Two watt method: การวัดกำลังไฟฟ้า 3 เฟส ด้วยวัตต์มิเตอร์2ตัว

Two watt meter method

การวัดกำลังไฟฟ้า 3 เฟส ด้วยวัตต์มิเตอร์2ตัว

ก่อนที่เราจะเข้าเรื่อง “การวัดกำลังไฟฟ้า 3 เฟส ด้วยวัตต์มิเตอร์2ตัว.” นั้นเรามาทำความรู้จักก่อนดีกว่าว่าไฟฟ้า3เฟสคืออะไรหลายคนอาจสงสัยว่าไฟฟ้าทำไมต้อง3เฟสทำไมไม่ 1เฟส 2, 3 ,4 ,5 … แล้วไฟฟ้าที่เราใช้ในบ้านนั้นใช้กันกี่เฟสซึ่งด้วยเหตุผลหลายประการนี้ทางเราก็เลยอยากขอนำเสนอความรู้พื้นฐานก่อนเพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจที่มาของคำว่าไฟฟ้า3เฟสเพื่อให้ผู้อ่านนั้นสามารถเข้าใจหลักการวัดกำลังไฟฟ้า3เฟสตามที่หัวข้อเรื่องเรากำหนดนั้นเองนั้นเราไปดูกันดีกว่าว่าไฟฟ้า3เฟสคืออะไร

สวัสดีครับก่อนที่ผมจะพูดถึงไฟฟ้า3เฟสขอพูดคร่าวๆถึงไฟฟ้าที่เรารู้จักกันดีหรือเห็นกันบ่อยในบ้านเราก็คือไฟฟ้า1เฟส (2สาย)คือมีสายไลน์(L)สายที่มีไฟกับสายนิวทรอล(N)สายที่ไม่มีไฟ ดังรูปตัวอย่างดังนี้

ซึ่งจากที่เราเห็นเราสามารถวัดโดยการเอาไขควงเช็คไฟไปวัดตามสายไฟเราจะเห็นว่าเส้นนึงจะมีไฟอีกเส้นจะไม่มีไฟซึ่งถ้าหากเราใช้โวลล์มิเตอร์วัดนั้นเราจะพบว่าความต่างศักย์ระหว่างสายไฟ2เส้นนี้จะมีค่าเท่ากับ 220 V ในประเทศไทยส่วนเนื้อหารายละเอียดต่างๆผู้อ่านสามารถเปิดข้อมูลหาได้ถ้าผู้อ่านสนใจ

ต่อไปเรามาทำความรู้จักกับ ไฟฟ้า3เฟสกันดีกว่าว่าทำไมต้อง3เฟส

เหตุผลที่มาที่คิดว่าทำไมต้องมีเฟสเพิ่มเพราะเพื่อให้สามารถเพิ่มกำลังให้มากกว่าเดิม ซึ่งภาพด้านบนนี้จะแสดงถึงว่าไฟฟ้าแต่ละเฟสนั้นจากการคำนวณทางคณิตศาสตร์แล้วจะเห็นว่าทำไมต้อง3เฟสนอกจากสมดุลกลศาสตร์ 360 แบ่งเป็น เฟสละ 120 องศาแล้วยังมีการคำนวณค่ากำลังที่ได้ออกมาจะเห็นได้ว่า 3เฟสกับ4เฟส(1.5 กับ 1.53) นั้นห่างกันนิดเดียวเลยทำให้นิยมใช้3เฟสมากที่สุดนอกจากได้กำลังเยอะแล้วยังช่วยประหยัดงบประมาณในการสร้างอีกด้วยนี่ก็คือเหตุผลที่มาของไฟฟ้า3เฟส

ระบบไฟฟ้า3เฟสที่เราใช้กันทั่วไปในประเทศไทยนั้นเป็นไฟฟ้าที่มีจำนวนสายไลน์ 3 เส้น สายนิวทรอล1 สายกราวนด์1ซึ่งบางระบบอาจไม่มีสายนิวทรอลก็ได้ซึ่งเนื่องจากเหตุผลข้อนี้ทำให้เกิดการคิดค้นการวัดค่ากำลังไฟฟ้าโดยวัตต์มิเตอร์2ตัวนั้นเองซึ่งเหตุผลเพราะอะไรเดียวถึงหัวข้อหลักผมจะขอพูดอีกทีนึง

ซึ่งจากการสังเกตนี้ตามทฤษฏีค่าความต่างศักย์ระหว่าง สาย LกับสายL (L-L)นั้นทำให้เรารู้ว่าค่าความต่างศักย์ไฟฟ้านั้นมีค่าเท่ากับ 380vส่วนค่าความต่างศักย์ระหว่างสาย LกับสายN (L-N)จะมีค่าเท่ากับ 220 Vซึ่งเหตุผลที่ทำให้ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสายไลน์กับสายนิวทรอลนั้นมีค่าเท่ากับ220Vก็เพราะว่าในชีวิตจริงตามอาคารใหญ่ๆหรือโรงพยาบาลนั้นจะมีโหลดแบบที่ต้องการใช้ไฟ3เฟส พวกมอเตอร์ เครื่องจักรใหญ่ๆเป็นต้นและก็ยังมีพวกโหลดที่ยังต้องใช้ไฟปกติหรือ 220vดังนั้นเพื่อไม่ให้มีปัญหากับการใช้งานและการออกแบบก็เลยได้มีการเดินและคำนวณให้มีทั้ง 380vกับ220vโดยแค่เทียบกับสายที่เราต้องการเพื่อให้ไม่มีปัญหากับการใช้งานเครื่องใช้ไฟฟ้า

ต่อไปก่อนที่เราจะมาทำการวัตต์ไฟ 3 เฟสนั้นเราต้องมาดูก่อนว่าในชีวิตจริงเราจะรู้ได้ไงอันไหนสายไฟแล้วสายไฟที่เราเห็นมันเป็น3เฟสไหมเราจะรู้ได้ไง และด้วยเหตุผลนี้ผมก็ขอเสนอวิธีดูคร่าวๆโดยผมจะขอเสนอทั้งในอดีตซึ่งอาจมีหลงเหลือกับปัจจุบันดังนี้เลยครับ

โดยวิธีว่าเส้นไหนนั้นเราจะดูจากสีของสายไฟซึ่งบางที่นั้นอาจทำสัญลักษณ์ไว้ตามส่วนของสายไฟแทนเพื่อให้รู้ว่าสายไหนคือ L1 , L2 ,L3,N,G เพื่อให้เราไม่วัดผิดและเพื่อความปลอดภัยของผู้วัด

ซึ่งสีของสายไลน์ในไฟฟ้า3เฟสนั้นในสมัยก่อนจะใช้สี แดง,เหลือง,น้ำเงิน แสดงความเป็นสาย L1,L2,L3 ตามลำดับส่วนสายนิวทรอลจะใช้เป็นสีดำและสายกราวนด์จะใช้เป็นสีเขียว แต่ในปัจจุบันได้มีการเปลี่ยนสีที่ใช้เรียกสายไลน์เป็นสีแบบใหม่ ล่าสุด ณ วันที่ 1 สิงหาคม 2556 (หลังจากประกาศในราชกิจจาฯ มาแล้ว 270 วัน)โดยกำหนดให้เปลี่ยนสี L1,L2,L3,N,G เป็น สีน้ำตาล,ดำ,เทา,ฟ้า,เขียว ตามลำดับ เพื่อไม่ให้ผู้วัดไม่สับสนกับข้อมูลเราก็ควรรู้สีของสายไฟสมัยก่อนกับสมัยนี้ดังรูปด้านบนเพื่อให้เรานั้นไม่วัดผิดและเป็นอันตรายต่อเราและทรัพย์สินต่อไปจะเป็นภาพตัวอย่างสายไฟในชีวิตจริงที่เราจะได้พบเห็นเราจะได้รู้ว่าในชีวิตจริงเขาใช้แบบไหนทั้งแบบเก่าและแบบใหม่

ตัวอย่างภาพสายไฟในชีวิตจริงทั้งแบบเก่ากับแบบใหม่

ภาพแสดงสีของสายไฟในสมัยเก่า

ภาพจำลองที่ให้สามารถมองง่ายๆว่าสายจะเป็นแบบไหน

ภาพของจริงที่จะได้พบในปัจจุบัน เป็นสายไฟแบบเก่า

ภาพแสดงสายไฟฟ้าปัจจุบันตามมาตรฐาน ณวันที่ 1 สิงหาคม 2556

ซึ่งจากภาพตัวอย่างเราจะสังเกตได้ว่าสายไฟนั้นจะเป็นสีดำปกติแต่ก็จะมีแสดงสัญลักษณ์ตรงปลายขั้วต่อของสายไฟและอาจแต้มสีไปเรื่องๆตามจุดต่างๆของสายไฟหรืออาจจะมีสัญลักษณ์อื่นเช่น ทั่งเส้นเป็นสีนั้นเลย

หรือใช้สีของแคมป์แบงค์แทนในตอนเดินท่อเพื่อให้เรารู้ว่าสายในท่อเป็นสายอะไร

ภาพทั้งหมดนี้เป็นแค่ตัวอย่างสายไฟที่เราจะได้เจอในชีวิตประจำวันดังนั้นประสบการณ์และการลงมือปฏิบัติจริงจะทำให้เรานั้นมีความรู้ว่าเราควรวัดสายไฟตรงไหนสายไหนเป็นสายอะไรต่อไปจะเป็นการอธิบายเกี่ยวกับหลักการทำงานของเครื่องวัตต์มิเตอร์

หลักการทำงานของ วัตต์มิเตอร์

หลักการของ วัตต์มิเตอร์มีอยู่แค่มิเตอร์เครื่องนั้นจะต้องสามารถวัด กระแสกับแรงดันได้ภายในตัวของมันเองเพราะดูจากรูปเราจะเห็นได้ว่าวัตต์มิเตอร์นั้นมีการวัดค่า2จุดก็คือค่าของกระแสกับค่าของแรงดัน (Current Coil , Potential Coil)

โดยถ้าวัดกระแสต้องต่อสายแบบอนุกรมกับสายไฟส่วนการวัดแรงดันต้องต่อขนาดนั้นกับวงจร

ความรู้เสริมเครื่องมิเตอร์ kWh ที่อยู่หน้าบ้านนั้นวัดค่าพลังงานดังนั้นการไฟฟ้าคิดค่าไฟเราจากพลังงานไม่ใช่จากกำลัง หรือกระแส หรือ โวลด์ ซึ่งเจ้าเครื่องนี้เป็นมิเตอร์ประเภท energy meter แต่ยังใช้หลักการ
วัดคล้ายแบบวัตต์มิเตอร์ซึ่งหลายคนอาจเข้าใจผิดได้

ภาพแสดงหลักการการต่อในการวัด

ซึ่งในสมัยนี้เครื่องแบบนี้จะไม่สะดวกต่อการวัดเพราะจากรูปที่เราเห็นคือจะต้องตัดสายไฟเพื่อมาวัดกระแสซึ่งยุ่งยากมากซึ่งมิเตอร์ที่ยังใช้แบบนี้ก็ประเภทพวกวัตต์มิเตอร์หน้าบ้านซึ่งเป็นการวัดแบบฐาวรไปเลยแต่ถ้าเป็นสมัยนี้ที่ใช้วัดเพื่อตรวจสอบก็เป็นมิเตอร์ที่ วัดVปกติส่วนวัดกระแสโดยใช้ แคมป์คล้องดังรูป

วัดกำลังทีละเฟส

การวัดกำลัง 3 เฟสโดยมิเตอร์เครื่องเดียว

ภาพที่เครื่องวัดสามารถส่งข้อมูลมาไว้บนหน้าคอมโดยที่เราไม่ต้องออกไปวัด

ซึ่งภาพพวกนี้ผมแค่อยากให้คุณเห็นว่าในโลกปัจจุบันได้มีการพัฒนาไปไกลมากการที่เราจะมาศึกษาให้ครบทุกตัวคงจะยากเพราะแต่ละตัวมีหลักการทำงานในตัวต่างกันแต่สิ่งที่มิเตอร์ต่างๆเรานี้มีเหมือนกันก็คือหลักการวัดซึ่งถ้าหากเราวัดผิดต่อให้เรามีเครื่องมือดีแค่ไหนมันก็คงไม่ต่างกับเราไม่มีเลย...

ก่อนที่เราจะขึ้นเรื่องหลักการวัด3เฟสด้วยวัตต์มิเตอร์2ตัวนั้นผมขอกล่าวหลักการวัดก่อนเพื่อพอไปถึงบทที่ผมจะอธิบายจะได้เข้าใจตรงกัน

ซึ่งในการวัดสิ่งที่เราควรรู้คือ การวัดค่ากำลังนั้นเราต้องวัดอยู่ในระบบเดียวกันหรือพูดได้อีกแบบก็คือถ้าเราวัดกระแสไลน์ เราก็ต้องวัดค่าความต่างศักย์ไลน์เหมือนกันหรือถ้าเราวัด กระแสที่เฟสเราก็ต้องวัดความต่างศักย์ที่เฟสด้วยเหมือนกัน

... ในที่นี้เราจะเห็นว่าจะมีคำศัพท์มาใหม่คือ LINE ,PHASE คืออะไรสำหรับคนที่ไม่รู้ผมขอกล่างถึงอย่างคร่าวๆว่าระบบไฟฟ้าเราจะแบ่งวงจรของแหล่งจ่ายกับโหลดเป็น2แบบใหญ่ๆคือ star(วาย) , delta

อ้างอิงภาพจาก : ภาควิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร

P = VP IP cosθ หรือ P= V(L)I(L) cosθ

ซึ่งจากสมการนี้เราจะต้องวัดให้อยู่ในระบบเดียวกันส่วนมากปัญหาที่พบคือคนส่วนมากชอบไปวัดโวลต์คร่อมที่ตัวอุปกรณ์ที่อยากรู้กำลังแล้วไปวัด กระแสจากสายไฟโดยการค้องแคมป์เพราะมันง่ายซึ่งในการทำแบบนี้ถ้าหากอุปกรณ์นั้นต่อแบบเดลต้ารูปข้างบนเราจะเห็นว่าโวลต์กับกระแสนั้นจะอยู่ในคนละเทอม์กัน(ความต่างศักย์จะอยู่ในเทอม์ของเฟส ส่วนกระแสจะอยู่ในเทอมของไลน์)ทำให้ค่าที่เราคำนวณนั้นได้ค่าที่ผิดไปจากค่าที่เราต้องการวัดจริงๆซึ่งในกรณีนี้เราจะพบบ่อยมากเพราะเป็นความเคยชินของผู้วัดและก็ขาดการคิดตามหลักการซึ่งผลกระทบจากการวัดผิดนั้นจะส่งผลให้การวิจัยของตัวเองหรือการนำข้อมูลไปใช้นั้นกลายเป็นเรื่องที่ผิดหมดดังนั้นเราควรรอบคอบทุกครั้งในการวัด

เพราะการวัดเปรียบเสมือนเบื้องหลังของความรู้นั้นเอง

การวัดกำลังไฟฟ้านั้นสามารถทำได้หลายวิธีซึ่งแต่ละวิธีนั้นขึ้นอยู่กับว่าสิ่งที่เราวัดนั้นเป็น 3 เฟสแบบไหน

ซึ่งการวัดแบ่งออกได้เป็น 3 แบบ

1.วิธีใช้วัตต์มิเตอร์ 3 เครื่อง

2.วิธีใช้วัตต์มิเตอร์ 2 เครื่อง

3.วิธีใช้วัตต์มิเตอร์ 1 เครื่อง

ซึ่งในบทความนี้ผมขอกล่าวถึงการวัด แบบ 2 watt method ซึ่งจะใช้วัตต์มิเตอร์แค่2ตัวเท่านั้นโดยการใช้ เฟสใดเฟสนึงเป็นเฟสอ้างอิงแล้วที่เราต้องรู้ก็คือการวัดแบบ 2 watt method นั้นจะวัดได้ในกรณี 3เฟส 3สายเท่านั้น

ภาพแสดงการวัดของตัว วัตต์มิเตอร์

ภาพแสดงการวัดแบบ 2 watt method แบบ star – delta

ซึ่งจากรูป ก,ข เราจะเห็นได้ว่าการวัดแบบ two watt method นั้นจะไม่สนใจว่า load ต่อแบบไหนสนใจแค่ว่าวงจรนั้นต้องเป็น 3เฟส 3สาย

ซึ่งกำลังรวม 3 เฟสนั้นจะได้มาจากค่าจากวัตต์มิเตอร์2ตัวรวมกัน

P total = P1 + P2

โดยที่ค่าจากวัตต์มิเตอร์2ตัวนั้นสามารถมีค่าเป็นบวกหรือเป็นลบก็ได้

จากการพิสูจน์ ทฤษฏี กับ การจำลองโดย OrCAD ดังนี้

ภาพจำลองแหล่งจ่ายแต่ละเฟส

การวัดV Line – V Line โดยใช้ V3 เป็นจุดเทียบ

กราฟกระแส

จะเห็นได้ว่าค่าทั้งหมดใน ORCAD นี่เป็นค่าที่สามารถจำลองเป็นกราฟแหล่งจ่าย 3 เฟสของจริงได้ต่อไปผมจะขอเสนอวิธีการวัดแบบ two watt method โดยการจำลองในโปรแกรม ORCAD

Two watt meter method

การวัดกำลัง แบบใช้การวัดแค่2ครั้งโดยให้V3 เป็นตัวอ้างอิง

วัตต์มิเตอร์ตัวที่1

วัดมิเตอร์ตัวที่2

การวัดกำลัง แบบใช้การวัดแค่2ครั้งโดยให้V3 เป็นตัวอ้างอิง

P total = P1 + P2

= (7.2587 + 7.2515)kW = 14.5102 kW

V2 เป็นตัวอ้างอิง

การวัดV Line – V Line โดยใช้ V2 เป็นจุดเทียบ

กราฟกระแส

สรุป I 1 ตาม I 3 อยู่ 120 องศา

การวัดกำลัง แบบใช้การวัดแค่2ครั้งโดยให้V2 เป็นตัวอ้างอิง

การวัดโดยวัตต์มิเตอร์ตัวที่1

การวัดโดยวัตต์มิเตอร์ตัวที่2

การวัดกำลัง แบบใช้การวัดแค่2ครั้งโดยให้V2 เป็นตัวอ้างอิง

P total = P1 + P2

= (7.2611 + 7.2844)kW = 14.545 kW

สรุป จากการจำลอง2ครั้งโดยเปลี่ยนจุดเทียบจากเทียบ V3 และ V2 ทำให้เราเห็นว่าไม่ว่าเราจะเปลี่ยนจุดเทียบนั้นค่าที่ได้จากมิเตอร์สุดท้ายเอามารวมกันก็จะได้กำลังวัตต์รวมของ3เฟส

อันนี้คือการจำลองและคำนวณอ้างอิงการวัดข้างบนว่าค่าที่ได้เป็นค่าที่ถูกต้อง

บทสรุป

ขอสรุปว่าการวัด Two watt method นั้นสามารถใช้วิธีวัดแบบนี้ได้ในกรณีที่เป็นระบบ 3 เฟส3สายทุกกรณีโดยการวัดนั้นต้องมีจุดอ้างอิงเป็นจุดเดียวกันจุดใดจุดนึงจะเป็นเฟส1หรือเฟส2หรือเฟส3ก็ได้แต่ต้องมีจุดอ้างอิงจุดนึงและค่ามาจากค่าบนวัตต์มิเตอร์2ตัวรวมกันจะมีค่าเท่ากับกำลังรวมของ3เฟส

ภาพการทดลองจริงเปรียบเทียบการวัดแบบ two watt meter method

อุปกรณ์ประกอบการทดลอง

1.) ชุดโคมหลอดไฟ 36 ดวง 1 ชุด

2.) Watt meter type 2042 1 ตัว

3.) Power Factor meter type 2039 1 ตัว

4.) Amp meter 1 ตัว

5.) Variac (หม้อแปลงปรับค่าได้) 3 phase 1 ตัว

6.) Junction block 1 ตัว

7.) Circuit Breaker 1 ตัว

โดยการทดลองนี้ผมเอาเนื้อหามาจาก http://zakellta.blogspot.com/2010/12/9-three-phase-power-instrument-and.html ซึ่งได้ทดลองมาแล้วผมจึงขอขอบคุณ ซึ่งเราจะมาดูกันว่าค่ามิเตอร์ที่วัดจาก two watt methodจะเป็นยังไงแล้วนำค่า2อันมารวมกันจะได้เท่ากับ กำลังรวมจริงๆไหม

ซึ่งค่าจากภาพที่3นี้จะเป็นค่าความต่างศักย์และกระแสของแต่ละเฟสซึ่งถ้าเรานำค่า กระแสกับความต่างศักย์ของแต่ละเฟสมาคูณกันจะได้กำลังไฟฟ้าของเฟสนั้นซึ่งเราสามารถคิดจากอันนี้ก็ได้เหมือนกัน

P total = P1 + P2 + P3

= (167.6 * 0.368) + ( 83.3 * 0.770) + ( 144.0 * 0.674 )

=61.67 + 67.14 + 97.056

= 225.866 w

ภาพนี้จะเป็นค่าที่อ่านจากวัตต์มิเตอร์โดยตรงซึ่งภาพทางด้านซ้ายจะเป็นการวัดแบบ 3 เฟสในตัวเดียวส่วนภาพด้านขวามิเตอร์2ตัวเป็นการวัดแบบ two watt method

ซึ่งถ้าเราเอาภาพจากมิเตอร์ด้านซ้าย two watt method มารวมกันจะได้ค่าตรงกับกำลังไฟฟ้ารวม

P total = P1 + P2

= 76.9 + 147.2

=224.1 w

ซึ่งเราจะเห็นได้ว่าค่าที่วัดแบบ two watt meter method นั้นมีค่าเท่ากับกำลังไฟฟ้ารวม 3 เฟส

สุดท้ายนี้ผมขอขอบคุณทุกท่านที่อ่านมาถึงบรรทัดสุดท้ายนี้ผมหวังว่าเนื้อหาที่ผมตั้งใจทำนั้นจะมีประโยชน์ไม่มากก็น้อยกับทุกคนที่อ่านและสนใจและก็ต้องขออภัย ณ ที่นี้ด้วยถ้าหากเนื้อหานั้นมีความผิดพลาด ณ ประการใดก็ตาม

TycoonOz

นาย กิตติภณ ทองพหรม 55070500456 ปี2 ห้อง B -ผู้เขียน

นาย ปวีณ โล่ห์ทอง 55070500426 ปี2 ห้อง A- http://harmonics-pf.blogspot.com/

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

Reference :

http://www.psjenergysave.com/index.php/th/knowledge/articles/216;catid=41

Facebook –ห้องไฟฟ้า

www.stabil.co.th, www.bloggang.com

www.oknation.net

http://www.ideocondo.com/php/new/?p=project-progress-details&ppgid=5&id=7&iyear=2009-08-1

http://www.tatc.ac.th

www.lampangtc.ac.th