หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดใดนิยมใช้งานกันมากที่สุด

ความรู้เกี่ยวกับหม้อแปลงไฟฟ้า

                หม้อแปลงไฟฟ้า คือ อุปกรณ์หลักในระบบส่งกำลังไฟฟ้า ซึ่งโดยปกติจะเชื่อมโยง ระหว่างระบบไฟฟ้าแรงสูงกับไฟฟ้าแรงต่ำ โดยอาศัยแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อส่งผ่านกำลังไฟฟ้าจากวงจรหนึ่งไปอีกวงจรหนึ่ง โดยมีคุณสมบัติ สำคัญก็คือ สามารถเปลี่ยนขนาดแรงดันไฟฟ้า  หรือขนาดของกระแสไฟฟ้าให้ลดลงหรือเท่าขนาดสูง ให้ลดขนาดเพื่อสามารถจ่ายไฟฟ้าในขนาดที่เหมาะสมไปสู่บ้านเรือนของประชาชน เป็นต้น

                เมื่อเส้นทางการวิ่งของกระแสไฟฟ้ามีทั้งใกล้และไกลจากสถานีจ่ายของการไฟฟ้า ขนาดของแรงดันที่ถูกปล่อยออกมาย่อยมีสูงตามระดับมาตรฐานของการไฟฟ้า ขนาดของแรงดันที่ถูกปล่อยออกมาย่อมมีสูงตามระดับมาตรฐานของการไฟฟ้าในประเทศ ดังนั้น หม้อแปลงไฟฟ้าจึงมีหน้าที่ในการปรับปรุงแรงดันกระแสไฟฟ้าให้ลดลงตามความเหมาะสม เช่น แรงดันกระแสไฟฟ้าต่ำสุดที่ประมาณต่ำสุด 200 โวลต์ สูงสุด 240 โวลต์  ส่วนแรงดันกระแสไฟฟ้า 3 เฟส จะถูกจ่ายออกมาจากหม้อแปลงไฟฟ้า ประมาณ 342 โวลต์  สูงสุดอยู่ที่ 418 โวลต์ นั่นเอง

                ในระบบจ่ายไฟฟ้าของสถานีจ่ายกระแสไฟฟ้าของรัฐ จำเป็นต้องมีการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับให้มีขนาดสูงมากๆ เช่น ให้มีขนาดเป็น  48 kV หรือ 24 kV เพื่อลดขนาดของลวดตัวนำที่จะต้องจ่ายแรงดันกระแสไฟฟ้าเป็นระยะทางไกลๆ เมื่อถึงปลายทางก่อนที่จะจ่ายไฟฟ้าไปให้แก่บ้านเรือนต่างๆก็จะแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าให้ลดลง เพื่อลดอันตรายที่อาจจะเกิดขึ้นแก่เรา และเมื่อต้องการใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ระดับแรงดันต่ำ เช่น 6V หรือ 9V ก็จะมีอุปกรณ์หม้อแปลงเพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับแรงดันไฟฟ้าตามที่ต้องการ

                เช่นเดียวกับระบบไฟฟ้าภายในบ้านเรือน ที่เมื่อรับแรงดันกระแสจากหม้อแปลงไฟฟ้า ผ่านมาตรวัดปริมาณ หรือมิเตอร์ไฟฟ้ามาแล้ว  เมื่อเปิดวงจรของเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆภายในบ้าน แรงดันที่ 220 โวลต์ ก็จะวิ่งเข้าสู่วงจรการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้า โดยผ่านหม้อแปลงไฟฟ้าก่อน เพื่อลดขนาดของแรงดันกระแส 220 โวลต์ ลงให้เหมาะสมกับขนาดที่วงจรเครื่องใช้ไฟฟ้าต้องการ เช่น สายชาร์จโทรศัพท์ จะรับแรงดันกระแสปกติที่ 400-220 โวลต์ แต่จะจ่ายแรงดันกระแสออก หรือ Output เพียง 50 โวลต์ เท่านั้น นี่คือ แรงดันที่สมาร์ตโฟนของเราต้องการ

                ดังนั้น เมื่อใดที่หม้อแปลงไฟฟ้าชำรุดเสียหาย หรือไม่สามารถแปลงเพื่อลดขนาดของแรงดันได้ตามคุณสมบัติ แรงดันกระแสปกติจะผิ่งผ่านเข้าสู่วงจรการทำงานของสมาร์ตโฟน หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆ โดยตรงแบบเต็มกำลัง ถ้าฟิวส์หรืออุปกรณ์ตัดวงจรไฟฟ้าที่ป้องกันแรงดันกระแสเกินใช้งานไม่ได้ หรือไม่ยอมตัดวงจรตามคุณสมบัติเช่นกัน  นั่นหมายถึง “ไฟฟ้าลัดวงจร” 

โครงสร้างหม้อแปลงไฟฟ้า

               โครงสร้างของหม้อแปลงนี้ ไม่ค่อยมีความสลับซับซ้อนมากมายอะไร เนื่องจากกลไกลการทำงานเพื่อบรรลุคุณสมบัติของหม้อแปลงนั้น มีเพียงขดลวดที่พันรอบแกนเหล็กเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กในการแปลงขนาดแรงดันกระแสไฟฟ้าให้ลดลงหรือเท่ากันก่อนจ่ายแรงดันกระแสที่ผ่านคุณสมบัติไปสู่ความต้องการของวงจรการทำงานในเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆเท่านั้น โดยโครงสร้างหม้อแปลงทั้งแบบ 1 เฟส และแบบ 3 เฟส จะมีส่วนประกอบสำคัญดังต่อไปนี้.

1.ขดลวดนำปฐมภูมิ ( Primary Winding )  คือ อุปกรณ์ทำหน้าที่รับแรงขับเคลื่อนของกระแสไฟฟ้า

2.ขดลวดทุติยภูมิ ( Secondary Winding ) คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่จ่ายแรงเคลื่อนของกระแสไฟฟ้า

3. ขั้วต่อสายไฟ ( Terminal ) คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นจุดต่อสายไฟกับขดลวด

4. ขดลวดทองแดง ( Enamel-Insulated Wire, Coil )  คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นตำนำไฟฟ้า เพื่อสร้างคุณสมบัติการแปลงแรงดันของกระแสไฟฟ้า

5. แผ่นป้าย ( Name Plate ) คือ ฉลากบอกรายละเอียดประจำตัวหม้อแปลง เช่น รับแรงดันไฟฟ้าที่เท่าไหร่ จ่ายออกเท่าใด เป็นต้น

6. อุปกรณ์ระบายความร้อน ( Coolant )  คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ระบายความร้อนให้กับขวดลวด เช่น อากาศ พัดลม น้ำมัน หรือใช้ทั้งพัดลมและน้ำมัน เป็นระบบช่วยระบายความร้อน เป็นต้น

7. โครง ( Frame ) หรือถังของหม้อแปลง ( Tank ) คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่บรรจุขดลวด แกนเหล็ก รวมทั้งการติดตั้งระบบระบายความร้อนให้กับหม้อแปลงขนาดใหญ่

8. สวิตซ์หรืออุปกรณ์ควบคุม ( Switch Controller ) คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้า และมีอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าชนิดต่างๆรวมอยู่ด้วย

ตัวนำไฟฟ้าในหม้อแปลง

                วัสดุที่ใช้ทำขดลวดหม้อแปลง ส่วนมากจะนิยมทำมาจากสายทองแดงเคลือบนำยาฉนวน ซี่งจะมีขนาดและลักษณะเหมือนลวดทรงกลมเป็นเส้นยาวหรือแบน ขึ้นอยู่กับขนาดของหม้อแปลง แต่ปัจจุบันได้มีการผลิตหม้อแปลงที่ใช้วัสดุตัวนำอย่างอลูมิเนียม เพื่อลดต้นทุนการผลิตลง แต่อลูมิเนียมมีข้อเสียอย่างมาก เช่น มีความทนทานต่อความเครียดทางกลน้อยกว่าตัวนำอย่างทองแดงครึ่งต่อครึ่งเลยทีเดียว แต่ถึงอย่างไรหม้อแปลงที่ตัวนำเป็นอลูมิเนียมก็ยังไม่ได้รับความนิยมเท่าตัวนำทองแดงอยู่นั่นเอง

                ลวดทองแดงที่เส้นโต จะมีความสามารถในการจ่ายกระแสไฟได้มากกว่าลวดเส้นเล็ก ดั้งนั้นหม้อแปลงขนาดใหญ่มักใช้ลวดทองแดงถักแบบตีเกลียว เพื่อเพิ่มพื้นที่สายตัวนำให้มีทางเดินของกระแสไฟฟ้ามากขึ้น เหมือนปรับปรุงถนนเลนส์เดียวให้เป็น 4 เลนส์ ประมาณนั้น ส่วนตัวนำที่ใช้พันขดลวดบนแกนเหล็กทั้งขดลวดปฐมภูมิ และขดลวดทุติยภูมิ โดยส่วนมากจะมีแท็ป (Tap) แยกเพื่อแบ่งขนาดแรงเคลื่อนไฟฟ้า

ฉนวนหุ้มขดลวด ( Insulator )

                สายทองแดงที่ใช้เป็นตัวนำพันเหล็กแกนนั้น จะต้องผ่านการเคลือบน้ำยาฉนวน เพื่อไม่ให้ขดลวดลัดวงจรถึงกันได้ โดยน้ำยาเคลือบจะเป็นสารเหลว Polyester-Imide เคลือบลวดทองแดงในขั้นแรก หรือ                     ( Base Coat)  ส่วนชั้นบนผิวหรือผิวลวดจะเป็นสารเหลว Polyester-Imide ในชั้นบน ( Top Coat ) ทำให้ทนต่อการเสียดสี และการสึกหรอที่เกิดจากความเครียดทางกลได้สูง อีกทั้งยังทนความร้อนได้ถึง 200 องศาเซลเซียส และสามารถใช้ร่วมกับน้ำยาวานิช และ เรซิ่นทั่วไปได้อย่างดีอีกด้วย

ในการพันขดลวดบนแกนเหล็กนั้น จะต้องมีกระดาษอาบน้ำยาฉนวนคั่นระหว่างชั้นของขดลวดด้วย โดยคั่นระหว่างลวดปฐมภูมิกับทุติยภูมิ สำหรับหม้อแปลงขนาดใหญ่มักใช้กระดาษอาบน้ำยาฉนวนพันรอบสายตัวนำก่อนพันเป็นขดลวดลงบนแกนเหล็ก และนอกจากนี้ยังใช้น้ำมันชนิดที่เป็นฉนวน พร้อมกับระบายความร้อนให้กับขดลวดอีกด้วย

ขนาดลวดทองแดงเคลือบน้ำยาฉนวน ( Coil)

Wire No.

เส้นผ่านศูนย์กลาง

 พื้นที่หน้าตัด

ทนกระแสได้ ( A )

( Diameter ) mm

 (Area) mm2

10

3.3

8.55

27.66

11

2.9

6.61

22.72

12

2.6

5.31

18.26

13

2.3

4.15

14.29

14

2.0

3.14

10.80

15

1.9

2.54

8.751

16

1.6

2.01

6.915

17

1.4

1.54

5.294

18

1.2

1.15

3.890

19

1.0

0.79

2.701

20

0.91

0.65

2.188

21

0.81

0.51

1.729

22

0.72

0.41

1.324

23

0.61

0.2922

0.972

24

0.56

0.2463

0.817

25

0.51

0.2047

0.675

26

0.45

0.1624

0.547

27

0.40

0.1288

0.432

28

0.38

0.1134

0.370

29

0.36

0.1021

0.312

30

0.31

0.0755

0.243

31

0.29

0.0661

0.204

32

0.28

0.0616

0.176

33

0.25

0.0510

0.169

34

0.23

0.0451

0.137

35

0.21

0.0346

0.108

36

0.19

0.0285

0.098

37

0.17

0.0227

0.078

38

0.15

0.0177

0.063

39

0.13

0.0133

0.046

40

0.12

0.0114

0.039

แกนเหล็กหม้อแปลงไฟฟ้า

               แผ่นเหล็ก ที่เรานิยมเรียกว่า “ แกนเหล็ก ” ในโครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้านั้น จะผลิตจากส่วนผสมของสารกึ่งตัวนำอย่างซิลิกอน เพื่อรักษาความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นรอบขดลวดไว้ ซึ่งกระแสจะไหลวนบนแกนเหล็ก โดยแผ่นเหล็กแต่ละชั้นเป็นแผ่นเหล็กบางเรียงซ้อนกันหลายชิ้นประกอบขึ้นเป็นแกนเหล็กของหม้อแปลง ทำให้มีความต้านทานสูง อีกทั้งยังช่วยลดการสูญเสียบนแกนเหล็กที่ส่งผลให้เกิดความร้อนอีกด้วย สำหรับแกนเหล็กดังกล่าวที่เป็นโครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้าที่เห็นกันโดยทั่วไปจะใช้แบบ 1 เฟส และ 3 เฟส โดยจะมีด้วยกันหลายรูปแบบ เช่น แผ่นเหล็กแบบ Core และแบบ Shell

  1. แบบคอร์ไทพ์ ( Core Type ) จะประกอบด้วยแผ่นเหล็กบางๆนำมาเรียงอัดติดกันเป็นแท่ง ซึ่งจะเห็นแกนเหล็กขดลวดชุดไพมารี่ และขดลวดชุดเซ็กกันดารี่ พันอยู่ตรงส่วนด้านข้างของแกนเหล็กสี่เหลี่ยม จากนั้นจะมีการแยกพันข้างละ 1 ชุด จึงเรียกว่าเป็นแบบชนิดขดลวด 1 หุ้มแกน ทำให้การระบายความร้อนเกิดขึ้นได้ดีในระดับหนึ่ง จึงเป็นที่นิยมแกนเหล็กแบบคอร์ไทพ์ใช้กับหม้อแปลงขนาดใหญ่
  2. แบบเชลล์ ( Shell Type ) แกนเหล็กเชลล์ไทพ์ จะประกอบด้วยแผ่นเหล็กบางๆ 2 ส่วนคือ

-                   แผ่นเหล็กบางรูปตัวอี ( E )

-                   แผ่นเหล็กบางรูปตัวไอ ( I )

               โดยบางแผ่นเหล็กบางรูปตัวอีและตัวไอนี้ จะนำมาประกอบเรียงกันเพื่ออัดติดกันเป็นแท่งเหล็ก ขดลวดชุดไพมารี่และขดลวดชุดเซ็กกันดารี่จะถูกพันรวมกันไว้ที่แกนเหล็กตรงขากลางของหม้อแปลงทั้งคู่ หรือที่เรานิยมเรียกกันว่า หม้อแปลงชนิดแกนหุ้มขดลวด โดยขดลวดทั้ง 2 ชุด จะพันทับกันอยู่ที่ขากลางของแกนเหล็กซึ่งจะมีกระแสไฟไหลมากจะพันไว้ด้านนอก เพื่อให้สามารถระบายความร้อนสะสมออกได้ง่าย และส่วนชุดขดลวดที่มีกระแสไฟไหลน้อยจะพันไว้ด้านในเป็นชุดแรก เช่นนั้น แกนเหล็กชนิดนี้จึงเหมาะสำหรับหม้อแปลงที่มีขนาดเล็กหรือปานกลางนั่นเอง

แกนเฟอร์ไรท์ ( Ferrite Core )

             แกนเฟอร์ไรท์ เป็นวัสดุที่มีส่วนผสมของแม่เหล็ก ทำให้มีความเข้มสนามแม่เหล็กมากกว่าเหล็ก และมีความต้านทานสูง จึงช่วยลดการสูญเสียบนแกนเหล็ก หรือลดความร้อนจากการเกิดกระแสไหลวนที่ความถี่สูง

แกนอากาศ ( Air Core )

             ขดลวดแกนอากาศ กับงานในระบบที่ใช้ความถี่สูง โดยไม่ต้องการให้เส้นแรงแม่เหล็กมีการอิ่มตัวหรือการสูญเสียเกิดขึ้นที่แกนเหล็ก

แกนทอรอยด์ ( Toroidal Core )

แกนทอรอยด์ มีลักษณะคล้ายวงแหวนทำมาจากโลหะผสมสารกึ่งตัวนำและซิลิกอน    หม้อแปลงแกนทอรอยด์มีประสิทธิภาพสูงถึง 95% เพราะแกนทอรอยด์มีสภาพความนำแม่เหล็กสูง  จึงช่วยลดการเกิดเสียงรบกวนได้ในขณะทำงาน

ขั้วสายไฟ ( Terminal )

             ขั้วต่อสายไฟของหม้อแปลงไฟฟ้า จะมีอยู่ 2 รูปแบบด้วยกันคือ รูปแบบการต่อหม้อแปลงไฟฟ้าขนาดเล็กและปานกลาง จะใช้ขั้วต่อไฟฟ้าต่อเข้าปลายขดลวดกับสายไฟฟ้าภายนอก แต่ส่วนหม้อแปลงขนาดใหญ่นั้น ขั้วต่อสายจะให้แผ่นทองแดง (Bus Bar ) และบุชชิ่งกระเบื้องเคลือบ (Ceramic ) ต่อเข้าระหว่างปลายขดลวดกับสายไฟฟ้าภายนอก

แผ่นป้าย ( Name Plate )

             แผ่นป้ายหม้อแปลงนี้ จะเป็นคล้ายกับฉลากติดบอกขีดความสามารถให้ผู้ใช้ทราบ โดยจะติดที่ตัวถังของหม้อแปลง เพื่อแสดงรายละเอียดประจำตัว เช่น

-                   ชื่อบริษัท ผู้ผลิต ชนิด รุ่น

-                   ขนาดหม้อแปลง

-                   ขนาดกำลังไฟ แรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านรับไฟฟ้า-จ่ายไฟฟ้า และความถี่ใช้งาน

-                   วงจรขดลวด

-                   ข้อควรระวัง อุณหภูมิ มาตรฐานการทดสอบ และอื่นๆ 

ที่มา หนังสือการพันขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้าและมอเตอร์ อ.นพ มหิษานนท์