หลักการเบื้องต้นไฟฟ้ากระแสสลับ

หน่วยที่ 1 หลกั การเบือ้ งต้นไฟฟ้ ากระแสสลบั Basic Alternating Current Principleสาระการเรียนรู้ 1. หลกั การของแม่เหลก็ ไฟฟ้ า 2. การเหน่ียวนาแมเ่ หลก็ ไฟฟ้ า 3. หลกั การกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบัผลการเรียนรู้ทีค่ าดหวงั 1. อธิบายหลกั การไฟฟ้ ากระแสสลบั ได้ 2. อธิบายหลกั การการเหนี่ยวนาแม่เหลก็ ไฟฟ้ าได้ 3. บอกส่วนประกอบที่ทาใหเ้ กิดการเหนี่ยวนาแมเ่ หลก็ ไฟฟ้ าได้ 4. อธิบายหลกั การการกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ได้ 5. บอกประเภทของแหล่งกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ได้สาระสาคญั ไฟฟ้ ากระแสสลบั รูปไซนเ์ กิดข้ึนเนื่องจากการหมนุ ของขดลวดเหน่ียวนาตดั กบั สนาม-แมเ่ หลก็ หรือเกิดจากการหมนุ ของสนามแมเ่ หลก็ ตดั กบั ขดลวดเหนี่ยวนา ค่าของแรงดนั ไฟฟ้ าที่เกิด-ข้ึนจะข้ึนอยกู่ บั จานวนรอบของขดลวดเหนี่ยวนา ความเขม้ ของสนามแม่เหลก็ และความเร็วรอบท่ีขดลวดเหน่ียวนาหรือสนามแมเ่ หลก็ หมุน รูปคลน่ื ไซนห์ มายถงึ การเปลี่ยนแปลงระดบั ของแรงดนั ไฟฟ้ ากระแสสลบั จากจุดท่ีเป็น 0ข้ึนไปทางบวกเรื่อย ๆ จนถึงค่าบวกสูงสุดแลว้ ลดต่าลงมาที่ 0 จากน้นั ก็จะเปล่ยี นแปลงค่าลงมาทางลบลงไปเรื่อย ๆ จนถงึ ค่าลบสูงสุดแลว้ เปลยี่ นค่ากลบั มาสู่จุดที่เป็น 0 อีกคร้ังหน่ึงตามค่าฟังกช์ นัไซน์ สลบั กนั ไปอยา่ งน้ีตลอดเวลา ส่วนประกอบของรูปคลนื่ ไซน์หมายถงึ ส่วนประกอบท่ีสาคญั ของรูปคลื่นไซน์ ไดแ้ ก่ความสูง(Amplitude) , คาบเวลา (Period) , ความถี่ (Frequency) มุม (Phase) เป็นตน้ เฟสเซอร์ มคี วามหมายคลา้ ยคลึงกบั เวกเตอร์คือเฟสเซอร์หรือเวกเตอร์ใด ๆ ประกอบดว้ ยขนาดและทิศทาง เวกเตอร์ใชแ้ สดงปริมาณทางกายภาพ เช่น แรง (force) หรือความเร็ว(velocity)ส่วนเฟสเซอร์ใชแ้ สดงปริมาณที่มีการเปลย่ี นแปลงตามแกนของเวลา เช่น แรงดนั ไฟฟ้ าและกระแสไฟฟ้ าของไฟฟ้ ากระแสสลบั เป็นตน้

2 หลกั การเบ้อื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั1. หลกั การของไฟฟ้ ากระแสสลับ ไฟฟ้ าท่ีมีใช้กนั อยทู่ วั่ ไปในอาคารบา้ นเรือน ในโรงงานอุตสาหกรรมหรือสถานท่ีต่างๆลว้ นเป็นไฟฟ้ าระบบไฟฟ้ ากระแสสลบั ท้งั สิ้น ซ่ึงอาจจะเป็นระบบ 1 เฟส 220 V หรือ 3 เฟส 380 Vก็ได้ 1.1 คณุ ลกั ษณะทั่วไปของไฟฟ้ ากระแสสลบั โดยทว่ั ไประบบไฟฟ้ ากระแสสลบั จะมคี ุณลกั ษณะที่สาคญั ดงั น้ี 1.1.1 แรงดนั ไฟฟ้ า (Voltage ) หมายถงึ แรงดนั ไฟฟ้ าประสิทธิผล (Effective Voltage, rms ) เป็นแรงดนั ไฟฟ้ าท่ีนามาใชง้ านไดจ้ ริง สามารถวดั ไดโ้ ดยใชโ้ วลตม์ ิเตอร์ ( Voltmeter ) เช่นแรงดนั ไฟฟ้ าท่ีใชต้ ามอาคารบา้ นเรือน โรงงานอุตสาหกรรมโดยทว่ั ไปเป็ นระบบแรงดนั ไฟฟ้ า 1เฟส 220 V หรือ ระบบแรงดนั ไฟฟ้ า 3 เฟส 380 V 1.1.2 กระแสไฟฟ้ า ( Current ) หมายถงึ กระแสไฟฟ้ าประสิทธิผล (Effective Current, rms ) เป็นกระแสไฟฟ้ าจริงที่ไหลในวงจรไฟฟ้ าเพ่ือจ่ายให้แก่เครื่องใชไ้ ฟฟ้ า อุปกรณ์ไฟฟ้ าและเครื่องจกั รกลไฟฟ้ าท่ีสามารถวดั ไดด้ ว้ ยแอมมเิ ตอร์ (Ammeter ) 1.1.3 ความถ่ไี ฟฟ้ า (Frequency ) หมายถงึ ความถ่ขี องระบบไฟฟ้ าที่ใชใ้ นการส่งและจ่ายพลงั งานไฟฟ้ า ตามมาตรฐานสากลของระบบไฟฟ้ าท่ีใชใ้ นการส่งจ่าย ไดแ้ ก่ 50 HZ หรือ 60 HZในประเทศไทยกาหนดใหใ้ ชค้ วามถ่ีของระบบไฟฟ้ า 50 HZ ในทุกระบบ ส่วนความถี่ 60 HZ จะนิยมใชใ้ นประเทศสหรัฐอเมริกา เป็นตน้ ความถี่ไฟฟ้ า 50 HZ หมายถึงระบบไฟฟ้ ากระแสสลบั ท่ีทาให้ข้วั ไฟฟ้ าของระบบท้งั ระบบ ( แหล่งกาเนิดพลงั งานรวมกบั ภาระของวงจร ) เปลี่ยนข้วั ไฟฟ้ ากลบั ไปกลบั มาคือเปล่ยี นเป็นข้วั บวก 50 คร้ังและเปล่ียนเป็นข้วั ลบ 50 คร้ัง สลบั กนั ไปมาในเวลา 1วินาที 1.1.4 เฟส ( Phase ) หมายถึงมุมระหว่างแรงดนั ไฟฟ้ ากบั กระแสไฟฟ้ าของวงจรเคร่ืองใช้ อุปกรณ์และเคร่ืองจกั รกลใด ๆ โดยจะแสดงดว้ ยค่าของ cos  (  = Phi ) หรือ cos  (= Theta ) เช่น cos  = 0.8 แสดงว่ากระแสไฟฟ้ ากบั แรงดนั ไฟฟ้ าทามุมต่อกนั  = cos-1 0.8 = 37เป็ นตน้ 1.2 คณุ ลกั ษณะของรูปคลนื่ ไฟฟ้ ากระแสสลบั ระบบไฟฟ้ ากระแสสลบั ท่ีใชใ้ นปัจจุบนั ไดม้ าจากเครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ซ่ึงให้กาเนิดพลงั งานไฟฟ้ าดว้ ยคล่นื ไฟฟ้ าชนิดรูปคลน่ื ไซน์ ( Sine wave ) ดงั รูปที่ 1.1

3 หลกั การเบ้อื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบัEm  3 2 2 2 0 90 180 270 360 1 รอบ รูปท่ี 1.1 รูปคลน่ื ไซนข์ องระบบไฟฟ้ ากระแสสลบั คล่นื ไฟฟ้ ารูปคลน่ื ไซน์ของระบบไฟฟ้ ากระแสสลบั จานวน 1 รอบ ประกอบดว้ ยมุม 360องศาไฟฟ้ า ( Electrical Degree ) หรือ 2 เรเดียน ( 360 = 2 เรเดียน ) จากรูป แรงดนั ไฟฟ้ าและกระแสไฟฟ้ าเริ่มตน้ จาก 0 ( ศูนย์ ) แลว้ มีค่าเพ่ิมสูงข้ึนเร่ือย ๆ ตามองศาไฟฟ้ าที่เปล่ียนแปลงค่าเพ่มิ ข้ึนจนกระท้งั มีค่าสูงสุดท่ีมุม 90 หรือ  เรเดียน จากน้นั จะมคี ่าลดต่าลงจนกระทง่ั เป็น 0 ท่ีมมุ 2180 หรือ  เรเดียน และจะมีค่าลดต่าลงจาก 0 ลงไปทางดา้ นลบและต่าสุดท่ี มุม 270 หรือ 3 2จากน้นั จะมคี ่าเพิ่มข้ึนจากค่าต่าสุดกลบั มามีค่า 0 อกี คร้ังท่ีมุม 360 หรือ 2 เรเดียน ในการส่งและจ่ายพลงั งานไฟฟ้ าท้งั ระบบไฟฟ้ าแรงสูงและแรงต่าไมว่ า่ จะเป็ นระบบ 1 เฟสหรือระบบ 3 เฟสในประเทศไทยใชค้ วามถ่ี 50 HZ ตามมาตรฐานสากลซ่ึงความถี่ 50 HZ น้ีหมายถึงระบบไฟฟ้ ากระแสสลบั รูปคล่ืนไซนท์ ่ีใหก้ ระแสไฟฟ้ าไหลดว้ ยอตั รา 50 คลน่ื /วินาที หรือ 50 รอบ/วนิ าที หรือกระแสไฟฟ้ าไหลจานวน 1/รอบในเวลา 1/50 = 0.02 วินาที (s) หรือ 20 มิลลิวินาที (ms)ดงั รูปท่ี 1.2

4 หลกั การเบ้อื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบัEm   3 2 220 90 180 270 360 f = (HZ) t = (s) t1 t2 t3 tรูปที่ 1.2 เวลา t วินาทีท่ีคล่นื ไฟฟ้ า 1 คล่นื เคลอ่ื นที่ไปกาหนดให้ f คือความถี่ของระบบไฟฟ้ ามีหน่วยเป็นเฮิร์ซ (HZ) t คือเวลาที่คลืน่ ไฟฟ้ า 1 คลน่ื เคล่อื นท่ีไปมหี น่วยเป็นวนิ าที (s) คลนื่ ไฟฟ้ า 1 คลื่น = 1 รอบเม่ือคลื่นไฟฟ้ า f คลืน่ เคล่อื นท่ีไปใชเ้ วลา 1 วนิ าที 1”1 ” f ”แท่นค่า t = เวลาท่ีคลน่ื ไฟฟ้ า 1 คลืน่ เคลอ่ื นไปจะไดส้ มการ t  1 หรือ f  1 f t

5 หลกั การเบ้อื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบัตวั อย่างที่ 1.1 ใหค้ านวณหาเวลาท่ีทาใหค้ ล่ืนไฟฟ้ า 1 คลื่นของระบบไฟฟ้ าที่มีความถ่ี 50HZและ 60 HZ เคลอื่ นที่ไปวธิ ที า คานวณหาเวลาทีค่ วามถ่ี 50 HZ 1 fจากสมการ t แทนค่าในสมการ t 1 = 0.02 s = 20 ms 50จะไดเ้ วลาท่ีทาใหค้ ลืน่ ไฟฟ้ า 1 คล่นื ที่ความถ่ี 50 HZ เคล่อื นท่ีไปเป็นเวลา 20 msคานวณหาเวลาท่ีความถี่ 60 HZ t  1 จากสมการ fแทนค่าในสมการ t  1 60 = 0.0166 s = 16.6 msจะไดเ้ วลาที่ทาใหค้ ล่นื ไฟฟ้ า 1 คลื่นท่ีความถ่ี 60 HZ เคล่อื นที่ไปเป็นเวลา 16.6 msตวั อย่างที่ 1.2 ใหค้ านวณหาความถีท่ ่ีทาใหค้ ลืน่ ไฟฟ้ า 1 คล่นื ของระบบไฟฟ้ าเคลื่อนท่ีไปในเวลา 15 mS และ 40 mSวธิ ที า คานวณหาความถ่ี ที่เวลา 15 msจากสมการ f  1แทนค่าในสมการ t 1 f  15  10 3 = 66.7 HZความถที่ ี่ทาใหค้ ล่นื ไฟฟ้ า 1 คลืน่ เคล่ือนที่ไปเป็นเวลา 15 ms คือความถี่ 66.7 HZคานวณหาความถ่ี ท่ีเวลา 40 ms 1 tจากสมการ f แทนค่าในสมการ f  40 1  10 3 = 25 HZความถีท่ ี่ทาใหค้ ลน่ื ไฟฟ้ า 1 คลืน่ เคล่ือนท่ีไปเป็นเวลา 40 mS คือความถี่ 25 HZ

6 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั2. หลักการของแม่เหลก็ ไฟฟ้ า (Electromagnetism) 2.1 การเกดิ สนามแม่เหลก็ ไฟฟ้ า เม่อื ป้ อนกระแสไฟฟ้ าใหไ้ หลผา่ นตวั นาจะทาใหร้ อบ ๆ ตวั นาเกิดสนามแม่เหลก็ ข้ึนสนาม-แม่เหลก็ ที่เกิดข้ึนรอบตวั นาน้ีเรียกวา่ “ สนามแม่เหลก็ ไฟฟ้ า” ดงั รูปที่ 1.3 เส้นแรงแม่เหล็ก รูปที่ 1.3 สนามแมเ่ หลก็ ซ่ึงเกิดจากกระแสไฟฟ้ าไหลผา่ นตวั นา เสน้ แรงแม่เหลก็ ของสนามแมเ่ หลก็ ท่ีเกิดข้ึนมีรูปแบบที่แน่นอนและต่อเนื่องตลอดความ-ยาวของตวั นา ตามปกติมองดว้ ยตาเปล่าไม่เห็น ในการทดลองต่อไปน้ีจะทาให้มองเห็นเส้นแรงแม่เหลก็ ได้ ให้นาเสน้ ลวดที่เป็ นตัวนาไฟฟ้ าเสียบทะลุแผ่นกระดาษที่โรยด้วยผงเหล็ก โดยให้แผน่ กระดาษกบั เส้นลวดต้งั ฉากกนั ต่อแรงดนั ไฟฟ้ ากระแสตรงเขา้ ไปในเส้นลวดตวั นาน้นั จะสงั เกตเห็นผงเหลก็ บนแผน่ กระดาษจดั เรียงตวั ตามเสน้ แรงแม่เหลก็ เป็นรูปวงแหวนที่มีจุดศนู ยก์ ลางร่วมกนั ดงั รูปท่ี 1.4 เสน้ แรงแม่เหลก็ ที่เกดิ จากผงเหลก็ แบตเตอรี่ รูปท่ี 1.4 การทดลองใหเ้ ห็นเสน้ แรงแมเ่ หลก็

7 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั2.2 ทิศทางของเส้นแรงแม่เหลก็ (Direction of the Line of Force)ก. ทิศทางจากซา้ ยไปขวา ข. ทิศทางจากขวาไปซา้ ยรูปท่ี 1.5 ทิศทางของเสน้ แรงแมเ่ หลก็ จากรูปที่ 1.5 ก. เมื่อกระแสไฟฟ้ าไหลผา่ นตวั นาในทิศทางจากซา้ ยไปขวาเสน้ แรงแมเ่ หลก็จะมที ิศทางตามเข็มนาฬกิ าจากรูปท่ี 1.5ข.เมอ่ื กระแสไฟฟ้ ามีทิศทางจากขวาไปซา้ ยเสน้ แรงแมเ่ หลก็จะมีทิศทางทวนเข็มนาฬกิ า อยา่ งไรกต็ ามถา้ เราทราบทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้ ากส็ ามารถหาทิศทางของเสน้ แรงแมเ่ หลก็ ไดโ้ ดยใชก้ ฎมือขวา ดงั รูปที่ 1.6 รูปท่ี 1.6 ทิศทางของเสน้ แรงแมเ่ หลก็ ตามกฎมอื ขวา เมือ่ จบั ตวั นาดว้ ยมือขวาโดยกาหนดใหน้ ้ิวหวั แมม่ ือแสดงทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้ าน้ิวอน่ื ๆ จะแสดงทิศทางของเสน้ แรงแม่เหลก็

8 หลกั การเบ้อื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั3. การเหน่ียวนาแม่เหล็กไฟฟ้ า 3.1 การเกดิ แรงดนั ไฟฟ้ าในลวดตวั นาท่เี คลอ่ื นท่ผี ่านสนามแม่เหลก็ เมือ่ ป้ อนกระแสไฟฟ้ าเขา้ ไปในลวดตวั นาท่ีวางอย่ใู นสนามแม่เหลก็ จะเกิดแรงแม่เหลก็ไฟฟ้ ากระทาใหต้ วั นาน้นั เคลอ่ื นไหวได้ ในทางกลบั กนั เม่ือมีแรงหรือพลงั งานไปกระทาใหต้ วั นาเคลอ่ื นไหวในสนามแม่เหลก็ จะทาใหเ้ กิดกระแสไฟฟ้ าไหลท่ีตวั นาน้นั ได้ ปรากฏการณ์น้ีสามารถทดลองไดโ้ ดยการนาลวดตวั นาไปวางไวใ้ นสนามแม่เหล็กแลว้ ต่อปลายข้ัวของลวดตวั นาดว้ ยกลั วานอร์มเิ ตอร์ท่ีมีความไวสูงเพื่อวดั กระแสไฟฟ้ า เม่ือขยบั ตวั นาใหเ้ คลือ่ นไหวข้ึนลง ดงั รูปที่ 1.7จะทาใหม้ ีกระแสไฟฟ้ าไหลในลวดตวั นาน้ัน เข็มของกลั วานอร์มิเตอร์จะกระดิกไปมาถา้ เราเคลื่อนที่ลวดตวั นาดว้ ยความเร็วสูงมากข้ึนก็จะมีกระแสไฟฟ้ าไหลในลวดตวั นามากข้ึนเข็มของกลั วานอร์มเิ ตอร์กจ็ ะกระดิกแรงมากข้ึนเช่นกนัเมอ่ื ขยบั ตวั นาใหเ้ คล่อื นไหวจะเกิด กระแสไฟฟ้ าข้นึ ท่ีตวั นาก. การเหนี่ยวนาแมเ่ หลก็ ไฟฟ้ า ข. กฎมือขวาของเฟรมมิ่งรูปท่ี 1.7 การเหน่ียวนาแม่เหลก็ ไฟฟ้ า จากรูปท่ี 1.7 ปรากฏการณ์ที่เกิดข้ึนน้ีเรียกว่าการเหน่ียวนาไฟฟ้ าความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งแรงดนั ไฟฟ้ า เสน้ แรงแม่เหลก็ และทิศทางการเคลอ่ื นไหวของตวั นาจะเป็นไปตามกฎมอื ขวาของเฟลมมิง่ (เม่อื กางนิ้วมือขวาออกโดยใหน้ ิ้วช้ี น้ิวกลางและนิ้วหวั แมม่ อื ต้งั ฉากซ่ึงกนั และกนั ) ดงั รูปที่1.7 ข. จะทาใหเ้ สน้ แรงแมเ่ หลก็ มีทิศทางตามน้ิวช้ีและตวั นาเคล่ือนไหวในทิศทางของนิ้วหวั แม่มือจะเกิดแรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาข้ึนในทิศทางของนิ้วกลาง

9 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั3.2 การเกดิ แรงดนั ไฟฟ้ าเมอ่ื มกี ารเปลยี่ นแปลงของสนามแม่เหลก็ ทผ่ี ่านขดลวดเหน่ยี วนาก. การเหนี่ยวนาโดยการเปล่ียนแปลง ข. การเปลีย่ นแปลงสนามแมเ่ หลก็ สนามแมเ่ หลก็ ในขดลวดเหน่ียวนา รูปท่ี 1.8 การเหน่ียวนาแมเ่ หลก็ ไฟฟ้ า จากรูปท่ี 1.8 ก. เอาแกนเหลก็ มาพนั ดว้ ยลวดตวั นาท้งั 2 ขา้ งโดยท่ีลวดตวั นาขา้ งหน่ึงต่อกบัแบตเตอรี่และสวติ ช์ ส่วนลวดตวั นาอกี ขา้ งหน่ึงต่อกบั กลั วานอมเิ ตอร์ไว้ ขดลวดเหน่ียวนาชุดแรกเรียกวา่ ขดลวดปฐมภูมแิ ละขดลวดเหน่ียวนาอกี ชุดหน่ึงเรียกวา่ ขดลวดทุติยภูมิ เมื่อสบั สวิตชใ์ หป้ ิ ด-เปิ ด ๆ เข็มของกลั วานอมเิ ตอร์จะกระดิกซา้ ย-ขวา แต่ถา้ สบั สวิตชใ์ หป้ ิ ดหรือเปิ ดคา้ งไวเ้ ข็มจะไม่กระดิก ปรากฏการณ์น้ีอธิบายไดว้ า่ เมอ่ื เราสบั สวิตชใ์ หป้ ิ ด-เปิ ดๆน้นั กระแสไฟฟ้ าท่ีไหลผา่ นขดลวดปฐมภูมิจะเกิดการเปลยี่ นแปลงข้นึ เกิดการเพม่ิ และลดของเสน้ แรงแมเ่ หลก็ ในแกนเหลก็ จึงชกั นาใหเ้ กิดแรงดนั ไฟฟ้ าข้ึนและถึงแมจ้ ะมเี สน้ แรงแมเ่ หลก็ ผา่ นแกนเหลก็ อยู่ แต่ถา้ เสน้ แรงแม่เหลก็ ไม่มีการเปลย่ี นแปลง กจ็ ะไมส่ ามารถทาใหเ้ กิดแรงดนั ไฟฟ้ าข้ึนแต่อยา่ งไร ปรากฏการณ์ท่ีวา่ น้ีไม่ไดเ้ กิดข้ึนเฉพาะกบั เสน้ แรงเม่เหลก็ ในแกนเหลก็ เท่าน้นั แต่เกิดข้ึนกบัเสน้ แรงแม่เหลก็ ในอากาศดว้ ย ดงั การทดลองในรูปท่ี 1.8 ข. โดยการชกั แท่งแม่เหลก็ เขา้ -ออก ๆในขดลวดเหน่ียวนาทาให้เส้นแรงแม่เหล็กที่ผ่านขดลวดเหน่ียวนามีการเปลี่ยนแปลง จึงเกิดแรงดนั ไฟฟ้ าข้ึนในขดลวดเหนี่ยวนาน้ันทาใหเ้ ข็มของกัลวานอมิเตอร์ที่ต่ออยู่กระดิกได้ การเปล่ียนแปลงของเส้นแรงแม่เหล็กท่ีผ่านขดลวดเหนี่ยวนาเกิดข้ึนจากการเคล่ือนไหวขดลวดเหนี่ยวนาตดั เสน้ แรงแม่เหลก็ นน่ั เองเป็นเหตุใหเ้ กิดการเหนี่ยวนาแม่เหลก็ ไฟฟ้ า ในกรณีเช่นน้ีขนาดของแรงขบั เคลื่อนทางไฟฟ้ ากาหนดไดจ้ ากผลคณู ของจานวนรอบของขดลวดเหน่ียวนาและปริมาณการเปลี่ยนแปลงของเสน้ แรงแม่เหลก็ ในขดลวดเหนี่ยวนาต่อหน่ึงหน่วยเวลา

10 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั ทิศทางของแรงขับเคลื่อนไฟฟ้ าท่ีเกิดจากการเพิ่มหรื อลดของเส้นแรงแม่เหล็กที่ผ่านขดลวดเหนี่ยวนากาหนดไดด้ งั ต่อไปน้ี เมื่อเกิดการเหน่ียวนาแม่เหล็กไฟฟ้ าข้ึนจะมีกระแสไฟฟ้ าไหลใน ขดลวดเหนี่ยวนาและกระแสไฟฟ้ าน้ีก่อใหเ้ กิดเสน้ แรงแม่เหล็กข้ึนใหม่ โดยที่ทิศทางของเสน้ แรงแมเ่ หลก็ ที่เกิดข้ึนใหมน่ ้ีมลี กั ษณะตา้ นไม่ใหเ้ กิดการเปลี่ยนแปลงของเสน้ แรงแม่เหล็กเดิมดงั น้นั เมื่อนาข้วั แม่เหล็กเขา้ ใกลข้ ดลวดเหน่ียวนา ดงั รูปท่ี 1.9 ก. เส้นแรงแม่เหลก็ ที่ผา่ นขดลวดเหนี่ยวนาจะเพม่ิ ข้ึนเกิดกระแสไฟฟ้ าไหลในขดลวดเหนี่ยวนาและกระแสไฟฟ้ าน้ีจะสร้างเส้นแรงแมเ่ หลก็ ดงั เขียนเป็นลกู ศรเสน้ ประในรูปท่ี 1.9 ซ่ึงมีทิศทางตรงขา้ มกบั เส้นแรงแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก เพื่อหกั ลา้ งไม่ให้มีการเพิ่มของเส้นแรงแม่เหลก็ ท่ีผ่านขดลวดเหนี่ยวนาน้นั เมื่อชักข้วัแม่เหล็กออกจาก ขดลวดเหน่ียวนาเส้นแรงแม่เหล็กที่ผ่านขดลวดเหนี่ยวนาน้ันจะลดน้อยลงกระแสไฟฟ้ าท่ีเกิดข้ึนจะสร้างเสน้ แรงแมเ่ หลก็ เพอ่ื เพิ่มเสน้ แรงแมเ่ หลก็ ที่ผา่ นขดลวดเหน่ียวนา จึงมีทิศทางเดียวกนั กบั เสน้ แรงแม่เหลก็ ของแท่งแมเ่ หลก็ น้นั ดงั รูปท่ี 1.9 ข.ก. เมื่อนาแมเ่ หลก็ เขา้ ใกล้ ข. เมื่อนาแมเ่ หลก็ ออกห่างรูปท่ี 1.9 การเหน่ียวนาแมเ่ หลก็ ไฟฟ้ า 3.3 กฎของฟาราเดย์ (Faraday’s Law) ไมเคิล ฟาราเดย์ ( มงคล ทองสงคราม , 2542 : 184. ) ไดค้ น้ พบหลกั การเกี่ยวกบั การเหนี่ยวนาสนามแม่เหล็กไฟฟ้ าว่าเม่ือเคลื่อนแม่เหล็กผ่านขดลวดเหน่ียวนาจะเกิดแรงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนาตกคร่อมขดลวดเหนี่ยวนา ซ่ึงจะไดข้ อ้ สงั เกต 2 ประการคือ 1. แรงดันไฟฟ้ าเหน่ียวนาตกคร่อมขดลวดเหน่ียวนาเป็ นสัดส่วนโดยตรงกบั อตั ราการเปลย่ี นแปลงของสนามแมเ่ หลก็ อนั เน่ืองมาจากขดลวดเหนี่ยวนา 2. แรงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนาตกคร่อมขดลวดเหน่ียวนาเป็นสัดส่วนโดยตรงกบั จานวนรอบของขดลวดเหนี่ยวนาขอ้ สงั เกตขอ้ แรกของฟาราเดยแ์ สดงใหเ้ ห็นดงั รูปท่ี 1.10

SN 11 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั SN ก. การเคลื่อนที่แมเ่ หลก็ ชา้ แรงดนั ไฟฟ้ านอ้ ย ข.การเคลอ่ื นที่แม่เหลก็ เร็วแรงดนั ไฟฟ้ ามากข้ึน รูปท่ี 1.10 การเหนี่ยวนาสนามแม่เหลก็ ไฟฟ้ าของฟาราเดย์ ขอ้ ที่ 1 เมอ่ื แท่งแม่เหลก็ เคล่ือนที่ผา่ นขดลวดเหน่ียวนาสนามแม่เหล็กเกิดการเปลี่ยนแปลงแลว้ สร้างแรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาที่ขดลวดเหน่ียวนาดงั รูปที่ 1.10 ก แสดงใหเ้ ห็นวา่ เมื่อแท่งเหลก็ เคล่ือนที่ผา่ นขดลวดเหน่ียวนาดว้ ยอตั ราเร็วเพมิ่ ข้ึน ทาใหเ้ กิดแรงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนาเพมิ่ ข้ึน ขอ้ สงั เกตขอ้ ท่ี 2 ของฟาราเดย์ แสดงใหเ้ ห็นในรูปที่ 1.11SN SN ก. จานวนรอบขดลวดนอ้ ยแรงดนั ไฟฟ้ านอ้ ย ข. จานวนรอบขดลวดมากแรงดนั ไฟฟ้ ามาก รูปที่ 1.11 การเหนี่ยวนาสนามแม่เหลก็ ไฟฟ้ าของฟาราเดย์ ขอ้ ท่ี 2 จากรูปท่ี 1.11 ก. แสดงให้เห็นว่าเม่ือแท่งเหลก็ เคล่ือนท่ีผ่านขดลวดเหน่ียวนาทาให้เกิดแรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาค่าหน่ึง ส่วนรูปท่ี 1.11 ข. แสดงใหเ้ ห็นว่าเม่ือแท่งแม่เหล็กเคลื่อนท่ีผา่ นขดลวดเหน่ียวนาด้วยอตั ราเร็วเท่าเดิมแต่ขดลวดเหน่ียวนามีจานวนรอบมากข้ึนจะทาให้เกิดแรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาเพ่มิ ข้ึน จากข้อสังเกตท้งั 2 ข้อ ฟาราเดย์สรุปเป็ นกฎได้ดงั นี้ แรงดันไฟฟ้ าเหนี่ยวนาตกคร่อมขดลวดเหน่ยี วนามคี ่าเท่ากบั จานวนรอบของ ขดลวดเหน่ียวนาคูณด้วยอตั ราการเปลยี่ นแปลงของเส้นแรงแม่เหลก็

12 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั4. หลกั การกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั จากหลกั การของการเหนี่ยวนาไฟฟ้ าท่ีทาใหเ้ ส้นแรงแม่เหลก็ ในสนามแม่เหล็กเกิดการเปลี่ยนค่า ไมว่ ่าจะทาให้ขดลวดเหนี่ยวนาหมุน(เคล่ือนที่)ในสนามแม่เหล็กหรือทาใหข้ ้วั แม่เหล็ก(สนามแม่เหล็ก)หมุน(เคลื่อนท่ี)ในขดลวดเหนี่ยวนา ผลท่ีไดก้ ็คือจะใหก้ าเนิดพลงั งานไฟฟ้ าดว้ ยขนาดของแรงดนั ไฟฟ้ าและกระแสไฟฟ้ าตามท่ีตอ้ งการเช่นเดียวกนั ดงั น้ันเครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั จึงประกอบดว้ ยส่วนสาคญั 2 ส่วนดว้ ยกนั คือ ข้วั แม่เหลก็ ไฟฟ้ า(สนามแม่เหลก็ )และขดลวดเหน่ียวนา(ที่ใหก้ าเนิดพลงั งานไฟฟ้ า แรงดนั ไฟฟ้ าและกระแสไฟฟ้ า) เคร่ื องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั สามารถแบ่งออกได้ตามลกั ษณะของการเหน่ียวนาแม่เหล็กไฟฟ้ าไดด้ งั น้ี เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดขดลวดหมุนและเครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดสนามแมเ่ หลก็ (ข้วั แม่เหลก็ )หมนุ 4.1 เครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดขดลวดหมนุ มีส่วนประกอบที่สาคญั ดงั น้ี 4.1.1 ข้วั แม่เหล็ก เป็ นตวั ใหก้ าเนิดเสน้ แรงแม่เหลก็ ในสนามแม่เหลก็ และเป็ นส่วนที่ใหอ้ ยกู่ บั ที่ใชไ้ ดท้ ้งั ข้วั แม่เหลก็ ถาวรที่มีข้วั 2 ข้วั คือข้วั เหนือและข้วั ใต้ เส้นแรงแม่เหล็กจะมีทิศทางจากข้วั เหนือไปยงั ข้วั ใตแ้ ละข้วั แมเ่ หลก็ ไฟฟ้ า(ส่วนใหญ่นิยมใชข้ ้วั แมเ่ หลก็ ไฟฟ้ า) 4.1.2 ขดลวดเหน่ียวนา เป็นตวั ใหก้ าเนิดแรงดนั ไฟฟ้ า กระแสไฟฟ้ าและพลงั งานไฟฟ้ า ขณะทาใหห้ มุนในสนามแม่เหลก็ ประกอบดว้ ยตวั นาทองแดงหลายๆ ตวั นาใส่ไวใ้ นช่องของแกนเหลก็ ท่ีเรียกวา่ อาร์เมเจอร์ (Armature) 4.1.3 วงแหวนเลื่อน (Slip Ring) เป็ นวงแหวนทองแดงหรือทองเหลืองขดั ผวิ ให้เรียบ ขณะที่ขดลวดเหน่ียวนาหมนุ วงแหวนเลือ่ นซ่ึงต่ออยทู่ ี่ปลายของขดลวดเหนี่ยวนาจะหมุนไปดว้ ย แปรงถ่านเป็ นส่วนท่ีอย่กู บั ท่ีแต่สัมผสั กบั ผวิ ของวงแหวนเลื่อนตลอดเวลา ส่วนประกอบท้งั หมดจะทาหนา้ ท่ีส่งผา่ นพลงั งานไฟฟ้ ากระแสสลบั ที่ใหก้ าเนิดโดยขดลวดเหน่ียวนาไปใชง้ านข้วั แมเ่ หลก็ Nปลายสายที่ต่อ ขดลวดหมุน ภาระไฟฟ้ าวงแหวนเลือ่ น ข้วั แมเ่ หลก็ Sรูปท่ี 1.12 โครงสร้างของเคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั

13 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั แกนข้วั แมเ่ หลก็ N ขดลวดสนามแม่เหลก็ โครงหรือเปลือกหุม้ ขดลวดอาร์เมเจอร์ แกนอาร์เมเจอร์แกนข้วั แม่เหลก็ S แกนข้วั แม่เหลก็ N รูปที่ 1.13 เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ าชนิดขดลวดหมนุ 4.2 เคร่ืองกาเนดิ ไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนดิ สนามแม่เหลก็ หมนุ มสี ่วนประกอบที่สาคญั ดงั นี้ 4.2.1 ขดลวดเหน่ียวนา เป็ นขดลวดท่ีอยกู่ บั ท่ีทามาจากทองแดงใส่ไวใ้ นช่องของอาร์เมเจอร์ เป็นส่วนท่ีใหก้ าเนิดแรงดนั ไฟฟ้ า กระแสไฟฟ้ าและพลงั งานไฟฟ้ าขณะที่ทาใหส้ นามแม่เหลก็ หมุนตดั กบั ขดลวดน้ี 4.2.2. ข้วั แม่เหล็ก(สนามแม่เหล็ก)หมุน เป็ นตวั ให้กาเนิดเส้นแรงแม่เหล็กในสนามแมเ่ หลก็ ใหเ้ ป็นส่วนหมุนท่ีทาใหห้ มุนในขดลวดเหนี่ยวนา แบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ ก. ข้วั แมเ่ หลก็ หมุนแบบข้วั ยน่ื (Salient Pole Type) ข. ข้วั แม่เหลก็ หมุนแบบข้วั เรียบ(Smooth Cylindrical Type) ปลายสายเฟส 3ปลายสายเฟส 2 ตน้ สายเฟส 1 ตน้ สายเฟส 2ปลายสายเฟส 1 ตน้ สายเฟส 3รูปที่ 1.14 เครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดข้วั แมเ่ หลก็ หมนุ แบบข้วั ยนื่

14 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั ขดลวดเหนี่ยวนา ร่องสลอ็ ต ซ่ีฟัน แกนสเตเตอร์ ขดลวดสนามแมเ่ หลก็ โรเตอร์ รูปที่ 1.15 เครื่องกาเนิดไฟฟ้ าข้วั แมเ่ หลก็ หมุนแบบข้วั เรียบ เมอ่ื มีกาลงั งานหรือพลงั งานจากภายนอกมาหมนุ ใหข้ ดลวดอาร์เมเจอร์หมุนไปตดั กบั เส้น-แรงแม่เหลก็ จะทาใหเ้ กิดแรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาข้ึนท่ีขดลวดอาร์เมเจอร์ แรงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนาท่ีเกิดข้ึนน้ีจะมีค่ามากหรือนอ้ ยข้ึนอย่กู บั จานวนเสน้ แรงแม่เหล็กที่ขดลวดอาร์เมเจอร์เคล่ือนที่ตัดภายในหน่ึงหน่วยเวลา ความเร็วของขดลวดอาร์เมเจอร์ท่ีหมุน จานวนรอบของขดลวดอาร์เมเจอร์และตาแหน่งของระนาบของขดลวดอาร์เมเจอร์ในสนามแม่เหลก็ ข้วั แมเ่ หลก็แปรงถา่ น ขดลวดอาร์เมเจอร์ วงแหวนเลอื่ น ปลายสายท่ีต่อไปยงั ภาระไฟฟ้ ารูปที่ 1.16 โครงสร้างของเคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั

15 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั จากโครงสร้างของเคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั สามารถอธิบายการเกิดแรงดนั ไฟฟ้ ากระแสสลบั ไดด้ งั น้ี 0 30 60 90 รูปที่ 1.17 การหมนุ ของขดลวดอาร์เมเจอร์เคลื่อนที่ตดั กบั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ เป็นมมุ 90 แรงดนั ไฟฟ้ าท่ีไดจ้ ากเคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ าแบบน้ีเป็นแรงดนั ไฟฟ้ าเฟสเดียว ซ่ึงแรงดนั ไฟฟ้ าจะเปลี่ยนแปลงค่าอยตู่ ลอดเวลาข้ึนอยกู่ บั ตาแหน่งของขดลวดอาร์เมเจอร์ท่ีตดั ผา่ นเส้นแรงแม่เหล็กการเปลย่ี นขนาดและทิศทางจะเปลี่ยนแปลงตามสญั ญาณรูปไซน์ดงั น้ี จากรูปที่ 1.17 ขณะที่ขดลวดอาร์เมเจอร์อย่ใู นแนวต้งั ขดลวดอาร์เมเจอร์จะขนานกบั เส้น-แรงแม่เหล็ก จึงไม่มีการตดั กนั ของขดลวดอาร์เมเจอร์กบั เส้นแรงแม่เหลก็ จึงไม่มีแรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาเกิดข้ึน กระแสไฟฟ้ าเหนี่ยวนาจึงมคี ่าเป็นศนู ย์ เม่ือขดลวดอาร์เมเจอร์หมนุ ตามเข็มนาฬิกาจากตาแหน่ง 0 ไปเป็ น 30 , 60 และ 90 ดงั รูปขดลวดอาร์เมเจอร์จะเคล่ือนที่ตดั เสน้ แรงแม่เหลก็ ส่วนของสีขาวและสีดาจะตดั กบั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ เพิม่ ข้ึนเรื่อย ๆ เพราะเสน้ แรงแม่เหล็กจะมีมากข้ึนเรื่อย ๆ ตามจานวนองศาที่หมุนตดั จาก 0 ถงึ 90 จะทาใหเ้ กิดแรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนามีค่าเพิ่มข้ึนเพราะส่วนสีดาของขดลวดอาร์เมเจอร์จะเคลื่อนท่ีตดั จากส่วนบนลงล่างและส่วนสีขาวของขดลวดอาร์เมเจอร์จะเคลอ่ื นที่ตดั จากส่วนล่างข้ึนส่วนบนทาให้แรงดนั ไฟฟ้ าเสริมกนั เป็ นผลทาให้แรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาระหวา่ งแปลงถา่ นท้งั สองเพม่ิ ข้ึนเป็น 2 เท่าของแรงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนาแต่ละส่วนเพราะแรงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนาแต่ละส่วนเท่ากนั และค่าแรงดนั สูงสุดอย่ทู ี่ตาแหน่ง 90 ส่วนกระแสไฟฟ้ าท่ีเกิดข้ึนจะเปลี่ยนแปลงเหมือนกบั การเปลีย่ นแปลงของแรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาเช่นกนั

16 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั 90120150180 รูปท่ี 1.18 การหมุนของขดลวดอาร์เมเจอร์ตวั นาผา่ นสนามแม่เหลก็ เป็นมุม180 จากรูปท่ี 1.18 เมื่อขดลวดอาร์เมเจอร์หมุนตามเขม็ นาฬิกาจากตาแหน่ง 90 ไปเป็น 120150 และ 180 ขดลวดอาร์เมเจอร์จะตดั กบั เสน้ แรงแม่เหลก็ นอ้ ยลงเรื่อย ๆ จนกระทง่ั เป็น 0แรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนากจ็ ะลดลงจากมากที่สุด จนกระทงั่ เป็น 0 ท่ีตาแหน่ง 180 และกระแสไฟฟ้ าก็จะมคี ่าเท่ากบั 0 เช่นกนั 180 210240270 รูปท่ี 1.19 การหมนุ ของขดลวดอาร์เมเจอร์ผา่ นสนามแมเ่ หลก็ เป็ นมมุ 270 จากรูปที่ 1.19 เมือ่ ขดลวดอาร์เมเจอร์หมุนตามเข็มนาฬิกาจากตาแหน่ง 180 ไปตาแหน่ง210 , 240 และ 270 ขดลวดอาร์เมเจอร์จะตดั กบั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ เพิ่มข้ึนเร่ือย ๆ ทาใหม้ ีแรงดนั -ไฟฟ้ าเหน่ียวนาเพ่มิ ข้ึนจนกระทงั่ มีค่าสูงสุดทางลบที่มมุ 270 - 270300330360 รูปที่ 1.20 การหมนุ ของขดลวดอาร์เมเจอร์ผา่ นสนามแมเ่ หลก็ เป็นมมุ 360

17 หลกั การเบอ้ื งตน้ ไฟฟ้ ากระแสสลบั จากรูปท่ี 1.20 ขดลวดอาร์เมเจอร์หมุนตามเข็มนาฬิกาจากตาแหน่ง 270 ไปท่ีตาแหน่ง300 330 และ 360 ซ่ึงครบ 1 รอบพอดีในขณะที่ขดลวดอาร์เมเจอร์หมุนจะตดั กบั เสน้ แรง-แม่เหลก็ ลดนอ้ ยลงเร่ือย ๆ จะทาใหแ้ รงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนาลดลงเร่ือย ๆ ตามและจะลดลงจนเป็ น 0เม่ือหมุนครบ 1 รอบหรือที่มุม 360 พอดี รูปคลน่ื ไซน์ที่ไดจ้ ะประกอบดว้ ยแรงดนั ไฟฟ้ าท่ีเป็นบวกและลบท่ีมขี นาดเท่ากนั ดงั น้ันจึงสรุปไดว้ ่า แรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาท่ีเกิดข้ึนน้ันจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตามตาแหน่งที่ขดลวดอาร์เมเจอร์เคล่ือนท่ีตดั กบั เสน้ แรงแม่เหล็ก เช่นเมื่ออยทู่ ่ีตาแหน่ง 0 ขดลวดอาร์เมเจอร์ไม่ไดเ้ คลื่อนท่ีตดั เสน้ แรงแม่เหลก็ เลยแรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนามคี ่าเป็น 0 พอเคลื่อนท่ีไปที่ตาแหน่ง 90 ขดลวดอาร์เมเจอร์เคล่อื นท่ีตดั กบั เสน้ แรงแม่เหล็กมากที่สุด แรงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนามคี ่าสูงสุดทางบวก เมอ่ื เคลื่อนไปที่ตาแหน่ง 180 ขดลวดอาร์เมเจอร์จะขนานกบั เสน้ แรงแม่เหล็กแรงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนามีค่าเป็ น 0 พออย่ทู ี่ตาแหน่งท่ี 270 ขดลวดอาร์เมเจอร์จะตดั กบั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ มากที่สุดอีก แต่แรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนามีค่าสูงสุดทางลบ พอเคลื่อนไปอยทู่ ่ีตาแหน่ง 360หรือครบ 1 รอบ แรงดนั ไฟฟ้ าเหน่ียวนามีค่าเป็ น 0 อีก นนั่ คือขดลวดอาร์เมเจอร์หมุนครบรอบ 1รอบ 360 จะ เหนี่ยวนาแรงดนั ไฟฟ้ า 1 รอบ เรียกวา่ แรงดนั ไฟฟ้ ากระแสสลบั 0 90 180 270 360 1 รอบ รูปท่ี 1.21 แรงดนั ไฟฟ้ าเหนี่ยวนาจากตาแหน่ง 0ไปยงั ตาแหน่ง 360