หลักการทำงานของหม้อเเปลงไฟฟ้า (Transformer)

2014-09-19 13:58:25 ใน ความรู้เกี่ยวกับเครื่องมือต่างๆ »

299987 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
การทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าเมื่อปล่อยแรงดันไฟสลับเข้าที่ขดปฐมภูมิจะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กชักนำขึ้น ทำให้เกิดแรงดันไฟสลับขึ้นที่ขดทุติยภูมิโดยมีความถี่เท่าเดิม ขดทุติยภูมิจะมขดลวดขดเดียวหรือหลายขดก็ได้ แรงดันไฟสลับที่เกิดขึ้นที่ขดทุติยภูมิจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของขดลวด ระหว่างขดปฐมภูมิและขดทุติยภูมิ สามารถคำนวณได้ว่าทางขดปฐมภูมิ จะใช้ขดลวดกี่รอบต่อ 1 โวลต์แล้ว ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของขดลวด เมื่อสามารถหาได้ว่าขดลวดกี่รอบต่อโวลต์แล้ว ทางขดทุติยภูมิก็สามารถที่จะพันให้ได้จำนวนรอบตามที่ต้องการถ้าจำนวนรอบของขดปฐมภูมิเท่ากับจำนวนรอบของขดทุติยภูมิ แรงดันไฟสลับที่ออกมาที่ขดทุติยภูมิจะเท่ากับแรงดันไฟสลับที่ป้อนเข้าไปที่ขดปฐมภูมิ นั่นคือ ถ้าป้อนแรงดันไฟสลับเข้าที่ขดปฐมภูมิ 220 โวลต์ แรงดันไฟสลับออกที่ขดทุติยภูมิจะเท่ากับ 220 โวลต์เช่นกัน

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
ถ้าโหลดมีการดึงกระแสทางขดทุติยภูมิมากขึ้น กระแสไฟฟ้าทางขดปฐมภูมิก็จะสูงขึ้นด้วย
ในกรณีเป็นหม้อแปลงชนิดแปลงขึ้น คือ Ns > Np กระแสทางขดทุติยภูมิ(Is) ก็จะน้อยกว่าค่ากระแสทางขดปฐมภูมิ(Ip) ซึ่งหมายถึง ขนาดของลวดที่ใช้พันขดทุติยภูมิจะมีขนาดเล็กกว่า ขนาดของขดปฐมภูมิ
แต่ถ้าเป็นหม้อแปลงชนิดแปลงลง คือ Ns < Np ค่าของกระแสทางขดทุติยภูมิ(Is) ก็จะสูงกว่ากระแสทางขดปฐมภูมิ(Ip) ซึ่งหมายถึง ขนาดของลวดที่ใช้พันขดทุติยภูมิจะมีขนาดใหญ่กว่า ขนาดของขดปฐมภูมิ

ชนิดของหม้อเเปลงไฟฟ้า

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

สรุป
1. หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า เกิดจากการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกัน (Mutual Inductance) ซึ่งมีผลทำให้เกิดการเหนี่ยวนำของแรงดันไฟฟ้าจากขดลวดหนึ่งไปอีกขดลวดหนึ่ง
2. การเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิ จะทำให้กระแสไฟฟ้าทางด้านทุติยภูมิเพิ่มขึ้น ในทำนองเดียวกันถ้ากระแสไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิลดลง ก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าทางด้านทุติยภูมิลดลงด้วย ดังนั้น ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับทางด้านทุติยภูมิจึงเท่ากับความถี่ทางด้านปฐมภูมิ
3. ค่าสัมประสิทธิ์ความเหนี่ยวนำ (k) หมายถึง อัตราส่วนระหว่างจำนวนเส้นแรงแม่เหล็กที่เคลื่อนที่ไปตัดกับขดลวดทางด้านทุติยภูมิเปรียบเทียบกับเส้นแรงทั้งหมดที่เกิดจากขดลวดปฐมภูมิซึ่งจะมีค่าอยู่ระหว่าง 0 และ 1
4. อัตราส่วนจำนวนรอบ (Turns Ratio) หมายถึง อัตราส่วนระหว่างจำนวนรอบของขดลวดทางด้านทุติยภูมิ (NS) ต่อจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิ (Np) มีสูตรคำนวณดังนี้
อัตราส่วนจำนวนรอบ (Turns Ratio) = Ns/Nf

5. ถ้าแรงดันไฟฟ้าทางด้านทุติยภูมิ (VS) มีค่ามากกว่าแรงดันไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิ (VS) จะเรียกหม้อแปลงไฟฟ้าชนิดนี้ว่า หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดแปลงแรงดันขึ้น (Step-Up Transformer)
6. ถ้าแรงดันไฟฟ้าทางด้านทุติยภูมิ (VS) มีค่าน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าทางด้านปฐมภูมิ (VS) จะเรียกหม้อแปลงไฟฟ้าชนิดนี้ว่า หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดแปลงแรงดันลง (Step-Down Transformer)
7. กำลังงานที่ได้จากด้านทุติยภูมิ (PS) ในทางอุดมคติแล้วจะมีค่าเท่ากับกำลังงานทางด้านปฐมภูมิ (PS) นั่นคือ PP = PS
8. การสูญเสียกำลังภายในของหม้อแปลงไฟฟ้าเกิดจากสาเหตุ 3 ประการ ได้แก่
- ความต้านทานภายในขดลวด (Copper Loss)
- ชนิดของแกนที่ใช้พันขดลวด (Core Loss)
- การรั่วไหลของสนามแม่เหล็ก (Magnetic Leakage)

ขอขอบคุณเเหล่งข้อมูล

www2.tatc.ac.th
kpp.ac.th

กรุณาเข้า สู่ระบบ ก่อนทำการเขียนข้อความ