หนวยท่ี 10 ไฟฟาและวงจรไฟฟา ทฤษฏีไฟฟาเบื้องตน 1. ระบบสงจายไฟฟา ในการผลิตไฟฟาแบงตามลักษณะการแปรรูปพลังงานได 2 แบบ - โรงไฟฟาทีผ่ลิตจากพลังงานที่ที่สามารถนํากลับมาใชไดอีก เชน พลังน้ํา แสงอาทิตย ลม พลังงานไฟฟาใตพิภพ - โรงไฟฟาที่ผลิตจากพลังงานที่ใชแลวหมดไป เชน โรงไฟฟาถานหนิ น้ํามันเตา กาซ พลังงานนิวเคลียร ในการสงจายพลังงานไฟฟาจะมีการลดทอนแรงดันต่ําจนมีคาเหมาะกบัผูใช ระดับแรงดันที่ใชในประเทศไทย 1.1 ระดับแรงดันสําหรับสายสงแรงสูง สงจากโรงไฟฟา ระหวางสถานีไฟฟา 69kv 115kv 230kv 500kv อยูในความรับผิดชอบของ การไฟฟาฝายผลิต 1.2 ระดับแรงดันสําหรับระบบจําหนายแรงสูง สถานีไฟฟายอยระบบจาํหนาย ไปยังหมอแปลงระบบจําหนาย 11kv 22kv 33kv 22kv 24kv 1.3 ระดับแรงดันสําหรับระบบจําหนายแรงต่ํา 1 เฟส 2 สาย 220 โวลต ความถี่ 50 เฮิรตซ

และ ระบบแรงต่ํา 3 เฟส 4 สาย 380 โวลต 50 เฮิรตซ

2 ประจุไฟฟา มี 2 ชนิดคือ ประจุบวก ถูกพาเคลื่อนที่ดวยโปรตอน และประจุลบถูกพาเคลื่อนที่ดวยอิเลคตรอน ประจุเหมือนกันจะผลักกันประจุตางกนัจะดดูกัน เมื่อประจุลบหรืออิเลคตรอนเคลื่อนที่ภายในตวันําไฟฟาจะทําใหเกิดกระแสไฟฟาขึ้น กระแสไฟฟาแบงไดเปน 2 ประเภทคือ 2.1 ไฟฟากระแสตรง (direct current : DC) คือการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนมีทิศทางการไหลในทศิทางเดียวจากขั้วลบไปยังขั้วบวก เชนแบตเตอรี่รถยนต 24 volt ถานไฟฉาย 1.5 volt 2.2 ไฟฟากระแสสลับ (alternating current: AC) เปนการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนมีทิศทางไหลกลบัไปกลับมาตลอดเวลา โดยการเคลื่อนที่ประจุไฟฟาบวกและลบสลับกันในตวันําสาย เชน ไฟฟาตามบาน220 โวลต 50 เฮิรตซ 3. หลักการเบือ้งตนของการกําเนิดไฟฟา เมื่อเสนแรงแมเหล็กเคลื่อนทีต่ัดขดลวด หรือขดลวดเคลื่อนที่ตัดเสนแรงแมเหล็ก จะทําใหเกิดแรงเคลื่อนเหนี่ยวนําในขดลวด ขนาดของแรงเคลื่อนเหนีย่วนําจะมากหรือนอยข้ึนอยูกับ ขนาดของสนามแมเหล็ก จํานวนรอบของขดลวด ความเร็วของการเคลื่อนที่ และตําแหนงขดลวดในสนามไฟฟา แบงออกเปน 2 แบบ คือ 1 เฟส และ 3 เฟส

3.1 การกําเนิดไฟฟา 1 เฟส แรงเคลื่อนไฟฟา 1 เฟส เกิดจากการเคลื่อนที่ของขดลวด 1 ขด ตัดสนามแมเหล็กคงที่ ทําใหเกิดแรงเคลื่อนไฟฟาเหนีย่วนําทีเ่ปนกระแสสลับ ที่มีการเปลี่ยนขนาดทิศทางเปนรูปคลื่นไซน

การกําเนดิไฟฟา 1 เฟส ที่เวลาตางๆ 3.2 การกําเนิดไฟฟา 3 เฟส แรงเคลื่อนไฟฟา 3 เฟสเกิดจากการเคลื่อนที่ของแกนแมเหล็ก ตักขดลวดตัวนํา 3 ชุด มีมุมองศาตางกัน 120 องศาทางไฟฟา

หนวยวัดและสมการทางไฟฟา 1. หนวยวัดทางไฟฟา 1.1 ความตานทานไฟฟา (resistance) เปนคุณสมบัติของสสารที่ตอตานการไหลของกระแสไฟฟา สสารที่มีความตานทานไฟฟานอยกวาเรียกวา ตัวนําไฟฟา สวนสสารที่มีความตานทานไฟฟามากกวาเรียกวา ฉนวนไฟฟา ความตานทานมีหนวยเปนโอหม 1.2 แรงดันไฟฟา (voltage) เปนแรงที่ทําใหอิเลคตรอนเกิดการเคลื่อนที่ หรือแรงที่ทาํใหเกิดการไหลของไฟฟา มีหนวยเปน โวลท V 1.3 กระแสไฟฟา (current) เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนจากจดุหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ภายในตัวนําไฟฟา หนวยเปน แอมแปร A 1.4 กําลังงานไฟฟา (power) อัตราการเปลี่ยนแปลงพลังงาน หรืออัดตราการทํางาน มหีนวยเปน วัตต watt W 1.5 พลังงานไฟฟา (energy) คือ กําลังไฟฟาที่ใชไประยะหนึ่ง มหีนวยเปน วัตต-ช่ัวโมง (watt-hour) หรือ ยูนติ(unit) 1.6 ความถี่ (frequency) คือจํานวนรอบของกระแสไฟฟาสลบั มีหนวยเปน เฮิรตซ Hz 1.7 รอบ (cycle) คือการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟาครบ 360 องศาซึ่งเปนการเปลี่ยนแปลงไฟฟาคาบวกและคาลบไดสมบูรณ 1.8 แรงมา (horse power) หรือกําลังมา เปนหนวยวัดกําลังหรืออัตราการทํางาน 1 แรงมา = 550 ฟุต-ปอนด หรือ 745.7 วัตต ประมาณ 746 วัตต 2. สมการไฟฟา 2.1 กฎของโอหม (ohm’s low) ค.ศ. 1862 นักฟสิกสชาวเยอรมัน George Simon Ohm กลาววากระแสไฟฟาที่ไหลในวงจรจะแปรผนัตรงกบัแรงดันไฟฟาและแปรผกผนักับคาความตานทาน E = IR 2.2 สมการคากําลังไฟฟา มหีนวยเปนวัตต P=EI 2.3 สมการคาพลังงานไฟฟา W = Pt กิโลวัตตตอช่ัวโมง หรือยูนิต(unit)

อุปกรณไฟฟาพื้นฐานและวงจรไฟฟาเบื้องตน 1. อุปกรณไฟฟาพื้นฐาน - ตัวตานทาน (resistor) เปนอุปกรณที่ทําหนาที่ตอตานการไหลของกระแสไฟฟา ความตานทานมีหนวยเปนโอหม มีชนิดคงที่ ปรับคาได ชนดิเปลื่ยนคาได - ตัวเก็บประจ ุ(capacitor) เปนอุปกรณทําหนาที่ปองกันการไหลของกระแสไฟฟา สามารถเก็บประจุไฟไวได มีชนิด คาคงที่ ปรับคาได และชนิดเลือกคาได - ตัวเหนีย่วนาํ (inductor) เปนอุปกรณนาํมาใชในวงจรไฟฟาอิเลคทรอนิกลสเกี่ยวของกับสนามแมเหล็กไฟฟานํามาใชเกีย่วกบัความถี่วิทยุ หนวยเปนเฮนรี่ H มีชนิด ตัวเหนี่ยวนําแบบโชกแกนเหล็กในยานความถีต่่ําๆ แบบโชกแกนอากาศใชในยานความถี่วิทยุ แบบโชกแกนเฟอรไรท ใชในยานความถี่สูง 2. วงจรไฟฟาเบื้องตน - วงจรอนกุรม กระแสไฟฟาตลอดวงจรมีคาเดียวกันตลอด แรงเคลื่อนไฟฟาเทากับแรงดันที่ตกครอมอุปกรณแตละตัว

- วงจรขนาน(parallel circuit) กระแสไฟฟาไหลผานอุปกรณแตละตัว รวมกันจะเทากับกระแสไฟฟาที่ไหลออกจาก

แหลงจาย แรงดันตกครอมอปุกรณแตละตวั มีคาเทากับแรงเคลื่อนไฟฟาของแหลงจาย

- วงจรผสม เปนการตอทั้งอนุกรมและขนานในวงจรเดยีวกัน

- สายไฟฟาและอุปกรณปองกันระบบไฟฟา 1. สวนประกอบของสายไฟฟา ประกอบดวย 2 สวนคือตวันําและฉนวน - ตัวนํา (conduction) ทําจากโลหะที่มีความนําไฟฟาสูง อาจเปนสายเดีย่ว หรือสายตีเกลียว นิยม ทองแดงและอลูมิเนียม ทองแดง นําไฟฟาไดดี น้ําหนักมาก ราคาแพง เหมาะกับการใชในอาคารทั่วไป อลูมิเนียม นําไฟฟารองจากทองแดง น้ําหนักเบา ราคาถูกกวา เหมาะกับอาคารและแรงดันสูง - ฉนวน (insulator) ทําหนาทีห่อหุมตวันํา นิยมใช PVC (polyvinyl chloride) ไมซับน้ําเหนยีวทนทาน ทนตอการกดักรอน ไมมี ปฏิกิริยากับกรดดาง และ XLPE (cross link polyethylene) มีความแข็งแรงทนความรอนและถายเทความรอนไดดีกวา 2. ประเภทของสายไฟฟา แบงเปน 2 ประเภทคือ สายไฟฟาแรงดันสูง และสายไฟฟาแรงดันต่ํา - สายไฟฟาแรงดันสูง มีสายเปลือย และสายหุมฉนวน - สายไฟฟาแรงดันต่ํา ใชกบัแรงดันไมเกนิ 750 โวลท

การเลือกสายไฟฟาท่ีเหมาะสม 1. ขอพิจารณาในการเลือกสายไฟฟา - พิกัดแรงดัน มอก. 11-2531 ไดกําหนดแรงดัน 2 ระดับ คือ 300 โวลต และ 750 โวลต การใชงานตองคํานึงพิกัดแรงดันใหเหมาะสม - พิกัดกระแส ความสามารถของสายไฟฟาในการนํากระแส มีตัวแปรไดแก ขนาดสายไฟฟา ชนิดของฉนวน อุณหภ฿มโดยรอบ ลักษณะการติดตั้ง - สายควบ สายหลายเสนตอขนาน

- แรงดนัตก (voltage drop) ความแตดตางระหวางแรงดนัตนทางและปลายทาง 2. การเลือกสายไฟฟาใหเหมาะสมกับวงจรตางๆ แบงเปนสามวงจร ไดแก วงจรยอย วงจรสายปอน และวงจรประธาน

2.1 วงจรยอย (branch circuit) เปนสวนของวงจรไฟฟาทีต่อมาจากบริภณัฑปองกนัตัวสุดทายกับจดุตอโหลด เชนวงจรยอยแสงสวาง วงจรยอยมอเตอร

2.2 วงจรสายปอน (feeder circuit) วงจรทีรั่บไฟจากสายประธานไปจนบริภัณฑปองกันวงจรยอย 2.3 วงจรประธาน ( main circuit) หมายถึง ตัวนํา และอุปกรณไฟฟาตางๆ ที่รับไฟจากการไฟฟา มีตวันําประธานอากาศ และตัวนําประธานใตดิน

อุปกรณ ปองกันระบบไฟฟา และการเลือกใชอุปกรณปองกันระบบไฟฟาท่ีเหมาะสม 1. อุปกรณปองกันระบบไฟฟา - ฟวส (fuse) อุปกรณปองกนักระแสเกิน ทํามาจากโลหะผสมสามารถนําไฟฟาไดดี มีจุดหลอมละลายต่ํา ฟวสทีด่ี เมื่อกระแสไหลเกิน 2.5 ของขนาดทนกระแสของฟวส ฟวสตองขาด - เซอรกิตเบรกเกอน (circuit breaker :CB) อุปกรณทําหนาที่ตัดกระแสไฟฟา เมื่อกระแสเกินหรือลัดวงจร สามารถกลับมาใชใหมไดไมเปลีย่นใหมเหมือนฟวส การทํางานมี 2 แบบคอื เชิงความรอน และเชิงแมเหล็ก 2. การเลือกขนาดของอุปกรณปองกันระบบไฟฟาที่เหมาะสม - อุปกรณปองกันวงจรยอย ตองมีอุปกรณปองกันกระแสเกิน สอดคลองกับโหลดสูงสุดที่คํานวณได นยิมใชเซรกิตเบรกเกอร ตามมาตรฐาน IEC (International Electrotechnical Commission)

- อุปกรณปองกันวงจรสายปอน ตองมีการปองกันกระแสเกิน และขนาดของอุปกรณปองกันกระแสเกินตองสอดคลองกับ

โหลอดสูงสุดที่คํานวณได - อุปกรณปองกันวงจรประธาน หมายถึงอุปกรณไฟฟาที่ทาํหนาที่ปลดวงจรบริภัณฑประธาน ประกอบดวย อุปกรณปลด

วงจร และอุปกรณปองกนักระแสเกิน

วงจรพื้นฐานสําหรับควบคมุอุปกรณไฟฟา วงจรไฟฟาแสงสวาง - ประเภทของหลอดไฟฟา มีหลอดไส หลอดทัวสเตนฮาโลเจน หลอดเรืองแสง เชน หลอดฟลูออเรสเซนต หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต

ระบบควบคุมมอเตอรไฟฟา ขนาดของมอเตอรเรียกเปนแรงมา 1 Hp = 764 วัตต ในการควบคุมมอเตอร ประกอบดวยวงจรควบคุมและวงจรกําลัง 1. ประเภทของมอเตอร - มอเตอรเหนี่ยวนํา (induction motor) นิยมใชมา มี 1 เฟส และ 3 เฟส แบบกรงกระรอก และ แบบวาวดโรเตอร - มอเตอรซิงโครนัส (synchronous motor) เปนมอเตอร 3 เฟส มีขดลวดอารเมเจอร และขดลวดสนาม ความเร็วคงที่ - มอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC motor) มีขดลวดสนามอยุบนสเตเตอรและขดลวดอารเมเจอรอยูบนสเตเตอร สามารถควบคุมความเร็วไดดี แรงบิดเริ่มเดนิเครื่องสูง 2. วงจรยอยของมอเตอร (motor branch circuit) 2.1 กรณีมอเตอรใชงานทั่วไป โหลดมอเตอรถือวาเปนโหลดตอเนื่อง ดังนั้นสายวงจรมอเตอรตองมีขนาดไมนอยกวา 125% ของพิกันกระแสมอเตอร

2.2 กรณีมอเตอรหลายตัว (multi speed motor) แตละความเร็วจะมีคาพิกัดกระแสตางกัน ใหใชคากระแสสูงสุด 2.3 กรณีมอเตอรใชงานไมตอเนื่อง เปนระยะ หรือเปนคาบ ตองไมต่ํากวาคาเปอรเซ็น คูณพิกดักระแสของมอเตอร

3. อุปกรณท่ีสําคัญในการควบคุมมอเตอร 3.1 สวิทชปุมกด (push button) เปนอุปกรณสงสัญญาณโดยการกดจากตูควบคุม

3.2 สวิทชควบคุม (selector switch) สวิทชที่เลือกการทํางานของอุปกรณที่จะควบคมุ อาจมี 2 หรือ 3 ตําแหนง 3.3 หลอดไฟ (pilot lights) เปนอุปกรณทีใ่ชแสดงสัญญาณการทํางานหรือหยุดทํางานของอุปกรณ

3.4 อุปกรณปองกันวงจรควบคุม นิยมใชเซอรกิตเบรกเกอร 3.5 คอนแทคเตอร เปนอุปกรณีสําหรับตัดวงจรไฟฟาควบคุมโดยแมเหล็กไฟฟา 3.6 โอเวอรโหลด (overload relay) เปนอุปกรณปองกนัมอเตอรไมใหไดรับความเสยีหาย เมื่อเกดิโอเวอรโหลด

อุปกรณที่สําคัญในการควบคุมมอเตอร

4. วงจรควบคมุพื้นฐาน 4.1 วงจรสตารทและควบคมุมอเตอรโดยตรง

4.2 วงจรกลบัทางหมุนมอเตอร

4.3 วงจรเริ่มเดินแบบสตารเดลตา ใชกับมอเตอรที่มีกําลังแรงมาสูงๆ เพื่อลดกระแสในชวงสตารทมอเตอร กระแสเริ่มหมุนจะประมาณ 7 เทาของกระแสตอนทํางานปกติ

การตอลงดนิ หมายถึงการตอสายไฟฟาจากอุปกรณไฟฟาไปยังสายดนิ โดยสายดนิคือแทงตัวนําทองแดงที่ตอดลงไปในดนิ เพื่อปองกันไฟรั่วซอตบุคคลผูใชงาน 1. ประเภทของการตอลงดิน แบงเปน 2 ประเภท 1.1 การตอลงดินท่ีระบบไฟฟา หมายถึง การตอสวนใดสวนหนึ่งของระบบไฟฟาทีม่ีกระแสไหลผานลงดิน เชน การตอจุดนิวทรัล (neutral point) ลงดิน 1.2 การตอลงดินที่อุปกรณไฟฟา หมายถึงการตอสวนทีเ่ปนโลหะ ที่ไมมีกระแสไฟฟาไหลผานของอุปกรณตางๆ ลงดิน 2. สวนประกอบการตอลงดิน - หลักดนิ หรือระบบหลักดิน (grounding electrode) เปนหลักดนิ นยิมใชทองแดง - สายตอหลักดิน

ความตานทานระหวางหลักดนิกับดิน ตามมาตรฐาน ว.ส.ท. กําหนดความตานทานหลักดินกับดินไมเกิน 5 โอหม การไฟฟานครหลวง ไมเกิน 25 โอหม หารวัดแลวเกนิตองปกเพิ่มอีก 1 แทง

ฟาผาและระบบปองกันฟาผา ปรากฏการฟาผาและอันตรายจากฟาผา 1. ฟาผา เกิดขึน้เนื่องจากการเกิดประจไุฟฟาอิสระที่ละอองน้ําในอากาศ เมื่อละอองน้ําเหลานี้รวมตัวกันหนาแนนเปนกอนเมฆ โดยเฉพาะเมฆฝนที่มีประจไุฟฟาอิสระรวมกันอยูมากมาย หากกอนเมฆที่ประจุในขัว้ที่ตางกนั เคลื่อนตัวเขาใกลกันจะทําใหจนทําใหประจไุฟฟาทั้งสองชนิดกระโดดเขาหากัน ดวยความเร็ว เสยีดสีกับอากาศ เกดิความรุนแรงและเผาไหม แสงสวางเรียกวาฟาแลบ แตถาประจไุฟฟาอิสระกระโดดไปมาระหวางกอนเมฆกับแผนดนิ เรียกวาฟาผา อาจเกิดจากประจุไฟฟาวิ่งอยางรวดเร็วไปยังแผนดิน หรือกลับกันจากแผนดินไปยังกอนเมฆไดเชนกนั

2. อันตายจากฟาผา - ถูกฟาผาโดยตรง - ถูกฟาผาโดยออม แรงดันชวงกาว แรงดันสัมผัส

หลักการปองกันฟาผา 1. การปองกันฟาผาภายนอก ประกอบดวยการติดตั้ง ตวันําลอฟา ตัวนาํลงดิน รากสายดิน

2. การปองกันฟาผาภายใน ติดตั้งอุปกรณปองกันไฟกระชากในแผงไฟฟาตางๆ เพื่อปองกันมิใหแรงดันกระชากหรือคากระแสสูงไหลเขาไปหาอปุกรณไฟฟา

สวนประกอบและแนวทางการออกแบบระบบปองกันฟาผาภายนอก

1. สวนประกอบระบบปองกันฟาผาภายนอก - ตัวนาํหรือลอฟา มีหลักลอฟา สายขึงตัวนํา ตวันําลงดิน

manasu