การวัดกำลังไฟฟ้า AC 1เฟส และ 3เฟส

การวัดกำลังไฟฟ้า AC (1 เฟส, 3 เฟส)

การวัดกำลังไฟฟ้า AC 1 เฟส

ระบบไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟส (Single phase)

            ระบบไฟฟ้า 1 เฟส คือระบบไฟฟ้าที่มีสายไฟฟ้าจํานวณ 2 เส้น เส้นที่มีไฟเรียกว่าสายไลน์ เขียนแทนด้วยตัวอักษร L (Line) เส้นที่ไม่มีไฟเรียกสายนิวตรอล เขียนแทนด้วยตัวอักษร N (Neutral)

รูปแสดงระบบไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟส

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

การวัดกำลังในวงจรกระแสสลับ 1 เฟส

            วิธีวัดกำลังในวงจร 1 เฟส แบ่งได้เป็น

1.      ใช้วัตต์มิเตอร์แบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์

2.      ใช้วัตต์มิเตอร์แบบเหนี่ยวนำ

3.      ใช้วัตต์มิเตอร์แบบไฟฟ้าสถิต

4.      ใช้เครื่องวัดแบบเทอร์โมคัปเปิล

5.      ใช้ออสซิลโลสโคป

6.      ใช้โวลต์มิเตอร์ 3 เครื่อง

7.      ใช้แอมมิเตอร์ 3 เครื่อง

วิธีใช้วัตต์มิเตอร์แบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์

            การต่อวัตต์มิเตอร์แบบอิเล็กโทรไดนาโมมิเตอร์ มีหลักการคือ ต้องพิจารณาทิศทางของกระแสไฟฟ้าชั่วขณะในขวดลวดแต่ละตัว เพราะขดลวดดังกล่าวทำหน้าที่กำหนดทิศทาง ของฟลักส์

ภาพแสดงวงจรภายในวัตต์มิเตอร์อิเล็กโทรไดนาโมมิเตอร์

ภาพแสดงการต่อวัตต์มิเตอร์ในระบบไฟฟ้า 1 เฟส

ถ้าต่อวัตต์มิเตอร์เข้ากับวงจรไฟฟ้าที่มีโหลด โดยกระแสไฟฟ้าที่โหลด ไหลผ่าน Current coil และแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อม Potential coil วัตต์มิเตอร์จะอ่านค่ากำลังไฟฟ้าที่โหลดได้ การต่อวัตต์มิเตอร์แบบนี้ต้องให้กระแสไฟฟ้าที่โหลดเข้าที่ขั้วบวกของ Current coil ส่วนขั้วบวกของ Potential coil จะต่อไว้กับตำแหน่งที่แสดงในรูป จะทำให้ Potential coil มีแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองข้างแตกต่างกัน ทำให้เข็มของวัตต์มิเตอร์เคลื่อนตัวไปทางขวา หรืออ่านค่าเป็นบวก แต่ถ้าขั้ว Potential coil หรือ Current coil ผิดตำแหน่งจะทำให้เข็มเคลื่อนตัวไปทาง ซ้ายและอ่านค่าเป็นลบ

วิธีใช้วัตต์มิเตอร์แบบเหนี่ยวนำ

            การทำงานของวัตต์มิเตอร์แบบเหนี่ยวนำ เป็นแบบแรงบิด โดยแรงบิดจะเกิดขึ้น โดยปฏิกิริยาร่วมของกระแสวนที่ถูกเหี่ยวนำในจานอะลูมิเนียมบาง โดยสนามแม่เหล็กที่ป้อนแก่จาน แรงบิดเฉลี่ยนที่กำเนิดขึ้นในจาน จะเป็นสัดส่วนกับกำลังเฉลี่ย และจะถูกต้านโดยสปริง

รูปแสดงโครงสร้างของวัตต์ฮาวร์มิเตอร์ 1 เฟส แบบเหนี่ยวนําไฟฟ้า

วิธีใช้วัตต์มิเตอร์แบบไฟฟ้าสถิต

รูปแสดงวัตต์มิเตอร์แบบไฟฟ้าสถิต

วิธีใช้วัตต์มิเตอร์แบบเทอร์โมคัปเปิล

            เครื่องวัดชนิดนี้จะประกอบด้วยอุปกรณ์ 3 ชิ้น คือ ลวดความร้อน (Heater) เทอร์โมคัปเปิลและ

เครื่องวัดไฟฟ้าแบบขดลวดเคลื่อนที่ (PMMC)

รูปแสดงวัตต์มิเตอร์แบบเทอร์โมคัปเปิล

            เมื่อต่อเครื่องวัดใช้งาน กระแสไฟฟ้า จะไหลผ่านลวดความร้อน ทําให้เทอร์โมคัปเปิลได้รับความร้อน ส่งผลให้เกิดความต่างศักย์ที่ปลายของโลหะทั้งสอง และเกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านไปยังมิเตอร์ชนิดขดลวดเคลื่อนที่ ทําให้เข็มชี้ของเครื่องวัดบ่ายเบนซึ่งจะบ่ายเบนมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความร้อนที่เทอร์โมคัปเปิลได้รับ โดยค่าความร้อนที่เกิดขึ้นเป็นสัดส่วนกับค่ากําลังสองของกระแสไฟฟ้า (I²)

ข้อดี ของเครื่องวัดแบบเทอร์โมคัปเปิลคือ

 1. สามารถวัดความผิดพลาดได้ตํ่าประมาณ 1 %

 2. ใช้วัดความถี่ได้สูงถึง 50 MHz โดยไม่จำกัดรูปร่างของสัญญาณ

ข้อควรระวัง เกี่ยวกับการใช้เครื่องวัดแบบเทอร์โมคัปเปิล คือในการวัดอย่าให้เกินค่า Over Load

เพราะจะทําให้ลวดความร้อนขาดเสียหายได้

วิธีใช้ออสซิลโลสโคป

            เราอาจนำออสซิลโลสโคปมาใช้วัดกำลังสูญเสียโหลดในวงจรกระแสสลับ โดยการวัดแรงดันตกคร่อมโหลดโดยตรง จากนั้นวัดกระแสผ่านโหลดโดยอ้อม โดยใช้โพรบกระแสหรือโดยการวัดแรงดันคร่อมตัวต้านทานค่าน้อยๆ ที่ต่ออนุกรมกับโหลด สำหรับคลื่นไฟสลับรูปซายน์ จะต้องคำนวณค่าประสิทธิผลมาใช้ความแตกต่างเฟสระหว่างแรงดันและกระแสจะสามารถวัดได้ โดยการใช้ออสซิลโลสโคปแบบเส้นคู่ (Dual Trace)

การวัดกำลังไฟฟ้า AC 3 เฟส

ระบบไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส (Three phase)

                     ในการกำเนิด การส่ง  หรือใช้กำลังไฟฟ้าสูงๆ จะเกี่ยวข้องกับระบบหลายเฟส ซึ่งเป็นระบบที่แหล่งกำเนิดหลาย ๆ ตัว ที่ขนาดเท่ากันแต่เฟสต่างกันมาร่วมกัน ระบบหลายเฟสที่นิยมใช้มากที่สุด คือ ระบบ 3 เฟส

รูปแสดงความสัมพันธ์เฟสระหว่างรูปคลื่นของแรงดันบนสาย line 1, line 2, line 3 ของตัวกำเนิด 3 เฟส

            รูปคลื่นทั้งสามจากรูป มาจากแหล่งกำเนิดแรงดัน 3 ตัว ซึ่งจะเห็นได้ว่า แหล่งกำเนิดแรงดันทั้งสามเป็นชนิด AC และมีเฟสต่างกัน 120 องศา ขณะที่ E₁, E₂, E₃ เป็นค่าประสิทธิผลของแหล่งกำเนิด ซึ่งกำเนิดสัญญาณรูปซายน์ที่มีค่าที่ขณะใด ๆ คือ

e_a         =          Ep sin wt

                        e_b         =          E_p sin(wt  - 120)

                        e_c         =          E_p sin(wt  - 240)

ซึ่งถ้าเราหาแรงเคลื่อนไฟฟ้าลัพธ์ที่ขณะใด ๆ

                        จะได้     e_a + e_b + e_c      =          0         

ในวงจรสามเฟสจะประกอบไปด้วย

V_L         = แรงดันระหว่างสาย คือ V_AB, V_BC และ V_CA

V_ph       = แรงดันเฟส คือ แรงดันระหว่างสายใดสายหนึ่งกับนิวตรอล คือ  V_A, V_B, V_C

I_L         = กระแสในสาย

I_ph        = กระแสในเฟส

ปลายด้านโหลดของระบบ 3 เฟส จะใช้การต่อโหลดแบบ 3 เฟส ซึ่งสามารถต่อได้ 2 ลักษณะ

1.      ต่อแบบสตาร์หรือวาย (Star or Wye)

2.      ต่อแบบเดลตา (Delta)

การวัดกำลังในวงจรกระแสสลับ 3 เฟส

            วิธีวัดกำลังในวงจร 3 เฟสแบ่งได้เป็น 3 วิธี ได้แก่

1.      ใช้วัตต์มิเตอร์ 3 เครื่อง

2.      ใช้วัตต์มิเตอร์ 2 เครื่อง

3.      ใช้วัตต์มิเตอร์ 1 เครื่อง

วิธีใช้วัตต์มิเตอร์ 2 เครื่อง

            เนื่องจากทฤษฎีของ Brondel กล่าวว่า “เมื่อป้อนแรงดันแก่เครือข่ายโดยผ่านสายตัวนำจำนวณ N ถ้าเลือกตัวนำเส้นหนึ่งเป็นจุดร่วม เราจะสามารถลดจำนวณวัตต์มิเตอร์เหลือเพียง N-1 เครื่องในการวัดกำลังทั้งหมดที่สูญเสียในเครือข่ายนั้น”

          เป็นการต่อวัตต์มิเตอร์ 1 เฟส 2 เครื่องเข้าในวงจรระบบ 3 เฟสโดนการต่อวัตต์มิเตอร์แต่ละตัวต่ออนุกรมกับสายไฟ (line)ของโหลด สําหรับขดลวดแรงดันให้ต่อขนานกับโหลดโดยให้ปลายที่เหลือของขดลวดแรงดันต่อรวมกันกับสายไฟ (line) ที่เหลือ

จะเห็นได้ว่า ในการต่อวัตต์มิเตอร์กำลังแบบใช้มิเตอร์ 2 เครื่อง วัตต์มิเตอร์แต่ละตัวจะไม่ได้อ่านค่ากำลังเฟสใดเฟสหนึ่ง ดังนั้นในการเริ่มแรก ต้องต่อวัตต์มิเตอร์เข้ากับเฟสมีลักษณะสมมาตร โดยการต่อในลักษณะที่กระแสที่ไหลจากแหล่งกำเนิดจะเข้าสู่วัตต์มิเตอร์โดยผ่านปลาย “±” การต่อแบบนี้จะเป็นการอ้างอิงสำหรับหาค่าเครื่องหมายของการอ่านวัตติมิเตอร์

วิธีใช้วัตต์มิเตอร์ 1 เครื่อง

แบ่งเป็น 2 ชนิด

1. การวัดกําลังไฟฟ้าระบบ 3 เฟสด้วยวัตต์มิเตอร์ 1 เฟส 1 ตัว

การวัดกําลังไฟฟ้าด้วยวิธีนี้ ใช้วัตต์มิเตอร์ 1 เฟสเพียงตัวเดียววัดกําลังไฟฟ้าของ ระบบ 3 เฟสโดยใช้สวิทช์สองทางช่วย เป็นวิธีประหยัดและค่าที่ได้ก็ถูกต้องเช่นเดียวกันกับกรณีที่ใช้วัตต์มิเตอร์ 2 ตัว

เมื่อเลื่อนสวิทช์ไปยังตําแหน่ง 1 จะอ่านค่าได้ค่าหนึ่งและเมื่อเลื่อน สวิทช์ไปยังตําแหน่ง 2 จะอ่านค่าได้อีกค่าหนึ่ง แล้วนําค่าที่อ่านได้ทั้งสองครั้งมารวมกัน ก็จะได้ค่ากําลังไฟฟ้าของวงจร แต่วิธีนี้ไม่นิยมใช้เหมือนกับวิธีที่ 2 การใช้วัตต์มิเตอร์ 1 ตัววัดกําลังไฟฟ้าวิธีนี้เหมาะสําหรับกรณีที่โหลดแบบสมดุลเท่านั้น

ข้อเสีย มีขีดจำกัดกว่ากระณีใช้วัตต์มิเตอร์สองเครื่อง เพราะว่ามันบังคับใช้ได้เฉพาะกรณีโหลดสมดุลจริงๆเท่านั้น

2. การวัดกําลังไฟฟ้าระบบ 3 เฟสด้วยวัตต์มิเตอร์ 3 เฟส 1 ตัว

วิธีนี้การต่อวงจรเหมือนกับวิธีวัดกําลังไฟฟ้าระบบ 3 เฟสด้วยวัตต์มิเตอร์ 2 ตัว ซึ่งวัตต์มิเตอร์3 เฟส ปกติจะประกอบ ด้วยวัตต์มิเตอร์ 1 เฟส 2 ตัว สําหรับขดลวดเคลื่อนที่จะยึดติดกับแกนหมุนเดียวกัน

แรงบิดที่เกิดขึ้นจะขึ้นอยู่กับผลบวกทางพีชคณิตของแรงบิดจากวัตต์มิเตอร์แต่ละตัว เมื่อเข็มชี้ไปหยุดอยู่ ณ ตําแหน่งใดให้อ่านค่าโดยตรงได้เลย

รูปแสดงวัตต์มิเตอร์ 3 เฟส และการต่อวัตต์มิเตอร์ 3 เฟส สำหรับการวัด

ข้อควรระวังในการต่อวัตติมิเตอร์

            การต่อใช้งานวัตต์มิเตอร์ ต้องระมัด ระวังในการต่อโดยต้องไม่ให้กระแสผ่านเข้าขดลวดคงที่หรือขดลวด กระแสมากเกิน กว่าพิกัดของวัตต์มิเตอร์ที่บอกไว้ และต้องไม่ให้แรงดันที่ป้อนเข้าขดลวดเคลื่อนที่ หรือขดลวด แรงดันเกินกว่าพิกัดของวัตต์มิเตอร์

            ดังนั้นก่อนการต่อวัตต์มิเตอร์เข้าวงจร จึงควรตรวจสอบทั้ง แรงดัน และกระแสของวงจรก่อนเสมอ เพื่อป้องกันการชำรุดเสียหายของวัตต์มิเตอร์ วัตต์มิเตอร์ที่ถูกสร้างขึ้นมา ใช้งาน จริงและสัญลักษณ์

Reference

http://edltv.vec.go.th/courses/32/10110040.pdf

http://www.patai.th.edu/webst/jah/J_p/jah/index1.htm

203.172.130.178/courses/32/10110046p.ppt‎

http://www.vias.org/matsch_capmag/matsch_caps_magnetics_chap6_12_03.html

http://202.129.59.73/tn/motor10-52/motor19.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Three-phase

รศ.ดร.เอก ไวยสวัสดิ์.  2547.  การวัดเครื่องวัดไฟฟ้า.  กรุงเทพมหานคร: สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย-ญี่ปุ่น)