การทดลองที่ 4
True RMS Measurement and Calculation
อุปกรณ์ประกอบการทดลอง
1.) DC Power supply HY3003F – 3 ยี่ห้อ Glentest 1 เครื่อง
2.) 2 Chanel Digital storage oscilloscope ยี่ห้อ metrix รุ่น OX 6062 1 เครื่อง
3.) Portable Single Phase Wattmeter Type 2041 ยี่ห้อ YEW 1 ตัว
4.) True RMS Multimeter ยี่ห้อ Fluke รุ่น 115 1 เครื่อง
5.) True RMS Multimeter ยี่ห้อ Fluke รุ่น 26 III 1 เครื่อง
6.) Power Meter ยี่ห้อ Metrix รุ่น PX120 1 ตัว
7.) AC + DC + T° Clamp Meter ยี่ห้อ Chauvin Arnoux (CA) รุ่น FOT 1 ตัว
8.) I to V Transducer (Hall Effect) 2 กล่อง
9.) Rectifier 600V 4A 1 กล่อง
10.) Resistive Load (R) 1 กล่อง
11.) Panell Meter Box ยี่ห้อ NPE รุ่น SA-9621 4U-D1-W2 1 เครื่อง
12.) DC Amp meter ชนิด Analog 1 ตัว
13.) Junction box 1 กล่อง
วัตถุประสงค์
· เพื่อให้นักศึกษาเห็นความแตกต่างการเลือกใช้เครื่องวัดกับสัญญาณ Non-Sine
· เพื่อให้นักศึกษาสามารถวัดแรงดัน กระแส และกำลังไฟฟ้าได้อย่างถูกต้อง
· เพื่อให้นักศึกษาสามารถคำนวณแรงดัน กระแส และกำลังไฟฟ้าได้อย่างถูกต้อง
· เพื่อให้นักศึกษาสรุปความสัมพันธ์ว่า P = VxI ที่ถูกต้องเป็นเช่นไร
ทฤษฎี
สัญญาณ Non-Sine คือสัญญาณที่มีรูปคลื่นสัญญาณไม่ใช่ Sine ในที่นี้เราจะนำสัญญาณที่ใช้ในการทดลองมา 3 แบบคือ
1. ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current) จะมีกระแสไฟฟ้าไหลมีทิศทางเดียว เพราะแรงดันไม่กลับขั้ว ไม่จำเป็นต้องเป็นค่าคงที่เสมอไป
2. วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Half wave) ต่อเป็นวงจรดังรูป 1 (ก) พิจารณารูป 1 (ข) ถ้าอินพุตเป็น แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับครึ่งบวก กระแสไหลจากขั้ว + ผ่านไดโอดแบบไบอัสตรงไปถึงขั้วลบ ดังนั้นสามารถวัดแรงดันเอาท์พุตที่ RL ได้ พิจารณารูป 1 (ค) ถ้าอินพุตเป็น แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับครึ่งลบ กระแสไหลจากขั้ว + ผ่านไดโอดแบบไบอัสกลับ ทำให้ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลไปถึงขั้วลบ ดังนั้นจึงไม่สามารถวัดแรงดันเอาท์พุตที่ RLวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นมีแรงดันเอาท์พุตเป็นไฟฟ้ากระแสตรง 0.47 เท่าของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ
สัญญาณ Non-Sine คือสัญญาณที่มีรูปคลื่นสัญญาณไม่ใช่ Sine ในที่นี้เราจะนำสัญญาณที่ใช้ในการทดลองมา 3 แบบคือ
1. ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current) จะมีกระแสไฟฟ้าไหลมีทิศทางเดียว เพราะแรงดันไม่กลับขั้ว ไม่จำเป็นต้องเป็นค่าคงที่เสมอไป
2. วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Half wave) ต่อเป็นวงจรดังรูป 1 (ก) พิจารณารูป 1 (ข) ถ้าอินพุตเป็น แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับครึ่งบวก กระแสไหลจากขั้ว + ผ่านไดโอดแบบไบอัสตรงไปถึงขั้วลบ ดังนั้นสามารถวัดแรงดันเอาท์พุตที่ RL ได้ พิจารณารูป 1 (ค) ถ้าอินพุตเป็น แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับครึ่งลบ กระแสไหลจากขั้ว + ผ่านไดโอดแบบไบอัสกลับ ทำให้ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลไปถึงขั้วลบ ดังนั้นจึงไม่สามารถวัดแรงดันเอาท์พุตที่ RLวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นมีแรงดันเอาท์พุตเป็นไฟฟ้ากระแสตรง 0.47 เท่าของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ
3. วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full Wave) ต่อเป็นวงจรดังรูป 2 (ก) พิจารณารูป 2 (ข) ถ้าอินพุตเป็น แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับครึ่งบวก กระแสไหลจากขั้ว + ผ่านไดโอด D1 แบบไบอัสตรงไปถึงกราวนด์ ขณะที่กระแสไม่สามารถผ่านไดโอด D2 ได้ เนื่องจากเป็นไบอัสกลับ ดังนั้นจึงสามารถวัดแรงดันเอาท์พุตที่ RL ได้ ด้านขวาของ RL เป็นแรงดันไฟฟ้าบวกเมื่อเทียบกับทางด้านซ้าย พิจารณารูป 2 (ค) ถ้าอินพุตเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับครึ่งลบ กระแสไหลจากขั้ว + ผ่านไดโอด D 2 แบบไบอัสตรงไปถึงกราวนด์ ขณะที่กระแสไม่สามารถผ่านไดโอด D1 ได้ เนื่องจากเป็นไบอัสกลับ ดังนั้นจึงสามารถวัดแรงดันเอาท์พุตที่ RL ได้ ด้านขวาของ RL เป็นแรงดันไฟฟ้าบวกเมื่อเทียบกับทางด้านซ้ายเช่นเดียวกัน จะเห็นได้ว่า ไม่ว่าขั้วของไฟฟ้ากระแสสลับจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรก็ตาม ทางด้านขวาของตัวต้านทาน RL เป็นบวกเสมอเมื่อเทียบกับทางด้านซ้าย ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าที่วัดได้จาก RL จึงเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นมีแรงดันเอาท์พุตเป็นไฟฟ้ากระแสตรง 0.35 เท่าของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ
ปริมาณพื้นฐานที่เราต้องการวัด
1.แรงดัน
(Voltage) แรงดันเป็นการวัดความต่างศักย์ระหว่างจุด
2 จุดที่อาจมีศักย์เท่าหรือไม่เท่ากันก็ได้
ภายในเครื่องวัดจะมีขดลวดแรงดัน (Potential coil) ที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงมากต่ออยู่ภายใน
เครื่องวัดแรงดันนี้เรียกว่า โวลต์มิเตอร์ การ
ต่อโวลต์มิเตอร์นั้น จะต้องต่อขนานกับอุปกรณ์หรือสิ่งที่ต้องการวัด โวลต์มิเตอร์ที่ดีควรมีอิมพิแดนซ์สูงมาก
ในการใช้งานถ้าไม่ทราบช่วงของค่าแรงดันควรตั้งพิกัดให้สูงไว้ก่อน
2.กระแส (Current)
กระแสคือการไหลของอิเล็กตรอน
ดังนั้นถ้าต้องการวัดปริมาณกระแสจะต้องเป็นเครื่องวัดไปต่ออนุกรมกับวงจร เครื่องวัดจะมีขดลวดกระแสที่มีค่าความต้านทานต่ำๆต่ออยู่ข้างใน เครื่องวัดกระแสเรียกว่า แอมมิเตอร์
ในการใช้งานควรตั้งพิกัดของกระแสให้สูงไว้ก่อน
3.กำลังงานไฟฟ้า
หมายถึงอัตราการเปลี่ยนแปลงพลังงาน หรืออัตราการทำงาน
ได้จากผลคูณของแรงดันไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้า ใช้แทนด้วยตัว P มีหน่วยวัดเป็นวัตต์
(W)
4.วัตต์มิเตอร์ (Watt
meter) เป็นเครื่องมือวัดที่ใช้สำหรับวัดกาลังไฟฟ้า (power) กาลังไฟฟ้าสามารถได้ในรูปแบบของแรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้า
นำค่าที่ได้ทั้งสองมาคำนวณหากำลังไฟฟ้าโดยวิธีคำนวณได้ดังนี้
P = VI
โดยที่ P คือกาลังไฟฟ้า
มีหน่วยเป็นวัตต์
V คือแรงดันไฟฟ้า
มีหน่วยเป็นโวลต์
I คือกระแสไฟฟ้า
มีหน่วยเป็นแอมป์
การวัดและการอ่านค่ากำลังไฟฟ้า
การต่อใช้งานของวัตต์มิเตอร์ ต้องระมัดระวังในการต่อ โดยต้องไม่ให้กระแสผ่านเข้าขดลวดคงที่หรือขดลวดกระแสมากเกินกว่าพิกัดของวัตต์มิเตอร์ที่บอกไว้ และต้องไม่ให้แรงดันที่ป้อนเข้าขดลวดเคลื่อนที่หรือขดลวดแรงดันเกินกว่าพิกัดของวัตต์มิเตอร์ที่บอกไว้ ดังนั้นการต่อวัตต์มิเตอร์เข้าวงจร จึงควรตรวจสอบทั้งแรงดันและกระแสของวงจรก่อนเสมอ เพื่อป้องกันการชารุดเสียหายของวัตต์มิเตอร์ วัตต์มิเตอร์ที่ถูกสร้างขึ้นมาใช้งานจริงแลละสัญลักษณ์ แสดงดังรูป
จากรูป
แสดงรูปร่างของวัตต์มิเตอร์ที่สร้างขึ้นมาใช้งานจริง เป็นวัตต์มิเตอร์ของ YOKOGAWA รุ่น 2041 เป็นวัตต์มิเตอร์ชนิดเฟสเดียว (
Singlephase Wattmeter ) ถูกสร้างขึ้นมาให้สามารถวัดแรงดันและวัดกระแสได้
2 ย่าน คือ วัดกระแสได้ 0.2A และ 1 A วัดแรงดันได้ 120 V และ 240 V อีกแบบหนึ่งวัดกระแสได้
1 A และ 5 A วัดแรงดันได้ 120 V และ 240 V
การอ่านค่ากาลังไฟฟ้าจากวัตต์มิเตอร์ที่ถูกต้อง
โดยต้องอ่านค่าจากหน้าปัดสเกลในตำแหน่งที่เข็มมิเตอร์ชี้ค่า
นามาคูณรวมกับค่าตัวคูณในตารางที่แนบติดมากับตัววัตต์มิเตอร์ ซึ่งขึ้นอยู่กับค่าแรงดันและค่ากระแสของขั้วที่ต่อวัดจากวัตต์มิเตอร์
ค่าที่คำนวณได้จึงจะเป็นค่ากาลังไฟฟ้าที่วัดได้จริงจากอุปกรณ์หรือวงจรที่ทา
การวัดตารางแสดงค่าที่ตั้งวัดและค่าตัวคูณของวัตต์มิเตอร์ YOKOGAWA รุ่น 2041 แสดงไว้ในตารางที่ 1 และ 2
พลังงานไฟฟ้า (จูล) = กำลังไฟฟ้า (วัตต์) x เวลา (วินาที)
เมื่อกำหนดให้ P แทน กำลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็น
วัตต์
W แทน พลังงานไฟฟ้า มีหน่วยเป็นจูล
W แทน พลังงานไฟฟ้า มีหน่วยเป็นจูล
t แทน เวลา มีหน่วยเป็น
วินาที
หรือ W =
P x t
ดังนั้นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้กำลังไฟฟ้าสูงๆ
ถ้าใช้เป็นเวลานานจะสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้ามาก ซึ่ง
ในการคิดค่าพลังงานไฟฟ้าจะคิดเป็นหน่วยที่ใหญ่กว่า จูล คือกิโลวัตต์ และคิดเวลาเวลาเป็นชั่วโมง
ดังนั้น หน่วยของพลังงานไฟฟ้าจึงเป็น กิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือ หน่วย หรือยูนิท ซึ่งเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
พลังงานไฟฟ้า(หน่วย) = กำลังไฟฟ้า (กิโลวัตต์) x เวลา (ชั่วโมง)
พลังงาน ไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านอ่านได้จากเครื่องมือวัดพลังงานไฟฟ้าที่เรียกว่า
มาตรไฟฟ้า ซึ่งวัดพลังงานไฟฟ้าเป็นกิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือหน่วย
มาตรไฟฟ้ามีหลายขนาดกำหนดตามปริมาณกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ผ่านมาตรไฟฟ้า
ตัวอย่าง ต่อวัตต์มิเตอร์ใช้งานที่ขั้วแรงดัน 120 V และที่ขั้วกระแส 0.2A เมื่อวัดค่าเข็มชี้ชี้ค่าที่เลข
42 ค่ากำลังไฟฟ้าจริงมีค่าเท่าไร
วิธีทำ ค่าตัวคูณของแรงดัน 120 V, กระแส 0.2A คือค่า 0.2 ( ดูตารางที่
1 )
กำลังไฟฟ้าที่วัดได้ = ตัวเลขที่อ่านได้
(W ) x ค่าตัวคูณ
P = 42 W x 0.2
ดังนั้น P = 8.4 W
การต่อวัตต์มิเตอร์ในระบบไฟฟ้า 1 เฟส
การต่อวัตต์มิเตอร์แบบอิเล็กโทรไดนาโมมิเตอร์มีหลักการคือ ต้องพิจารณาทิศทางของกระแสไฟฟ้าชั่วขณะในขดลวดแต่ละตัว เพราะขดลวดนี้ทำหน้าที่กำหนดทิศทางของฟลักซ์แม่เหล็กซึ้งกำหนดทิศทางของแรงบิดที่ทำให้เข็มเบี่ยงเบน
จากรูป จะแสดงสัญลักษณ์ของวัตต์มิเตอร์ โดยจะเขียนขดลวดกระแสเพียงขดเดียวแทนสองขดเพื่อความสะดวกในการดู
ถ้าต่อวัตต์มิเตอร์เข้ากับวงจรดังรูป โดยกระแสไฟฟ้าที่โหลด ไหลผ่านขดลวดกระแส และแรงดันไฟฟ้าที่โหลดตกคร่อมขดลวดแรงดัน วัตต์มิเตอร์จะอ่านค่ากำลังไฟฟ้าที่โหลดได้ การต่อวัตต์มิเตอร์แบบนี้ต้องให้กระแสไฟฟ้าที่โหลดเข้าที่ขั้วบวกของขดลวดกระแสส่วนขั้วบวกของขดลวดแรงดันต่อกับตำแหน่งที่แสดงไว้ดังรูป ส่งผลให้เข็มของวัตต์มิเตอร์เคลื่อนตัวไปทางขวา
การต่อวัตต์มิเตอร์ในระบบไฟฟ้า 3 เฟส
การต่อวัตต์มิเตอร์เพื่อวัดค่ากำลังไฟฟ้า
3 เฟส ทำได้ 2 วิธี คือ ใช้วัตต์มิเตอร์ 3 เครื่อง และใช้วัตต์มิเตอร์ 2 เครื่อง
1.) การใช้วัตต์มิเตอร์ 3 เครื่อง (Three
Wattmeter Method)
การใช้วัตต์มิเตอร์ 3 เครื่องเพื่อวัดกำลังไฟฟ้าของวงจรไฟฟ้าที่มีโหลดต่อแบบ
Y ชนิด 3 เฟส 4 สาย
จากรูป a) จะเห็นว่าขดกระแสของวัตต์มิเตอร์ทั้งสามตัวต่ออนุกรมกับสาย
A , B และ C เพื่อวัดกระแสที่สาย
( IL) ซึ่งเป็นการวัดกระแสในแต่ละเฟส
ส่วนขดลวดแรงดันของวัตต์มิเตอร์ทั้งสามต่อขั้วบวกเข้าที่สาย A , B และ C ขั้วลบต่อกับสาย N ลักษณะเช่นนี้ขดลวดแรงดันของเครื่องวัดทั้งสามเครื่องจะต่อแบบ Y เพื่ออ่านค่าแรงดันไฟฟ้าในแต่ละเฟส
สมมติว่ากระแสไฟฟ้า A (IL) ล้าหลังแรงดันไฟฟ้าเฟส VAN เป็นมุม qA
และกระแสไฟฟ้าเฟส B และ C (IB
และ IC) นำหน้าแรงดันไฟฟ้า VBN
และ VCN เป็นมุม qB
และ qC ตามลำดับ จะเขียนเฟสเซอร์ไดอะแกรมได้ดังรูป
b) เมื่อนำสมการ P = VI cos q มาร่วมพิจารณาจะได้
จากสมการนี้ ทำให้ทราบว่าวัตต์มิเตอร์ WA , WB และ WC จะอ่านค่ากำลังไฟฟ้าเฟส A , B และ C ตามลำดับ ดังนั้น สมการค่ากำลังไฟฟ้าทั้ง 3 เฟส ( PT) จึงเป็นดังนี้
2) การใช้วัตต์มิเตอร์ 2 เครื่อง ( Two Wattmeter Method )
การทดลอง
ทำการทดลองโดยจ่ายแรงดันเป็นสัญญาณรูปแบบต่างๆกัน
ได้แก่ DC, Half wave, Full wave แล้วทำการบันทึกค่าต่างๆ
ทางไฟฟ้าด้วยเครื่องวัดแบบต่างๆ ได้ผลดังตารางต่อไปนี้
สรุปผลการทดลอง
1. เปรียบเทียบกำลังไฟฟ้าที่ได้จากการคำนวณตามสมการ
พบว่าความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นจะมีค่าสูงสำหรับสัญญาณที่ไม่ใช่ DC เพราะว่าจริงๆแล้วกำลังไฟฟ้าคำนวณจากสมการ
และค่า RMS จะมีค่าเท่ากับค่า Mean เฉพาะในสัญญาณ DC จึงทำให้คำนวณกำลังไฟฟ้าได้ถูกต้องเฉพาะในสัญญาณ DC เท่านั้น สำหรับสัญญาณอื่นๆ จึงต้องนำค่า Mean มาคูณด้วย Form Factor ของสัญญาณนั้นๆ เพื่อเปลี่ยนเป็นค่า RMS ก่อนจะทำการคำนวณหากำลังไฟฟ้า โดยค่ากำลังไฟฟ้าที่วัดโดยเครื่องวัดในย่าน DC (วัดค่า Mean) สามารถหากำลังไฟฟ้าจากสมการ
เช่นในสัญญาณ Half wave จะได้กำลังไฟฟ้า
และในสัญญาณ Full Wave จะได้กำลังไฟฟ้า
ซึ่งมีความคลาดเคลื่อนจากการวัดด้วยมิเตอร์ 1.58% และ 0.65% ตามลำดับ
2. มิเตอร์ดิจิตอลที่ใช้วัดกระแสไฟฟ้าแบบ Clamp-On แบบ AC จะสามารถวัดได้เฉพาะสัญญาณที่ไม่เป็น DC เท่านั้น เนื่องจากใช้หลักการวัดเหมือน C.T ที่อาศัยหลักการเหนี่ยวนำจึงใช้ได้เฉพาะสัญญาณที่มี AC Component เท่านั้น ไม่เหมือนกับมิเตอร์ Clamp-On แบบ AC+DC Clamp-On Meters ที่ใช้หลักการ Hall Effect จึงสามารถที่จะวัดสัญญาณ DC ได้ด้วย
3. กำลังไฟฟ้าที่วัดได้จากมิเตอร์แบบเข็มชี้และแบบ True RMS มีค่าใกล้เคียงกัน โดยมี % Error สำหรับสัญญาณ DC, Half wave, Full Wave เท่ากับ 2.17%, 0.28%, 2.28% ตามลำดับ โดยความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นเล็กน้อยนี้เกิดจากการอ่านค่าที่วัดได้จากมิเตอร์แบบเข็มชี้ ซึ่งมีความละเอียดของสเกลไม่สูงเท่ากับมิเตอร์แบบดิจิตอล
3. กำลังไฟฟ้าที่วัดได้จากมิเตอร์แบบเข็มชี้และแบบ True RMS มีค่าใกล้เคียงกัน โดยมี % Error สำหรับสัญญาณ DC, Half wave, Full Wave เท่ากับ 2.17%, 0.28%, 2.28% ตามลำดับ โดยความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นเล็กน้อยนี้เกิดจากการอ่านค่าที่วัดได้จากมิเตอร์แบบเข็มชี้ ซึ่งมีความละเอียดของสเกลไม่สูงเท่ากับมิเตอร์แบบดิจิตอล
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น