คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า

คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.1 แม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ นายคมสัน กลางแท่น วิชา เครื่องกลไฟฟ้า 1 ชุดการสอนวิชาเครื่องกลไฟฟ้า 1 (30104-2003) สำหรับนักศึกษาระดับประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง ตามหลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง พ.ศ. 2563

3.1 .แม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ อำนาจแม่เหล็กไม่สามารถมองเห็นด้วยตา ซึ่งเปรียบเทียบได้กับกระแสไฟฟ้าถึงแม้ว่าจะ มีอนุภาคมากแต่ไม่สามารถมองเห็นด้วยตา อำนาจแม่เหล็กก็เช่นเดียวกัน เรามองไม่เห็นแต่ สามารถรู้ได้ด้วยความรู้สึกอำนาจแม่เหล็กวิ่งออกจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่ง คุณสมบัติอัน หนึ่งของเส้นแรงแม่เหล็กคือเส้นแรงแม่เหล็กแต่ละเส้นจะผลักกันจะมีเส้นแรงตัดกัน หรือ รวมกันเป็นเส้นเดียวและไม่มีฉนวนใดในโลกที่กั้นเส้นแรงแม่เหล็กได้ เส้นแรงแม่เหล็กจะวิ่ง ผ่านวัตถุได้ทุกชนิดซึ่งแตกต่างกันตรงที่วัตถุบางชนิดเส้นแรงแม่เหล็กผ่านได้ยากและบาง ชนิดเส้นแรงแม่เหล็กผ่านได้ง่าย ซึ่งวัตถุที่เส้นแรงแม่เหล็กผ่านได้ยากแสดงว่าวัตถุนั้นเฉื่อย เส้นแรงแม่เหล็กจะเดินในทางที่มีความต้านทานแม่เหล็กต่ำ และเนื่องจากอากาศมีความ ต้านทานแม่เหล็กสูงกว่าเหล็ก ดังนั้นเส้นแรงแม่เหล็กจะเดินทางผ่านแม่เหล็กได้ง่ายกว่า อากาศ ด้วยเหตุนี้ จึงทำให้ความเข้มของสนามแม่เหล็กในเหล็กมีมากกว่าในอากาศ

3.1.1 แม่เหล็ก (Magnet) 3.1.1.1 แม่เหล็ก คือ แท่งเหล็กที่สามารถดูดเหล็กได้ 1. เหล็กเป็นสารแม่เหล็ก (Magnetic substance) 2. สารแม่เหล็กทุกชนิด มีโมเลกุลทุกโมเลกุลเป็นแม่เหล็กในตัวเองอยู่แล้วด้วยกันทั้ง นั้นที่อยู่ในสภาพเป็นกลาง ไม่แสดงอำนาจแม่เหล็กออกมาให้เป็น เนื่องจากโมเลกุลเหล่า นี้ไม่ได้เรียงตัวกันอยู่อย่างเป็นระเบียบเรียบร้อย แต่จะจับคู่กันเป็นกลุ่มๆ เรียกว่า “Closed magnetic chine” กล่าวคือขั้วเหนือมิได้ชี้ที่เหนือและขั้วใต้มิได้ชี้ที่ใต้ โมเลกุลของสารแม่เหล็กจับ คู่กันเป็นกลุ่มๆ ไม่เรียงกัน

3.1.1 แม่เหล็ก (Magnet) 3.1.1.1 แม่เหล็ก คือ แท่งเหล็กที่สามารถดูดเหล็กได้ 3. สารแม่เหล็กจะเป็นแม่เหล็กได้ก็ต่อเมื่อทำให้โมเลกุลเหล่านี้เกิดการเรียงตัวกันขึ้น ขั้วเหนือชี้ขั้วเหนือ และขั้วใต้ชี้ขั้วใต้ สารแม่เหล็กจะเป็นแม่เหล็ก ก็ต่อเมื่ อทำให้โมเลกุลเกิด การเรียงตัว 4. การทำสารแม่เหล็กให้เป็นแม่เหล็ก ด้วยการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดที่พันอยู่ บนแกนเหล็กเรียกแม่เหล็กลักษณะนี้ว่า แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnet)

3.1.1 แม่เหล็ก (Magnet) 3.1.1.2 สนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก สนามแม่เหล็ก (magnetic field) คือ บริเวณรอบๆแท่งแม่เหล็กที่ครอบคลุมไป ด้วยเส้นแรงแม่เหล็กหรือบริเวณที่มีเส้นแรงแม่เหล็กไหลผ่านนั่นเอง สนามแม่เหล็กของ แท่งแม่เหล็ก

3.1.1 แม่เหล็ก (Magnet) 3.1.1.2 สนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก 1. แท่งแม่เหล็ก (Bar magnet) ประกอบด้วยขั้วแม่เหล็ก 2 ขั้ว (1คู่ขั้ว) เสมอ คือ ขั้วเหนือ (N) และขั้วใต้(S) แท่งแม่เหล็กประกอบ ด้วยขั้วแม่เหล็ก 2 ขั้ว (1คู่ขั้ว) เสมอ 2. เมื่อตัดแบ่งแท่งแม่เหล็กออกเป็นส่วนๆแท่งแม่เหล็กจะเป็นแท่งแม่เหล็กเล็กๆ ประกอบด้วยขั้วแม่เหล็ก 2 ขั้ว (1คู่ขั้ว) เสมอเช่นเดียวกับ ดังรูป

3.1.1 แม่เหล็ก (Magnet) 3.1.1.2 สนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก 3. เส้นแรงแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก เป็นเส้นตรงพุ่งออกจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ และจาก ขั้วใต้ พุ่งย้อนกลับภายในแท่งมายังขั้วเหนือ 4. แท่งแม่เหล็กที่ขั้วเหมือนกันจะผลักกัน และขั้วต่างกันจะดูดกัน แท่งแม่เหล็กที่มีขั้วเหมือน กันจะผลักกัน และมีขั้วต่าง กันจะดูดกัน 5.เส้นแรงแม่เหล็กมีคุณสมบัติเป็นเส้นตรง ดังนั้น การดูดและการผลักของแท่งแม่ เหล็กก็คือการที่เส้นแรงแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กเป็นเส้นตรง (เส้นที่สั้นที่สุดนั่นเอง)

3.1.2 แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnet) 3.1.2.1 สนามแม่เหล็กของตัวนำเส้นตรง เมื่ อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำที่เป็นเส้นตรงจะให้กำเนิดเส้นแรงแม่เหล็กล้อมรอบ ตัวนำทิศทางตั้งฉากกับกระแสไฟฟ้านั้น สนามแม่เหล็กของตัวนำ เส้นตรงที่ให้กระแสไฟฟ้า ไหลผ่าน

3.1.2 แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnet) 3.1.2.1 สนามแม่เหล็กของตัวนำเส้นตรง 1. กฎหัวแม่มือขวา ให้กำตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านด้วยมือขวา นิ้วหัวแม่มือแทน ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าในตัวนำ นิ้วทั้งสี่ที่เหลือจะเป็นทิศทางของเส้นแรงแม่ เหล็กที่ล้อมรอบตัวนำนั้น การใช้กฎมือขวาของตัวนำ หาทิศของแรงแม่เหล็กที่ เกิดขึ้นรอบๆเส้นลวดตัวนำ

3.1.2 แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnet) 3.1.2.1 สนามแม่เหล็กของตัวนำเส้นตรง 2. กฎมือขวาของสกรู ให้เคลื่อนที่สกรูที่มีเกลียวไปทางขวาไปข้างหน้าตามทิศทางการ ไหลของกระแสไฟฟ้าในตัวนำ ทิศทางการหมุนของเกลียวจะเป็นทิศทางของสนามแม่ เหล็กที่ล้อมรอบตัวนำนั้น สนามแม่เหล็กของตัวนำเส้น ตรงที่ให้กระแสไฟฟ้าไหล ผ่านตามกฎมือขวาของสกรู

3.1.2 แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnet) 3.1.2.2 สนามแม่เหล็กของตัวนำที่วางไว้ใกล้กัน 1. ตัวนำสองเส้นที่ให้กระแสไฟฟ้าไหลทางเดียวกัน เส้นแรงแม่เหล็กที่ล้อมรอบตัวนำทั้ง สองจะทำให้มีแรงดูดตัวนำเข้าหากัน ดังรูป ตัวนำ (เส้นตรง) สองเส้นที่ ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเมื่ อ นำมาวางไกล้กันจะให้แรง ดูดและแรงผลักกัน

3.1.2 แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnet) 3.1.2.2 สนามแม่เหล็กของตัวนำที่วางไว้ใกล้กัน 2. ตัวนำสองเส้นที่ให้กระแสไฟฟ้าไหลสวนทางกัน เส้นแรงแม่เหล็กที่ล้อมรอบตัวนำทั้ง สองจะทำให้มีแรงผลักตัวนำออกจากกัน ดังรูป ก) มีกระแสไหลผ่านไปในทิศทางเดียวกัน จะเกิดแรงดูดซึ่งกันและกัน ข) มีกระแสไหลผ่านไปในทิศทางตรงกัน ข้าม จะเกิดแรงผลักซึ่งกันและกัน

3.1.2 แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnet) 3.1.2.3 แรงดูดและแรงผลักต่อกันระหว่างตัวนำ แรงดูดและแรงผลักต้อกันระหว่างตัวนำทั้งสองที่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน คำนวณได้ จากสมการต่อไปนี้







3.1.2 แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnet) 3.1.2.4 สนามแม่เหล็กของขดลวดโซลีนอยด์ เมื่อต่อปลายทั้งสองของขดลวดโซลีนอยด์ (Solenoid) : ตัวนำเส้นตรงที่นำมาพันรอบ แท่ง วัสดุกลมหลายๆ รอบทำให้เป็นขด เรียกขดลวดโซลีนอยด์หรือขดลวด เข้ากับแหล่ง ต้นกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ขณะที่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด จะให้กำเนิดเส้นแรงแม่ เหล็กล้อมรอบขดรวดในทิศทางที่เป็นไปตามกฎหัวแม่มือขวา ดังรูป

การหาทิศทางของสนามแม่เหล็กล้อมรอบขดลวด ให้กำมือแทนแกนของขดลวดด้วยมือขวา กำหนดให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ทิศทางของการพันขดลวด้วยนิ้วมือทั้งสี่ แล้วกางนิ้วหัวแม่มือตั้งฉากออก เพื่ อแทนทิศทางของสนามแม่เหล็กหรือเส้นแรงแม่เหล็ก - ขดลวดทางด้านที่เส้นแรงแม่เหล็กพุ่งออกเป็นขั้วเหนือ : N - ขดลวดทางด้านที่เส้นแรงแม่เหล็กพุ่งเข้ามาขั้วใต้ : S

3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits)

3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) วงจรแม่เหล็ก เมื่อต่อขดลวดที่พันอยู่บนแกนเหล็กเข้ากับแหล่งต้นกำเนิด พลังงานไฟฟ้า กระแสตรงที่ไหลในขดลวดจะให้กำเนิดเส้นแรงแม่เหล็กไหลในแกน เหล็กตามทิศทางที่หาได้ตามกฎ หัวแม่มือขวาและคำนวณได้ตามกฎของ Ω เช่น เดียวกับวงจร R = ความต้านทานจองวงจรแม่เหล็ก (magnetic resistance: reluctance) หน่วย (Ampere turn/Weber: At/Wb = A/Vs

3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) 3.1.3.1 แรงดันแม่เหล็ก แรงดันแม่เหล็กในวงจรแม่เหล็กเปรียบเหมือนแรงดันไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้าซึ่ง ทำหน้าที่สร้าง เส้นแรงแม่เหล็ก โดยมีค่าคำนวณได้ตามสมการ F = NxI เมื่อ F = เป็นค่าแรงดันแม่เหล็ก (At, แอมแปร์-รอบ) N = จำนวนรอบขอบขดลวดที่พันบนแกนเหล็กหน่วยรอบ (turns) I = กระแสไฟฟ้าที่ไหลในขดลวด หน่วย แอมป์ (Ampere : A)





3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) 3.1.3.2 ความต้านทานของวงจรแม่เหล็ก ความต้านทานของวงจรแม่เหล็กต่อการไหลของเส้นแรงแม่เหล็กในวงจรแม่ เหล็ก คำนวณได้ตามสมการต่อไปนี้

3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) 3.1.3.3 ความซาบซึมได้ (Permeability: μ)





3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) 3.1.3.4 สมการไฟฟ้าของความต้านทานวงจรแม่เหล็ก

3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) 3.1.3.5 เส้นแรงแม่เหล็กที่ให้กำเนิดในวงจรแม่เหล็ก



3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) 1.3.6 ความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็ก (Flux Density)







3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) 1.3.7 ความเข้มของสนามแม่เหล็ก (Field Intensity หรือ Magnetizing Force)

เมื่อให้ H = ความเข้มของสนามแม่เหล็ก (At/m) F = แรงดันแม่เหล็ก(At) N = จำนวนรอบของขดลวด (รอบ) I = กระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านขดลวด(A) l = ความยาวของวงจรแม่เหล็ก (วัสดุแม่เหล็ก) หน่วย (m) d = เส้นผ่านศูนย์กลาง

3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) 3.1.3.8 สมการไฟฟ้าของความซาบซึมได้ ความซาบซึมได้ของสมการแม่เหล็กใด ๆ จะแปรผันโดยตรงกับความหนาแน่นของ เส้นแรงแม่เหล็กและแปรผกผันกับความเข้มของสนามแม่เหล็ก ตามสมการต่อไปนี้















3.1.3 วงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuits) 3.1.3.9 การฟอิ่มตัวของวงจรแม่เหล็ก (Saturation หรือ Magnetization Curve : B-H Curve) สนามแม่เหล็กที่ให้กำเนิดในวงจรแม่เหล็กจะแปรผันโดยตรงกับกระแสไฟฟ้า ที่ให้ไหล ผ่านขดลวดสนามแม่เหล็ก กล่าวคือเมื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้า แรงดันแม่เหล็ก (m.m.f.) จะ เพิ่มขึ้นส่งผลให้เส้นแรงแม่เหล็กในวงจรแม่เหล็กเพิ่มขึ้นด้วย ความสัมพันธ์ต่อกันระหว่าง เส้นแรงแม่เหล็กต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ [ความหนาแน่นเส้นแรงแม่เหล็ก : B (T)] กับแรง ดันแม่เหล็กต่อหนึ่งหน่วยความยาวของวงจรแม่เหล็ก [ความเข้มของสนามแม่เหล็ก : H (A/m)] เขียนเป็นกราฟจะได้กราฟ B-H Curve ตามรูปในหน้าถัดไป

เส้นโค้ง (B – H) หรือเส้นโค้งแรงแม่เหล็ก ด้วยเหตุนี้การเพิ่มขึ้นของเส้นแรงแม่เหล็ก (Magnetization curve) ของสารแม่เหล็กธรรมดา (ในวงจรแม่เหล็ก) ตามการเพิ่มขึ้นของกระแส ไฟฟ้า(ในขดลวดสนามแม่เหล็ก) นั้น เป็นไป เพียงหนึ่งชั่วขณะเท่านั้น จนกระทั่งถึงจุดอิ่มตัว S แล้ว เส้นแรงแม่เหล็กจะไม่เพิ่มขึ้นอีกต่อไป (เพิ่มในอัตราที่น้อยมากๆ) ถึงแม้ว่าจะเพิ่ม กระแสไฟฟ้าไปจนขดลวดไหม้ก็ตาม กราฟเริ่ม ต้นจะเป็นเส้นตรง ภายหลังจุด S แล้ว กราฟจะ บิดเบน โค้งงอ หรือ หักเหเล็กน้อย และคงที่ ตลอดไปกราฟ B-H Curve นี้ก็คือกราฟอิ่มตัว (saturation หรือ magnetization curve) ของวงจรแม่เหล็กนั่นเอง

ความสามารถในการทำวัสดุแม่เหล็กชนิดต่างๆ ของวงจรแม่เหล็กให้เป็นแม่เหล็กแสดงด้วย กราฟแม่เหล็กอิ่มตัว ดังรูป กราฟแม่เหล็กอิ่มตัวของวัสดุแม่เหล็กชนิดต่างๆ