หม้อแปลงไฟฟ้า (Transformer)

"หม้อแปลงไฟฟ้า"หมายถึง เครื่องกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ประกอบด้วยขดลวดตั้งแต่ 2 ขดขึ้นไป ใช้แปลงแรงดัน   โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อถ่ายทอดกำลังไฟฟ้าด้วยความถี่เท่าเดิมจากระบบไฟฟ้าที่มีแรงดันหรือกระแสสลับหนึ่งๆ ไปยังระบบไฟฟ้าอีกระบบหนึ่งซึ่งโดยทั่วไปจะมีแรงดันหรือกระแสต่างกัน โดยใช้หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

 1. คุณสมบัติพื้นฐานของหม้อแปลง

 กรณีของหม้อแปลง 1 เฟส 2 ขดลวด
- แรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf ) แรงเคลื่อนไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิ E1 [V] และขดลวดทุติยภูมิ E2 [V] แสดงได้ด้วยสมการที่ 1 ดังนี้

- กระแส   ถ้าให้กระแสของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิเท่ากับ I₁ [A] และ I₂ [A] แล้ว จะได้สมการที่ 2 ดังต่อไปนี้

- อัตราส่วนจำนวนรอบ   ถ้าให้อัตราส่วนจำนวนรอบเท่ากับ α แล้ว จะได้สมการที่ 3 ดังต่อไปนี้

- พิกัดขนาด กําหนดจากพิกัดแรงดันทุติยภูมิ [V] และพิกัดกระแสทุติยภูมิ [A] ดังสมการที่ 4

หมายเหตุ
*พิกัดแรงดันปฐมภูมิที่ระบุไว้ที่แผ่นป้าย เป็นค่าที่ได้จากการนำพิกัดแรงดันทุติยภูมิมาคูณกับอัตราส่วนจำนวนรอบ α เท่านั้น ในสภาพที่มีโหลด (แล็กกิ้งเพาเวอร์แฟกเตอร์) นั้น แรงดันที่ต้องป้อนให้ขดลวดปฐมภูมิเพื่อให้ได้แรงดันทุติยภูมิตามพิกัดจะต้องสูงกว่าค่านี้เล็กน้อย
**พิกัดกระแสปฐมภูมิเป็นค่าจากการนำพิกัดกระแสทุติยภูมิมาหารด้วยอันตราส่วนจำนวนรอบ กระแสปฐมภูมิในทางปฏิบัติจะต้องรวมกระแสสร้างสนามแม่เหล็กเข้ามาด้วย

(a) รูปอย่างง่ายของหม้อแปลงขณะที่มีโหลด

(b) ผังวงจร

(c) รูปเวกเตอร์ปฐมภูมิ

(d) รูปเวกเตอร์ทุติยภูมิ

 รูปแสดงหลักการทำงานของหม้อแปลงกับแรงดันขณะที่มีโหลด และรูปเวกเตอร์ของกระแส

1.1 วงจรสมมูล

(1) วงจรสมมูลอย่างง่าย
รูปแสดงวงจรสมมูลอย่างง่าย (แปลงวงจรด้านทุติยภูมิเป็นด้านปฐมภูมิ) เป็นวงจรสมมูลอย่างง่ายเมื่อมองจากด้านปฐมภูมิ โดยจะคำนวณหาคุณสมบัติต่างๆ ได้แก่ แรงดัน กระแส เพาเวอร์แฟกเตอร์ ฯลฯ วงจรสมมูลอย่างง่ายนี้เพียงพอต่อการใช้งานในทางปฏิบัติ

รูปแสดงวงจรสมมูลอย่างง่าย (แปลงวงจรด้านทุติยภูมิเป็นด้านปฐมภูมิ)

(2) อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า

อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า ε [%] แสดงได้ดังสมการที่ 5 ต่อไปนี้

เมื่อคำนวณหาอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าจากวงจรสมมูลอย่างง่ายในรูปแสดงวงจรสมมูลอย่างง่าย (แปลงวงจรด้านทุติยภูมิเป็นด้านปฐมภูมิ) ตามสมการที่ 6

รูปแสดงการคำนวณการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า

1.2 การต่อวงจร 3 เฟส

การต่อวงจรขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลง 3 เฟส หรือการต่อวงจรขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลง 1 เฟส 3 ตัวที่เทียบเท่ากัน มีข้อระวังตามที่แสดงในตารางต่อไปนี้

1.2.1 แรงดันและกระแสของการต่อวงจร 3 เฟส

ตารางแสดง ขนาดแรงดันและกระแสของการต่อวงจร 3 เฟส

 1.2.2 เฟสชิฟต์

ตารางแสดงการต่อวงจร 3 เฟสกับเฟสชิฟต์

การต่อวงจร 3 เฟสกับเฟสชิฟต์

หมายเหตุ : ถ้าทั้งด้านปฐมภูมิและทุติยภูมิ หรือด้านใดด้านหนึ่งเป็นวงจรเดลต้า ฮาร์โมนิกที่ 3 ในกระแสสร้างสนามแม่เหล็กจะกลายเป็นกระแสไหลวนในขดลวด ไม่ไหลออกมาข้างนอก เส้นแรงแม่เหล็กจึงไม่ผิดเพี้ยน แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะเป็นรูปคลื่นที่สมบูรณ์

1.2.3 เงื่อนไขการขนานหม้อแปลง

การขนานหม้อแปลงจะเป็นต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขต่อไปนี้เพื่อแบ่งกระแสไม่เกินพิกัดของหม้อแปลงแต่ละตัว
(1) พิกัดแรงดันด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิต้องเท่ากัน ต่อขั้วให้ตรงกัน
(2) อัตราส่วนจำนวนรอบต้องเท่ากัน
(3) เปอร์เซ็นต์อิมพีแดนซ์ลัดวงจรต้องเท่ากัน
(4) ความต้านทานขดลวดและอัตราส่วนรีแอกแตนซ์รั่วไหลของหม้อแปลงแต่ละตัวต้องเท่ากัน
(5) กรณีที่เป็น 3 เฟส ทิศทางของเฟสชิฟต์และองศาของเฟสชิฟต์ต้องเท่ากัน

1.3 กำลังสูญสียกับประสิทธิภาพ

(1) กำลังสูญเสีย
กำลังสูญเสียของหม้อแปลงประกอบด้วยกำลังสูญเสียเมื่อไม่มีโหลด (กำลังสูญเสียใน แกนเหล็ก) Pi และกำลังสูญเสียจากโหลด (กำลังสูญเสียในลวดทองแดงและกำลังสูญเสียจากสเตรย์โหลด) Pc กำลังสูญเสียจากโหลดในกรณีของหม้อแปลงบรรจุน้ำมันจะใช้ค่าที่คำนวณโดยถือว่าอุณหภูมิมาตรฐานของขดลวดเท่ากับ 75°C

(2) ประสิทธิภาพ η (ตามสมการที่ 7)

สมการที่ 8 เงื่อนไขที่ทำให้ประสิทธิภาพมีค่าสูงสุด คือ กำลังสูญเสียเมื่อไม่มีโหลด = กำลังสูญเสียจากโหลด

(3) ประสิทธิภาพตลอดวัน η_d
เนื่องจากโหลดของหม้อแปลงไม่ได้คงที่ตลอดเวลา หม้อแปลงสำหรับจ่ายไฟโดยทั่วไปโหลดตอนกลางวันกับโหลดตอนกลางคืนจะต่างกันหลายเท่า กำลังสูญเสียเมื่อไม่มีโหลดจะเกิดขึ้นทั้งวัน โดยไม่เกี่ยวกับโหลด แต่กำลังสูญเสียจากโหลดจะเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพการเปลี่ยนแปลงของโหลด จึงใช้ประสิทธิภาพตลอดวันเพื่อแสดงสภาพการใช้งานหม้อแปลง ดังสมการที่ 9 และ 10 ตามลำดับ

2. หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้งานโดยทั่วไป มีอยู่ 2 ประเภท คือ

- หม้อแปลงเครื่องมือวัด
- หม้อแปลงจำหน่าย แบบ 1 เฟส 3 เฟส

2.1 หม้อแปลงเครื่องมือวัด ( Instrument Transformers )

การปฏิบัติงานของระบบไฟฟ้าทั้งแรงสูงและต่ำ จำเป็นต่อการทราบปริมาณทางไฟฟ้า เช่น แรงดัน กระแส กำลังไฟฟ้า และตัวประกอบทางกำลังไฟฟ้า แต่ถ้าหากแรงดันเหล่านั้นยังคงมีปริมาณสูงอยู่ก็ยากในการทำการวัด จึงต้องจำเป็นลดระดับลงมาเพื่อประโยชน์ในการวัดและการป้องกัน ซึ่งอุปกรณ์ที่ใช้ลดระดับแรงดันและกระแสให้ต่ำลงเรียกว่า หม้อแปลงเครื่องมือวัด (Instrument Transformers )
หม้อแปลงเครื่องมือวัด สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่

(1) หม้อแปลงกระแส ( Current Transfromer )  หม้อแปลงกระแสเป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่แปลงกระแสค่าสูง ให้ลดต่ำลง เพื่อให้ประสิทธิภาพในการวัดและ การป้องกันของระบบเป็นไปได้ดีขึ้น ซึ่งหน้าที่ของหม้อแปลงกระแสคือ

- แปลงขนาดกระแสของระบบไฟฟ้าค่าสูงเป็นค่าต่ำเพื่อประโยชน์ในการวัดและการป้องกัน

- แยกวงจร Secondary ออกจากวงจร Primary เพื่อให้เกิดความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงาน

- ทำให้สามารถใช้พิกัดกระแสตามมาตรฐานทางด้าน Secondary (1A,5A) ได้

นอกจากนี้ หม้อแปลงกระแสสามารถแบ่งออกตามการใช้งานเป็น 2 กลุ่ม คือ

(1.1) หม้อแปลงกระแสสำหรับการวัด (Measurement CT )

(1.2) หม้อแปลงกระแสสำหรับการป้องกัน (Protection CT )

หม้อแปลงกระแสยังสามารถแบ่งตามลักษณะโครงสร้างเป็น 2 กลุ่ม คือ

A. แบบ Bar Primary คือทางด้าน Primary เป็นตัวนำของระบบไฟฟ้า และทาง Secondary มีขดลวดพันรอบแกนเหล็ก

ลักษณะหม้อแปลงกระแส

โครงสร้างหม้อแปลงกระแส

B. แบบ Wound Primary คือทั้ง Primary และ Secondary เป็นแบบขดลวด

ในทางปฏิบัติหม้อแปลงกระแส   สามารถแบ่งตามลักษณะโครงสร้างได้เป็น 3 แบบ คือ

- แบบ Hair-Pin Type

- แบบ Eye-Bolt Type

- แบบ Top-Core Type

Cr : http://www.emmesscontrol.in/outdoor-oil-cooled.html

รูปแสดงหม้อแปลงกระแสแบ่งตามลักษณะโครางสร้าง

โครงสร้างและการต่อใช้งานของหม้อแปลงกระแส แบบต่างๆ

รูปแสดงการต่อแอมป์มิเตอร์

รูปแสดงการต่อหม้อแปลงกระแสใช้งาน

Source : http://www.owen-brothers.com/

รูปแสดงหม้อแปลงกระแสสามเฟสรูปแสดงการต่อใช้งานหม้อแปลงกระแสสามเฟส

(2) หม้อแปลงแรงดัน ( Voltage Transformer )

หม้อแปลงแรงดัน ( VT ) มีหน้าที่แปลงค่าแรงดันไฟฟ้าค่าสูง ๆ ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าค่าต่ำๆ ให้เหมาะสมกับการต่อใช้งานกับมิเตอร์เพื่อการวัด รีเลย์ หรืออุปกรณ์อื่นๆ

หม้อแปลงแรงดันทำงาน ในสภาวะคล้ายไม่มีโหลด ขดลวด Primary เป็นแบบพันหลายชั้น ด้วยขดลวดอาบน้ำยาอย่างดี ปลายขดลวดต่อเข้ากับซิลด์ โลหะ และทำฉนวนเป็นชั้นๆ ลดหลั่นลงไป เพื่อให้การกระจายของแรงดันสม่ำเสมอ ขดลวด Primary ต่อตรงกับแรงดันไฟฟ้าใช้งาน ส่วนทาง Secondary มีขดลวดสำหรับการวัด และขดลวดสำหรับการ Fault ลงดิน โดยจะต้องมีการแยกกันระหว่าง ส่วนที่เป็นแรงดันสูงกับ ส่วนที่เป็นแรงดันต่ำเพื่อความปลอดภัย โดยการใช้งานโหลด ( Burden ) ของหม้อแปลงแรงดันจะต้องมีค่าไม่เกินที่กำหนดไว้

หม้อแปลงแรงดันสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ

1. Electromagnetic VT.

2. Coupling Capacitor VT.

Source : www.thai.alibaba.com

0.66- 75kv ในร่มหรือกลางแจ้ง 6.6 kv

รูปแสดงหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า

รูปแสดงลักษณะการต่อหม้อแปลงแรงดันใช้งาน

2.2 หม้อแปลงจำหน่าย (Distribution Transformer)

เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนระดับแรงดันให้สูงขึ้นหรือต่ำลงตามต้องการ ภายในประกอบด้วยขดลวด 2 ชุดคือ ขดลวดปฐมภูมิ (Primary winding) และ ขดลวดทุติยภูมิ (Secondary winding)

สำหรับหม้อแปลงกำลัง (Power Transformer) ขนาดใหญ่บางตัวอาจมีขดลวดที่สามเพิ่มขึ้นคือขด Tertiary winding ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าขด Primary และ Secondary และแรงดันที่แปลงออกมาจะมีค่าต่ำกว่าขด Secondary
เนื่องจากหม้อแปลงชนิดนี้มักอยู่ภายนอกอาคาร ดังนั้นต้องมีความคงทนต่อสภาวะแวดล้อม

นอกจากนั้น หม้อแปลงจะต่ออยู่ที่ปลายทั้งสองด้านของระบบสายส่งและใช้งานอยู่ตลอดเวลา ซึ่งอาจจะได้รับผลกระทบจากแรงดันเกินทรานเซี้ยน (transient over voltage) จากการเกิดฟ้าผ่าเหนี่ยวนำเข้าสายส่ง ส่งผลต่อฉนวนของหม้อแปลง อันอาจจะทำให้เกิดการเบรคดาวน์และทำลายสภาพการเป็นฉนวนได้

หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังขนาดใหญ่ๆ บางตัวสามารถแบ่งการใช้งานออกเป็น 3 ระดับ เช่น หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังตัวหนึ่งมีพิกัด 18000/24000/32000 kVA ซึ่งการออกแบบพิกัดความสามารถในการใช้งานของหม้อแปลงจะขึ้นอยู่กับวิธีการระบายความร้อนออกจากหม้อแปลงในขณะนั้นๆ โดย

1. ระบายความร้อน โดย อากาศที่หมุนวนตามธรรมชาติ (Natural circulation of air , OA) ใช้งานสูงสุดที่ระดับพิกัด 18,000 kVA
2. ระบายความร้อน โดย ดูดอากาศระบายโดยรอบตัวถังด้วยพัดลม (Forced-air cooling with fans ; FA) ใช้งานสูงสุดที่ระดับแรงดันพิกัด 24,000 kVA
3. ระบายความร้อน โดย ปั๊มหมุนน้ำมันและประกอบกับดูดอากาศระบายโดยรอบตัวถังด้วยพัดลม (Forced circulation of oil accompanied by forced air cooling , FOA) ใช้งานได้สูงสุดที่ระดับพิกัด 320,000 kVA

ดังนั้น ชนิดของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังที่แบ่งออกตามคุณสมบัติการฉนวนและวิธีการระบายความร้อน สามารถเขียนเป็นสัญญลักษณ์ได้ดังนี้

Source : http://www.thaimaxwell.co.th/images/link/tme/3b.jpg

รูปแสดงหม้อแปลงจำหน่าย

หม้อแปลงไฟฟ้า (Transformer)