หม้อแปลงไฟฟ้าคืออะไร (Transformer)

หม้อแปลงไฟฟ้า เป็น เครื่องกลไฟฟ้า ชนิดหนึ่ง เครื่องกลไฟฟ้า หมายถึง อุปกรณ์ไฟฟ้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล หรือเปลี่ยนจากพลังงานกลมาเป็นพลังงานไฟฟ้า การทำงานของอุปกรณ์ดังกล่าวมีทั้งแบบเคลื่อนที่ และแบบอยู่กับที่

อุปกรณ์ไฟฟ้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เช่น

1. หม้อแปลงไฟฟ้า
2. มอเตอร์ไฟฟ้า

ส่วนเครื่องกลที่เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า เช่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (สามารถผลิตแรงเคลื่อนไฟฟ้า และจ่ายกระแสไฟฟ้าออกมา)

หม้อแปลงไฟฟ้า(Transformer) คือ เครื่องกลไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่ใช้เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า(Voltage) ให้เพิ่มขึ้นเรียกว่า Step up Transformer และให้ลดลงเรียกว่า Step down Transformer แต่ไม่เปลี่ยนกำลังไฟฟ้า(Power/Watt) และความถี่(Frequency/Hz)

โครงสร้างและส่วนประกอบของหม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้ามีโครงสร้างและส่วนประกอบที่สำคัญอยู่ 3 ส่วน คือ แกนเหล็ก ขดลวดตัวนำ และฉนวน (และอาจมีส่วนประกอบย่อยซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดของหม้อแปลง เช่น หม้อแปลงขนาดใหญ่ อาจมีถังบรรจุหม้อแปลง น้ำมันหม้อแปลง และขั้วของหม้อแปลง เป็นต้น)

1. แกนเหล็ก แกนเหล็กของหม้อแปลงจะมีลักษณะเป็นแผ่นบางๆ เคลือบด้วยฉนวน เรียกกันว่า แผ่นลามิเนต
2. ขดลวดตัวนำ ขดลวดตัวนำของหม้อแปลงจะมีลักษณะเป็นขดลวดทองแดงหรืออลูมิเนียมหุ้มด้วยฉนวน โดยทั่วไป หม้อแปลงจะมีขดลวด 2 ชุด คือ ขดลวดปฐมภูมิ(Primary Winding) และขดลวดทุติยภูมิ(Secondary Winding)
3. ฉนวน ฉนวนของหม้อแปลงจะมีไว้เพื่อป้องกัน ไม่ให้ขดลวดสัมผัสกับส่วนที่เป็นแกนเหล็ก และป้องกันไม่ให้ขดลวดแต่ละชั้นสัมผัสกัน

หลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า

การทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าใช้การส่งถ่ายพลังงานไฟฟ้าจากวงจรหนึ่ง(ขดลวดปฐมภูมิ-Primary Winding) ซึ่งกระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามาจะสร้างเส้นแรงแม่เหล็ก(Flux) และแรงแม่เหล็ก(Magnetromotive Force) ขึ้นในแกนเหล็ก(Iron Core) กระแสไฟฟ้าที่ไหลในขดลวดเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ ขั้วแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจึงสลับขั้วกลับไปกลับมาด้วยความเร็วเท่ากับความถี่ไฟฟ้า(Frequency) เส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ตัดกับขดลวดที่พันอยู่บนแกนเหล็ก ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้า(Induce EMF) ไปยังอีกวงจรหนึ่ง(ขดลวดทุติยภูมิ Secondary Winding) ส่งถ่ายเป็นแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าออกมา โดยมีความถี่ไฟฟ้าเท่ากับความถี่ไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามา (ที่ใช้กันอยู่ปรกติได้แก่ 50-60 เฮิรตซ์) การทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าจะไม่มีส่วนใดเคลื่อนที่เหมือนมอเตอร์ จึงมีการสูญเสียกำลังงานในขณะทำงานน้อยกว่ามอเตอร์

หม้อแปลงไฟฟ้าสามารถจำแนกชนิด หรือประเภทตามลักษณะต่างๆ เช่น

1. แกนเหล็กแบบคอร์ (Core Type) แกนเหล็กจะเป็นแผ่นเหล็กบางๆมีลักษณะเป็นรูป L-L หรือ U-I ประกอบเข้าด้วยกัน จะมีวงจรแม่เหล็กวงจรเดียว-วงจรเดี่ยว หรือวงจรแม่เหล็กแบบอนุกรม (ขดลวดด้านปฐมภูมิ และด้านทุติยภูมิ จะถูกพันอยู่บนแกนเหล็กทั้งสองด้านแยกกันอยู่คนละข้าง)
2. แกนเหล็กแบบเชลล์ (Shell Type) แกนเหล็กจะเป็นแผ่นเหล็กบางๆมีลักษณะเป็นรูป E-I เมื่อประกอบเข้าด้วยกัน จะมีวงจรแม่เหล็ก 2 วง หรือวงจรแม่เหล็กแบบขนาน (ขดลวดด้านปฐมภูมิ และด้านทุติยภูมิ จะถูกพันอยู่บนแกนกลางของแกนเหล็กทั้งสอง ซึ่งจะพันทับกันอยู่) แกนเหล็กแบบเชลล์นี้ อาจแบ่งออกเป็น แบบแกนเดี่ยว(แผ่นเหล็กมีลักษณะเป็นรูป E-I ประกอบเข้าด้วยกัน) หรือชนิดแกนเหล็กแบบกระจาย (แผ่นเหล็กเมื่อประกอบขึ้นแล้ว จะมีวงจรแม่เหล็กมีหลายวงจร กระจายรอบขดลวดซึ่งพันอยู่ตรงกลาง)
3. แกนเหล็กแบบทอร์รอยด์ (Toroid Type) แกนเหล็กจะเป็นแผ่นเหล็กบางๆมีลักษณะเป็นวงแหวน เมื่อประกอบเข้าด้วยกันจะมีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอก (ขดลวดด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิ จะถูกพันรอบแกนเหล็ก และเรียงเส้นกันอย่างเป็นระเบียบ) แกนเหล็กหม้อแปลงชนิดนี้จะมีค่าการสูญเสียต่ำ และมีประสิทธิภาพสูง

1. หม้อแปลงไฟฟ้าเฟสเดียว (Single Phase Transformer) หมายถึง หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้กับระบบไฟฟ้าเฟสเดียว ประกอบด้วยขดลวดด้านปฐมภูมิและทุติยภูมิหนึ่งขุด
2. หม้อแปลงไฟฟ้าสามเฟส (Three Phase Transformer) หมายถึง หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้กับระบบไฟฟ้า 3 เฟส ดังนั้นจึงมีขดลวดด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิอย่างละ 3ชุด และอาจต่อเข้าด้วยกัน เป็นแบบวายหรือสตาร์ (Wye or Star Connection) หรืออาจต่อเข้าด้วยกันเป็นแบบเดลต้า (Delta Connection)

1. หม้อแปลงกำลัง (Power Transformer) เป็นหม้อแปลงที่ใช้สำหรับการจ่ายกำลังไฟฟ้า ซึ่งจะมีค่ากำลังไฟฟ้าที่ใช้งานสูงและแรงดันไฟฟ้าใช้งานอย่างต่อเนื่อง พิกัดของหม้อแปลงจะเหมือนพิกัดของเครื่องจักรที่ใช้ไฟฟ้าสลับ คือกำหนดค่าเป็นโวลท์-แอมแปร์ (VA)
2. หม้อแปลงอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Transformer) หมายถึง หม้อแปลงที่ใช้จ่ายไฟให้กับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ จะมีขนาดไม่เกิน 100VA
3. หม้อแปลงเครื่องมือวัด (Instrument Transformer) หมายถึง หม้อแปลงที่ใช้สำหรับวัดค่าแรงดันไฟฟ้าและค่ากระแสไฟฟ้า ทั้งในวงจรไฟฟ้ากำลัง และวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เรียกว่า หม้อแปลงความต่างศักดิ์(Potential Transformer) และหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า(Current Transformer)
4. หม้อแปลงเฉพาะงาน หมายถึง หม้อแปลงซึ่งจะครอบคลุมหลายแบบ และหลายลักษณะการใช้งาน รวมถึงอุปกรณ์ที่ใช้งานร่วมด้วย ได้แก่ หม้อแปลงแรงดันคงที่ หม้อแปลงกระแสคงที่ หม้อแปลงเฟอโรรีโซแนนซ์(Ferroresonance Tramsformer) และหม้อแปลงหลายแทป(Multi Tap Transformer)

1. หม้อแปลงกำลัง เป็นหม้อแปลงที่ใช้งานในระบบไฟฟ้ากำลัง โดยมีความถี่คงที่ตามความถี่ของระบบไฟฟ้ากำลัง
2. หม้อแปลงย่านความถี่เสียง เป็นหม้อแปลงที่ใช้สำหรับงานสื่อสารที่ย่านความถี่เสียง
3. หม้อแปลงความถี่สูง เป็นหม้อแปลงที่ใช้งานย่านความถี่สูงมาก (Ultra High Frequency)
4. หม้อแปลงความถี่กว้าง เป็นหม้อแปลงที่ใช้งานวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทำงานในย่านความถี่กว้าง
5. หม้อแปลงความถี่แคบ เป็นหม้อแปลงที่ใช้งานวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ออกแบบให้ใช้งานย่านความถี่เฉพาะ
6. หม้อแปลงสัญญาณพัลซ์ (Pulse Transformer) เป็นหม้อแปลงที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ที่ทำงานเพื่อส่งสัญญาณพัลซ์ ทำงานด้านไฟฟ้ากำลัง หรืออิเล็กทรอนิกส์กำลัง

1. หม้อแปลงแบบแยกขด (Ordinary Transformer / Isolate Transformer) หมายถึง หม้อแปลงที่มีขดลวดปฐมภูมิ และขดลวดทุติยภูมิแยกออกจากกันโดยเด็ดขาด
2. หม้อแปลงแบบอัตโนมัติ (Auto Transformer) หมายถึง หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิเป็นขดลวดชุดเดียวกัน

เนื่องจากแรงดันของหม้อแปลงไฟฟ้าเมื่อมีโหลดกับไม่มีโหลดนั้น จะแตกต่างกันมากบ้างน้อยบ้าง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับหลายสิ่งด้วยกัน เช่น ขึ้นอยู่กับแกนเหล็ก การอัดแกนเหล็ก การพันขดลวด รวมถึงการออกแบบที่ดี เป็นต้น ถ้าแรงดันของหม้อแปลงไฟฟ้าเมื่อไม่มีโหลด กับเมื่อมีโหลดต่างกันมาก หม้อแปลงตัวนั้นก็ไม่ดี ถ้าแรงดันเมื่อไม่มีโหลดกับเมื่อมีโหลดแตกต่างกันน้อย หรือออกแบบให้ไม่แตกต่างกันเลย แสดงว่าการควบคุมแรงดันของหม้อแปลงไฟฟ้าดี สิ่งที่บอกอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของขดลวดทางด้านทุติยภูมิเรียกว่า โวลท์เตจเรคกูเลชั่น (Voltage regulation)

หม้อแปลงไฟฟ้านับได้ว่าเป็นเครื่องกลไฟฟ้าที่มีการสูญเสียน้อยที่สุด เมื่อนำไปเปรียบเทียบกับเครื่องกลไฟฟ้าชนิดอื่น เช่น มอเตอร์ หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เพราะหม้อแปลงไฟฟ้าไม่มีส่วนประกอบใดๆที่เคลื่อนที่ได้ ดังนั้นจึงไม่มีการสูญเสียเนื่องจากความฝืดและแรงต้านจากลม จะมีการสูญเสียเพียงสองส่วนเท่านั้น คือ การสูญเสียในแกนเหล็ก และการสูญเสียในขดลวดตัวนำ

การสูญเสียในแกนเหล็กจะมีค่าไม่สูงนักและมีค่าคงที่ตลอดเวลาไม่ว่าโหลดจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร ส่วนการสูญเสียในขดลวดตัวนำ จะมีค่าเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตามการเปลี่ยนแปลงของโหลด ถ้าโหลดมากการสูญเสียในขดลวดตัวนำก็มาก ถ้าโหลดน้อยการสูญเสียในขดลวดตัวนำก็น้อย

การขนานหม้อแปลง หมายถึง การนำหม้อแปลงไฟฟ้าตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไปมาต่อขนานหรือต่อพ่วงเข้าด้วยกัน เพื่อช่วยในการจ่ายโหลดหรือจ่ายกระแสไฟฟ้า ปัจจัยสำคัญที่เป็นสาเหตุของการขนานหม้อแปลงไฟฟ้านั้นอาจเกิดจากปัจจัยต่างๆดังนี้

1. การหยุดซ่อมแซมบำรุงรักษาหม้อแปลงไฟฟ้า ในกรณีที่หม้อแปลงตัวเดิมต้องนำไปซ่อมแซมและบำรุงรักษา จึงต้องนำหม้อแปลงตัวใหม่ที่ใช้งานได้ต่อขนานหรือต่อพ่วงเข้าไป
2. เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า โดยใช้หม้อแปลง 2 ตัวที่มีพิกัดกำลังไฟฟ้าเท่ากันต่อขนานด้วยกันเพื่อจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับโหลด
3. เพื่อลดต้นทุนในการติดตั้งหม้อแปลงตัวใหม่ที่มีขนาดใหญ่กว่าเดิม เมื่อโหลดเพิ่มขึ้นมากกว่าเดิม

การต่อหม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อนำไปใช้งานกับระบบไฟฟ้า 3 เฟส จะมีอยู่ 2 กรณี คือ การใช้หม้อแปลงไฟฟ้าหนึ่งเฟส 3 ตัว และการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าสามเฟส 1 ตัว การต่อวงจรของหม้อแปลงหนึ่งเฟส 3 ตัว หรือการต่อหม้อแปลงสามเฟส 1 ตัว จะมีวิธีเข้าขดลวดของหม้อแปลงทั้งสามชุดของด้านปฐมภูมิและทุติยภูมิเป็น 2 แบบ คือ แบบวายหรือสตาร์ (Wye or Star connection) และแบบเดลต้า (Delta connection)

ขดลวดจะต่อเข้าด้วยกันเป็นแบบอนุกรมวงจรปิด โดยต่อขั้วด้านปลายของหม้อแปลงตัวที่ 1 เข้ากับขั้วด้านต้นของหม้อแปลงตัวที่ 2 , ต่อขั้วด้านปลายของหม้อแปลงตัวที่ 2 เข้ากับขั้วด้านต้นของหม้อแปลงตัวที่ 3, และต่อขั้วด้านปลายของหม้อแปลงตัวที่ 3 เข้ากับขั้วด้านต้นของหม้อแปลงตัวที่ 1, และจุดต่อร่วมทั้งสามจะต่อเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ การต่อหม้อแปลงแบบเดลต้านั้นจะได้ แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ตกคร่อมขดลวด (Phase voltage) จะเท่ากับแรงเคลื่อนที่ปลายสาย (Line voltage) และกระแสไฟฟ้าที่สาย (Line current) จะเท่ากับ 1.732 ของกระแสไฟฟ้าที่ขดลวด (Phase current)

ขดลวดจะต่อเข้าด้วยกันเป็นแบบวาย โดยจะต่อปลายของขดลวดตัวที่ 1, 2 และ 3 เข้าด้วยกัน ส่วนด้านต้นของขดลวดตัวที่ 1, 2 และ 3ของหม้อแปลงถ้าเป็นขดปฐมภูมิจะต่อเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ แต่ถ้าเป็นขดลวดทุติยภูมิจะต่อเข้ากับโหลด การต่อหม้อแปลงแบบสตาร์นั้น แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ตกคร่อมขดลวด (Phase voltage) จะเท่ากับ 58% `ของแรงเคลื่อนที่ปลายสาย (Line voltage) หรือแรงเคลื่อนที่ปลายสาย (Line voltage) จะเท่ากับ 1.732 เท่าของแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมขดลวด (Phase voltage) และกระแสไฟฟ้าที่สาย (Line current) จะเท่ากับกระแสไฟฟ้าที่ขดลวด (Phase current)

ในการต่อแบบวายหรือสตาร์ (Wye or Star connection) และแบบเดลต้า (Delta connection) หม้อแปลงแต่ละแบบนั้นจะมีวิธีการต่างกัน และให้คุณสมบัติใช้งานต่างกัน

1. การต่อแบบเดลต้า-เดลต้า (Delta-Delta) หมายถึงขดลวดด้านปฐมภูมิต่อวงจรเป็นแบบเดลต้า และขดลวดด้านทุติยภูมิต่อเป็นแบบเดลต้า เช่นเดียวกัน
2. การต่อแบบวาย-วาย หรือสตาร์-สตาร์ (Wye-Wye or Star-Star) หมายถึง การต่อวงจรขดลวดด้านปฐมภูมิเป็นแบบวายหรือสตาร์ และต่อวงจรขดลวดด้านทุติยภูมิเป็นแบบวายหรือสตาร์ เช่นเดียวกัน
3. การต่อแบบเดลต้า-วาย หรือเดลต้า-สตาร์ (Delta-Wye or Delta-Star) หมายถึง การต่อวงจรขดลวดหม้อแปลงด้านปฐมภูมิเป็นแบบเดลต้า และต่อวงจรขดลวดด้านทุติยภูมิเป็นแบบวายหรือสตาร์

1. การต่อแบบวาย-เดลต้า (Wye-Detar) หมายถึง การต่อวงจรขดลวดด้านปฐมภูมิเป็นแบบวายหรือสตาร์ และต่อวงจรขดลวดด้านทุติยภูมิเป็นแบบเดลต้า
2. การต่อแบบเดลต้าเปิด (Open-Delta)หมายถึงการนำหม้อแปลงเฟสเดียว 2 ตัวมาต่อเข้าด้วยกัน และต่อขดลวดด้านปฐมภูมิและทุติยภูมิเป็นแบบเดลต้าเปิด (Delta-Delta) ทั้งสองด้าน

การต่อแบบเดลต้าเปิด ในลักษณะนี้จำเป็นเมื่อหม้อแปลงที่ต่ออยู่ด้วยกันในระบบเกิดชำรุดเสียหายใช้การไม่ได้ไป 1 ตัว และมีความจำเป็นจะต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าในเวลาเดียวกัน ดังนั้นเพื่อไม่ให้ผู้ใช้กระแสไฟฟ้าเดือดร้อนจากการหยุดการจ่ายกระแสไฟฟ้า การต่อลักษณะนี้ ความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าจะลดลงเหลือ 58% ดังนั้นก่อนจะจ่ายกระแสไฟฟ้าต่อไป จะต้องปลดภาระโหลดไปบางส่วนเพื่อให้เท่ากับพิกัดที่หม้อแปลงจะสามารถทำงานได้

หม้อแปลงไฟฟ้า เมื่อใช้งานไปก็จะเกิดความร้อนขึ้นทำให้เกิดการสูญเสียขึ้นในหม้อแปลง จึงจำเป็นต้องระบายความร้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงาน การระบายความร้อนจะมีอยู่หลายวิธี เช่น การระบายความร้อนตามธรรมชาติ การระบายความร้อนด้วยน้ำมัน การระบายความร้อนด้วยน้ำมันและการเป่าลม การระบายความร้อนด้วยน้ำมันและน้ำ และการระบายความร้อนด้วยการปั้มน้ำมัน

1. การระบายความร้อนตามธรรมชาติ คือ การใช้อากาศรอบๆ ช่วยในการระบายความร้อน
2. การระบายความร้อนด้วยน้ำมัน เป็นการระบายความร้อนโดยการแช่ตัวหม้อแปลงอยู่ในน้ำมันที่บรรจุอยู่ในถังหม้อแปลง
3. การระบายความร้อนด้วยน้ำมันและการเป่าลม เป็นการระบายความร้อนโดยการแช่ตัวหม้อแปลงอยู่ในน้ำมันที่บรรจุอยู่ในถังหม้อแปลง และใช้พัดลมเป่าที่ผิวภายนอกถังเป็นการเร่งระบายความร้อน
4. การระบายความร้อนด้วยน้ำมันและน้ำ เป็นการระบายความร้อนโดยการแช่ตัวหม้อแปลงอยู่ในน้ำมันที่บรรจุอยู่ในถังหม้อแปลง และมีท่อน้ำขดเป็นวงรอบหม้อแปลงไฟฟ้าภายในถัง น้ำมันจะเป็นตัวระบายความร้อนแก่หม้อแปลง และน้ำจะเป็นตัวระบายความร้อนแก่น้ำมันอีกครั้งหนึ่ง
5. การระบายความร้อนด้วยการปั้มน้ำมัน เป็นการระบายความร้อนด้วยการปั้มน้ำมันโดยการใช้ปั้มน้ำมันให้ไหลวนเวียนได้เร็วขึ้น

น้ำมันที่ใช้ระบายความร้อนหม้อแปลง จะต้องมีคุณลักษณะพิเศษ คือ เป็นฉนวนที่ดี และทำหน้าที่ระบายความร้อนให้แก่ขดลวดและแกนเหล็ก นอกจากนั้นยังต้องทนต่อไฟฟ้าแรงดันสูงได้ และมีอายุการใช้งานยาวนาน คุณสมบัติหม้อแปลงโดยทั่วไปจะต้องมีความหนืดต่ำ จุดวาบไฟสูง จุดติดไฟสูง ความหนาแน่นต่ำ