อุปกรณ์ควบคุมมอเตอร์

ประมาณ 45% ของการบริโภคพลังงานโลกของเราเกิดขึ้นจากการใช้งานมอเตอร์ (คณะทำงานเพื่อการใช้พลังงานที่ยั่งยืน (World Energy Council) : รายงานสรุปการสำรวจ ปี 2013) มอเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่หิวโหยพลังงานแต่ก็เป็นส่วนหนึ่งในชีวิตประจำวันที่เราจะขาดไปไม่ได้ และยังพบได้ทุกหนทุกแห่ง ตั้งแต่รูปแบบการใช้งานในที่พักอาศัยขนาดเล็ก เช่น เครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์ภายในบ้าน ตลอดจนรถยนต์พลังงานไฟฟ้า และรถไฟในภาคการขนส่ง ไปจนถึงมอเตอร์ระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่สุดสำหรับการขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่งและมอเตอร์ที่ใช้ในเขื่อนกักเก็บน้ำ

นับตั้งแต่การปฏิวัติอุตสาหกรรม เราประหยัดเวลาและลดการใช้แรงงานลงได้ด้วยอุปกรณ์พลังงานไฟฟ้าใดๆ ก็ตามที่เราสามารถสร้างสรรค์ให้มีมอเตอร์ได้ อุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้าจำนวนมหาศาลทำให้ชีวิตความเป็นอยู่ของเราง่ายขึ้น และสะดวกมากขึ้นรวมถึงสถานที่ทำงานของเราก็มีประสิทธิภาพมากขึ้นและทำกำไรได้มากขึ้น แต่เราหลงลืมสิ่งที่ต้องชดเชยไปหรือเปล่า

มอเตอร์จอมเขมือบพลังงานกับสิ่งแวดล้อม

โลกสมัยใหม่ของเราที่ผลาญน้ำมันเชื้อเพลิงมากมายกำลังตกอยู่ท่ามกลางความหวาดกลัวเกี่ยวกับระบบนิเวศและสภาพแวดล้อม โรงงานผลิตสินค้าหลายแห่งที่ขับเคลื่อนด้วยด้วยมอเตอร์ต้องเผชิญความท้าทายที่กำลังจะเกิดขึ้นในไม่ช้า แหล่งพลังงานหมุนเวียนสร้างทางเลือกให้เราได้ไม่มากนัก ปัญหาทวีความรุนแรงมากขึ้นเนื่องจากความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นของการพัฒนาเศรษฐกิจที่กำลังเจริญเติบโตทั้งในแอฟริกา เอเชีย และอเมริกาใต้ ควบคู่ไปกับจำนวนประชากรโลกที่เพิ่มตัวเลขขึ้นอย่างรวดเร็ว
เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่รัฐบาลของประเทศทั่วโลกได้หันมาใส่ใจจัดตั้งมาตรการทางกฎหมายเพื่อลดปริมาณการใช้พลังงาน แต่กฎหมายเหล่านี้เป็นเพียงจุดเริ่มต้นที่ต้องดำเนินการให้เพิ่มมากขึ้น นอกจากนี้ ผู้บริโภครายย่อยได้ก้าวไกลอย่างชาญฉลาดมากขึ้นและเรียกร้องผลิตภัณฑ์ที่ใช้พลังงานต่ำอย่างต่อเนื่อง เช่นเดียวกันกับผู้บริโภคระดับอุตสาหกรรมก็ต้องการลงทุนกับอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วย

การสร้างมอเตอร์ให้มีขนาดที่เล็กลง

นอกเหนือไปจากการลดการใช้พลังงาน วิศวกรจำนวนมากยังถูกท้าทายด้วยการบีบดัดขนาดของมอเตอร์ ไดร์ฟ และอุปกรณ์ควบคุมของพวกเขาให้ได้สัดส่วนที่มีขนาดเล็กลง เครื่องซักผ้าที่มีคุณสมบัติขนาดแกนหมุนที่ใหญ่ขึ้น สร้างจุดขายที่มีมูลค่าเพิ่มดึงดูดความสนใจของลูกค้า แต่นั่นยังจำเป็นต้องอยู่ภายใต้ขนาดมาตรฐานที่กำหนดขึ้น ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ลดขนาดเล็กลงก่อให้เกิดปัญหาการจัดการระบายความร้อน และนี่เพิ่มความท้าทายด้านการออกแบบให้กับเหล่าวิศวกร การเพิ่มกลไกระบายความร้อนมีแต่จะเพิ่มการใช้พลังงาน ดังนั้นตัวมอเตอร์เองจำเป็นต้องได้รับการสร้างสรรค์ทางวิศวกรรมในระดับประสิทธิภาพที่ดีขึ้น เพื่อลดความร้อนที่เกิดขึ้นตั้งแต่แรก

มอเตอร์วงจรเปิดและมอเตอร์วงจรปิด

เพื่ออธิบายอุปกรณ์นี้ในรูปแบบพื้นฐานและเข้าใจได้ง่ายที่สุด ระบบวงจรเปิดจะไม่ทำงานในรูปแบบการแสดงผลตอบกลับ มอเตอร์จะถูกควบคุมความเร็วตามการตั้งค่าที่แตกต่างกันออกไปตามสภาพของโหลดการทำงานรูปแบบต่างๆ

ระบบวงจรปิดจะทำงานในรูปแบบการแสดงผลตอบกลับโดยส่งกลับข้อมูลไปยังขั้นตอนอินพุตเพื่อปรับการทำงานของตัวเอง ดังนั้นเมื่อการควบคุมความเร็วถึงจุดที่ตั้งค่าและโหลดการทำงานเปลี่ยนแปลง อุปกรณ์ควบคุมจะปรับความเร็วให้ลดลงเท่ากับจุดที่ตั้งไว้ ตัวอย่างที่ดีของการทำงานรูปแบบนี้ ได้แก่ มอเตอร์แสดงตำแหน่งบนกล้องส่องทางไกลซึ่งจะปรับตัวเองอย่างสม่ำเสมอตัวให้ทำประสานกับรูปแบบที่กำหนด

มอเตอร์ดีซีแบบไร้แปรงถ่าน (Brushless DC Mothers - BLDC)

ในปัจจุบันอุปกรณ์มากมายต่างติดตั้งมอเตอร์ดีซีแบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) เพื่อการใช้งานควบคุมการเคลื่อนไหวและมีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์จ่ายพลังงานแบบไร้สายและจักรยานไฟฟ้าไปจนถึง "โดรน" ที่ควบคุมได้จากระยะไกล แต่โซลูชันของ BLDC ก็จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความซับซ้อนมากกว่าตัวเลือกมอเตอร์แบบแปรงถ่าน ซึ่งมอเตอร์เหล่านี้ให้ประสิทธิภาพที่ดีในการทำงานได้มากมาย เช่น ประสิทธิภาพที่สูงกว่า รวมถึงกระแสไฟฟ้าที่หนาแน่นสูงกว่า ทำให้มอเตอร์รุ่นใหม่มีขนาดเล็กลงมาก น้ำหนักเบากว่า และราคาไม่แพงเมื่อต้องซื้อหามาใช้งาน ในขณะเดียวกันยังสึกหรอและชำรุดได้น้อยกว่าด้วย ซึ่งทำให้มีความน่าเชื่อถือมากขึ้นและมีอายุการใช้งานที่ยาวนานยิ่งขึ้น ทั้งขจัดความจำเป็นในการซ่อมบำรุงได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ มอเตอร์ BLDC ยังทำงานเงียบ มีการรบกวนทางไฟฟ้าที่น้อยกว่ามอเตอร์แบบแปรงถ่าน

มอเตอร์ชนิดนี้ยังรู้จักกันในนามมอเตอร์จัดแปลงกระแสไฟฟ้าโดยระบบอิเลกโตรนิก (Electronically Commutated Motor - ECM) ซึ่งเป็นมอเตอร์ BLDC ประเภทหนึ่ง มีสเตเตอร์สามเฟสที่รักษาให้แกนหมุนอย่างต่อเนื่องด้วยแบบแผนการควบคุมกระแสไฟฟ้าที่ทำงานประสานกับวงจรอินเวอร์เตอร์แบบสามเฟส วงจรประเภทนี้จะสลับกระแสไฟฟ้าในขดลวดสเตเตอร์อย่างต่อเนื่องเพื่อซิงค์กับตำแหน่งการหมุนซึ่งสามารถตรวจสอบได้ด้วยอุปกรณ์เซ็นเซอร์ต่างๆ หรือด้วยการคำนวณย้อนกลับตามหลักแรงเคลื่อนไฟฟ้า (Electromotive Force - EMF) ณ ขณะที่เจาะจง ฟลั๊กซ์ที่เกิดขึ้นในสเตเตอร์พร้อมกับฟลั๊กซ์ของแกนหมุนจะเป็นตัวกำหนดแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์ดังกล่าว

เมื่อทำการออกแบบการใช้งานมอเตอร์ BLDC วิศวกรสามารถเลือกได้ระหว่างการใช้ชิ้นส่วนที่ประกอบด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบแยกส่วนหรือเซมิคอนดักเตอร์แบบในตัวที่รวบรวมไดรฟ์สำคัญๆ มากมายและฟังก์ชันการใช้งานการควบคุมเข้าไว้ด้วยกันในอุปกรณ์เพียงชิ้นเดียว

ดูข้อมูลเชิงลึกในสมุดปกขาวของ Infineon เรื่อง Power Loss and Optimised MOSFET Selection in BLDC Motor Inverter Designs ซึ่งคุณสามารถอ่านข้อมูลนี้ได้ที่ DesignSpark

โปรดอ่านเพิ่มเติมเพื่อทำความรู้จักมอเตอร์ประเภทต่างๆ ทั้งมอเตอร์ดีซีแบบแปรงถ่าน รวมถึงมอเตอร์เอซี

ผลิตภัณฑ์แนะนำสำหรับอุปกรณ์ควบคุมมอเตอร์

ประเภทมอเตอร์

มอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้งานอยู่ทั่วไปจะใช้สนามแม่เหล็กในการสร้างการเคลื่อนไหว ซึ่งแบ่งมอเตอร์ได้เป็นสองประเภทหลักๆ คือประเภท AC (กระแสสลับ) และ DC (กระแสตรง)

มอเตอร์ DC เป็นมอเตอร์ที่คิดค้นขึ้นเป็นประเภทแรก และเป็นมอเตอร์ที่มีรูปแบบการทำงานที่ง่ายที่สุด มอเตอร์ DC ขับเคลื่อนด้วยการส่งผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำไฟฟ้าภายในสนามแม่เหล็กเพื่อสร้างแรงบิดด้วยการหมุน มอเตอร์ DC ที่พบได้ส่วนใหญ่ ได้แก่ DC แบบแปรงถ่าน และ DC แบบไร้แปรงถ่าน ซึ่งมอเตอร์แบบแปรงถ่านจะสร้างพลังงานด้วยการเชื่อมต่อขั้วตรงข้ามของแหล่งพลังไฟฟ้า เพื่อส่งต่อประจุลบและประจุบวกไปยังคอมมิวเต

เตอร์เมื่อส่วนนี้สัมผัสกับแปรงถ่านต่างๆ

จากชื่อของมอเตอร์ชนิดนี้ มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านจะไม่มีอุปกรณ์แปรงถ่าน แต่จะมี่แม่เหล็กชนิดถาวรติดตั้งอยู่รอบๆ มอเตอร์ ซึ่งขจัดความต้องการใช้งานคอมมิวเตเตอร์และการเชื่อมต่ออื่นๆ รวมถึงอุปกรณ์แปรงถ่านเองด้วย มอเตอร์แบบแปรงถ่านถึงใช้งานง่ายและมีราคาประหยัด แต่ต้องการบำรุงรักษามากกว่า เนื่องจากแปรงถ่านเหล่านี้ต้องการการทำความสะอาดและชิ้นส่วนเป็นประจำ ในทางตรงข้ามมอเตอร์แบบแปรงถ่านมีความแม่นยำมากกว่าสำหรับการใช้งานที่จำเป็นต้องกำหนดตำแหน่งการควบคุมที่แน่นอน และยังต้องการการซ่อมบำรุงเพียงน้อยนิดหรืออาจไม่ต้องการเลย มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านมีราคาค่อนข้างสูง เนื่องจากต้นทุนในการผลิตและจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ควบคุมซึ่งอาจมีค่าใช้จ่ายที่มากกว่าตัวมอเตอร์เอง
มอเตอร์ AC ยังสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทหลักๆ ได้แก่ แบบเหนี่ยวนำ และ แบบซิงโครนัส แต่ยังมีประเภทที่สามที่พบได้ไม่บ่อยนัก ซึ่งก็คือ

มอเตอร์ AC แบบเชิงเส้น

ส่วนประกอบพื้นฐานของมอเตอร์ AC มีอยู่สองส่วนหลัก ได้แก่ ส่วนด้านนอกของมอเตอร์ที่เรียกว่า สเตเตอร์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของมอเตอร์ที่ไม่เคลื่อนไหวซึ่งติดตั้งมาพร้อมคอยล์ขดลวดที่ทำงานด้วยไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนอยู่ตลอดเวลา ส่วนภายในที่เรียกว่า โรเตอร์ เชื่อมต่อกับเพลาซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนต่อเนื่องอีกชุดหนึ่ง มอเตอร์แบบเชิงเส้นมีหลักการทำงานคล้ายกับมอเตอร์แบบหมุน แต่จะสร้างกระแสไฟฟ้าด้วยส่วนที่เคลื่อนไหวและส่วนที่ไม่เคลื่อนไหวในลักษณะเส้นตรง มอเตอร์ประเภทนี้จึงผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยการเคลื่อนที่แบบเชิงเส้น

แทนที่จะใช้การหมุน

มอเตอร์เหนี่ยวนำ ที่เรียกแบบนี้เนื่องจากแรงบิดที่เกิดจากรูปแบบการสร้างกระแสไฟฟ้าด้วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ทั่วไปเรียกว่ามอเตอร์ชนิดนี้ว่า มอเตอร์เหนี่ยวนำโรเตอร์แบบกรงกระรอก หรือมอเตอร์โรเตอร์แบบขดลวด
ซิงโครนัสมอเตอร์ แตกต่างจากมอเตอร์เหนี่ยวนำในรูปแบบการทำงานที่มีการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำด้วยความถี่ของสัญญาณ ส่วนมอเตอร์เหนี่ยวนำอาศัยกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำสร้างสนามแม่เหล็กและต้องอาศัย 'การสลิป' (การหมุนที่ช้ากว่าเล็กน้อย) เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าที่เพียงพอ

สิ่งที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกมอเตอร์

เมื่อต้องเลือกมอเตอร์ สิ่งที่ต้องใส่ใจเกี่ยวกับคุณสมบัติที่สำคัญมีมากมาย ได้แก่