คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า

คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.2 โครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้า นายคมสัน กลางแท่น วิชา เครื่องกลไฟฟ้า 1 ชุดการสอนวิชาเครื่องกลไฟฟ้า 1 (3104-2002) สำหรับนักศึกษาระดับประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง ตามหลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง พ.ศ. 2563

3.2 โครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.2.1 แกนเหล็กของหม้อแปลงไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้าแบ่งเป็นชนิดใหญ่ๆ ได้ 3 ชนิด โดยพิจารณาจากลักษณะของการวางหรือการจัดรูปแบบของแกนหลักแบ่งได้ ดังนี้ 1) แบบคอร์ (Core Type) เป็นแบบที่มีวงจรแม่เหล็กวงจรเดียว 2) แบบเชลล์ (Shell Type) เป็นแบบที่มีวงจรแม่เหล็ก 2 วง 3) แบบเบอร์รี่ (Berry Type) เป็นแบบวงจรแม่เหล็กที่มีวงจรกระจาย (Distributed) ออกไป โดยรอบ

Core Type แบบคอร์ (Core Type) นั้นครึ่งหนึ่งของขดลวดทาง Primary และ Secondary พันไว้รอบขาแต่ละข้างของ แกนเหล็ก การพันแบบนี้ทำให้ลดการรั่วไหลของเส้นแรง แม่เหล็ก (Flux Leakage) ที่เกิดจากขดลวดทั้งสองลง ไป ซึ่งทำให้ได้เส้นแม่เหล็กที่คล้อง (Linkage flux Mutual flux) ขดลวดทั้งสองมากยิ่งขึ้น แต่ถ้าพันขด Primary และ Secondary แยกกันไว้บนขาของแกน เหล็กแต่ละข้าง แล้วจะทำให้เกิดการรั่วไหลของ flux มาก ยิ่งขึ้นซึ่งมีผลต่อการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าอย่าง จริงจัง (Seriously) ปกติแล้วแบบ (Core Type) นี้มัก ใช้กับหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่

แบบเชลล์ (Shell Type) มีขดลวดทั้ง Primary และ Secondary พันไว้ที่แกนกลางของแกนเหล็ก ส่วนที่ เหลือของแกนเหล็กอีก 2 ขานั้นก็ทำหน้าที่เป็น Low – reluctance Flux Path Shell Type แบบเบอร์รี่ (Berry Type) นั้นมีแกนเหล็กวางอยู่เป็น Berry Type วงรอบๆ ขดลวดแกนนี้จำเป็นต้องมีโครงสร้างเป็นแบบ Shell โดยที่แกนเหล็กกระจายออกไปรอบๆ ของขดลวด เหล่านั้นแบบนี้เป็นแบบที่ไม่นิยมเพราะมีโครงสร้างที่ยุ่ง ยาก

3.2 โครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.2.2 การพันขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้า การพันขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้าแบ่งได้ 2 แบบใหญ่ ๆ คือแบบ Concentric ที่เป็นรูปทรงกระบอก (Concentric Cylinder) รูป ก ในหน้าถัดไป แบบนี้มีขดลวดแรงต่ำอยู่ภายใน ทั้งนี้เนื่องจากปัญหาการ ทำฉนวนหุ้มเส้นลวดที่ใช้ทำขดลวดนั้นเอง ลวดที่ใช้ในการทำ Coil นั้นเป็นขดลวดทองแดงที่หุ้มฉนวนซึ่ง อาจมีรอยขีดข่วนอันเนื่องมาการใส่ Winding เข้าไปใน Core ฉะนั้นเมื่อให้แรงต่ำ (L.V. Side = Low Voltage side) อยู่ข้างจึงปลอดภัยกว่าและยังระบายความร้อนได้ดีกว่าอีกด้วย แบบประกบซ้อนกัน (Sandwich) รูป ข ในหน้าถัดไป ช่วยในการลดเส้นแรงแม่เหล็กที่รั่วไหล (Flux Leakage) ให้ลดลงไป ขดลวดแรงต่ำแบ่งเป็น 2 ส่วนแต่ละครึ่งของขดแรงต่ำนั้นประกบหัวท้ายของขด ลวดแรงสูง ขดลวดที่ใช้แรงสูงและแรงต่ำนั้น ส่วนใหญ่เป็นขดลวดทองแดงที่อาบน้ำยาวานิช (Varnish) ซึ่งเป็น ฉนวนและมีเส้นด้าย (Cotton) พันรอบๆ ขดลวดทองแดงอีกทีหนึ่ง



3.2 โครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.2.3 การระบายความร้อนของหม้อแปลงไฟฟ้า การสูญเสียของหม้อแปลงไฟฟ้าทั้งหมด จะอยู่ในรูปของความร้อนที่ขดลวดและแกนเหล็กแต่ ความสูญเสียเหล่านี้เมื่อเทียบกับขนาดกำลังเอาต์พุตของหม้อแปลงไฟฟ้าแล้วมีค่าน้อยกว่า ความร้อนเหล่านี้จะมีค่าถ่ายเทออกไปยังพื้นผิวภายนอกโดยรอบ เพื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในระดับ ปลอดภัยจึงใช้อุปกรณ์และระบบระบายความร้อน หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้ในระบบสายส่ง ความสูญเสียที่แกนเหล็กและขดลวดทองแดงมีขีดจำกัด ที่ต่ำมาก เมื่อเทียบกับหม้อแปลงไฟฟ้าขนาดเล็กเพราะว่าความร้อนที่เกิดขึ้นสูงมากไม่สามารถ ระบายความร้อนตามธรรมชาติได้ จึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์อย่างอื่นเข้าช่วย ดังนั้นวิธีระบายความ ร้อนหม้อแปลงไฟฟ้าจึงมีด้วยกันหลายวิธี ดังนี้

1) การระบายความร้อนตามธรรมชาติ หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วิธีระบายความร้อนแบบนี้จะเป็น หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดเล็กที่ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านทั่วไป เช่นหม้อแปลงไฟฟ้าในระบบจำหน่าย ของการไฟฟ้าให้ต่ำลงพอเหมาะสมกับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ซื้อมาจากยุโรปหรืออเมริกาหม้อแปลงไฟฟ้า เหล่านี้อาจมีฝาครอบหรือไม่มีก็ได้ ลักษณะของหม้อแปลงไฟฟ้าเหล่านี้ ดังรูป ถ้าต้องการระบาย ความร้อนดีจะต้องวางอยู่ในตำแหน่งที่อากาศถ่ายเทดี

2) การระบายความร้อนด้วยการหมุนเวียนของน้ำมันตามธรรมชาติ การระบายความร้อนด้วยวิธีนี้ตัว หม้อแปลงไฟฟ้าจะแช่อยู่ในน้ำมันที่บรรจุอยู่ในถังหม้อแปลงไฟฟ้า (Transformer Tank) ซึ่งผิว ภายนอกของถังหม้อแปลงไฟฟ้านี้อาจเป็นชนิดผิวนอกเรียบหรือมีครีบ หรือเป็นท่อยึดติดกับตัวถังในแนว ดิ่ง ดังรูป เมื่อน้ำมันได้รับความร้อนจากหม้อแปลงไฟฟ้าจะลอยตัวสูงขึ้นน้ำมันส่วนที่เย็นจะอยู่ข้างบนจะ เคลื่อนที่ลงไปแทน และความร้อนจากน้ำมันจะถ่ายเทให้กับถัง หม้อแปลงไฟฟ้า ลมภายนอกถัง หม้อแปลงไฟฟ้าจะเป็นตัวพัดพาเอาความร้อนออกไปจากถังหม้อแปลงไฟฟ้าอีกต่อหนึ่ง การหมุนเวียน ของน้ำมันจะเป็นลักษณะนี้ตลอดเวลา

3) การระบายความร้อนด้วยน้ำมันและเป่าลม ตัวหม้อแปลงไฟฟ้าจะแช่อยู่ในน้ำมันเช่นเดียวกับ ข้อ 2 นอกจากการระบายความร้อนดังกล่าวแล้วยังใช้ พัดลมเป่าลมที่ผิวภายนอกถัง หม้อแปลงไฟฟ้าด้วย ซึ่งเป็นการเร่งระบายความร้อนหม้อแปลงไฟฟ้าด้วย การระบายความร้อนด้วยวิธี ดังรูป ปกติแล้วพัดลมจะ ทำงานเฉพาะเมื่อมีโหลดเท่านั้น

4) การระบายความร้อนด้วยน้ำมันและน้ำ หม้อแปลงไฟฟ้าจะแช่อยู่ในถังที่มีน้ำมันบรรจุอยู่ โดยมีท่อน้ำขด เป็นวงล้อมรอบหม้อแปลงไฟฟ้าและน้ำจะเป็นตัวดึงเอาความร้อนออกจากน้ำมันอีกทีหนึ่งลักษณะถังที่มีท่อน้ำ ขดอยู่โดยรอบ 5) การระบายความร้อนด้วยปั๊ มน้ำมัน วิธีการระบายความร้อนเหมือนกับหัวข้อที่ 2นอกจากนี้ยังเพิ่มชุดปั๊ ม น้ำมันให้น้ำมันมีการไหลวนดียิ่งขึ้น เพื่อเป็นการช่วยเร่งการระบายความร้อน 6) น้ำมันหม้อแปลงไฟฟ้า ในการเลือกน้ำมันเพื่อใช้ในการระบายความร้อนและเป็นฉนวนของหม้อแปลงไฟฟ้า นั้นเป็นสิ่งสำคัญ ดังนั้นน้ำมันที่ใช้จะต้องมีความต้านทานไฟฟ้าสูงมาก ไม่รวมตัวกับความชื้นได้ง่ายไม่ทำ ปฏิกิริยากับอุปกรณ์ที่แช่อยู่จะต้องไม่เป็นกรด ด่างกำมะถันมีความหนืดต่ำตกตะกอนยากในการบรรจุ หม้อแปลงไฟฟ้าลงในถังหม้อแปลงไฟฟ้าจะต้องทำอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันไม่ให้มีความชื้นและผสมน้ำลง ไปในน้ำมัน ปัจจุบันน้ำมันที่ใช้การระบายความร้อนหม้อแปลงไฟฟ้าได้จากน้ำมันสังเคราะห์ซึ่งมีความต้านทาน ไฟฟ้าสูงไม่ติดไฟง่ายเหมือนกับน้ำมันที่ได้จากธรรมชาติเพราะผสมจากสารเคมีที่เรียกว่าคาร์บอนเตตราคลอ ไรด์ลงไปด้วย สารเคมีชนิดนี้จะเป็นตัวช่วยไม่ให้น้ำมันไวไฟ และน้ำมันหม้อแปลงไฟฟ้านี้จะมีชื่อเรียกต่างๆ กัน แล้วแต่บริษัทผู้ผลิตจุดติดไฟของหม้อแปลงไฟฟ้ามาตรฐานจะสูงมากคือ ประมาณ 130 – 160 องศาเซลเซียส