ไฟฟ้ากระแสสลับ

        ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating current)

                ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating current) หมายถึง กระแสไฟฟ้าที่มีการสลับสับเปลี่ยนขั้วอยู่ตลอดเวลาอย่างสม่ำเสมอ ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าก็จะเปลี่ยน
สลับ ไปมาจากบวก-ลบ และจากลบ-บวก อยู่ตลอดเวลา ซึ่งไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้าที่ใช้กันตามบ้านเรือนและโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไป

            แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

                ไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากแหล่งจ่ายไฟไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆโดยมีการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาตลอดเวลา สำหรับ

แหล่งจ่ายไฟนั้นมาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดหนึ่งเฟสหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดสามเฟส

        1. ไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว (Single Phase)

                ลักษณะการเกิดไฟฟ้ากระแสสลับ คือ ขดลวดชุดเดียวหมุนตัดเส้นแรงแม่เหล็ก เกิดแรงดันกระแสไฟฟ้า ทำให้กระแสไหลไปยังวงจร ภายนอก โดยผ่านวงแหวน 

และแปลงถ่านดังกล่าวมาแล้ว จะเห็นได้ว่าเมื่อออกแรงหมุนลวดตัวนำได้ 1 รอบ จะได้กระแสไฟฟ้าชุดเดียวเท่านั้น ถ้าต้องการให้ได้ปริมาณกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ก็ต้องใช้ลวดนำ

หลายชุดไว้บนแกนที่หมุน ดังนั้นในการออกแบบขดลวดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับถ้าหากออกแบบขดลวดบนแกนให้เพิ่มขึ้นอีก 1 ชุด แล้วจะได้กำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น


        2. ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส (Three Phase)

                เป็นการพัฒนามาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดสองเฟส โดยการออกแบบจัดวางขดลวดบนแกนที่หมุนของเครื่องกำเนิดนั้น เป็น 3 ชุด ซึ่งแต่ละชุดนั้นวางห่าง

กัน 120 องศาทางไฟฟ้า ไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ในบ้านพักอาศัย ส่วนใหญ่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว (SinglePhase) ระบบการส่งไฟฟ้าจะใช้ สายไฟฟ้า 2 สายคือ สายไฟฟ้า 1

เส้น และสายศูนย์ (นิวทรอล) หรือเราเรียกกันว่า สายดินอีก สาย สำหรับบ้านพักอาศัยในเมืองบางแห่งอาจจะใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดพิเศษ จะต้องใช้ไฟฟ้าชนิดสามเฟส ซึ่งจะให้

กำลังมากกว่า เช่น มอเตอร์เครื่องสูบน้ำในการบำบัดน้ำเสียลิฟต์ของอาคารสูง ๆ เป็นต้น



                            การไหลของกระแสสลับกลับไปกลับมาครบ 1 รอบ เรียกว่า 1 ไซเคิล (Cycle) หรือ 1 รูปคลื่น และจำนวนรูปคลื่นทั้งหมดในเวลาที่ผ่านไป 1 วินาที เรียกว่า ความถี่ 

(Frequency) ซึ่งความถี่ไฟฟ้ามีหน่วยวัดเป็น รอบต่อวินาที หรือ รูปคลื่นต่อวินาที หรือไซเคิลต่อวินาที มีหน่วยย่อเป็น "เฮิรตซ์" (Hertz) สำหรับความถี่ไฟฟ้าในประเทศไทยเท่ากับ 50 

เฮิรตซ์ สำหรับบางประเทศ เช่น สหรัฐอเมริกา จะมีค่า 60 Hz

                            ไฟฟ้ากระแสสลับที่มีรูปคลื่นของกระแสไฟฟ้าเพียง 1 รูปคลื่น เราเรียกว่า ไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟส (Single phase) และถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากำเนิดไฟฟ้าออกมา

พร้อมกัน 2 รูปคลื่น เราก็เรียกว่า ไฟฟ้ากระแสสลับ 2 เฟส และถ้ามี 3 รูปคลื่น เราก็เรียกว่า ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส ดังรูปเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส ซึ่งเรานิยมใช้กันอยู่ใน

ปัจจุบันเพราะให้แรงดันไฟฟ้าได้ 2 ระดับคือ 380 โวลต์ และ 220 โวลต์ รูปคลื่นแต่ละรูปคลื่นเรียกว่า เฟสA เฟสB และเฟสC ตามลำดับ





                        แบตเตอรี่ เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่จ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) ค่าสม่ำเสมอและมีค่าคงตัว ส่วนแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (ac source)เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่จ่าย

แรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) หรือแรงดันไฟฟ้า (Voltage) เปลี่ยนแปลงตามเวลา(ในรูปฟังก์ชันsine ของ ωt )


            คุณสมบัติของไฟฟ้ากระแสสลับ
                1.  สามารถส่งไปในที่ไกล ๆ ได้ดี กำลังไม่ตก
                2.  สามารถแปลงแรงดันให้สูงขึ้นหรือต่ำลงได้ตามต้องการโดยการใช้หม้อแปลง (Transformer)

            อุปกรณ์ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

                ตัวต้านทาน (Resistor : R)  ค่าความต้านทานมีหน่วยเป็น โอห์ม (Ohm : Ω)


        
                                สัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจร

                ตัวเก็บประจุ (Capacitor : C) ค่าความจุไฟฟ้ามีหน่วยเป็น ฟารัด (Farad :F)


                                สัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจร


            
ขดลวดเหนี่ยวนำ (Inductor : L)  ค่าความเหนี่ยวนำมีหน่วยเป็น เฮนรี (Henry : H)



                                สัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจร



            เฟส และมุมเฟส

                 เฟส (Phase) 

                    เมื่อเขียนกราฟระหว่าง sinωt กับ t จะเรียกตำแหน่งต่าง ๆ บนเส้นกราฟว่า เฟส(phase)โดยที่ ที่เวลา t = 0 ค่า sinωt มีค่าเป็นศูนย์ จะมีเฟสเท่ากับ ศูนย์และเมื่อเวลาผ่าน

ไป sinωt มีค่าสูงสุดเป็นครั้งแรก (จุด A) จะมีเฟส เท่ากับ π/2

            เฟสนำและเฟสตาม




                                                                                                 เมื่อเทียบกับ sinωt แล้วจะมีเฟสตามอยู่ π/2 เรเดียน

                                                                                               เมื่อเทียบกับ sinωt แล้วจะมีเฟสนำอยู่ π/2 เรเดียน



                        มุมเฟส (Phase angle)
 
 
                                                                                    
 

                                                                                      

 
 

 
 
 
 
 
 


 

 
 
 
 
                                                                    ตัวเก็บประจุ C ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้กระแสมีเฟสนำ Voltage อยู่ 90°
 
 
 
 

                เนื่องจากกระแสที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุจะทำให้เกิดประจุสะสมที่เพลทของตัว เก็บประจุเป็นผลให้เกิด Voltage ตกคร่อมตัวเก็บประจุซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับประจุที่สะสม (V = q/C)และกระแสจะไหลได้น้อยลงเมื่อมีประจุสะสมมากขึ้น

                                                                ขดลวดเหนี่ยวนำ L ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้กระแสมีเฟสตาม Voltage อยู่ 90°

                                                                                     
                                                                                    Inductivereactance, XL  =   ωL
                                                                                    Capacitive reactance, XC   =  1/
ωC
                                                                                   ไฟฟ้ากระแสตรง   
ω   =  0
                                                                                    XL   =   0
Ω     และ    XC   =  

                      วงจรไฟฟ้าที่มีตัวต้านทาน (R) อย่างเดียว

 

                    แรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวต้านทานไฟฟ้าจะมีค่าเปลี่ยนแปลงเหมือนกับกระแสไฟฟ้า I = V/R = Imax sinωการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้ามีเครื่องหมายเหมือนกับการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้ามีเฟสตรงกัน (in phase) และแอมพลิจูดอยู่ที่เวลาเดียวกัน

                พิจารณาวงจรไฟฟ้าที่มีเพียงแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและตัวต้านทานตัวเดียวจะพบว่า กระแสที่ไหลผ่านวงจรเป็นตามสมการ

    ให้                                  i    =  กระแสไฟฟ้าขณะใด ๆ ในวงจร
                                          R    =  ค่าความต้านทาน
                                        VR  =  ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมความต้านทานขณะใด ๆ  =  iR
                                        Vm  =  แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

                                           

                                                                     
 

 

                เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ มีเแรงเคลื่อนไฟฟ้าขณะใด ๆ เป็น
                    

                        V = Vmsinωt

               ความต่างศักย์ตกคร่อมตัวต้านทานขณะใด ๆ มีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเสมอ 
          

    ดังนั้น          

                  VR = V = Vmsinωt
                    iR  = Vmsin
ω
t
                    i = Vmsin
ω
t/R

                แต่ sin
ω
t มีค่ามากที่สุดเท่ากับ 1 ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่มากที่สุดในวงจร (Im)จะมีค่าเท่ากับ Vm/Rจึงสามารถเขียนสมการของกระแสไฟฟ้าที่เวลาใด ๆ ได้เป็น

i=Imsinωtซึ่งถ้าเขียนกราฟความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทานและกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานเทียบกับเวลาจะได้ดังนี้

 

                         จากรูปสรุปได้ว่า"กระแสที่ผ่านตัวต้านทานมีเฟสตรงกันกับความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทาน"

    

            วงจรไฟฟ้าที่มีตัวเก็บประจุ (C) อย่างเดียว 


                                       
                                                                                                         

                                                                                                         
 
 

                พิจารณาวงจรไฟฟ้าที่มีเพียงแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและตัวเหนี่ยวนำตัวเดียวจะพบว่า กระแสที่ไหลผ่านวงจรเป็นตามสมการ

      ให้                           i  =  กระแสไฟฟ้าขณะใด ๆ ในวงจร
                                    C  =  ค่าความจุของตัวเก็บประจุ
                                VC  =  ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุขณะใด ๆ

                 ความ
ต่างศักย์ที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุขณะใด ๆ มีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเสมอ ดังนั้น
                                VC  =  V  =  Vmsin
ω

                                q/C  =  Vmsin
ω

                                 q  = (CVm)sin
ω
t
                            dq/dt  =  d(CVm)sin
ω
t / dt 
                              i  =  (
ωC)Vm cosωt  =  Vm/(1/ωC)cosω
t

                ปริมาณ 1/
ωC เรียกว่า ความต้านทานแห่งความจุ (capacitive reactance)เขียนแทนด้วย XC ดังนั้น
                              i   =  Vm/XC cos
ωt  =  Imsin(π/2+ω
t)
                                 i   =  Imsin(
ωt+π/2) 

        ซึ่งถ้าเขียนกราฟความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทานและกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานเทียบกับเวลาจะได้ดังนี้

 
 
 
         จากรูปจะเห็นได้ว่า กระแสไฟฟ้า i นำหน้าความต่างศักย์ VC เป็นมุม π/2 หรือ 90° หรือตามหลังความต่างศักย์กระแสเป็นมุม 90° มุมระหว่างกระแสและความต่างศักย์ในวงจรนี้ เรียกว่า มุมเฟส (phase angle) เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ Φ

            

            ประโยชน์ของไฟฟ้ากระแสสลับ

            1. ใช้กับระบบแสงสว่างได้ดี      
            2ประหยัดค่าใช้จ่ายและผลิตได้ง่าย
            3. ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังมากๆ
            4. ใช้กับเครื่องเชื่อม

            5. ใช้กับเครื่องอำนวยความสะดวกและอุปกรณ์ไฟฟ้าได้เกือบทุกชนิด 

        หน้าที่ของ
R L และC ในวงจรไฟฟ้า
        ตัวต้านทาน     Resistance : R
        ตัวเหนี่ยวนำ    Inductive reactance : XL
        ตัวเก็บประจุ    Capacitive reactance : XC
                R , L และ C ทำหน้าที่ลดปริมาณและเปลี่ยนเฟสของกระแสไฟฟ้าในวงจรให้มีค่าที่ต้องการ กล่าวคือ R , L และ C แสดงการต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้ L และ C ยังสามารถเปลี่ยนเฟสของกระแสไฟฟ้าได้ด้วย

                ขดลวดเหนี่ยวนำ L และตัวเก็บประจุ C ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ จะทำให้กระแส และโวลเตจมีค่าสูงสุดไม่พร้อมกัน กล่าวได้ว่ากระแสและโวลเตจมีเฟสต่างกัน โดยเฟสจะมีค่าต่างกันน้อยกว่าหรือเท่ากับ 90° เสมอ

                    อิมพีแดนซ์ (Impedance)

                    Impedance,z = Voltage/Current
                    มีหน่วยเป็นโอห์ม (
Ω)


                                                                                   


                                                                                     



                                                                               





                วงจรไฟฟ้ากระแสสลับโดยทั่วไป จะประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานอีก 3 ชนิด ได้แก่
                


                (1)   ตัวต้านทาน


                (2)  ตัวเก็บประจุไฟฟ้า


                (3)  ขดลวดเหนี่ยวนำไฟฟ้า


                เมื่อนำเอาอุปกรณ์เหล่านี้มาต่อกันเป็นวงจร กระแสที่ไหลในวงจร ค่าความต่างศักย์ที่ตกคร่อมอุปกรณ์ และมุมเฟสระหว่างกระแสและความต่างศักย์จะมีลักษณะต่าง ๆ กันออกไป



        วงจรไฟฟ้าที่มีขดลวดเหนี่ยวนำ (
L)อย่างเดียว



พิจารณาวงจรไฟฟ้าที่มีเพียงแหล่งกำเนิดไฟสลับและตัวเหนี่ยวนำตัวเดียว


 
  





              จะพบว่า กระแสที่ไหลผ่านวงจรเป็นตามสมการ
            ให้ 
i  =  กระแสในวงจรขณะใด ๆ
            L  =  ค่าความเหนี่ยวนำ
            VL  =  ค่าความต่างศักย์ที่ตกคร่อมขดลวดเหนี่ยวนำ

            ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมขดลวดเหนี่ยวนำขณะใด ๆ จะเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
            VL  =  V  =  Vmsin
ωt
            L di/dt  =   Vmsin
ωt
            di  =  1/L Vmsin
ωtdt
       di  =  Vm/L 0t sinωtdt  = Vm/L0tsinωt  1/ω dωt
            i  =  Vm/L [-cos
ω
t]

            ปริมาณ
ωL เรียกว่า ความต้านทานแห่งการเหนี่ยวนำ (Inductive reactance) เขียนแทนด้วย XL
    ดังนั้น สมการแสดงกระแสที่ไหลในวงจร เขียนได้เป็น
            i  =  -Vm/XL cos
ωt
            กระแสไฟฟ้าจะมีค่ามากที่สุด เมื่
ιcosωtι  = 1 

จะได้
            Im  =  Vm/XL cos
ωt
            จะได้ 
i  =  -Imcosωt   =  -Imsin(π/2-ωt   =  -Imsin[-(ωt-π/2)]
                        i  =  Imsin(
ωt-π
/2) 


                ซึ่งถ้าเขียนกราฟความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทานและกระแสที่ไหลผ่านตัวต้าน ทานเทียบกับเวลาจะได้ดังนี้ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงแบบ sine curve เหมือนกัน แต่มี phase 

ต่างกัน คือ กระแสไฟฟ้ามีเฟสตามหลังความต่างศักย์เป็นมุม π/2 หรือ 90°


 

            เครื่องตัดไฟฟ้า

                เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วหรือที่รู้จักกันว่า "เครื่องกันไฟฟ้าดูด" นั่นคือ เครื่องตัดไฟฟ้าอัตโนมัติที่จะทำงานตัดไฟฟ้าเมื่อกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเข้า และกลับออกจากเครื่องฯ มีค่า

ไม่เท่ากัน (นั่นคือมีกระแสไฟฟ้าบางส่วนรั่วหายไป)

    

            ประโยชน์ของเครื่องตัดไฟฟ้ารั่ว

                ใช้สำหรับตัดไฟฟ้าเมื่อมีไฟฟ้ารั่วเกิดขึ้นกับวงจรไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้า (ป้องกันอัคคีภัย) และใช้สำหรับตัดไฟฟ้าเมื่อมีไฟฟ้ารั่วไหลผ่านร่างกาย (ป้องกันไฟฟ้าดูด)

    

            ประเภทของเครื่องตัดไฟฟ้ารั่ว

            เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วมีอยู่หลายประเภทขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการทำงานในที่นี้จะกำหนดเป็นประเภทใหญ่ ๆ 2 ประเภทคือ

            1.  เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วชนิดที่สามารถตัดกระแสลัดวงจรได้

                เครื่องชนิดนี้สามารถใช้งานได้โดยอิสระตัดได้ทั้งไฟฟ้ารั่วและกระแสลัดวงจร 

           2.  เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วชนิดที่ไม่สามารถตัดกระแสลัดวงจรได้

                ต้องใช้ร่วมกับฟิวส์หรือเครื่องตัดกระแสลัดวงจรช่วยเสริมในกรณีที่ต้องตัดกระแสลัดวงจรด้วย

            ความแตกต่างระหว่างการใช้เครื่องตัดไฟฟ้าและสายดิน

                ต้องใช้ร่วมกับฟิวส์หรือเครื่องตัดกระแสลัดวงจรช่วยเสริมในกรณีที่ต้องตัดกระแสลัดวงจรด้วย

                - สายดิน เป็นความจำเป็นอันดับแรกที่ผู้ใช้ไฟฟ้าจะต้องมีสำหรับป้องกันไฟฟ้าดูด เพื่อให้กระแสไฟฟ้ารั่วไหลลงสายดินโดยไม่ผ่านร่างกาย (ไฟฟ้าไม่ดูด)

               เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วเมื่อใช้กับระบบไฟฟ้าที่มีสายดินจะเป็นมาตรการเสริม เพื่อให้มีการตัดไฟฟ้ารั่วก่อนที่จะเป็นอันตราย กับระบบไฟฟ้าหรือกับมนุษย์

              เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วในระบบไฟฟ้าที่ไม่มีสายดิน จะทำงานก็ต่อเมื่อมีไฟฟ้ารั่วไหลผ่านร่างกายแล้ว (ต้องถูกไฟฟ้าดูดก่อน) ดังนั้น ความปลอดภัยจึงขึ้นอยู่กับความไวในการ

             ตัดกระแสไฟฟ้า

              ระบบไฟฟ้าที่ดีจึงต้องมีทั้งระบบสายดินและเครื่องตัดไฟฟ้ารั่ว เพื่อความปลอดภัยทั้งจากอัคคีภัยและการถูกไฟฟ้าดูด


            คุณสมบัติของเครื่องตัดไฟฟ้ารั่วที่ใช้สำหรับป้องกันไฟฟ้าดูด

            •  ขนาดกระแสไฟฟ้ารั่วที่กำหนด (IAN) ต้องไม่เกิน 30 mA (มิลลิแอมป์)

             •  ระยะเวลาในการตัดกระแสไฟฟ้ารั่ว ต้องไม่เกิน 0.04 วินาทีที่ไฟฟ้ารั่ว 5 เท่า (5 IAN)

             •  เครื่องตัดไฟฟ้ารั่ว ต้องไม่ตัดไฟฟ้าเมื่อมีไฟฟ้ารั่วเพียงครึ่งหนึ่ง (0.5 IAN)

             •  ควรติดตั้งเพื่อใช้ป้องกันอันตรายเฉพาะจุด ไม่ควรติดตั้งไว้ที่เมนสวิตช์ เช่น ให้ติดตั้งในวงจรเต้ารับที่เดินสายไฟฟ้าไปใช้งานภายนอกวงจรเต้ารับที่ใช้ใน ห้องครัว/ห้องน้ำ/

ห้องที่มีเด็ก ๆ วงจรย่อยที่ต้องการความปลอดภัยอื่นๆ

 

 






 




Comments