เนื้อหาวันที่ : 2010-10-12 14:54:01 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 7062 views

คุณภาพไฟฟ้าของอุตสาหกรรมหลอมเหล็กและรีดเหล็ก ตอนที่ 1

ปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ส่งผลกระทบต่อขบวนการผลิตรีดเหล็ก ไม่ว่าจะเป็น ปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะ (Voltage Sag, Voltage Dip) ปัญหาฮาร์มอนิก (Harmonic) และปัญหาแรงดันกระเพื่อม (Fluctuation) เป็นปัญหาสำคัญที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมเหล็กมากที่สุดในปัจจุบัน

คุณภาพไฟฟ้าของอุตสาหกรรมหลอมเหล็กและรีดเหล็ก
ตอนที่ 1 ปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการผลิตรีดเหล็ก

.

ศักดิ์ชัย นรสิงห์  
sakchai@pea.co.th

.

.

จากประสบการณ์การทำงานในการตรวจสอบและวิเคราะห์ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าให้กับอุตสาหกรรมประเภทหลอมเหล็กและรีดเหล็กในพื้นที่อุตสาหกรรมภาคตะวันออก ซึ่งอาจนับว่าเป็นกลุ่มอุตสาหกรรมเหล็กใหญ่ที่มีปริมาณการใช้ไฟฟ้ารวมสูงสุดในประเทศ ทำให้ทราบถึงปัญหาคุณภาพไฟฟ้าที่สำคัญที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมประเภทหลอมเหล็กและรีดเหล็ก ดังเช่นปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะ (Voltage Sag, Voltage Dip)

.

ปัญหาฮาร์มอนิก (Harmonic) และปัญหาแรงดันกระเพื่อม (Fluctuation) บทความนี้จะกล่าวถึงปัญหาแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่ส่งผลกระทบต่อขบวนการผลิตรีดเหล็ก ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมเหล็กมากที่สุดในปัจจุบัน

.
แรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะ (Voltage Sag, Voltage Dip)   

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

.
แรงดันไฟฟ้า

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

.
มาตรฐานอ้างอิงการทดสอบอุปกรณ์ที่มีขีดความสามารถการทนต่อแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะ 

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

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด