลิตแรงดันไฟฟาใหได 50 เฮิรตซ (hertz) พอดี

ภาพท่ี 6.8 โรเตอรแบบข้ัวแมเหล็กรูปทรงกระบอก ท่ีมา : national-electric-coil, 2009

113

6.3.2.2 ขดลวดแดมเปอร (damper winding) เปนแทงทองแดงท่ีฝงอยูปลายข้ัวแมเหล็กยื่น ท่ีปลายแทงตัวนําถูกลัดวงจรเขาดวยกันท้ังดานหัวและทาย ลักษณะคลายกับกรงกระรอก (squirrel-cage winding) ของมอเตอรเหนี่ยวนํา ในภาพท่ี6.7 และในภาพท่ี 6.9 เปนข้ัวแมเหล็กและขดลวดแดมเปอรกอนนําไปติดต้ังกับเขากับโรเตอร ขดลวดแดมเปอรนี้ชวยในข้ันตอนของการสตารท โดยทําใหเคร่ืองกําเนิดสามารถออกตัวแบบมอเตอรไฟฟาเหนี่ยวนําไดเอง กอนตอเขากับระบบขับเคล่ือนหลักในภายหลัง สวนประโยชนทางกลนั้น ขดลวดแดมเปอรจะชวยหนวงเพื่อลดการแกวงหรือส่ันในชวงเร่ิมออกตัวและชวงหยุดเดินเคร่ือง

ภาพท่ี 6.9 ขดลวดแดมเปอร ท่ีมา : Electricity By Photos, 2009

6.3.2.3 เอ็กไซเตอร (exciter) เปนเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสตรงขนาดเล็กซ่ึงทําหนาท่ีปอนกระแสตรงใหกับขดลวดสนามแมเหล็กของเคร่ืองกําเนิด (หลัก) เพื่อทําใหเกิดเปนข้ัวแมเหล็ก เคร่ืองกําเนิดไฟฟานี้อาจเปนแบบชันท (shunt d.c. generator) หรือแบบเฟลตคอมปาวดวาวด (flat compound-wound d.c. generator) เอ็กไซเตอรจะถูกติดต้ังอยูบนแกนเดียวกับแกนโรเตอรของเคร่ืองกําเนิด เพื่อใหสามารถตอถึงกันทางไฟฟาไดโดยงายดังภาพท่ี 6.10 ข.

ในภาพที่ 6.10 ก. ฟลดของเอ็กไซเตอร(2) (exciter field winding) จะสรางสนามแมเหล็กมาเหน่ียวนํากับอารเมจอรของเอ็กไซเตอร (4) (exciter armature) เกิดแรงดันไฟตรง และปอนผานสลิปริง (5) (slip ring) ปอนผานไปยังขดวดฟลดบนโรเตอร (6) และเกิดการผลิตไฟฟากระแสสลับท่ีขดลวดอารเมจอรของเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับ (7)

114

ก. การกระตุนสนามแมเหล็กของเอ็กไซเตอร

ข. ตําแหนงติดต้ังของเอ็กไซเตอร ภาพท่ี 6.10 เอ็กไซเตอรและการกระตุนสนามแมเหล็ก ท่ีมา : Integrated publishing, 2009

6.4 ระบบตนกําลัง หมายถึงระบบของการนําพลังงานรูปแบบตาง ๆ มาขับเคล่ือนโรเตอรของเคร่ืองกําเนิด

ไฟฟาและใหมีการผลิตไฟฟาออกมาใชงาน กลาวโดยภาพรวมอาจเรียกไดวาเปนการเปล่ียนรูปพลังงานตาง ๆ มาเปนไฟฟา เชน พลังงานน้ํา พลังงานไอน้ํา พลังงานกาชรอน เปนตน ซ่ึงสอดคลองกับท่ีกลาวไวในเว็บไซตฟสิกสนารู (2552) ดังนี้

115

6.4.1 พลังงานน้ํา

โดยการเก็บน้ําไวใหมีปริมาณมากและปลอยออกมาผานกังหันน้ํา (water turbine) ซ่ึงตอตรงกับเคร่ืองกําเนิดไฟฟา โดยความเร็วของกังหันอยูในระดับตํ่าถึงปานกลาง เคร่ืองกําเนิดท่ีใชกับพลังงานน้ํามักเปนชนิดท่ีมีโรเตอรแบบข้ัวแมเหล็กยื่นซ่ึงมีข้ัวจํานวนมาก เพื่อใหสัมพันธกับความเร็วรอบของการขับเคล่ือน

6.4.2 พลังงานไอนํ้า

โดยการตมน้ําใหกลายเปนไอดวยเช้ือเพลิงชนิดตาง ๆ เชนถานหิน หรือแมแตพลังงานนิวเคลียรก็ตาม หลังจากนั้นปลอยไอน้ําผานไปขับกังหันไอน้ํา (stream turbine) กังหันจะตอตรงกับเคร่ืองกําเนิดไฟฟา ซ่ึงความเร็วของกังหันจะหมุนดวยความเร็วสูงถึง 3,000 รอบตอนาที

6.4.3 พลังงานกาชรอน

โดยอาศัยอากาศท่ีผานการเพิ่มความดันใหสูงและรับความรอนจากการเผาไหมของเช้ือเพลิงมาหมุนกังหัน ซ่ึงลักษณะโครงสรางบางสวนคลายกับกังหันไอน้ํา โดย ความเร็วของกังหันจะหมุนดวยความเร็วมากกวา 3,000 รอบตอนาที

เนื่องจากถูกขับเคลื่อนดวยความเร็วรอบสูง เคร่ืองกําเนิดท่ีใชกับพลังงานไอน้ําและกาซรอน มักเปนชนิดท่ีมีโรเตอรแบบรูปทรงกระบอก ซ่ึงมีเหตุผลในทางไฟฟาและทางกลดังไดกลาวมาแลว

6.5 การผลิตไฟฟา เคร่ืองกําเนิดไฟฟาจะผลิตพลังงานไฟฟา ซ่ึงโดยท่ัวไปจะมีคุณสมบัติ 2 ดานท่ีจะตอง

พิจารณาคือแรงดันไฟฟา (voltage, V) และความถ่ีไฟฟา (frequency, f) เพื่อใหไดคุณสมบัติตามพิกัดท่ีเหมาะสมกับการใชงาน จะมีหลักการในการผลิตดังนี้

6.5.1 คาความถี่ไฟฟา คุณสมบัตินี้จะสัมพันธกับความเร็วขับของโรเตอรหรือความเร็วซิงโครนัส

(synchronous speed, Ns) และจํานวนข้ัวแมเหล็ก (pole, P) ดังสมการท่ี 6.1

f = (6.1) P NS 120

116

เม่ือ f คือ ความถ่ีของแรงดันไฟฟา (Hertz, Hz) P คือ จํานวนข้ัวแมเหล็กของโรเตอร (pole) Ns คือ ความเร็วซิงโครนัส (ความเร็วขับ) (rpm) ตัวอยางท่ี 6.1 เคร่ืองกําเนิดไฟฟากังหันแกส ขนาด 2 pole ผลิตไฟฟาท่ีความถ่ี 50 Hz อยากทราบวา โรเตอรจะถูกขับดวยความเร็วรอบเทาใด

วิธีทํา จากสมการ 6.1 f =

NS =

แทนคา =

= 3,000 rpm ตัวอยางท่ี 6.2 เคร่ืองกําเนิดไฟฟากังหันน้ํา ขนาด 60 pole ผลิตไฟฟาท่ีความถ่ี 50 Hz อยากทราบวา โรเตอรจะถูกขับดวยความเร็วรอบเทาใด

วิธีทํา ทํานองเดียวกนักับตัวอยางท่ี 6.1 จะได

NS =

= 100 rpm

6.5.2 แรงดันไฟฟา เปนแรงดันไฟฟาเหนี่ยวนํา (induced voltage) ท่ีเกิดท่ีขดลวดอารเมจอร

ผลิตโดยการควบคุมตัวแปร ดังสมการ 6.2

P NS 120

120 f P

120 (50) 2

120 (50) 60

117

E = Ke NS (6.2)

เม่ือ Ke คือ คาคงท่ี

คือ ฟลักซแมเหล็ก (Wb) ฟลักซแมเหล็กหรือสนามแมเหล็กนั้น ข้ึนอยูกับกระแสฟลด (field current ,If) หรือ

กระตุนสนามแมเหล็ก (exciting current) ดังนั้นแรงดันไฟฟาจึงข้ึนกับกระแสฟลดโดยตรง ดังหลักการ

เม่ือ = Kf If (6.3) ดังนั้น E = Ke (Kf If) NS E = Kef If NS (6.4)

เม่ือ Kef = Ke Kf

แรงดันไฟฟาท่ีผลิตได (ขณะยังไมจายโหลด) จะแปรผันตรงตามกระแสฟลด สวนชวง

ท่ีแกนเหล็กอยูในสภาพอ่ิมตัว (saturation point) กราฟท่ีไดจะมีความโคงไมเปนเสนตรง ดังภาพ 6.11

ภาพท่ี 6.11 กราฟแรงดันไฟฟาแปรตามกระแสฟลด

E

If

E

saturation point

118

6.6 วงจรสมมลูของเครื่องกําเนิดไฟฟากระแสสลบั เปนวงจรท่ีมีไวพิจารณาเม่ือเครื่องกําเนิดจายโหลด (on load) เชนแรงดันไฟฟาท่ีข้ัว

(terminal voltage) เม่ือเคร่ืองกําเนิดจายโหลดจะมีคาเปล่ียนแปลงไป โดยท่ัวไปจะมีคาลดลง (มีเพิ่มข้ึนเปนบางกรณีตามชนิดของโหลด) เนื่องจากขดลวดอารเมเจอรมีคาความตานทาน (armature resistance) และซิงโครนัสรีแอคแตนซ (synchronous reactance, XS) ดังภาพท่ี 6.12 ซ่ึงเปนวงจรสมมูล (equivalent circuit) โดยท่ัวไปของเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับ

ภาพท่ี 6.12 วงจรสมมูลของเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับ

จากวงจรสมมูล เม่ือเครื่องกําเนิดจายโหลด แรงดันไฟฟาท่ีผลิตไดและแรงดันไฟฟา ท่ีข้ัวจะมีคาไมเทากัน ดังสมการท่ี 6.5

Vt = EA – IA (RA + jXS) (6.5)

ในกรณีท่ีคาแรงดันไฟฟาเหนี่ยวนําคงท่ี (ประมาณคงท่ี) คาแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวจะ

เปล่ียนแปลงไปตามกระแสโหลด (load current) จนถึงท่ีคากระแสพิกัด (rated current) (โดยปกติท่ัวไปจะใหเคร่ืองกําเนิดไฟฟาจายโหลดเพียง 80 % ของกระแสพิกัด) แรงดันจะอยูท่ีคาคาหนึ่งซ่ึงไมนาจะเปล่ียนแปลงไปมากกวานี้ สวนในภาพท่ี 6.13 นั้น มีการชดเชยแรงดันไฟฟาเหนี่ยวนําเพื่อใหแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวคงท่ีตามพิกัดแรงดัน ดังนั้นแรงดันไฟฟาเหนี่ยวนําท่ีชดเชย จึงตํ่ากวาหรือสูงกวาแรงดันไฟฟาท่ีข้ัว ซ่ึงแตกตางกันตามชนิดของโหลด เชน โหลดความตานทานบริสุทธ์ิ (pure resistive load) และโหลดความเหน่ียวนํา (inductive load) แรงดันไฟฟาเหนี่ยวนําจะชดเชย

Vf

If

Rf

Lf

~ EA Vt

RA XS IL

119

ใหสูงกวาแรงดันไฟฟาท่ีข้ัว สวนโหลดความจุ (capacitive load) แรงดันไฟฟาเหนี่ยวนําจะชดเชยใหตํ่ากวาแรงดันฟาท่ีข้ัว

โหลดสวนใหญโดยท่ัวไปมักเปนสวนผสมระหวางความตานทานกับความเหน่ียวนํา ดังนั้น โดยภาพรวมเม่ือเคร่ืองกําเนิดไฟฟาจายโหลด มักมีการชดเชยแรงดันไฟฟาเหนี่ยวนําใหสูงข้ึน เพื่อรักษาแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวใหคงท่ีดวยวิธีการตาง ๆ ท่ีเหมาะสม

ภาพท่ี 6.13 สภาพการเปล่ียนแปลงของแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวตามชนิดของโหลด

ตัวอยางท่ี 6.3 เคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับขนาด 2,000 kVA 2,300 V 50 Hz ความตานทานของขดลวดอารเมเจอรตอเฟส 0.09 ซิงโครนัสรีแอคแตนซ 0.43 ใหคํานวณหาคาแรงเคล่ือนไฟฟาเหนี่ยวนํา ถาเคร่ืองกําเนิดจายโหลดเต็มพิกัดท่ีตัวประกอบกําลัง 0.80 lagging

วิธีทํา จากสมการท่ี 6.5 Vt = EA – IA (RA +jXS)

จะได EA = Vt +IA (RA +jXS) กําหนดให แรงดันไฟฟาท่ีข้ัวเปนจดุอางอิง จะได V t = V t 0 แรงดันไฟฟาท่ีข้ัวเม่ือคิดตอเฟส V t = 2,300 / 3 = 1,327.91 V แทนคา V t 0 = 1,327.91 0

Rated Current

Vt = EA

Load Current, IL IL = 0

capacitive load

inductive load

pure resistive load

120

กระแสอารเมเจอรเม่ือจายโหลดเต็มพิกดั IA = = 502 A

มุมเฟสของกระแส = cos-1(0.80) = 36.87

แทนคาในสมการแรงดันไฟฟาเหนีย่วนํา EA = 1,327.91 0 + 502-36.87 (0.09 + j0.43)

= 1,327.91 0 + (165.66 + j145.58) = 1,493.57 + j145.58 = 1,500.65 5.57V

การชดเชยแรงดัน(สูงข้ึน) = x 100 = 13.01 %

จากตัวอยางท่ี 6.3 จะพบวา แรงเคล่ือนไฟฟาเหน่ียวนํามีคามากกวาแรงดันฟาท่ีข้ัว

นั่นแสดงวา ขณะจายโหลดแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวจะลดลงและเพื่อรักษาแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวคงท่ี (ตามพิกัด) ระบบควบคุมจะทําใหเคร่ืองกําเนิดจะผลิตแรงดันมากข้ึนเพื่อชดเชยกับคาแรงดันไฟฟาท่ีตกครอมอิมพีแดนซภายใน กระบวนการที่ระบบควบคุมพยายามรักษาแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวใหคงท่ีนี้เรียกวา การควบคุมแรงดัน (voltage regulation) ตัวเลขท่ีแสดงคุณสมบัติการควบคุมแรงดันของเคร่ืองกําเนิดไฟฟานี้ หากมีคาตํ่าแสดงวาแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวมีเสถียรภาพสูง

6.7 เวกเตอรไดอะแกรมขณะจายโหลด เปนเคร่ืองมือในการวิเคราะหคุณสมบัติของเคร่ืองกําเนิดขณะจายโหลด โดยการเขียน

องคประกอบดานแรงดัน เพื่อใหเห็นภาพของแรงดันไฟฟาท่ีข้ัววาเกิดจากคาอะไรบาง ท้ังขนาดและทิศทางของสวนตาง ๆ ดังภาพท่ี 6.14 - 6.16

2,000 x 1,000 3 x 2,300

1,500.65 - 1,327.91 1,327.91

121

ภาพท่ี 6.14 เวกเตอรไดอะแกรมเม่ือจายโหลดความตานทาน

ภาพท่ี 6.15 เวกเตอรไดอะแกรมเม่ือจายโหลดความเหนี่ยวนํา ในภาพท่ี 6.15 เกิดจากโหลดท่ีมีคาความเหน่ียวนํา (inductive) เวกเตอรไดอะแกรมของ

กระแสจะหลาหลังแรงดันไฟฟาท่ีข้ัว ซ่ึงจะทําใหเกิดตัวประกอบกําลังไฟฟาแบบลาหลัง (lagging power factor) และกรณีนี้แรงดันไฟฟาท่ีข้ัวจะตํ่ากวาแรงดันไฟฟาเหนี่ยวนํา (Vt E)

ภาพท่ี 6.16 เวกเตอรไดอะแกรมเม่ือจายโหลดความจุ ในภาพท่ี 6.16 เกิดจากโหลดท่ีมีคาความจุ (capacitive) เวกเตอรไดอะแกรมของกระแสจะ

นําหนาแรงดันไฟฟาท่ีข้ัว ซ่ึงจะทําใหเกิดตัวประกอบกําลังไฟฟาแบบนําหนา (leading power factor) และกรณีนี้แรงดันไฟฟาท่ีข้ัวจะมีแนวโนมสูงกวาแรงดันไฟฟาเหนี่ยวนํา (Vt E)

IARA Vt

IAXS

EA

I

Vt

IARA

EA

IAXS

IA

Vt

IARA

IA

EA

IAXS

122

คือยิ่งกระแสทํามุมนําหนาแรงดันมากข้ึนเทาใด แรงดันไฟฟาท่ีข้ัวกับแรงดันไฟฟาเหนี่ยวนําจะมีคาผลตางมากข้ึน

6.8 สรุป เคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับเปนเคร่ืองจักรไฟฟาท่ีแปลงพลังงานรูปแบบตาง ๆ มา

เปนพลังงานไฟฟา สวนใหญเปนการผลิตไฟฟาเพื่อการพานิชคือจําหนายใหกับประชาชน มีเพียงบางสวนท่ีมีการใชงานในสถานประกอบการอื่น ๆ เพื่อเปนกําลังไฟฟาสํารองและเพ่ืองานเฉพาะกิจ เชนในสถานกอสรางอาคารตาง ๆ เปนตน เคร่ืองกําเนิดจะแบงออกเปน 2 ประเภท ตามลักษณะของโรเตอร ประเภทแรกมีโรเตอรแบบข้ัวแมเหล็กยื่นซ่ึงจะใชกับชุดขับเคล่ือนท่ีมีความเร็วรอบตํ่า เชน เคร่ืองกําเนิดท่ีขับดวยกังหันน้ํา เปนตน ประเภทท่ีสองเปนเครื่องกําเนิดไฟฟาท่ีมีโรเตอรแบบรูปทรงกระบอก ซ่ึงจะใชกับชุดขับเคล่ือนท่ีมีความเร็วรอบสูง เชนเคร่ืองกําเนิดท่ีขับดวยกังหัน ไอน้ํา เปนตน การผลิตไฟฟาจะมีคุณสมบัติในการพิจารณา 2 ดานคือ ขนาดของแรงดันและความถ่ี แรงดันท่ีผลิตจะข้ึนเหมาะกับโหลดหรือหมอแปลงไฟฟา สวนความถ่ีนั้นมีคามาตรฐานคือ 50 Hz ตัวแปรท่ีจะตองควบคุมเพื่อใหไดไฟฟาตามท่ีตองการก็คือ ความเร็วขับท่ีไดจากชุดตนกําลัง และกระแสฟลดซ่ึงไดจากแหลงจายไฟฟากระแสตรงจากแหลงตาง ๆ เชน แบตเตอร่ี หรือ เอ็กไซเตอร เปนตน ไฟฟาท่ีผลิตไดนั้น จะจายใหโหลดชนิดตาง ๆ ซ่ึงแตละชนิดจะทําใหแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวเปล่ียนแปลงแตกตางกัน ระบบควบคุมจะตองพยายามรักษาแรงดันไฟฟาท่ีข้ัวใหมีคาคงท่ีอยูเสมอ

6.9 คําถามทบทวนและกิจกรรม 1. การใชงานเคร่ืองกําเนิดไฟฟานอกจากจะมีใชงานท่ีโรงไฟฟาแลว ยังมีใชงานท่ีใด

อีกบาง เพื่อประโยชนใด 2. เหตุใดเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับในปจจุบันบางคร้ังถูกเรียกวาเครื่องกําเนิด

ไฟฟาแบบข้ัวแมเหล็กหมุน 3. โครงเคร่ือง แกนเหล็กอารเมเจอรและขดลวดอารเมเจอร คือโครงสรางอันเดียวกัน

หรือไม ใหอธิบาย 4. ใหอธิบายหลักการทําใหโรเตอรของเคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับเปนข้ัวแมเหล็ก 5. มีเหตุผลทางไฟฟาอยางไร ท่ีโรเตอรแบบขั้วแมเหล็กยื่นจะใชกับเคร่ืองกําเนิดท่ี

ขับเคล่ือนดวยชุดขับเคล่ือนท่ีมีความเร็วรอบตํ่า เชน กังหันน้ํา เปนตน

123

6. เคร่ืองกําเนิดไฟฟากังหันน้ํา ขนาด 120 pole ผลิตไฟฟาท่ีความถ่ี 50 Hz อยากทราบวาโรเตอรกําลังถูกขับดวยความเร็วรอบเทาใด

7. เคร่ืองกําเนิดไฟฟากังหันไอน้ํา หากโรเตอรถูกขับดวยความเร็วรอบ 3,000 rpm ผลิตไฟฟาท่ี 13.8 kV 50 Hz อยากทราบวาเคร่ืองกําเนิดมีข้ัวแมเหล็กจํานวนเทาใด

8. เคร่ืองกําเนิดไฟฟาขับดวยเคร่ืองยนตดีเซล ชนิดเฟสเดียว ขนาด 4.5 kVA 220 V 4 pole 50 Hz หากจายโหลดเพียง 80 % ของพิกัด จะจายกระแสไดเทาใด

9. เคร่ืองกําเนิดไฟฟากระแสสลับ 3 เฟส 12.5 kVA 400/230 V 50 Hz มีคาความตานทานอารเมเจอรและซิงโครนัสรีแอคแตนซตอเฟส 0.242 และ 2.30 ตามลําดับ ใหคํานวณหาแรงดันไฟฟาเหนี่ยวนําเม่ือเคร่ืองกําเนิดไฟฟาจายโลด 80 % ท่ีตัวประกอบกําลัง 0.8 ลาหลัง

10. สภาพการจายโหลดของเคร่ืองกําเนิดไฟฟาในขอ 9 จะมีคาการควบคุมแรงดัน กี่เปอรเซ็นต

11. ทําใบงานการทดลองท่ี 7

124

เอกสารอางอิง

ฟสิกสนารู. (2552). ระบบตนกําลัง. [Online], Available HTTP : http://physics603182335.multiply.com/reviews/item/13 [2552, มีนาคม 16]

วิกิพีเดีย. (2552). รถจักรดีเซลไฟฟา. [Online], Available HTTP : http://th.wikipedia.org/ [2552, มีนาคม 31]

Electricity By Photos. (2009). damper winding. [Online], Available HTTP : http://emadrlc.blogspot.com/ [2009, April 3]

Integrated publishing. (2009). Functions of Alternator Components. [Online], Available HTTP : http://www.tpub.com/neets/book5/17a.htm [2009, April 3]

national-electric-coil. (2009). Salient pole rotor. [Online], Available HTTP : http://www.national-electric-coil.com/TGRtr.html# [2009, April 3]

Swigercoil. (2009). armature coil. [Online], Available HTTP : http://www.swigercoil.com/armature-coils.asp [2009, April 7]

126