หม้อแปลงและการส่งกำลังไฟฟ้า
| English | ไทย |
|---|---|
| transformer/trænsˈfɔːmə/ | หม้อแปลง |
| primary/ˈpraɪməri/ | ปฐมภูมิ |
| secondary/ˈsekəndəri/ | ทุติยภูมิ |
| step-up/step ʌp/ | เพิ่มแรงดัน |
| step-down/step daʊn/ | ลดแรงดัน |
| transmission/trænˈsmɪʃn/ | การส่งผ่าน |
การส่งพลังงานข้ามประเทศ
- โรงไฟฟ้าอยู่ห่างจากเมือง แต่มีพลังงานสูญเสียทางน้อยมาก
- กุญแจสำคัญคือ หม้อแปลง ซึ่งเปลี่ยนขนาดของแรงดันไฟฟ้า a.c.
- มันช่วยให้เราส่งพลังงานด้วยแรงดันสูงมาก — และนี่คือสิ่งที่ทำให้การสูญเสียต่ำ
หม้อแปลงไฟฟ้า
- หม้อแปลงมีคอยล์สองชุดอยู่บน แกนเหล็กอ่อน: คอยล์ต้นทาง (primary - อินพุต) และ คอยล์ปลายทาง (secondary - เอาต์พุต)
- กระแส a.c. ในคอยล์ต้นทางทำให้เกิด สนามที่เปลี่ยนแปลง ในแกน ซึ่งจะ เหนี่ยวนำ e.m.f. a.c. ในคอยล์ปลายทาง
- แรงดันและจำนวนรอบเชื่อมโยงกันโดย:
- ใช้ได้เฉพาะกับ a.c. เท่านั้น — d.c. ที่คงที่จะไม่เกิดสนามที่เปลี่ยนแปลง
สมการหม้อแปลง
Vs/Vp = Ns/Np
อัตราส่วนแรงดันเท่ากับ อัตราส่วนจำนวนขดลวด — ขดลวด sekunderที่มีจำนวนขดลวดมากกว่าจะเพิ่มแรงดันให้สูงขึ้น
หม้อแปลงทำงานกับกระแสตรง (d.c.) ที่คงที่
หม้อแปลงต้องการสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง จึงทำงานได้เฉพาะกับกระแสสลับเท่านั้น กระแสตรงที่คงที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงและไม่เกิดเหนี่ยวนำอะไรเลย
หม้อแปลงตัวหนึ่งมี $1000$ จำนวนขดลวดในขดลวดปฐมภูมิ และ $50$ ในขดลวดรอง แรงดันขดลวดปฐมภูมิคือ $240\ \text{V}$. แรงดันขดลวดรองคือเท่าใด, ในหน่วย V?
$V_s = V_p \times \dfrac{N_s}{N_p} = 240 \times \dfrac{50}{1000} = 12\ \text{V}$ — หม้อแปลงลดแรงดัน
การเพิ่มและลดระดับแรงดัน
- จำนวนรอบมากกว่า ในคอยล์ปลายทาง → เป็นหม้อแปลง เพิ่มระดับ (step-up) (แรงดันเพิ่มขึ้น)
- จำนวนรอบน้อยกว่า ในคอยล์ปลายทาง → เป็นหม้อแปลง ลดระดับ (step-down) (แรงดันลดลง)
- ถ้าประสิทธิภาพ 100% กำลังเข้า = กำลังออก:
- ดังนั้นหม้อแปลงเพิ่มระดับจะเพิ่มแรงดันแต่ ลด กระแสไฟลง
หม้อแปลงจริงเปลี่ยนแรงดันของแหล่งจ่าย a.c.
หม้อแปลง
เพิ่มจำนวนขดลวดในขดลวด sekunderเพื่อเพิ่มแรงดัน หรือลดจำนวนลงเพื่อลดแรงดัน — Vs/Vp = Ns/Np นี่คือหลักการที่ระบบส่งกำลังไฟฟ้าทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ
หม้อแปลงเพิ่มแรงดันมี:
จำนวนขดลวดรองมากขึ้นให้แรงดันเอาต์พุตสูงขึ้น — นั่นคือหม้อแปลงเพิ่มแรงดัน
หม้อแปลงเพิ่มแรงดันที่มีประสิทธิภาพ 100% จะเพิ่มแรงดันและลดกระแสไฟ
พลังงานถูกอนุรักษ์ไว้ ($I_p V_p = I_s V_s$), ดังนั้นหากแรงดันเพิ่มขึ้น กระแสไฟก็ต้องลดลงตามไปด้วย
ทำไมต้องใช้แรงดันสูงในการส่ง
- พลังงานที่สูญเสียเป็นความร้อนในสายเคเบิลคือ $P = I^2 R$ ($R$ = ความต้านทานของสายเคเบิล).
- หม้อแปลง เพิ่มระดับ จะเพิ่มแรงดันและดังนั้นจึง ลดกระแสไฟ สำหรับกำลังเดียวกัน ($P = IV$).
- กระแสไฟที่เล็กลงหมายความว่า พลังงานที่สูญเสียในสายเคเบิลน้อยลงอย่างมาก
- จากนั้นหม้อแปลง ลดระดับ จะลดแรงดันลงเป็นค่าที่ปลอดภัยก่อนถึงบ้าน
หม้อแปลง
ทำไมไฟฟ้าจึงถูกส่งข้ามประเทศด้วยแรงดันสูงมาก?
สำหรับกำลังไฟที่กำหนด การเพิ่มแรงดันจะทำให้กระแสลดลง เนื่องจากความสูญเสียความร้อนคือ $I^2R$, กระแสที่เล็กลงจึงสูญเสียพลังงานน้อยกว่ามาก
สายเคเบิลนำกระแส $20\ \text{A}$ และมีความต้านทาน $5.0\ \Omega$. พลังงานที่สูญเสียเป็นความร้อนมีค่าเท่าใด, ในหน่วย W?
$P = I^2 R = 20^2 \times 5.0 = 400 \times 5.0 = 2000\ \text{W}$. การลดกระแสไฟจะตัดค่านี้ลงอย่างมีนัยสำคัญ
คุณเข้าใจแล้ว
- หม้อแปลง: $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$; ทำงานได้เฉพาะกับ a.c. เท่านั้น
- จำนวนรอบปลายทางมากกว่า = เพิ่มระดับ (V↑); น้อยกว่า = ลดระดับ (V↓)
- ประสิทธิภาพ 100%: $I_p V_p = I_s V_s$ — เพิ่มระดับเพิ่ม V แต่ลด I
- ส่งด้วย แรงดันสูง → กระแสต่ำ → การสูญเสีย $I^2R$ ในสายเคเบิลน้อยลง