ผลต่างระหว่างรุ่นของ "ไฟฟ้ากระแสสลับ"
เนื้อหาที่ลบ เนื้อหาที่เพิ่ม
ไม่มีความย่อการแก้ไข |
ไม่มีความย่อการแก้ไข |
||
บรรทัด 1:
'''ไฟฟ้ากระแสสลับ'''
[[File:Types of current.svg|thumb|140px|ภาพแสดงความแตกต่างระหว่างไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ กระแสตรงอาจเป็นบวกหรือลบก็ได้อย่างใดอย่างหนึ่ง ไม่ไปก็กลับ แต่กระแสสลับ วิ่งไปวิ่งกลับตลอดเวลา จำนวนรอบของไทยคือ 50 รอบต่อวินาที หรือ 50 Hz]]
หรือ {{lang-en|Alternating Current Electricity}} (AC หรือ ac) หมายถึงกระแสที่มีทิศทางไปและกลับตลอดระยะเวลา ไม่เหมือนกระแสตรง (Direct Current, DC หรือ dc) ที่ไหลไปในทิศทางเดียว ไม่ไหลกลับ
ไฟ AC เป็นไฟฟ้าสำหรับบ้านเรือนหรือธุรกิจอุตสาหกรรมที่ใช้ปริมาณไฟมากๆ รูปคลื่นเป็น sine wave ในบางกรณี รูปคลื่นอาจเป็นสามเหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยม
[[File:2-level-animation.gif|thumb|140px|ภาพจำลองการส่งคลื่น AC จาก generator ซึ่งส่งพลังงานกลับทิศทางตลอดเวลา]]
==ประวัติ==
[[File:Guillaume Duchenne de Boulogne performing facial electrostimulus experiments.jpg|thumb|140px|การทดลองกระตุ้นด้วยไฟฟ้าที่หน้าโดย Duchenne]]
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเครื่องแรกเป็นครั้งแรกมีพื้นฐานมาจากหลักการของไมเคิล ฟาราเดย์สร้างขึ้นโดยช่าชาวฝรั่งเศสชื่อ Hippolyte Pixii ในปี (ค.ศ.1832) หลังจากนั้น Pixii เพิ่มตัวสลับสายเข้าไปในอุปกรณ์ของเขา ซึ่งในขณะนั้นยังใช้ไฟ dc กันอย่างแพร่หลายอยู่ กระแสสลับที่เก่าแก่ที่สุดที่มีการถูกบันทึกไว้ว่าประยุกต์ใช้จริงโดย กีโยม Duchenne นักประดิษฐ์และพัฒนาไฟฟ้าบำบัด ในปี [[ค.ศ.1855]] เขาประกาศว่า AC ใช้รักษาการหดตัวของกล้ามเนื้อได้ดีกว่า DC
ในปี [[ค.ศ.1876]] วิศวกรชาวรัสเซียชื่อ Pavel Yablochkov คิดค้นระบบไฟส่องสว่างขึ้นโดยมีรากฐานจากชุดของขดลวดเหนี่ยวนำโดยที่ขดลวดปฐมภูมิเชื่อมต่อกับแหล่งไฟ AC ลวดทุติยภูมิสามารถเชื่อมต่อไปยังเทียนไฟฟ้า (โคมประกายไฟ) ได้หลายดวง ขดลวด Yablochkov ทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงไฟฟ้านั่นเอง
[[File:Hippodrome shined with Yablochkov candles.jpg|thumb|140px|Hippodrome กรุงปารีส ให้แสงสว่างโดยใช้เทียนของ Yablochkov 128 ดวง โดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้า]]
หม้อแปลงไฟฟ้าที่ถูกพัฒนาขึ้นโดยลูเชียน Gaulard และจอห์น ดิกสัน กิ๊บส์ได้แสดงให้เห็นในลอนดอนในปี [[ค.ศ.1881]] และดึงดูดความสนใจของเวสติงเฮ้าส์ พวกเขายังแสดงสิ่งประดิษฐ์ใน Turin ในปี [[ค.ศ.1884]] ที่ๆมันถูกนำมาใช้สำหรับระบบไฟฟ้าแสงสว่าง งานออกแบบของพวกเขาหลายชิ้นถูกนำไปปรับใช้เป็นกฎหมายตวบคุมการกระจายไฟฟ้าในสหราชอาณาจักร
วิลเลียม สแตนลี่ย์ จูเนียร์ได้ออกแบบหนึ่งในอุปกรณ์จริงครั้งแรกในการถ่ายโอนไฟ AC อย่างมีประสิทธิภาพระหว่างวงจรที่แยกออกมา การใช้คู่ของขดลวดพันบนแกนเหล็กเดียวกัน เรียกว่าขดลวดเหนี่ยวนำเป็นหม้อแปลงยุคแรก ระบบไฟ AC ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วหลังปี [[ค.ศ. 1886]] และรวมทั้งการอุดหนุนโดย[[นิโคลา เทสลา]] (สิทธิบัตรให้จอร์จ เวสติงเฮ้าส์) และคาร์ล วิลเฮล์ม ซีเมนส์ ระบบ AC เอาชนะข้อจำกัด ของระบบ DC ที่ใช้โดยโทมัส เอดิสัน ในการแจกจ่ายกระแสไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพในระยะทางไกล ถึงแม้ว่าเอดิสันพยายามที่จะทำลายชื่อเสียงของกระแสสลับว่าเป็นอันตรายเกินไปในสงครามแห่งกระแส
[[File:Westinghouse row of dynamos 1893.gif|thumb|140px|ภาพแสดง AC ไดนาโมของ Westinghouse ที่ให้แสงสว่างสำหรับงาน world expo ที่ชิคาโก ในปี 1893]]
==สายส่ง, การจำหน่ายและแหล่งจ่ายไฟในประเทศ==
[[File:Ligne haute-tension.jpg|thumb|140px|ตัวอย่างสายส่งไฟฟ้าแรงสุง ประเทศไทยใช้สุงสุดที่ 500kV จากแม่เมาะ-กท.<ref>[http://www.ee.kmutt.ac.th/download/Introduction/powersys%20+%20HV.pdf], ระบบไฟฟ้ากำลังและไฟฟ้าแรงสูง ม.พระจอมเกล้าธนบุรี</ref>]]
แรงดันไฟฟ้า AC อาจจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงด้วยหม้อแปลงไฟฟ้า การใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงจะมีประสิทธิภาพในการส่งพลังงานมากอย่างมีนัยสำคัญ การสูญเสียพลังงานในตัวนำเป็นผลคูณของกระแสยกกำลังสองกับค่าความต้านทานของตัวนำ ตามสูตร
บรรทัด 30:
ระบบสายส่งแบบกระแสตรงแรงดันสูง (HVDC) ทำงานตรงกันข้ามกับระบบ AC ในการส่งพลังงานระยะทางไกลๆ แต่ระบบ HVDC มีแนวโน้มที่จะมีราคาแพงกว่าและมีประสิทธิภาพน้อยกว่าถ้าระยะทางที่ส่งสั้นๆ ระบบ HVDC ยังเป็นไปไม่ได้เมื่อครั้งที่ เอดิสัน, เวสติงเฮ้าส์และเทสลาแข่งกันออกแบบระบบไฟฟ้า เพราะยังไม่มีวิธีแปลงไฟ AC เป็น DC แล้วแปลงกลับเป็น AC ใหม่ได้ด้วยเทคโนโลยีสมัยนั้น
[[File:3phase-rmf-320x240-180fc.gif|thumb|140px|ภาพแสดงการทำงานของระบบไฟ 3 phase ซึ่งประกอบด้วยขดลวดพันรอบแกนเหล็ก 3 ชุดห่างกัน 120°]]
ระบบไฟฟ้าสามเฟสเป็นเรื่องธรรมดามาก วิธีที่ง่ายที่สุดคือการแยกขดลวดสเตเตอร์ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าออกเป็น 3 ชุด แต่ละชุดทำมุม 120°ซึ่งกันและกัน รูปคลื่นของกระแสจะถูกสร้างขึ้นโดยมีขนาดเท่ากันแต่เฟสต่างกัน 120° ถ้าเพิ่มขดลวดตรงข้ามกับชุดเหล่านี้ (ระยะห่าง 60 °) พวกมันจะสร้างเฟสเดียวกันแต่กระแสไฟฟ้าตรงข้ามกันและสามารถต่อสายเข้าด้วยกันได้
[[File:3phase AC wave.gif|thumb|140px|ภาพแสดงรูปคลื่น 3 เฟส]]
ในทางปฏิบัติ จะใช้ "ลำดับของ pole"ที่สูงกว่า ตัวอย่างเช่นเครื่อง 12-pole จะมีขดลวด 36 ชุด (ระยะห่าง 10°) ข้อดีคือสามารถใช้ความเร็วต่ำได้ ตัวอย่างเช่นเครื่อง 2-pole ทำงานที่ 3600 รอบต่อนาทีแต่เครื่อง 12-pole ทำงานที่ 600 รอบต่อนาทีเพื่อผลิตความถี่เดียวกัน วิธีนี้ทำได้สำหรับเครื่องขนาดใหญ่
ถ้าโหลดในระบบสามเฟสจะมีความสมดุลกันทุกเฟส จะไม่มีการไหลของกระแสที่นิวทรอล แม้จะอยู่ในสภาวะโหลดไม่สมดุล (เชิงเส้น) ที่เลวร้ายที่สุด กระแสนิวทรอลก็จะไม่เกินกว่ากระแสสูงสุดของเฟส โหลดไม่เชิงเส้น (เช่นคอมพิวเตอร์) อาจต้องใช้สายนิวทรอลขนาดใหญ่ในแผงกระจายไฟเพื่อจัดการกับ Harmonics ที่เกิดขึ้น ฮาโมนิคส์สามารถทำให้กระแสในนิวทรอลสูงกว่ากระแสเฟสได้
[[File:AC delta connection.svg|thumb|140px|แสดงการ wiring แบบ delta 3 phase 3 wire]]
ระบบสามเฟส สี่เส้น จะถูกใช้ที่ปลายทาง ในการลดแรงดัน ด้าน primary จะเป็นเดลต้า (3 สาย) ด้าน secondary เป็นดาว (4-wire,center เป็น สายดิน)▼
▲ระบบสามเฟส สี่เส้น จะถูกใช้ที่ปลายทาง ในการลดแรงดันจากสายส่ง ด้าน primary จะเป็นเดลต้า (3 สาย) ด้าน secondary เป็นดาว (4-wire,center เป็น สายดิน)
[[File:AC star connection.svg|thumb|140px|แสดงการ wiring แบบ star 3 phase 4 wire]]
สำหรับลูกค้าขนาดเล็ก อาจใช้เพียงเฟสเดียวกับนิวทรอล หรือสองเฟสกับนิวทรอล สำหรับการติดตั้งขนาดใหญ่ใช้สามเฟสกับนิวทรอล จากแผงหลักทั้งไฟสามเฟสและเฟสเดียวจะถูกจ่ายออกไป
เส้น 56 ⟶ 57:
เนื่องจากกระแสไฟฟ้ามีแนวโน้มที่จะไหลในผิวรอบตัวนำ, พื้นที่หน้าตัดของตัวนำจะลดลง ทำให้ความต้านทานของตัวนำในระบบไฟฟ้ากระแสสลับสูงขึ้น เพราะความต้านทานจะแปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัด ความต้านทาน AC มักจะสูงกว่าความต้านทาน DC มาก ก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่สูงขึ้นมากเนื่องจากปรากฏการณ์ ohmic heating (หรือเรียกว่าการสูญเสีย I2R)
===เทคนิคการลดความต้านทาน AC===
สำหรับความถี่ต่ำถึงความถี่กลาง ตัวนำสามารถถักเป็นสายเกลียว แต่ละเส้นเคลือบฉนวน สายไฟที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคนี้เรียกว่า Litz wire วิธีนี้้จะช่วยบรรเทาผลกระทบจาก skin effect ด้วยการบังคับให้กระแสกระจายเท่าเทียมกันตลอดหน้าตัดของสายเกลียว Litz wire ถูกนำมาใช้ทำ ตัวเหนี่ยวนำคุณภาพสูง ลดการสูญเสียในตัวนำกระแสสูงแต่ความถี่ต่ำ และขดลวดของอุปกรณ์ที่ใช้คลื่นวิทยุความถี่สูงขึ้น (ถึงหลายร้อยกิโลเฮิร์ตซ์) เช่นเพาเวอร์ซัพพลายแบบสลับโหมด และหม้อแปลงไฟฟ้าคลื่นความถี่วิทยุ
===เทคนิคในการลดการสูญเสียรังสี===
ตามที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น กระแสสลับเกิดจากประจุไฟฟ้าภายใต้ความเร่งเป็นระยะ ๆ ซึ่งทำให้เกิดการแผ่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานที่แผ่ออกมาจะหายไป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความถี่ การใช้เทคนิคหลายอย่างจะสามารถลดการสูญเสียอันเนื่องมาจากการแผ่กระจายนั้น
===สายบิดเป็นคู่===
ที่ความถี่สูงถึงประมาณ 1 GHz, สายแต่ละคู่จะถูกบิดเป็นเกลียวเข้าด้วยกัน เรียกว่า twisted pair ซึ่งจะช่วยลดความสูญเสียที่เกิดจากการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและเหนี่ยวนำต่างๆ คู่บิดที่ต้องใช้กับระบบการส่งสัญญาณที่มีความสมดุลเพื่อให้ทั้งสองสายพกพากระแสเท่ากัน แต่ทิศทางตรงข้ามกัน ลวดแต่ละในคู่บิดจะแผ่กระจายสัญญาณออกมา แต่มันจะถูกหักล้างอย่างมีประสิทธิภาพโดยรังสีจากสายอื่น ๆ มีผลทำให้เกิอบจะไม่มีการสูญเสียจากการแผ่รังสีเลย
===สาย coaxial===
สาย coaxial มักใช้กับความถี่เสียงหรือสูงกว่าเพื่อความสะดวก ประกอบด้วยลวดตัวนำอยู่ภายในหลอดตัวนำแยกจากกันด้วยชั้นของไดอิเล็กทริก กระแสไฟฟ้าที่ไหลในตัวนำด้านในมีค่าเท่ากับและตรงข้ามกับกระแสที่ไหลบนพื้นผิวด้านในของหลอด สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจึงมีอย่างสมบูรณ์ภายในหลอดและ (โดยจินตนาการ) ไม่มีการสูญเสียพลังงานจากการแผ่รังสีหรือเชื่อมถึงกันนอกหลอด สาย coaxial มีการสูญเสียเล็กน้อยที่ยอมรับได้สำหรับความถี่สูงถึงประมาณ 5 GHz สำหรับความถี่ไมโครเวฟที่สูงกว่า 5 GHz ความสูญเสีย (สาเหตุหลักจากความต้านทานไฟฟ้าของตัวนำใส้กลาง) มากเกินไป ทำให้ waveguide เป็นตัวกลางในการส่งคลื่นที่มีประสิทธิภาพมากกว่า สาย coaxial ที่มีอากาศแทนสารไดอิเล็กทริกเป็นที่ต้องการเพราะสามารถส่งกำลังด้วยความสูญเสียที่น้อยกว่า
===Waveguides===
ท่อนำคลื่นคล้ายกับสาย coax เนื่องจากทั้งสองชนิดนี้ประกอบด้วยท่อ แต่ความแตกต่างอยู่ที่ท่อนำคลื่นไม่ได้มีตัวนำภายใน ท่อนำคลื่นอาจมีรูปแบบหน้าตัดอะไรก็ได้ แต่ส่วนใหญ่เป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า เพราะท่อนำคลื่นไม่ได้มีตัวนำภายในเพื่อส่งพลังงานในรูปกระแส แต่ส่งโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ถึงแม้ว่ากระแสที่พื้นผิวจะไหลในผนังด้านในของท่อ กระแสพื้นผิวไม่ส่งพลังงาน พลังงานจะถูกส่งโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสพื้นผิวเกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและมีผลในการเก็บสนามไฟฟ้าไว้ภายในท่อนำคลื่นและป้องกันการรั่วไหลของคลื่นออกนอกท่อนำคลื่น
ท่อนำคลื่นมีขนาดเป็นสัดส่วนกับความยาวคลื่นที่จะถูกส่ง ดังนั้นท่อนำคลื่นจึงเป็นความเป็นไปได้อย่างเดียวสำหรับความถี่ย่านไมโครเวฟ นอกจากความเป็นไปได้ทางด้านกลไกแล้ว ความต้านทานไฟฟ้าของโลหะที่ใช้สร้างผนังของท่อนำคลื่นทำให้คลื่นกระจาย (กระแสพื้นผิวทีไหลบนตัวนำที่มีรอยต่อหลวมทำให้เกิดความร้อน) ที่ความถี่สูงๆ การสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากความร้อนจะมีขนาดใหญ่เกินกว่าจะยอมรับได้
===ใยแก้วนำแสง===
ที่ความถี่สูงกว่า 200 GHz, ขนาดของท่อนำคลื่นเล็กลงมากๆ และ ohmic loss ในผนังท่อนำคลื่นมีจำนวนมาก แต่ใยแก้วนำแสงซึ่งเป็นรูปแบบของท่อนำคลื่นไดอิเล็กทริกสามารถถุกนำมาใช้ได้แทน สำหรับความถี่ดังกล่าววิธีส่งพลังงานด้วยแรงดันไฟฟ้าและกระแส ใช้ไม่ได้แล้ว
==คณิตศาสตร์ของแรงดันไฟฟ้า AC ==
[[File:Sine wave 2.svg|thumb|140px|คลื่นไซน์มากกว่าหนึ่งรอบ (360 °) เส้นประแสดงให้เห็นถึงค่า root mean square (RMS) ที่ประมาณ 0.707 ของค่าสูงสุด (peak)]]
กระแสสลับไปด้วยกัน (หรือเกิดจาก) กับแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ v สามารถอธิบายทางคณิตศาสตร์ว่าเป็นฟังชั่นของเวลาโดยสมการต่อไปนี้:
:<math>v(t)=V_\mathrm{peak}\cdot\sin(\omega t)</math>,
where
*<math>\displaystyle V_{\rm peak}</math>เป็นค่า peak voltage (หน่วย: [[โวลต์]]),
*<math>\displaystyle\omega</math> เป็น [[ความถี่เชิงมุม]] (unit: [[ เรเดียนต่อวินาที]])
**ความถี่เชิงมุมสัมพันธ์กับความถี่ทางกายภาพ, <math>\displaystyle f</math> (หน่วย = [[เฮิรตซ์]]), มีหน่วยเป็นจำนวนรอบต่อวินาที, ตามสูตร <math>\displaystyle\omega = 2\pi f</math>.
*<math>\displaystyle t</math> เป็นเวลา (หน่วย: [[วินาที]]).,
ค่า peak-to-peak ของแรงดันไฟฟ้า AC ถูกกำหนดให้เป็นความแตกต่างระหว่างจุดสูงสุดด้านบวกและจุดสูงสุดด้านลบ เนื่องจากค่าสูงสุดของ <math>\sin(x)</math> คือ +1 และค่าต่ำสุดคือ -1, แรงดัน AC จะขึ้นลงระหว่าง <math>+V_{\rm peak}</math> และ <math>-V_{\rm peak}</math> แรงดันไฟฟ้า peak-to-peak ปกติจะถูกเขียนว่า <math>V_{\rm pp}</math> หรือ <math>V_{\rm P-P}</math> เพราะฉะนั้น <math>V_{\rm peak} - (-V_{\rm peak}) = 2 V_{\rm peak}</math>.
===กำลังงานและค่า root mean square===
ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและกำลังงานคือ
:<math>p(t) = \frac{v^2(t)}{R}</math> เมื่อ <math>R</math> แทนความหมายเป็น load resistance.
แทนที่จะใช้กำลังงานในจุดใดจุดหนึ่ง <math>p(t)</math> ในทางปฏิบัติ จะใช้กำลังงานในเวลาเฉลี่ย (ที่ๆค่าเฉลี่ยจะถูกกระทำในจำนวนเต็มรอบใด ๆ) ดังนั้นแรงดันไฟฟ้า AC มักจะแสดงเป็นค่า root mean square (RMS) เขียนเป็น <math>V_{\rm rms}</math> ดังนั้น
:<math>P_{\rm time~averaged} = \frac{{V^2}_{\rm rms}}{R}.</math>
สำหรับแรงดันไฟฟ้ารูปซายน์:
:<math>V_\mathrm{rms}=\frac{V_\mathrm{peak}}{\sqrt{2}}.</math>
ค่า <math>\sqrt{2}</math>ถูกเรียกว่า crest factor แตกต่างกันตามรูปคลื่นที่แตกต่างกัน
*สำหรับรูปคลื่นสามเหลี่ยมศูนย์กลางอยู่รอบๆค่าศูนย์
:<math>V_\mathrm{rms}=\frac{V_\mathrm{peak}}{\sqrt{3}}.</math>
*สำหรับรูปคลื่นสี่เหลี่ยมศูนย์กลางอยู่รอบๆค่าศูนย์
:<math>\displaystyle V_\mathrm{rms}=V_\mathrm{peak}.</math>
*สำหรับรูปคลื่นเป็นระยะ ๆ ของเวลา
:<math>v(t)</math> of period <math>T</math>:
:<math>V_\mathrm{rms}=\sqrt{\frac{1}{T} \int_0^{T}{v^2(t) dt}}.</math>
===ตัวอย่าง===
เพื่อแสดงให้เห็นถึงแนวคิดเหล่านี้ พิจารณาไฟ 230 V AC ที่ใช้ในหลายประเทศทั่วโลก เพราะค่า RMS = 230 V หมายความว่ากำลังงานเฉลี่ยตามเวลา เทียบเท่ากับกำลังงานที่ส่งมาจากแรงดัน DC 230 โวลต์จารณาถึงค่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุด (แอมปลิจูด) เราสามารถจัดเรียง สมการข้างต้นใหม่ว่า :
:<math>V_\mathrm{peak}=\sqrt{2}\ V_\mathrm{rms}.</math>
สำหรับ230 V AC, แรงดันไฟฟ้าสูงสุดจึงเป็น <math>\scriptstyle V_\mathrm{peak}</math>หรือประมาณ 325 V ค่า peak-to-peak <math>\scriptstyle V_\mathrm{P-P}</math> ของ 230 V AC เป็นสองเท่าหรือประมาณ 650 V.
| |||