หม้อแปลงไฟฟ้า (Transformers) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในการเปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้า (Voltage) โดยไม่เปลี่ยนความถี่ของกระแสไฟฟ้า หม้อแปลงมีความสำคัญมากในระบบส่งกำลังไฟฟ้าและการแจกจ่ายไฟฟ้า โดยช่วยให้สามารถส่งพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า
หม้อแปลงไฟฟ้าทำงานตามหลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (Electromagnetic Induction) ซึ่งค้นพบโดย Michael Faraday ในปี 1831 โดยหม้อแปลงประกอบด้วยขดลวดสองชุดที่พันอยู่รอบแกนเหล็กเดียวกัน ได้แก่:
- ขดลวดปฐมภูมิ (Primary Winding): ขดลวดที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้า
- ขดลวดทุติยภูมิ (Secondary Winding): ขดลวดที่เชื่อมต่อกับโหลด (อุปกรณ์ที่ใช้พลังงาน)
เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ จะเกิดสนามแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิ ตามกฎของ Faraday
สมการพื้นฐาน
- อัตราส่วนแรงดัน (Voltage Ratio): 𝑉𝑠𝑉𝑝=𝑁𝑠𝑁𝑝VpVs=NpNs
- 𝑉𝑝Vp: แรงดันไฟฟ้าขดลวดปฐมภูมิ
- 𝑉𝑠Vs: แรงดันไฟฟ้าขดลวดทุติยภูมิ
- 𝑁𝑝Np: จำนวนรอบขดลวดปฐมภูมิ
- 𝑁𝑠Ns: จำนวนรอบขดลวดทุติยภูมิ
- อัตราส่วนกระแส (Current Ratio): 𝐼𝑝𝐼𝑠=𝑁𝑠𝑁𝑝IsIp=NpNs
- 𝐼𝑝Ip: กระแสไฟฟ้าขดลวดปฐมภูมิ
- 𝐼𝑠Is: กระแสไฟฟ้าขดลวดทุติยภูมิ
- พลังงานที่ถ่ายโอน (Power Transfer): 𝑃𝑝=𝑃𝑠Pp=Ps
- 𝑃𝑝Pp: พลังงานขดลวดปฐมภูมิ (𝑉𝑝×𝐼𝑝Vp×Ip)
- 𝑃𝑠Ps: พลังงานขดลวดทุติยภูมิ (𝑉𝑠×𝐼𝑠Vs×Is)
ประเภทของหม้อแปลงไฟฟ้า
- หม้อแปลงไฟฟ้าแรงสูง (Step-Up Transformers):
- ใช้เพิ่มแรงดันไฟฟ้าจากระดับต่ำไปยังระดับสูง มักใช้ในการส่งกำลังไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าไปยังสถานีย่อย
- หม้อแปลงไฟฟ้าแรงต่ำ (Step-Down Transformers):
- ใช้ลดแรงดันไฟฟ้าจากระดับสูงไปยังระดับต่ำ มักใช้ในการแจกจ่ายไฟฟ้าไปยังผู้ใช้ปลายทาง
- หม้อแปลงกระแส (Current Transformers, CTs):
- ใช้ในการวัดกระแสไฟฟ้าในระบบไฟฟ้าแรงสูง โดยการแปลงกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ให้เป็นขนาดที่สามารถวัดได้
- หม้อแปลงแรงดัน (Potential Transformers, PTs):
- ใช้ในการวัดแรงดันไฟฟ้าในระบบไฟฟ้าแรงสูง โดยการแปลงแรงดันไฟฟ้าสูงให้เป็นขนาดที่สามารถวัดได้
- หม้อแปลงพิเศษ:
- หม้อแปลงแบบโทโรอยด์ (Toroidal Transformers): ใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำและการกระจายสนามแม่เหล็กต่ำ
- หม้อแปลงแบบแยกแหล่ง (Isolation Transformers): ใช้ในการแยกวงจรเพื่อความปลอดภัยและการป้องกันการรบกวนทางไฟฟ้า
การใช้งานของหม้อแปลงไฟฟ้า
- การส่งกำลังไฟฟ้า: ใช้ในระบบส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งไฟฟ้า
- การแจกจ่ายไฟฟ้า: ใช้ในสถานีย่อยและสถานีแปลงไฟฟ้า เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าให้เหมาะสมกับการใช้งานของผู้ใช้ปลายทาง
- การวัดและควบคุม: ใช้ในระบบการวัดและการควบคุมในสถานีไฟฟ้าแรงสูงและอุตสาหกรรม
- การแยกวงจร: ใช้ในการแยกวงจรเพื่อความปลอดภัยในงานอิเล็กทรอนิกส์และอุตสาหกรรม
ข้อดีของการใช้หม้อแปลงไฟฟ้า
- ประสิทธิภาพสูง: สามารถแปลงแรงดันไฟฟ้าได้โดยมีการสูญเสียพลังงานน้อย
- ความน่าเชื่อถือ: มีความน่าเชื่อถือและมีอายุการใช้งานยาวนาน
- การปรับแรงดันไฟฟ้า: สามารถปรับแรงดันไฟฟ้าให้เหมาะสมกับการใช้งานต่าง ๆ ได้
หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่มีบทบาทสำคัญในระบบไฟฟ้า การเข้าใจหลักการทำงาน ประเภท และการใช้งานของหม้อแปลงไฟฟ้าจะช่วยให้สามารถเลือกและใช้งานหม้อแปลงได้อย่างเหมาะสมและมีประสิทธิภาพ