รายงานวจยฉบบสมบรณ

การพฒนาและสรางหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสง 50 kV Development and Construction of High Voltage

Test Transformer up to 50 kV

โดย ดร. แคทรยา สวรรณศร

กรกฎาคม พ.ศ. 2554

สญญาเลขท EN-52-01-001(23-2)

รายงานวจยฉบบสมบรณ

การพฒนาและสรางหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสง 50 kV Development and Construction of High Voltage

Test Transformer up to 50 kV

ผวจย

ดร. แคทรยา สวรรณศร ภาควชาวศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอร

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร

สนบสนนโดย ทนอดหนนการวจยจากเงนรายได คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร

 

ก

บทคดยอภาษาไทย

งานวจยนกลาวเกยวกบการพฒนาและสรางหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสง ขนาด 50 กโลโวลต 6 กโลโวลต-แอมแปร ซงหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงดนสงนไดถกออกแบบไวสาหรบการตอแบบขนบนไดแตในงานวจยไดสรางเพยงขดลวดแรงสงและขดลวดแรงตาเทานน สาหรบแกนเหลกถกออกแบบเพอลดความสญเสยในแกนเหลกโดยจะประกอบขนจากแผนเหลกบางฉาบดวยสารทเปนฉนวนไฟฟานามาอดซอนกนเรยกวาแกนเหลกลามเนทและขนรปเปนทรงกลมเพอลดขนาดของแกนเหลกและความยาวของขดลวด โดยขดลวดทใชเปนเสนลวดทองแดงทงดานปฐมภมและทตยภม บชชงทาจากกระเบองเคลอบและมขนาดยาวเพอชวยในการฉนวนมากขนและเกดประสทธภาพดขน ตวถงเปนชนดถงโลหะเหลกบรรจนามนภายในเพอเปนฉนวนหมอแปลง การออกแบบเปนไปตามมาตรฐาน IEC 60060-1 และ IEC 60060-2 โดยทางานกบระบบไฟฟากระแสสลบ 1 เฟส 220 โวลต 50 เฮรตซ การทดสอบการวดคาสญเสยกาลงไฟฟาและกระแสไมมโหลด การทดสอบการลดวงจร และการทดสอบเพอวดอตราสวนแรงดน ไดจดทาขนเพอทดสอบคณสมบตของหมอแปลงทดสอบ ซงผลการออกแบบและสรางหมอแปลงดงกลาวสามารถใชงานไดเปนอยางดตามคณสมบตการผลตไฟฟาแรงสง

 

ข

Abstract

This project presents a development of a 50 kV, 6 kVA high voltage test transformer. The cascade transformer was designed however only low voltage and high voltage windings were constructed. The different widths of lamination sheets were arranged for different layers to produce a circular core in order to obtain the maximum cross section area with minimum length of copper conductor. The copper conductors were used to form coils. Bushings were post type made from porcelain. Oil-filled type was selected for cooling system in the iron tank. For transformer testing, standards IEC 60060-1 and IEC 60060-2 were followed by applying a single phase 220 V, 50 Hz alternating current. The no-load power loss test, withstand voltage test by short circuit test and voltage ratio test were experimented. The results showed that the transformer was meet design requirements of the properties of high-voltage alternating current source.

 

ค

กตตกรรมประกาศ

ขอขอบพระคณ คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร สาหรบทนสนบสนนการวจยในครงน ขอขอบพระคณ ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร และบณฑตวทยาลยวศวกรรมศาสตรนานาชาตสรนธร ไทย-เยอรมน (TGGS) มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ สาหรบหองปฏบตการวศวกรรมไฟฟาแรงสงเพอการทดสอบอปกรณ ขอขอบพระคณ ทานอาจารย พนจ จตจรง ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร และทานอาจารย ผศ.ดร.ธนพงศ สวรรณศร บณฑตวทยาลยวศวกรรมศาสตรนานาชาตสรนธร ไทย-เยอรมน (TGGS) มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ สาหรบความรและความรวมมอในการทาวจยครงน ขอกราบขอบพระคณ คณพอ คณแม ผมอบความรกความเมตตา สตปญญา รวมทงเปนผใหทกสงทกอยางตงแตวยเยาวจวบจนถงปจจบน คอยเปนกาลงใจทาใหไดรบความสาเรจอยางทกวนน

 

ง

สารบญ

หนา

บทคดยอภาษาไทย ก Abstract ข กตตกรรมประกาศ ค สารบญ ง สารบญตาราง ฉ สารบญรป ช บทท 1 บทนา 1 1.1. ความสาคญและทมาของปญหา 1 1.2. วตถประสงค 1 1.3. ขอบเขตการวจย 1 1.4. วธดาเนนการวจยโดยสรป 2 1.5 ระยะเวลาททาการวจย 2 1.6. ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 2 บทท 2 ความรพนฐาน 3 2.1 หมอแปลงไฟฟากระแสสลบ 3 2.2 การกาหนดขวหมอแปลง 7 2.3 การพจารณาคณลกษณะสมบตทแทจรงของหมอแปลง 8 2.4 การโอนยายวงจรสมมล 10 2.5 วงจรสมมลแบบประมาณ 10 2.6 พกดหมอแปลง 11 2.7 การทดสอบหมอแปลง 11 2.8 ประสทธภาพ 14 2.9 การออกแบบหมอแปลงทดสอบ 15 บทท 3 การออกแบบและสรางหมอแปลงทดสอบ 25 3.1 ขอกาหนดของหมอแปลงทดสอบ 25 3.2 การออกแบบแกนเหลก 25 3.3 ขดลวดแรงสงและขดลวดแรงตา 35 3.4 ตวถงหมอแปลง 43 3.5 ปลอกฉนวนนาสาย 44 3.6 ระบบระบายความรอน 44 3.7 การประกอบหมอแปลง 45

 

จ

สารบญ (ตอ)

หนา

3.8 การตอสาย 46 3.9 การเตมนามนหอแปลง 48 3.10 การคานวณแรงดนตกครอมอมพแดนซ 49 3.11 การคานวณกระแสไฟฟาลดวงจร 50 3.12 การคานวณกาลงไฟฟาลดวงจร 50 บทท 4 การทดสอบหมอแปลง 51 4.1 การทดสอบเพอหาคากาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด 51 4.2 การหาคาความคงทนอยไดตอแรงดนจากการทดสอบลดวงจร 53 4.3 การทดสอบเพอหาอตราสวนของแรงดน 54 บทท 5 สรปผล 59 เอกสารอางอง 60

 

ฉ

สารบญตาราง

หนา ตารางท 3.1 ขอกาหนดและพกดของหมอแปลงทดสอบ 25 3.2 สรปลกษณะแกนเหลกทใชในการออกแบบ 26 3.3 สรปการคานวณคาตวแปรแกนเหลกทใชในการออกแบบ 27 3.4 ขนาดการตดแผนเหลก 32 3.5 คณสมบตของแกนเหลกจากการคานวณ 34 3.6 คณสมบตของขดลวดแรงตา 37 3.7 คณสมบตของขดลวดแรงตาจากการคานวณ 38 3.8 คณสมบตของขดลวดแรงสง 41 3.9 การแสดงคาทไดจากการตอสายของขดลวดแรงสง 47 4.1 ผลการทดสอบคากาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด 52 4.2 ผลการทดสอบอตราสวนแรงดน 58

 

ช

สารบญรป

หนา รปท 2.1 สญลกษณทวไปของหมอแปลงไฟฟา 3 2.2 หมอแปลงไฟฟาประกอบดวยขดลวด 2 ชด และแกนเหลก 3 2.3 หมอแปลงไฟฟาทางอดมคต 4 2.4 การกาหนดขวของหมอแปลง 7 2.5 การกาหนดขวหมอแปลงจากการทดสอบ 8 2.6 โครงสรางของหมอแปลงซงพจารณาตามคณสมบตทแทจรง 8 2.7 วงจรสมมลหมอแปลงทพจารณาตามคณสมบตทแทจรง 9 2.8 วงจรสมมลทโอนยายไปดานปฐมภม 10 2.9 วงจรสมมลแบบประมาณเมอยายสวนขนานไปดานแหลงจาย 11 2.10 วงจรสมมลแบบประมาณเมอถายโอนไปดานปฐมภม 11 2.11 วงจรสมมลของการทดสอบกาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด 12 2.12 วงจรสมมลภายใตเงอนไขขณะทดสอบตอนเปดวงจร 13 2.13 การตอวงจรทดสอบขณะลดวงจร 13 2.14 วงจรสมมลภายใตเงอนไขการทดสอบขณะลดวงจร 14 2.15 วงจรการทดสอบหาอตราสวนแรงดน 15 3.1 มมมองภาพตดของแกนเหลกแบบกลม 25 3.2 ภาพการไหลของเสนแรงแมเหลกทตดแผนเหลกแบบมมฉาก 28 3.3 ภาพแผนแกนเหลกแบบไมตดมมและแบบตดมม 28 3.4 การกาหนดความกวางของตวถงใหสามารถบรรจแกนเหลกลงถงได 29 3.5 ขนาดของแกนเหลกจากการออกแบบ 30 3.6 แบบการตดแกนเหลก 30 3.7 ขนาดการตดแผนเหลก 32 3.8 การจดวางแผน Laminated Sheet เพอสรางแกนเหลกแบบกลม 33 3.9 Mandrel สาหรบขดลวดแรงตา 36 3.10 การพนขดลวดแรงตาตงแตเรมพน 36 3.11 การพนขดลวดแรงตาเมอพนเสรจ 37 3.12 Mandrel สาหรบขดลวดแรงสง 40 3.13 การพนขดลวดแรงสงเมอเรมพน 41 3.14 การพนขดลวดแรงสงเมอพนแลวเสรจ 42 3.15 ภาพตดของขดลวดตามแนวแกนเหลก 42 3.16 การกาหนดความกวางของตวถงใหสามารถบรรจแกนเหลกลงถงได 43 3.17 ปลอกฉนวนนาสายหรอบชชงทางดานไฟฟาแรงสง 44 3.18 การประกอบขดลวดแรงตา 46

 

ซ

สารบญรป (ตอ)

หนา รปท 3.19 การตดตงขดลวดแรงสงดานนอกของขดลวดแรงตา 46 3.20 แบบการพนขดลวดและตอสาย 47 3.21 ตาแหนงปลายลวดแรงสงและแรงตา 47 3.22 การตอสายขวไฟฟา 48 3.23 การเดนสายและการประกอบขดลวดและแกนเหลกของหมอแปลง 48 3.24 กระบวนการเตมนามนหมอแปลง 49 4.1 วงจรสมมลของการทดสอบกาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด 51 4.2 การทดสอบกาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด 52 4.3 วงจรสมมลของการทดสอบคาความคงทนอยไดตอแรงดน 53 4.4 การทดสอบคาความคงทนอยไดตอแรงดน 54 4.5 วงจรสมมลของการทดสอบหาอตราสวนแรงดน 55 4.6 การทดสอบหาอตราสวนแรงดน 55 4.7 แรงดนสงกระแสสลบดานจายออกทระดบแรงดน 10 กโลโวลต 56 4.8 แรงดนสงกระแสสลบดานจายออกทระดบแรงดน 20 กโลโวลต 57 4.9 แรงดนสงกระแสสลบดานจายออกทระดบแรงดน 50 กโลโวลต 57 4.10 แรงดนสงกระแสสลบดานจายออกทระดบแรงดน 70 กโลโวลต 58

 

 

1

บทท 1

บทนา 1.1. ความสาคญและทมาของปญหา

หมอแปลงปจจบนการอตราการใชพลงงานไฟฟาของประเทศไทยไดเพมขนทกป สงผลใหผผลตไฟฟาและผดแลระบบสงไฟฟา เชน การไฟฟาฝายผลตแหงประเทศไทยตองเพมการกาลงการผลตไฟฟาและขยายระบบสงไฟฟาขนอกดวย สาหรบดานระบบจาหนายและผใชไฟฟากตองมการเพมเตมชดอปกรณเชอมตอเพอนากาลงไฟฟาไปใชตามความตองการ

หมอแปลงไฟฟากาลง (Power transformer) เปนอปกรณหนงทมความสาคญและจาเปนตอทกฝายในภาคอตสาหกรรมการผลตและใชไฟฟา หากหมอแปลงไฟฟากาลงมปญหากจะกอใหเกดไฟฟาดบเปนวงกวางและสรางความเสยหายอยางมากตอภาคอตสากรรม ดงนนการดแลหมอแปลงไฟฟากาลงใหทางานไดปกตและไมมความเสยงตอความเสยหายจงเปนเรองททกฝายควรปฏบต หมอแปลงไฟฟากาลงทใชอยในปจจบนใชนามนเปนฉนวน (Oil insulation) และเพอการระบายความรอน หมอแปลงไฟฟากาลงใหมหรอหมอแปลงเกาทมระดบนามนพรองไปตองมการเตมดวยนามนผานการทดสอบความเปนฉนวนตามมาตรฐานทกครง ทงนในปจจบนมการใชหมอแปลงไฟฟากาลงเปนจานวนมาก ในสวนของภาคอตสาหกรรมโดยเฉพาะโรงงานขนาดใหญ ซงไดทาการวาจางบรษทจากภายนอกมาทดสอบความเปนฉนวนของนามนหมอแปลงดงกลาวกอนใชงาน เนองจากยงขาดผเชยวชาญดานการทดสอบในหนวยงาน ขาดเครองทดสอบความเปนฉนวนของนามนหมอแปลง (Transformer oil insulation tester) ขาดองคความรและเวลาทมไมเพยงพอทจะสรางอปกรณทดสอบดงกลาว การทดสอบแตละครงจงตองใชงบประมาณคอนขางสง

ดงนนงานวจยนจงมความตองการนาความรมาใชพฒนาและสรางเครองตนแบบอยางงาย ใหไดเครองมอทดสอบไฟฟาแรงสง โดยเปนหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสงทสามารถผลตแรงดนทมขนาดถง 50 กโลโวลต มความเทยงตรงในการทดสอบ ราคาประหยด ทนทาน ดแลรกษา และซอมบารงไดงาย สงผลใหหนวยงานทมหมอแปลงไฟฟากาลงสามารถผลตเครองทดสอบขนมาและพงพาตนเองได โดยนาเครองมอทดสอบไฟฟาแรงสงไปทดสอบความเปนฉนวนแรงสง เชน ฉนวนของนามนในหมอแปลงไฟฟากาลง และเปรยบเทยบคาผลการทดสอบกบคามาตรฐานได

1.2. วตถประสงค

การพฒนาเครองทดสอบไฟฟาแรงสงโดยได หมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสงระดบ 50 กโลโวลต เพอการทดสอบความเปนฉนวน เชน ความเปนฉนวนของนามนหมอแปลงไฟฟากาลง ถกตองตามมาตรฐานการทดสอบ มความเทยงตรง ราคาประหยด ทนทาน ดแลรกษางายและซอมบารงไดโดยชางปฏบตการ

1.3. ขอบเขตการวจย

สรางเครองตนหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสง 50 กโลโวลต เพอทดสอบความเปนฉนวนนามนหมอแปลงไฟฟากาลง

 

 

2

1.4. วธดาเนนการวจยโดยสรป

1. ศกษาและดงาน การทางานของหมอแปลงไฟฟากาลงและหมอแปลงทดสอบ ชนดและคณสมบตทางกายภาพและเคม การเสอมสภาพความเปนฉนวนของนามนในหมอแปลงทใชอยในปจจบน

2. ศกษาการออกแบบ การสราง และการทางานของหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสง 50 กโลโวลต ตามมาตรฐาน IEC 60060-1 และ IEC 60060-2

3. ออกแบบและสรางหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสงทสามารถผลตแรงดนถง 50 กโลโวลต

4. ทดสอบและแกไขหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสง 50 กโลโวลต เพอใหไดตามการออกแบบ

5. รวบรวมขอมลเขารปเลมพรอมทงชนงาน เสนอแนะแนวทางพฒนาตอ

1.5 ระยะเวลาททาการวจย

ระยะเวลาดาเนนงานตลอดโครงการ 1 ป 7 เดอน ตงแต ธนวาคม 2552 – กรกฎาคม 2554

1.6. ประโยชนทคาดวาจะไดรบ

1. นาความรทไดศกษามาใชในการออกแบบและสรางหมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสงระดบ 50 กโลโวลต

2. ไดเครองตนแบบทมความเทยงตรง ราคาประหยด ทนทาน ดแลรกษาและซอมบารงไดงาย

3. เปนแหลงเรยนรและศกษางานใหกบภาคอตสาหรรมและนสตในสาขาวชาวศวกรรมไฟฟาแรงสงตอไปได

 

 

3

บทท 2

ความรพนฐาน

บทนนาเสนอ ความรพนฐานของหมอแปลงไฟฟากระแสสลบ วงจรสมมลของหมอแปลงไฟฟา การทางานในสภาวะมภาระและไมมภาระ ความรพนฐานของการออกแบบและการทดสอบหมอแปลงเมอทาการสรางหมอแปลงแลวเสรจ

2.1 หมอแปลงไฟฟากระแสสลบ

หมอแปลงไฟฟากระแสสลบ (AC transformer) เปนเครองกลไฟฟากระแสสลบ (AC machine) ทมหนาทแปลงแรงดนไฟฟากระแสสลบจากระดบของแรงดนไฟฟาใด ๆ ใหเปนแรงดนไฟฟาในระดบทตองการ สามารถเขยนแทนสญลกษณไดดงรปท 2.1 ลกษณะโครงสรางของหมอแปลงไฟฟา ทใชในการคานวณประกอบดวยแกนเหลก (Iron core) และขดลวดทองแดง 2 ชด คอขดลวดปฐมภม (Primary winding) และขดลวดทตยภม (Secondary winding) ทพนบนแกนเหลกเดยวกน ขดลวดทงสองชดนทางวงจรแมเหลกจะแยกอสระตอกนทงทยงไมมวงจรไฟฟาตอถงกนดงรปท 2.2

รปท 2.1 สญลกษณทวไปของหมอแปลงไฟฟา

รปท 2.2 หมอแปลงไฟฟาประกอบดวยขดลวด 2 ชด และแกนเหลก [1]

 

 

4

หมอแปลงไฟฟาในทางอดมคต มขอพจารณาดงตอไปน

1. ไมมกาลงไฟฟาสญเสยเนองจากไมคดคาความตานทานของขดลวด

2. จากดผลของเสนแรงทงหมดใหเกดขนทแกนและขดลวดทงสองมการเชอมโยงกนโดยไมคดผลของเสนแรงรว (Leakage flux)

3. ไมคดผลของการสญเสยทแกน (Core losses)

4. สมมตใหคาความซมซาบทแกนเปนอนนต (μ→a) ดงนนจงไมคดผลของกระแสกระตนเพอทาใหเกดเสนแรงทแกนโดยทผลรวมของแรงเคลอนแมเหลกในแกนเทากบศนย

วงจรหมอแปลงไฟฟาทางอดมคตแสดงไดในรปท 2.2

รปท 2.3 หมอแปลงไฟฟาทางอดมคต

หลกการเหนยวนาของสนามแมเหลกไฟฟาในหมอแปลงในรปท 2.3 ประกอบดวยขดลวดปฐมภมและขดลวดทตยภมพนอยรอบแกนเหลกแบบไมสญเสย ขดลวดสองขดนเปนตวเหนยวนาสนามแมเหลกและแรงดนไฟฟา โดยขดลวดปฐมภมตอเขากบแหลงจายไฟฟากระแสสลบ V1 ทาใหเกดสนามแมเหลกไฟฟาและแรงดนไฟฟาเหนยวนาหรอ Self-induced emf (E1) ทางดานปฐมภม ดงสมการท (2.1) จากนนแรงดนไฟฟาเหนยวนาทางดานทตยภมหรอ emf (E2) ดงสมการท (2.2) กถกสรางขนจากหลกการเหนยวนาของสนามแมเหลกไฟฟา ซงสมการของแรงดนไฟฟาเหนยวนาคอ

 

 

5

ABfNE m11 44.4= (2.1)

และ

ABfNE m22 44.4= (2.2)

โดยท V1 คอ แหลงจายแรงดนไฟฟากระแสสลบทางดานปฐมภม

E1 คอ แรงดนไฟฟาเหนยวนาทางดานปฐมภม

E2 คอ แรงดนไฟฟาเหนยวนาทางดานทตยภม

i1 คอ กระแสปอนเขาทางดานปฐมภม

i2 คอ กระแสทจายออกมาทางดานทตยภม

N1 คอ จานวนรอบของขดลวดทางดานปฐมภม

N2 คอ จานวนรอบของขดลวดทางดานทตยภม

f คอ เสนแรงแมเหลกสงสดในแกนเหลก

Bm คอ ความหนาแนนเสนแรงไฟฟา

A คอ พนทหนาตดของแกนเหลก

f คอ ความถของแรงดนไฟฟากระแสสลบทปอนเขา

จากวงจรสมมลในรปท 2.3 หมอแปลงไฟฟาในอดมคตแรงดนไฟฟาเหนยวนา emf 2E จะมคาเทากบแรงดนจายออกหรอ Output voltage 2v และจายใหโหลด LZ

เมอขดลวดดานปฐมภมตอเขากบแหลงจายแรงดน 1v เปนสญญาณไซนทแปรตามเวลาทาใหเกดเสนแรงแมเหลก φ ขนทแกนเหลกของหมอแปลง หากไมคดคาความตานทานของขดลวด แรงดนเหนยวนาในขดลวด 1e จะมคาเทากบแรงดนทแหลงจาย 1v ดงสมการท (2.3)

1 1 1dv e Ndtφ

= = (2.3)

เสนแรงแมเหลกในแกนเหลกของหมอแปลงมคาเทากนทงดานปฐมภมและดานทตยภม ทาใหเกดแรงดนเหนยวนา 2e มคาเทากบแรงดนทขว 2v ดงสมการท (2.4)

2 2 2dv e Ndtφ

= = (2.4)

เมอพจารณาอตราสวนระหวางปรมาณดานปฐมภมตอดานทตยภมของหมอแปลงจะได ดงสมการท (2.5)

 

 

6

1 1 1

2 2 2

v e N av e N

= = = (2.5)

โดยท a คออตราสวนจานวนรอบ (turns ratio)

จากรปท 2.2 เมอปดสวตซ S1 โหลดจะถกตอเขาทางดานทตยภม สงผลใหมกระแส 2i ไหลผานขดลวดดานทตยภม และเกดแรงเคลอนแมเหลกขนในแกน 2 2 2F N i= ทานองเดยวกนดานปฐมภมจะเกดแรงเคลอนแมเหลก 1 1 1F N i= เนองจากกระแส 1i ไหลผานขดลวด โดยททศทางการไหลของกระแสนนจะทาใหเกดแรงเคลอนแมเหลกทตรงขามกนตามกฎของเลนซ หมอแปลงทางอดมคตมผลรวมของแรงเคลอนแมเหลกมคาเทากบศนย ดงสมการท (2.6)

1 1 2 2 0F N i N i= − = (2.6)

จะได

1 1 2 2N i N i= (2.7)

สามารถเขยนความสมพนธในรปของอตราสวนจานวนรอบ (a) ได ดงสมการท (2.8)

1 2

2 1

N iaN i

= = (2.8)

เมอหมอแปลงทางอดมคตจะไมคดกาลงสญเสยของหมอแปลงได พบวาพลงงานขาเขาเทากบพลงงานขาออก ดงสมการท (2.9)

input outputP P= (2.9)

และความสมพนธระหวางแรงดนและกระแสทางดานปฐมภมและทตยภม ดงสมการท (2.10)

1 1 2 2v i v i= (2.10)

ระหวางแรงดนและกระแสสามารถเขยนในเทอมคา rms ของสมการความสมพนธขางตนได ดงสมการท (2.11) – (2.13)

1 1 2 2V I V I= (2.11)

1 1

2 2

V N aV N

= = (2.12)

 

 

7

2 1

1 2

I N aI N= = (2.13)

จากสมการขางตนจะไดวากระแสไฟฟาของหมอแปลงไฟฟาจะเปนอตราสวนผกผน (Inverse ratio) กบอตราสวนแรงดนของหมอแปลงไฟฟา

2.2 การกาหนดขวหมอแปลง

ขว (Polarity) ของหมอแปลงกาหนดโดยสญลกษณจด (Dot) หรอ ± ดงรปท 2.4 โดยทขวของขดลวดดานแรงสงแทนดวย 1H และ 2H สวนขวของขดลวดดานแรงตาแทนดวย 1X และ 2X

แหลงจาย 1 เฟส

1H

2H

1X

2X

3V

++

− −

1V 2V

รปท 2.4 การกาหนดขวของหมอแปลง

วธการหาขวของหมอแปลงมขนตอนดงน

1. ตอขว 1H และ 2H เขากบแหลงจายทพกด ดงรปท 2.5

2. ตอโวลทมเตอรวดคาแรงดนตกครอม 1V , 2V และ 3V

3. คานวณหาขวหมอแปลงดงน

- ถาวดแรงดน 3V ไดคามากกวาแรงดนอนพต ( 3 1 2V V V= + ) จะไดขวบวก (Addition polarity) นนคอขว 1H ตรงขามกบ 1X ดงรปท 2.5

- ถาวดแรงดน 3V ไดนอยกวาแรงดนอนพต ( 3 1 2V V V= − ) จะไดขวลบ (Subtractive polarity) นนคอขว 1H อยในแนวเดยวกน 1X ดงรปท 2.5

 

 

8

1H

2H 1X

2X 1X

2X

1H

2H (ก) ขวบวก (ข) ขวลบ

รปท 2.5 การกาหนดขวหมอแปลงจากการทดสอบ

2.3 การพจารณาคณลกษณะสมบตทแทจรงของหมอแปลง

การพจารณาคณลกษณะสมบตทแทจรงของหมอแปลง (Practical Transformer) ม 2 วธ คอ

1. วเคราะหจากแบบจาลองวงจรสมมลบนพนฐานจากเหตผลทางกายภาพ

2. วเคราะหจากแบบจาลองทางคณตศาสตรบนพนฐานตามทฤษฎ Classical theory of magnetically coupled circuit

การวเคราะหจากวงจรสมมลสามารถอธบายพฤตกรรมทางกายภาพของหมอแปลงทมโครงสรางดงรปท 2.6 ทยงยากซบซอนไดดโดยจะวเคราะหคณลกษณะตาง ๆ ของหมอแปลงจากวงจรสมมล

mφ

lφ 1

1i 2i

lφ 21V

2V

1N 2N

รปท 2.6 โครงสรางของหมอแปลงซงพจารณาตามคณสมบตทแทจรง

การพจารณาคณสมบตทแทจรงของหมอแปลงจาเปนตองคานงคาความตานทานของ ขดลวด เสนแรงแมเหลกรว (Leakage flux) เสนแรงแมเหลกรวม (Mutual flux) และการสญเสยทเกดขน

จากรปท 2.6 เมอมกระแส 1i ไหลผานขดลวดจะทาใหเกดเสนแรงรวม (Resultant mutual flux: mφ ) ทมทางเดนภายในแกนเหลกและมเสนแรงรว (Leakage flux: lφ ) เดนทางนอกแกนเหลก ซง สามารถกาหนดในเทอมอนดกแตนซ เรยกวา Leakage inductance ไดในรปของคาความเหนยวนารวซมของขดลวดท 1 และ 2 (Ll1 และ Ll2) ดงสมการ (2.14) – (2.15).และรปท 2.7 แสดงวงจรสมมลหมอแปลง

 

 

9

1 11

1

ll

NLiφ

= (2.14)

2 22

2

ll

NLiφ

= (2.15)

1R 2R

1V2V

2lX1lX1I 2I

21 : NN

2I′

1cI 1mI1ΦI

1cR1mX

1E 2E

รปท 2.7 วงจรสมมลหมอแปลงทพจารณาตามคณสมบตทแทจรง

โดยท R1 และ R2 คอ ความตานทานของขดลวดดานปฐมภมและดานทตยภม

X1 และ X2 คอ รแอกแตนซของขดลวดดานปฐมภมและดานทตยภม

Rc คอ ความตานทานของหมอแปลงไฟฟาขณะไมมโหลด

Xm คอ รแอกแตนซของหมอแปลงไฟฟาขณะไมมโหลด

V1 คอ แรงดนไฟฟาทจายเขาขดลวดดานปฐมภม

V2 คอ แรงดนไฟฟาทจายออกไปยงโหลดขดลวดดานทตยภม

I1 คอ กระแสรวมทขดลวดดานปฐมภมขณะทมโหลด

I2 คอ กระแสรวมทขดลวดดานทตยภมขณะทมโหลดหรอกระแสของโหลด

I2’ คอ กระแสเพมขนทขดลวดดานปฐมภมขณะทมโหลด

I0 คอ กระแสรวมทขดลวดดานปฐมภมขณะทไมมโหลด

คารแอคแตนซรว 12lX flπ= และสวนขนานทเรยกวา Short branch ซงประกอบดวยความตานทาน cR แทนการสญเสยทแกน สวนเทอมของอนดกแตนซนาแมเหลก (Magnetizing inductance:

mL ) ทเปนผลเนองจากระแสการทาแมเหลก (Magnetizing current: mI ) เขยนแทนดวย รแอคแตนซการทาแมเหลก mX

 

 

10

2.4 การโอนยายวงจรสมมล

การโอนยายวงจรสมมล (Referred equivalent circuits) เปนการโอนยายคาพารามเตอรของวงจรสมมลหมอแปลงสามารถโอนยายดานปฐมภมไปทตยภม หรอยายจากดานทตยภมมายงดานปฐมภมไดทงหมด วงจรสมมลทโอนยายไปดานปฐมภมสามารถแสดงไดดงรปท 2.8 โดยการโอนยายตองผานอตราสวนจานวนรอบ ดงสมการ (2.16) - (2.20)

1 2 2E E aE′= = (2.16)

2 2V aV′ = (2.17)

22

IIa

′ = (2.18)

22 2R a R′ = (2.19)

22 2l lX a X′ = (2.20)

Load

1R2R′

1V

2lX ′1lX 1I2I ′

1cI 1mI1ΦI

1cR1mX 21 EE ′= 2V ′

2I ′2Z ′

รปท 2.8 วงจรสมมลทโอนยายไปดานปฐมภม

2.5 วงจรสมมลแบบประมาณ

การหาวงจรสมมลแบบประมาณ (Approximate equivalent circuit) โดยจากรปท 2.8 เนองจาก R1 และ X1 มคานอยมากจนทาใหแรงดนตกครอมทคาทงสองมปรมาณนอยมากหรอ 1 1E V≅ จงสามารถยายสวนขนาน 1cR และ 1mX ไปวางทตาแหนงขวตอของแหลงจายได ทาใหสามารถคานวณหาคากระแสไดงายขน เนองจากอมพแดนซของสวนกระตนและอมพแดนซของโหลดตอครอมแหลงจายโดยตรงและรวมคาความตานทานขดลวดและรแอคแตนซแตละสวนเขาดวยกน ทาใหการคานวณคณลกษณะสมรรถนะของหมอแปลงทาไดงายขนดงรป 2.9

 

 

11

1R 2R′

1V

2lX ′1lX1I

1mX2V ′1cI 1mI

1ΦI

1cR

2I ′

1eqR 1eqX

1eqZ

รปท 2.9 วงจรสมมลแบบประมาณเมอยายสวนขนานไปดานแหลงจาย

ในทานองเดยวกน กระแสกระตน Iφ มคาตาเมอเทยบกบกระแสพกดของหมอแปลงดงนนวงจรสมมลโดยประมาณสามารถตดสวนกระตนออกไปได ซงวงจรสมมลโดยประมาณทโอนยายไปทางดานปฐมภมแสดงไดดงรปท 2.10

1V

1I

1eqZ2V ′

1eqR 1eqX2I ′

รปท 2.10 วงจรสมมลแบบประมาณเมอถายโอนไปดานปฐมภม

2.6 พกดหมอแปลง

การกาหนดพกดของหมอแปลง (Transformer Rating) สวนมากกาหนดในหนวยของกโลโวลต-แอมแปร (kVA) ซงแผนปาย (Name plate) บอกใหทราบถงขนาดกโลโวลทแอมแปรและพกดแรงดนของหมอแปลง เชน 500 โวลต-แอมแปร, 230โวลต/115โวลตหมายความวา หมอแปลงตวนมขนาด 500 โวลต-แอมแปร แรงดนดานปฐมภม 500 โวลตและแรงดนดานทตยภม 115 โวลตดงนนอตราสวนจานวนรอบ a = 230/115 = 2 กระแสดานปฐมภมและทตยภมทพกดมคาเทากบ 500/230 = 2.17 แอมแปร และ 500/115 = 4.34 แอมแปร ตามลาดบ

2.7 การทดสอบหมอแปลง

หมอแปลงไฟฟาทผลตเสรจแลวจะทาการทดสอบตามมาตรฐานขนพนฐานทกาหนด เชน การทดสอบ Routine test ตามรายการตอไปน

1. การวดความตานทานของขดลวดแตละขด (Measurement of winding resistance) เพอเปรยบเทยบคาทวดไดระหวางเฟสวามขดลวดใดผดปกตหรอไม และเพอเอาคาทวดไดมาอางองกบอณหภมปจจบนสาหรบการแปลงคาอางองไปทอณหภมอน เชนท 75 องศาเซลเซยส

 

 

12

2. การวดอตราสวนของแรงดนของหมอแปลงเปรยบเทยบกบคาทกาหนด (Measurement of voltage ratio and phase displacement) เพอวดอตราสวนของแรงดนของหมอแปลงเทยบกบคาทกาหนดวามคาถกตองและมคาความคาดเคลอนอยในพกดมาตรฐานหรอไม และเปนการวดคาความตางเฟสของขดลวดทงสองดานหรอทเรยกวาการหา Vector group ของหมอแปลง

3. การวดหาคาความสญเสยขณะจายโหลด (Measurement of short-circuit impedance and load loss) เปนการวดขณะจายโหลดเพอหาคาความสญเสย Copper loss และวดหา Impedance voltage ดวยวธการลดวงจรหมอแปลงระหวางการตรวจวด

4. การวดหาคาความสญเสยขณะทไมไดจายโหลด (Measurement of no-load loss and current) เพอวดหาคาความสญเสยในแกนเหลก (Core loss) และวดหาคากระแสทไหลในขดลวดในขณะไมไดจายโหลดหรอ No-load current

5. การตรวจสอบฉนวนภายในหมอแปลง (Separate source AC withstand voltage test) เปนการตรวจสอบฉนวนภายในหมอแปลงทคนอยระหวาง ขดแรงสงกบแรงตา แรงสงกบกราวนด แรงตากบกราวนด ดวยการจายแรงดนสงกระแสสลบ 50 เฮรตซ ระหวางจดทจะทดสอบตามคาและเวลาทมาตรฐานกาหนด

6. การตรวจสอบฉนวนของเสนลวด (Induced AC voltage test) เปนการตรวจสอบฉนวนของเสนลวดแตละเสนทพนเปนขดลวด ดวยการจายแรงดนสงเปนสองเทาใหกบชดขดลวดตามระยะเวลาทมาตรฐานกาหนด

7. การตรวจวดคาความเปนฉนวนโดยรวมของหมอแปลง (Measurement of insulation resistance) หรอทเรยกวา Megger test โดยคาวดไดตองมคาสงตามทกาหนด

สาหรบงานวจยนไดทาการทดสอบตามมาตรฐานขนพนฐาน 1) การวดหาคาความสญเสยขณะทไมไดจายโหลด 2) การตรวจสอบฉนวนภายในหมอแปลง และ 3) การวดอตราสวนของแรงดนของหมอแปลงเปรยบเทยบกบคาทกาหนดเทานน

2.7.1 การวดหาคาความสญเสยขณะทไมไดจายโหลด (Measurement of No-Load Loss and Current)

การทดสอบแบบนสามารถจายแรงดนเขาทางดานแรงสงหรอแรงตากได แผนภาพการตอวงจรสาหรบการทดสอบขณะเปดวงจรแสดงดงรปท 2.11 โดยเปดวงจรทางดานขดลวดแรงตา ดงนนเมอทาการทดสอบภายใตเงอนไขขณะเปดวงจรสามารถเขยนวงจรไดดงน

A

W

V1φ

V

A

รปท 2.11 วงจรสมมลของการทดสอบกาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด

 

 

13

สาหรบกระแสดานปฐมภม 1I คอ กระแสกระตน 1Iφ และคาการสญเสยหาไดจากการวดโดยวตตมเตอร ซงเปนการสญเสยทแกนนนเอง

สาหรบคาพารามเตอร cR และ mX คานวณไดตามคาทอานจาก โวลตมเตอร, แอมแปรมเตอร และวตตมเตอร แผนภาพการตอขณะทดสอบเปดวงจรแสดงดงรปท 2.12

1cI 1mIIφ 1

1cR 1mX

1I

1V

รปท 2.12 วงจรสมมลภายใตเงอนไขขณะทดสอบตอนเปดวงจร

ขอสงเกต การสญเสยทแกนไมวาจะจายแรงดน 115 โวลต เขาทขดลวดดานแรงตาหรอจายแรงดน 230 โวลต เขาทางดานแรงสงกตามจะใหคาเทากนและการสญเสยทแกนนนขนอยกบคาความหนาแนนเสนแรงสงสดในแกน ซงมคาเทากนทง 2 กรณดงกลาวโดยสามารถอธบายไดตามสมการ

max4.44rmsE Nfφ=

2.7.2 การตรวจสอบฉนวนภายในหมอแปลง (Separate Source AC Withstand Voltage Test)

การทดสอบแบบนทาไดโดยการลดวงจรขดลวดดานใดดานหนงและจายกระแสทพกดเขาทขดลวดอกดานทเหลอ วงจรการทดสอบขณะลดวงจรของหมอแปลง แสดงดงรปท 2.13

A

W

V1φ

V

A

A

รปท 2.13 การตอวงจรทดสอบขณะลดวงจร

เมอเปรยบเทยบคาอมพแดนซจากการทดสอบเปดวงจรกบการทดสอบโดยการลดวงจรนนจะเหนไดวา อนพแดนซของสวนขนานทเรยกวา Excitation branch ทประกอบดวย cR และ mX จากการทดลองเปดวงจรมขนาดใหญกวาอมพแดนซของสวนอนกรม (Series branch) ซงประกอบดวย eqR และ

 

 

14

eqX จากการทดสอบแบบลดวงจรถาขวตอดานทตยภมลดวงจรมผลทาใหอมพแดนซของสวนขนานมคาสงดงนนสามารถตดทงได

วงจรสมมลขณะทดสอบลดวงจร ดานท ตย ภม ด งรปท 2 .14 จะเ หน วา อม พแดนซ eq eq eqZ R jX= + มคาตา วธการทดสอบแบบนสะดวกทจะทาการทดสอบโดยการจายแรงดนเขา

ทางดานขดลวดแรงสง สาหรบคาพารามเตอร eqR กบ eqX สามารถคานวณไดจากคาแรงดน, กระแส และกาลงไฟฟาทอานไดจากเครองวด ในสวนของคาการสญเสยทแกนตามเงอนไขขณะลดวงจรนนสามารถละทงไดเนองจากแรงดนทปอนมคาตา ดงนนการทดสอบแบบนจะใหเราทราบคาการสญเสยทขดลวดทองแดง

I eqR eqX

V

รปท 2.14 วงจรสมมลภายใตเงอนไขการทดสอบขณะลดวงจร 2.7.3 การวดอตราสวนของแรงดนของหมอแปลงเปรยบเทยบกบคาทกาหนด (Measurement of Voltage Ratio and Phase Displacement)

การทดสอบหาอตราสวนแรงดนมวตถประสงคเพอใหแนใจวาแรงดนกระแสสลบทางดานจายออกนนมรปคลนทถกตองและมอตราสวนแรงดนตรงกบทออกแบบไว การทดสอบหาอตราสวนแรงดนไดแสดงวงจรในรปท 2.15 โดยการปอนแรงดนกระแสสลบเขาทางดานอนพทแลววดแรงดนสงทหมอแปลงสรางขนทระดบแรงดนตางๆกน

Z

C1

C2

0-220 V

รปท 2.15 วงจรการทดสอบหาอตราสวนแรงดน

2.8 ประสทธภาพ

ประสทธภาพ (Efficiency) กาหนดดงสมการท (2.21)

 

 

15

out out

in out

P PP P losses

η = =+

(2.21)

เนองจากการสญเสยของหมอแปลงประกอบดวยการสญเสยทแกน (core loss : cP ) และการสญเสยเนองจากทองแดง (copper loss : cuP )

ดงนน สมการเขยนใหมได ดงสมการท (2.22)

out

out c cu

PP P P

η =+ +

(2.22)

และการสญเสยเนองจากทองแดงคานวณได ดงสมการท (2.23) – (2.24)

2 21 1 2 2cuP I R I R= + (2.23)

2 21 1 2 2cu eq eqP I R I R= = (2.24)

การสญเสยเนองจากทองแดงขนอยกบความหนาแนนเสนแรงสงสดในแกนทเปนผลจากแรงดน ซงจายใหกบหมอแปลงดงนนการตอหมอแปลงเขากบแหลงจายแรงดนคงทนนการสญเสยทแกนทงหมดจะคงทดวยและสามารถหาคาการสญเสยดงกลาวไดจากการทดสอบหมอแปลงขณะไรโหลด ซงจะทาใหทราบคาพารามเตอรของวงจรสมมลและสามารถนาไปคานวณหาประสทธภาพทเกดขนได ดงสมการท (2.25)

2 2 22

2 2 2 2 2

coscos c eq

V IV I P I R

θηθ

=+ +

(2.25)

2 2 2cosoutP V I θ= (2.26)

ปกตแรงดนโหลดจะคงทประสทธภาพจงขนอยกบกระแสโหลด 2I และตวประกอบกาลงทโหลด 2cosθ

2.9 การออกแบบหมอแปลงทดสอบ

2.9.1 ขดลวดแรงตาและแรงสง

ขดลวดหมอแปลงไฟฟาเปนลวดทองแดงอาบนายาฉนวนพนรอบแกนเหลกทง 2 ชด ซงจะคนไวดวยกระดาษฉนวนทมความทนทานทางกลและไฟฟาไดด ทางการคานวณมกจะใหขดลวดปฐมภมอยทางดานซายและขดลวดทตยภมอยทางดานขวา เพอใหสะดวก รวดเรวและงายตอการพจารณาคาตาง ๆ ทเกยวของกบหมอแปลงไฟฟา แตการพนหมอแปลงไฟฟาจะขนอยกบลกษณะงานทใช

 

 

16

หมอแปลงไฟฟาทมขนาดเลก พกดนอย ๆ จนถง 50 กโลโวลต-แอมแปร ทขดลวดมการระบายความรอนโดยอาศยการแทรกซมของนามนหมอแปลงจะกาหนดความหนาแนนของกระแสในขดลวดอยในชวง 1.1-2.3 A/ตารางมลลเมตร ขดลวดแรงตาและแรงสงจะกาหนดความหนาแนนอยท 2.3 A/ตารางมลลเมตร ซงจะสอดคลองกบขนาดของลวดทมขายในเชงการคา ขดลวดทโตกวานแมจะใหความหนาแนนของกระแสทตากวา แตจานวนชนการพนของขดลวดจะเพมขนอาจทาใหเปอรเซนตแรงดนลดวงจรสงเกนไป

2.9.1.1 ขนาดพนทหนาตดของขดลวดแรงตาและแรงสง

สามารถหาได ดงสมการท (2.27)

11

1

IAJ

=

(2.27)

โดยท 1A คอ พนทหนาตดของขดลวด (ตารางมลลเมตร)

1I คอ กระแสทปอนเขาทพกด (แอมแปร)

1J คอ ความหนาแนนกระแส (แอมแปร/ตารางมลลเมตร)

2.9.1.2 จานวนรอบขดลวด

สามารถคานวณได ดงสมการท (2.28)

1N = NE

V/1 (2.28)

โดยท 1N คอ จานวนรอบขดลวดแรงตา (รอบ)

1V คอ แรงดนปอนเขา (โวลต)

NE คอ โวลต/รอบ

2.9.1.3 นาหนกทองแดงของขดลวด

สามารถคานวณได ดงสมการท (2.29)

W = ×N 1A × avl × D (2.29)

โดยท W คอ นาหนกของขดลวด (กโลกรม)

N คอ จานวนรอบของขดลวดแรงตา (รอบ)

 

 

17

1A คอ พนทหนาตดของเสนลวด (ตารางมลลเมตร)

D คอ ความหนาแนนของทองแดง

avl คอ ความยาวรอบเฉลย (มลลเมตร)

2.9.1.4 ความตานทานของขดลวด

สามารถคานวณได ดงสมการท (2.30)

R = 1

LA

ρ (2.30)

โดยท R คอ ความตานทานของขดลวด (โอหม)

ρ คอ สภาพความตานทานของทองแดง (โอหม-เมตร)

L คอ ความยาวของขดลวด (มลลเมตร)

1A คอ พนทหนาตดของเสนลวด (ตารางมลลเมตร)

2.9.1.5 การออกแบบกาลงไฟฟาทสญเสยในขดลวดแรงตา ( ).CU LVP

สามารถคานวณได ดงสมการท (2.31)

LVCUP . = 21I R (2.31)

โดยท LVCUP . คอ กาลงไฟฟาสญเสยในขดลวดแรงตา (วตต)

1I คอ กระแสปอนเขา (แอมแปร)

R คอ ความตานทานขดลวด (โอหม)

2.9.2 การออกแบบแกนเหลก

แกนเหลกเปนโครงสรางหลกของหมอแปลง ทาหนาทเปนทางเดนของเสนแรงแมเหลก จะประกอบขนกบแผนเหลกบาง ซงแตละแผนจะฉาบดวยสารทเปนฉนวนไฟฟานามาอดซอนกน เรยกวา แกนเหลกลามเนทเพอลดการสญเสยในแกนเหลก อนเนองจากกระแสไหลวนในเนอแกนเหลก ซงแกนเหลกนไดมการผสมซลคอนประมาณ 3-5เปอรเซนต การผสมซลคอนเขาไปเพอใหความตานทานของแผนเหลกเพมขนเพอลดเพอลดกระแสไหลวนและเพมคา μ ของแผนเหลกและวงรอบฮสเตอรซสลดลง นนคอลดกาลงสญเสยทเกดขนในแกนเหลกและลดกระแสสรางแมเหลก

เนองจากรปคลนของแรงดนทดสอบตองใกลเคยงกบรปคลนไซนมากทสด ดงนนคาความหนาแนนของเสนแรงแมเหลกในแกนเหลก ( mB ) จะตองอยในยานเชงเสนคา mB ของเหลกชนด M-4

 

 

18

เขาใกลยานอมตวประมาณ 1.6 เวเบอร/ตารางเมตร ในการออกแบบจงเลอกคา ( mB ) เทากบ 1.3 เวเบอร/ตารางเมตร ซงพนทภาคตดขวางของแกนเหลกสามารถคานวณได ดงสมการท (2.32 - 2.33)

E = smm FAfNB44.4 (2.32)

mA = smFfNB

E44.4

(2.33)

โดยท E คอ คา RMS ของแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนาในขดลวด

N คอ จานวนรอบของการพนขดลวด (รอบ)

f คอ ความถของไฟฟากระแสสลบ (เฮรตซ)

mB คอ ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลก (เวเบอร/ตารางเมตร หรอ เทสลา)

mA คอ พนทหนาตดแกนเหลก (ตารางมลลเมตร)

sF คอ Stacking factor ในทนใชคา 0.97

2.9.2.1 เสนแรงแมเหลกทเกดขนในแกนเหลก

สามารถคานวณได ดงสมการท (2.34)

Φ = smm FAB (2.34)

โดยท mB คอ ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลก (เวเบอร/ตารางเมตร หรอ เทสลา)

mA คอ พนทหนาตดแกนเหลก (ตารางมลลเมตร)

sF คอ Stacking factor ในทนใชคา 0.97

การออกแบบหนาตดของแกนเหลกทาเปนหลายชน คอ รปสเหลยมอดภายในวงกลม เพอ สามารถใชพนทไดอยางมประสทธภาพสงกวาพนทหนาตดขวางทเปนสเหลยม และเหตผลทางกายภาพในการพนขดลวดใหมลกษณะเปนทรงกลมไดงายขน ลดการเสยดสของขดลวดกบแกนเหลก และเมอขนาดใชงานจะเกดแรงระหวางขดลวดกจะไมทาใหขดลวดเสยรป การออกแบบหนาตดแกนเหลกแบบหลายชนเพอใหมประสทธภาพการใชพนทสงสด การออกแบบแกนเหลกตองคานงถงขนาดของคาแฟกเตอรพนทหนาตดแกนเหลกในวงกลมความกวางของแผนเหลกทสามารถตดไดในเชงของการผลต จะใหคาแฟกเตอรพนทหนาตดแกนเหลกในวงกลม ( cF )

หาคา cF ได ดงสมการท (2.35)

2

43.14

mc

AFD

= (2.35)

 

 

19

โดยท cF คอ แฟกเตอรพนทหนาทตดแกนเหลกในวงกลม

mA คอ พนทหนาตดแกนเหลก (ตารางมลลเมตร)

D คอ เสนผานศนยกลางของวงกลม (มลลเมตร)

2.9.2.2 ความยาวรอบเฉลยของแกนเหลก

สามารถหาจากความยาวแกนกลางของแกนเหลกได ดงสมการท (2.36)

fel = ( ) ( )BCBA +++ 22 (2.36)

โดยท fel คอ ความยาวรอบเฉลยของแกนเหลก

A คอ ความยาวของแกนเหลกดานใน

B คอ ระยะหางจากขอบตวถงถงจดศนยกลาง

C คอ ความกวางของแกนเหลกดานใน

2.9.2.3 ปรมาตรแกนเหลกหาไดจากสมการดงน

สามารถคานวณได ดงสมการท (2.37)

cV = fesm lFA (2.37)

โดยท mA คอ พนทหนาตดแกนเหลก (ตารางมลลเมตร)

sF คอ Stacking factor (0.97)

fel คอ ความยาวรอบเฉลยของแกนเหลก

2.9.2.4 นาหนกแกนเหลก

คดจากความหนาแนน 7.65 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร สามารถคานวณได ดงสมการท (2.38)

cW = ( )1000

DVc ⋅ (2.38)

โดยท cV คอ ปรมาณแกนเหลกหลงถกตด

D คอ ความหนาแนนของแกนเหลก

 

 

20

2.9.2.5 กาลงทสญเสยในแกนเหลก

สามารถหาไดจากกราฟผผลตเหลกซลกอนกาหนดใหไดในทนจาก กาลงไฟฟาสญเสยตอนาหนกแกนเหลกท 1.3 เวเบอร/เมตร 2 มคาเทากบ 0.6 วตต/กโลกรม ดงนนกาลงไฟฟาสญเสยในแกนเหลก (Pc) สามารถคานวณได ดงสมการท (2.39)

cc WP ⋅= 6.0 (2.39)

โดยท cW คอ นาหนกของแกนเหลกคดจากความหนาแนน

2.9.2.6 Exciting Volt-Ampare

ในแกนเหลกท 1.3 เวเบอร/ตารางเมตร มคาเทากบ 0.6 โวลต-แอมแปร/กโลกรม ดงนนสามารถหากระแสปอนเขาขณะไมมโหลดได ดงสมการท (2.40)

ipVPVAI =Φ (2.40)

โดยท PVA คอ Exciting Volt-Ampare

ipV คอ แรงดนดานขาเขา

2.9.3 การถายเทความรอน (Heat Dissipation)

ในกรณของหมอแปลงความรอนจะเกดกระแสทไหลในตวนาฟาทมคา ความตานทานของขดลวด เสนแรงแมเหลกทไหลในสารเฟอรโรแมกเนตก รวมทงเสนแรงแมเหลกทรวไหลในตวถง และ ฝาปดของหมอแปลง ซงจะทาใหอณหภมของหมอแปลงสงขนจากอณหภมของสารตวกลางรอบขาง โดยกรณทวไปจะเปนอากาศโดยความรอนนจะถกถายเทออก 3 ทาง คอ การนาความรอน การพาความรอน และ การแผรงสความรอน

2.9.3.1 การนาความรอน

การนาความรอนจะมลกษณะคลายการนาไฟฟา โดยการนาความรอนจะเกดระหวาง 2 พนทผวทมความแตกตางของอณหภมผานสารตวกลางคนอย และโมเลกลของสารตวกลางจะถายเทความรอนใหแกโมเลกลทอยตดกนโดยทโมเลกลไมมการเคลอนท การนาความรอนจะเปนไปดงสมการท (2.41)

Qcond =

Apl

TT 21 − =

AplT1Δ (2.41)

โดยท Qcond คอ กาลงความรอนทถายเทผานสารตวกลาง (วตต)

 

 

21

1TΔ คอ ผลตางของอณหภมของสองพนผว (องศาเซลเซยส)

P คอ สภาพตานทานทางความรอน (เมตร เคลวน/วตต)

L คอ ความยาวของสารตวกลาง (เมตร)

A คอ พนทหนาตดของสารตวกลาง (ตารางเมตร) เมอคานวณอณหภมเพมขนของขดลวดแรงสงเทยบกบนามนสามารถคานวณได ดงสมการท

(2.42)

1TΔ = A

lQcond

××

σ (2.42)

โดยท σ คอ สภาพนาความรอนของกระดาษฉนวนจมนามน

2.9.3.2 การพาความรอน

การพาความรอนเกดจากอนภาคของกาซหรอของเหลวทใกลวตถรอนและรบความรอนจากวตถอน อนภาคนนจะรอนขนและเคลอนเขาไปแทนทอนภาคทเยนกวา จากกระบวนการนจะทาใหความหนาแนนของของไหลมการเปลยนแปลง

การพาความรอนแบงออกเปน 2 แบบ คอ การพาความรอนแบบธรรมชาต และการพาความรอนดวยแรงขบเคลอน (Artificial convection) ซงในทนจะกลาวเฉพาะการพาความรอนแบบธรรมชาต การพาความรอนแบบธรรมชาต เปนกระบวนการทมความซบซอนมากขนกบหลายตวแปรดวยกนอนไดแก

1. ความหนาแนนของกาลงงานทใช

2. ความแตกตางของพนทผวระบายความรอนกบสารตวกลางระบายความรอน

3. ความสง ทศทาง สภาพพนผวระบายความรอน

4. สภาพตานทานความรอน ความหนด การขยายตวของสารตวกลางระบายความรอน

การคานวณการพาความรอนจะขนกบผลตางของอณหภมวตถทสนใจกบอณหภมของตวกลางทแวดลอมอาจทาไดจากสมการท (2.43)

convQ = cK ( )nTT 21 − (2.43)

โดยท cK คอ คาคงทขนอยกบขนาดและสภาพพนผวของวตถรอน

N คอ คาคงทขนอยกบขนาดและสภาพพนผวของวตถรอนมคาระหวาง 1-1.25

convQ คอ คาการพาความรอนของตวกลางตอ 1 หนวยพนทผวของวตถ (วตต/ตารางเมตร)

 

 

22

2.9.3.3 การแผรงสความรอน

การแผรงสความรอน เปนการถายเทความรอนโดยการปลอยคลนแมเหลกไฟฟาความถตาออกจากวตถรอน ซงขนกบอณหภมและลกษณะเฉพาะตวของพนผวอนไดแกส และความขรขระของพนผว ซงมความซบซอนมากในการคานวณ

2.9.4 การคานวณแรงดนตกครอมอมพแดนซ (%Z)

การคานวณแรงดนตกครอมอมพแดนซ (%Z) พจารณาแรงดนตกครอมอมพแดนซจากสมการท (2.44)–(2.46)

eZ = 22xr ee + (2.44)

er = 100T

N

PS

× (2.45)

xe = 10

503242.0

2

××⎟⎠⎞⎜

⎝⎛×

××⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ +

+×⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ +

×××

appph

g

aHVLVmm

N

ALN

UK

KfRBRB

HVLVDd

Sπ (2.46)

โดย ze คอ impedance (เปอรเซนต)

re คอ Resistance (เปอรเซนต)

xe คอ Reactance (เปอรเซนต)

TP คอ Total Load Losses; ( TP = 0.91 กโลวตต)

NS คอ Rating; ( NS = 6 กโลโวลต-แอมแปร)

md คอ Equivalent mean diameter of low voltage winding;

( md = 148.64 มลลเมตร)

mD คอ Equivalent mean diameter of high voltage winding;

( mD = 265 มลลเมตร)

HVLV คอ Distance between high and low voltage winding;

( HVLV = 13.55 มลลเมตร)

LVRB คอ Radial build of low voltage winding; ( LVRB = 7.9 มลลเมตร)

 

 

23

HVRB คอ Radial build of high voltage winding; ( HVRB = 77.5 มลลเมตร)

F คอ Frequency; ( F = 50 เฮรตซ)

phU คอ Voltage per phase; ( phU = 220 โวลต)

N คอ Number of turn per phase; ( N = 68 รอบ)

aK คอ Regowski factor 1.

LV HV

app

RB RB HVLVALπ

+ += − ; ( aK = 0.87)

gK คอ Number of wound legs (When three phase Kg = 3); ( gK = 1)

phLVU คอ Phase voltage in low voltage winding; ( phLVU = 220 โวลต)

appAL คอ Apparent axial length of low voltage winding

= ( )HVLVRBRBAL

HVLV

LV

++−1; ( appAL มคา 247.058)

LVAL คอ Axial length of low voltage winding; ( LVAL = 210 มลลเมตร)

ดงนน %Z = 2.75 (ตอหมอแปลง 1 ตว)

2.9.5 การคานวณกระแสไฟฟาลดวงจร (ISC)

สามารถคานวณได ดงสมการท (2.47)

scI = 100%

×Z

IHV (2.47)

โดย scI คอ กระแสลดวงจร (แอมแปร)

HVI คอ กระแสไฟฟาทางดานแรงสง (แอมแปร)

Z% คอ แรงดนตกครอมอมพแดนซ

2.9.6 กาลงไฟฟาลดวงจร (SSC)

สามารถคานวณได ดงสมการท (2.48)

scS = 100%

×Z

SHV

(2.48)

โดย scS คอ กาลงไฟฟาวงจร (โวลต-แอมแปร)

HVS คอ กาลงไฟฟาทางดานแรงสง (โวลต-แอมแปร)

 

 

24

Z% คอ แรงดนตกครอมอมพแดนซ

2.9.7 สมรรถนะของหมอแปลงไฟฟา

ดวยเหตทหมอแปลงไฟฟาตอรบพลงงานไฟฟาดานเขา (Input) ในระดบของแรงดน ( 1V ) และกระแส ( 1I ) แลวจายพลงงานไฟฟาทางขดลวดดานออก (Output) ในระดบของแรงดนไฟฟา ( 2V ) และกระแสจายโหลด ( 2I ) ถาหากไมคดเวลากจะไดกาลงไฟฟาปรากฏ (S) มหนวยเปน โวลต-แอมแปร หรอ กโลโวลต-แอมแปร ดงนนกาลงไฟฟาปรากฏทงดานเขาและดานออกเทากนดงแสดงในสมการท (2.49)

S = 11 IV = 22 IV (2.49)

ดงนน สมรรถนะของหมอแปลงไฟฟาจงหมายถงความสามารถในการจายโหลดทงดานเขาและดานออก ทเปนผลคณระหวางแรงดนกบกระแส หรอ กาลงไฟฟาปรากฏ (Apparent power) มหนวยเปน โวลต-แอมแปร หรอ กโลโวลต-แอมแปร นนเอง และเนองจากกาลงไฟฟาปรากฏนเปนคาคงทของหมอแปลงไฟฟาใด ๆ ทไมไดแปรผนไปตามโหลด ดวยเหตนขนาดของหมอแปลงไฟฟาจงกาหนดเปน โวลต-แอมแปร หรอ กโลโวลต-แอมแปร เชน หมอแปลงไฟฟาขนาด 500 โวลต-แอมแปร, 1000 โวลต-แอมแปร (หรอ 1 กโลโวลต-แอมแปร), 22 กโลโวลต-แอมแปร, 115 กโลโวลต-แอมแปร ฯลฯ จะไมกาหนดขนาดหมอแปลงไฟฟาเปน วตต (Watt) เพราะวากาลงปรากฏมคาไมคงท จะแปรผนไปตามคาองคประกอบกาลง (Power factor) ของโหลด [2]-[4]

 

 

25

บทท 3

การออกแบบหมอแปลงทดสอบ 3.1 ขอกาหนดของหมอแปลงทดสอบ

ในการออกแบบตามมาตรฐาน IEC 60060-1 และ IEC 60060-2 [5], [6] หมอแปลงมตวแปรจานวนมาก ตวแปรหลกซงเปนขอกาหนดของการออกแบบไดแสดงอยในตารางท 3.1 การออกแบบหมอแปลงทดสอบจะตองสามารถทางานไดตามความตองการทไดกาหนดขน

ตารางท 3.1 ขอกาหนดและพกดของหมอแปลงทดสอบ ขอกาหนดและพกด คณสมบต

กาลงไฟฟา Sn (กโลโวลต-แอมแปร) 6 แรงดนดานปฐมภม E1 (โวลต) 220 แรงดนดานทตยภม E2 (กโลโวลต) 50 กระแสดานปฐมภม i1 (แอมแปร) 27.27 กระแสดานทตยภม i2 (แอมแปร) 0.12 จานวนเฟส 1 ความถ (เฮรตซ) 50 ความคงทนตอสนามไฟฟาสงสดของนามนหมอแปลง (กโลโวลต/มลลเมตร) 30 (rms) ฉนวน Oil/paper

3.2 การออกแบบแกนเหลก

แกนเหลกเปนโครงสรางหลกของหมอแปลง ทาหนาทเปนทางเดนของเสนแรงแมเหลก จะประกอบขนกบแผนเหลกบางซงแตละแผนจะฉาบดวยสารทเปนฉนวนไฟฟานามาอดซอนกน เรยกวา แกนเหลกลามเนท (Laminated sheet steel)

รปท 3.1 มมมองภาพตดของแกนเหลกแบบกลม

 

 

26

แกนเหลกลามเนทใชเพอลดกาลงไฟฟาสญเสยแบบฮสเตอรซส (Hysteresis) และ เอดดเคอเรนท (Eddy current) ในแกนเหลกเนองจากกระแสไหลวนในเนอแกนเหลกเนองจากหมอแปลงทดสอบเปนแบบเฟสเดยวดงนนแกนเหลกจงเปนแบบทรงกลม Single-phase two-limbed core [7] ดงแสดงในรปท 3.1 ทาใหหมอแปลงมขนาดเลกทสด

ลามเนทแผนบางไดถกนามาประกอบเขาดวยกนใหเปนแกนเหลกแบบทรงกลม หรอ Two-limbed core เพอใหการพนขดลวดใหมลกษณะเปนทรงกลมไดงายขน แกนเหลกมพนทหนาตดมากทสด ใชความยาวของขดลวดทองแดงตาสด ลดการเสยดสของขดลวดกบแกนเหลก และเมอขนาดใชงานจะเกดแรงระหวางขดลวดกจะไมทาใหขดลวดเสยรป สาหรบการออกแบบจะเลอกใชเหลกทมคณลกษณะดงตารางท 3.2

ตารางท 3.2 สรปลกษณะแกนเหลกทใชในการออกแบบ ลกษณะแกนเหลก คณสมบต

ชนดของแกนเหลก M-4 ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลก (เวเบอร/ตารางเมตร) 1.6 ความหนาแนนของแผนเหลก (มลลเมตร) 0.27 แกนเหลกผสมซลคอนประมาณ (เปอรเซนต) 3-5 จานวนชน (ชน) 7 เสนผานศนยกลางของแกนเหลก (มลลเมตร) 130 การวางของแผนเหลก 1 ทบ 1

3.2.1 การออกแบบพนทหนาตดแกนเหลก

แกนเหลกทเลอกใชนไดมการผสมซลคอนประมาณ 3-5 เปอรเซนต การผสมซลคอนเขาไปเพอใหความตานทานของแผนเหลกเพมขนเพอลดเพอลดกระแสไหลวนและเพมคา μ ของแผนเหลก และวงรอบฮสเตอรซสลดลง นนคอลดกาลงสญเสยทเกดขนในแกนเหลก และลดกระแสสรางแมเหลก และเนองจากรปคลนของแรงดนทดสอบตองใกลเคยงกบรปคลนไซนมากทสด ดงนนคาความหนาแนนของเสนแรงแมเหลกในแกนเหลก (Bm) จะตองอยในยานเชงเสน คา Bm ของเหลกชนด M-4 เขาใกลยานอมตวประมาณ 1.6 เวเบอร/ตารางเมตร ในการออกแบบจงเลอกคา Bm เทากบ 1.3 เวเบอร/ตารางเมตร

การออกแบบแกนเหลกตองคานงถงขนาดของความกวางของแผนเหลกทสามารถตดไดในเชงของการผลต โดยเลอกแกนเหลกเปนแบบ Two-limbed Core มพนทภาคตดขวางเปนแบบวงกลม 7 ชน บรรจอยในวงกลมทมขนาด φ 130 มลลเมตร ดงรปท 3.2 เนองจากจะใชพนทไดอยางมประสทธภาพสงกวาพนทหนาตดขวางทเปนสเหลยม

หาคา mA จากพนทภาคตดขวาง 7 ชน ในรปท 3.1 จะได

mA = 225120 ×× = 6000 ตารางมลลเมตร

= ××17100 2 = 3400 ตารางมลลเมตร

 

 

27

= 25.980 ×× = 1520 ตารางมลลเมตร

= 25.660 ×× = 780 ตารางมลลเมตร

= 11700 ตารางมลลเมตร

ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลกทเกดขนในแกนเหลก สามารถคานวณไดจากสมการท (2.34) โดยจากตารางท 3.1 mB มคา 1.3 เวเบอร/ตารางเมตร จากการคานวณขางตน mA มคา 11700 610−× ตารางเมตร และ จากสมการท (2.33) กาหนดคา Stacking factor sF มคา 0.97 จะไดวา

m m sB A FΦ = = 97.010117003.1 6 ××× − = 015.0 เวเบอร

การออกแบบหนาตดแกนเหลกแบบหลายชนเพอใหมประสทธภาพการใชพนทสงสดสามารถคานวณไดดวยวธทางคณตศาสตรและจะไดพนทหนาตดแกนเหลกมากขน การออกแบบแกนเหลกตองคานงถงขนาดของคาแฟกเตอรพนทหนาตดแกนเหลกในวงกลมความกวางของแผนเหลกทสามารถตดไดในเชงของการผลต ซงความหนาของแกนเหลก M-4 มขนาด 0.27 มลลเมตร

แกนเหลกเปนแบบ Core type มพนทภาคตดขวางเปนแบบวงกลม 7 ชน บรรจอยในวงกลมทมขนาดเสนผานศนยกลางของแกนเหลก 130 มลลเมตร แกนเหลกแบบ 7 ชนนจะใหคาแฟกเตอรพนทหนาตดแกนเหลกในวงกลม (Fc) โดยหาคา cF จากสมการท (2.35) จะไดวา

2

43.14

mc

AFD

= = ( ) 14.3130

4117002 ×

× = %19.88

ตารางท 3.3 สรปการคานวณคาตวแปรแกนเหลกทใชในการออกแบบ

ตารางท 3.3 สรปการคานวณคาตวแปรแกนเหลกทใชในการออกแบบ ตวแปรแกนเหลก คณสมบต

พนภาคตดขวางของแกนเหลกตามรปทรงเราขาคณต (ตารางมลลเมตร) 11,700 พนภาคตดขวางของแกนเหลกจรง (ตารางมลลเมตร) 11,700 ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลก (Wb ) 0.015 แฟกเตอรพนทหนาตดแกนเหลกในวงกลม (เปอรเซนต) 88.19 เสนผานศนยกลางของแกนเหลก (มลลเมตร) 130

3.2.2 การเรยงและการตอแผนเหลก

การเรยงแผนเหลกแบบตอกนเปนมมฉากดงรปท 3.2 (ก) จะทาใหการไหลของเสนแรงแมเหลกไมสะดวก เนองจากเสนแรงแมเหลกวงขามรอยตอของแผนเหลก และการทเสนแรงแมเหลกขามแผนเหลกจากแผนหนงไปอกแผนหนงเสนแรงแมเหลกจะไหลในทศทางตงฉากกบการเรยงตวของแกนเหลก ซงแผนเหลกจะมคาซมซบแมเหลก (μ) เปนหนงในสบถงหนงในเจดเทาของทศทางทแกนของเหลกเรยงตวอย ดงนนเสนแรงแมเหลกจะกบทศทางการไหลเปนผลใหคากาลงสญเสยในแกนเหลก และกระแสของแมเหลกมคาสงขน

 

 

28

การแกปญหานโดยตดแผนเหลกใหเกดเปนมมเฉยง ดงรปท 3.2 (ข) ซงจะทาใหการไหลของเสนแรงแมเหลกสะดวกขน ลดคากาลงสญเสยในแกนเหลกและลดคากระแสของแมเหลก

(ก).การเรยงแผนเหลกแบบตอกนเปนมมฉาก ..(ข) การเรยงแผนเหลกแบบเฉยง

รปท 3.2 ภาพการไหลของเสนแรงแมเหลกทตดแผนเหลกแบบมมฉาก

แกนเหลกดานบน (Top yoke) จะเปนทสาหรบสวมขดลวด เนองจากจะสามารถนาสายไฟแรงสงออกมาใชงานไดงาย มมของแกนเหลกดานบนอยใกลกบขดลวดแรงสงจงจะทาใหเกดความเครยดสนามไฟฟาสงในบรเวณน ดงนนจะตองทาการตดมมของแกนเหลกเพอลดความเครยดสนามไฟฟา ดงในรปท 3.3

ก) ภาพแบบไมตดมม ข) ภาพแบบตดมม

รปท 3.3 ภาพแผนแกนเหลกแบบไมตดมมและแบบตดมม 3.2.3 ความกวางของแกนเหลก

การกาหนดความกวางของแกนเหลกจะขนอยกบขนาดของตวถงซงไดออกแบบไว ใหมความกวาง 430 มลลเมตร ความยาว 590 มลลเมตร และความสง 700 มลลเมตร ดงรปท 3.4 เนองจากในการออกแบบไดออกแบบใหหมอแปลงวางซอนกนเพอการ Cascade กบหมอแปลงตวท 2 (หากทาการ

 

 

29

Cascade หมอแปลง) ดงนนจงออกแบบใหแรงดนสงสดของขดลวดดานลางเมอเปรยบเทยบกบแกนเหลกจะมคาประมาณ 100 กโลโวลต (rms) และเพอใหสามารถรองรบแรงทางกลทเกดขนจากการวางซอนกน

รปท 3.4 การกาหนดความกวางของตวถงใหสามารถบรรจแกนเหลกลงถงได

ความสงของแกนเหลกจะขนอยกบความหนาของขดลวดซงจากการคานวณรศมวงนอกสดของขดลวดแรงสงจะมคาเทากบ 167.5 มลลเมตร (จากการวดคาในหวขอ 3.2.2) ความคงทนตอสนามไฟฟาสงสดภายในนามนหมอแปลงทใชมคา 30 กโลโวลต (rms)/มลลเมตร โดยมคา Safety factor 150 เปอรเซนต ดงนนจะไดคา กโลโวลต (rms)/มลลเมตร

แตโดยทวไปบรษทผผลตหมอแปลงไฟฟาจะออกแบบความคงทนตอสนามไฟฟาสงสดภายในนามนหมอแปลงไวท 3 กโลโวลต (rms)/มลลเมตร เทานน เนองจากในการผลตอาจจะมฝนละอองและความชนปะปนอยกบนามนทาใหความคงทนตอแรงดนเบรคดาวนในนามนลดลง ดงนนระยะหางระหวางแกนเหลกกบขดลวดควรจะมคาไมตากวา 3 กโลโวลต (rms)/มลลเมตร *100 kV/1.414 = 21.21

 

 

30

มลลเมตร ดงนนระยะความสงของแกนเหลกจงมคาเทากบ 167.5+21.21+120+(120/2) = 368.5 มลลเมตร

แตเนองจากการออกแบบตองการใหเกดโคโรนานอยทสด เพราะตองการยดอายการใชงานของหมอแปลง อกทงในเชงการผลตจะมขดจากดในการตดแผนเหลกไดเปนเลขทลงตว จงไดเผอระยะไวประมาณ 6-7 เซนตเมตร ดงนนจงไดความสงของแกนเหลกมคา 375 มลลเมตร ดงในรปท 3.5

270

135

395

510

รปท 3.5 ขนาดของแกนเหลกจากการออกแบบ 3.2.4 การตดแกนเหลก

เนองจากแกนเหลกเปนแบบ Core type มพนทภาคตดขวางเปนแบบวงกลม 7 ชน บรรจอยในวงกลมทมขนาดเสนผานศนยกลางของแกนเหลก 130 มลลเมตร จากขนาดแกนหลกตามหวขอ 3.3.2 สามารถเขยนแบบของแกนเหลกเพอนาไปตดไดดงรปท 3.6 และ รปท 3.7 โดยขนาดแผนเหลกแตละชนของแบบวงกลม 7 ชน แสดงดงในตารางท 3.4

B1-B2 แบบตดมม

A1-A

2 แบ

บตดม

ม

A1-A

2 แบ

บไมต

ดมม

B1-B2 แบบไมตดมม

รปท 3.6 แบบการตดแกนเหลก

 

 

31

ก) A1 – A2 (1) แบบตดมม ข) A1 – A2 (1) แบบไมตดมม

ค) B1 – B2 (1) แบบตดมม ง) B1 – B2 (1) แบบไมตดมม

จ) A1 – A2 (2) แบบตดมม ฉ) A1 – A2 (2) แบบไมตดมม

ช) B1 – B2 (2) แบบตดมม ซ) B1 – B2 (2) แบบไมตดมม

ญ) A1 – A2 (3) แบบตดมม ฏ) A1 – A2 (3) แบบไมตดมม

ฐ) B1 – B2 (3) แบบตดมม ฑ) B1 – B2 (3) แบบไมตดมม

 

 

32

ฒ) A1 – A2 (4) แบบตดมม ณ) A1 – A2 (4) แบบไมตดมม

ด) B1 – B2 (4) แบบตดมม ต) B1 – B2 (4) แบบไมตดมม

รปท 3.7 ขนาดการตดแผนเหลก

ตารางท 3.4 ขนาดการตดแผนเหลก

แบบ กวาง x ยาว หนา จานวนแผน ตดมม ไมตดมม A1 – A2 (1) 120x 255 25 x 2 372 186 186 B1 – B2 (1) 120x 390 25 x 2 372 186 186 A1 – A2 (2) 100 x 255 17 x 2 252 126 126 B1 – B2 (2) 100 x 390 17 x 2 252 126 126 A1 – A2 (3) 80 x 255 9 x 2 136 68 68 B1 – B2 (3) 80 x 390 9 x 2 136 68 68 A1 – A2 (4) 60 x 255 6 x 2 92 46 46 B1 – B2 (4) 60 x 390 6 x 2 92 46 46

หมายเหต เหลกซลคอลความหนา 0.27 มลลเมตร/แผน

3.2.5 การจดวางแผนเหลก

การจดวางแผนเหลกทละหลาย ๆ แผนสลบกน ทาใหมชองอากาศกวางมากขนและสงผลถงการไหลทไมสะดวกของเสนแรงแมเหลก เสนแรงแมเหลกบางสวนจะวงขามชองอากาศบางสวนจะวงไปยงแผนเหลกดานขาง เนองจากสภาพซมซบไดของแผนเหลกมคาสงกวาอากาศมาก ทาใหแผนเหลกบางสวนทมเสนแรงแมเหลกไหลผานมากกวา คอ แกนเหลกจะมคากาลงสญเสยเพมขนแตการจดวางแผนเหลกทละแผนจะมความลาบากมาก ดงนนจงใชวธการวางแผนเหลกครงละ 2 แผน

 

 

33

A1-A

2 แบ

บตดม

ม

A1-A

2 แบ

บไมต

ดมม

B1-B2 แบบไมตดมม

B1-B2 แบบตดมม

A1-A

2 แบ

บตดม

ม

A1-A

2 แบ

บไมต

ดมม

B1-B2 แบบไมตดมม

B1-B2 แบบตดมม

ก) ภาพการเรยงเหลกขนท1 ข) ภาพการเรยงเหลกขนท2

A1-A

2 แบ

บตดม

ม

A1-A

2 แบ

บไมต

ดมม

B1-B2 แบบไมตดมม

B1-B2 แบบตดมม

A1-A

2 แบ

บตดม

ม

A1-A

2 แบ

บไมต

ดมม

B1-B2 แบบไมตดมม

B1-B2 แบบตดมม

ค) ภาพการเรยงเหลกขนท3 ง) ภาพการเรยงเหลกขนท4

A1-A

2 แบ

บตดม

ม

A1-A

2 แบ

บไมต

ดมม

B1-B2 แบบไมตดมม

B1-B2 แบบตดมม

จ) ภาพการเรยงเหลกขนท5 ฉ) ภาพการเรยงเสรจสมบรณ

รปท 3.8 การจดวางแผน Laminated Sheet เพอสรางแกนเหลกแบบกลม

3.2.6 คานวณความยาวรอบเฉลยของแกนเหลก

ความยาวรอบเฉลยของแกนเหลกหาจากความยาวแกนกลางของแกนเหลกหาไดจากสมการท (2.36)

ดงนน จะได fel = ( ) ( )601352602702 +++ = 1050 มลลเมตร

3.2.7 ปรมาตรแกนเหลก

หาไดจากสมการท (2.37)

1 กอนถกตด 211700 10 0.97 105 11916.45cV = × × × = ลกบาศกเซนตเมตร

 

 

34

2 หลงถกตด cV = ปรมาตรกอนถกตด-ปรมาตรทถกตด

= ( )( )225212021 2 ××× + ( )( )225212021 2 ××× + ( )( )217210021 2 ××

= 297.88 ลกบาศกเซนตเมตร

จะได cV = 88.29745.11916 − = 57.11618 ลกบาศกเซนตเมตร 3.2.8 นาหนกแกนเหลก

คดจากความหนาแนน 7.65 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร ไดจากสมการท (2.38)

cW = 100065.757.11618 × = 88.88 กโลกรม 3.2.9 กาลงทสญเสยในแกนเหลก

กาลงทสญเสยในแกนเหลกหาไดจากกราฟผผลตเหลกซลคอน กาลงไฟฟาสญเสยตอนาหนกแกนเหลกท 1.3 เวเบอร/ตารางเมตร มคาเทากบ 0.6 วตต/กโลกรม ดงนนหากาลงไฟฟาสญเสยในแกนเหลก ( )cP ไดจากสมการท (2.39)

cP = 0.6× 88.88 = 32.53 วตต 3.2.9 Exciting Volt-Ampere

Exciting Volt-Ampere ในแกนเหลกท 1.3 เวเบอร/ตารางเมตร มคาเทากบ 0.6 โวลต-แอมแปร/กโลกรม ดงนน Exciting Volt-Ampere ในแกนเหลก ( )PVA จากสมการท (2.40)

PVA = 0.6× 88.88 = 328.53 โวลต-แอมแปร

ดงนนกระแสปอนเขาขณะ No-Load แทนคาจะได

φI = 220328.53 = 242.0 แอมแปร

คดเปน 0.89 เปอรเซนต ของกระแสปอนเขาทพกด I input โดยเทยบกบกระแสปอนเขาใน ตารางท 3.1 ตารางท 3.5 แสดงคณสมบตของแกนเหลกจากการคานวณ

ตารางท 3.5 คณสมบตของแกนเหลกจากการคานวณ ตวแปรแกนเหลก คณสมบต

ความยาวของแกนเหลก (มลลเมตร) 270 ปรมาตรของแกนเหลก (ตารางเซนตเมตร) 11916.45 นาหนกของแกนเหลก (กโลกรม) 88.88 ความสญเสยในแกนเหลก (วตต) 53.32 กระแสปอนเขาขณะ No-Load (แอมแปร) 0.242

 

 

35

3.3 ขดลวดแรงสงและขดลวดแรงตา

หมอแปลงไฟฟาทมขนาดเลก พกดนอยๆจนถง 50 กโลโวลต-แอมแปร ทขดลวดมการระบายความรอนโดยอาศยการแทรกซมของนามนหมอแปลง โดยทวไปจะกาหนดความหนาแนนของกระแสในขดลวดอยในชวง 1.1-2.3 แอมแปร/ตารางมลลเมตร 3.3.1 การออกแบบขดลวดแรงตา

สาหรบการออกนใชขดลวดทองแดงเปนตวนาไฟฟา ขนาดพนทหนาตด 2.6 ตารางมลลเมตร โดยความหนาแนนอยท 2.3 แอมแปร/ตารางมลลเมตร ซงเปนขนาดในเชงการคา ขดลวดทโตกวานแมจะใหความหนาแนนของกระแสทตากวา แตจานวนชนการพนของขดลวดจะเพมขนอาจทาใหเปอรเซนตแรงดนลดวงจรสงเกนไป

1) หาขนาดพนทหนาตดของขดลวดแรงตา จากสมการท (2.27)

โดย 1I มคา 27.27 แอมแปร (จากตารางท 3.1)

กาหนดให 1J มคา 2.3 แอมแปร/ตารางมลลเมตร

จะไดวา 1A = 27.27 2.3= 85.11 ตารางมลลเมตร

ดงนน มพนทหนาตดใชงานจรง (11.85 ตารางมลลเมตร)

2) หาจานวนรอบขดลวด จากสมการท (2.28)

โดย 1V มคา 220 โวลต

กาหนดให NE มคา 3.27 โวลต/รอบ

จะไดวา 1N = 27.3220 = 27.67

ดงนน จานวนรอบขดลวดทใชงาน 68 รอบ

3) การพนขดลวดแรงตา

การพนขดลวดแรงตาเรมจากการเตรยม Mandrel ทมขนาดเสนผานศนยกลางเทากบขนาดททไดจากการคานวณ คอ 134 มลลเมตร แสดงในรปท 3.9 โดยมขนาดมากกวาขนาดเสนผานศนยกลางของแกนเหลก เพอความสะดวกในการนาขดลวดเขาสวมแกนเหลก

จากนนทาการพนขดลวดตามแบบโดยเรมจากการใชกระดาษอดหนา 0.13 มลลเมตร โดยใช 1 แผน/ชน หลงจากนนทาการพนแรงตาโดยใชลวดอาบนายา ขนาด 2.6 ตารางมลลเมตร (เบอร 12) จานวน 2 เสน พนพรอมกน ทาการพน 2 ชนๆ ละ 34 รอบ จานวน 68 รอบ

การพนขดลวดแรงตาตงแตเรมพนจนแลวเสรจ แสดงรปท 3.10 และ 3.11 คณสมบตของขดลวดแรงตาสามารถสรปไดในตารางท 3.6

 

 

36

รปท 3.9 Mandrel สาหรบขดลวดแรงตา

รปท 3.10 การพนขดลวดแรงตาตงแตเรมพน

 

 

37

รปท 3.11 การพนขดลวดแรงตาเมอพนเสรจ

ตารางท 3.6 คณสมบตของขดลวดแรงตา รายการ คณสมบต

ชนดของวสด ลวดทองแดง ขนาดเสนผานศนยกลางของตวนา 2 เสน (มลลเมตร) 2.6×2 ฉนวนหอหมเสนลวด (PVF) Insulated Enamelled เสนผานศนยกลางของ Mandrel ขดลวดแรงตา (มลลเมตร) 134 ความยาวของ Mandrel ขดลวดแรงตา (มลลเมตร) 210 จานวนรอบ (รอบ) 68 จานวนขดลวด (ขด) 2 จานวนขน (ชน) 2 จานวนรอบ/ชน 34 ความหนาของฉนวนระหวางชน (มลลเมตร) 0.13x2 รศมดานในของขดลวด (มลลเมตร) 67.5 รศมดานนอกของขดลวด (มลลเมตร) 81.14 ความกวางของขดลวด (มลลเมตร) 210

4) หาความยาวรอบเฉลยจะไดวา

avl = 2 2 3.14 74.32rπ = × × = 466.729 มลลเมตร

 

 

38

5) หานาหนกทองแดงของขดลวด จากสมการท (2.29)

โดย N มคา 68 รอบ

1A มคา 11.85 ตารางมลลเมตร

Density มคา 8900 กโลกรม/ลกบาศกเมตร

avl มคา 466.729 มลลเมตร

จะไดวา W = 68 11.85 466.729 8900× × ×

= 3.34 กโลกรม

6) หาความตานทานของขดลวด จากในสมการท (2.30)

โดย P มคา 0.01724×10-6 โอหม/เมตร

L มคา 68×466.729 มลลเมตร

1A มคา 11.85 ตารางมลลเมตร

จะไดวา R = 0.01724×10-6× (68×466.729/11.85)

= 0.046 โอหม

7) แทนคากาลงไฟฟาทสญเสยในขดลวดแรงตา ( cuLVP ) ลงในสมการท (2.31)

โดย 1I มคา 27.27 แอมแปร

R มคา 0.046 โอหม

จะไดวา cuLVP = 27.272×0.046 = 34.20 วตต

ตารางท 3.7 แสดงคณสมบตของขดลวดแรงตาจากการคานวณ

ตารางท 3.7 คณสมบตของขดลวดแรงตาจากการคานวณ ตวแปรแกนเหลก คณสมบต

ความตานทานของขดลวด (โอหม) 88.88 นาหนกทองแดงของขดลวด (กโลกรม) 53.32 ความยาวรอบเฉลย (เมตร) 0.242 นาหนกของขดลวด (กโลกรม) 3.34 กาลงสญเสยในขดลวด (วตต) 34.20

3.3.2 การออกแบบขดลวดแรงสง

ขดลวดแรงสง เปนขดลวดทมนายา Enamelled เคลอบเปนฉนวนเพอปองกนความเครยดสงดงนนอณหภมเพมในขดลวดจะมคาสง การกาหนดความหนาแนนกระแสตองกาหนดใหมคาตาจงเลอกคาอยท 1 แอมแปร/ตารางมลลเมตร เพราะเมอคานวณขนาดของขดลวดออกมาแลวมขนาดทเหมาะสม

 

 

39

1) หาขนาดพนทหนาตดของขดลวดแรงสง จากสมการท (2.27)

โดย 2I มคา 0.12 แอมแปร

2J มคา 1 แอมแปร/ตารางมลลเมตร

จะไดวา 2A = 0.12/1 = 0.12 ตารางมลลเมตร

2) หาจานวนรอบของขดลวด จากสมการท (2.28)

โดย 2V มคา 50000 โวลต

NE มคา 22068 โวลต/รอบ

จะไดวา 2N = 50000×68/220 = 15454 รอบ

3) ความยาวรอบเฉลย

avl = 2×3.14×132.5 = 832.1 มลลเมตร

4) หาคานาหนกทองแดงของขดลวด จากสมการท (2.29)

โดย N มคา 15454 รอบ

1A มคา 0.12 ตารางมลลเมตร

Density มคา 89000 กโลกรม/ลกบาศกเมตร

avI มคา 832.1 มลลเมตร

จะไดวา W = 15454×0.12 ตารางมลลเมตร×832.1 มลลเมตร

×89000กโลกรม/ลกบาศกเมตร

= 13.73 กโลกรม

5) หาคาความตานทานของขดลวด จากสมการท (2.30)

โดย P มคา 0.01724×10-6 โอหม/เมตร

L มคา 15454×832.1 มลลเมตร

1A มคา 0.12 ตารางมลลเมตร

จะไดวา R = 0.01724×10-6 โอหม/เมตร× (15454

×832.1/0.12ตารางมลลเมตร)

= 1847.44 โอหม

6) หาคากาลงไฟฟาทสญเสยในขดลวดแรงตา ( CULVP ) จากสมการท (2.31)

โดย 1I มคา 0.12 แอมแปร

R มคา 1847.44 โอหม

 

 

40

จะไดวา CULVP = 0.122×1847.44 = 26.60 วตต

7) การพนขดลวดแรงสง

การพนขดลวดแรงสงใชการพนแยกกบขดลวดแรงตา ดงนนจงเรมจากการเตรยม Mandrel เชนเดยวกบขดลวดแรงตาโดยมขนาดเสนผานศนยกลาง 195 มลลเมตร แสดงในรปท 3.12 เพอสามารถสวมเขากบขดลวดแรงตาไดสะดวก โดยกอนเรมพนขดลวดแรงสงจะตองเตรยม ปลอกกระดาษแรงสง 0.5×15.9 จานวน 4 แผน, กระดาษรองนามน 3.2×15.9 จานวน 18 แผน, กระดาษระหวางชน 0.13×15.9 จานวน 40 แผน, (กระดาษหวทาย 0.5×30, 0.5×25, 0.5×20 จานวน 20 แผน) หลงจากนนจงทาการพนขดลวดแรงสงโดยการพนนจะแบงออกทงหมด 61 ชน โดยทในแตละชนจะใสกระดาษ 0.13 มลลเมตร จานวน 2.5 แผน ในแตละชนของการพนขดลวดแรงสงจะแสดงออกมาพนทงหมด 61 ชน จานวน 0 − 15454 รอบ กระดาษระหวางชน 0.13 มลลเมตร จานวน 2.5 แผน

วธการพน

- 10 ชน คอ ชนท 1 − 10 พนชนๆละ 234 รอบ จานวน 2340 รอบ หวทาย 30 มลลเมตร

- 11 ชน คอ ชนท 11 − 21 พนชนๆละ 258 รอบ จานวน 2838 รอบ หวทาย 25 มลลเมตร

- 18 ชน คอ ชนท 22 − 39 พนชนๆละ 282 รอบ จานวน 5076 รอบ หวทาย 20 มลลเมตร

- 11 ชน คอ ชนท 40 − 50 พนชนๆละ 258 รอบ จานวน 2838 รอบ หวทาย 25 มลลเมตร

- 9 ชน คอ ชนท 51 − 59 พนชนๆละ 234 รอบ จานวน 2106รอบ หวทาย 30 มลลเมตร

- 2 ชน คอ ชนท 60 − 61 พนชนๆละ 128 รอบ จานวน 256 รอบ หวทาย 52 มลลเมตร

จานวนรอบทงหมด = 15454 รอบ

รปท 3.12 Mandrel สาหรบขดลวดแรงสง

คณสมบตทตองการของแรงสงไดกาหนดไวในตารางท 3.7 ทองแดงไดถกนามาใชเปนตวนาแลวพนรอบแตละชนดวยกระดาษฉนวน การพนขดลวดแรงสงเมอเรมพนแสดงดงรปท 3.13 และการพนขดลวดแรงสงเมอพนแลวเสรจ แสดงดงรปท 3.14

 

 

41

ตารางท 3.8 คณสมบตของขดลวดแรงสง ตวแปรแกนเหลก คณสมบต

ชนดของวสด ลวดทองแดง ขนาดของตวนา (ตารางมลลเมตร) 0.37 ฉนวนหอหมเสนลวด(PVF) Insulated Enamelled จานวนรอบ (รอบ) 15454 จานวนขดลวด (ขด) 15454 จานวนขน (ชน) 61 จานวนรอบ /ชน 234 ความหนาของฉนวนระหวางชน(มลลเมตร) 0.13x2 รศมดานในของขดลวด(มลลเมตร) 97.5 รศมดานนอกของขดลวด (มลลเมตร) 167.5 ความกวางของขดลวด (มลลเมตร) 160 นาหนกของขดลวด (กโลกรม) 13.73 กาลงสญเสยในขดลวด (วตต) 26.60

รปท 3.13 การพนขดลวดแรงสงเมอเรมพน

 

 

42

รปท 3.14 การพนขดลวดแรงสงเมอพนแลวเสรจ

รปท 3.15 ภาพตดของขดลวดตามแนวแกนเหลก

 

 

43

3.3.3 การจดเรยงขดลวดแรงตาและแรงสงลอมแกนเหลก

หมอแปลงใชเปนแบบทรงกลม (Two-limbed core type transformer) ซงมลกษณะการพนแรงตาขดลวดลวดเปนแบบพนลอมแกนเหลก และเนองจากแกนเหลกของหมอแปลงจะถกตอลงดน ดงนนเพอใหงายตอกนฉนวนขดลวดจะถกพนรอบแกนโดยเรมดวยขดลวดแรงตาจากนนกพนทบดานนอกดวยขดลวดแรงสงเพอเปนการลดปรมาณฉนวน ดงรปท 3.15

3.4 ตวถงหมอแปลง

Structural Steel ในรปของ Sheet และ Plate ไดถกนามาสรางเปนตวถงหมอแปลง รายละเอยดของตวถงหมอแปลงไดแสดงในรปท 3.16

รปท 3.16 การกาหนดความกวางของตวถงใหสามารถบรรจแกนเหลกลงถงได

 

 

44

3.5 ปลอกฉนวนนาสาย

ขดลวดแรงสงและแรงตาจะตองถกตอสายแลวนาออกมาภายนอกหมอแปลงโดยใชปลอกฉนวนนาสาย (Bushing) ซงทาหนาทเปนฉนวนคนระหวางตวนาทมแรงดนไฟฟากบตวถงหมอแปลงทเปนกราวนด ปลอกฉนวนนาสายททาจากปอรซเลน ความยาว 59.9 เซนตเมตร และมครบแบบมาตรฐานไดถกนามาใชและมการกาหนดคณสมบตและขนาดดงรปท 3.17

รปท 3.17 ปลอกฉนวนนาสายหรอบชชงทางดานไฟฟาแรงสง

3.6 ระบบระบายความรอน

หมอแปลงตองการระบบระบายความรอนเพอระบายความรอนทเกดขนภายในหมอแปลงออกไปสอากาศภายนอก ในทนนามนหมอแปลงนอกจากจะทาหนาทเปนฉนวนทางไฟฟาแลวยงทาหนาทเปนตวนาความรอนซงสวนมากเปนกาลงไฟฟาสญเสยของแกนเหลกและขดลวด 3.6.1. การถายเทความรอน (Heat Dissipation)

ในกรณของหมอแปลงความรอนจะเกดกระแสทไหลในตวนาฟาทมคา ความตานทานของขดลวด เสนแรงแมเหลกทไหลในสารเฟอรโรแมกเนตก รวมทงเสนแรงแมเหลกทรวไหลในตวถงและฝาปดของหมอแปลง ซงจะทาใหอณหภมของหมอแปลงสงขนจากอณหภมของสารตวกลางรอบขาง โดยกรณทวไปจะเปนอากาศโดยความรอนนจะถกถายเทออก 3 ทาง คอ การนาความรอน การพาความรอน และการแผรงสความรอน

 

 

45

3.6.2 การนาความรอน

กาหนดหมอแปลงจะทางานทอณหภมแวดลอม 40 องศาเซลเซยส การนาความรอนของฉนวน โดยปกตความหนาของฉนวนทลอมรอบขดลวดแรงสงและขดลวดตอควบประมาณ 0.01 เมตร คาสภาพนาความรอนของกระดาษฉนวนจมนามน (σ) มคาอยระหวาง 0.25-0.45 วตต/เมตร-เซลเซยส ในการคานวณเลอกใชคา 0.40 วตต/เมตร-เซลเซยส และพนทผวภายนอกของฉนวนประมาณ 0.4 ตารางเมตร เมอคานวณอณหภมเพมของขดลวดแรงสงเทยบกบนามนไดจากสมการท (2.42) แทนคาจะได

1TΔ = 4.04.001.066.41

××

= 2.6 องศาเซลเซยส

และคานวณอณหภมเพมระหวางขดลวดแรงตากบขดลวดแรงสงได คอ

1TΔ = 1.04.0003.084.57

××

= 4.34 องศาเซลเซยส

3.6.3 การพาความรอน

การพาความรอนเกดจากอนภาคของกาซหรอของเหลวทใกลวตถรอนและรบความรอนจากวตถอน อนภาคนนจะรอนขนและเคลอนเขาไปแทนทอนภาคทเยนกวา จากกระบวนการนจะทาใหความหนาแนนของของไหลมการเปลยนแปลง

จากโครงสรางของขดลวดแรงสงและขดลวดตอควบในตอนตนจะถกหอหมดวยกระดาษฉนวนเพอปองกนสงแปลกปลอมเขาไปในขดลวดซงเปนตนเหตทาใหเกดการเบรกดาวน ดงนนอณหภมเพมเนองจากการพาความรอนมนอย 3.6.4 การแผรงสความรอน

การแผรงสความรอน เปนการถายเทความรอนโดยการปลอยคลนแมเหลกไฟฟาความถตาออกจากวตถรอน ซงขนกบอณหภมและลกษณะเฉพาะตวของพนผวอนไดแกส และความขรขระของพนผว ซงมความซบซอนมากในการคานวณ

3.7 การประกอบหมอแปลง

ในรปท 3.15 แสดงภาพตดของแกนเหลกทมขดลวดแรงตาและขดลวดแรงสงประกอบซอนอยรอบๆ โดยมกระดาษฉนวนทาหนาทเปนฉนวนคนระหวางขดลวดแรงตากบขดลวดแรงสง ฉนวนทกชนจะตองจมอยในนามนฉนวนอยางสมบรณ หลงจากการขนรปแกนเหลกเปนลกษณะรปตวยแลวสวมดวยขดลวดแรงตาดงรปท 3.18 ทาใหขดลวดแรงตาอยดานในชดกบแกนเหลกเพอเปนการลดความเครยดสนามไฟฟาและลดปรมาณความหนาของฉนวนไฟฟาอกดวย หลงจากนนทาการสวมขดลวดแรงสงทบซอนขดลวดแรงตา จากนนแกนเหลกกถกขนใหแนนดวยแคลมป ดงรปท 3.19

 

 

46

รปท 3.18 การประกอบขดลวดแรงตา

รปท 3.19 การตดตงขดลวดแรงสงดานนอกของขดลวดแรงตา

3.8 การตอสาย

หลงจากทไดประกอบขดลวดเขากบแกนเหลกเรยบรอยแลวจะเปนขนตอนการตอสายโดยจากการออกแบบและจะทาการตอสายออกทางฝาดานบนของตวถงหมอแปลงโดยขวตอสายจะแบงออกทงหมด 3 ขว คอ ปลายสายของขดลวดแรงตา 4 เสน, สายกราวนอก 2 เสน และ ปลายสายของขดลวดแรงสงอก 1 เสน ขวสายทงหมดนจะใชนอตทองเหลอง โดยนอตทองเหลองนจะยดตดกบแผนแบกกะไลดทตดเปนสเหลยมยดตดอยกบฝาถง รปท 3.20 แสดงลกษณะการพนขดลวดและตอสาย โดยตารางท 3.9

 

 

47

แสดงคาทไดจากการตอสายของขดลวดแรงสง รปท 3.21 แสดงตาแหนงของปลายลวดแรงสงและแรงตา รปท 3.22 การตอสายขวไฟฟา และรปท 3.23 แสดงการเดนสายและการประกอบขดลวดและแกนเหลกของหมอแปลง

ก) การพนขดลวด ข) การตอสาย

รปท 3.20 แบบการพนขดลวดและตอสาย

ตารางท 3.9 การแสดงคาทไดจากการตอสายของขดลวดแรงสง LV HV

L1 – L2 = 220 โวลต H1 = 50 กโลโวลต L3 – L4 = 220 โวลต

รปท 3.21 ตาแหนงปลายลวดแรงสงและแรงตา

 

 

48

รปท 3.22 การตอสายขวไฟฟา

รปท 3.23 การเดนสายและการประกอบขดลวดและแกนเหลกของหมอแปลง 3.9 การเตมนามนหอแปลง

หลงจากนนขดลวดและแกนเหลกกถกนาไปจมในนามนฉนวนภายในตวถงหมอแปลง กระบวนการเตมนามนฉนวนไดแสดงในรปท 3.24 โดยระดบของนามนฉนวนจะตองอยในระดบทเหมาะสมเพอการเปนฉนวนทด จากนนกเปนการตอสายไฟของขดลวดแรงสงเขากบบชชงทางดานแรงสง บชชงตวทมขนาดเลกกวานนจะถกใชในกรณทจะทาการตอหมอแปลงแบบ Cascade สดทายกทาการปดถงดวยฝาปดทดานบนของตวถงหมอแปลง

 

 

49

รปท 3.24 กระบวนการเตมนามนหมอแปลง

3.10 การคานวณแรงดนตกครอมอมพแดนซ

พจารณาแรงดนตกครอมอมพแดนซ (%Z) จากสมการท (2.44-2.46)

โดยท PT มคา 0.91 กโลวตต

SN มคา 6 กโลโวลต-แอมแปร

Dm มคา 148.64 มลลเมตร

DM มคา 265 มลลเมตร

HVLV มคา 13.55 มลลเมตร

LVRB มคา 7.9 มลลเมตร

LVRB มคา 77.5 มลลเมตร

f มคา 50 เฮรตซ

phU มคา 220 โวลต

N มคา 68 รอบ

aK มคา Regowski factor

=1.

LV HV

app

RB RB HVLVALπ

+ +− : (Ka มคา 0.87)

Kg มคา 3; (Kg = 1)

 

 

50

phLVU มคา 220 โวลต

appAL มคา Apparent axial length of low voltage winding

= ( )HVLVRBRB

AL

HVLV

LV

++−1; (ALapp มคา 247.058)

LVAL มคา 210 มลลเมตร

ดงนน เมอแทนคาจะได %Z = 2.75 (ตอหมอแปลง 1 ตว หากมการตอแบบ Cascade)

3.11 การคานวณกระแสไฟฟาลดวงจร

จากสมการ (2.47) คานวณหาคากระแสลดวงจร ( SCI )

โดย HVI มคา 0.12 แอมแปร

Z% มคา 2.75 โอหม

จะไดวา SCI = 0.12×100/2.75 = 4.36 แอมแปร (ตอหมอแปลง 1 ตว หากมการตอแบบ Cascade)

3.12 การคานวณกาลงไฟฟาลดวงจร

จากสมการ (2.48) คานวณหาคากาลงไฟฟาลดวงจร ( SCS )

โดย HVS มคา 6000 โวลต-แอมแปร

Z% มคา 2.75 โอหม

จะไดวา SCS = 6000×100/2.75 = 218.18 กโลโวลต-แอมแปร (ตอหมอแปลง 1 ตว หากมการตอแบบ Cascade)

 

 

51

บทท 4

การทดสอบหมอแปลง หลงจากประกอบหมอแปลงแลวเสรจตามมาตรฐาน IEC 60060-1 [5] และ IEC 60060-2 [6]

หลงจากนนจะทาการการทดสอบหมอแปลง เพอหา (1) คากาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด (2) คาความคงทนอยไดตอแรงดน จากการทดสอบการลดวงจร และ (3) การหาอตราสวนแรงดน

4.1 การทดสอบเพอหาคากาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด

การทดสอบเพอหาคากาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด (No-load test) เปนการวดประสทธภาพของหมอแปลงโดยพจารณาจากกาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด

4.1.1 อปกรณทใชในการทดลอง

- หมอแปลงไฟฟา 50 กโลโวลต 6 กโลโวลต-แอมแปร

- โวลตมเตอร ตอดานปฐมภมของหมอแปลงแรงเคลอนไฟฟา

- แอมแปรมเตอร ตอดานขดลวดปฐมภม ของหมอแปลงไฟฟา

รปท 4.1 วงจรสมมลของการทดสอบกาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด 4.1.2 ขนตอนการทดลอง

1. ตอวงจรดงรปท 4.1 และ รปท 4.2

2. ปอนแรงดนไฟฟากระแสสลบความถ 50 เฮรตซ ใหกบขดลวดแรงตา โดยเพมจาก 20-220 โวลต

3. วดคากระแสไฟฟา I1 (แอมแปร) และกาลงไฟฟา W1 (วตต)

 

 

52

รปท 4.2 การทดสอบกาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด

4.1.3 ผลการทดลองและวเคราะหผล

กาลงไฟฟาสญเสยในแกนเหลกประกอบดวยการสญเสยฮสเตอรซส (Hysteresis loss) และ สญเสยจากกระแสไฟฟาไหลวน (Eddy current loss) ผลการทดสอบไดแสดงไวในตารางท 4.1

ตารางท 4.1 ผลการทดสอบคากาลงไฟฟาสญเสยในสภาวะไรโหลด

V1 (โวลต) I1 (แอมแปร) W1 (วตต) Z (โอหม) 20 0.149 2.98 134.23 40 0.298 11.92 134.23

60 0.447 26.82 134.23

80 0.596 47.68 134.23

100 0.745 74.50 134.23

120 0.895 107.4 134.23

140 1.044 146.16 134.23

160 1.192 190.72 134.23

180 1.342 241.56 134.23

200 1.49 298.00 134.23

220 1.64 360.80 134.23

จากตาราง 4.1 แสดงใหเหนวา กาลงไฟฟาสญเสยจะเพมขนเปนเสนตรงเมอทาการเพมแรงดนทดสอบเนองจากการสญเสยฮสเตอรซสขนอยกบคาเฉลยของแรงดนทดสอบ ในขณะสญเสยจาก

 

 

53

กระแสไฟฟาไหลวนขนอยกบคา rms –ของแรงดนทปอนซงเพมขนอยางเปนเชงเสนในระหวางทาการทดสอบ

4.2 การหาคาความคงทนอยไดตอแรงดนจากการทดสอบลดวงจร

การหาคาความคงทนอยไดตอแรงดน (Withstand voltage) จากการทดสอบลดวงจร (Short circuit test) เปนการทดสอบเพอใหมนใจวาฉนวนหลกทใชคนระหวางขดลวดและระหวางสวนทมไฟกบดนนนสามารถเปนฉนวนทดและมความคงทนตอแรงดนทดสอบ 4.2.1 อปกรณทใชในการทดลอง

- หมอแปลงไฟฟา 50 กโลโวลต 6 กโลโวลต-แอมแปร

- โวลตมเตอร ตอดานปฐมภมของหมอแปลงแรงเคลอนไฟฟา

- แอมแปรมเตอร ตอดานขดลวดทตยภมของหมอแปลงไฟฟา

- อปกรณเชอมตอวงจรสาหรบไฟฟาแรงสง

4.2.2 ขนตอนการทดลอง

1. ตอวงจรการทดสอบคาความคงทนอยไดตอแรงดน ไดแสดงในรปท 4.3 และ รปท 4.4

2. ขวของหมอแปลงทางดานแรงดนสงจะถกตอเขาดวยกน ทาใหเกดการลดวงจร ในระหวางทาการทดสอบ

3. ตอแหลงจายแรงดนไฟฟากระแสสลบความถ 50 เฮรตซ ปอนเขาทขดลวดแรงตาและคอยๆเพมแรงดนจนกระทงมกระแสไหลทางดานแรงสงทตอลดวงจรเขาหากนเทากบ 0.12 แอมแปร เปนเวลานาน 1 นาท

4. สงเกตดการทางานของหมอแปลง

รปท 4.3 วงจรสมมลของการทดสอบคาความคงทนอยไดตอแรงดน

 

 

54

รปท 4.4 การทดสอบคาความคงทนอยไดตอแรงดน

4.2.3 ผลการทดลองและวเคราะหผล

เมอปอนแรงดนไฟฟากระแสสลบความถ 50 เฮรตซ เขาทขดลวดแรงตาและเพมแรงดนจนกระทงมกระแสดานแรงสงเทากบ 0.12 แอมแปร เปนเวลานาน 1 นาท พบวาจะมกระแสไหลตามทกาหนด 0.12 แอมแปร เมอเพมแรงดนทางดานแรงตาขนไปจนถงคา 8.46 โวลตและหมอแปลงทดสอบสามารถทางานไดอยางปกต

สรปไดวาฉนวนหลกทใชคนระหวางขดลวดและระหวางสวนทมไฟกบดนนนสามารถเปนฉนวนทดและมความคงทนตอแรงดนทดสอบท 8.46 โวลต 50 เฮรตซ กระแสดานแรงสง 0.12 แอมแปร เปนเวลานาน 1 นาทได

4.3 การทดสอบเพอหาอตราสวนของแรงดน

การทดสอบหาอตราสวนแรงดน (Voltage ratio test) มวตถประสงคเพอใหแนใจวาแรงดนกระแสสลบทางดานจายออกนนมรปคลนทถกตองและมอตราสวนแรงดนตรงกบทออกแบบไว การทดสอบหาอตราสวนแรงดนไดแสดงวงจรสมมลในรปท 4.5 และการทดสอบจรงในรปท 4.6

4.3.1 อปกรณทใชในการทดลอง

- หมอแปลงไฟฟา 50 กโลโวลต 6 กโลโวลต-แอมแปร

- โวลตมเตอร V1 ตอดานปฐมภมของหมอแปลงแรงเคลอนไฟฟา

- ออสซโลสโคปตอขนานกบตวเกบประจ C2 ดานทตยภมของหมอแปลงแรงเคลอนไฟฟา เพอวดรปคลนแรงดน

- วงจรแบงแรงดนซงประกอบดวยตวเกบประจ C1 และ C2 เปน ทาหนาแบงแรงดนดานแรงสง

- ตวตานทาน Z เพอรบการดชชารจประจจากตวเกบประจ C1 และ C2

 

 

55

รปท 4.5 วงจรสมมลของการทดสอบหาอตราสวนแรงดน

รปท 4.6 การทดสอบหาอตราสวนแรงดน

4.3.2 ขนตอนการทดลอง

1. ตอวงจรเพอทดสอบหาอตราสวนของแรงดน ดงรป 4.5 และ 4.6

2. ปอนแรงดนกระแสสลบเขาทางดานปฐมภม เพอใหไดคาแรงดนดานทตยภมเปน 10 กโลโวลต

3. วดแรงดนสงทหมอแปลงสรางขนโดยใชออสซโลสโคปทตอขนานกบตวเกบประจ C2

4. บนทกรปคลนแรงดนทหมอแปลงทดสอบผลตขนวามลกษณะเปนรปคลนไซนและเหมอนกบแรงดนทางดานปอนเขาหรอไม

5. ทาการทดลองซาขอท 2-4 โดยใหคาแรงดนดานทตยภมเปน 20 กโลโวลต 50 กโลโวลต และ 70 กโลโวลต

 

 

56

4.3.3 ผลการทดลองและวเคราะหผล

4.3.3.1 วเคราะหผลรปคลนไซน

แรงดนสงทจายออกมาจากหมอแปลงทดสอบและถกทาการวดโดยใชออสซโลสโคป แสดงไดดงรปท 4.7 รปคลนแรงดนทถกบนทกลกษณะเปนรปคลนไซนและเหมอนกบแรงดนทางดานปอนเขา โดยมความถ 50 เฮรตซ

รปท 4.7 แรงดนสงกระแสสลบดานจายออกทระดบแรงดน 10 กโลโวลต

4.3.3.1 วเคราะหผลอตราสวนแรงดนของหมอแปลง

เมอวดคาทระดบแรงดนตางๆกน คอ 20 กโลโวลต 50 กโลโวลต และ 70 กโลโวลต ไดผลดงรปท 4.8 - 4.10 รปคลนแรงดนทถกบนทกลกษณะเปนรปคลนไซนและเหมอนกบแรงดนทางดานปอนเขา โดยมความถ 50 เฮรตซ

 

 

57

รปท 4.8 แรงดนสงกระแสสลบดานจายออกทระดบแรงดน 20 กโลโวลต

รปท 4.9 แรงดนสงกระแสสลบดานจายออกทระดบแรงดน 50 กโลโวลต

 

 

58

รปท 4.10 แรงดนสงกระแสสลบดานจายออกทระดบแรงดน 70 กโลโวลต

หลงจากนนนามาเปรยบเทยบกบคาแรงดนทคานวณจากอตราสวนแรงดนของหมอแปลง จาก

ผลลพธทไดในตารางท 4.2 แรงดนทวดไดมคาเกอบจะเทากบคาแรงดนทคานวณมาจากอตราสวนแรงดนของหมอแปลงทออกแบบไว โดยมเปอรเซนตความผดพลาดตามากจนไมมผลตอการทดสอบ ซงแสดงใหเหนวาอตราสวนแรงดนของหมอแปลงทดสอบนนถกตองตามทไดออกแบบไวตงแตแรก

ตารางท 4.2 ผลการทดสอบอตราสวนแรงดน

แรงดน V2 จากการคานวณ (กโลโวลต) 10 20 50 70

แรงดน V2 จากการวด (กโลโวลต) 10.51 21.26 49.48 70.98

คาความผดพลาด (เปอรเซนต) 5.1 6.3 1.51 1.4

 

 

59

บทท 5

สรปผล

หมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงสง ขนาด 50 กโลโวลต 6 กโลโวลต-แอมแปร เพอทางานกบระบบไฟฟากระแสสลบ 1 เฟส 220 โวลต 50 เฮรตซ หมอแปลงทดสอบไฟฟาแรงดนสงนไดถกออกแบบ สราง และทดสอบตามมาตรฐาน IEC 60060-1 และ IEC 60060-2 เพอใหไดตามพกดของหมอแปลงทดสอบทกาหนดไว โครงสรางททาการออกแบบไดแก แกนเหลก ขดลวดแรงสงและขดลวดแรงตา ตวถงหมอแปลง บชชง และอปกรณอน ๆ

โดยแกนเหลกถกออกแบบเพอลดความสญเสยในแกนเหลกโดยจะประกอบขนจากแผนเหลกบางฉาบดวยสารทเปนฉนวนไฟฟานามาอดซอนกนเรยกวาแกนเหลกลามเนทและขนรปเปนทรงกลมเพอลดขนาดของแกนเหลกและความยาวของขดลวด ขดลวดทใชเปนเสนลวดทองแดงทงดานปฐมภมและทตยภม สามารถรบแรงดนดานปฐมภมและแรงดนดานทตยภมไดมากกวา 220 โวลต และ 50 กโลโวลตตามลาดบ ทนกระแสดานปฐมภมและกระแสดานทตยภมไดมากกวา 27.27 แอมแปร และ 0.12 แอมแปร ตามลาดบ บชชงทาจากกระเบองเคลอบและมขนาดยาวเพอชวยในการฉนวนมากขนและเกดประสทธภาพดขน ตวถงเปนชนดถงโลหะเหลกบรรจฉนวนนามนหมอแปลงทสามารถทนแรงสงไดเกนกวา 50 กโลโวลต เพอเปนฉนวนและเปนตวระบายความรอนในหมอแปลง

หมอแปลงทประกอบเสรจแลวถกนาไปทดสอบดงนคอ การทดสอบการวดคาสญเสยกาลงไฟฟาและกระแสเมอไมมโหลด การทดสอบการลดวงจร และการทดสอบเพอวดสญญาณรปไซนและวดอตราสวนแรงดน ผลการออกแบบและสรางหมอแปลงดงกลาวสามารถใชงานไดตามคณสมบตการผลตไฟฟาแรงสงเพอใชในหองปฏบตการทดสอบไฟฟาแรงสงตอไป

 

 

60

เอกสารอางอง [1] Herman, Stephen L. 1999. Electrical Transformers and Rotating Machines. Delmar Publisher, An International Thomson Publishing Company. [2] Bharat Heavy Electrical Limited. 2004. Transformers. TaTa McGraw-Hill Publishing Company Limited. [3] Kasikci, Ismail. 2004. Analysis and Design of Low-Voltage Power System. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. [4] สารวย สงขสะอาด, “วศวกรรมไฟฟาแรงสง”, ภาควชาวศวกรรมไฟฟา, จฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2549. [5] IEC 60060-1 Standard. High-Voltage Test Techniques Part 1: General Definitions and Test Requirements. [6] IEC 60060-2 Standard. High-Voltage Test Techniques Part 2: Measuring Systems. [7] Mulukutla, S. Sarma. and Mukesh, K. Pathak. 2010. Electric Machines. Cengate Learning, Singapore.