สื่อการสอน วิชา มอเตอร์ไฟฟ้า กระแสสลับ

ส่ือการเรียนการสอนวิชาไฟฟ้ ากระแสสลับ จัดทาโดย นางสาวปรัศนี จนั ทร์ขาม แผนกอเิ ลก็ ทรอนิกส์ ชัน้ ปวช.2 เสนอ อาจารย์ นริศรา ทองยศ วทิ ยาลัยเทคโนโลยแี ละการจัดการหนองสองห้อง

ไฟฟ้ ากระแสสลบั ไฟฟ้ ากระแสสลบั (Alternating current) ไฟฟ้ ากระแสสลบั (Alternating current) หมายถึง “กระแสไฟฟ้ าทมี่ กี ารสลบั สับเปลย่ี นข้วั อยู่ตลอดเวลาอย่าง ทศิ ทางการไหลของกระแสไฟฟ้ ากจ็ ะเปลย่ี น สลบั ไปมาจากบวก-ลบ และจากลบ-บวก อยู่ตลอดเวลา” ซ่ึงไฟฟ้ ากระแสสลบั เป็น ไฟฟ้ าท่ีใชก้ นั ตามบา้ นเรือนและโรงงานอุตสาหกรรมทวั่ ไป แหล่งกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ไฟฟ้ ากระแสสลบั เป็นกระแสไฟฟ้ าท่ีเกิดจากการเคล่ือนที่ของอิเลก็ ตรอนจากแหล่งจา่ ยไฟไปยงั อุปกรณ์ไฟฟ้ าใดๆ โดยมีการเคล่ือนที่กลบั ไปกลบั มาตลอดเวลา สาหรับ แหล่งจ่ายไฟน้นั มาจากเคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดหน่ึงเฟสหรือเครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดสามเฟส 1. ไฟฟ้ ากระแสสลบั เฟสเดยี ว (Single Phase) ลกั ษณะการเกิดไฟฟ้ ากระแสสลบั คือ ขดลวดชุดเดียวหมุนตดั เส้นแรงแมเ่ หล็ก เกิดแรงดนั กระแสไฟฟ้ า ทาใหก้ ระแสไหลไปยงั วงจร ภายนอก โดยผา่ นวงแหวน และแปลงถ่านดงั กล่าวมาแลว้ จะเห็นไดว้ า่ เม่ือออกแรงหมุนลวดตวั นาได้ 1 รอบ จะไดก้ ระแสไฟฟ้ าชุดเดียวเท่าน้นั ถา้ ตอ้ งการใหไ้ ดป้ ริมาณกระแสไฟฟ้ าเพม่ิ ข้ึน กต็ อ้ งใชล้ วดนา หลายชุดไวบ้ นแกนที่หมุน ดงั น้นั ในการออกแบบขดลวดของเครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ถา้ หากออกแบบ

ขดลวดบนแกนใหเ้ พ่มิ ข้ึนอีก 1 ชุด แลว้ จะไดก้ าลงั ไฟฟ้ าเพิม่ ข้ึน 2. ไฟฟ้ ากระแสสลบั สามเฟส (Three Phase) เป็นการพฒั นามาจากเครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั ชนิดสองเฟส โดยการออกแบบจดั วางขดลวด บนแกนท่ีหมุนของเคร่ืองกาเนิดน้นั เป็น 3 ชุด ซ่ึงแตล่ ะชุดน้นั วางห่าง กนั 120 องศาทางไฟฟ้ า ไฟฟ้ ากระแสสลบั ท่ีใชใ้ นบา้ นพกั อาศยั ส่วนใหญ่ใชไ้ ฟฟ้ ากระแสสลบั เฟสเดียว (SinglePhase) ระบบการส่งไฟฟ้ าจะใช้ สายไฟฟ้ า 2 สายคือ สายไฟฟ้ า 1 เส้น และสายศูนย์ (นิวทรอล) หรือเราเรียกกนั วา่ สายดินอีก 1 สาย สาหรับบา้ นพกั อาศยั ในเมืองบางแห่ง อาจจะใชเ้ คร่ืองใชไ้ ฟฟ้ าชนิดพเิ ศษ จะตอ้ งใชไ้ ฟฟ้ าชนิดสามเฟส ซ่ึงจะให้ กาลงั มากกวา่ เช่น มอเตอร์เครื่องสูบน้าในการบาบดั น้าเสียลิฟตข์ องอาคารสูง ๆ เป็นตน้

การไหลของกระแสสลบั กลบั ไปกลบั มาครบ 1 รอบ เรียกวา่ 1 ไซเคิล (Cycle) หรือ 1 รูปคล่ืน และจานวนรูปคลื่นท้งั หมดในเวลาที่ผา่ นไป 1 วนิ าที เรียกวา่ ความถ่ี (Frequency) ซ่ึงความถ่ีไฟฟ้ ามีหน่วยวดั เป็ น รอบต่อวนิ าที หรือ รูปคลื่นตอ่ วนิ าที หรือไซเคิลต่อวนิ าที มี หน่วยยอ่ เป็ น \"เฮิรตซ์\" (Hertz) สาหรับความถี่ไฟฟ้ าในประเทศไทยเทา่ กบั 50 เฮิรตซ์ สาหรับบางประเทศ เช่น สหรัฐอเมริกา จะมีคา่ 60 Hz ไฟฟ้ ากระแสสลบั ท่ีมีรูปคล่ืนของกระแสไฟฟ้ าเพยี ง 1 รูปคลื่น เราเรียกวา่ ไฟฟ้ า กระแสสลบั 1 เฟส (Single phase) และถา้ เครื่องกาเนิดไฟฟ้ ากาเนิดไฟฟ้ าออกมา พร้อมกนั 2 รูปคลื่น เราก็เรียกวา่ ไฟฟ้ ากระแสสลบั 2 เฟส และถา้ มี 3 รูปคล่ืน เราก็เรียกวา่ ไฟฟ้ า กระแสสลบั 3 เฟส ดงั รูปเป็ นไฟฟ้ ากระแสสลบั 3 เฟส ซ่ึงเรานิยมใชก้ นั อยใู่ น ปัจจุบนั เพราะใหแ้ รงดนั ไฟฟ้ าได้ 2 ระดบั คือ 380 โวลต์ และ 220 โวลต์ รูปคลื่นแตล่ ะรูปคลื่นเรียกวา่ เฟส A เฟสB และเฟสC ตามลาดบั แบตเตอรี่ เป็ นแหล่งกาเนิดไฟฟ้ าที่จา่ ยแรงเคลื่อนไฟฟ้ า (emf) ค่าสม่าเสมอและมีคา่ คงตวั ส่วนแหล่งกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั (ac source)เป็นแหล่งกาเนิดไฟฟ้ าที่จ่าย แรงเคล่ือนไฟฟ้ า (emf) หรือแรงดนั ไฟฟ้ า (Voltage) เปล่ียนแปลงตามเวลา(ในรูปฟังกช์ นั sine ของ ωt )

คุณสมบัติของไฟฟ้ ากระแสสลบั 1. สามารถส่งไปในที่ไกล ๆ ไดด้ ี กาลงั ไม่ตก 2. สามารถแปลงแรงดนั ใหส้ ูงข้ึนหรือต่าลงไดต้ ามตอ้ งการโดยการใชห้ มอ้ แปลง (Transformer) อุปกรณ์ในวงจรไฟฟ้ ากระแสสลบั ตวั ตา้ นทาน (Resistor : R) ค่าความตา้ นทานมีหน่วยเป็น โอห์ม (Ohm : Ω) สัญลกั ษณ์ที่ใชใ้ นวงจร ตวั เก็บประจุ (Capacitor : C) คา่ ความจุไฟฟ้ ามีหน่วยเป็น ฟารัด (Farad :F)

สัญลกั ษณ์ท่ีใชใ้ นวงจร ขดลวดเหน่ียวนา (Inductor : L) ค่าความเหน่ียวนามีหน่วยเป็น เฮนรี (Henry : H) สญั ลกั ษณ์ที่ใชใ้ นวงจร เฟส และมุมเฟส เฟส (Phase)

เม่ือเขียนกราฟระหวา่ ง sinωt กบั t จะเรียกตาแหน่งตา่ ง ๆ บนเส้นกราฟวา่ เฟส(phase)โดยที่ ท่ีเวลา t = 0 ค่า sinωt มีคา่ เป็นศูนย์ จะมีเฟสเทา่ กบั ศนู ยแ์ ละเมื่อเวลาผา่ น ไป sinωt มีค่าสูงสุดเป็นคร้งั แรก (จุด A) จะมีเฟส เท่ากบั π/2 เฟสนาและเฟสตาม เม่ือเทยี บกบั sinωt แลว้ จะมีเฟสตามอยู่ π/2 เรเดียน

เมื่อเทียบกบั sinωt แลว้ จะมีเฟสนาอยู่ π/2 เรเดียน มมุ เฟส (Phase angle)

ตวั เก็บประจุ C ในวงจรไฟฟ้ ากระแสสลบั ทาใหก้ ระแสมีเฟส นา Voltage อยู่ 90° เน่ืองจากกระแสที่ไหลผา่ นตวั เกบ็ ประจุจะทาใหเ้ กิดประจุสะสมท่ีเพลทของตวั เกบ็ ประจุเป็นผล ใหเ้ กิด Voltage ตกคร่อมตวั เก็บประจุซ่ึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกบั ประจุท่ีสะสม (V = q/C)และกระแสจะไหล ไดน้ อ้ ยลงเม่ือมีประจุสะสมมากข้ึน ขดลวดเหน่ียวนา L ในวงจรไฟฟ้ ากระแสสลบั ทาใหก้ ระแสมีเฟส ตาม Voltage อยู่ 90°

Inductivereactance, XL = ωL Capacitive reactance, XC = 1/ωC ไฟฟ้ ากระแสตรง ω = 0 XL = 0Ω และ XC = ∞ วงจรไฟฟ้ าทมี่ ีตวั ต้านทาน (R) อย่างเดียว แรงดนั ไฟฟ้ าคร่อมตวั ตา้ นทานไฟฟ้ าจะมีคา่ เปล่ียนแปลงเหมือนกบั กระแสไฟฟ้ า I = V/R = Imax sinωt การเปล่ียนแปลงของแรงดนั ไฟฟ้ ามีเครื่องหมายเหมือนกบั การเปล่ียนแปลงของกระแสไฟฟ้ า แรงดนั ไฟฟ้ าและกระแสไฟฟ้ ามีเฟสตรงกนั (in phase) และแอมพลิจดู อยทู่ ่ีเวลาเดียวกนั พิจารณาวงจรไฟฟ้ าท่ีมีเพยี งแหล่งกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั และตวั ตา้ นทานตวั เดียวจะพบวา่ กระแสที่ไหลผา่ นวงจรเป็นตามสมการ

ให้ i = กระแสไฟฟ้ าขณะใด ๆ ในวงจร R = ค่าความตา้ นทาน VR = ความต่างศกั ยท์ ี่ตกคร่อมความตา้ นทานขณะใด ๆ = iR Vm = แรงเคลื่อนไฟฟ้ าสูงสุดของเครื่องกาเนิดไฟฟ้ า เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั มีเแรงเคลื่อนไฟฟ้ าขณะใด ๆ เป็น V = Vmsinωt ความต่างศกั ยต์ กคร่อมตวั ตา้ นทานขณะใด ๆ มีคา่ เทา่ กบั แรงเคล่ือนไฟฟ้ าของเครื่องกาเนิดไฟฟ้ า เสมอ ดงั น้นั VR = V = Vmsinωt iR = Vmsinωt i = Vmsinωt/R

แต่ sinωt มีค่ามากที่สุดเท่ากบั 1 ดงั น้นั กระแสไฟฟ้ าที่มากที่สุดในวงจร (Im)จะมีคา่ เทา่ กบั Vm/R จึงสามารถเขียนสมการของกระแสไฟฟ้ าท่ีเวลาใด ๆ ไดเ้ ป็ น i=Imsinωtซ่ึงถา้ เขียนกราฟความต่างศกั ยท์ ี่คร่อมตวั ตา้ นทานและกระแสที่ไหลผา่ นตวั ตา้ นทานเทียบกบั เวลาจะไดด้ งั น้ี จากรูปสรุปไดว้ า่ \"กระแสที่ผา่ นตวั ตา้ นทานมีเฟสตรงกนั กบั ความต่างศกั ยท์ ่ีคร่อมตวั ตา้ นทาน\" วงจรไฟฟ้ าทม่ี ีตวั เกบ็ ประจุ (C) อย่างเดียว

พิจารณาวงจรไฟฟ้ าที่มีเพียงแหล่งกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลบั และตวั เหน่ียวนาตวั เดียวจะพบวา่ กระแส ที่ไหลผา่ นวงจรเป็นตามสมการ ให้ i = กระแสไฟฟ้ าขณะใด ๆ ในวงจร C = คา่ ความจุของตวั เก็บประจุ VC = ความต่างศกั ยท์ ี่ตกคร่อมตวั เกบ็ ประจุขณะใด ๆ ความตา่ งศกั ยท์ ี่ตกคร่อมตวั เก็บประจุขณะใด ๆ มีค่าเท่ากบั แรงเคลื่อนไฟฟ้ าของเครื่องกาเนิด ไฟฟ้ าเสมอ ดงั น้นั 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 เรียกวา่ ความตา้ นทานแห่งความจุ (capacitive reactance)เขียนแทนดว้ ย XC ดงั น้นั i = Vm/XC cosωt = Imsin(π/2+ωt) i = Imsin(ωt+π/2) ซ่ึงถา้ เขียนกราฟความต่างศกั ยท์ ี่คร่อมตวั ตา้ นทานและกระแสที่ไหลผา่ นตวั ตา้ นทานเทียบกบั เวลาจะได้ ดงั น้ี จากรูปจะเห็นไดว้ า่ กระแสไฟฟ้ า i นาหนา้ ความต่างศกั ย์ VC เป็นมุม π/2 หรือ 90° หรือตามหลงั ความต่างศกั ยก์ ระแสเป็นมุม 90° มุมระหวา่ งกระแสและความตา่ งศกั ยใ์ นวงจรน้ี เรียกวา่ มุมเฟส (phase angle) เขียนแทนดว้ ยสัญลกั ษณ์ Φ