2.1 ทฤษฎีไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์กำลัง | สรุปความรู้ ผอส. ไฟฟ้า

ภาพรวมหัวข้อ 2.1 ทฤษฎีไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

อ่านจบแล้วคุณจะ

อธิบายทฤษฎีไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์กำลัง
อธิบายลักษณะการใช้ไฟฟ้าในอาคาร/โรงงาน
อธิบายโครงสร้างค่าไฟฟ้า

⏱ สรุป 1 นาที 5 เรื่องที่ต้องจำ · ปัดหรือกดลูกศรดู · กดการ์ดเพื่อไปอ่าน

1/5 · หัวข้อย่อย 1

แปลงพลังงานจากรูปหนึ่งไปอีกรูป ต้องมีการสูญเสียเสมอ ส่วนใหญ่กลายเป็นความร้อน

ที่มา: ตำราฝึกอบรม ผอส. ด้านไฟฟ้า (พพ.) ตอนที่ 2 บทที่ 1 ทฤษฎีไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์กำลัง 2/5 · หัวข้อย่อย 3

1 V ดันกระแส 1 A ผ่านความต้านทาน 1 Ω

ที่มา: ตำราฝึกอบรม ผอส. ด้านไฟฟ้า (พพ.) ตอนที่ 2 บทที่ 1 ทฤษฎีไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์กำลัง 3/5 · หัวข้อย่อย 5

ค่าประสิทธิผล = Em/√2 ≈ 0.7071 Em · ค่าเฉลี่ยครึ่งคาบ ≈ 0.6366 Em

ที่มา: ตำรา ผอส. ไฟฟ้า ตอนที่ 2 บทที่ 1 หัวข้อ 1.1.3.2 สมการ 1.3–1.11 ตัวอย่าง 1.2–1.6 ตั้งแต่หน้า 1-11 4/5 · หัวข้อย่อย 7

DC→AC = อินเวอร์เตอร์ · AC→DC = เรียงกระแส · DC→DC = ชอปเปอร์

ที่มา: ตำราฝึกอบรม ผอส. ด้านไฟฟ้า (พพ.) ตอนที่ 2 บทที่ 1 ทฤษฎีไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์กำลัง 5/5 · หัวข้อย่อย 10

ค่า PF คิดเมื่อกิโลวาร์เกินร้อยละ 61.97 ของกิโลวัตต์สูงสุด

ที่มา: ตำรา ผอส. ไฟฟ้า ตอนที่ 2 บทที่ 1 หัวข้อ 1.3.1–1.3.2 และ 1.4.1 · ตอนที่ 3 บทที่ 1 หัวข้อ 1.7.3 (อัตรา TOU)

ไฟฟ้าเกิดได้ 7 วิธี

🤔 ลองตอบก่อนอ่าน

เครื่องจักรแทบทุกเครื่องร้อนเวลาทำงาน ลองเดาว่าเป็นเพราะอะไร

🧶การเสียดสีนำวัตถุสองชนิดมาถูกัน

💎แรงกดดันบีบผลึก (Crystal)

🔥ความร้อนให้ความร้อนที่จุดต่อของโลหะต่างชนิด 2 ชนิด

☀️แสงสว่างแสงกระทบสารที่ไวต่อแสง หรือเซลล์แสงอาทิตย์

🔋ปฏิกิริยาเคมีเช่น ในแบตเตอรี่

🧲อำนาจแม่เหล็กตัวนำเคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็ก — วิธีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

⚛️ปฏิกิริยานิวเคลียร์ประเทศไทยยังอยู่ระหว่างการศึกษา

⭐ แปลงพลังงานจากรูปหนึ่งไปอีกรูป ต้องมีการสูญเสียเสมอ ส่วนใหญ่กลายเป็นความร้อน

ผลิตไฟฟ้าใช้เอง: โคเจนเนอเรชั่น และเซลล์แสงอาทิตย์

🔥 โคเจนเนอเรชั่นใช้พลังงานแบบ Cascade: เผาเชื้อเพลิงขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แล้วนำความร้อนทิ้งไปใช้ต่อ (ปรับอากาศร้อน-เย็น ไอน้ำ)

☀️ เซลล์แสงอาทิตย์แปลงแสงเป็นไฟฟ้าได้ประมาณร้อยละ 6–20 · แบบซิลิกอนผลึกเดี่ยวประสิทธิภาพสูงแต่ราคาแพง

🔌 Grid connectionโรงงานและอาคารมักต่อเชื่อมกับระบบการไฟฟ้า ไฟเหลือจ่ายกลับเข้าระบบได้

โคเจนที่อนุรักษ์พลังงานได้ผลสูง (อัตราการอนุรักษ์พลังงานมากกว่าร้อยละ 10) ต้องมีประสิทธิภาพรวมไม่น้อยกว่า

ก๊าซเทอร์ไบน์≥ 72%

เครื่องยนต์แก๊ส≥ 67%

เครื่องยนต์ดีเซล≥ 50%

⭐ ผลิตไฟเองในที่ดินโรงงาน ไม่มีความสูญเสียในสายส่ง⭐ ต้องบันทึกไฟฟ้าที่ผลิตได้ ความร้อนทิ้งที่นำไปใช้ และเชื้อเพลิงที่ใช้ เพื่อตรวจประสิทธิภาพ

กฎของโอห์ม และกำลังไฟฟ้า

E = I × Rแรงดัน (V) = กระแส (A) × ความต้านทาน (Ω)

P = E × I= I² × R = E² ÷ R (วัตต์)

ความร้อนจูลแปรผันตาม I² × R × เวลา — ยิ่งกระแสมาก สายยิ่งร้อน

ลองคำนวณ

⭐ 1 V ดันกระแส 1 A ผ่านความต้านทาน 1 Ω

วงจรไฟฟ้ากระแสตรง: กฎของเคอร์ชอฟฟ์ · วงจรอนุกรมและขนาน

หลักการ: กระแสไฟฟ้าไม่หายไปไหน และแรงดันรอบวงจรปิดต้องสมดุล — 2 ข้อนี้คือ กฎของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchhoff) ใช้คู่กับกฎของโอห์ม แก้โจทย์วงจรได้แทบทุกแบบ

🔗 กฎกระแส (ความต่อเนื่องของกระแสไฟฟ้า)

ผลบวกพีชคณิตของกระแสที่ไหลเข้า ณ จุดต่อใด ๆ เท่ากับศูนย์ — คือกระแสไหลเข้าเท่าไรต้องไหลออกเท่านั้น

🔁 กฎแรงดัน (ความสมดุลของแรงดันไฟฟ้า)

ในวงจรปิดใด ๆ ผลบวกของแรงดันแหล่งจ่ายกับแรงดันตกคร่อมทั้งหมดตามทิศเดินรอบวงจรเดียวกัน เท่ากับศูนย์

วงจรอนุกรม (ต่อเรียงกันสายเดียว)

กระแสเท่ากันทุกตัว · แรงดันแหล่งจ่าย = ผลรวมแรงดันตกคร่อมแต่ละตัว (กฎแรงดัน) จึงได้ ความต้านทานรวม = R₁ + R₂ + … · ตัวใดตัวหนึ่งขาด วงจรหยุดทั้งหมด

วงจรขนาน (ต่อคร่อมแรงดันเดียวกัน)

แรงดันเท่ากันทุกกิ่ง · กระแสรวม = ผลรวมกระแสแต่ละกิ่ง (กฎกระแส) · กระแสแบ่งตามค่าการนำไฟฟ้า (1/R) กิ่งที่ความต้านทานน้อยรับกระแสมาก · 1/R รวม = 1/R₁ + 1/R₂ + …

🔋ตัวอย่าง 1.1 ในตำรา (แบตเตอรี่ 2 ก้อนต่อขนาน)Ea = 5 V, Ra = 0.2 Ω · Eb = 6 V, Rb = 0.25 Ω · ภาระ 1 Ω · แปลงเป็นแหล่งจ่ายกระแส: 5 ÷ 0.2 = 25 A และ 6 ÷ 0.25 = 24 A รวม 49 A

➗แบ่งกระแสตามค่าการนำไฟฟ้า1/Ra = 5 · 1/Rb = 4 · 1/Rt = 1 รวม 10 ⇒ ภาระได้ 49 × 1/10 = 4.9 A · กิ่ง a 24.5 A · กิ่ง b 19.6 A

✅กระแสจากแบตเตอรี่แต่ละก้อนI₁ = 25 − 24.5 = 0.5 A · I₂ = 24 − 19.6 = 4.4 A (รวม 4.9 A เท่ากับกระแสภาระ ตามกฎกระแส)

กฎของจูล: ทำไมสายร้อน

ความร้อนแปรผันตาม R × I² × t · ความร้อน Q ≈ RI²t ÷ 4.185 แคลอรี (1 cal ≈ 4.185 J คือความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 g ร้อนขึ้น 1 °C) — กระแสเพิ่ม 2 เท่า ความร้อนเพิ่ม 4 เท่า

Thevenin · Norton

วงจรที่มีแหล่งจ่ายและตัวต้านทานหลายตัว ยุบเป็น "แหล่งแรงดัน + ตัวต้านทานอนุกรม" (Thevenin) หรือ "แหล่งกระแส + ตัวต้านทานขนาน" (Norton) ได้ แปลงกลับไปมาด้วย Is = Es ÷ Rs

⭐ กฎกระแส: เข้า = ออก ที่จุดต่อ · กฎแรงดัน: รวมรอบวงจรปิด = 0⭐ ขนาน: กระแสแบ่งตามค่าการนำไฟฟ้า 1/R

ที่มา: ตำรา ผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส (ผอส.) ไฟฟ้า ตอนที่ 2 บทที่ 1 หัวข้อ 1.1.3.1 สมการ 1.1–1.2 ตัวอย่าง 1.1 หน้า 1-8 ถึง 1-11

ไฟฟ้ากระแสสลับ: ค่าประสิทธิผล · อิมพีแดนซ์ RLC · เรโซแนนซ์

หลักการ: ไฟกระแสสลับเปลี่ยนค่าเป็นรูปคลื่นซายน์ e(t) = Em sin(ωt ± θ) โดย ω = 2πf และคาบ T = 1/f · ในวงจรกระแสสลับ ขดลวด (L) และตัวเก็บประจุ (C) ก็ต้านกระแสด้วย เรียกรวมกับความต้านทานว่า อิมพีแดนซ์ (Z) ใช้แทน R ในกฎของโอห์ม

ค่าเฉลี่ยครึ่งคาบ|Em sin| เฉลี่ย = 2Em/π ≈ 0.6366 Em (ค่าเฉลี่ยเต็มคาบ = 0)

ค่าประสิทธิผล (RMS)= Em ÷ √2 ≈ 0.7071 Em — ไฟบ้าน 220 V คือค่านี้

อิมพีแดนซ์ วงจรตัวต้านทาน-ขดลวด-ตัวเก็บประจุ (Resistor-Inductor-Capacitor: RLC) อนุกรมZ = R + j(ωL − 1/ωC) · |Z| = √(R² + (ωL − 1/ωC)²) · θ = tan⁻¹((ωL − 1/ωC) ÷ R)

อ่านสูตรให้เข้าใจ

ωL (รีแอกแตนซ์ของขดลวด) โตขึ้นเมื่อความถี่สูง · 1/ωC (รีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุ) เล็กลงเมื่อความถี่สูง · ทั้งสองหักล้างกัน จึงลบกันในสูตร · มุม θ คือมุมที่กระแสต่างเฟสกับแรงดัน และ cos θ = R ÷ |Z| คือเพาเวอร์แฟกเตอร์

เรโซแนนซ์ (ตัวอย่าง 1.3 ในตำรา)

เมื่อ ωL = 1/ωC รีแอกแตนซ์หักล้างกันพอดี |Z| เหลือ R กระแสสูงสุด ที่ความถี่เชิงมุม ω₀ = 1/√(LC) · แรงดันคร่อม L และ C อาจสูงเป็น Q เท่าของแรงดันแหล่งจ่าย (Q = ค่าคุณภาพของวงจร)

ลองคำนวณ — เปลี่ยนค่า R L C หรือความถี่ ดูอิมพีแดนซ์ มุม และเพาเวอร์แฟกเตอร์

กำลังไฟฟ้ากระแสสลับ

กำลังไฟฟ้าเชิงซ้อน S = P + jQ · ขนาดของ S = กำลังไฟฟ้าปรากฏ (VA) · ส่วนจริง P = กำลังไฟฟ้าจริง (W) · ส่วนจินตภาพ Q = กำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ (VAr)

ใช้ประโยชน์อย่างไร

ตำราแสดงว่าต่อตัวเก็บประจุ C ขนานกับวงจร RL ให้ Qc + Q = 0 กำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟรวมเป็นศูนย์ เพาเวอร์แฟกเตอร์ = 1 — คือหลักการปรับปรุงเพาเวอร์แฟกเตอร์ในหัวข้อ 3.1

⭐ ค่าประสิทธิผล = Em/√2 ≈ 0.7071 Em · ค่าเฉลี่ยครึ่งคาบ ≈ 0.6366 Em⭐ เรโซแนนซ์อนุกรม: ωL = 1/ωC · ω₀ = 1/√(LC) · กระแสสูงสุด

ที่มา: ตำรา ผอส. ไฟฟ้า ตอนที่ 2 บทที่ 1 หัวข้อ 1.1.3.2 สมการ 1.3–1.11 ตัวอย่าง 1.2–1.6 ตั้งแต่หน้า 1-11

ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส

ต่อแบบสตาร์ (Y)มีจุดนิวทรัล (N) · แรงดันสาย = √3 × แรงดันเฟส → 380 V ≈ √3 × 220 V

ต่อแบบเดลต้า (Δ)ต่อแรงดันแต่ละเฟสกันเป็นวง ab · bc · ca

กำลัง 3 เฟสkVA (กิโลโวลต์แอมแปร์) = √3 × V × I ÷ 1,000 · kW (กิโลวัตต์) = kVA × เพาเวอร์แฟกเตอร์ (Power Factor: PF)

ค่าที่มิเตอร์อ่านได้เป็น ค่ายังผล (RMS) · ในวงจรกระแสสลับใช้ อิมพีแดนซ์ แทนความต้านทาน (รวม R กับรีแอกแตนซ์ของ L และ C)

⭐ 3 เฟสสมดุล: เฟสห่างกัน 120° (2π/3 rad)

อิเล็กทรอนิกส์กำลัง: แปลงไฟ 4 แบบ

🤔 ลองตอบก่อนอ่าน

อุปกรณ์ที่แปลงไฟกระแสตรงเป็นไฟกระแสสลับ ลองเดาว่าเรียกว่าอะไร

ออกเป็น ไฟตรง (ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current: DC))

ออกเป็น ไฟสลับ (ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current: AC))

จาก DC

วงจรชอปเปอร์Choppers

วงจรอินเวอร์เตอร์Inverter

จาก AC

วงจรเรียงกระแสRectifiers

วงจรควบคุมแรงดันไฟสลับAC voltage control

หน้าที่จัดแจงกำลัง (Power Processing) แปลงผันพลังงานไฟฟ้าโดยใช้สิ่งประดิษฐ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นสวิตช์

ข้อดีแปลงผันได้อย่างมีประสิทธิภาพ บางครั้งกว่า 95% และควบคุมปริมาณได้

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำไดโอด · ไทริสเตอร์ · GTO (Gate Turn-off Thyristor) · ทรานซิสเตอร์ · เฟ็ต

⭐ DC→AC = อินเวอร์เตอร์ · AC→DC = เรียงกระแส · DC→DC = ชอปเปอร์

อุปกรณ์พื้นฐาน R · C · L

〰️ตัวต้านทาน (R)หน่วยโอห์ม (Ω) · ประเภทโลหะ (ไวร์วาวด์ ฟิล์มโลหะ) · อโลหะ (คาร์บอน ฟิล์มคาร์บอน)

⏸️ตัวเก็บประจุ (C)เก็บและคายประจุ · หน่วยฟารัด (F) · 1 F = 1,000,000 µF · แบบค่าคงที่ ปรับค่าได้ เลือกค่าได้

🌀ตัวเหนี่ยวนำ (L)หน่วยเฮนรี่ (H) · แบบค่าคงที่ · แบบปรับค่าได้

⭐ 1 µF = 1,000 nF⭐ ต่อคาปาซิเตอร์ขนานกับโหลดเหนี่ยวนำ → กำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟหักล้างกัน PF สูงขึ้น

เครื่องใช้ไฟฟ้ากินไฟกี่หน่วย

พลังงานไฟฟ้า (kWh (กิโลวัตต์ชั่วโมง หรือ หน่วย) หรือ "ยูนิต") = กำลังไฟฟ้า (kW) × เวลา (ชั่วโมง) — แก้ตัวเลขได้ทุกช่อง

ค่าไฟฟ้า: ส่วนไหนควบคุมได้

🔎 อ่านให้ตรงความหมาย: คำว่า "ค่าพลังงานไฟฟ้า" ใช้ 2 ความหมาย

ปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ (kWh)ผู้ใช้ควบคุมได้ — ใช้ไฟฟ้าน้อยลง หน่วยที่ต้องจ่ายก็น้อยลง (ตำรา 2.1 หัวข้อ 1.3.2.1 จัดค่าพลังงานไฟฟ้าไว้ในส่วนที่ควบคุมได้)

อัตราค่าพลังงานไฟฟ้าต่อหน่วย (บาท/kWh)ผู้ใช้บริหารจัดการเองไม่ได้ — เป็นตัวเลขตายตัวตามอัตราของการไฟฟ้า เช่นเดียวกับค่า ค่าปรับปรุงต้นทุนการผลิตไฟฟ้า (Fuel adjustment charge (Float time): Ft) ที่คณะกรรมการปรับทุก 4 เดือน (ตำรา 3.1 หัวข้อ 1.7.3 แนวทางการลดค่าไฟฟ้า)

สิ่งที่ผู้ใช้ทำได้เพื่อลดค่าไฟฟ้า: ใช้ไฟฟ้าน้อยลง · ลดค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด · แก้เพาเวอร์แฟกเตอร์ด้วยคาปาซิเตอร์ — ส่วนอัตราต่อหน่วย ค่า Ft ค่าบริการ และภาษีมูลค่าเพิ่ม ผู้ใช้เปลี่ยนเองไม่ได้

อัตราปกติคิดค่าพลังงาน + ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด

อัตรา อัตราค่าไฟฟ้าตามช่วงเวลาของวัน (Time of Day: TOD)ตามช่วงเวลาของวัน (สำหรับผู้ใช้รายเดิม)

อัตรา อัตราค่าไฟฟ้าตามช่วงเวลาของการใช้ (Time of Use: TOU)ตามช่วงเวลาของการใช้ On-Peak / Off-Peak

หลักการ: ทำไมอัตรา TOU ช่วยลดค่าไฟได้

อัตรา TOU คิดค่าไฟช่วง On-Peak แพงกว่าช่วงอื่น ตำรา 3.1 แยกค่าไฟ TOU ต่อหน่วยเป็น 6 ส่วน แล้วสรุปว่าผู้ใช้บริหารจัดการได้ 2 ส่วน คือ ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดช่วง On-Peak และ ค่าพลังงานไฟฟ้าช่วง On-Peak · ค่าบริการต่อหน่วยถูกลงเมื่อใช้ไฟมากขึ้น · ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ทำให้หมดไปได้

วิธีการ: ดู 2 อัตราส่วนจากใบแจ้งค่าไฟ

① Ep/E = หน่วยที่ใช้ช่วง On-Peak ÷ หน่วยทั้งหมด — ย้ายงานไปช่วง Off-Peak ให้อัตราส่วนนี้ต่ำลง ② P/E = ความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด ÷ หน่วยทั้งหมด — ใช้ไฟให้สม่ำเสมอ ไม่ให้เกิดยอดสูงชั่วครู่ (ดูการควบคุมความต้องการกำลังไฟฟ้าในหัวข้อ 2.3 และ 3.1)

อัตราค่าไฟฟ้า (บาท) ในตำราเป็นอัตราเก่า จึงไม่นำตัวเลขมาแสดง · ใช้อัตราปัจจุบันของการไฟฟ้าเมื่อคำนวณจริง

🔗 เรื่องนี้ใช้ต่อที่หัวข้อ 3.1 · ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้า และตัวประกอบโหลด

⭐ ค่า PF คิดเมื่อกิโลวาร์เกินร้อยละ 61.97 ของกิโลวัตต์สูงสุด

★

ตัวเลขที่ต้องจำในหัวข้อนี้

7วิธีกำเนิดไฟฟ้า

6–20%ประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์

72 · 67 · 50%โคเจน: ก๊าซเทอร์ไบน์ · เครื่องยนต์แก๊ส · ดีเซล

120°เฟสห่างกันในระบบ 3 เฟส

√3แรงดันสาย ÷ แรงดันเฟส (สตาร์)

> 95%ประสิทธิภาพวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (บางครั้ง)

4แบบวงจรแปลงผันกำลัง

kWh= kW × ชั่วโมง = 1 ยูนิต

61.97%เกณฑ์ค่า PF

ที่มา: ตำราฝึกอบรม ผอส. ด้านไฟฟ้า (พพ.) ตอนที่ 2 บทที่ 1 ทฤษฎีไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

◀ หัวข้อก่อนหน้า1.4 การจัดทำรายงานการจัดการพลังงาน หัวข้อถัดไป ▶2.2 อุปกรณ์ไฟฟ้าโดยทั่วไป

2.1ทฤษฎีไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์กำลัง