" Separately Excited DC Motor"
พื้นฐานระบบขับเคลื่อนทางไฟฟ้าที่สำคัญ แต่มีผู้ที่เกี่ยวข้องจำนวนไม่น้อยยังขาดความเข้าใจ

.

               เมื่อกล่าวถึง Self – excited DC Motor ( dc shunt  ,dc Series และ dc Compound ) ช่างเทคนิคหรือวิศวกรที่จบด้านไฟฟ้าหลายๆท่านก็คงพอจะนึกภาพออกว่ามอเตอร์แต่ละชนิดมีคุณสมบัติเฉพาะอย่างไร มีข้อดีและข้อด้อยอย่างไร  และเหมาะสำหรับการนำไปประยุกต์ใช้กับโหลดประเภทใด

                แต่เมื่อเอ่ยถึง Separately Excited DC Motor ซึ่งเป็นพืนฐานที่สำคัญของระบบขับเคลื่อนทางไฟฟ้า และมีบทบาทสำคัญที่ใช้ในการควบคุมความเร็วในเครื่องจักรและกระบวนการผลิตอัตโนมัติในระบบอุตสาหกรรม กลับมีผู้ที่เกี่ยวข้องจำนวนไม่น้อยขาดความเข้าใจ  และกลายเป็นคำถามยอดฮิตที่ว่า "ทำไมจึงต้องใช้วิธีกระตุ้นแยก"

 Separately Excited กับ Self – excited ต่างอย่างไร?  

           โดยพื้นฐานของดีซีมอเตอร์แบบแบบ Separately Excited จะคล้ายกันกับSelf – excited  ลักษณะโครงสร้างหลักจะประกอบด้วยส่วนที่อยู่กับที่ (Stator) และส่วนที่หมุนเคลื่อนที่(Rotor) หรือหากพิจารณาในรูปของวงจรสมมูลย์ทางไฟฟ้าก็สามารถแยกออกเป็น 2 วงจร คือวงจรฟิลด์ (Field Circuit ) ซึ่งทำหน้าที่ในการสร้างสนามแม่เหล็กหลัก และ วงจรอาร์เมเจอร์ (Armature circuit ) ที่ทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กรอบๆ อาร์เมเจอร์   

รูปภาพแสดงคุณสมบัติด้าน speed(n)-Torque(m) ของดีซีมอเตอร์แต่ละชนิด
   

ลักษณะ การต่อวงจรในกลุ่มของ Self – excited dc motor ขดลวดฟิลด์(Field winding) และขดลวดอาร์เมเจอร์(armature winding) จะต่อวงจรโดยใช้แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าชุดเดียวกัน และมีซื่อเรียกชนิดของมอเตอร์นั้นๆตามลักษณะการต่อวงจรเช่น แบบดีซีมอเตอร์แบบขนาน (DC shunt motor) แบบอนุกรม (DC Series motor) และแบบผสม(DC Compound motor) ดังรูป

ส่วน Separately excited dc motor แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ต่อเข้ากับวงจรฟิลด์ และวงจรอาร์เมเจอร์ จะแยกเป็นอิสระซึ่งกันและกัน โดยคุณสมบัติด้านความเร็ว-แรงบิด จะเหมือนกับมอเตอร์ดีซีแบบขนาน      


           
ดีซีมอเตอร์มีวิธีการควบคุมความเร็วอย่างไร

จากรูปสามารถเขียนสมการได้ดังนี้    Vf  =  If . Rf              ( วงจรฟิลด์)    Vt  =  Ea + Ia Ra  ( วงจรอาร์เมเจอร์)    Ea  =  Vt - Ia Ra    (Ea = Ka )     Vt  =  Ka + Ia Ra   จากวงจรสมมูลย์ทางไฟฟ้ากำหนดให้: Rf :    field winding resistance              If :      field current  Ra :  armature winding resistance      Ia :     armature current  Vf :    field voltage             Vt :     armature voltage  Ea = แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำต้านกลับ BackEMF
สมการความเร็วเชิงมุมของดีซีมอเตอร์จะหาได้จากความสัมพันธ์ดังนี้   m = radian/ sec.    เมื่อ     { }

 
จากสมการความเร็วเชิงมุม จะพบว่าการควบคุมความเร็วของดีซีมอเตอร์ทำได้ 2 วิธีดังนี้

 

ควบคุมความเร็วโดยใช้แบบ Self– excitedได้หรือไม่และทำไม่ต้องใช้แบบ Separately Excited ?


       จากสมการความเร็วดังที่กล่าวมาจะพบว่าหากนำมอเตอร์แบบขนานซึ่งเป็นแบบ Self – excited มาใช้ในงานควบคุมความเร็วในกระบวนการผลิดด้วยวิธีการควบคุมแรงดันอาร์เมเจอร์โดยการเพิ่มหรือลดแรงดัน เพื่อควบคุมความเร็วให้เปลียนแปลงตามกระบวนการผลิตที่ต้องการ  เราจะพบว่าทุกๆครั้งที่มีการเปลี่ยนแปลงแรงดัน จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าต่างๆทั้งในวงจรวงจรฟิลด์ และวงจรอาร์เมเจอร์  โดยเฉพาะสนานแม่เหล็กในวงจรฟิลด์จะมีค่าไม่คงที่  ทำให้การควบคุมความเร็วของมอเตอร์ทำได้ยาก ( เนื่องจากความต้านทานขดลวดฟิลด์มีค่าคงที่  เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงแรงดัน จะทำให้กระแสฟิลด์และสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงตาม )

       จากกรณีดังกล่าวจึงทำให้ดีซีมอเตอร์แบบ Self – excited ไม่เป็นที่นิยมในการใช้ควบคุมความเร็วในงานอุตสาหกรรม  โดยเฉพาะโหลดที่ต้องการแรงบิดคงที่ตลอดย่านความเร็ว ซึ่งในทางปฏิบัติจะใช้วิธีการควบคุมแบบกระตุ้นแยก (วงจรฟิลด์และวงจรอาร์เมเจอร์จะใช้แหล่งจ่ายคนละชุดกัน และแยกเป็นอิสระซึ่งกันและกัน โดยใช้แหล่งจ่าย Vf จ่ายให้วงจรฟิลด์ และแหล่งจ่าย Vt จ่ายให้วงจรอาร์เมจอร์ ) ซึ่งจะทำให้การควบคุมทำได้ง่ายขึ้น กล่าวคือการควบคุมความเร็วสามารถแยกการควบคุมในแต่ละวงจรได้โดยอิสระ เช่นหากต้องการควบคุมสนามแม่เหล็กที่วงจรฟิลด์ (กรณีต้องการความเร็วสูงๆที่เกินจากความเร็วพิกัดที่บอกบนแผ่นป้าย) ก็ทำได้โดยลดแรงแรงดัน Vf  และคงที่แหล่งจ่าย Vt ที่ต่อกับวงจรอาร์เมเจอร์ให้อยู่ระดับแรงดันพิกัด หรือในทางกลับกัน หากต้องการควบคุมความเร็วในย่านที่ต่ำกว่าความเร็วพิกัด ก็สามารถควบคุมแรงดันที่ Vt ได้โดยตรง และคงที่แรงดันพิกัดVf ที่วงจรฟิลด์เป็นต้น

 Armature Voltage Control กับ Flux Control ใช้งานแตกต่างกันอย่างไร?

            การควบคุมแรงดันอาร์เมเจอร์จะใช้ควบคุมความเร็วรอบมอเตอร์ ในกรณีที่ต้องการความเร็วรอบตั้งแต่มากกว่าศูนย์ขึ้นไปจนกระทั่งถึงความเร็วพิกัด (Rated Speed) หรือ" base speed" ลักษณะความเร็วรอบจะเปลี่ยนแปลงขึ้น-ลง ตามระดับแรงดันอาร์เมเจอร์  ส่วนสมรรถนะการทำงานในโหมดนี้ จะทำให้มอเตอร์สามารถสร้างทอร์คขับเคลื่อนโหลดได้ตามพิกัด (Rated Torque) ตลอดย่านความความเร็ว    โดยกระแสอาร์เมเจอร์ Ia จะขึ้นอยู่กับโหลด และกำลังทางกลหรือกำลังด้านขาออกจะเพิ่มขึ้นตามความเร็วที่เพิ่มขึ้น ดังรูป การใช้งานในย่านนี้จะเหมาะสมสำหรับขับเคลื่อนโหลดประเภทที่ต้องการทอร์คหรือแรงบิดคงที่ (constant Torque)

ส่วนการควบคุมเส้นแรงแม่เหล็ก (Flux Control หรือ Field control) ทำได้โดยการลดแรงดันที่จ่ายให้กับขดลวดฟิลด์ ซึ่งส่งผลทำให้จำนวนเส้นแรงแม่เหล็กลดลงตามกระแสฟิลด์ (สนามแม่เหล็กจะอ่อนตัวลง ,Field weakening ) และทำให้ความเร็วรอบมอเตอร์จะเพิ่มขึ้น  การใช้งานในโหมดนี้โดยทั่วไปจะใช้กับโหลดที่ต้องการความเร็วสูงกว่า base speed และต้องการแรงบิดลดลงเมื่อความเร็วรอบสูงขึ้น เช่นเครื่องม้วนวัสดุ ม้วนฟิล์ม และแมชชีนทูลต่างๆ เป็นต้น 

การควบคุมการทำงานในโหมดนี้จะไม่เหมาะสมกับโหลดประเภทที่ต้องการแรงบิดคงที่   เนื่องจากโดยทั่วไปกำลังด้านเอาท์พุตของมอเตอร์แต่ละตัวมีค่าคงที่ดังสมการ Po/p = T * Wm  (หากขับโหลดด้วยแรงบิดตามพิกัดและหมุนด้วยความเร็วตามพิกัดบนแผ่นป้ายมอเตอร์จะจ่ายกำลังด้านเอาท์พุตทามพิกัด) ดังนั้นหากนำไปใช้ขับโหลดที่แรงบิดคงที่ด้วยความเร็วที่สูงกว่าพิกัดบนแผ่นป้าย จะส่งผลทำให้มอเตอร์ต้องจ่ายกำลังด้านเอาท์พุตสูงกว่าพิกัด และเป็นอัตครายต่อมอเตอร์
 (ดูคุณสมบัติของโหลดแต่ละประเภท...คลิก)

 แนวโน้มระบบขับเคลื่อนทางดีซีเป็นอย่างไร ?

ในหลายปีที่ผ่านมาระบบขับเคลื่อนทางดีซีได้ลดจำนวนการใช้งานลงอย่างมากเมื่อ เปรียบเทียบกับระบบเอซี   (บางบริษัทที่เคยผลิตระบบขับเคลื่อนดีซีขายก็ดำเนินการต่อไม่ได้ ต้องปรับเปลี่ยนตัวเองหรือยกเลิกการผลิต  ส่วนผู้ผลิตรายใหม่ก็ไม่มีใครคิดที่จะพัฒนาระบบนี้ขึ้นมาทำตลาด) เนื่องจาก แนวโน้มและทิศทางของผู้ใช้เทคโนโลยีได้เปลี่ยนแปลงไป  เทคโนโลยีการขับเคลื่อนทางเอซี(AC Drives) ได้พัฒนาก้าวหน้าไปอย่างมากจนสามารถใช้งานทดแทนระบบขับเคลื่อนทางดีซีได้ เป็นอย่างดี อีกทั้งยังช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา จึงทำให้ผู้ที่พัฒนาและออกแบบเครื่องจักรส่วนใหญ่เปลี่ยนแปลงหันมานิยมใช้ AC Drives แทน  

         
จำเป็นที่จะต้องศึกษาเกี่ยวกับการควบคุมดีซีหรือไม่?

ถึงแม้ว่าปัจจุบัน เทคโนโลยีด้านเอซีไดร์ฟ จะพัฒนาไปถึงระดับการควบคุมแบบเวกเตอร์โดยไม่ใช้เซ็นเซอร์แล้วก็ตาม (sensorless vector control) แต่โดยพื้นฐานการควบคุมนั้นก็ยังพัฒนาเพื่อเลียนแบบการทำงานระบบขับเคลื่อน ทางดีซี ระบบขับเคลื่อนดีซีนั้นถือได้ว่าเป็นต้นแบบของการขับเคลื่อนทางไฟฟ้า ดังนั้นไม่ว่าเทคโนโลยีจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรก็ตาม ระบบขับเคลื่อนทางดีซียังถือว่าเป็นพื้นฐานที่สำคัญที่จะต้องเรียนรู้และทำ ความเข้าใจก่อนที่จะก้าวไปสู่การเรียนรู้ในระบบอื่นๆ ในลำดับถัดไป