เครื่องวัดแบบชี้ค่ากระแสสลับ AC Indicating Instruments

งานนำเสนอเรื่อง: "เครื่องวัดแบบชี้ค่ากระแสสลับ AC Indicating Instruments"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 เครื่องวัดแบบชี้ค่ากระแสสลับ AC Indicating Instruments
ปิยดนัย ภาชนะพรรณ์

2 เครื่องวัดแบบชี้ค่ากระแสสลับ
พื้นฐานของไฟฟ้ากระแสสลับ ชนิดของเครื่องมือวัดแต่ละชนิด - เอซีโวลต์มิเตอร์ (AC Voltmeter) หรือ เครื่องวัดแบบเรียงกระแสไฟฟ้า (Rectifier Instrument) - เครื่องวัดแบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ (Electrodynamometer) - เครื่องวัดแบบใบพัดเหล็กเคลื่อนที่ (Iron-Vane Moving Coil Meter) - เครื่องวัดแบบเทอร์โมคัพเปิล (Thermocouple Meter) - เครื่องวัดแบบไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Meter) Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

3 ความแตกต่างระหว่างสัญญาณ DC กับ AC
AC Signal DC Signal Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

4 สัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ
สัญญาณไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาด (Amplitude) ทิศทาง (Direction) และความถี่ (Frequency) ตามคาบเวลา (Time Period) สัญญาณมีลักษณะแตกต่างกัน เช่น Sine Wave, Triangle Wave, Square Wave, Pulse และ Spike Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

5 การผลิตสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ
Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

6 สัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ
Vm Im i ตามหลัง v เป็นมุม

7 การผลิตแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ 1 เฟส
(Instantaneous 1 phase Voltage Generation)

8 จุด มุม v 0o 0 V 7 210o -0.5 V 1 30o 0.5 V 8 240o V 2 60o 0.866 V 9 270o - 1.0 V 3 90o 1.0 V 10 300o 4 120o 11 330o 5 150o 12 360o 6 180o

9 การผลิตแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ 3 เฟส
(Instantaneous 3 phase Voltage Generation) ขดลวด 3 ชุด ทำมุมต่างกันทางไฟฟ้า 120 o Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

10 การวัดค่าสัญญาณกระแสสลับ
เนื่องจากสัญญาณแปรตามเวลา จะวัดโดยตรงไม่ได้ การวัดต้องใช้ค่าลักษณะเฉพาะบางอย่างแทน ค่าที่กำหนดมี 3 ชนิด 1. ค่ายอดถึงยอด (Peak to Peak) 2. ค่าเฉลี่ย (Average Value) 3. ค่าประสิทธิผล (Root Mean Square, RMS) Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

11 ค่ายอดถึงยอด (Peak to Peak, Ep-p)
ค่าแรงดันนับจากยอดบวกถึงยอดลบของรูปคลื่น บางทีจะใช้ค่าสูงสุดแทน (Maximum Value) Ep-p – แรงดัน Peak 2 Peak

12 ค่าเฉลี่ย (Average Value, Eav)
พื้นที่ทั้งหมดภายใต้เส้นโค้งหารด้วยช่วงเวลา พื้นที่ใต้เส้นโค้ง ความยาวของช่วงเวลา

13 ค่าเฉลี่ยของแรงดันกระแสสลับ
ผลรวมของพื้นที่ใต้กราฟใน 1 คาบ (T) ของสัญญาณ AC  0 ค่า Eav ใน 1 คาบของสัญญาณ AC มีค่าเท่ากับ 0

14 ค่าประสิทธิผล (Root Mean Square, Erms)
ค่า rms ของ f (t) ระหว่าง t2 – t1 คือ Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

15 กรณีสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับที่เป็น sine wave หาค่า rms ได้เป็น

16

17

18

19 ฟอร์มแฟคเตอร์ (Form Factor)
อัตราส่วนของ ค่า rms ต่อ ค่าเฉลี่ย ของสัญญาณต่างๆ ฟอร์มแฟคเตอร์ของแรงดัน ฟอร์มแฟคเตอร์ของกระแส Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

20 เครื่องวัดแบบชี้ค่าแรงดันกระแสสลับ AC Indicating Voltage Meter

21 เอซีโวลต์มิเตอร์ (AC Voltmeter)
เนื่องจากขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval จะทำงานเฉพาะกับไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เท่านั้น สัญญาณที่จะวัดจะต้องแปลงสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ  สัญญาณไฟฟ้ากระแสตรง ก่อนต่อเข้าขดลวดเคลื่อนที่ แปลงสัญญาณ AC ให้เป็น DC โดยใช้วงจรเรียงกระแส (Rectifier Circuit) ความไวของ AC Meter จะต่ำกว่า DC Meter (ขดลวดชุดเดียวกัน) Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

22 วงจรเรียงกระแส (Rectifier)
ใช้ไดโอด (Diode) ทำหน้าที่เรียงกระแสไฟฟ้า เพื่อเปลี่ยนแรงดันกระแสสลับให้เป็นแรงดันกระแสตรง วงจรเรียงกระแสที่ใช้ในเอซีโวลต์มิเตอร์มี 2 วงจร คือ 1. วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Half Wave Rectifier) 2. วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full Wave Rectifier) Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

23 ไดโอด (Diode) เป็นอุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ p - n ซึ่งสามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกไหลผ่านตัวมันได้ทิศทางเดียว A K Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

24 ลักษณะการทำงานของไดโอด
A K Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

25 สัญญาณจากวงจรเรียงกระแส
Half Wave AC signal Full Wave

26 วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบครึ่งคลื่น
Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

27 วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบครึ่งคลื่น
แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

28 วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบครึ่งคลื่น
กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

29 วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น
มีการต่อวงจรที่เป็นที่นิยมอยู่ 2 แบบ แบบแทปกลางหม้อแปลง (Center Tab Transformer) 2. แบบบริดจ์ (Bridge) Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

30 วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น
แบบแทปกลางหม้อแปลง Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

31 ครึ่งคาบบวก (+) ** ลูกศร คือ ทิศทางอิเล็กตรอน ครึ่งคาบลบ (-)

32 วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น
แบบบริดจ์ (Bridge) Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

33 ครึ่งคาบบวก (+) ** ลูกศร คือ ทิศทางอิเล็กตรอน ครึ่งคาบลบ (-)

34 วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น
แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

35 วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น
กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

36 เพื่อให้สัญญาณขาออกเป็น DC มากขึ้น จะมีการต่อตัวกรองที่ด้านขาออก
Low pass Filter

37 สัญญาณที่ได้เมื่อผ่านตัวกรอง
ใกล้เคียงสัญญาณ DC มากขึ้น

38 เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสครึ่งคลื่น
(Half Wave Rectifier AC Voltmeter) ขดลวดเคลื่อนที่ PMMC Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

39 การออกแบบ เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสครึ่งคลื่น
สมมติให้ความต้านทาน (Rd) และ แรงดัน (Vd) คร่อมไดโอดเป็นศูนย์ พิจารณาวงจรเฉพาะช่วงสัญญาณเป็นครึ่งไซเคิลบวก (VP, IP) Vm Vm Im ** มีแต่โหลดความต้านทาน v กับ i อินเฟสกัน

40 ครึ่งไซเคิลบวก (+) จะได้ Half Wave (ac) (dc)

41 แทนค่า VP , IP จะได้ จาก จะได้

42 ความไวของเครื่องวัดกระแสสลับ (Half Bridge)
กระแสตรง (DC) กระแสสลับ (AC) Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

43 ตัวอย่างที่ 1 จงคำนวณหาค่าความต้านทานอนุกรมของ AC Voltmeter เพื่อให้ขดลวดเคลื่อนที่มี ต้องการขยายย่านวัดเป็น 10 V 10 Vrms Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

44 จาก จะได้

45 ตัวอย่างที่ 1 ขดลวดเคลื่อนที่มี ให้ขยายย่านวัดเป็น AC Voltmeter แบบเรียงกระแสครึ่งคลื่น เป็น 10 V, 50 V และ 100 V จงหา 1. ค่า Rs1, Rs2 และ Rs3 2. ความไวกระแสสลับของมิเตอร์

46 ย่าน V1=10 ย่าน V1=50

47 ย่าน V1=100 V1 = Rm + Rs1 ความต้านทาน ภายในแต่ละย่าน V2 = Rm + Rs1+ Rs2 V3 = Rm + Rs1+ Rs2+ Rs3

48 ค่าความไวของเครื่องมือวัด AC

49 ไดโอดเรียงกระแสไฟฟ้า แบบ 3 ขา
มีไดโอดอีกตัว (D2) ไว้คอยป้องกันกระแสย้อนกลับ (Reverse Current) ของไดโอด D1 Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

50 จะมีกระแสไหล ถึงแม้จะเป็นการไบอัสแบบย้อนกลับ

51

52 ตัวอย่างที่ 2 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดมีค่า 10 Vrms จงคำนวณหา 1) ค่า Rs 2) ค่า Sac และ Sdc

53

54

55

56 จากวงจร จะได้

57 หา Sac และ Sdc

58 AC Voltmeter แบบครึ่งคลื่น โดยใช้ไดโอด 3 ขา แบบหลายย่าน
Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

59 ตัวอย่างที่ 3 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดเป็น 30 Vrms และ 50 Vrms จงคำนวณหาความต้านทานอนุกรม Rs1 และ Rs2 100

60 วิธีการวิเคราะห์ทำนองเดียวกับ ตัวอย่างที่ 2
ย่านวัด V1 = 30 Vrms

61

62 ย่านวัด V2 = 50 Vrms IT เท่าเดิม

63 เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสเต็มคลื่น
(Full Wave Rectifier AC Voltmeter) นิยมใช้มากกว่า Half Wave เพราะมีความไวมากกว่า มักใช้แบบ Bridge มากกว่าแบบ แทปจากกึ่งกลางหม้อแปลง - ช่วง input มีค่าบวก สัญญาณผ่าน D2 และ D4 - ช่วง input มีค่าลบ สัญญาณผ่าน D3 และ D1

64 การออกแบบ เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสเต็มคลื่น
สมมติให้ความต้านทาน (Rd) และ แรงดัน (Vd) คร่อมไดโอดเป็นศูนย์ พิจารณาวงจรทั้งครึ่งไซเคิลบวกและลบ (VP, IP) Vm Vm Im ** มีแต่โหลดความต้านทาน v กับ i อินเฟสกัน

65 ครึ่งไซเคิลบวก (+) และ ครึ่งไซเคิลลบ (-)
จะได้ Full Wave (ac) (dc)

66 แทนค่า VP , IP จะได้ จาก จะได้

67 ความไวของเครื่องวัดกระแสสลับ (Full Bridge)
กระแสตรง (DC) กระแสสลับ (AC) Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

68 ข้อควรระวัง !!! มิเตอร์ที่ใช้หลักการเรียงกระแส เราต้องการค่าที่อ่านบทสเกลเป็น rms แต่ขดลวดเคลื่อนที่ของเครื่องวัดตอบสนองต่อค่าเฉลี่ยของรูปคลื่น ถ้าเอาเครื่องวัดไปวัดสัญญาณที่ไม่ใช่รูป sine ค่าที่อ่านออกมาจะผิดจากไปจากความเป็นจริง ต้องใช้ Form Factor เข้ามาเกี่ยวข้อง Piyadanai Pachanapan, Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

69 ตัวอย่างที่ 4 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดมีค่า 10 Vrms จงคำนวณหา 1) ค่า Rs 2) ค่า Sac และ Sdc

70

71 หา Sac และ Sdc

72 ตัวอย่างที่ 5 วงจร AC Voltmeter ดังรูป จงคำนวณหาความต้านทานอนุกรม Rs และความไวของมิเตอร์

73

74

75

76 หา Sac และ Sdc

77 ตัวอย่างที่ 6 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดเป็น 30 Vrms และ 50 Vrms จงคำนวณหาความต้านทานอนุกรม Rs1 และ Rs2

78 ย่าน 10 Vrms

79

80

81 ย่าน 30 Vrms

82

83 หา Sac และ Sdc สามารถหา Sac ได้จาก ย่าน 10 V ย่าน 30 V

84 เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสเต็มคลื่นชนิดครึ่งบริดจ์
(Half Bridge Full Wave Rectifier AC Voltmeter) ใช้แก้ปัญหาเมื่อวัดค่าแรงดัน AC ค่าต่ำๆ (สเกลไม่เป็นเชิงเส้น) เหมาะสำหรับใช้สัญญาณ AC ปริมาณต่ำๆ - ค่า R3 และ R4 จะมีค่าต่ำๆ

85 การออกแบบ Half Bridge Full Wave
ครึ่งบวก ครึ่งลบ

86 ตัวอย่างที่ 7 วงจร AC Voltmeter ดังรูป ใช้งานที่ย่านวัด 100 Vrms จงหาค่า Rs เมื่อกำหนดให้วงจรมีค่าต่างๆ ดังนี้

87 R3 = R4 คำนวณช่วงใดก็ได้

88 ผลการโหลดของ AC Voltmeter (Loading Effect of AC Voltage)
ความไวของ AC Voltmeter ทั้งแบบ Half Wave และ Full Wave น้อยกว่าความไวของ DC Voltmeter ส่งผลให้การโหลดของ AC Voltmeter จะมีมากกว่า DC Voltmeter

89 ตัวอย่างที่ 8 มิเตอร์ดังรูป ตั้งย่านไว้ที่ 10 V จงคำนวณหา

90 จงคำนวณหา ค่าแรงดันไฟฟ้า VR2 ที่วัดด้วย DC Voltmeter เมื่อสวิตช์ต่อจุด A และเกิดค่าความผิดพลาดจากการวัดเท่าไร 2. ค่าแรงดันไฟฟ้า VR2 ที่วัดด้วย AC Voltmeter แบบ Half Waveเมื่อสวิตช์ต่อจุด B และเกิดค่าความผิดพลาดจากการวัดเท่าไร 3. ค่าแรงดันไฟฟ้า VR2 ที่วัดด้วย AC Voltmeter แบบ Full Waveเมื่อสวิตช์ต่อจุด B และเกิดค่าความผิดพลาดจากการวัดเท่าไร

91 หา VR2 เมื่อยังไม่ต่อมิเตอร์
+ VR2 -

92 หา VR2 เมื่อวัดด้วย DC Voltmeter
Rin จาก

93 ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter
+ VR2 - ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter

94 หา VR2 เมื่อวัดด้วย Half Wave AC Voltmeter
Rin จาก

95 ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter
+ VR2 - ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter

96 หา VR2 เมื่อวัดด้วย Full Wave AC Voltmeter
Rin จาก

97 ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter
+ VR2 - ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter

98 เครื่องวัดแบบชี้ค่าขนาดกระแสสลับ AC Indicating Ampere Meter

99 เอซีแอมป์มิเตอร์แบบเรียงกระแส (Rectifier AC Ammeter)
มีการใช้หม้อแปลงกระแส (Current Transformer) เพื่อ - เพิ่มแรงดันอินพุตไปป้อนวงจรเรียงกระแส - ลดกระแสอินพุตที่ไหลเข้าขดลวดเคลื่อนที่

100 อัตราส่วนหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า จำนวนขดลวด
Precision Resistance อัตราส่วนหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า จำนวนขดลวด แรงดัน s – secondary (ทุติยภูมิ) p – primary (ปฐมภูมิ)

101 ตัวอย่างที่ 9 จาก AC Ammeter ในรูป จงคำนวณหาขนาด Ifs ของขดลวดเคลื่อนที่ ถ้าหม้อแปลงกระแสมี Ns=2000, Np=5 และ Ip=100 mA

102 หากระแส Is จะได้ หาจากกระแส Ifs จาก Form Factor กรณี Full Wave จะได้

103 ตัวอย่างที่ 9 จาก AC Ammeter ในรูป จงคำนวณหาขนาด RL เมื่อกำหนดให้มี Ns=2000, Np=5 Ip=100 mA , Ifs = 1mA ไดโอดเป็น Si (Vd = 0.7 V)

104 เขียนวงจรสมมูลของระบบได้เป็น
หากระแสไฟสูงสุดของมิเตอร์

105 แรงดันไฟฟ้าสูงสุดของด้านทุติยภูมิ
แรงดันไฟฟ้า rms ของด้านทุติยภูมิ

106 หากระแส rms ของมิเตอร์ จาก Form Factor

107 หาค่ากระแส IL และ RL

108 เอซีแอมป์มิเตอร์แบบแคลมพ์ออน (Clamp On AC Ammeter)
มีการใช้งานเหมือนกับหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า - ขดลวดปฐมภูมิคล้องกับสายไฟ เพื่อให้เกิดการเหนี่ยวนำ - ขดลวดทุติยภูมิจะมีกระแสไหล เป็นสัดส่วนกับกระแสที่ไหลในขดลวดปฐมภูมิ กระแสจากขดลวดทุติยภูมิจะต่อเข้าวงจร Rectifier แปลงจากกระแสสลับเป็นกระแสตรง แล้วจึงต่อเข้ากับขดลวดเคลื่อนที่ เหมาะสำหรับใช้วัดค่ากระแสสูงๆ

109

110

111 มี 3 ส่วน คือ Ohmmeter, Ammeter และ Voltmeter

112

113 ลักษณะการใช้งานมิเตอร์แบบ Clamp On