คุณภาพไฟฟ้าของอุตสาหกรรมหลอมเหล็กและรีดเหล็ก
ตอนที่ 1 ปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการผลิตรีดเหล็ก

ศักดิ์ชัย นรสิงห์  
sakchai@pea.co.th

จากประสบการณ์การทำงานในการตรวจสอบและวิเคราะห์ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าให้กับอุตสาหกรรมประเภทหลอมเหล็กและรีดเหล็กในพื้นที่อุตสาหกรรมภาคตะวันออก ซึ่งอาจนับว่าเป็นกลุ่มอุตสาหกรรมเหล็กใหญ่ที่มีปริมาณการใช้ไฟฟ้ารวมสูงสุดในประเทศ ทำให้ทราบถึงปัญหาคุณภาพไฟฟ้าที่สำคัญที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมประเภทหลอมเหล็กและรีดเหล็ก ดังเช่นปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะ (Voltage Sag, Voltage Dip)

ปัญหาฮาร์มอนิก (Harmonic) และปัญหาแรงดันกระเพื่อม (Fluctuation) บทความนี้จะกล่าวถึงปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ส่งผลกระทบต่อขบวนการผลิตรีดเหล็ก ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมเหล็กมากที่สุดในปัจจุบัน

มาตรฐาน IEEE Std. 1159-1995 [1] ให้คำนิยามของแรงดันตกชั่วขณะ (Voltage Sag) คือค่าแรงดันไฟฟ้า rms มีขนาดลดลงระหว่าง 0.1-0.9 pu. ในช่วงเวลาระหว่าง 10 ms–1 min

มาตรฐาน CENELEC-50160 [2] ให้คำนิยามของแรงดันตกชั่วขณะ (Voltage Dip) คือค่าแรงดันไฟฟ้า rms มีขนาดลดลงระหว่าง 0.01-0.9 pu. ในช่วงเวลาระหว่าง 10 ms–1 min

รูปแสดงลักษณะรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่บัส 115 kV สถานีไฟฟ้าระยอง 2

แรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะมีสาเหตุหลักเกิดจากฟอลต์ในระบบไฟฟ้า ซึ่งเป็นวงจรไฟฟ้าอื่นที่อยู่ในระบบไฟฟ้าเดียวกัน และจะเกิดขึ้นในขณะที่ฟอลต์ยังคงอยู่ในระบบ โดยความรุนแรงของแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ในกระบวนการผลิต จะขึ้นอยู่กับความลึกของแรงดันที่ตกลงและระยะเวลาการเกิด

โดยความลึกของแรงดันที่ตกลงจะขึ้นอยู่กับค่ากระแสลัดวงจรของตำแหน่งที่เกิดฟอลต์คือถ้าค่ากระแสลัดวงจรสูงจะเป็นผลทำให้แรงดันยิ่งตกลงมาก และระยะเวลาการเกิดของแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะซึ่งจะขึ้นอยู่กับการตั้งค่าเวลาของอุปกรณ์ป้องกันที่ทำการตัดฟอลต์ออกจากระบบ

ฟอลต์ที่เกิดขึ้นในระบบ 115 kV จะถูกกําจัดภายในเวลาอันรวดเร็วด้วยรีเลย์ระยะทาง (Distance Relay) ที่ถูกตั้งให้ทํางานเป็นแบบ Zone การทํางานใน Zone แรกจะตั้งเป็น แบบทันทีทันใด (Instantaneous) การทํางานใน Zone สองตั้งเวลาไว้ 0.3 วินาที และการทํางานใน Zone ที่สามตั้งเวลาไว้ 0.6 วินาที    

รูปแสดงคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่บัส 115 kV สถานีไฟฟ้าระยอง 2 ของปี 2547

แรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการผลิตของกลุ่มอุตสาหกรรมรีดเหล็กคือ ทำให้อุปกรณ์ในกระบวนการผลิตหยุดการทำงานจากอุปกรณ์ปรับความเร็วมอเตอร์ปลดวงจรออก หรือทำให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหาย ที่พบบ่อยเช่น ฟิวส์ป้องกันกระแสของอุปกรณ์ปรับความเร็วมอเตอร์เป็นฟิวส์แบบอิเล็กทรอนิกส์ (Ultra-Fast-acting Semiconductor Fuses) หรือการ์ดอิเล็กทรอนิกส์ของอุปกรณ์ปรับความเร็วมอเตอร์ชำรุดเสียหาย

รูปแสดงวงจรของอุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์ AC และมอเตอร์ DC และวงจรควบคุม

อุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์ส่วนใหญ่ที่พบในอุตสาหกรรมรีดเหล็ก การป้องกันแรงดันไฟฟ้าจะประกอบไปด้วยส่วนของการป้องกันแรงดันของภาคคอนโทรลและภาคเพาเวอร์ โดยชุดการป้องกันแรงดันของภาคคอนโทรลจะตรวจจับที่ด้านอินพุต (AC) ของชุด Rectifier และภาคอินพุต (AC) ของชุด Inverter   

สำหรับส่วนการป้องกันแรงดันของภาคเพาเวอร์จะตรวจจับที่ DC Bus ส่วนใหญ่การตั้งค่าป้องกันแรงดันไฟฟ้าตกพบว่าภาคเพาเวอร์จะตั้งค่าทนต่อแรงดันตกต่ำกว่าภาคอินพุต (AC) ของชุด Rectifier เมื่อเทียบเป็นร้อยละของแรงดันปกติ     

แนวทางการแก้ไขปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ทำให้อุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์หยุดการทำงาน ส่วนหนึ่งต้องทราบการตั้งค่าป้องกันแรงดันตกแต่ละส่วนของอุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์ เพื่อนำค่าดังกล่าวมาประกอบการพิจารณาการปรับปรุงแก้ไข

สาเหตุที่แรงดัน DC Bus ตกลงต่ำกว่าที่วงจรควบคุมตั้งค่าไว้และสั่งปลดวงจรมีสาเหตุเกิดจาก ขณะที่เกิดแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะและแรงดันไฟฟ้า (p-p) ที่จ่ายไฟเข้า Diode มีค่าต่ำกว่าแรงดัน DC Bus จะทำให้ Diode ไม่นำกระแสด้วยคุณสมบัติของตัวมัน  ทำให้คาปาซิเตอร์ไม่ได้รับการชาร์จประจุ  และจากการใช้พลังงานไฟฟ้าของโหลดทำให้ค่า  DC Bus มีค่าต่ำลง   

ดังนั้นโอกาสการปลดวงจรของอุปกรณ์ควบคุมความเร็วจากกรณีแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะส่วนใหญ่จะเกิดจากฟอลต์แบบสามเฟสในภาวะการใช้โหลดที่เต็มพิกัดจะมีมากกว่าฟอลต์แบบลัดวงจรลงดินเส้นเดียว หรือฟอลต์แบบเฟส–เฟส

รูปแสดงการลดลงของค่าแรงดัน DC Bus จากฟอลต์แบบแบบสามเฟสและฟอลต์แบบลัดวงจรลงดินเส้นเดียว

สำหรับปัญหาฟิวส์ของอุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์ขาดและส่งผลให้ปลดวงจรออก นั้นมีสาเหตุเกิดจากขณะเกิดแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะทำให้แรงดัน DC Bus มีค่าต่ำลงด้วยผลของการใช้พลังงานของมอเตอร์  

และเมื่อแรงดันไฟฟ้ามีค่าปกติคาปาซิเตอร์จะทำการชาร์จประจุทันทีทำให้เกิด Inrush Current เข้ามาในวงจรส่งผลทำให้ฟิวส์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับป้องกันกระแสเกินของอุปกรณ์ Diode ของวงจร Rectifier ขาด ขนาดของ Inrush Current จะขึ้นอยู่พลังงานที่ชาร์จเข้าคาปาซิเตอร์ของ DC Bus หรือค่า Source Impedance และขนาดของแรงดันที่ตกคร่อม DC Bus 

หรือในภาวะที่เกิดแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะทำให้ความเร็วรอบของมอเตอร์ตกลงจะทําให้ความเร็วรอบเหนี่ยวนําที่ขดลวด Stator (e) ลดลงเป็นผลทําให้ความเร็วรอบของ Rotor (r) มีค่ามากกว่า ปรากฏการณ์นี้จะทําให้มีกระแสที่เรียกว่า “Regenerative Current” จํานวนมากไหลย้อนกลับผ่านตัว Diode หรือThyristor

ซึ่งถ้าไม่มีวงจร Regenerative Braking (ทำหน้าที่รับ Regenerative Current และเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน) จะทำให้ฟิวส์อิเล็กทรอนิกส์ด้านขาออกของวงจรขาด ซึ่งมักจะเกิดขึ้นกับลักษณะโหลดที่มีความเฉื่อย

และสำหรับปัญหาฟิวส์ของอุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์ที่ใช้ SCR ของวงจรคอนเวอร์เตอร์ 3 เฟสแบบบริดจ์ เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะ มีสาเหตุจากการควบคุมความเร็วมอเตอร์การควบคุมมุมจุดชนวนThyristorเพื่อควบคุมความเร็วมอเตอร์ต้องอาศัยการตรวจจับแรงดันที่มุมศูนย์

การเกิดแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะไม่สมดุลจะทำให้เกิด Phase – angle Jumps ทำให้มุมศูนย์ที่ตรวจจับได้ผิดพลาดจะส่งผลทำให้มุมจุดชนวนไทริสเตอร์ผิดพลาด ทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างเฟสและส่งผลทำให้ฟิวส์ขาดได้

 รูปแสดงฟิวส์ป้องกันกระแสเกินของอุปกรณ์ควบคุมความเร็วรอบ

และส่วนหนึ่งที่ทำให้อุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์ปลดวงจรออกสาเหตุจากแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะ อาจมีสาเหตุเกิดจากภาคควบคุมภายนอกของอุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์ ซึ่งประกอบไปด้วย PLC และอุปกรณ์ประกอบดังเช่น Magnetic Contactor และ Auxiliary Relay หรือ Emergency Machine Off (EMO)  

เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้จะไวต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้ามากกว่าค่าการป้องกันแรงดันไฟฟ้าตกของ DC Bus ซึ่งถ้ากรณีมีแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะแล้วถ้าอุปกรณ์ตัวใดตัวหนึ่งหยุดการทำงานหรือปลดตัวเองออกก็จะส่งผลทำให้อุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์ปลดตัวเองออกจากกระบวนการผลิตด้วยเช่นกัน

ปัจจุบันได้มีหน่วยงานและสถาบันทางไฟฟ้าที่สำคัญได้ให้ความสำคัญกับเรื่องแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะมาก โดยทำการศึกษาและทดสอบความทนได้ของอุปกรณ์ดังกล่าวต่อแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะหรือมีการกำหนดเป็นมาตรฐานอ้างอิง ดังเช่นรายงานการศึกษา CHARACTERIZING THE IMPACT OF POWER QUALITY ON PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER WITH AND WITHOUT POWER-CONDITIONING DEVICES ของ Public Interest Energy Research Program (PIER) ร่วมกับ Electric Power Research Institute (EPRI)

ผลจากการทดสอบในส่วนของที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันคือส่วน DC Power Supply ของ PLC ดังเช่น ผลิตภัณฑ์ SIEMENS รุ่น TI 545 สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะได้ไม่ต่ำกว่า 59 % ของแรงดันปกติที่เวลา  940 ms และผลิตภัณฑ์ OMRON สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะได้ไม่ต่ำกว่า 65 % ของแรงดันปกติที่เวลา 900 ms

SEMI Curve คือมาตรฐานจากกลุ่มผู้ผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (The Semiconductor Equipment and Materials International Group) เพื่อใช้ประเมินผลกระทบเฉพาะปัญหาแรงดันตกชั่วขณะต่อส่วนประกอบของอุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น

โดยได้กําหนดเป็น มาตรฐานที่เป็นทางการภายใต้ชื่อ SEMI Standard F-47 Curve ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตตามมาตรฐานนี้จะต้องทนต่อขนาดแรงดันตกชั่วขณะที่ลดลงเหลือ 50% ได้นาน 0.2 วินาที ทนต่อขนาดแรงดันตกชั่วขณะที่ลดลงเหลือ 70% ได้นาน 0.5 วินาที และทนต่อขนาดแรงดันตกชั่วขณะที่ลดลงเหลือ 80% ได้นาน 1 วินาที       

นอกจากนั้นกลุ่มผู้ผลิตชิ้น ส่วนอิเล็กทรอนิกส์ยังได้กําหนดมาตรฐานเพื่อใช้สําหรับการทดสอบทั้งในส่วนของขั้นตอนการทดสอบ ความปลอดภัย และการนําเสนอผลการทดสอบภายใต้ชื่อ SEMI Standard F-42 ซึ่งจะสัมพันธ์กับ SEMI Standard F -47

ITIC Curve คือมาตรฐานจากองค์กรทางด้านเทคโนโลยีอุตสาหกรรม (The Information Technology Industry Council) เพื่อกําหนดขีดจํากัดความทนได้ของอุปกรณ์ในลักษณะเดียวกับ CBEMA Curve แต่จะมีความสอดคล้องกับเทคโนโลยีสมัยใหม่มากขึ้น รวมทั้งสามารถประเมินขีดจํากัดของอุปกรณ์ได้ทั้งกรณีแรงดันเกินชั่วขณะ (Voltage Swell) และแรงดันตกชั่วขณะ (Voltage Sag) หรือแม้กระทั่งแรงดันเกินในสภาวะชั่วครู่ (Transient)

โดยอุปกรณ์ที่ผ่านการทดสอบตามมาตรฐานนี้ จะต้องสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันในย่านที่เรียกว่า “Voltage-Tolerance Envelop” ได้ โดยไม่เกิดการทํางานที่ผิดพลาดหรือต้องปลดตัวเองออกจากวงจร

จากที่กล่าวมาจะเห็นว่าการป้องกันแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ถูกต้องตามหลักวิศวกรรมกรรมและเหมาะสมต่อการลงทุน จำเป็นต้องใช้ข้อมูลจำนวนหนึ่งมาประกอบในการแก้ไขปัญหา ดังเช่นข้อมูลความรุนแรงของแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะ (ลักษณะฟอลต์, ความลึกแรงดันตก, ระยะเวลา) การตั้งค่าของอุปกรณ์ควบคุมความเร็วรอบมอเตอร์

ค่าขีดความสามารถการทนต่อแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะของอุปกรณ์คอนโทรล และอุปกรณ์ที่นำมาติดตั้งเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มขีดความสามารถการทนต่อแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะ ในบทความหน้าจะเป็นกรณีศึกษาการแก้ปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ทำขึ้นจริงและได้ผลของโรงรีดเหล็กแห่งหนึ่ง ซึ่งจะมีความเข้าใจแนวทางการแก้ไขปัญหาแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะมากขึ้น