Transcript คลิกที่นี่
บทที่ 2 Transformer หลักการพืน ้ ฐาน 2.2 โครงสร ้างของหม ้อแปลงไฟฟ้ า 2.3 การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา 2.4 วงจรสมมูลย์ (Equivalent Circuit) ของหม ้อแปลงขณะไร ้โหลด 2.5 หม ้อแปลงเมือ ่ มีโหลด 2.1 วงจรแม่เหล็ก (ต่อ) 2.6 เฟสเซอร์ ไดอะแกรม (Phasor Diagram) ของหม ้อแปลง 2.7 Approximate Equivalent Circuits 2.8 Open-circuit Test หรือ No-load Test 2.9 Short-circuit Test 2.10 Voltage Regulation วงจรแม่เหล็ก (ต่อ) 2.11 ิ ธิภาพของหม ้อแปลง ประสท (Efficiency) 2.12 All-day Efficiency 2.1 หลักการพืน ้ ฐาน ในการทีจ่ ะสง่ จ่ายพลังงานไฟฟ้ าได ้ประหยัด ิ ธิภาพเป็ นระยะทางไกลๆ จะต ้องใช ้ มีประสท ระดับแรงดันสูงๆในการสง่ จ่าย เพือ ่ ให ้เกิด ี (I2R) ในสายสง่ ให ้น ้อยทีส กาลังสูญเสย ่ ด ุ แต่ เมือ ่ ถึงปลายทาง เพือ ่ ให ้เกิดความปลอดภัยแก่ ้ ผู ้ใชงาน พลังงานไฟฟ้ าจะต ้องถูกแปลงลงมา ทีร่ ะดับแรงดันตา่ ๆ หม ้อแปลงไฟฟ้ าเป็ น ้ อุปกรณ์ทใี่ ชในการส ง่ จ่ายพลังงานไฟฟ้ าที่ หลักการพืน ้ ฐาน (ต่อ) 2.2 โครงสร ้างของหม ้อแปลง ไฟฟ้ า 2.2.1 แกนเหล็ก (Core) หม ้อแปลงไฟฟ้ าจะประกอบด ้วยแกน เหล็ก ซงึ่ จะทาหน ้าทีเ่ ป็ นวงจรแม่เหล็ก ิ ก แกนเหล็กจะทาด ้วยเหล็กผสมซล ิ อน ซงึ่ จะทาให ้ Reluctance มีคา่ ตา่ r มีคา่ สูง แกนเหล็กจะเป็ นแผ่นเหล็กบางๆเพือ ่ ให ้ เกิด loss น ้อย โดยแต่ละแผ่นจะถูก เคลือบไว ้ด ้วยฉนวนไฟฟ้ า โครงสร ้างของหม ้อแปลงไฟฟ้ า (ต่อ) แกนเหล็กของหม ้อแปลง โดยทัว่ ไปจะแบ่ง ออกได ้เป็ น 3 ชนิดคือ Winding Laminated Iron รูปที่ 2.1 หม ้อแปลง (a) core-type (b) shell-type (c) Berry-type. โครงสร ้างของหม ้อแปลงไฟฟ้ า (ต่อ) 2.2.2 ขดลวด (Winding) I1 = Effective value ของกระแส i1 =i Instantaneous max Icurrent 1 2 รูปที่ 2.2 หม ้อแปลงไฟฟ้ า ลูกศรแสดง ถึงทิศทางทีเ่ ป็ นบวก โครงสร ้างของหม ้อแปลงไฟฟ้ า (ต่อ) 2.2.2 ขดลวด (Winding) I1 = Effective value ของกระแส i1 =i Instantaneous max Icurrent 1 2 รูปที* ่ถ2.2 หม ้อแปลงไฟฟ้ า ลู ก ศรแสดง ้าหากทางด ้าน Secondary ไม่ได ้ต่อโหลด ถึงทิจะมี ศกทางที ระแส i0 เ่ ป็ นบวก ไหลทางด ้าน Primary เล็กน ้อย เรียกว่า Exciting current 2.3 การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา ในขัน ้ แรก ให ้พิจารณากรณีทเี่ ป็ น Ideal Transformer ก่อน กล่าวคือ (a)ไม่ม ี Iron loss (Core loss) (b)ไม่คด ิ ความต ้านทานของ Winding ์ ม่เหล็กเดินทางอยูใ่ นขดลวดทัง้ (c) ฟลักซแ สองทัง้ หมด (ไม่ม ี Leakage flux) • การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) รูปที่ 2.3 No load phasor diagram ของ Ideal transformer ซงึ่ ไม่ม ี Iron loss และ ความต ้านในขดลวด (n1/n2 = 2) การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) • เนือ ่ งจาก i0 เป็ นกระแสสลับเปลีย ่ นค่าตามเวลา จะ เปลีย ่ นแปลงตามเวลาด ้วย e2g จะมีทศ ิ ทางเดียวกันกับ e1g ์ วั เดียวกัน ลักซต เนือ ่ งจากเกิดจากฟ การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) • แทนค่า จากสมการที่ (2.1) ลงในสมการที่ (2.2) จะได ้ การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) • จากสมการ (2.4) จะพบว่า e1g เป็ น sine curve ทีล ่ ้าหลัง flux, อยู่ 90 2fn1m m ั ญาณของ e1g ในสมการที่ รูปที่ 2.4 รูปสญ 2.4 การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) กรณีคด ิ Iron loss (Core loss) ้ าหม ้อแปลงจะมี loss โดยทั่วไป แกนเหล็กทีใ่ ชท ซงึ่ ยังผลให ้ ล ้าหลัง Exciting current, I0 รูปที่ 2.5 No load phasor diagram ของหม ้อแปลงไฟฟ้ า (อัตราสว่ นของ ขดลวดทางด ้านปฐมภูมต ิ อ ่ ทุตย ิ ภูมเิ ท่ากับ การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) Power input ของหม ้อแปลงเท่ากับ E1I0 cos และเนือ ่ งจากเอาต์พท ุ เป็ นศูนย์ ทาให ้อินพุท คือ Iron loss นั่นเอง (จริงๆแล ้วยังคงมี Cu loss คือ I02R1 อยู่ แต่เนือ ่ งจาก I0 น ้อยมาก ทาให ้ current, I0ดจะประกอบด ้วย 2 สว่ น CuExciting loss น ้อยมากจนตั ทิง้ ได ้) คือ สว่ นของ Magnetizing current, IM = I0 sin ที่ ทาให ้เกิด flux, ขึน ้ สว่ นของ Core loss, Ic = I0 cos ซงึ่ core loss = E1I0 cos ประกอบด ้วย Hysteresis และ Eddy-current การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) ดังนัน ้ จะได ้สมการของ Exciting current ขณะ ไร ้โหลด คือ การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) Hysteresis loss เนือ ่ งจากการะแสทีไ่ หลเข ้า Primary winding ของหม ้อแปลงเป็ นไฟกระแสสลับทาให ้ฟลักซ ์ แม่เหล็กทีเ่ กิดขึน ้ เปลีย ่ นแปลงตามกระแส การ เปลีย ่ นแปลงนีท ้ าให ้โดเมนของเหล็กกลับไปมา จึงทาให ้เกิด Hysteresis loss ขึน ้ โดย Hysteresis loss นีจ ้ ะแปรผันตรงตามความถีแ ่ ละ B1.6 (B = Max. flux density) การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) Eddy current loss รูปที่ 2.6 แกนเหล็กของหม ้อ แปลงไฟฟ้ า การเกิดแรงดันเหนีย ่ วนา (ต่อ) Eddy current loss รูปที่ 2.6 แกนเหล็กของหม ้อ แปลงไฟฟ้ า Eddy-current loss จะแปรผันตามกาลังสองของ flux density, B และกาลังสองของความถี่ 2.4 วงจรสมมูลย์ (Equivalent Circuit) ของ หม ้อแปลงขณะไร ้โหลด ้ พารามิเตอร์ทใี่ ชในการเขี ยนวงจรสมมูลย์ ประกอบด ้วย R1, R2, X1 และ X2 รูปที่ 2.7 แกนเหล็ก ของหม ้อแปลงไฟฟ้ า 1l = Primary leakage flux 2l = Secondary leakage flux รูปที่ 2.8 วงจรสมมูลย์ของ หม ้อแปลงจริง วงจรสมมูลย์ (Equivalent Circuit) ของ หม ้อแปลงขณะไร ้โหลด (ต่อ) ความต ้านทาน, R0 และ Reactance, X0 ที่ เกิดจาก Core loss และ Magnetization ตามลาดับ รูปที่ 2.9 วงจรสมมูลย์ของ หม ้อแปลง 2.5 ่ โหลด หม้อแปลงเมือมี เมือ ่ มีโหลดมาต่อทางด ้าน Secondary ของ หม ้อแปลง จะเกิด I2 ไหล รูปที่ 2.10 วงจรสมมูลย์ของหม ้อแปลง ไฟฟ้ าขณะจ่ายโหลด ่ โหลด (ต่อ) หม้อแปลงเมือมี รูปที่ 2.11 เฟสเซอร์ไดอะแกรมของหม ้อแปลง ไฟฟ้ าขณะจ่ายโหลด (อัตราสว่ นขดลวดทางด ้านปฐมภูมต ิ อ ่ ทุตย ิ ภูม ิ ่ โหลด (ต่อ) หม้อแปลงเมือมี เนือ ่ งจาก flux, ทีเ่ กิดขึน ้ ในแกนเหล็กเท่ากันตลอด วงจร ดังนัน ้ mmf ทีเ่ กิดขึน ้ ทางด ้าน Primary และ Secondary จะต ้องเท่ากัน นั่นคือ I1 n2 1 I 2 n1 a (2.11) 2.6 เฟสเซอร ์ ไดอะแกรม (Phasor Diagram) ของหม้อแปลง รูปที่ 2.12 Complete phasor diagram ของหม้อแปลง ไฟฟ้ าจริงขณะจ่ายโหลด P.F.=0.95 Lagging (อัตราส่วนขดลวดทางด ้านปฐมภูมต ิ อ ่ ทุตยิ ภูมิ 2.7 Approximate Equivalent Circuits (1) ในขัน ้ แรกจะย ้ายค่าต่างๆทางด ้าน Secondary ไป ทางด ้าน Primary โดยเปลีย ่ นแปลง Magnitude ตาม ั สว่ นของ Turn ratio ดังนี้ สด รูปที่ 2.13 วงจรสมมูลย์ของหม ้อแปลงไฟฟ้ าจริง ์ างด ้านทุตย เมือ ่ อิมพีแดนซท ิ ภูมถ ิ ก ู ย ้ายไปทางด ้าน Approximate Equivalent Circuits (ต่อ) (2) ขัน ้ ต่อไป พิจารณาว่า I0 มีคา่ เพียงเล็กน ้อยเมือ ่ เทียบ กับ I1 ซงึ่ โดยทัว่ ไปจะประมาณ 0.5-2 % ของกระแสเต็มที่ จึงสามารถเขียนวงจรรูปที่ 2.13 ได ้ใหม่ดงั รูปที่ 2.14 รูปที่ 2.14 Approximate Equivalent Circuits (ต่อ) รูปที่ 2.15 Approximate equivalent circuit ของหม ้อแปลงไฟฟ้ า 2.8 Open-circuit Test หรือ No-load Test รูปที่ 2.16 Open-circuit test ของ หม ้อแปลงไฟฟ้ า Open-circuit Test หรือ No-load Test (ต่อ) Power input ภายใต ้เงือ ่ นไขนี้ จะเท่ากับ Iron loss บวกกับ Cu loss ซงึ่ น ้อยมากตัดทิง้ ได ้ แต่ เนือ ่ งจากค่า W0 ทีอ ่ า่ นได ้จาก wattmeter รวมค่า Power loss ในตัวมันเอง และใน Ammeter ด ้วย ดังนัน ้ Open-circuit Test หรือ No-load Test (ต่อ) Open circuit test ปกติแล ้วจะเปิ ดวงจรทางด ้าน High voltage และวัดค่าต่างๆทางด ้าน Low voltage เนือ ่ งจากว่าถ ้าทาการวัดค่าต่างๆทางด ้าน High voltage จะต ้องใช ้ Rated voltage ทีส ่ งู ขณะทีก ่ ระแสมีคา่ ตา่ มาก อ่านค่าได ้ยาก Open-circuit Test หรือ No-load Test (ต่อ) 2.9 Short-circuit Test ในการหา Cu losses (I2Re) ของขดลวดทัง้ ทางด ้าน Primary และ Secondary จะกระทาได ้ โดยการต่อวงจรดังรูป 2.17 Short-circuit Test (ต่อ) Short-circuit Test (ต่อ) Open/Short-circuit Test (ต่อ) Open/Short-circuit Test (ต่อ) Open/Short-circuit Test (ต่อ) 2.10 Voltage Regulation 1. คานวณได ้จากความแตกต่างของแรงดัน ทางด ้านทุตย ิ ภูมใิ นสภาวะไร ้โหลด (No load) กับ สภาวะจ่ายโหลดเต็มที่ (Full load) โดยแสดงเป็ น เปอร์เซนต์เทียบกับแรงดันที่ Full load ของ ทางด ้านทุตย ิ ภูม ิ เมือ ่ ให ้แรงดันทางด ้านปฐมภู 2. คานวณจากการเปลี ย ่ นแปลงของแรงดั น มิ คงที ทางด่ ้านปฐมภูมท ิ ต ี่ ้องการในการทาให ้แรงดัน ทางด ้านทุตย ิ ภูมค ิ งทีจ ่ ากสภาวะไร ้โหลดไปยัง Full load โดยแสดงเป็ นเปอร์เซนต์เทียบกับ แรงดันที่ Full load ของทางด ้านปฐมภูม ิ Voltage Regulation (ต่อ) Voltage Regulation (ต่อ) Voltage Regulation (ต่อ) 2.11 ประสิทธิภาพของหม้อแปลง (Efficiency) ิ ธิภาพของหม ้อแปลง (Efficiency) ประสท (ต่อ) 2.12 All-day Efficiency All-day Efficiency (ต่อ) All-day Efficiency (ต่อ) All-day Efficiency (ต่อ) All-day Efficiency (ต่อ) All-day Efficiency (ต่อ) All-day Efficiency (ต่อ)