เครื่องวัดพลังงานไฟฟ้า Watt - Hour Meter Piyadanai Pachanapan, 303251 EE Instrument & Measurement, EE&CPE, NU

พลังงานไฟฟ้า (Electrical Energy) ปริมาณการใช้กำลังไฟฟ้าทั้งหมดในช่วงระยะเวลาใดเวลาหนึ่ง หน่วย W.h พลังงานไฟฟ้า คือ พื้นที่ใต้กราฟ 1 unit = การใช้ไฟ 1000 W ภายในเวลา 1 ชั่วโมง

เครื่องวัดพลังงานไฟฟ้า (Watt Hour Meter) เป็นเครื่องวัดไฟฟ้าชนิดเหนี่ยวนำแบบจานหมุน (Disc Type) วัดได้เฉพาะสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Current)

เครื่องวัดไฟฟ้าชนิดเหนี่ยวนำ แบบ จานหมุน ส่วนประกอบ ขดลวดเหนี่ยวนำ ตัวต้านทาน แผ่นโลหะบางกลม มักทำจาก Al หรือ Cu

ส่วนประกอบด้านบน

หลักการทำงาน เครื่องวัดไฟฟ้าชนิดเหนี่ยวนำ แบบ จานหมุน ทำงานได้เฉพาะกระแสสลับ (AC) เท่านั้น กระแสในขดลวดทั้ง 2 ชุด จะทำมุมเฟสต่างกัน 90o

เมื่อ อยู่ระหว่าง 0o - 90o

2. เมื่อ อยู่ระหว่าง 90o - 180o

3. เมื่อ อยู่ระหว่าง 180o - 270o

4. เมื่อ อยู่ระหว่าง 270o - 360o

จานหมุน หมุนได้อย่างไร ??? การที่สนามแม่เหล็กย้ายจาก ขดลวด 1  2 กลับไป-มา เสมือนกับสนามแม่เหล็กมีการเคลื่อนที่ การที่สนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไหลวน (Eddy Current) ไหลวนขึ้นในจานหมุน (แผ่นเหล็ก) เมื่อกระแสไหลวนที่เกิดขึ้น ถูกเส้นแรงแม่เหล็กไหลผ่าน จะทำให้เกิดแรงบิด ( F = BIL ) แรงบิดที่เกิดขึ้น จะส่งผลให้จานหมุน หมุนตามทิศทางแรงบิด (กฎมือซ้าย)

กระแสไหลวน (Eddy Current)

การหาทิศทางกระแสไหลวน ในจานหมุน อาศัยกฎมือขวาของเฟลมมิ่ง (Right Hand Rule’s Fleming)ในการหาทิศทางของกระแสไหลวน

ความแตกต่างระหว่าง กฎมือซ้าย กับ กฎมือขวา Left Hand Rule Right Hand Rule (Generator Rule)

จะหาทิศทางกระแสได้ ต้องรู้ทิศทางการเคลื่อนที่ของจานหมุนที่ตัดกับสนามแม่เหล็กก่อน การที่สนามแม่เหล็กเคลื่อนที่จาก ขดลวด 1 ไป ขดลวด 2 พบว่า จะมีความหมายเหมือนกับว่า “สนามแม่เหล็กหมุนนั้นอยู่กับที่ แต่จานหมุนจะเคลื่อนที่ตัดกับสนามแม่เหล็กในทิศทางจาก ขดลวด 2 ไป ขดลวด 1”

สนามแม่เหล็กเคลื่อนจากขดลวด 1  2 จานหมุนเคลื่อนจาก ขดลวด 2  1

B จากกฎมือขวา I ทิศทางกระแสไหลวน กระแสไหลออก

กระแสไหลวนจะสร้างสนามแม่เหล็กล้อมรอบตัวเอง กระแสไหลวนและสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดแรงบิด/ผลัก ทิศทางแรงบิด(ผลัก)

กรณีเกิดสนามแม่เหล็กที่ขดลวดที่ 2 ก็จะหาทิศทางกระแสไหลวนเหมือนกรณีเกิดสนามแม่เหล็กในขดลวดที่ 1

แรงบิดที่เกิดขึ้น จะทำให้จานหมุน หมุน

กรณีที่กระแสไหลในขดลวด มีทิศทางตรงข้าม ก็จะได้แรงบิดเกิดขึ้นในทิศทางเดียวกัน กระไหลในขดลวดที่ 1

กระไหลในขดลวดที่ 2

เครื่องวัดพลังงานไฟฟ้าชนิดเหนี่ยวนำ แบบ จานหมุน (Watt Hour Meter) มีส่วนประกอบดังนี้

แม่เหล็กถาวรจะคอยสร้างแรงบิดหน่วง ขดลวดทองแดงจะส่งผลให้กระแสที่ไหลในขดลวดแรงดัน มีมุมเฟสตามหลังไป 90o (เป็นการต่อตัว L) แม่เหล็กถาวรจะคอยสร้างแรงบิดหน่วง สร้างแรงบิดหน่วง

การทำงานของ เครื่องวัดพลังงานไฟฟ้าชนิดเหนี่ยวนำ แบบ จานหมุน เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้า (V) เข้าไป กระแสจะแบ่งไหลเป็น 2 ส่วน - IV จะไหลผ่านขดลวดแรงดัน - IA จะไหลผ่านขดลวดกระแส กระแสที่ไหลผ่านขดลวดแรงดัน (IV) จะมีมุมเฟสล้าหลังแรงดัน (V) และ กระแส IA เป็นมุม 90o

รูปคลื่นไซน์ และ เฟสเซอร์ไดอะแกรม

เมื่อ อยู่ระหว่าง 0o - 90o

2. เมื่อ อยู่ระหว่าง 90o - 180o N N S

3. เมื่อ อยู่ระหว่าง 180o - 270o

4. เมื่อ อยู่ระหว่าง 270o - 360o S S N

กรณี. เมื่อ อยู่ระหว่าง 0o - 90o เส้นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะเคลื่อนที่จาก ขวา  ซ้าย คู่ขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่จาก ล่าง  บน การที่คู่ขั้วแม่เหล็กเคลื่อนที่จาก ล่าง  บน เสมือนกับ จานหมุนเคลื่อนที่จาก บน ล่าง (ตรงข้ามกัน) สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เคลื่อนที่จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไหลวนในจานหมุน ซึ่งสามารถหาทิศทางได้จากกฎมือขวาของเฟลมมิ่ง กระแสไหลวนจะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารอบล้อม ซึ่งจะทำให้เกิดแรงบิด (ผลัก) ทำให้จานหมุน หมุนได้

ทิศทางของกระแสไหลวน ( อยู่ระหว่าง 0o – 90o) N S S N

ทิศทางการหมุนของจานหมุน (ด้านบน)

เมื่อ อยู่ระหว่าง 0o - 90o N N S S

2. เมื่อ อยู่ระหว่าง 90o - 180o N N S S

3. เมื่อ อยู่ระหว่าง 180o - 270o S S N N

4. เมื่อ อยู่ระหว่าง 270o - 360o N S S N

จานหมุนไว  เลขมิเตอร์หมุนไว  มีการใช้พลังงานมาก การคำนวณค่าพลังงานไฟฟ้าจาก Watt-Hour Meter กำลังไฟฟ้า จะส่งผลต่อขนาดกระแสที่ไหลใน Watt - Hour Meter กระแสที่ไหลใน Watt - Hour Meter จะส่งผลต่อค่าทอร์ค ซึ่งจะส่งผลโดยตรงกับความเร็วของการหมุนจาน ความเร็วของการหมุนจาน ก็จะเป็นสัดส่วนกับกำลังเฉลี่ยในช่วงเวลาที่กำหนด จานหมุนไว  เลขมิเตอร์หมุนไว  มีการใช้พลังงานมาก

การคำนวณค่ากำลังไฟฟ้าจาก Watt-Hour Meter สามารถใช้ Watt Hour Meter วัดการใช้กำลังไฟฟ้าทั้งหมดของระบบได้ โดยอาศัย ค่าคงที่ของมิเตอร์ไฟฟ้า (Cz) ค่าคงที่ของมิเตอร์ไฟฟ้า (Cz) จะบอกถึงจำนวนรอบที่แป้นหมุนของมิเตอร์ไฟฟ้าจะต้องหมุนต่อพลังงานไฟฟ้า 1 kWh ค่านี้จะบอกไว้ที่ป้ายกำกับมิเตอร์ไฟฟ้าทุกเครื่อง ทำให้สามารถใช้ Watt-Hour Meter วัดกำลังไฟฟ้าได้ โดยใช้นาฬิกาจับเวลาช่วย

สามารถคำนวณกำลังไฟฟ้า (P)ได้จากสูตร Watt เมื่อ n คือ จำนวนรอบ t คือ เวลา (วินาที) CZ คือ ค่าคงที่ของมิเตอร์ไฟฟ้า

ตัวอย่างที่ 1 ในการใช้เตาไฟฟ้าเตาหนึ่ง ทำให้แป้นหมุนของมิเตอร์ไฟฟ้าหมุนไปเป็นจำนวน 25 รอบในเวลา 1 นาที จงคำนวณหาค่ากำลังไฟฟ้า (P) เมื่อ CZ = 1000 วิธีทำ