ดาวน์โหลดงานนำเสนอ
งานนำเสนอกำลังจะดาวน์โหลด โปรดรอ
1
Piyadanai Pachanapan, 303327 Power System Engineering, EE&CPE, NU
ความรู้พื้นฐานระบบไฟฟ้ากำลัง Basic Concept of Power System Piyadanai Pachanapan, Power System Engineering, EE&CPE, NU
2
เนื้อหา สัญญาณไฟฟ้าใน โดเมนเวลา (Time Domain) และรูปเฟสเซอร์ (Phasor Form) กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อน (Complex power) การแก้ไขค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor Correction)
3
สัญญาณไฟฟ้าในโดเมนเวลา (Time Domain)
ต่อวงจรเข้ากับแหล่งจ่าย AC จะได้ แรงดัน Sinusoidal กระแส
4
- มุมเฟสของแรงดันและกระแสเทียบกับจุดอ้างอิง
กราฟ , Vm Im เมื่อ - มุมเฟสของแรงดันและกระแสเทียบกับจุดอ้างอิง - ความถี่เชิงมุม (rad/s , ) f- ความถี่ (Hz)
5
สัญญาณไฟฟ้ารูปเฟสเซอร์ (Phasor Form)
ในระบบไฟฟ้ากำลัง ถ้ากำหนดให้แรงดันและกระแส เป็น รูปคลื่นแบบไซน์ (Sinusoidal Wave form) ความถี่คงที่ (Constant Frequency) สามารถแทนสัญญาณทั้งสองในรูปเฟสเซอร์ได้เป็น ขนาด มุมเฟส
6
จากสัญญาณไฟฟ้าในโดเมนเวลา (Time Domain)
Vmax Imax กำหนดให้ v,i แทน แรงดันและกระแสที่เป็นคลื่นรูปไซน์ แทน ค่า RMS ของแรงดันและกระแส V,I แทน เฟสเซอร์ของแรงดันและกระแส
7
ค่า RMS (Root – Mean – Square)
ใช้บอกปริมาณสัญญาณกระแสสลับ เนื่องจากหาค่าเฉลี่ยได้เท่ากับศูนย์ Vmax, Vm - แรงดันสูงสุด Imax, Im - กระแสสูงสุด จะได้ ค่า rms ของ แรงดัน และ กระแส เป็น และ
8
สามารถเขียนสัญญาณไฟฟ้าในรูปเฟสเซอร์ ได้เป็น
แรงดัน : RMS กระแส :
9
ตัวอย่างที่ 1 และ จงเขียนในรูปเฟสเซอร์
ระบบไฟฟ้า มีแรงดันและกระแส ในโดเมนเวลา ดังนี้ และ จงเขียนในรูปเฟสเซอร์
10
จาก จะได้ และ เขียนสัญญาณไฟฟ้าเป็นค่า rms ได้เป็น แรงดัน กระแส
11
สามารถเขียนในรูปเฟสเซอร์ ได้เป็น
และ โดยที่ และ สามารถเขียนสัญญาณไฟฟ้าในรูปเฟสเซอร์ ได้เป็น แรงดัน V. A. กระแส
12
ดัชนีล่าง (Subscript Notation)
ตัวอักษรที่กำกับตำแหน่งปริมาณทางไฟฟ้า ใช้กำหนดส่วนต่างๆ ของวงจร ใช้เพื่อใช้สะดวกในการคำนวณ
13
ดัชนีล่างตัวเดียว (Single Subscript Notation)
เหมาะกับการใช้ใน วงจร 1 เฟส ใช้ตัวอักษร, สัญลักษณ์ เป็นดัชนีล่าง เพียง 1 ตัว ทราบทิศทางจากเครื่องหมาย บวกและลบ (+/-) ดัชนีล่างตัวเดียว
14
เมื่อ จุด o,n จุดอ้างอิงแรงดัน
Eg คือ แหล่งจ่ายไฟ Vt คือ แรงดันที่ขั้ว, แรงดันระหว่างจุด a และ o IL คือ กระแสในวงจร VL คือ แรงดันคร่อมโหลด, แรงดันคร่อมอิมพีแดนซ์ ZL
15
เครื่องหมาย บวก, ลบ จะใช้แสดงทิศทางแรงดัน
ลูกศรจะแสดงทิศทางของกระแส เครื่องหมายและทิศทางลูกศร จะมีลักษณะดังรูป เป็นเวลาครึ่งไซเคิล ครึ่งไซเคิลต่อมา เครื่องหมายและทิศทางลูกศร จะตรงข้ามกับในรูปทั้งหมด
16
ดัชนีล่างสองตัว (Double Subscript Notation)
จำเป็นสำหรับวงจรระบบไฟฟ้า 3 เฟส ทำให้ทราบทิศทางของกระแสและแรงดัน ทำให้ทราบตำแหน่ง 2 จุด ที่แรงดันหรือกระแสเกี่ยวข้อง
17
IL เป็นกระแส บวก เมื่อ ไหลจาก a ไป b
หรือ
18
จากรูป จะได้ Vab เป็น - แรงดันที่คร่อม อิมพีแดนซ์ ZA
19
ความสัมพันธ์ของดัชนีล่างหนึ่งตัว กับ ดัชนีล่างสองตัว
หา Iab จาก KVL จะได้
20
กำลังไฟฟ้าของวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟส
กำลังไฟฟ้า คือ “การเปลี่ยนแปลงของพลังงานไฟฟ้าต่อเวลา” พลังงาน เวลา กำลังไฟฟ้าขณะใดขณะหนึ่ง (Instantaneous Power) คือ “ผลคูณของแรงดันกับกระแสของโหลดในขณะนั้น” (ที่เวลาใดเวลาหนึ่ง)
21
กำหนดให้ โหลดมีปลายเป็นขั้ว a และ n สมการของแรงดันคร่อมโหลด กับ กระแสผ่านโหลด เป็น และ ค่าไฟฟ้าชั่วขณะ จึงเป็น
23
จากคุณสมบัติตรีโกณมิติ
จะได้กำลังไฟฟ้าชั่วขณะเป็น
24
จะได้กำลังไฟฟ้าชั่วขณะเป็น
(+) (-)
25
จากความสัมพันธ์ของค่า rms
และ เมื่อ เรียกว่า “Impedance Angle” โดยที่ มุม มีค่าเป็น บวก (+) เมื่อ กระแส ตามหลัง (lag) แรงดัน (โหลดตัวเหนี่ยวนำ) มุม มีค่าเป็น ลบ (-) เมื่อ กระแส นำหน้า (lead) แรงดัน (โหลดตัวเก็บประจุ)
26
กำลังไฟฟ้าเป็น บวก(+)
ค่ากระแสและแรงดัน มีเครื่องหมายเหมือนกัน กำลังไฟฟ้าจากระบบถูกดึงเข้าไปจ่ายยังโหลด (โนด a - n) กำลังไฟฟ้าเป็น ลบ(-) ค่ากระแสและแรงดัน มีเครื่องหมายต่างกัน กำลังไฟฟ้าจ่ายจากโหลด (โนด a - n) เข้ามายังระบบ
27
pR(t), Energy Flow Into The Circuit
กำลังไฟฟ้าที่ถูกดูดซับโดยโหลด “ความต้านทาน” สัญญาณมีความถี่เป็น 2 เท่า เมื่อเทียบกับแหล่งจ่าย (Source) ค่าเฉลี่ยสัญญาณไซน์ = 0
28
Source pR(t)
29
ค่า pR(t) มีค่าเป็น บวกเสมอ และมีค่าสูงสุดและค่าเฉลี่ยเป็น
- เรียก “กำลังไฟฟ้าจริง (Real Power)” มีหน่วยเป็น Watt (Active Power) - ตัวประกอบกำลัง (power factor) - มี 2 กรณี คือ แบบตาม (lagging) 2. แบบนำ (leading) - โหลดตัว L - กระแสตามหลังแรงดัน - โหลดตัว C - กระแสนำหน้าแรงดัน
30
pX(t), Energy borrowed and returned by the Circuit
สัญญาณมีความถี่เป็น 2 เท่า เมื่อเทียบกับแหล่งจ่าย (Source) ค่าเฉลี่ยสัญญาณไซน์ = 0 กำลังไฟฟ้า pX(t) มีทั้งค่า บวก และ ลบ กำลังไฟฟ้า pX(t) ชั่วขณะ เรียกว่า “กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟชั่วขณะ” (instantaneous reactive power)
31
Source (+) pX(t) (-)
32
Q ค่าสูงสุดของกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟชั่วขณะ (pX(t),max) เรียกว่า “ค่ากำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ (Reactive Power, Q)” หน่วย VAr
33
** จาก จะพบว่า ค่า Q เป็น บวก เมื่อ ผลต่างมุม มีค่าเป็น บวก
จาก จะพบว่า ค่า Q เป็น บวก เมื่อ ผลต่างมุม มีค่าเป็น บวก - ตัวประกอบกำลังเป็นแบบ ล้าหลัง - กระแสตามหลังแรงดัน - โหลดเป็นชนิดเหนี่ยวนำ ค่า Q เป็น ลบ เมื่อ ผลต่างมุม มีค่าเป็น ลบ - ตัวประกอบกำลังเป็นแบบ นำหน้า - กระแสนำหน้าแรงดัน - โหลดเป็นชนิดตัวเก็บประจุ **
34
สรุป กำลังไฟฟ้าในวงจรกระแสสลับ 1 เฟส
จากลักษณะ p(t) ที่ได้ สรุปได้ดังนี้ กรณีโหลดเป็นความต้านทานบริสุทธ์ (Pure Resistor) มุม impedance angle ( ) เท่ากับ 0 ค่าตัวประกอบกำลัง = 1 เรียกว่า Unity Power Factor (UPF) 1 = 0 กำลังไฟฟ้าปรากฏ (Apparent Power, VA)
35
2. กรณีโหลดเป็นความเหนี่ยวนำบริสุทธ์ (Pure Inductive)
กระแสล้าหลังแรงดัน 90o กำลังไฟฟ้า p(t) เฉลี่ย = 0 พลังงานไฟฟ้าไม่มีการเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่น p(t) เป็น บวก พลังงานถูกเก็บไว้ในสนามแม่เหล็ก p(t) เป็น ลบ พลังงานจะถูกดึงจากสนามแม่เหล็ก ** สนามแม่เหล็ก (magnetic field) เกิดจากตัวเหนี่ยวนำ **
36
3. กรณีโหลดเป็นความเก็บประจุบริสุทธ์ (Pure Capacitive)
กระแสนำหน้าแรงดัน 90o กำลังไฟฟ้า p(t) เฉลี่ย = 0 พลังงานไฟฟ้าไม่มีการเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่น p(t) เป็น ลบ พลังงานถูกเก็บไว้ใน สนามไฟฟ้า p(t) เป็น บวก พลังงานจะถูกดึงจากสนามไฟฟ้า ** สนามไฟฟ้า (electric field) เกิดจากตัวเก็บประจุ **
37
ในกรณีโหลดเป็นชนิดตัวเก็บประจุ พบว่า ;
โหลดรับค่ากำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟที่มีค่าลบ (-Q) เข้าสู่ตัว โหลดจ่ายค่ากำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟที่มีค่าบวก (+Q) เข้าสู่ระบบ - เป็นตัวรับกระแส - เป็นตัวจ่ายกระแส - I นำ V อยู่ 90o - I ตาม V อยู่ 90o สามารถประยุกต์ใช้ในเรื่องการปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้า
38
ค่าเหนี่ยวนำบริสุทธิ์ (Pure Inductance)
p(t) v(t) i(t)
39
ค่าเก็บประจุบริสุทธิ์ (Pure Capacitance)
p(t) v(t) i(t)
40
ตัวอย่างที่ 2 จากวงจรในรูป จงหา กำลังไฟฟ้าจริง และ กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ
จากวงจร พบว่า
41
กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ กำลังไฟฟ้าจริง
42
กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อน (Complex Power)
สมมติ และ กรณีโหลดเป็นชนิดเหนี่ยวนำ (PF.ตามหลัง) - สามารถเขียน V,I ในรูปเฟสเซอร์ได้เป็น พบว่า จะได้ ref
43
จาก จะได้ นำความสัมพันธ์ของ S, P และ Q มาเขียนเป็นสามเหลี่ยมกำลังไฟฟ้า (Power Triangle) ได้เป็น
44
ขนาดของกำลังไฟฟ้าเชิงซ้อน (Complex Power)
อีกชื่อเรียกหนึ่งของ “กำลังไฟฟ้าปรากฎ (Apparent Power)” หาค่าได้จาก หน่วยเป็น VA
45
การหาค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor)
กรณีที่ 1 : ทราบค่า P, V, I จาก จะได้ กรณีที่ 2 : ทราบค่า P, Q จาก จะได้ จาก จะได้
46
กรณีโหลดเป็นชนิดตัวเก็บประจุ
เขียนแผนภาพเฟสเซอร์ และ สามเหลี่ยมกำลังไฟฟ้า ได้เป็น เนื่องจาก พบว่า
47
กรณีโหลดเป็นอิมพีแดนซ์ (Z)
จาก Z = R+jX จะได้ ทำนองเดียวกัน สามารถหาอิมพีแดนซ์ระบบ (กรณีรู้ V,S ของระบบ)
48
การอนุรักษ์กำลังเชิงซ้อน (Energy Conservation)
กำลังไฟฟ้าปรากฏที่จ่ายออกจากแหล่งจ่ายไฟฟ้า ย่อมมีค่าเท่ากับ ผลรวมของกำลังปรากฏที่ถูกนำไปใช้งานโดยโหลด
49
กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนที่วงจร N2 ได้รับ คือ
50
ตัวอย่างที่ 3 จากวงจรในรูป กำหนดให้
จงหา กำลังที่ถูกใช้ในโหลดแต่ละตัว และ กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนทั้งระบบ
51
KVL : จะได้กระแสที่ไหลผ่านโหลดแต่ละตัว เป็น วิธีที่ 1
52
กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนในโหลดแต่ละตัว เป็น
กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนทั้งระบบ เท่ากับ
53
KCL : กระแสรวมทั้งระบบ เท่ากับ วิธีที่ 2
54
กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนทั้งระบบ เท่ากับ
VA กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนในโหลดแต่ละตัว เป็น
55
แสดงเวกเตอร์เฟสเซอร์กระแส และ เฟสเซอร์กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อน ได้
Current Phaser Diagram Power Plane Diagram
56
การแก้ไขค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor Correction)
ค่าตัวประกอบกำลังที่ระบบต้องการ คือ 1 (UPF) โหลดในระบบเป็นตัวเหนี่ยวนำ (80 %) P.F. < 1 (lagging) แก้ไขได้โดยต่อชุดตัวเก็บประจุ (Capacitor Bank) ขนานเข้าไปกับระบบ
57
การต่อวงจร LC ขนานกัน ก็เป็นการลดค่า Q ที่เกิดขึ้นในระบบ
โหลดรวม ถ้าต้องการลดค่า Q อันเนื่องจากโหลดตัวเหนี่ยวนำในระบบไฟฟ้า (โหลดมอเตอร์ โหลดบัลลาสต์) ก็สามารถทำได้โดยนำตัวเก็บประจุมาต่ออยู่ในระบบไฟฟ้า
58
ตัวอย่างที่ 4 จากวงจรในรูป ใช้แหล่งจ่าย 60 Hz จงหา
1) กำลังไฟฟ้าจริง และ กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟของทั้งระบบ 2) ตัวประกอบกำลังที่แหล่งจ่าย และ กระแสรวมทั้งระบบ 3) ขนาดตัวเก็บประจุที่ทำให้ระบบมีค่า P.F. = 0.8
59
KVL : กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนของโหลดแต่ละตัว
60
กำลังไฟฟ้าจริงและกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟของระบบ
กระแสทั้งระบบ ตัวประกอบกำลังที่แหล่งจ่าย
61
หาขนาด C เพื่อให้ P.F. = 0.8 (lagging)
Q ผลลัพธ์
62
ขนาด ตัวเก็บประจุที่นำมาชดเชย
จาก จะได้
63
หลังจากต่อตัวเก็บประจุ พบว่า
กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนของระบบ VA กระแสที่ไหลเข้าระบบ A.
64
ตัวอย่างที่ 5 จากวงจรในรูป ใช้แหล่งจ่าย 60 Hz กำหนดให้
Load 1 : Inductive Load, 125 kVA ที่ P.F. = 0.28 Load 2 : Capacitive Load, 10 kW และ 40 kVar Load 3 : Resistive Load, 15 kW
65
จงคำนวณหา : 1) kW, kVar และ kVA ของทั้งระบบ (หากำลังไฟฟ้าเชิงซ้อน) 2) ตัวประกอบกำลังไฟฟ้า 3) ขนาดตัวเก็บประจุ ที่เมื่อนำมาต่อกับระบบแล้ว ทำให้ P.F. = 0.8 lagging (ขนาด Qc และค่า C ( ))
66
ที่ Load 1 กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนที่โหลดแต่ละตัว
67
กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อนของทั้งระบบ
kVA กระแสทั้งระบบ A.
68
ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าของระบบ
หาขนาดตัวเก็บประจุ ที่ทำให้ P.F. = 0.8 lagging
69
จาก Q ผลลัพธ์ ขนาด ตัวเก็บประจุที่นำมาชดเชย
70
จาก จะได้ กระแสในระบบ (ใหม่)
71
เครื่องหมายแสดงทิศทางการไหลของกำลังไฟฟ้า
การไหลของกำลังไฟฟ้า (Power Flow) - การที่กำลังไฟฟ้าถูกผลิตขึ้นมา หรือ ถูกดึงเข้ามา เมื่อแรงดันและกระแสไฟฟ้า ได้กำหนดไว้ ณ จุดที่กำลังพิจารณาการไหลนั้น
72
กรณีระบบกระแสตรง - เป็นการ Charging - กำลังไฟฟ้าไหลเข้า
- เป็นการ Discharging Battery - กำลังไฟฟ้าไหลออก
73
กรณีระบบกระแสตรง (2) - เป็นการ Discharging - กำลังไฟฟ้าไหลออก
- กำลังไฟฟ้าไหลเข้า
74
Ammeter & Voltmeter to measure DC Current (I) and Voltage (E) of a Battery
75
กรณีเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
กรณีระบบกระแสสลับ กรณีเครื่องกำเนิดไฟฟ้า - กำลังไฟฟ้าจริง ไหลออกจากตัวเครื่องกลจักร (machine) กรณีเครื่องมอเตอร์ไฟฟ้า - กำลังไฟฟ้าจริง ไหลเข้ามาในตัวเครื่องกลจักร (machine) ** พิจารณาเฉพาะค่า กำลังไฟฟ้าจริง (Real Power)**
78
ตัวอย่างที่ 6 จากวงจรในรูป ประกอบด้วยเครื่องกลจักรไฟฟ้า 2 ตัว (1 และ 2) โดยที่ จงหา ก) เครื่องกลจักรไหนเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า / มอเตอร์ ข) เครื่องกลจักรแต่ละตัว จ่ายหรือดูดกลืน กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ ค) P และ Q ที่ดูดกลืนในอิมพีแดนซ์
79
A.
80
VA VA
83
เครื่องจักร 1 ค่า P เป็น ลบ และ ค่า Q เป็น บวก - ดูดกลืนค่า P จากระบบและจ่ายค่า Q ให้ระบบ - ทำงานเป็น “มอเตอร์ไฟฟ้า” เครื่องจักร 2 ค่า P เป็น ลบ และ ค่า Q เป็น ลบ - จ่ายค่า P ให้ระบบและจ่ายค่า Q ให้ระบบ - ทำงานเป็น “เครื่องกำเนิดไฟฟ้า”
84
ค่า P และ Q ในสายส่ง (อิมพีแดนซ์) หาจาก
จะได้ = 0 W = VAr ** ค่า Q ในสายส่ง มีค่าเท่ากับ ค่า Q ที่จ่ายมาจากเครื่องจักรที่ 1 และ 2
85
END OF LESSON
งานนำเสนอที่คล้ายกัน
