การวัดกำลังไฟฟ้า DC

กำลังไฟฟ้า
          กำลัง เป็นตัวแสดงปริมาณของงานที่ทำในช่วงเวลาที่กำหนด มันคืออัตราในการทำงาน ซึ่งสามารถแสดงโดยสมการ

                                           กำลัง (p)     =     งาน/เวลา    =    W(จูลน์)/t(วินาที)

          เมื่อหน่วยวัดทางไฟฟ้ากำลังคือ วัตต์ กำลังที่ส่งแก่อุปกรณ์ไฟฟ้าจะสารถแสดงในพจน์ของกระแสและแรงดัน ในพจน์ของกระแสและแรงดันจะมาจากนิยามของความต่างศักย์ที่ว่า จะมีความต่างศักย์ 1 โวลต์ระหว่างจุดสองจุด ถ้าต้องใช้พลังงาน 1 จูลน์ในการเคลื่อนประจุ 1 คูลอมบ์จากจุดหนึ่งยังอีกจุดหนึ่ง หรือ

                                                         v    =    w/q

หรือ                                                  w    =    vq

          จากนิยามของกระแสคือ จำนวนประจุที่เคลื่อนผ่าน จุดที่กำหนดให้ใน 1 วินาที ซึ่งจะสามารถเขียนเป็นสมการได้เป็น

                                                         i     =     q/t

เพราะฉะนั้น จะได้ว่า

                                                        p     =     (vq)/(q/i)     =     vi

กำลังไฟฟ้าในวงจรกระแสตรง

          สำหรับในวงจรกระแสตรงเราสามารถใช้กฎของโอห์มในการเขียนนิพจน์ที่แตกต่างสำหรับกำลัง ได้เป็น

                                             P     =    I²R     และ    P   =   V²/R

           ในวงจรกระแสตรง เราสามารถหาค่ากำลัง โดยการวัดพารามิเตอร์ 2 ตัวจาก 3 ตัวคือ I ,V และ R ดังนั้นเราสามารถหาค่ากำลัง โดยการใช้แอมมิเตอร์ และโวลต์มิเตอร์กระแสตรง การใช้เครื่องวัดกระแสตรงในการวัดกำลังในวงจรกระแสตรงเป็นสิ่งที่ควรสนับสนุนเนื่องจากมันจะให้ความถูกต้องสูงกว่าการใช้วัตต์มิเตอร์ เนื่องจากการวัดกระแสตรงเป็นสิ่งที่ควรสนับสนุน เนื่องจากมันจะให้ความถูกต้องสูงกว่าการใช้วัตต์มิเตอร์ เนื่องจากเครื่องวัดกระแสตรงจะไวกว่าวัตต์มิเตอร์และมันจะดึงกำลังจากวงวัดน้อยกว่า การต่อเครื่องวัดตามปกติ เพื่อวัดกำลังกระแสตรงในโหลดโดยใช้โวลต์มิเตอร์และแอมมิเตอร์

          เพราะว่าทั้งโวลต์มิเตอร์และแอมมิเตอร์จะดึงกำลังบางส่วนจากวงจร ดังนั้นการที่มันปรากฏอยู่ในวงจร จะทำให้เกิดค่าความผิดพลาดขึ้นบ้างในค่าที่อ่าน เพื่อหากำลังที่ควรจะเป็นจริงที่ ใช้ไปโดย เราจะต้องลบกำลังที่ต้องการในการทำให้โวลต์มิเตอร์ทำงานจากผลคูณ VL และ I

ตัวอย่าง โดยการใช้โวลต์มิเตอร์พิสัย 50 V ที่มีความไว 1000 โอห์ม/โวลต์ และแอมมิเตอร์พิสัย 100 mA ต่อในวงจรเพื่อวัดกำลังในโหลด ขณะนี้ถ้า โวลต์มิเตอร์อ่านค่าได้ 40 V และแอมมิเตอร์อ่านค่าได้ 50 mA จงหากำลังที่สูญเสียไปในโหลด ดังรูป

          วิธีทำ เริ่มแรกเราหาความต้านทานภายในของโวลต์มิเตอร์

            Rv    =    50V*100โอห์ม/โวลต์

                    =     50kโอห์ม

          จะได้กำลังสูญเสีญเนื่องจากโหลดและโวลต์มิเตอร์ = 40 V * 50 mA =2.00 วัตต์ เพื่อจะหากำลังสูญเสีญในโหลดอย่างเดียว จะต้องนำเอากำลังสูญเสียเนื่องจากโวลต์มิเตอร์มาลบออก ดังนั้นกำลังสูญเสียในโหลด

            P     =     2.00 - 1600/50 k     =     2.00-0.03     =     1.97 w

          จากรูป เป็นวิธีการต่อโวลต์และแอมมิเตอร์ที่ใช้ในทางปฏิบัติ (การต่ออีกวิธีหนึ่งคือ การต่อแอมมิเตอร์อนุกรมกับโหลด แล้วต่อโวลต์มิเตอร์ชันต์) เนื่องจากปกติเราจะรู้ค่าความต้านทานภายในของโวลต์มิเตอร์ แต่จะไม่รู้ของแอมมิเตอร์

            ความผิดพลาดที่จะเกิดกับทั้งการวัดกระแสตรงและกระแสสลับเมื่อแหล่งกำเนิดกำลังมีความต้านทานสูงหรือมีขนาดจำกัด ในลักษณะที่กำลังที่ใช้ในการทำงานของโวลต์มิเตอร์และแอมมิเตอร์มีปริมาณที่มีขนาดเป็นเศษส่วนที่พอสมควรของกำลังที่จ่ายออกมา ในกรณีเช่นนี้ แรงดัน กระแส และกำลัง จะเปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากการต่อเครื่องมือวัดเข้าในวงจร


เครื่องวัดกำลังไฟฟ้า
          วัตต์มิเตอร์ (Wattmeter) เป็นเครื่องมือวัดที่ใช้สำหรับวัดกำลังไฟฟ้า (Power) กำลังไฟฟ้าสามารถวัดได้ในรูปของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า นำค่าที่ได้ทั้งสอง มาคำนวณหากำลัง ไฟฟ้า โดยใช้สูตรคำนวณ ดังนี้
                                                  P    =   EI

โดยที่	P คือ กำลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็นวัตต์ (W)
	E คือ แรงดันไฟฟ้า มีหน่วยเป็นโวลต์ (V)
	I คือ กระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (A)

          ถึงแม้จะใช้วิธีการคำนวณจากแรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าที่วัดได้ในวิธีการ ดังกล่าวก็ตาม แต่จะไม่สะดวกและเกิดความยุ่งยากในการวัดค่า และการคำนวณหาค่า ดังนั้นวัตต์มิเตอร์จึงถูกสร้างขึ้นมาใช้งาน เพื่อใช้วัดกำลังไฟฟ้าได้โดยตรง โดยมีวงจรการใช้งาน ดังแสดงใน รูปที่ 1  

รูปที่ 1 วงจรวัตต์มิเตอร์ในการต่อวัดกำลังไฟฟ้า

          จากรูปที่ 1 เป็นโครงสร้างของวัตต์มิเตอร์ แบบอิเล็กโทรไดนาโมมิเตอร์ส่วนประกอบจะประกอบด้วยขดลวด 3 ขวด ขดลวด 2 ขวดใหญ่ที่วางขนานกันจะเป็นขดลวดคงที่ (Fixed Coils) หรือขดลวดกระแส (Current Coils) ส่วนตอนกลางของขดลวดคงที่จะมีขดลวดเคลื่อนที่ได้ (Moving Coil) หรือขดลวดแรงดัน (Voltage Coil) วางอยู่ภายในวงกลมของขดลวดคงที่ โดยที่ขดลวดเคลื่อนที่จะมีแกนยึดติดพร้อมเข็มชี้และสปริงก้นหอย           การนำอิเล็กโทรไดนาโมมิเตอร์ไปทำเป็นวัตต์มิเตอร์จะต้องต่อวงจรทั้งขดลวดคงที่และ ขดลวดเคลื่อนที่เข้าด้วยกัน พร้อมต่อตัวต้านทาน (R) และโหลดเข้าวงจร จึงจะได้วงจรวัตต์มิเตอร์ขึ้นมา ดังรูป วงจรวัตต์มิเตอร์ ซึ่งจะมีขั้วต่อใช้งาน 4 ขั้ว เป็นขั้วต่อแหล่งจ่ายไฟไปต่อแหล่งจ่าย ไฟฟ้า 2 ขั้ว และขั้วต่อโหลด 2 ขั้ว การต่อใช้งานจะต้องนำวัตต์มิเตอร์ด้านที่ต่อโหลดไปต่อเข้ากับโหลดที่ต้องการวัดกำลังไฟฟ้า เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าวงจร ทำให้ขดลวดคงที่หรือขดลวดกระแสทั้ง 2 ขดเกิดสนามแม่เหล็กขึ้น และขดลวดเคลื่อนที่หรือขดลวดแรงดัน ก็เกิดสนามแม่เหล็กขึ้น เช่นกัน เกิดการผลักกันของสนามแม่เหล็กระหว่างขดลวดคงที่กับขดลวดเคลื่อนที่ ทำให้ขดลวดเคลื่อนที่บ่ายเบนไป การที่ขดลวดเคลื่อนที่จะบ่ายเบนไปมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับโหลดที่นำมาต่อ และแรงดันที่ป้อนเข้ามา
          วัตต์มิเตอร์แบบอิเล็กโทรไดนาโมมิเตอร์นี้สามารถนำไปวัดกำลังไฟฟ้าได้ทั้งกำลังไฟฟ้าของวงจรกระแสตรง และกำลังไฟฟ้าของวงจรกระแสสลับ เพราะขดลวดทั้งขดลวดแรงดันและ ขดลวดกระแสสามารถรับแรงดัน ได้ทั้งไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ แต่ต้องระมัดระวังในการใช้ต้องไม่ให้กระแสที่ผ่านขดลวดกระแสเกินกว่าพิกัดของมิเตอร์ที่บอกไว้ และต้องไม่ให้แรงดันที่ป้อนเข้าขดลวดแรงดันเกินกว่าพิกัดของมิเตอร์ที่บอกไว้ ดังนั้นในการใช้วัตต์มิเตอร์วัดกำลังไฟฟ้า จึงควรต่อแอมมิเตอร์และโวลต์มิเตอร์ร่วมในวงจรด้วย เพื่อเป็นตัวแสดงค่าของกระแสและแรงดันทั้งหมดที่จะผ่านวัตต์มิเตอร์
         วัตต์มิเตอร์ที่ใช้ในการทดลองใบงานนี้ เป็นวัตต์มิเตอร์ชนิดเฟสเดียว (Singlephase Wattmeter) ถูกสร้างขึ้นมาให้สามารถวัดแรงดันและวัดกระแสได้ 2 ย่านคือ วัดกระแสได้ 0.2 A และ 1 A วัดแรงดันได้ 120 V. และ 240 V. แบบหนึ่ง อีกแบบหนึ่งวัดกระแสได้ 1 A และ 5 A วัดแรงดันได้ 120 V. และ 240 V. การอ่านค่ากำลังไฟฟ้าจากวัตต์มิเตอร์ที่ถูกต้องจะต้องอ่านค่าจากหน้าปัดสเกลในตำแหน่งที่เข็มมิเตอร์ชี้ค่า นำมาคูณร่วมกับค่าตัวคูณในตารางที่แนบติดมากับตัววัตต์มิเตอร์ ซึ่งจะขึ้นอยู่กับค่าแรงดันและค่ากระแสที่ต่อวัดจากขั้วต่อของวัตต์มิเตอร์ ตารางแสดงค่าที่ตั้งวัดและค่าตัวคูณของวัตต์มิเตอร์ แสดงไว้ในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ค่าตัวคูณคงที่

การต่อวัตต์มิเตอร์ เพื่อวัดกำลังไฟฟ้าจะต่อได้ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 การต่อใช้งานของวัตต์มิเตอร์

ตัวอย่างที่  ต่อวัตต์มิเตอร์ใช้งานที่ขั้วแรงดัน 120 V. ที่ขั้วกระแส 0.2 A เมื่อวัดค่าเข็มชี้บ่ายเบนไปบนสเกลชี้ค่าที่เลข 25 จะอ่านค่ากำลังไฟฟ้าได้เท่าไร

          วิธีทำ ค่าตัวคูณของแรงดัน 120 V., กระแส 0.2 A คือ ค่า 0.2 (ดูตารางที่ 1 ประกอบ)

ค่ากำลังไฟฟ้าที่วัดได้	= ตัวเลขที่อ่านได้ x ค่าตัวคูณ
	= 25 x 0.2
P	= 5 W

ตัวอย่างที่  ต่อวัตต์มิเตอร์ใช้งานที่ขั้วแรงดัน 240 V ที่ขั้วกระแส 5 A เมื่อวัดค่าเข็มชี้บ่ายเบนไปบนสเกลชี้ค่าที่เลข 40 จะอ่านค่ากำลังไฟฟ้าได้เท่าไร
          วิธีทำ ค่าตัวคูณของแรงดัน 240 V , กระแส 5 A คือ ค่า 10 (ดูตารางที่ 1 ประกอบ)

ค่ากำลังไฟฟ้าที่วัดได้	= ตัวเลขที่อ่านได้ x ค่าตัวคูณ
	= 40 x 10
P	= 400 W

เสริมความรู้     การคำนวณค่ากำลังไฟฟ้าในวงจรกระเเสสลับ
          ค่ากำลังไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ จะต้องเป็นค่ากำลังไฟฟ้าจริง (True Power) หรือ PT สามารถเขียนเป็นสูตรได้ดังนี้  

          โดยที่          P คือ กำลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็นวัตต์ (W)
                             E คือ แรงดันไฟฟ้า มีหน่วยเป็นโวลต์ (V)
                             I คือ กระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (A)
                            Cosคือ ค่าเพาเวอร์แฟคเตอร์ของวงจร  ในวงจรที่มีโหลดเป็นความต้านทานบริสุทธิ์  (Pure Resistance) ค่า Cos= 1








เเหล่งอ้างอิง
           http://www.lampangtc.ac.th/lptc/sub-web/racharwit/pdf/16-content.pdf
           http://www.kroo-suchat.com/index.php/2011-09-12-05-15-20/ohm-s-law/power
          หนังสือ การวัดเเละเครื่องวัดไฟฟ้า โดย เอก ไชยสวัสดิ์
       

ท่านสามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้จาก   http://pansak.50megs.com/Measu01/sheet01.html
         ทางผู้จัดทำ ขอขอบคุณทุกๆที่ได้เข้ามาใช้ประโยชน์จาก Blog เผยเเพร่ข้อมูลเเห่งนี้ หากมีข้อผิดพลาดประการใด ต้องขออภัยมา ณ ที่นี้ด้วย