คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า

คู่มือนักศึกษาหน่วยที่ 3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า นายคมสัน กลางแท่น วิชา เครื่องกลไฟฟ้า 1 ชุดการสอนวิชาเครื่องกลไฟฟ้า 1 (3104-2002) สำหรับนักศึกษาระดับประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง ตามหลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง พ.ศ. 2563

3.3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.3.1 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้าหรือที่เรียกว่า ทรานซ์ฟอร์เมอร์ (Tarnsformer) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ถ่ายทอดพลังงาน วงจรไฟฟ้าจากวงจรไฟฟ้ากระแสสลับวงจรหนึ่งไปสู่อีกวงจรหนึ่ง โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงความถี่แต่เป็นการ เปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าถ้าหม้อแปลงไฟฟ้ารับพลังงานไฟฟ้าจากวงจรที่มีแรงดันไฟฟ้าขนาดขนาดหนึ่ง แล้วถ่ายทอดไปอีกวงจรหนึ่งที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าหม้อแปลงไฟฟ้าแบบนี้เรียกว่า หม้อแปลงไฟฟ้าสูง (Step – up Tarnsformer) แต่ถ้าหม้อแปลงไฟฟ้ารับพลังงานไฟฟ้าจากวงจรที่มีแรงดันไฟฟ้าขนาดหนึ่งแล้วถ่ายทอด ไปอีกวงจรหนึ่งที่มีแรงดันต่ำกว่า เรียกว่าหม้อแปลงไฟฟ้าต่ำ (Step – down Tarnsformer) หม้อแปลงไฟฟ้า รับพลังงานไฟฟ้าจากวงจรที่มีแรงดันไฟฟ้าขนาดหนึ่งแล้วถ่ายทอดไปอีกวงจรหนึ่งที่มีแรงดันไฟฟ้าเท่าเดิมเรียก หม้อแปลงไฟฟ้าแบบนี้ว่าหม้อแปลงหนึ่งต่อหนึ่ง (One to One Tarnsformer) หม้อแปลงไฟฟ้าจะไม่มีส่วน หนึ่งส่วนใดเคลื่อนที่ ดังนั้นจึงไม่ต้องมีการบำรุงรักษามากนักและราคาต่อกิโลวัตต์ก็ถูกกว่าเครื่องใช้ไฟฟ้าแบบ อื่น แต่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเนื่องจากไม่มีสล๊อตและส่วนที่เคลื่อนที่ได้ขดลวดจึงสามารถที่จะแช่อยู่ในน้ำมันได้ และการหุ้มฉนวนสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าแรงสูงก็ไม่ลำบาก

ความมุ่งหมายในการสร้างหม้อแปลงไฟฟ้า ก็เพื่อที่จะใช้จ่ายในการถ่ายทอดพลังงานไฟฟ้าจากวงจรหนึ่ง ไปสู่อีกวงจรหนึ่งโดยการเหนี่ยวนำซึ่งอาศัยการเปลี่ยนแปลงเส้นแรงแม่เหล็กโดยการจัดให้คอยล์สองคอยล์ ของหม้อแปลงไฟฟ้าอยู่ในวงจรแม่เหล็กเดียวกัน สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเส้นแรงแม่เหล็กจากขั้วแม่เหล็ก จะมีค่าคงที่ตลอดเวลาแต่ให้ขดลวดอาร์เมเจอร์ เคลื่อนที่ตัดเส้นแรงแม่เหล็กส่วนหม้อแปลงไฟฟ้าขดลวดหรือคอยล์และแกนเหล็กจะอยู่กับที่เส้นแรงไฟฟ้าถูก เหนี่ยวนำให้เกิดขึ้น โดยการเปลี่ยนแปลงของเส้นแรงแม่เหล็กต่อหน่วยเวลา แกนเหล็ก (Core) ดังรูป จะถูกสร้างให้มีลักษณะเป็น รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ประกอบขึ้นด้วยแผ่นเหล็กบางๆ หลาย แผ่นแล้วอัดติดกัน ขดลวดปฐมภูมิ (Primary) จะพันอยู่ที่แกนด้าน หนึ่ง ส่วนขดลวดทุติยภูมิ (Secondary) จะพันอยู่ที่ แกนอีกด้านหนึ่งซึ่งขดลวดทั้งสองอาจจะมีจำนวนรอบ เท่ากันหรือไม่เท่ากันก็ได้ และขดลวดทั้งสองจะพันอยู่ที่ ด้านตรงข้ามของแกนเหล็ก

เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับป้อนกระแสให้กับขดปฐมภูมิ (P) จะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กไฟฟ้ากระแส สลับขึ้นในแกนแม่เหล็ก เส้นแรงแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับนี้จะเคลื่อนที่ไปตามแกนเหล็กและตัดกับขดลวด ทุติยภูมิ (S) จะทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นที่ขดลวดทุติยภูมินี้เองจึงทำให้ขดลวดทุติยภูมิ สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้าได้ ซึ่งพลังงานไฟฟ้านี้ถ่ายทอดจากขดลวดปบมภูมิไปยังขดลวด ทุติยภูมิได้ด้วยเส้นแรงแม่เหล็ก จากรูป ในชั่วขณะหนึ่งปลายขดลวดปฐมภูมิด้านบนจะ เป็นบวกและอีกปลายหนึ่งจะเป็นลบซึ่งจะทำให้เส้นแรงแม่ เหล็กที่เกิดขึ้นเคลื่อนที่ไปตามแกนเหล็กในทิศทางการ เคลื่อนที่ของเข็มนาฬิกาจนครบวงจร ขดลวดใดก็ตามไม่ ว่าจะเป็นขดลวดปฐมภูมิหรือขดลวดทุติยภูมิเรียกขด ลวดที่รับพลังงานไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ขดลวด ปฐมภูมิ (Primary) และเรียกขดลวดที่ได้รับพลังงาน ไฟฟ้าจากขดลวดปฐมภูมิ หรือส่งพลังงานต่อไปให้กับ โหลดว่า ขดลวดทุติยภูมิ (Secondary)

3.3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.3.2 หม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติ หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้กับงานจริงมีประสิทธิภาพสูงถึง 95% - 99% แต่ยังคงมีความสูญเสียอยู่ การอธิบายหลักการทำงานขั้นพื้นฐานของหม้อแปลงจึงเป็นไปได้ยาก เพราะต้องกล่าวถึงความสูญ เสียที่เกิดขึ้นในหม้อแปลงไฟฟ้าด้วยดังนั้นจึงสมมุติหม้อแปลงไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่ไม่มีความสูญเสียเลย หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดนี้เรียกว่า หม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติ (ldeal Tarnsformer) หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติ





3.3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.3.3หม้อแปลงไฟฟ้าใช้งานจริงขณะไม่มีโหลด (Transformer on No Load) กเพืา่อรอใหธ้ิเบกิาดยคเปว็านมเ2ข้าใกจรเกณี่ียวกับหลักการทำงานเบื้องต้นของหม้อแปลงไฟฟ้าขณะไม่มีโหลด รูปจึงแยก

1) กรณีเป็นหม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติ

2) กรณีเป็นหม้อแปลงไฟฟ้าใช้งานจริง





3.3 หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า 3.3.4 หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้งานจริงขณะมีโหลด (TransformerUnder Load ) กระแสไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิ ( II ) ของหม้อแปลงไฟฟ้าขณะจ่ายโหลด ( IO ) กับกระแสไฟฟ้าที่ขดลวด ปฐมภูมิที่เกิดขึ้นจากการสร้างฟลักซ์แม่เหล็กของขดลวดทุติยภูมิ (ɸ 2 ) ซึ่งเรากำหนดให้เป็น ( II ) ขณะที่หม้อแปลงไฟฟ้าที่ไม่มีโหลด ในรูป แรงดันไฟฟ้าของ ขดลวดทุติยภูมิ V2 จะขึ้นอยู่กับ Mutual Flux ɸm เพียง อย่างเดียว เมื่อมีค่า ɸm คงที่ ทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ขดลวด ปฐมภูมิ E1 และทุติยภูมิ E2 คงที่ด้วย

I2 คือ กระแสไฟฟ้าที่ขดลวดทุติยภูมิ ในกรณีหม้อแปลงไฟฟ้าจ่ายโหลด ในรูปมีค่าต่างๆ ดังนี้ V2 คือ แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้โหลด VI คือ แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ขดลวดปฐมภูมิ E1 คือ แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้เกิดการเหนี่ยวนำของขดลวด ปฐมภูมิ หรือแรงดันไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิ II คือ กระแสไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิ N1 คือ จำนวนรอบของขดลวดที่พันอยู่บนแกนตัวนำแม่เหล็ก ด้านปฐมภูมิ ɸm คือ Mutual Flux N2 คือ จำนวนรอบของขดลวดที่พันอยู่บนแกนตัวนำแม่เหล็ก ด้านทุติยภูมิ E2 คือ แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้เกิดการเหนี่ยวนำของขดลวด ทุติยภูมิ หรือแรงดันไฟฟ้าที่ขดลวดทุติยภูมิ

เมื่อนำโหลดต่อเข้ากับขดลวดทุติยภูมิ กระแสไฟฟ้า IO สร้างแรงดันแม่เหล็ก ( MMF1 ; ในเทอม IO N1 ) ขึ้นในขดลวดปฐมภูมิ MMF1 นี้ทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็ก ɸ m เคลื่อนตัวตัดขดลวดทุติยภูมิ จึงเกิดแรงดัน ไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ขดลวดทุติยภูมิ (E2) แรงดันไฟฟ้า E2 จะสร้างกระแสไฟฟ้า I2 ที่มีขดลวดทุติยภูมิ ซึ่งทำให้เกิดแรงดันแม่เหล็ก ( MMF2 ; ใน เทอมของ I2 N2 ) และฟลักซ์แม่เหล็ก ɸ2 มีทิศทางตรงข้ามกับ ɸ m จึงเกิดการหักล้างกันดังนั้นแรงดัน ไฟฟ้า E1 จึงลดลงชั่วขณะหนึ่ง แต่เมื่อ ɸ 2 เคลื่อนตัวตัดขดลวดปฐมภูมิทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า I′I ที่ขด ลวดปฐมภูมิ (I′I มีขนาดเท่ากับ I2 / a และทิศทางตรงข้ามกับ I2 ) กระแสไฟฟ้า I′I ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำ และแรงดันแม่เหล็ก ( MMF1 ) ( ในเทอมของI′I N1 ) ซึ่งเป็นตัว การสร้างฟลักซ์แม่เหล็ก ɸ1 ที่มีขนาดเท่ากับ ɸ 2 แต่มีทิศทางตรงกันข้าม ɸ1 และ ɸ 2 จึงหักล้างกันไป หมด แรงดันไฟฟ้า E1 กลับเข้าสู่สภาวะปกติอีกครั้งหนึ่งจึงสรูปได้ว่า กระแสไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิ ( II ) ประกอบด้วยกระแสไฟฟ้า IO กับ I′Iนั่นเอง

สรุปได้ว่า องค์ประกอบของกระแสไฟฟ้าที่ขดลวดของด้านปฐมภูมิขณะจ่ายโหลด (II ) มีดังนี้ ถ้าสมมุติให้แรงดันไฟฟ้า E2 กับ V2 มีขนาดเท่ากันและ Inphase กัน ( ปกติ E2 V2 )จะเขียนเวกเตอร์ แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิ และขดลวดทุติยภูมิของ หม้อแปลงไฟฟ้าขณะจ่ายโหลด ดังรูป I1 I’1=I2/a I0 Ic Im