Translate

วันพฤหัสบดีที่ 22 พฤศจิกายน พ.ศ. 2555

หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า

สาระสำคัญ
:::  หม้อแปลงไฟฟ้า คืออุปกรณ์ที่ใช้แปลงแรงดันไฟฟ้าสลับ ให้มีขนาดแรงดันตามที่เราต้องการ  เรานำหม้อแปลงไฟฟ้าไปใช้ในงานหลายด้าน ทั้งในระบบการจ่ายไฟฟ้า หรือเป็นอุปกรณ์ประกอบในเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆที่ใช้กันตามบ้านเรือน ไม่ว่าจะเป็น โทรทัศน์ เครื่องขยายเสียง วิทยุเทป หรือ อะแด๊ปเตอร์แปลงไฟเพื่อใช้ในงานต่างๆ  จึงนับว่ามีความสำคัญและเกี่ยวข้องกับงานทางไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก
จุดประสงค์เชิงพฤติกรรม
  1. อธิบายความสำคัญของหม้อแปลงไฟฟ้าได้
  2. อธิบายหลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าได้
  3. สามารถแบ่งประเภทและเปรียบเทียบหม้อแปลงชนิดต่างๆได้ถูกต้อง
  4. อธิบายโครงสร้างของหม้อแปลงได้ถูกต้อง
  5. คำนวณค่าต่างๆในวงจรหม้อแปลงได้ถูกต้อง
  6. สามารถตรวจสอบขั้วของหม้อแปลงไฟฟ้าได้
หลักการทำงาน
ในระบบจ่ายไฟฟ้าจะมีการแปลงแรงดันไฟฟ้าสลับให้มีขนาดสูงมากๆ เช่นให้มีขนาดเป็น 48kV หรือ 24kV เพื่อลดขนาดของลวดตัวนำ ที่ต้องใช้ในการจ่ายไฟฟ้าเป็นระยะทางไกลๆ  เมื่อถึงปลายทางก่อนที่จะจ่ายไฟฟ้าไปให้แก่บ้านเรือนต่างๆ ก็จะแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าให้ลดลงเป็น 220 V  เพื่อลดอันตรายที่จะเกิดแก่ผู้ใช้ไฟฟ้า และเมื่อต้องการใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ระดับแรงดันต่ำๆ เช่น 6V หรือ 9V ก็จะต้องมีการแปลงดันไฟฟ้า ตามบ้านจาก 220 V เป็นระดับแรงดันไฟฟ้าตามที่ต้องการ  อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ดังกล่าว เราเรียกว่า หม้อแปลงไฟฟ้า (Transformer) 
การทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้านั้น อาศัยหลักการความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้ากับเส้นแรงแม่เหล็กในการสร้างแรงเคลื่อนเหนี่ยวนำให้กับตัวนำ คือ เมื่อมีกระแสไหลผ่านขดลวดตัวนำ ก็จะทำให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็กรอบๆตัวนำนั้น และถ้ากระแสที่ป้อนมีขนาดและทิศทางที่เปลี่ยนแปลงไปมา ก็จะทำให้สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีการเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย  ถ้าสนามแม่เหล็กที่มีการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวตัดผ่านตัวนำ ก็จะเกิดแรงเคลื่อนเหนี่ยวนำขึ้นที่ตัวนำนั้น โดยขนาดของแรงเคลื่อนเหนี่ยวนำจะสัมพันธ์กับ ความเข้มของสนามแม่เหล็ก และความเร็วในการตัดผ่านตัวนำของสนามแม่เหล็ก
พิจารณาจากรูป จะเห็นว่าโครงสร้างของหม้อแปลงจะประกอบ ไปด้วย ขดลวด 2 ขดพันรอบแกนที่เป็นสื่อกลางของเส้นแรงแม่เหล็ก ซึ่งอาจเป็นแกนเหล็ก แกนเฟอไรท์ หรือแกนอากาศ  ขดลวดที่เราจ่ายไฟเข้าไปเราเรียกว่า ขดปฐมภูมิ  (Primary Winding) และ ขดลวดอีกขดที่ต่อเข้ากับโหลด เราเรียกว่า ขดทุติยภูมิ (Secondary Winding)
เมื่อเราจ่ายกระแสไฟฟ้าสลับให้กับขดปฐมภูมิ ก็จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไป-มา โดยเส้นแรงแม่เหล็กดังกล่าวก็จะวิ่งไป-มา ตามแกน และไปตัดกับขดทุติยภูมิ ทำให้เกิดแรงดันเหนี่ยวนำขึ้นที่ขดทุติยภูมิที่ต่อกับโหลด โดยแรงเคลื่อนเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้น จะมีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กและจำนวนรอบของขดลวด
จากสมการ(4)จะเห็นว่าแรงดันไฟฟ้าทางขดทุติยภูมิ จะขึ้นอยู่กับอัตราส่วนจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ และขดปฐมภูมิ โดยถ้าเราพันขดลวดทุติยภูมิ ให้มีจำนวนรอบมากกว่าขดปฐมภูมิ แรงดันไฟฟ้าขาออกทางขดทุติยภูมิ ก็จะสูงกว่าแรงดันไฟฟ้า ที่จ่ายเข้ามาทางขดปฐมภูมิ เราเรียกว่าเป็น หม้อแปลงชนิดแปลงแรงดันขึ้น (Step Up Transformer)   แต่ถ้าเราพันขดทุติยภูมิ ให้มีจำนวนรอบน้อยกว่าขดปฐมภูมิ    แรงดันไฟฟ้าทางขดทุติยภูมิก็จะต่ำกว่าแรงดันที่จ่ายเข้ามาทางขดปฐมภูมิ เราเรียกว่าเป็น หม้อแปลงชนิดแปลงแรงดันลงขึ้น (Step Down Transformer)
จากสมการ (5) เราสามารถตีความหมายได้ดังนี้ คือ
  1. ถ้าโหลดมีการดึงกระแสทางขดทุติยภูมิมากขึ้น กระแสไฟฟ้าทางขดปฐมภูมิก็จะสูงขึ้นด้วย
  2. ในกรณีเป็นหม้อแปลงชนิดแปลงขึ้น คือ Ns > Np กระแสทางขดทุติยภูมิ(Is) ก็จะน้อยกว่าค่ากระแสทางขดปฐมภูมิ(Ip) ซึ่งหมายถึง ขนาดของลวดที่ใช้พันขดทุติยภูมิจะมีขนาดเล็กกว่า ขนาดของขดปฐมภูมิ
  3. แต่ถ้าเป็นหม้อแปลงชนิดแปลงลง คือ Ns < Np ค่าของกระแสทางขดทุติยภูมิ(Is) ก็จะสูงกว่ากระแสทางขดปฐมภูมิ(Ip) ซึ่งหมายถึง ขนาดของลวดที่ใช้พันขดทุติยภูมิจะมีขนาดใหญ่กว่า ขนาดของขดปฐมภูมิ
หม้อแปลงชนิดต่าง
เราสามารถแบ่งชนิดของหม้อแปลงไฟฟ้า ตามแกนของหม้อแปลงได้ 3 แบบ คือ
    1. หม้อแปลงชนิด แกนเหล็ก (Iron Core Transformer) หม้อแปลงแบบนี้จะใช้ แผ่นเหล็กอ่อนหลายๆแผ่นส่วนใหญ่จะใช้รูปทรงตัว E กับ ตัว I ประกอบกันเป็นแกนซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ในงานทั่วไปที่มีความถี่ไม่สูงนัก เช่นหมัอแปลงในงานส่งกำลังไฟฟ้า หรือหม้อแปลงแปลง แรงดันไฟฟ้าตามบ้าน เป็นแรงดันต่ำๆตามที่ต้องการ หม้อแปลงชนิดนี้จะมีประสิทธิภาพสูงที่สุด
2. หม้อแปลงชนิดแกนเฟอร์ไรท์ (Ferrite Core Transformer) หม้อแปลงชนิดนี้ส่วนใหญ่จะใช้ในงานที่มีความถี่สูง เช่นในเครื่องรับ เครื่องส่ง วิทยุ หรือในวงจรสวิตชิ่ง เพราะไม่สามารถใช้หม้อแปลงชนิดแกนเหล็กได้
3. หม้อแปลงชนิดแกนอากาศ (Air Core Transformer) หม้อแปลงชนิดนี้จะใช้ในงานความถี่สูงมากๆ เช่นในเครื่องรับ เครื่องส่งวิทยุ ความถี่สูง เพราะไม่สามารถใช้หม้อแปลงชนิดอื่นได้เนื่องจากจะเกิดความสูญเสียอย่างมาก
โครงสร้างของหม้อแปลง
โครงสร้างภายในของหม้อแปลงจะประกอบด้วยขดลวดจะพันรอบฟอร์มพลาสติก โดยมีกระดาษฉนวนกั้นระหว่างแต่ละขดที่พัน และมีแกนเหล็กแผ่นบางๆที่เคลือบด้วยแล็กเกอร์ โดยส่วนหนึ่งจะเป็นลักษณะคล้ายตัว E และอีกส่วนจะมีลักษณะคล้ายตัว I สวมสลับกันบนฟอร์ม ที่ต้องใช้แกนที่เป็นแผ่นเหล็กอ่อนแทนที่จะใช้เป็นเหล็กตัน ก็เพื่อลดปัญหาของกระแสไหลวน(Eddy Current) ในแกนเหล็กซึ่งจะเป็นตัวลดประสิทธิภาพของหม้อแปลง
การคำนวณค่าในวงจรหม้อแปลง
การคำนวณค่าในวงจรหม้อแปลง จะอาศัยความสัมพันธ์ตามสมการต่างๆดังกล่าวข้างต้น  เราจะลองมาคำนวณค่าในวงจรหม้อแปลง โดยอาศัยสมการดังกล่าว
การตรวจสอบขั้วหม้อแปลง
หม้อแปลงไฟฟ้านอกจากจะใช้ประโยชน์ในการแปลงแรงดันไฟฟ้าแล้ว ยังใช้ในการสลับเฟสสัญญาณเพื่อใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆด้วย ลักษณะของแรงดันขาออกจะกลับเฟส กับสัญญาณขาเข้าหรือไม่ ขึ้นอยู่กับต่อขั้วของหม้อแปลง โดยจะใช้จุดเป็นตัวบ่งขั้วหม้อแปลง ว่าเป็นด้านหัวสายหรือปลายสาย และสามารถใช้ต่อให้สัญญาณขาออก (Output Signal) มีลักษณะกลับเฟส (Out of Phase) หรือ ตามเฟส (In Phase) กับสัญญาณขาเข้า (Input Signal)
ซึ่งเราสามารถหาขั้วสายด้านหัวและด้านปลายอย่างง่าย โดยการใช้มิเตอร์ดังรูป
โดยใช้มิเตอร์ตั้งย่านวัด DC Volts ต่อที่ขดทุติยภูมิ  แล้วนำแบตเตอรี่มาเขี่ยที่ขดปฐมภูมิ ถ้าเข็มของมิเตอร์ตีขึ้น แสดงว่า เป็นขั้วแบบเฟสเดียวกันดังรูป โดยปลายสายด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงที่ต่อกับขั้วบวกของมิเตอร์ และปลายสายด้านปฐมภูมิ ที่ต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่ จะเป็นขั้วที่มีเฟส ตรงกัน สามารถกำหนดจุดที่ปลายสายทั้งสอง   แต่ถ้าเข็มตีกลับ แสดงว่าขั้วจะเป็นตรงข้าม
อีกวิธีเป็นการวัดโดยใช้ไฟสลับ โดยต่อขั้วหม้อแปลงด้านหนึ่งเข้าด้วยกันแล้วใช้ แล้วป้อน แรงดันแหล่งจ่ายไฟสลับ เข้าที่ขั้วด้านขาเข้าของหม้อแปลง จากนั้นใช้มัลติมิเตอร์ตั้งย่านวัด AC Volts ต่อวัดแรงดัน ดังรูป
ถ้าค่าแรงดันที่อ่านได้มีค่าสูงกว่าแรงดันทางขาเข้า โดยมีค่าเท่ากับผลรวมของแรงดันขาเข้าและแรงดันขาออก แสดงว่าขั้วที่ต่อมีลักษณะกลับขั้วกัน ตามรูป ก.
แต่ถ้าค่าแรงดันที่อ่านได้มีค่าต่ำกว่าแรงดันทางขาเข้า โดยมีค่าเท่ากับผลลบระหว่างแรงดันขาเข้าและแรงดันขาออก แสดงว่าขั้วที่ต่อ มีลักษณะตรงกัน ตามรูป ข.
ข้อควรระวังในการใช้งาน
  1. เลือกชนิดหม้อแปลงให้เหมาะสมกับความถี่ที่ใช้งาน
  2. การใช้งานหม้อแปลงควรคำนึงถึงอัตราการทนกำลังของหม้อแปลงด้วย มิฉะนั้นจะทำให้หม้อแปลงไหม้ได้ เนื่องจากมีกระแสไหลสูงเกินไป
  3. หม้อแปลงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานกับไฟสลับ จึงไม่ควรป้อนไฟตรงเข้าที่ขั้วหม้อแปลงเพราะอาจจะทำให้หม้อแปลงไหม้ได้
  4. ถ้าต่อใช้งานหม้อแปลงในลักษณะ ออโต้ทรานส์ฟอร์เมอร์ (Auto Transformer) ควรระวังถูกไฟฟ้าดูดด้วย เนื่องจากไม่มีการแยกการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟบ้าน เหมือนกับหม้อแปลงที่ใช้งานในลักษณะปกติ
  5. หม้อแปลงเป็นอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยสนามแม่เหล็ก ในขณะใช้งานจึงควรระวังไม่นำไปไกลอุปกรณ์ที่มีผลต่อสนามแม่เหล็ก เช่น แผ่นดิสก์ เทปเสียง หรือ จอภาพโทรทัศน์ 

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

แสดงความคิดเห็น