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 1 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 )
แรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) หรือแรงดันไฟฟ้า (Voltage) เปลี่ยนแปลงตามเวลา(ในรูปฟังก์ชันsine ของ ωt )
คุณสมบัติของไฟฟ้ากระแสสลับ
1. สามารถส่งไปในที่ไกล ๆ ได้ดี กำลังไม่ตก
2. สามารถแปลงแรงดันให้สูงขึ้นหรือต่ำลงได้ตามต้องการโดยการใช้หม้อแปลง (Transformer)
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
เฟส และมุมเฟส
เฟส (Phase)
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°
ขดลวดเหนี่ยวนำ L ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้กระแสมีเฟสตาม Voltage อยู่ 90°
Inductivereactance, XL = ωL
Capacitive reactance, XC = 1/ωC
ไฟฟ้ากระแสตรง ω = 0
XL = 0Ω และ XC = ∞
Capacitive reactance, XC = 1/ωC
ไฟฟ้ากระแสตรง ω = 0
XL = 0Ω และ XC = ∞
แรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวต้านทานไฟฟ้าจะมีค่าเปลี่ยนแปลงเหมือนกับกระแสไฟฟ้า I = V/R = Imax sinωt การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้ามีเครื่องหมายเหมือนกับการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้ามีเฟสตรงกัน (in phase) และแอมพลิจูดอยู่ที่เวลาเดียวกัน
พิจารณาวงจรไฟฟ้าที่มีเพียงแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและตัวต้านทานตัวเดียวจะพบว่า กระแสที่ไหลผ่านวงจรเป็นตามสมการ
พิจารณาวงจรไฟฟ้าที่มีเพียงแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและตัวต้านทานตัวเดียวจะพบว่า กระแสที่ไหลผ่านวงจรเป็นตามสมการ
ให้ i = กระแสไฟฟ้าขณะใด ๆ ในวงจร
R = ค่าความต้านทาน
VR = ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมความต้านทานขณะใด ๆ = iR
Vm = แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
R = ค่าความต้านทาน
VR = ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมความต้านทานขณะใด ๆ = iR
Vm = แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ มีเแรงเคลื่อนไฟฟ้าขณะใด ๆ เป็น
V = Vmsinωt
ความต่างศักย์ตกคร่อมตัวต้านทานขณะใด ๆ มีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเสมอ
ความต่างศักย์ตกคร่อมตัวต้านทานขณะใด ๆ มีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเสมอ
ดังนั้น
VR = V = Vmsinωt
iR = Vmsinωt
i = Vmsinωt/R
แต่ sinωt มีค่ามากที่สุดเท่ากับ 1 ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่มากที่สุดในวงจร (Im)จะมีค่าเท่ากับ Vm/Rจึงสามารถเขียนสมการของกระแสไฟฟ้าที่เวลาใด ๆ ได้เป็น
iR = Vmsinωt
i = Vmsinωt/R
แต่ sinωt มีค่ามากที่สุดเท่ากับ 1 ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่มากที่สุดในวงจร (Im)จะมีค่าเท่ากับ Vm/Rจึงสามารถเขียนสมการของกระแสไฟฟ้าที่เวลาใด ๆ ได้เป็น
i=Imsinωtซึ่งถ้าเขียนกราฟความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทานและกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานเทียบกับเวลาจะได้ดังนี้
จากรูปสรุปได้ว่า"กระแสที่ผ่านตัวต้านทานมีเฟสตรงกันกับความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทาน"
พิจารณาวงจรไฟฟ้าที่มีเพียงแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและตัวเหนี่ยวนำตัวเดียวจะพบว่า กระแสที่ไหลผ่านวงจรเป็นตามสมการ
ให้ i = กระแสไฟฟ้าขณะใด ๆ ในวงจรC = 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
จากรูปจะเห็นได้ว่า กระแสไฟฟ้า i นำหน้าความต่างศักย์ VC เป็นมุม π/2 หรือ 90° หรือตามหลังความต่างศักย์กระแสเป็นมุม 90° มุมระหว่างกระแสและความต่างศักย์ในวงจรนี้ เรียกว่า มุมเฟส (phase angle) เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ Φ
ประโยชน์ของไฟฟ้ากระแสสลับ
1. ใช้กับระบบแสงสว่างได้ดี
2. ประหยัดค่าใช้จ่ายและผลิตได้ง่าย
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
2. ประหยัดค่าใช้จ่ายและผลิตได้ง่าย
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)
มีหน่วยเป็นโอห์ม (Ω)
(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 = 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 แต่มีphase
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
สามารถดูวิดิโอเพิ่มเติมได้
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น