โครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้า

โครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้า
หม้อแปลงแบ่งออกตามการใช้งานของระบบไฟฟ้ากำลังได้ 2 แบบคือ หม้อแปลงไฟฟ้าชนิด 1 เฟส และหม้อแปลงไฟฟ้า ชนิด 3 เฟสแต่ละชนิดมีโครงสร้างสำคัญประกอบด้วย
1. ขดลวดตัวนำปฐมภูมิ (Primary Winding) ทำหน้าที่รับแรงเคลื่อนไฟฟ้า 2. ขดลวดทุติยภูมิ (Secondary Winding) ทำหน้าที่จ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้า3. แผ่นแกนเหล็ก (Core) ทำหน้าที่เป็นทางเดินสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและให้ขดลวดพันรอบแกนเหล็ก4. ขั้วต่อสายไฟ (Terminal) ทำหน้าที่เป็นจุดต่อสายไฟกับขดลวด5. แผ่นป้าย (Name Plate) ทำหน้าที่บอกรายละเอียดประจำตัวหม้อแปลง6. อุปกรณ์ระบายความร้อน (Coolant) ทำหน้าที่ระบายความร้อนให้กับขดลวด เช่น อากาศ , พัดลม , น้ำมัน หรือใช้ ทั้งพัดลมและน้ำมันช่วยระบายความร้อน เป็นต้น7. โครง (Frame) หรือตัวถังของหม้อแปลง (Tank) ทำหน้าที่บรรจุขดลวด แกนเหล็กรวมทั้งการติดตั้งระบบระบาย ความร้อนให้กับหม้อแปลงขนาดใหญ่8. สวิตช์และอุปกรณ์ควบคุม (Switch Controller) ทำหน้าที่ควบคุมการเปลี่ยนขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้า และมี อุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ รวมอยู่ด้วย
โครงสร้างของหม้อแปลงชนิด 1 เฟส ดูรูปที่ 2 (ก) จะมีส่วนประกอบของขดลวด 1 ชุด และหม้อแปลงชนิด 3 เฟสดูรูปที่ 2 (ข) จะมีส่วนประกอบของขดลวด 2 ถึง 3 ชุด เนื่องจากหม้อแปลงเป็นอุปกรณ์จ่ายกำลังไฟฟ้าจึงมีขนาดเป็นโวลต์แอมป์ (VA) หม้อแปลงขนาดใหญ่จะมีขนาดเป็นกิโลโวลต์แอมป์ (kVA) และเมกกะโวลต์แอมป์ (MVA) ตามลำดับ สำหรับส่วน ประกอบข้างต้นในข้อ 6 ถึง 8 เป็นระบบที่มีอยู่ในหม้อแปลงขนาดใหญ่จะไม่ขอกล่าวไว้ในที่นี้


(ก) ชนิด 1 เฟส (ข) ชนิด 3 เฟส
รูปที่ 2 หม้อแปลงไฟฟ้า
ขดลวด( Coil)

รูปที่ 3 สายทองแดงเคลือบน้ำยา
วัสดุที่ใช้ทำขดลวดหม้อแปลงโดยทั่วไปทำมาจากสายทองแดงเคลือบน้ำยาฉนวน มีขนาดและลักษณะลวดเป็นทรงกลม หรือแบนขึ้นอยู่กับขนาดของหม้อแปลง ลวดเส้นโตจะมีความสามารถในการจ่ายกระแสได้มากกว่าลวดเส้นเล็ก
หม้อแปลงขนาดใหญ่มักใช้ลวดถักแบบตีเกลียว เพื่อเพิ่มพื้นที่สายตัวนำให้มีทางเดินของกระแสไฟมากขึ้น สายตัวนำที่ใช้ พันขดลวดบนแกนเหล็กทั้งขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิอาจมีแทปแยก (Tap) เพื่อแบ่งขนาดแรงเคลื่อนไฟฟ้า (ในหม้อแปลงขนาดใหญ่จะใช้การเปลี่ยนแทปด้วยสวิตช์อัตโนมัติ)

ฉนวน ( Insulator)
สายทองแดงจะต้องผ่านการเคลือบน้ำยาฉนวน เพื่อป้องกันไม่ให้ขดลวดลัดวงจรถึงกันได้ การพันขดลวดบนแกนเหล็ก จึงควรมีกระดาษอาบน้ำยาฉนวน คั่นระหว่างชั้นของขดลวดและคั่นแยกระหว่างขดลวด ปฐมภูมิกับทุติยภูมิด้วย ใน หม้อแปลงขนาดใหญ่มักใช้กระดาษอาบน้ำยา ฉนวนพันรอบสายตัวนำก่อนพันเป็นขดลวดลงบนแกนเหล็ก นอกจากนี้ ยังใช้น้ำมันชนิดที่เป็นฉนวนและระบายความร้อนให้กับขดลวดอีกด้วย
แผ่นเหล็กที่ใช้ทำหม้อแปลงจะมีส่วนผสมของสารกึ่งตัวนำ-ซิลิกอนเพื่อรักษาความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้น รอบขดลวดไว้ แผ่นเหล็กแต่ละชั้นเป็นแผ่นเหล็กบางเรียงต่อกัน หลายชิ้นทำให้มีความต้านทานสูงและช่วยลดการสูญเสีย บนแกนเหล็กที่ส่งผลให้เกิดความร้อนหรือที่เรียกว่า กระแสไหลวนบนแกนเหล็กโดยทำแผ่นเหล็กให้เป็นแผ่นบางหลาย แผ่นเรียงซ้อนประกอบขึ้น เป็นแกนเหล็กของหม้อแปลง ซึ่งมีด้วยกันหลายรูปแบบเช่น แผ่นเหล็กแบบ Core และแบบ Shell ดูรูปที่ 4 และ 5

( ก) แบบ Cor (ข) แบบ Shellรูปที่ 4 แกนเหล็กหม้อแปลงไฟฟ้าชนิด 1 เฟส

( ก) แบบ Core ( ข) แบบ Shell รูปที่ 5 แกนเหล็กหม้อแปลงไฟฟ้าชนิด 3 เฟส

แกนเฟอร์ไรท์ ( Ferrite Core)

( ก) แบบแท่ง (Rod) (ข) แบบวงแหวน (Ring รูปที่ 6 เฟอร์ไรท์

แกนเฟอร์ไรท์เป็นวัสดุที่มีส่วนผสมของแม่เหล็กทำให้มีความเข้ม สนามแม่เหล็กมากกว่าเหล็กและมีความต้านทานสูง จึงช่วยลดการสูญเสียบนแกนเหล็ก หรือลดความร้อนจากการเกิดกระแสไหลวนที่ความถี่สูง
แกนอากาศ ( Air Core)

รูปที่ 7 ขดลวดแกนอากาศ
นอกจากนี้ยังใช้ขดลวดแกนอากาศกับงานในระบบที่ใช้ความถี่สูงโดยไม่ต้องการให้เส้นแรง แม่เหล็กมีการอิ่มตัวหรือการ สูญเสียเกิดขึ้นที่แกนเหล็ก (ดูรูปที่ 7)
แกนทอลอยด์ ( Toroidal Core)

(ก) ภาพของจริง (ข) ภาพสัญลักษณ์ รูปที่ 8 หม้อแปลงไฟฟ้าแกนทอลอยด์
แกนทอลอยด์มีลักษณะคล้ายวงแหวนทำมาจากโลหะผสมสารกึ่งตัวนำ-ซิลิกอน หม้อแปลงแกนทอลอยด์มีประสิทธิภาพ สูง (95 %) เพราะแกนทอลอยด์มีสภาพความนำแม่เหล็กสูง อีกทั้งยังไม่มีช่องรอยต่อเหมือนแกนเหล็กแบบ Core และแบบ Shell จึงช่วยลดการเกิดเสียงรบกวนได้ในขณะทำงาน ดูรูปที่ 8
ขั้วต่อสายไฟ ( Terminal)
โดยทั่วไปหม้อแปลงขนาดเล็กจะใช้ขั้วต่อไฟฟ้าต่อเข้าระหว่างปลายขดลวดกับสายไฟฟ้าภายนอก และ ถ้าเป็นหม้อแปลง ขนาดใหญ่จะใช้แผ่นทองแดง ( Bus Bar ) และบุชชิ่งกระเบื้องเคลือบ ( Ceramic ) ต่อเข้าระหว่างปลายขดลวดกับ สายไฟฟ้าภายนอ
แผ่นป้าย ( Name Plate)

รูปที่ 9 แผ่นป้ายของหม้อแปลงไฟฟ้า
แผ่นป้ายจะติดไว้ที่ตัวถังของหม้อแปลงเพื่อแสดงรายละเอียดประจำตัวหม้อแปลง อาจเริ่มจากชื่อบริษัทผู้ผลิต ชนิด รุ่น และขนาดของหม้อแปลง ขนาดกำลังไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านรับไฟฟ้าและด้านจ่ายไฟฟ้า ความถี่ใช้งาน วงจรขดลวด ลักษณะการต่อใช้งาน ข้อควรระวัง อุณหภูมิ มาตรฐานการทดสอบ และอื่น ๆ (ดูรูปที่ 9 )
สัญลักษณ์ของหม้อแปลง ( Symbol)
สัญลักษณ์ของหม้อแปลงจะใช้สัญลักษณ์ของขดลวดแสดงจำนวนขดลวดและแกนเหล็ก บางครั้งการเขียนสัญลักษณ์ ขดลวดแบบมีแกนเหล็ก อาจไม่ได้แสดงสัญลักษณ์แกนเหล็กไว้ให้เห็น ดูรูปที่ 10 อย่างไรก็ตามการเขียน สัญลักษณ์ของหม้อแปลง ควรมีรายละเอียดระบุขั้วและการต่อวงจรด้วย ดังในรูปที่ 11 (ก) เป็นตัวอย่างแสดงหม้อแปลงไฟฟ้าชนิด 3 เฟส เฟส A, B และ C ที่มีขดลวดด้านรับไฟต่อแบบเดลต้าและขดลวดด้านจ่ายไฟต่อแบบสตาร์ สำหรับรูปที่ 11 (ข) เป็น สัญลักษณ์แบบเส้นเดี่ยว (One Line Diagram) ของหม้อแปลงที่แสดงในรูปที่ 11 (ก)

รูปที่ 10 สัญลักษณ์ของหม้อแปลงไฟฟ้าชนิด 1 เฟส

(ก) แบบแสดงการต่อวงจรขดลว ( ข) แบบเส้นเดี่ยวระบุการต่อวงจรขดลวด
รูปที่ 11 สัญลักษณ์ของหม้อแปลงไฟฟ้าชนิด 3 เฟส