// บทที่ 21.1 · ควบคุมมอเตอร์ AC · Induction Motor

หลักการมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟสสำหรับอุตสาหกรรม: สนามแม่เหล็กหมุน สลิป แรงบิด-ความเร็ว กระแสสตาร์ท และแผ่นป้าย

ก่อนจะเลือกคอนแทกเตอร์หรือออกแบบวงจรสตาร์ท ต้องรู้ว่ามอเตอร์ “ต้องการ” อะไรจากวงจร: ตอนสตาร์ทมันดึงกระแสเท่าไร ให้แรงบิดเท่าไร และแรงดันที่ตกลงมีผลอย่างไร หน้านี้อธิบายจากฟิสิกส์ถึงตัวเลขบนแผ่นป้าย โดยใช้มอเตอร์ 7.5 kW 4 ขั้ว 400 V 50 Hz ตัวเดียวกันทั้งชุด

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 14 ต.ค. 2569

สรุปใน 30 วินาที

กระแสสามเฟสห่างกัน 120° สร้างสนามแม่เหล็กหมุนด้วย $n_s = 120f/p$
โรเตอร์หมุนช้ากว่าเล็กน้อย สลิป $s$ 1–5 % ที่พิกัด · แรงบิดพิกัด $T = 9550P/n$
ตอนสตาร์ท ( $s = 1$ ) กระแส 6–8 In แต่แรงบิดเพียง 1.5–2.5 Tn
แรงบิดแปรตามกำลังสองของแรงดัน: แรงดันตก 10 % แรงบิดหาย 19 %
kW บนป้าย = กำลังกลที่เพลา · กระแสพิกัด $I_n = P/(\sqrt3 V \eta \cos\varphi)$ ≈ 2 A/kW ที่ 400 V

ส่วนประกอบ พื้นฐาน

มอเตอร์เหนี่ยวนำกรงกระรอก (squirrel-cage) ที่ใช้มากที่สุดในโรงงานมีสองส่วน: สเตเตอร์ แกนเหล็กแผ่นบางที่มีขดลวดสามชุดวางห่างกัน 120° ทางไฟฟ้า และ โรเตอร์ ที่เป็นแท่งอะลูมิเนียมหรือทองแดงหล่อเข้ากับแหวนลัดวงจรทั้งสองปลาย ไม่มีแปรงถ่าน ไม่มีคอมมิวเตเตอร์ จึงทนทานและบำรุงรักษาน้อย แบบที่พบบ่อยคือ TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled, รหัส IC411) มีพัดลมบนเพลาเป่าลมผ่านครีบ

รูป 1 · ส่วนประกอบมอเตอร์ TEFC: ปลายขดลวดสเตเตอร์ทั้ง 6 เส้นออกมาที่กล่องขั้ว ซึ่งเป็นจุดที่เราเลือกต่อสตาร์หรือเดลต้า

สนามแม่เหล็กหมุนและความเร็วซิงโครนัส พื้นฐาน

เมื่อป้อนกระแสสามเฟสที่ห่างกัน 120° ทางเวลา เข้าขดลวดที่วางห่างกัน 120° ทางพื้นที่ ผลรวมเวกเตอร์ของสนามทั้งสามมีขนาดคงที่เท่ากับ 1.5 เท่าของสนามสูงสุดของเฟสเดียว และ หมุน ไปรอบสเตเตอร์ด้วยความเร็วคงที่ นี่คือหัวใจของมอเตอร์ AC สามเฟส: สร้างการหมุนได้โดยไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่

รูป 2 · ที่เวลา t1 t2 t3 กระแสแต่ละเฟสต่างกัน แต่เวกเตอร์ลัพธ์ยาวเท่าเดิมและหมุนไป 60° ทุกครั้งที่ ωt เพิ่ม 60°

M1 Synchronous speed ความเร็วซิงโครนัส

n_s = \frac{120\, f}{p}\ \ \text{rpm} \qquad (p = \text{จำนวนขั้ว})

จำนวนขั้ว p	2	4	6	8
n_s ที่ 50 Hz	3000	1500	1000	750
n พิกัดโดยประมาณ	2900–2970	1440–1480	950–985	700–740
งานที่พบ	ปั๊มแรงดันสูง พัดลมเล็ก	งานทั่วไป (มากที่สุด)	พัดลมใหญ่ เครื่องบด	สายพาน รอก

สลิปและแรงบิด กลาง

สนามหมุนตัดผ่านแท่งโรเตอร์ เหนี่ยวนำแรงดันและกระแสในโรเตอร์ (กฎของฟาราเดย์) กระแสนี้อยู่ในสนามแม่เหล็กจึงเกิดแรง $F = BIL$ ผลักโรเตอร์ให้หมุนตามสนาม แต่ถ้าโรเตอร์ทันสนามพอดี การตัดเส้นแรงจะหายไป แรงบิดเป็นศูนย์ โรเตอร์จึงหมุนช้ากว่าเสมอ — ชื่อ “มอเตอร์อะซิงโครนัส”

M2 Slip สลิป

s = \frac{n_s - n}{n_s} \qquad n = n_s(1 - s)

M3 Rotor frequency ความถี่กระแสในโรเตอร์

f_r = s\, f

M4 Torque from power and speed แรงบิดจากกำลังและความเร็ว

T = \frac{P}{\omega} = \frac{60\,P}{2\pi n} \;\;\Rightarrow\;\; T\,[\text{N}{\cdot}\text{m}] = \frac{9550\, P\,[\text{kW}]}{n\,[\text{rpm}]}

ตัวอย่าง M-1

มอเตอร์ 7.5 kW 4 ขั้ว 50 Hz แผ่นป้าย 1470 rpm

M1: $n_s = 120(50)/4 = 1500$ rpm
M2: $s = (1500 - 1470)/1500 = 0.02 = 2\,\%$ · M3: $f_r = 0.02 \times 50 = 1$ Hz (กระแสโรเตอร์เปลี่ยนทิศช้ามาก)
M4: $T_n = 9550(7.5)/1470 = 48.7$ N·m — ค่านี้ใช้เทียบกับแรงบิดโหลดและแรงบิดสตาร์ท

วงจรสมมูลและการไหลของกำลัง ขั้นสูง

มอเตอร์เหนี่ยวนำคือหม้อแปลงที่ขดทุติยภูมิ (โรเตอร์) หมุนได้ เมื่ออ้างอิงค่าโรเตอร์มาด้านสเตเตอร์ จะได้วงจรต่อเฟสในรูป 3 ความต้านทานโรเตอร์ปรากฏเป็น $R_2'/s$ ซึ่งแยกเป็นการสูญเสียทองแดงโรเตอร์ $R_2'$ กับ “ตัวต้านทานโหลด” $R_2'(1-s)/s$ ที่แทนกำลังกล

รูป 3 · วงจรสมมูลต่อเฟส (แบบ Y): ตอนสตาร์ท s = 1 อิมพีแดนซ์ทั้งวงจรเหลือเพียง R₁ + R₂′ + jX — กระแสจึงสูงหลายเท่า

M5 Power split in the rotor การแบ่งกำลังในโรเตอร์

P_{ag} = 3 I_2'^2 \frac{R_2'}{s} \qquad P_{cu2} = s\,P_{ag} \qquad P_{mech} = (1 - s)\,P_{ag} \qquad T = \frac{P_{ag}}{\omega_s}

ผลสำคัญเชิงปฏิบัติ: การสูญเสียในโรเตอร์ = สลิป × กำลังช่องอากาศ มอเตอร์ที่เดินด้วยสลิปสูง (แรงดันต่ำ โหลดเกิน ต่อสตาร์ผิด) จึงร้อนทันที และการลดความเร็วด้วยการเพิ่มสลิปเป็นวิธีที่สิ้นเปลือง — ต่างจากการลดความถี่ด้วยอินเวอร์เตอร์ที่สลิปยังเล็ก

ตัวอย่าง M-2

กำลังที่ไหลผ่านโรเตอร์ของมอเตอร์ 7.5 kW s = 2 %

กำลังกลรวมแรงเสียดทานและพัดลม ≈ 7.5 + 0.1 = 7.6 kW
M5: $P_{ag} = P_{mech}/(1-s) = 7.6/0.98 = 7.76$ kW · $P_{cu2} = 0.02(7.76) = 0.155$ kW
ถ้ามอเตอร์ถูกบังคับให้เดินที่ s = 10 % ด้วยแรงบิดเท่าเดิม $P_{cu2}$ จะเพิ่มเป็นราว 0.78 kW — ความร้อนในโรเตอร์เพิ่มห้าเท่า

กราฟแรงบิด-ความเร็ว และกระแสสตาร์ท กลาง

กราฟในรูป 4 คำนวณจากวงจรสมมูลของมอเตอร์ตัวอย่าง (โรเตอร์กรงคู่ ปรับค่าให้ตรงข้อมูลแคตตาล็อกทั่วไป) จุดที่ต้องรู้จัก:

แรงบิดเริ่ม (locked-rotor torque) Ts ≈ 2.2 Tn ที่ n = 0 — ต้องมากกว่าแรงบิดเริ่มของโหลดพอสมควร
แรงบิดสูงสุด (breakdown) Tk ≈ 3 Tn ใกล้ 85–90 % ความเร็ว — ถ้าโหลดเกินจุดนี้มอเตอร์จะหยุด (stall)
ย่านทำงาน ด้านขวาของจุดแรงบิดสูงสุด กราฟเกือบเป็นเส้นตรง แรงบิดแปรตามสลิป
กระแสสตาร์ท ≈ 6.5 In แทบไม่ลดลงจนความเร็วถึง 80 % — ช่วงเร่งทั้งหมดจึงเป็นช่วงกระแสสูง

รูป 4 · เส้นสีส้ม = แรงบิดมอเตอร์ สีน้ำเงิน = กระแส (แกนขวา) สีเขียว = โหลดปั๊ม เส้นประ = โหลดแรงบิดคงที่ จุดตัดของเส้นมอเตอร์กับเส้นโหลดคือจุดทำงาน

M6 Rated current กระแสพิกัดมอเตอร์สามเฟส

I_n = \frac{P_{out}}{\sqrt{3}\,V_L\,\eta\,\cos\varphi} \qquad P_{in} = \frac{P_{out}}{\eta}

M7 Starting current กระแสสตาร์ทจากอัตราส่วนบนแผ่นป้าย

I_{st} = \left(\frac{I_a}{I_n}\right) I_n \qquad \frac{I_a}{I_n} \approx 6\text{–}8

M8 Torque versus voltage แรงบิดแปรตามกำลังสองของแรงดัน

T(s) \propto V^2 \qquad \frac{T_2}{T_1} = \left(\frac{V_2}{V_1}\right)^2 \qquad I(s) \propto V

ตัวอย่าง M-3

กระแสพิกัด กระแสสตาร์ท และผลของแรงดันตก

M6: $I_n = 7500/(\sqrt3 \times 400 \times 0.904 \times 0.82) = 7500/513.6 = 14.6$ A — ตรงกับแผ่นป้าย
$P_{in} = 7.5/0.904 = 8.30$ kW · $S = \sqrt3(400)(14.6) = 10.1$ kVA · $Q = \sqrt{10.1^2 - 8.30^2} = 5.8$ kvar
M7: $I_{st} = 6.5 \times 14.6 = 95$ A ถ้าสตาร์ทตรง
M8: ถ้าแรงดันขณะสตาร์ทตกเหลือ 90 % แรงบิดเริ่ม $2.2 \times 0.9^2 = 1.78$ Tn และกระแส $95 \times 0.9 = 86$ A

อ่านแผ่นป้ายมอเตอร์ พื้นฐาน

รูป 5 · แผ่นป้ายตัวอย่าง: สองบรรทัดแรงดัน “400 V Δ / 690 V Y” บอกว่าในระบบ 400 V ต้องต่อเดลต้า และสตาร์-เดลต้าสตาร์ทได้

ช่อง	ความหมาย	ใช้ทำอะไร
400 V Δ 14.6 A / 690 V Y 8.4 A	แรงดันและกระแสพิกัดของแต่ละการต่อ	เลือกการต่อขั้ว ตั้งโอเวอร์โหลด
7.5 kW · 1470 r/min · 50 Hz	กำลังกลที่เพลา ความเร็วที่โหลดพิกัด	หาแรงบิดพิกัด สลิป
cos φ 0.82 · IE3 90.4 %	ตัวประกอบกำลัง ประสิทธิภาพที่พิกัด	คำนวณกระแส kVA ค่าไฟ การชดเชย PF
IP55	กันฝุ่น (5) และน้ำฉีด (5) ตาม IEC 60034-5	เลือกให้เหมาะกับสถานที่ (IP55 งานทั่วไป, IP56/66 ล้างน้ำ)
IC411	ระบายความร้อนด้วยพัดลมบนเพลา (TEFC)	ระวังเมื่อใช้อินเวอร์เตอร์ความเร็วต่ำ
Ins.cl. F · ΔT B	ฉนวนทนได้ 155 °C แต่ใช้งานจริงร้อนไม่เกินคลาส B (130 °C)	มีส่วนเผื่ออายุฉนวน
S1 · Ta 40 °C	ใช้งานต่อเนื่อง อุณหภูมิแวดล้อมไม่เกิน 40 °C · สูงไม่เกิน 1000 m	ห้องเครื่องที่ร้อนกว่า 40 °C ต้องลดพิกัด
Ia/In 6.5 · Ta/Tn 2.2 · Tk/Tn 3.0	อัตราส่วนกระแสสตาร์ท แรงบิดสตาร์ท แรงบิดสูงสุด	คำนวณกระแสสตาร์ท แรงดันตก ความสามารถในการเร่ง

ประสิทธิภาพ IE1–IE4 และเหตุที่ควรเลือก IE3 ขึ้นไป กลาง

IEC 60034-30-1 แบ่งคลาสประสิทธิภาพ IE1 (มาตรฐาน) IE2 (สูง) IE3 (พรีเมียม) IE4 (ซูเปอร์พรีเมียม) หลายประเทศกำหนดค่าขั้นต่ำ (MEPS) ที่ IE2 หรือ IE3 ค่าไฟตลอดอายุมอเตอร์มักมากกว่าราคามอเตอร์หลายสิบเท่า ส่วนต่างประสิทธิภาพเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์จึงคุ้มค่า

4 ขั้ว 50 Hz	IE1	IE2	IE3	IE4
7.5 kW	86.0 %	88.7 %	90.4 %	92.6 %
11 kW	87.6 %	89.8 %	91.4 %	93.3 %

ตัวอย่าง M-4

เปลี่ยน IE1 เป็น IE3 สำหรับปั๊ม 7.5 kW เดิน 6,000 ชม./ปี ค่าไฟ 4.5 บาท/kWh

$P_{in,IE1} = 7.5/0.860 = 8.72$ kW · $P_{in,IE3} = 7.5/0.904 = 8.30$ kW
ลดลง 0.42 kW × 6000 h = 2,520 kWh/ปี ≈ 11,300 บาท/ปี
ข้อควรระวัง: มอเตอร์ IE3/IE4 มีกระแสพุ่งขณะสตาร์ทสูงกว่าเดิม จึงมีประเภทการใช้งาน AC-3e ใน IEC 60947-4-1 สำหรับคอนแทกเตอร์

สิ่งที่ช่างต้องจำหน้างาน

ดูแผ่นป้ายก่อนต่อทุกครั้ง: แรงดันกับการต่อ (Δ/Y) ต้องตรงกับระบบ 400 V
กระแสขณะเดินตัวเปล่า (no-load) ของมอเตอร์ 4 ขั้วประมาณ 30–50 % ของ In — ไม่ได้แปลว่ามอเตอร์ผิดปกติ
วัดกระแสทั้งสามเฟส ความต่างเกิน ~10 % ให้ตรวจแรงดันไม่สมดุล หน้าสัมผัสคอนแทกเตอร์ และขั้วต่อหลวม
มอเตอร์ทำงานปกติร้อนจนจับไม่ได้ (60–80 °C ที่โครง) เป็นเรื่องปกติของคลาส F วัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์แทนการจับ

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมมอเตอร์เหนี่ยวนำหมุนช้ากว่าความเร็วซิงโครนัส?

แรงบิดเกิดจากกระแสที่ถูกเหนี่ยวนำในโรเตอร์ ซึ่งต้องมีการตัดกันระหว่างสนามหมุนกับตัวนำโรเตอร์ ถ้าโรเตอร์หมุนเท่าสนามพอดี จะไม่มีการตัดเส้นแรง ไม่มีกระแส ไม่มีแรงบิด จึงต้องช้ากว่าเสมอ ส่วนต่างนี้คือสลิป ประมาณ 1–5 % ที่โหลดพิกัด

กระแสสตาร์ทสูงทำไมแต่มอเตอร์ไม่ไหม้?

กระแสสูงอยู่เพียงช่วงเร่งความเร็วไม่กี่วินาที ความร้อนสะสมตาม I²t ยังน้อยกว่าที่ฉนวนรับได้ แต่ถ้าโรเตอร์ถูกล็อกหรือเร่งช้าเกิน (โหลดเฉื่อยมาก แรงดันตก) ความร้อนจะสูงจนต้องอาศัยโอเวอร์โหลดคลาสที่เหมาะสมตัดก่อน

กำลังบนแผ่นป้ายเป็นกำลังไฟฟ้าหรือกำลังกล?

เป็นกำลังกลที่เพลา (output) ตาม IEC 60034-1 กำลังไฟฟ้าที่ดึงจากระบบมากกว่านี้เท่ากับ P/η เช่น 7.5 kW ประสิทธิภาพ 90.4 % ดึงไฟ 8.3 kW

อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ
อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์