หน้าแรก คลังความรู้ เวกเตอร์ วิเคราะห์วงจร AC
Vectors: Forces, Fields & Phasors ดูครบทุกส่วน · 20 หน้า 1 · พื้นฐานเวกเตอร์ 2D / 3D 4 · ไฟฟ้า: สนามและเฟสเซอร์ 5 · ห้องแล็บและเครื่องมือ
// เวกเตอร์ · ส่วนที่ 4 · AC circuit analysis with phasors
วิเคราะห์วงจรไฟฟ้ากระแสสลับด้วยเฟสเซอร์
บทนี้คือจุดที่ทุกอย่างมาบรรจบ: เวกเตอร์ (การบวกหัวต่อหาง) ตรีโกณมิติ (กฎโคไซน์) และจำนวนเชิงซ้อน (การคูณหาร) รวมเป็นวิธีวิเคราะห์วงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่วิศวกรใช้ทุกวัน ตั้งแต่มอเตอร์ในบ้าน วงจร RLC เรโซแนนซ์ การแก้เพาเวอร์แฟกเตอร์ในโรงงาน ไปจนถึงวงจรกรองสัญญาณ ทุกตัวอย่างตรวจด้วยตัวเลขและเปิดในแล็บได้ทันที
สรุปใน 30 วินาที
Z R = R , Z L = j ω L , Z C = 1 j ω C = − j ω C Z_R=R,\ Z_L=j\omega L,\ Z_C=\dfrac{1}{j\omega C}=-\dfrac{j}{\omega C} Z R = R , Z L = jω L , Z C = jω C 1 = − ω C j ; V = Z I \mathbf V=Z\mathbf I V = Z I
KVL/KCL เป็นการบวกเวกเตอร์ — ผลรวมขนาดไม่เท่ากับขนาดผลรวม
S = V I ∗ = P + j Q \mathbf S=\mathbf V\mathbf I^*=P+jQ S = V I ∗ = P + j Q , PF = cos ( φ v − φ i ) \cos(\varphi_v-\varphi_i) cos ( φ v − φ i )
เรโซแนนซ์ f 0 = 1 / ( 2 π L C ) f_0=1/(2\pi\sqrt{LC}) f 0 = 1/ ( 2 π L C ) , Q = ω 0 L / R Q=\omega_0L/R Q = ω 0 L / R , แรงดันคร่อม L และ C = Q เท่าของแหล่งจ่าย
ค้นหาสูตรในหน้านี้ โหมดฝึกทำ: ซ่อนวิธีทำ
1. ขั้นตอนวิเคราะห์ห้าขั้น พื้นฐาน
① เขียนแหล่งจ่ายเป็นเฟสเซอร์ → ② แปลง R L C เป็น Z → ③ แก้วงจรเหมือน DC แต่ใช้จำนวนเชิงซ้อน → ④ วาดแผนภาพเฟสเซอร์ตรวจ → ⑤ แปลงกลับเป็น v(t), i(t) / หากำลัง
กฎของโอห์ม การต่ออนุกรม-ขนาน ตัวแบ่งแรงดัน KVL KCL nodal และ mesh analysis ที่เรียนในวงจร DC ใช้ได้ทั้งหมด เพียงแต่ตัวเลขทุกตัวเป็นจำนวนเชิงซ้อน (เวกเตอร์สองมิติที่คูณหารได้) ทักษะที่ต้องฝึกคือ การคำนวณเฟสเซอร์ และการวาดแผนภาพเพื่อตรวจคำตอบ
2. อิมพีแดนซ์และแอดมิตแตนซ์ พื้นฐาน
Z1 Element impedances อิมพีแดนซ์ของ R L C
Z R = R , Z L = j ω L = j X L , Z C = 1 j ω C = − j X C , X L = 2 π f L , X C = 1 2 π f C Z_R=R,\qquad Z_L=j\omega L=jX_L,\qquad Z_C=\frac{1}{j\omega C}=-jX_C,\qquad X_L=2\pi fL,\quad X_C=\frac{1}{2\pi fC} Z R = R , Z L = jω L = j X L , Z C = jω C 1 = − j X C , X L = 2 π f L , X C = 2 π f C 1
R: แรงดันร่วมเฟสกับกระแส · L: แรงดันนำหน้า 90° · C: แรงดันตามหลัง 90° (ELI the ICE man) X_L เพิ่มตามความถี่ X_C ลดตามความถี่
Z2 Combining impedances อนุกรม ขนาน และแอดมิตแตนซ์
Z series = ∑ Z k , 1 Z par = ∑ 1 Z k , Z = R + j X = ∣ Z ∣ ∠ θ Z , Y = 1 Z = G + j B Z_{\text{series}}=\sum Z_k,\qquad \frac{1}{Z_{\text{par}}}=\sum\frac{1}{Z_k},\qquad Z=R+jX=|Z|\angle\theta_Z,\qquad Y=\frac1Z=G+jB Z series = ∑ Z k , Z par 1 = ∑ Z k 1 , Z = R + j X = ∣ Z ∣∠ θ Z , Y = Z 1 = G + j B
θ_Z > 0 = วงจรแบบเหนี่ยวนำ (กระแสตามหลัง) θ_Z < 0 = แบบตัวเก็บประจุ ขนานหลายสาขาใช้ Y บวกกันง่ายกว่า
3. วงจร RL อนุกรม: มอเตอร์ในบ้าน พื้นฐาน
ตัวอย่าง Z-1 · มอเตอร์ 220 V 50 Hz
มอเตอร์จำลองเป็น R = 30 Ω อนุกรม L = 127 mH ต่อกับ 220∠0° V (RMS) 50 Hz จงหากระแส มุมเฟส กำลัง และ PF
X L = 2 π ( 50 ) ( 0.127 ) = 39.90 Ω X_L=2\pi(50)(0.127)=39.90\ \Omega X L = 2 π ( 50 ) ( 0.127 ) = 39.90 Ω → Z = 30 + j 39.90 = 49.92 ∠ 53.06 ∘ Ω Z=30+j39.90=49.92\angle53.06^\circ\ \Omega Z = 30 + j 39.90 = 49.92∠53.0 6 ∘ Ω
I = 220 ∠ 0 ∘ 49.92 ∠ 53.06 ∘ = 4.407 ∠ − 53.06 ∘ \mathbf I=\dfrac{220\angle0^\circ}{49.92\angle53.06^\circ}=4.407\angle-53.06^\circ I = 49.92∠53.0 6 ∘ 220∠ 0 ∘ = 4.407∠ − 53.0 6 ∘ A กระแสตามหลัง 53°
S = V I ∗ = 220 ( 4.407 ∠ 53.06 ∘ ) = 969.6 ∠ 53.06 ∘ = 582.7 + j 775.0 \mathbf S=\mathbf V\mathbf I^*=220(4.407\angle53.06^\circ)=969.6\angle53.06^\circ=582.7+j775.0 S = V I ∗ = 220 ( 4.407∠53.0 6 ∘ ) = 969.6∠53.0 6 ∘ = 582.7 + j 775.0 VA
PF = cos 53.06° = 0.601 ตามหลัง — P = 582.7 W (ตรวจ: I 2 R = 4.407 2 × 30 I^2R=4.407^2\times30 I 2 R = 4.40 7 2 × 30 ✓)
I = 4.41 A ตามหลัง 53.1° · P = 583 W · Q = 775 var · PF = 0.60
4. วงจร RLC อนุกรมและ KVL เชิงเวกเตอร์ กลาง
Z3 Series RLC วงจร RLC อนุกรม
Z = R + j ( X L − X C ) , I = V s Z , V s = V R + V L + V C ( บวกเวกเตอร์ ) , V k = V s Z k Z Z=R+j(X_L-X_C),\qquad \mathbf I=\frac{\mathbf V_s}{Z},\qquad \mathbf V_s=\mathbf V_R+\mathbf V_L+\mathbf V_C\ \ (\text{บวกเวกเตอร์}),\qquad \mathbf V_k=\mathbf V_s\frac{Z_k}{Z} Z = R + j ( X L − X C ) , I = Z V s , V s = V R + V L + V C ( บวกเวกเตอร์ ) , V k = V s Z Z k
ตัวอย่าง Z-2 · แรงดันคร่อม C มากกว่าแหล่งจ่าย
R = 30 Ω, L = 127 mH, C = 53 μF ต่ออนุกรมกับ 220∠0° V 50 Hz จงหากระแสและแรงดันคร่อมแต่ละตัว
X L = 39.90 Ω X_L=39.90\ \Omega X L = 39.90 Ω , X C = 1 / ( 2 π ⋅ 50 ⋅ 53 × 10 − 6 ) = 60.06 Ω X_C=1/(2\pi\cdot50\cdot53\times10^{-6})=60.06\ \Omega X C = 1/ ( 2 π ⋅ 50 ⋅ 53 × 1 0 − 6 ) = 60.06 Ω
Z = 30 + j ( 39.90 − 60.06 ) = 30 − j 20.16 = 36.14 ∠ − 33.90 ∘ Ω Z=30+j(39.90-60.06)=30-j20.16=36.14\angle-33.90^\circ\ \Omega Z = 30 + j ( 39.90 − 60.06 ) = 30 − j 20.16 = 36.14∠ − 33.9 0 ∘ Ω (แบบตัวเก็บประจุ)
I = 220 / 36.14 ∠ − 33.90 ∘ = 6.087 ∠ 33.90 ∘ \mathbf I=220/36.14\angle-33.90^\circ=6.087\angle33.90^\circ I = 220/36.14∠ − 33.9 0 ∘ = 6.087∠33.9 0 ∘ A กระแสนำหน้า
V R = 182.6 ∠ 33.90 ∘ \mathbf V_R=182.6\angle33.90^\circ V R = 182.6∠33.9 0 ∘ , V L = 6.087 ∠ 33.90 ∘ × 39.90 ∠ 90 ∘ = 242.8 ∠ 123.90 ∘ \mathbf V_L=6.087\angle33.90^\circ\times39.90\angle90^\circ=242.8\angle123.90^\circ V L = 6.087∠33.9 0 ∘ × 39.90∠9 0 ∘ = 242.8∠123.9 0 ∘ , V C = 365.6 ∠ − 56.10 ∘ \mathbf V_C=365.6\angle-56.10^\circ V C = 365.6∠ − 56.1 0 ∘ V
KVL ตรวจแบบเวกเตอร์: ( 151.6 + j 101.8 ) + ( − 135.5 + j 201.6 ) + ( 203.9 − j 303.4 ) = 220.0 + j 0 (151.6+j101.8)+(-135.5+j201.6)+(203.9-j303.4)=220.0+j0 ( 151.6 + j 101.8 ) + ( − 135.5 + j 201.6 ) + ( 203.9 − j 303.4 ) = 220.0 + j 0 ✓ แต่ผลรวมขนาด 182.6 + 242.8 + 365.6 = 791 V
I = 6.09∠33.9° A · V_C = 366 V มากกว่าแหล่งจ่าย 220 V — ต้องเลือกพิกัดแรงดันตัวเก็บประจุจากค่านี้ ไม่ใช่ 220 V
แผนภาพเฟสเซอร์ KVL ของวงจร RLC อนุกรม V_R ร่วมเฟสกับกระแส V_L ตั้งฉากนำหน้า V_C ตั้งฉากตามหลัง ต่อหัวต่อหางได้ V_s ตามแกนจริง
Re Im
V_R
V_L
V_C
V_s = 220∠0°
I ∥ V_R (นำหน้า 33.9°)
หัวต่อหาง: V_R → V_L → V_C ปลายสุดตรงกับ V_s V_L ⟂ I นำหน้า 90° V_C ⟂ I ตามหลัง 90° |V_C| = 366 V > |V_s|
KVL ของวงจร AC คือรูปหลายเหลี่ยมเวกเตอร์ปิด เหมือนรูปหลายเหลี่ยมแรงบนโต๊ะแรง (สเกลประมาณ)
5. วงจรขนานและ KCL เชิงเวกเตอร์ กลาง
Z4 Parallel branches วงจรขนาน
I = I R + I L + I C = V ( 1 R + 1 j ω L + j ω C ) = V Y \mathbf I=\mathbf I_R+\mathbf I_L+\mathbf I_C=\mathbf V\Big(\frac1R+\frac{1}{j\omega L}+j\omega C\Big)=\mathbf V\,Y I = I R + I L + I C = V ( R 1 + jω L 1 + jω C ) = V Y
ตัวอย่าง Z-3 · ฮีตเตอร์ + บัลลาสต์ + ตัวเก็บประจุ
220∠0° V 50 Hz ต่อขนาน R = 44 Ω (ฮีตเตอร์ 1.1 kW), L = 0.14 H และ C = 30 μF จงหากระแสสายรวม
I R = 5 ∠ 0 ∘ \mathbf I_R=5\angle0^\circ I R = 5∠ 0 ∘ , I L = 220 / ( j 43.98 ) = − j 5.002 \mathbf I_L=220/(j43.98)=-j5.002 I L = 220/ ( j 43.98 ) = − j 5.002 , I C = j ( 314.16 ) ( 30 × 10 − 6 ) ( 220 ) = j 2.073 \mathbf I_C=j(314.16)(30\times10^{-6})(220)=j2.073 I C = j ( 314.16 ) ( 30 × 1 0 − 6 ) ( 220 ) = j 2.073 A
KCL: I = 5 − j 2.929 = 5.795 ∠ − 30.36 ∘ \mathbf I=5-j2.929=5.795\angle-30.36^\circ I = 5 − j 2.929 = 5.795∠ − 30.3 6 ∘ A
Z = 220 / I = 37.97 ∠ 30.36 ∘ Ω Z=220/\mathbf I=37.97\angle30.36^\circ\ \Omega Z = 220/ I = 37.97∠30.3 6 ∘ Ω , PF = cos 30.36° = 0.863 ตามหลัง
I = 5.80 A — น้อยกว่าผลรวมขนาด 5 + 5 + 2.07 = 12.07 A มาก เพราะ I_L กับ I_C หักล้างกัน
6. กำลังเชิงซ้อนและสามเหลี่ยมกำลัง กลาง
Z5 Complex power กำลังเชิงซ้อน (เฟสเซอร์ RMS)
S = V I ∗ = P + j Q , P = V I cos θ , Q = V I sin θ , ∣ S ∣ = V I , PF = P ∣ S ∣ = cos θ , θ = φ v − φ i \mathbf S=\mathbf V\mathbf I^*=P+jQ,\qquad P=VI\cos\theta,\quad Q=VI\sin\theta,\quad |\mathbf S|=VI,\quad \text{PF}=\frac{P}{|\mathbf S|}=\cos\theta,\ \ \theta=\varphi_v-\varphi_i S = V I ∗ = P + j Q , P = V I cos θ , Q = V I sin θ , ∣ S ∣ = V I , PF = ∣ S ∣ P = cos θ , θ = φ v − φ i
ใช้ conjugate ของกระแสเพื่อให้มุมของ S เท่ากับความต่างเฟส ไม่ใช่ผลบวกเฟส P (W) ทำงานจริง Q (var) ไหลไปกลับ |S| (VA) คือขนาดที่สายและหม้อแปลงต้องรองรับ — สามเหลี่ยมกำลัง
Z6 Power-factor correction แก้ PF ด้วยตัวเก็บประจุขนาน
Q C = P ( tan φ 1 − tan φ 2 ) , C = Q C ω V 2 Q_C=P(\tan\varphi_1-\tan\varphi_2),\qquad C=\frac{Q_C}{\omega V^2} Q C = P ( tan φ 1 − tan φ 2 ) , C = ω V 2 Q C
ตัวอย่าง Z-4 · แก้ PF ของมอเตอร์ Z-1 เป็น 0.95
มอเตอร์ P = 582.7 W, PF 0.601 ตามหลัง ที่ 220 V 50 Hz ต้องใช้ตัวเก็บประจุขนานเท่าใด กระแสสายเหลือเท่าใด
tan φ 1 = tan ( arccos 0.601 ) = 1.330 \tan\varphi_1=\tan(\arccos0.601)=1.330 tan φ 1 = tan ( arccos 0.601 ) = 1.330 , tan φ 2 = tan ( arccos 0.95 ) = 0.3287 \tan\varphi_2=\tan(\arccos0.95)=0.3287 tan φ 2 = tan ( arccos 0.95 ) = 0.3287
Q C = 582.7 ( 1.330 − 0.3287 ) = 583.4 Q_C=582.7(1.330-0.3287)=583.4 Q C = 582.7 ( 1.330 − 0.3287 ) = 583.4 var
C = 583.4 / ( 314.16 × 220 2 ) = 38.4 μ C=583.4/(314.16\times220^2)=38.4\ \mu C = 583.4/ ( 314.16 × 22 0 2 ) = 38.4 μ F → เลือกค่ามาตรฐาน 40 μF
เวกเตอร์กระแส: I = I motor + I C \mathbf I=\mathbf I_{\text{motor}}+\mathbf I_C I = I motor + I C ส่วนจินตภาพตามหลังถูก I_C หักล้าง กระแสสายลดจาก 4.41 A เหลือ 2.79 A
C ≈ 38 μF (ใช้ 40 μF ได้ PF 0.961) — กระแสลด 37% กำลังจริงเท่าเดิม ลองตัวอย่าง “แก้ PF ด้วย C” ในแล็บ
7. เรโซแนนซ์ Q และแบนด์วิดท์ ขั้นสูง
Z7 Series resonance เรโซแนนซ์อนุกรม
ω 0 = 1 L C , f 0 = 1 2 π L C , Q = ω 0 L R = 1 R L C , BW = f 0 Q = R 2 π L , ∣ V L ∣ = ∣ V C ∣ = Q ∣ V s ∣ \omega_0=\frac{1}{\sqrt{LC}},\quad f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}},\quad Q=\frac{\omega_0L}{R}=\frac{1}{R}\sqrt{\frac LC},\quad \text{BW}=\frac{f_0}{Q}=\frac{R}{2\pi L},\quad |\mathbf V_L|=|\mathbf V_C|=Q|\mathbf V_s| ω 0 = L C 1 , f 0 = 2 π L C 1 , Q = R ω 0 L = R 1 C L , BW = Q f 0 = 2 π L R , ∣ V L ∣ = ∣ V C ∣ = Q ∣ V s ∣
ที่ f₀ เฟสเซอร์ V_L กับ V_C ยาวเท่ากันและชี้สวนกัน หักล้างกันพอดี Z = R ต่ำสุด กระแสสูงสุดร่วมเฟส วงจรขนานกลับกัน: อิมพีแดนซ์สูงสุด
ตัวอย่าง Z-5 · เรโซแนนซ์ที่ 159 Hz
R = 10 Ω, L = 100 mH, C = 10 μF ต่ออนุกรมกับแหล่งจ่าย 10 V จงหา f₀, Q, BW และแรงดันคร่อม L ที่เรโซแนนซ์
f 0 = 1 / ( 2 π 0.1 × 10 − 5 ) = 159.2 f_0=1/(2\pi\sqrt{0.1\times10^{-5}})=159.2 f 0 = 1/ ( 2 π 0.1 × 1 0 − 5 ) = 159.2 Hz
Q = ω 0 L / R = ( 1000 ) ( 0.1 ) / 10 = 10 Q=\omega_0L/R=(1000)(0.1)/10=10 Q = ω 0 L / R = ( 1000 ) ( 0.1 ) /10 = 10 , BW = 159.2 / 10 = 15.9 \text{BW}=159.2/10=15.9 BW = 159.2/10 = 15.9 Hz
I = 10 / 10 = 1 I=10/10=1 I = 10/10 = 1 A, ∣ V L ∣ = ∣ V C ∣ = Q V = 100 |\mathbf V_L|=|\mathbf V_C|=QV=100 ∣ V L ∣ = ∣ V C ∣ = Q V = 100 V
แหล่งจ่าย 10 V แต่ L และ C แต่ละตัวมี 100 V — อันตรายจริงในตัวกรองฮาร์มอนิกและวงจรเรโซแนนซ์ ดู ฮาร์มอนิกกับตู้คาปาซิเตอร์
8. ตัวแบ่งแรงดันเชิงซ้อน: วงจรกรองความถี่ต่ำ RC กลาง
Z8 RC low-pass filter ตัวแบ่งแรงดันเชิงซ้อน
H ( j ω ) = V o V i = Z C R + Z C = 1 1 + j ω R C , f c = 1 2 π R C , ∣ H ( f c ) ∣ = 1 2 , ∠ H ( f c ) = − 45 ∘ H(j\omega)=\frac{\mathbf V_o}{\mathbf V_i}=\frac{Z_C}{R+Z_C}=\frac{1}{1+j\omega RC},\qquad f_c=\frac{1}{2\pi RC},\qquad |H(f_c)|=\frac{1}{\sqrt2},\ \angle H(f_c)=-45^\circ H ( jω ) = V i V o = R + Z C Z C = 1 + jω RC 1 , f c = 2 π RC 1 , ∣ H ( f c ) ∣ = 2 1 , ∠ H ( f c ) = − 4 5 ∘
ตัวอย่าง Z-6 · กรองสัญญาณเซนเซอร์
R = 1 kΩ, C = 0.1 μF จงหา f_c และอัตราขยายที่ 1 kHz
f c = 1 / ( 2 π ⋅ 1000 ⋅ 10 − 7 ) = 1591.5 f_c=1/(2\pi\cdot1000\cdot10^{-7})=1591.5 f c = 1/ ( 2 π ⋅ 1000 ⋅ 1 0 − 7 ) = 1591.5 Hz
ที่ 1 kHz: ω R C = 0.6283 \omega RC=0.6283 ω RC = 0.6283 → H = 1 / ( 1 + j 0.6283 ) = 0.8467 ∠ − 32.14 ∘ H=1/(1+j0.6283)=0.8467\angle-32.14^\circ H = 1/ ( 1 + j 0.6283 ) = 0.8467∠ − 32.1 4 ∘
ผ่าน 84.7% ของแอมพลิจูด ล่าช้า 32° — ต่อยอดที่ กราฟโบด
9. เฟสเซอร์สามเฟส: เวกเตอร์สามตัวที่รวมเป็นศูนย์ กลาง
Z9 Balanced three-phase set เฟสเซอร์สามเฟสสมดุล
V a = V ∠ 0 ∘ , V b = V ∠ − 120 ∘ , V c = V ∠ 120 ∘ , V a + V b + V c = 0 , V a b = 3 V ∠ 30 ∘ \mathbf V_a=V\angle0^\circ,\ \mathbf V_b=V\angle-120^\circ,\ \mathbf V_c=V\angle120^\circ,\qquad \mathbf V_a+\mathbf V_b+\mathbf V_c=\mathbf 0,\qquad \mathbf V_{ab}=\sqrt3\,V\angle30^\circ V a = V ∠ 0 ∘ , V b = V ∠ − 12 0 ∘ , V c = V ∠12 0 ∘ , V a + V b + V c = 0 , V ab = 3 V ∠3 0 ∘
สามเวกเตอร์ที่ห่างกัน 120° ต่อหัวต่อหางเป็นสามเหลี่ยมด้านเท่าปิดพอดี กระแสสายนิวทรัลของโหลดสมดุลจึงเป็นศูนย์ แรงดันระหว่างสาย 230 × √3 = 400 V — ต่อใน เฟสเซอร์และระบบสามเฟส
10. แล็บวงจร RLC ด้วยเฟสเซอร์ พื้นฐาน
เลือกวงจรและปรับ R L C f แล้วดูแผนภาพเฟสเซอร์ (KVL/KCL ต่อหัวต่อหาง) รูปคลื่น v(t), i(t) สามเหลี่ยมกำลัง และกราฟผลตอบสนองเชิงความถี่ ปุ่มด้านบนโหลดตัวอย่าง Z-1, Z-5 และ Z-4 ให้ทันที ลากความถี่ผ่าน f₀ แล้วดูว่า V_L กับ V_C สลับกันยาวกว่า
เปิด JavaScript เพื่อใช้แล็บ
อยากต่อวงจรเองแบบลากสายไฟ ใช้ PhET Circuit Construction Kit: AC และ Falstad Circuit Simulator ในหน้าเครื่องมือระดับโลก แล้วเทียบตัวเลขกับแล็บนี้
11. ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
ข้อผิดพลาด วิธีป้องกัน
ใช้ f แทน ω ใน X_L = ωL X_L = 2πfL ลืม 2π ผิดไป 6.28 เท่า
Z_C = jωC Z_C = 1/(jωC) = −j/(ωC) ตัวเก็บประจุให้รีแอกแตนซ์ติดลบ
บวกขนาดแรงดันหรือกระแส KVL/KCL ต้องบวกเฟสเซอร์ (Z-2, Z-3)
S = VI (ไม่ conjugate) มุมของ S ต้องเป็น φ v − φ i \varphi_v-\varphi_i φ v − φ i ใช้ I ∗ \mathbf I^* I ∗
เลือกพิกัด C จากแรงดันแหล่งจ่าย วงจรอนุกรมใกล้เรโซแนนซ์ V_C = Q V_s
ใช้เฟสเซอร์กับโหลดที่มีฮาร์มอนิก แยกวิเคราะห์ทีละความถี่ หรือใช้ อนุกรมฟูเรียร์
12. แบบฝึกหัดพร้อมเฉลย
R = 40 Ω อนุกรม C = 50 μF ที่ 230 V 50 Hz จงหา Z, I และ PF
วงจร Z-2 ต้องการให้เรโซแนนซ์ที่ 50 Hz ต้องเปลี่ยน C เป็นเท่าใด กระแสจะเป็นเท่าใด?
โหลด 5 kW PF 0.7 ตามหลังที่ 400 V 50 Hz ต้องการ PF 0.95 ใช้ Q_C เท่าไร?
V = 100 ∠ 20 ∘ \mathbf V=100\angle20^\circ V = 100∠2 0 ∘ V, I = 5 ∠ − 25 ∘ \mathbf I=5\angle-25^\circ I = 5∠ − 2 5 ∘ A จงหา P Q และ PF
เปิดเฉลย
X_C = 63.66 Ω, Z = 40 − j63.66 = 75.18∠−57.86° Ω, I = 3.059∠57.86° A, PF = 0.532 นำหน้า
C = 1/(ω²L) = 1/(314.16² × 0.127) = 79.8 μF, I = 220/30 = 7.33 A ร่วมเฟส
tan φ₁ = 1.0202, tan φ₂ = 0.3287 → Q_C = 5000 × 0.6915 = 3.46 kvar
S = 100∠20° × 5∠25° = 500∠45° → P = 353.6 W, Q = 353.6 var, PF = 0.707 ตามหลัง
13. สรุปสูตร
หัวข้อ สูตร
Z1 –Z2 อิมพีแดนซ์R , j ω L , 1 / ( j ω C ) R,\ j\omega L,\ 1/(j\omega C) R , jω L , 1/ ( jω C ) ; อนุกรมบวก Z ขนานบวก Y
Z3 RLC อนุกรมZ = R + j ( X L − X C ) Z=R+j(X_L-X_C) Z = R + j ( X L − X C ) , KVL เวกเตอร์
Z4 ขนานI = V Y \mathbf I=\mathbf V\,Y I = V Y , KCL เวกเตอร์
Z5 –Z6 กำลังS = V I ∗ \mathbf S=\mathbf V\mathbf I^* S = V I ∗ , Q C = P ( tan φ 1 − tan φ 2 ) Q_C=P(\tan\varphi_1-\tan\varphi_2) Q C = P ( tan φ 1 − tan φ 2 )
Z7 เรโซแนนซ์f 0 = 1 / ( 2 π L C ) f_0=1/(2\pi\sqrt{LC}) f 0 = 1/ ( 2 π L C ) , Q = ω 0 L / R Q=\omega_0L/R Q = ω 0 L / R
Z8 วงจรกรองH = 1 / ( 1 + j ω R C ) H=1/(1+j\omega RC) H = 1/ ( 1 + jω RC )
Z9 สามเฟส∑ V = 0 \sum\mathbf V=\mathbf 0 ∑ V = 0 , V L = 3 V ϕ V_L=\sqrt3V_\phi V L = 3 V ϕ
คำถามที่พบบ่อย อิมพีแดนซ์ของ R L C คืออะไร? ตัวต้านทาน Z_R = R ตัวเหนี่ยวนำ Z_L = jωL = jX_L ตัวเก็บประจุ Z_C = 1/(jωC) = −jX_C โดย X_L = 2πfL และ X_C = 1/(2πfC) อิมพีแดนซ์ใช้แทนความต้านทานในกฎของโอห์ม V = ZI และต่ออนุกรม-ขนานได้เหมือนตัวต้านทาน แต่เป็นจำนวนเชิงซ้อน
ทำไมแรงดันคร่อมตัวเก็บประจุในวงจร RLC อนุกรมมากกว่าแรงดันแหล่งจ่ายได้? เพราะ KVL ในวงจร AC เป็นการบวกเวกเตอร์ แรงดันคร่อม L นำหน้ากระแส 90° แรงดันคร่อม C ตามหลัง 90° สองตัวนี้หักล้างกันบางส่วน แต่ละตัวจึงอาจใหญ่กว่าแรงดันรวมได้มาก โดยเฉพาะใกล้เรโซแนนซ์ที่แรงดันคร่อม L และ C เท่ากับ Q เท่าของแหล่งจ่าย
แก้เพาเวอร์แฟกเตอร์ด้วยตัวเก็บประจุคำนวณอย่างไร? หากำลังจริง P และมุม φ₁ ปัจจุบัน เลือก PF เป้าหมาย φ₂ แล้ว Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂) ค่าความจุ C = Q_C/(ωV²) ต่อขนานกับโหลด ตัวเก็บประจุให้กระแสนำหน้าที่ไปหักล้างกระแสตามหลังของโหลดแบบเหนี่ยวนำ กระแสในสายจึงลดลงแต่กำลังจริงเท่าเดิม
ความถี่เรโซแนนซ์คืออะไร? ความถี่ที่ X_L = X_C คือ f₀ = 1/(2π√(LC)) วงจรอนุกรมจะมีอิมพีแดนซ์ต่ำสุดเท่ากับ R กระแสสูงสุดและร่วมเฟสกับแรงดัน ส่วนวงจรขนานจะมีอิมพีแดนซ์สูงสุด ใช้ในวงจรกรองความถี่ วิทยุ และตัวกรองฮาร์มอนิก
มด
อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์
บทความอ่านง่ายเกี่ยวกับหัวข้อนี้
ดูบทความทั้งหมด →