เนื่อหา

ไฟฟ้ากระแสสลับ และ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ


  ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating current) เป็นกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากแหล่งจ่ายไฟไปยัง อุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆโดยมีการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาตลอดเวลา สำหรับแหล่งจ่ายไฟนั้นมาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดหนึ่งเฟสหรือ                  เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดสามเฟส

1. ไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว (Single Phase)


    ลักษณะการเกิดไฟฟ้ากระแสสลับ คือ ขดลวดชุดเดียวหมุนตัดเส้นแรงแม่เหล็ก เกิดแรงดันกระแสไฟฟ้า ทำให้กระแสไหลไปยังวงจร ภายนอก โดยผ่านวงแหวน และแปลงถ่านดังกล่าวมาแล้ว จะเห็นได้ว่าเมื่อออกแรงหมุนลวดตัวนำได้ 1 รอบ จะได้กระแสไฟฟ้าชุดเดียวเท่านั้น ถ้าต้องการให้ได้ปริมาณกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ก็ต้องใช้ลวดวนำหลายชุดไว้บนแกนที่หมุน ดังนั้นในการออกแบบขดลวดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับถ้าหากออกแบบดขดลวด บนแกนให้เพิ่มขึ้นอีก 1 ชุด แล้วจะได้กำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

ไฟฟ้าสลับ1

  2. ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส (Three Phase)


     เป็นการพัฒนามาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดสองเฟส โดยการออกแบบจัดวางขดลวดบนแกนที่หมุนของเครื่องกำเนิดนั้น เป็น 3 ชุด ซึ่งแต่ละชุดนั้นวางห่างกัน 120 องศาทางไฟฟ้า ไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ในบ้านพักอาศัย ส่วนใหญ่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว (SinglePhase) ระบบการส่งไฟฟ้าจะใช้ สายไฟฟ้า 2 สายคือ สายไฟฟ้า 1 เส้น และสายศูนย์ (นิวทรอล) หรือเราเรียกกันว่า สายดินอีก 1 สาย สำหรับบ้านพักอาศัยในเมืองบางแห่งอาจจะใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดพิเศษ จะต้องใช้ไฟฟ้าชนิดสามเฟส ซึ่งจะให้กำลังมากกว่า เช่น มอเตอร์เครื่องสูบน้ำในการบำบัดน้ำเสียลิฟต์ของอาคารสูง ๆ เป็นต้น

ไฟฟ้าสลับ2


   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) และถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากำเนิดไฟฟ้าออกมาพร้อมกัน 2 รูปคลื่น เราก็เรียกว่า ไฟฟ้ากระแสสลับ 2 เฟส และถ้ามี 3 รูปคลื่น เราก็เรียกว่า ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส ดังรูปเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส ซึ่งเรานิยมใช้กันอยู่ในปัจจุบันเพราะให้แรงดันไฟฟ้าได้ 2 ระดับคือ 380 โวลต์ และ 220 โวลต์ รูปคลื่นแต่ละรูปคลื่นเรียกว่า เฟส A เฟส B และเฟส C ตามลำดับ

ไฟฟ้าสลับ

 

แบตเตอรี่ เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่จ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) ค่าสม่ำเสมอและมีค่าคงตัว ส่วนแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (ac source)เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่จ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) หรือแรงดันไฟฟ้า (Voltage) เปลี่ยนแปลงตามเวลา(ในรูปฟังก์ชัน sine ของ ωt )

ไฟฟ้าสลับ4

คุณสมบัติของไฟฟ้ากระแสสลับ

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

อุปกรณ์ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

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

ไฟฟ้าสลับ5


สัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจร   ไฟฟ้าสลับ6 


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

ไฟฟ้าสลับ7


สัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจร  ไฟฟ้าสลับ8


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

ไฟฟ้าสลับ9


สัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจร  ไฟฟ้าสลับ10

เฟส และมุมเฟส

เฟส (Phase)

 

เมื่อเขียนกราฟระหว่าง sinωt กับ t จะเรียกตำแหน่งต่าง ๆ บนเส้นกราฟว่า เฟส(phase)โดยที่ ที่เวลา t = 0 ค่า sinωt มีค่าเป็นศูนย์ จะมีเฟสเท่ากับ ศูนย์และเมื่อเวลาผ่านไป sinωt มีค่าสูงสุดเป็นครั้งแรก (จุด A) จะมีเฟส เท่ากับ π/2

เฟสนำและเฟสตาม

y1

y2

เมื่อเทียบกับ sinωt แล้วจะมีเฟสตามอยู่ π/2 เรเดียน

y3

เมื่อเทียบกับ sinωt แล้วจะมีเฟสนำอยู่ π/2 เรเดียน

มุมเฟส (Phase angle)

phase_angle1

phase_angle2

phase_angle13

phase_angle4

phase_angle5

phase_angle6




ตัวเก็บประจุ C ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้กระแสมีเฟสนำ Voltage อยู่ 90°

phase_angle7
 


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

ขดลวดเหนี่ยวนำ L ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้กระแสมีเฟสตาม Voltage อยู่ 90°  

phase_angle8

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


วงจรไฟฟ้าที่มีตัวต้านทาน (R) อย่างเดียว

wave  

แรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวต้านทานไฟฟ้าจะมีค่าเปลี่ยนแปลงเหมือนกับกระแสไฟฟ้า I = V/R = Imax sin ωt  การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้ามีเครื่องหมายเหมือนกับการเปลี่ยนแปลงของกระแส ไฟฟ้าแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้ามีเฟสตรงกัน (in phase) และแอมพลิจูดอยู่ที่เวลาเดียวกัน

พิจารณาวงจรไฟฟ้าที่มีเพียงแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและตัวต้านทานตัวเดียวจะพบว่า กระแสที่ไหลผ่านวงจรเป็นตามสมการ
ให้  i    =  กระแสไฟฟ้าขณะใด ๆ ในวงจร
R    =  ค่าความต้านทาน
VR  =  ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมความต้านทานขณะใด ๆ  =  iR
Vm  =  แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุดของเครื่องกำำเนิดไฟฟ้า

r1

  r2   r3

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ มีเแรงเคลื่อนไฟฟ้าขณะใด ๆ เป็น
V  =  Vmsinωt

ความต่างศักย์ตกคร่อมตัวต้านทานขณะใด ๆ มีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเสมอ ดังนั้น
VR  =  V  =  Vmsinωt
iR   =  Vmsinωt
i  =  Vmsinωt / R

แต่ sinωt มีค่ามากที่สุดเท่ากับ 1 ดังนั้น กระแสไฟฟ้าืั้ที่มากที่สุดในวงจร (Im)จะมีค่าเท่ากับ Vm/R
จึงสามารถเขียนสมการของกระแสไฟฟ้าที่เวลาใด ๆ ได้เป็น i = Imsinωt
ซึ่งถ้าเขียนกราฟความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทานและกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานเทียบกับเวลาจะได้ดังนี้

r4

จากรูปสรุปได้ว่า"กระแสที่ผ่านตัวต้านทานมีเฟสตรงกันกับความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทาน"

 

วงจรไฟฟ้าที่มีตัวเก็บประจุ (C) อย่างเดียว 

c_circuit   eq_c

                                                                                      eq_c2

พิจารณาวงจรไฟฟ้าที่มีเพียงแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและตัวเหนี่ยวนำตัวเดียวจะพบว่า กระแสที่ไหลผ่านวงจรเป็นตามสมการ

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

ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุขณะใด ๆ มีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเสมอ ดังนั้น
VC  =  V  =  Vmsinωt
q/C  =  Vmsinωt
q  = (CVm)sinωt
dq/dt  =  d(CVm)sinωt / dt
i  =  (ωC)Vm cosωt  =  Vm/(1/ωC)cosωt

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

ซึ่งถ้าเขียนกราฟความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทานและกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานเทียบกับเวลาจะได้ดังนี้

graph_c1

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

ประโยชน์ของไฟฟ้ากระแสสลับ

1.  ใช้กับระบบแสงสว่างได้ดี      
2.  ประหยัดค่าใช้จ่าย และผลิตได้ง่าย
3.  ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังมาก ๆ
4.  ใช้กับเครื่องเชื่อม
5.  ใช้กับเครื่องอำนวยความสะดวกและอุปกรณ์ไฟฟ้าได้เกือบทุกชนิด

หน้าที่ของ R L และ C 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
มีหน่วยเป็น โอห์ม (Ω)

impedance1

impedance2


impedance3

impedance4

วงจรไฟฟ้ากระแสสลับโดยทั่วไป จะประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานอีก 3 ชนิด ได้แก่
(1)   ตัวต้านทาน
(2)  ตัวเก็บประจุไฟฟ้า
(3)  ขดลวดเหนี่ยวนำไฟฟ้า


เมื่อนำเอาอุปกรณ์เหล่านี้มาต่อกันเป็นวงจร กระแสที่ไหลในวงจร ค่าความต่างศักย์ที่ตกคร่อมอุปกรณ์ และมุมเฟสระหว่างกระแสและความต่างศักย์จะมีลักษณะต่าง ๆ กันออกไป

วงจรไฟฟ้าที่มีขดลวดเหนี่ยวนำ (L)อย่างเดียว


l1

พิจารณาวงจรไฟฟ้าที่มีเพียงแหล่งกำเนิดไฟสลับและตัวเหนี่ยวนำตัวเดียว

l2

l3

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

ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมขดลวดเหนี่ยวนำขณะใด ๆ จะเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
VL  =  V  =  Vmsinωt
L di/dt  =   Vmsinωt
di  =  1/L Vmsinωtdt
∫di  =  Vm/L 0∫t sinωtdt  = Vm/L0∫tsinωt  1/ω dωt
i  =  Vm/L [-cosωt]

ปริมาณ ωL เรียกว่า ความต้านทานแห่งการเหนี่ยวนำ (Inductive reactance) เขียนแทนด้วย XL
ดังนั้น สมการแสดงกระแสที่ไหลในวงจร เขียนได้เป็น
i  =  -Vm/XL cosωt
กระแสไฟฟ้าจะมีค่ามากที่สุด เมื่อ ιcosωtι  = 1 จะได้
Im  =  Vm/XL cosωt
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°


l4
 

เครื่องตัดไฟฟ้า

 

เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วหรือที่รู้จักกันว่า "เครื่องกันไฟฟ้าดูด" นั่นคือ เครื่องตัดไฟฟ้าอัตโนมัติที่จะทำงานตัดไฟฟ้าเมื่อกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเข้า และกลับออกจากเครื่องฯ มีค่าไม่เท่ากัน (นั่นคือมีกระแสไฟฟ้าบางส่วนรั่วหายไป)

ประโยชน์ของเครื่องตัดไฟฟ้ารั่ว

ใช้ สำหรับตัดไฟฟ้าเมื่อมีไฟฟ้ารั่วเกิดขึ้นกับวงจรไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้า (ป้องกันอัคคีภัย) และใช้สำหรับตัดไฟฟ้าเมื่อมีไฟฟ้ารั่วไหลผ่านร่างกาย (ป้องกันไฟฟ้าดูด)

ประเภทของเครื่องตัดไฟฟ้ารั่ว
เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วมีอยู่หลายประเภทขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการทำงานในที่นี้จะกำหนดเป็นประเภทใหญ่ ๆ 2 ประเภทคือ
1. เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วชนิดที่สามารถตัดกระแสลัดวงจรได้
-  เครื่องชนิดนี้สามารถใช้งานได้โดยอิสระตัดได้ทั้งไฟฟ้ารั่วและกระแสลัดวงจร
2. เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วชนิดที่ไม่สามารถตัดกระแสลัดวงจรได้
-  ต้องใช้ร่วมกับฟิวส์หรือเครื่องตัดกระแสลัดวงจรช่วยเสริมในกรณีที่ต้องตัดกระแสลัดวงจรด้วย

ความแตกต่างระหว่างการใช้เครื่องตัดไฟฟ้าและสายดิน
- สายดิน เป็นความจำเป็นอันดับแรกที่ผู้ใช้ไฟฟ้าจะต้องมีสำหรับป้องกันไฟฟ้าดูด เพื่อให้กระแสไฟฟ้ารั่วไหลลงสายดินโดยไม่ผ่านร่างกาย (ไฟฟ้าไม่ดูด)
- เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วเมื่อใช้กับระบบไฟฟ้าที่มีสายดินจะเป็นมาตรการเสริม เพื่อให้มีการตัดไฟฟ้ารั่วก่อนที่จะเป็นอันตราย กับระบบไฟฟ้าหรือกับมนุษย์
- เครื่องตัดไฟฟ้ารั่วในระบบไฟฟ้าที่ไม่มีสายดิน จะทำงานก็ต่อเมื่อมีไฟฟ้ารั่วไหลผ่านร่างกายแล้ว (ต้องถูกไฟฟ้าดูดก่อน) ดังนั้น ความปลอดภัยจึงขึ้นอยู่กับความไวในการตัดกระแสไฟฟ้า
- 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 วงจรย่อยที่ต้องการความปลอดภัยอื่น ๆ

การติดตั้งอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ถูกต้อง

main_circiut_breaker


แหล่งที่มา: ไทยกู๊ดวิวดอทคอม
Comments