Energy Meter ( Watt hour meter )

การวัดและเครื่องวัดพลังงาน

เมื่อเราคำนวณกำลังที่สูญเสียในโหลดในช่วงเวลาที่กำหนดเราจะได้รับพลังงานงานที่ใช้ไปซึ่งเขียนได้ในรูป

เมื่อวัดช่วงเวลา   (t2 – t1) เป็นวินาที  v เป็นโวลต์ และ I เป็นแอมแปร์ พลังงาน W จะมีหน่วยเป็น   วัตต์ – วินาที หรือก็คือ จูล (joule) หน่วยที่นิยมใช้วัดพลังงาน คือ กิโลวัตต์ – ชั่วโมง ซึ่งหมายถึงการใช้กำลัง 1,000 วัตต์ เป็นเวลา  1  ชั่วโมง

มาตรวัดวัตต์ – ชั่วโมงแบบทอมสัน (Thomson)

เป็นมาตรวัดที่พัฒนาโดย Elihu Thomson ในปี 1889 แม้ว่าจะมีจุดประสงค์เพื่อที่จะพัฒนาเป็นมาตรวัด วัตต์ – ชั่วโมง กระแสสลับ แต่ปัจจุบันจะใช้วัดพลังงานกระแสตรงเป็นหลัก

(รูปที่ 8.34)

โดยหลักการทำงานของเครื่องวัดนี้ก็คือ มอเตอร์เล็กๆ ซึ่งมีความเร็วที่ขณะใดขณะหนึ่งนั้นจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังที่ผ่านตัวมัน ดังนั้นจำนวนรอบทั้งหมดต่อหนึ่งช่วงเวลา ก็จะเป็นสัดส่วนกับพลังงานทั้งหมดที่ถูกใช้ไปในช่วงเวลานี้ (รูปที่ 8.34)

S1  จะต่อกับขดลวด FF ซึ่งทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็ก ขด FF นี้จะมี 2 ชุดต่ออนุกรมกัน และ ต่ออนุกรมกับโหลด ขนาดของขดลวดนี้ต้องใหญ่ เพื่อสามารถนำกระแสสูงเท่าที่โหลดต้องการ และต้องต่อให้สนามเสริมกัน อาร์เมเจอร์ก็จะหมุนอยู่ในสนามที่เกิดขึ้นนี้

S2 ต่อกับโหลดโดยตรง แรงดันที่ตกคร่อมอาร์เมเจอร์ คือ แรงดันของสายส่ง (Line Voltage)  เพราะว่ามันต่อผ่านขดสนามชดเชย F และ R ค่าน้อยๆ ดังนั้นกระแสในอาร์เมเจอร์จะเป็นสัดส่วนกับแรงดันกระแสส่ง

ถ้าสนามอาร์เมเจอร์ป็นสัดส่วนกับแรงดันของสายส่ง สนามแม่เหล็กโดยรอบเป็นสัดส่วนกับกระแสโหลด ดังนั้นแรงบิดที่เกิดขึ้นจะต้องเป็นสัดส่วนกับผลคูณของ EL , IL หรือจะกล่าวได้ว่า แรงบิดจะขึ้นอยู่กับกำลังที่ผ่านเครื่องวัดสู่โหลด

ถ้าต้องการเครื่องวัดค่ากระแสที่ถูกต้อง จะมีแรงบิดที่มาหน่วงแรงบิดที่เกิดขึ้นในส่วนที่เคลื่อนที่แรงนี้จะต้องเป็นสัดส่วนกับความเร็วในการหมุนของส่วนที่เคลื่อนที่ เพื่อให้เกิดสภาวะนี้จะต้องมีแผ่นอลูมีเนียม (D) ติดบนแกนของอาร์เมเจอร์ จานนี้จะหมุนระหว่างขั้วแม่เหล็กถาวร (M) เมื่อจานตัดผ่านสนามของแม่เหล็กถาวรจะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ถูกเหนี่ยวนำ ทำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำในจาน สนามแม่เหล็กของกระแสเหนี่ยวนำจะกระทำกับสนาม (ของ M) ทำให้การหมุนของจานช้าลง ความเข้ม (Strength) ของสนามแม่เหล็กที่มาต้านนี้ เป็นสัดส่วนกับความเร็วเชิงมุม (Angular Velocity) ของจาน เพราะว่ามันกระทำกับความเข้มข้นสนามที่คงที่ (ของ M) ดังนั้นผลของการหน่วงจะเป็นสัดส่วนกับความเร็วของการหมุน

ขด F ถูกต่อเข้าไปในลักษณะให้สนามแม่เหล็กของมันเสริมกับของขด FF เพื่อเอาชนะความฝืด แม้ว่าจะต้องทำให้จานหมุนเบาที่สุดเท่าที่จะเบาได้ แต่ความฝืดไม่สามารถที่จะถูกกำจัดไปได้อย่างสิ้นเชิง จึงยังคงต้องให้ขด F เพิ่มเข้าไปด้วย ส่วนที่หมุนจะได้ถูกต่อ (ทางกล) ไปยังส่วนที่แสดงจำนวนรอบการหมุนที่อ่านออกมาเป็นค่าพลังงานที่ใช้ไป

มาตรวัดวัตต์ – ชั่วโมงแบบเหนี่ยวนำ

เป็นมาตรวัดวัตต์ชั่วโมงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน มาตรวัดแบบนี้พัฒนาโดย Schallenberger ในปี 1888 มาตรวัดแบบนี้มีราคาไม่แพง และ ทำงานด้วยความถูกต้องเป็นเวลานาน โดยเกือบที่เราจะไม่ต้องทำการบำรุงรักษา นอกจากนั้นมันยังไม่ถูกกระทบกระเทือนโดยการเปลี่ยนโหลดอย่างมาก  การเปลี่ยนของตัวประกอบกำลัง ตลอดจนสิ่งแวดล้อม  มันจะบันทึกพลังงานที่โหลดใช้ไปโดยการนับจำนวนรอบที่จานอะลูมิเนียมหมุนไป การหมุนของอะลูมิเนียมเนื่องจากกำลังที่ผ่านมาตรวัด

หลักการทำงาน

มอเตอร์เหนี่ยวนำซึ่งเอาต์พุตถูกดูดกลืนโดยระบบเบรกของมันและสูญเสียอยู่ในรูปของความร้อนเรื่องบิดที่ทำให้จานอลูมิเนียมหมุน จะเนื่องมาจากปฏิกิริยาระหว่างกระแสวนที่ถูกเหนี่ยวนำในจานกับสนามแม่เหล็ก แรงบิดที่ขณะใดๆจะหาได้จาก

T  = K1 ω∅_im∅_2m sinα

เมื่อ  ∅_im = ∅_I  เป็นเส้นแรงที่เกิดโดยขดลวดกระแส  ∅_2m  = ∅_v เป็นเส้นแรงที่เกิดโดยขดของแรงดัน α เป็นมุมที่ต้องการระหว่าง  ∅_im กับ ∅_2m (ปกติ ∅_v  กับ V จะทำมุมไม่เท่ากับ 90 องศา พอดี เนื่องจากความต้านทานของขดลวด)

ดังนั้น จะใส่แหวน (Shaded Ring) ที่ขากลาง เพื่อทำหน้าที่ปรับให้เส้นแรง ∅_v ทำมุมกับแรงดันที่ป้อนเท่ากับ 90 องศา

จากแผนภาพเฟสเซอร์ เส้นแรงที่กำเนิดโดยขดลวดกระแส จะมีเฟสเดียวกันกับกระแส ขดลวดแรงดันมีความเหนี่ยวนำสูง และ มีค่า L โดยมีความต้านทานที่ตัดทิ้งได้ เมื่อต่อคร่อมแรงดันต้นกำเนิด ทำให้กระแสในขดแรงดันเท่ากับ V/ ωL ดังนั้น    ∅_v    α  V/ ωL  และจะตามแรงดันที่ป้อน 90 องศา ถ้าให้ I ตาม V อยู่เท่ากับ  ∅ ดังนั้นมุมเฟสระหว่าง ∅_I และ ∅_v คือ α โดย

α  =  (90 - ∅ )

ดังนั้นจะแทนลงในสมการ  T  = K1 ω∅_im∅_2m sinα

จะได้   T = VI cos∅

แรงบิดต้านจะมาจากการเบรกแบบกระแสวน เนื่องจากแม่เหล็กสำหรับเบรกซึ่งอยู่ห่างจากชุดขดลวดกระแสและแรงดัน เพื่อหลีกเลี่ยงการกวนของสนาม เมื่อจานหมุนไปตัดสนามแม่เหล็กสำหรับเบรกจะเหนี่ยวนำกระแสวนขึ้น ทำให้เกิดแรงบิดที่จำเป็น แรงบิดในการเบรก

เมื่อ 

       ∅  คือ เส้นแรงของแม่เหล็กสำหรับเบรก

                                                N  คือ ความเร็วของจาน

                                                R   คือ ความต้านทานของทางเดินกระแสวน   ถ้า ∅  และ R คงที่

Tb  α  N

งานจะได้รับความเร็วคงที่ N เมื่อแรงบิดทั้ง 2 เท่ากัน นั่นคือเมื่อ

T  =  Tb  และ N  α  VI cos∅  

ดังนั้น ความเร็วของการหมุนจานจะเป็นสัดส่วนกับกำลังเฉลี่ยในช่วงเวลาที่กำหนด  จำนวนรอบการหมุน N dt   จะเป็นสัดส่วนกับ W dt    ซึ่งก็คือพลังงานที่ใช้ไป

watt hour meter



วัตต์ฮาวร์มิเตอร์ ส่วนใหญ่เป็นเครื่องวัดที่ทํางานด้วยการเหนี่ยวนําไฟฟ้า ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อวัดปริมาณกําลังไฟฟ้ากระแสสลับทั้งในบ้านเรือน และในโรงงานอุตสาหกรรม โดยมีหน่วยวัดพลังงานไฟฟ้าเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง (Kilowatt-hour) สามารถจําแนกตามระบบไฟฟ้าได้ 2 ประเภท ดังนี้ 

วัตต์ฮาวร์มิเตอร์ 1 เฟส (single phase watt-hour meter) มีหลักการทํางานเหมือนกับวัตต์มิเตอร์ชนิดที่ทํางานด้วยการเหนี่ยวนําไฟฟ้า และมีส่วนประกอบที่เหมือนกันคือ ขดลวดกระแสไฟฟ้า (Current coil) และขดลวดแรงดันไฟฟ้า (Potential coil)ส่วนที่แตกต่างกันก็คือในวัตต์มิเตอร์จะแสดงค่าด้วยการบ่ายเบนของเข็มชี้ ซึ่งใช้ชี้ค่าบนสเกลส่วนวัตต์ฮาวร์มิเตอร์จะแสดงค่าโดยใช้แม่เหล็กเหนี่ยวนําให้เกิดกระแสไหลวนทําให้จานหมุนและใช้ชุดเฟืองไปขับชุดตัวเลขหรือชุดเข็มชี้ให้แสดงค่าออกมาบนหน้าปัทม์ 

1). โครงสร้าง ดังรูปประกอบด้วยขดลวดกระแสต่ออนุกรมกับโหลด และขดลวดแรงดันต่อขนานกับโหลด ขดลวดทั้งสองชุดจะพันอยู่บนแกนเหล็กที่ออกแบบโดยเฉพาะและมีจานอะลูมิเนียมบาง ๆ ยึดติดกับแกนหมุน วางอยู่ในช่องว่างระหว่างขดลวดทั้งสอง 

รูป โครงสร้างของวัตต์ฮาวร์มิเตอร์ 1 เฟส แบบเหนี่ยวนําไฟฟ้า 

2). หลักการทํางาน ขดลวดกระแสและขดลวดแรงดันทําหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กส่งผ่านไปยังจานอะลูมิเนียมที่วางอยู่ระหว่างขดลวดทั้งสอง ทําให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนํา และมีกระแสไหลวน (Eddy current) เกิดขึ้นในจานอะลูมิเนียม แรงต้านระหว่างกระแสไหลวน และสนามแม่เหล็กของขดลวดแรงดันจะทําให้เกิดแรงผลักขึ้น จานอะลูมิเนียมจึงหมุนไปได้ ที่แกนของจานอะลูมิเนียมจะมีเฟืองติดอยู่ เฟืองนี้จะไปขับชุดตัวเลขที่หน้าปัทม์ของเครื่องวัด แรงผลักที่เกิดขึ้นจะเป็นสัดส่วนระหว่างความเข้มของสนามแม่เหล็กของขดลวดแรงดันและกระแสไหลวนในจานอะลูมิเนียม และขึ้นอยู่กับจํานวนรอบของขดลวดด้วย ส่วนจํานวนรอบการหมุนของจานอะลูมิเนียมขึ้นอยู่กับการใช้พลังงานไฟฟ้าของโหลด 

3) การนําไปใช้งาน การต่อวัตต์ฮาวร์มิเตอร์หรือกิโลวัตต์ฮาวร์มิเตอร์เพื่อใช้วัด ปริมาณพลังงานไฟฟ้า ดังรูปโดยด้านที่ต่อกับแหล่งจ่ายจะมีตัวเลขกํากับไว้ คือ 1S และ 2S ส่วนด้านที่ต่อไปยังโหลดจะมีตัวเลขกํากับไว้คือ 1L และ 2L ตัวอักษร S ย่อมาจากคําว่า“Supply” หมายถึงด้านที่จ่ายไฟเข้า ส่วนอักษร L ย่อมาจากคําว่า “Load” หมายถึงด้านที่ต่อกับโหลดไฟฟ้า ส่วนตัวเลข 1 หมายถึงต่อกับสายไฟ (Line) และเลข 2 หมายถึง สายนิวทรอล (Neutral) 

วัตต์ฮาวร์มิเตอร์ 3 เฟส แบบ 3 จานหมุนและ 2 จานหมุน 

1).ส่วนประกอบ เครื่องวัดแบบนี้มีส่วนประกอบเหมือนกับวัตต์มิเตอร์ชนิด 3 เฟส หรือ อาจจะเอาวัตต์ฮาวร์มิเตอร์หนึ่งเฟส 3 ตัวมาประกอบร่วมกันเป็น วัตต์ฮาวร์มิเตอร์สามเฟส 

2).หลักการทํางาน อาศัยการทํางานเหมือนกับวัตต์มิเตอร์ชนิดเหนี่ยวนําไฟฟ้า 

3).การนําไปใช้งาน การต่อใช้งานวัตต์ฮาวร์มิเตอร์สามเฟสแบบ 3 จานหมุนดังรูปหรืออาจจะนําวัตต์ฮาวร์มิเตอร์หนึ่งเฟส 2 ตัวมาประกอบร่วมกันเป็นกิโลวัตต์ฮาวร์มิเตอร์ 3 เฟส แบบ 2 จานหมุน

รูป วงจรการต่อวัตต์ฮาวร์มิเตอร์ชนิดอาศัยการเหนี่ยวนำไฟฟ้า แบบ 2 จานหมุน

รูป วงจรการต่อวัตต์ฮาวร์มิเตอร์ชนิดอาศัยการเหนี่ยวนำไฟฟ้า แบบ 3 จานหมุน

เครื่องวัดพลังงานไฟฟ้า (KILOWATT HOUR METER)

เป็นเครื่องวัดสำหรับวัดการใช้พลังงานไฟฟ้ามี หน่วยวัดเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง (kW-hrs) ซึ่งจะมีค่าเท่ากับ 1000 วัตต์ ใน 1 ชั่วโมง และอุปกรณ์ที่วัดนี้มีชื่อเรียกว่า กิโลวัตต์ – ชั่วโมง มิเตอร์ ( Kilowatt – Hour Meter ) หรือ วัตต์อาว์มิเตอร์ สัญลักษณ์ Kwh ใช้สำหรับวัดพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไปในแต่ละชั่วโมง เรียกว่า กิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือ ยูนิต ( Unit )มักใช้เป็นเครื่องวัดหน่วยการใช้ไฟฟ้าในอาคาร บ้านเรือน หรือโรงงานอุตสาหกรรมทั่ว ๆ ไป

ดังนั้นจึงสามารถนำค่าพลังงานที่วัดมาได้มาใช้ในการคำนวนเรียกเก็บค่าใช้จ่ายไฟฟ้าในแต่ละเดือน

สามารถคำนวนหาค่าพลังงานที่ถูกใช้ไปได้จากสูตรดังต่อไปนี้

พลังงานที่ถูกใช้ไป  =    กำลังไฟฟ้า  x เวลา   --------- สมการที่ 1

                  

       W = Pt              (Watt-hr)                    ----------สมการที่ 2

โดยปกติหน่วยของพลังงานไฟฟ้า   เป็นวัตต์.วินาที    ถ้านำมาใช้กับพลังงานที่ใช้  จะไม่เหมาะสม เพราะเป็นหน่วยเล็ก  ในทางปฏิบัติจึงคิดพลังงานไฟฟ้าเป็นกิโลวัตต์.ชั่วโมง 

 ตัวอย่างการคำนวณอย่างง่าย

จงคำนวณหาค่าพลังงานไฟฟ้าถ้าหลอดไฟขนาด 100 วัตต์ ถูกเปิดไว้นาน 10 ชั่วโมง

วิธีทำ

จากสมการที่ 2
                            แทนค่าจะได้ W =   0.1kW x 10 hr  =  1 kW- hr 

ตอบ             ค่าพลังงานไฟฟ้าที่ถูกใช้ไปเป็นจำนวน  1 กิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือ 1 ยูนิต

ข้อระมัดระวังและการบำรุงรักษาวัตต์มิเตอร์

1. การวัดค่ากำลังไฟฟ้าในวงจร ควรศึกษาการใช้งานวัตต์มิเตอร์ให้เข้าใจเป็นอย่างดีก่อน

2. ต้องคำนึงถึงขั้วการวัดตามคู่มือของวัตต์มิเตอร์ที่นำไปวัดด้วย ถ้านำสายวัตต์มิเตอร์ไปวัดต่อผิดขั้ว ก็จะทำให้ค่ากำลังที่ได้ผิดพลาดหรืออาจทำความเสียหายได้

3. ในการวัดต้องคำนึงถึงย่านวัดด้วย เนื่องจากค่าที่ได้จากเข็มชี้ต้องนำมาคูณกับตัวคูณซึ่งค่าคูณในแต่ละย่านวัดมีค่าไม่เท่ากัน

4. ในการปรับย่านวัดแต่ละครั้ง ควรนำสายวัดออกจากจุดวัดก่อนเสมอ

5. ป้องกันมิให้วัตต์มิเตอร์ได้รับการกระทบกระเทือน ฝุ่นละออง ความชื้นและความร้อน

6. ในการวัดต้องระมัดระวังอันตรายจากไฟฟ้าดูดได้ โดยเฉพาะในย่านการวัดกำลังที่ค่าแรงดันสูง ๆ

การคำนวณหาค่าไฟ

1. มิเตอร์จะมีอยู่หลายแบบ ถ้ามิเตอร์ตามบ้านจะเป็น 220 V เข้าออกตรง จะอ่านตัวเลข 4 ตัวและทศนิยม 1 ตัว ทุกครั้ง และเอาตัวเลขปลายเดือนลบด้วยตัวเลขต้นเดือน ก็จะได้ค้า หน่วย/เดือน(kWh/เดือน) จะได้ปริมาณมาแล้วเอาไปคูณ กับจำนวนเงินบาทต่อหน่วย เช่น ต้นเดือนจดได้ 2222.3 ปลายเดือนจดได้ 3333.3 ก็จะได้ 3333.3-2222.3 = 1111 kWh(หน่วย) แล้วเอาไปคูณกับจำนวนเงิน/หน่วย ถ้า 7 บาท/หน่วย ก็ = 1111 X 7 = 7,777 บาท/เดือน

2.มิเตอร์แบบ 3 เฟส เข้าออกตรงจะมีตัวเลข 5 ตัวจะไม่มีทศนิยม ก็มีไฟเข้า 3+N และออก 3+N เท่ากัน สังเกตุจะมีรูอยู่ 8 รูเข้าสายไฟ การอ่านก็ เอาตัวเลขที่จดได้ปลายเดือน ลบด้วยตัวเลขที่จดได้ต้นเดือน ก็จะได้ kWh/เดือน(หน่วย/เดือน) แล้วเอาไปคูณกับจำนวนเงินต่อหน่วยได้เลย



3.มิเตอร์ 3 เฟสแบบคล้อง CT มิเตอร์จะมีตัวเลข 4 ตัวและทศนิยม 1 ตัว ทุกครั้งสังเกตุมี 10 รูเข้าสายไฟ วิธีการอ่านก็จะหาค่า CT ที่เราเอามาคล้องก่อนถ้า CT = 1000/5 ตัวคูณมิเตอร์ก็จะ = 200 (CTคือตัวเเปลงกระแส เพราะเราไม่มีมิเตอร์ตัวใหญ่ๆ) การอ่านเอาตัวเลขปลายเดือนลบด้วยตัวเลขต้นเดือน ก็จะได้ตัวเลขขึ้นมาแล้วค่อยเอาไปคุณกับตัวคูณ ถ้าในตัวอย่างก็ = 200 จึงจะได้ kWH/เดือน(หน่วย/เดือน)แล้วเอาไปคูณกับจำนวนเงินต่อหน่วย เช่น ต้นเดือนจดได้ 2222.3 ปลายเดือนจดได้ 3333.3 ก็จะได้ 3333.3-2222.3 = 1111 แล้วเอาไปคูณตัวคูณ คือ 200 ก็จะ = 1111.0 X 200 = 222,200 kWH/เดือน(หน่วย/เดือน) แล้วเอาไปคูณกับจำนวนเงิน/หน่วย ถ้า 3.5 บาท/หน่วย ก็ = 222,200 X 3.5 = 777,700 บาท/เดือน

เอกสารอ้างอิง

1). การวัดและเครื่องวัดไฟฟ้า  รศ.ดร. เอก   ไชยสวัสดิ์

2). http://www.bloggang.com/viewdiary.php?id=yaovarit&month=07-                    2013&date=22&group=1&gblog=12

3).   http://www.tice.ac.th/Online/Online2-2547/nuttapong/nutt3.htm

4). http://www.vcharkarn.com/vcafe/54325

5). http://www.neutron.rmutphysics.com/teaching-glossary/index.php?option=com_content&task=view&id=8596&Itemid=12

6).  http://www.thaigoodview.com/library/studentshow/2549/khonkhan/electric/content/
11_4.htm

                                                                                                      
                                                                                 จัดทำโดย
                                             นายสุภศิน  พรพงศ์ไพศาล และ นายภาณุพงศ์  ชาญกิจกรรณ์  
                                                      นักศึกษาชั้นปีที่ 2       ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า 
                                                         มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี