พื้นฐานไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current Fundamentals)

ในขณะที่ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) มีค่าคงที่เมื่อเวลาผ่านไป ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) จะกลับทิศทางเป็นระยะๆ รูปแบบของ AC ที่พบได้บ่อยที่สุดและบริสุทธิ์ที่สุดทางคณิตศาสตร์คือ รูปคลื่นไซน์ (sinusoidal waveform) ซึ่งเกิดจากการหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับในโรงไฟฟ้า

รูปคลื่นไซน์ (Sinusoidal Waveforms)

รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าแบบไซน์สามารถอธิบายทางคณิตศาสตร์ในรูปของฟังก์ชันของเวลา ($t$) ได้ดังนี้:

$v(t) = V_m \sin(\omega t + \phi)$

โดยที่:

• $v(t)$ = แรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่เวลา $t$ [โวลต์, V]
• $V_m$ = แอมพลิจูด (แรงดันไฟฟ้าสูงสุด) [โวลต์, V]
• $\omega$ = ความถี่เชิงมุม [เรเดียนต่อวินาที, rad/s]
• $t$ = เวลา [วินาที, s]
• $\phi$ = มุมเฟส [เรเดียน หรือ องศา]

สมการที่คล้ายกันนี้ใช้กับกระแสไฟฟ้าสลับได้เช่นกัน คือ $i(t) = I_m \sin(\omega t + \theta)$

ความถี่และคาบ (Frequency and Period)

สัญญาณจะซ้ำรอยเดิมในช่วงเวลาที่กำหนดเรียกว่า คาบ ($T$) ส่วน ความถี่ ($f$) คือจำนวนรอบที่สัญญาณทำได้ในหนึ่งวินาที

$T = \frac{1}{f}$ $\omega = 2 \pi f = \frac{2 \pi}{T}$

โดยที่:

• $T$ = คาบ [วินาที, s]
• $f$ = ความถี่ [เฮิรตซ์, Hz]

ความถี่ของระบบโครงข่ายไฟฟ้ามาตรฐานโดยทั่วไปคือ 50 Hz (พื้นที่ส่วนใหญ่ในโลก) หรือ 60 Hz (อเมริกาเหนือ)

ค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง (Root Mean Square - RMS)

เนื่องจากสัญญาณ AC เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาและค่าเฉลี่ยในหนึ่งรอบเต็มมีค่าเป็นศูนย์ เราจึงไม่สามารถใช้ค่าเฉลี่ยเพื่อคำนวณกำลังไฟฟ้าที่เป็นประโยชน์ได้ เราจึงใช้ค่า RMS แทน ซึ่งเป็นค่า DC เสมือนที่จะจ่ายกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยให้กับตัวต้านทานได้เท่ากัน

สำหรับคลื่นไซน์บริสุทธิ์ ความสัมพันธ์ระหว่างแอมพลิจูดสูงสุด ($V_m$) และค่า RMS ($V_{rms}$) คือ:

$V_{rms} = \frac{V_m}{\sqrt{2}} \approx 0.707 V_m$

การตรวจสอบทางวิศวกรรม

เมื่อเครื่องใช้ไฟฟ้าหรือแหล่งจ่ายไฟระบุว่า "220 V" หรือ "120 V" ค่าเหล่านี้มักจะเป็นค่า RMS ไม่ใช่ค่าสูงสุด (Peak) ระบบ AC 220 V แท้จริงแล้วมีแรงดันสูงสุดแตะระดับกว่า 311 โวลต์! วิศวกรต้องออกแบบฉนวนและชิ้นส่วนต่างๆ ให้ทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสูงสุด ไม่ใช่เพียงแค่ทนแรงดันไฟฟ้า RMS เท่านั้น\n