ไฟฟ้ากระแสสลับ

(Alternating current)

แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating current) เป็นกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากแหล่งจ่ายไฟไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆโดยมีการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาตลอดเวลา สำหรับแหล่งจ่ายไฟนั้นมาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดหนึ่งเฟสหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดสามเฟส

1. ไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว (Single Phase)

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

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

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

แบตเตอรี่ เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่จ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) ค่าสม่ำเสมอและมีค่าคงตัว ส่วนแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (ac source)เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่จ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) หรือแรงดันไฟฟ้า (Voltage) เปลี่ยนแปลงตามเวลา(ในรูปฟังก์ชัน sine 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 ศูนย์และเมื่อเวลาผ่านไป sinωt มีค่าสูงสุดเป็นครั้งแรก (จุด A) จะมีเฟส เท่ากับ

เฟสนำและเฟสตาม

เมื่อเทียบกับ sinωt แล้วจะมีเฟสตามอยู่

/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°

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

วงจรไฟฟ้าที่มีตัวต้านทาน (R) อย่างเดียว

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 = แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ มีเแรงเคลื่อนไฟฟ้าขณะใด ๆ เป็น
                                                                      V = Vmsinωt

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

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

จากรูปสรุปได้ว่า"กระแสที่ผ่านตัวต้านทานมีเฟสตรงกันกับความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทาน"

วงจรไฟฟ้าที่มีตัวเก็บประจุ (C) อย่างเดียว

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

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)

  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 = 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

/2 หรือ 90°

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

คลิปการทดลอง 10 วงจรไฟฟ้ากระแสสลับ RC RL RLC

แบบอนุกรม

คลิปการสอนเรื่อง ไฟฟ้ากระแสสลับ

วันพุธที่ 29 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2555

ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating current)

คลิปการทดลอง 10 วงจรไฟฟ้ากระแสสลับ RC RL RLC

แบบอนุกรม

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น