เนื้อหาวันที่ : 2007-03-15 18:03:12 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 6406 views

ปัญหาทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้า

กระบวนการในการปรับปรุงคุณภาพกำลังไฟฟ้า เราจะต้องทราบถึงปัญหาทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้ากันเสียก่อน บทความฉบับนี้จะนำเสนอปัญหาทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้าโดยเบื้องต้น เพื่อต้องการให้ทราบถึงปัญหาที่เกิดขึ้นในระบบงาน ณ ปัจจุบัน นำไปสู่การศึกษา วิเคราะห์ลงในรายละเอียดในกระบวนต่อ ๆ ไป

.

กระบวนการในการปรับปรุงคุณภาพกำลังไฟฟ้า เราจะต้องทราบถึงปัญหาทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้ากันเสียก่อน บทความฉบับนี้จะนำเสนอปัญหาทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้าโดยเบื้องต้น เพื่อต้องการให้ทราบถึงปัญหาที่เกิดขึ้นในระบบงาน ณ ปัจจุบัน นำไปสู่การศึกษา วิเคราะห์ลงในรายละเอียดในกระบวนต่อ ๆ ไป

.

สัญญาณแห่งปัญหาที่เข้ามาทำให้ระบบงานไม่ได้รับกำลังไฟฟ้าที่มีคุณภาพ สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งจากการไหลเข้ามาของปัญหาจากภายนอกระบบงาน และสามารถก่อกำเนิดขึ้นเองภายในระบบงาน สัญญาณแห่งปัญหา (Disturbances) สามารถจำแนกตามพฤติกรรมได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ด้วยกัน ได้แก่ สัญญาณแห่งปัญหาในลักษณะชั่วขณะ (Transient) กับสัญญาณแห่งปัญหาที่เกิดขึ้นอย่างคงที่ (Steady State) ความหลากหลายของปัญหาทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้า ถึงแม้จะมีความแตกต่างกันไปตามแต่ชนิดของปัญหา แต่ทว่าปัญหาเหล่านี้สามารถสร้างผลกระทบให้ระบบงานได้รับความเสียหายที่ไม่แตกต่างกัน ตลอดถึงส่งผลให้ประสิทธิภาพการดำเนินงานที่ต่ำลง สิ้นเปลืองงบประมาณ   ไม่มีความปลอดภัยอย่างพอเพียงต่อเจ้าหน้าที่ผู้ปฏิบัติงาน เป็นต้น

.

ระบบงานในปัจจุบันต่างก็ประกอบด้วยโหลดประเภทอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงเป็นส่วนใหญ่ (Sensitive Electronics Equipment) ซึ่งระบบงานในลักษณะนี้มีความเปราะบาง อ่อนไหวง่าย เสียหายได้โดยง่าย เมื่อกำลังไฟฟ้าไม่มีคุณภาพ ดังเป็นที่ประจักษ์อยู่ในงานภาคสนามอยู่บ่อยครั้ง

.

เมื่อเงื่อนไขของระบบงานเปลี่ยนแปลงไปจากอดีต (ความทนทานต่ำลง + ไม่เชิงเส้น) ความสำคัญในเรื่องการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้าจึงถูกหยิบเลือกขึ้นมา เพื่อนำไปสู่ผลประโยชน์สูงสุดอันจะเกิดขึ้นกับตัวระบบงานเอง

. 

หากอ้างอิงตามมาตรฐานของ IEC ส่วนงานที่เกี่ยวกับการปรับปรุงคุณภาพกำลังไฟฟ้า จะจัดส่วนเป็นส่วนงานหนึ่งของส่วนงาน EMC (Electromagnetic Compatibility) (Power Quality เป็น Subset ของกรอบงาน EMC) ตัวแปรที่ใช้ในการแยกเนื้องานคุณภาพกำลังไฟฟ้าออกมาพิจารณา นั่นก็คือ ความถี่ โดยเนื้องานทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้าจะอยู่ในกรอบความถี่ต่ำ (<1 MHz) ดังนั้นหากมองให้เชิงบูรณาการแล้ว การปรับปรุงคุณภาพกำลังไฟฟ้ายังคงมิใช่สูตรสำเร็จที่จะทำให้ระบบงานของเราเกิดประสิทธิภาพผลและประสิทธิภาพสูงสุด 

. 

สัญญาณแห่งปัญหาทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้า

.

-  ไฟกระโชก (Surge)

ไฟกระโชกหรือที่รู้จักกันในอีกชื่อ คือ อิมพัลส์ (Impulse) หรือ Spike ลักษณะโดยทั่วไปของไฟกระโชกจะมีช่วงเวลาการเกิดขึ้นสั้น (Short Duration) อยู่ในย่านไมโครวินาทีถึงมิลลิวินาที มีค่าขนาดสูง มีช่วงเวลาการไต่ขึ้น (Rise Time) และตก (Fall Time) ที่เร็วมาก ลักษณะรูปคลื่นของไฟกระโชกสามารถเป็นได้ทั้งในลักษณะอิมพัลส์ หรืออาจจะมีลักษณะเป็นรูปคลื่นออสซิเลชั่น

.

รูปที่ 1 แสดงลักษณะของไฟกระโชก

. 

แหล่งกำเนิดไฟกระโชกโดยส่วนใหญ่มีอยู่ 2 แหล่งด้วยกัน ได้แก่ ปรากฏการณ์ฟ้าผ่าและการสวิตชิ่ง (Switching) สำหรับแหล่งกำเนิดไฟกระโชกจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่า จะมีลักษณะการเกิดโดยกระแสฟ้าผ่าถูกยิงลงสู่สายตัวนำโดยตรงนำไปสู่การอินดิวซ์ (Induce) หรือเกิดจากการคัปเปิล (Couple) จากคลื่น Electromagnetic ตัวอย่างเช่น สายจ่ายกำลังไฟฟ้าหลัก (Main AC Line) สายสัญญาณต่าง ๆ ฯลฯ โดยธรรมชาติของสายตัวนำเหล่านี้จะมีค่าอิมพีแดนซ์อยู่ค่าหนึ่งเสมอ ซึ่งในมิติของไฟกระโชกจะเรียกว่าค่า Surge Impedance เมื่อกระแสฟ้าผ่าถูกยิงลงสู่ผิวของตัวนำ จะส่งผลให้เกิดการอินดิวซ์ (Induce) ขึ้นตามผิวของตัวนำ ก่อให้เกิดเป็นแรงดันไฟกระโชก (Surge Voltage) ขึ้นมา

. 

แรงดันไฟกระโชกอันสืบเนื่องมากจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่า มิได้หมายความว่า แรงดันไฟกระโชกที่เกิดขึ้นตามสายตัวนำ จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อมีกระแสฟ้าผ่าถูกยิงลงสู่ผิวของสายตัวนำเท่านั้น เพราะโดยธรรมชาติของกระแสฟ้าผ่าเมื่อถูกดิสชาร์จลงสู่บริเวณระบบงาน จะส่งผลให้บริเวณโดยรอบของระบบงานเกิดคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic) ขึ้นมา เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้แพร่กระจายไปกระทบกับผิวของสายตัวนำใด ๆ จะก่อให้เกิดการคัปเปิล (Couple) ขึ้นที่ผิวของสายตัวนำ และก่อให้เกิดเป็นแรงดันไฟกระโชก (Surge Voltage) ตามมาในลำดับต่อไป

. 

สำหรับแหล่งกำเนิดไฟกระโชกแหล่งใหญ่อีกแหล่งหนึ่ง นั่นก็คือ การสวิตชิ่ง (Switching) การสวิตชิ่งที่ก่อให้เกิดไฟกระโชกที่รุนแรง สามารถพบเจอได้ในระบบงานที่มีความเกี่ยวข้องกับไฟฟ้าแรงสูง (เช่นโรงงานรีดเหล็ก) การสวิตชิ่งของเครื่องแปลงรูปกำลังไฟฟ้า (Power Rectifier, Power Inverter) ตลอดถึงการสวิตชิ่งจากผลการทำงานของวัสดุป้องกัน (ฟิวส์, เบรกเกอร์) เมื่อเกิดเหตุการณ์ฟอลต์ขึ้นในระบบไฟฟ้า

. 

การสวิตชิ่งก่อให้เกิดแรงดันไฟกระโชกได้อย่างไร ? พฤติกรรมของการสวิตชิ่งมีอยู่ด้วยกัน 2 สภาวะ คือ สภาวะต่อกับสภาวะตัด สภาวะในลักษณะการต่อก็เหมือนกับการลัดวงจรไฟฟ้า ส่วนสภาวะการตัดก็เหมือนกับการเปิดวงจรไฟฟ้า พฤติกรรมในการทำงานของเครื่องมือและอุปกรณ์ในลักษณะสวิตชิ่ง (ตลอดถึงการเกิดฟอลต์) ถึงแม้ว่าตัวมันจะเป็นต้นเหตุที่ก่อให้เกิดไฟกระโชก แต่ไม่ได้หมายความว่า ตัวมันคือแหล่งจ่ายไฟกระโชกแต่อย่างไร ไฟกระโชกที่เกิดขึ้นจะถูกจ่ายออกมาจากหรือปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้ามาจากวัสดุเก็บพลังงานไฟฟ้า ซึ่งได้แก่ ตัวคาปาซิเตอร์ และอินดักเตอร์นั่นเอง (ทั้งที่เป็นตัวจริง ๆ และที่เป็นประเภทแอบแฝง)

. 

รูปที่ 2 แสดงแรงดันไฟกระโชกที่เกิดจากการสวิตชิ่ง (กราวด์ฟอลต์)

. 

-  แรงดัน Sag และแรงดัน Swell

หากอ้างอิงนิยามของแรงดัน Sag (Sag Voltage) ตาม IEEE Std. 1100-1992 จะได้ว่า การลดลงของค่าขนาดแรงดันไฟฟ้าในหน่วยวัด RMS ที่ความถี่กำลังไฟฟ้าปกติ (50Hz) เป็นช่วงเวลาตั้งแต่ครึ่งไซเกิลถึง 2-3 วินาที โดยลักษณะของการเกิดแรงดัน Sag สามารถพิจารณาได้จากรูปที่ 3

. 

รูปที่ 3 แสดงลักษณะของแรงดัน Sag

. 

สาเหตุหนึ่งของการเกิดแรงดัน Sag ได้แก่ การเริ่มต้นทำงาน (หมุน) ของมอเตอร์ ในช่วงเวลาที่มอเตอร์เริ่มต้นทำงาน ตัวมอเตอร์จะมีความต้องการใช้กระแสไฟฟ้าสูงขึ้นกว่าปกติ เพื่อต้องการขับเคลื่อนให้ได้ความเร็วรอบตามที่กำหนดไว้ได้ไวที่สุด จึงส่งผลให้ค่าขนาดของแรงดันไฟฟ้าตกลงในช่วงการเริ่มต้นทำงานของมอเตอร์ ส่วนอีกสาเหตุหนึ่งของการเกิดแรงดัน Sag ที่สามารถพบเจอได้มากที่สุด นั่นก็คือ กราวด์ฟอลต์ (Ground Fault)   

. 

ผลกระทบจากแรงดัน Sag จะส่งผลโดยตรงต่อส่วนงานหรือเครื่องมือ-อุปกรณ์ที่มีความไวสูงในการทำงาน เช่น ตัวขับปรับความเร็วรอบของมอเตอร์ ( Adjustable Speed Drive หรือ ASD) ตัว ASD จะทริปเมื่อเกิดแรงดัน Sag ขึ้นมาหรือบางครั้งก็ทริปไม่ทัน สร้างความเสียหายให้กับตัว ASD รวมไปถึงระบบคอมพิวเตอร์หรือ PLC ต้องสูญเสียข้อมูลในช่วงเวลาการเกิดแรงดัน Sag

.

สำหรับแรงดัน Swell หากอ้างอิงตามนิยามของ IEEE Std. 1100-1992 จะได้ว่า การเพิ่มขึ้นของค่าขนาดแรงดันไฟฟ้าในหน่วยวัด RMS ที่ค่าความถี่กำลังไฟฟ้า (50 Hz) เป็นช่วงเวลาตั้งแต่ครึ่งไซเคิลถึง 2-3 วินาที

.

สาเหตุหลัก ๆ ของการเกิดแรงดัน Swell ที่พบเห็นได้บ่อยที่สุด เกิดขึ้นจากการหยุดการทำงานของส่วนงานหรือโหลดที่มีการใช้กำลังไฟฟ้าสูง (Heavy Loads) เราสามารถตรวจสอบการเกิดขึ้นของแรงดัน Swell ในระบบงานของเราได้อย่างง่าย ๆ โดยการนำเอาออสซิลโลสโคปไปจับรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าที่ตู้จ่ายไฟหลัก (MDB) โดยเปรียบเทียบผลการวัดค่าแรงดันไฟฟ้าก่อนและหลังการปิดโหลดขนาดใหญ่ (เช่น เครื่องส่งในสถานีโทรทัศน์) ผลที่ได้นั่นคือ ค่าขนาดแรงดันไฟฟ้าหลังปิดจะมีค่าที่สูงขึ้น แต่อย่างไรก็ดี แรงดัน Swell ที่เกิดขึ้นนี้ จะสร้างความเสียหายต่อระบบงานหรือไม่ ก็ขึ้นอยู่กับว่าแรงดัน Swell ได้เพิ่มสูงขึ้นเท่าไหร่และโหลดมีความทนทานได้แค่ไหน

. 

รูปที่ 4 แสดงลักษณะของแรงดัน Swell

. 

-  แรงดันไฟฟ้าเกิน (Over Voltage)

นิยามของแรงดันไฟฟ้าเกิน หรือ Over Voltage หากอ้างอิง IEEE Std. 1100-1992 จะได้ว่า การเพิ่มสูงขึ้นของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ที่ความถี่กำลังไฟฟ้า (50 Hz) โดยมีช่วงเวลาการเกิดขึ้นนานมากกว่า 2-3 วินาที

. 

หากไม่สนใจนิยามแรงดันไฟฟ้าเกิน ที่ให้ไว้โดย IEEE Std. 1100-1992 ซึ่งเราจะให้ความสนใจแต่เพียงค่าขนาดแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าค่าระดับแรงดันไฟฟ้าในแต่ละเฟสเพียงเท่านั้น ผลที่ตามนั่นก็คือ จะเกิดความหลากหลายเป็นอย่างมากสำหรับลักษณะของแรงดันไฟฟ้าเกิน ไม่ว่าจะเป็นลักษณะของรูปคลื่น ซึ่งมีทั้งลักษณะทรานเซียนต์หรือเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้น ๆ (ไมโครวินาที-มิลลิวินาที) และลักษณะที่เกิดขึ้นเป็นช่วงเวลานาน ๆ (มากกว่าครึ่งไซเคิล-3วินาที) นอกจากลักษณะของรูปคลื่นที่แตกต่างกันไปแล้ว แหล่งก่อกำเนิดหรือสาเหตุก็ยังมีความแตกต่างกันไปอีกด้วย

. 

ด้วยความหลากหลายของลักษณะแรงดันไฟฟ้าเกิน จึงจำเป็นที่จะต้องกำหนดนิยามลักษณะของแรงดันไฟฟ้าเกินที่มีความแตกต่างกันออกไป ตัวอย่างเช่น แรงดันทรานเซียนต์ที่เกิดจากกระแสฟ้าผ่า (หรืออื่น ๆ) ปรากฏตามสายตัวนำ จะเรียกว่า ไฟกระโชก (Surge) แรงดันทรานเซียนต์ที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้าของวัสดุเก็บพลังงานไฟฟ้าเมื่อเกิดการฟอลต์ จะเรียกว่า แรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะฟื้นตัวกลับ (Transient Recovery Voltage) เป็นต้น  

. 

ทำไมจะต้องจำแนกแรงดันไฟฟ้าเกินออกมาเป็นชนิดต่าง ๆ ด้วย ? เหตุผลที่พอจะนำมาตอบคำถามนี้ คือ เพราะว่าเทคโนโลยีที่ถูกนำมาใช้ในงานการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินแต่ชนิด มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันนั่นเอง ตัวอย่างเช่น  การนำ MOV กับรีเลย์ป้องกัน (Relay Protection) มาใช้ในงานการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน โดยตัว MOV จะทำหน้าที่เบี่ยงเบน (Diverter) ทิศทางการไหลของกระแส หรือมีความสามารถ Clamping แรงดันไฟฟ้าเกินได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ (ไฟกระโชก, Spike หรือทรานเซียนต์นั่นเอง) ได้อย่างมีคุณภาพ แต่ถ้าหากแรงดันไฟฟ้าเกินที่ปรากฏขึ้นมีคาบเวลาในการเกิดนาน ๆ (วินาที) ตัว MOV ก็จะได้รับความเสียหาย (ระเบิด) ในที่สุด แต่ถ้าเป็นตัวรีเลย์ป้องกันจะสามารถทำหน้าที่ป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินที่มีคาบเวลาการเกิดนานได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ในทางกลับกัน ถ้าแรงดันไฟฟ้าเกินมีลักษณะการเกิดในช่วงเวลาสั้น ๆ (ไฟกระโชก) ตัวรีเลย์ป้องกันจะมีผลการตอบสนองต่อการปรากฏขึ้นได้ไม่ไวพอ และตัวรีเลย์ป้องกันเองสามารถได้รับความเสียหายได้

.

จากเหตุผลและตัวอย่างที่ยกขึ้นมาสนับสนุน จึงเป็นเรื่องที่มีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องจำแนกลักษณะของแรงดันไฟฟ้าเกินออกเป็นชนิดต่าง ๆ เพื่อนำไปสู่การวางแนวทางการป้องกันอย่างเกิดประสิทธิผล โดยไม่ก่อให้เกิดการทับซ้อนของปัญหาอันนำไปสู่การสูญเสียงบประมาณโดยไม่เกิดประสิทธิภาพ

. 

สำหรับสาเหตุของการเกิดแรงดันไฟฟ้าเกิน (ยึดแรงต่ำ) สามารถจำแนกได้ 2 สาเหตุใหญ่ ๆ ด้วยกัน ได้แก่ การเกิดกราวด์ฟอลต์และการหยุดทำงานของโหลดหรือระบบงานขนาดใหญ่ การเกิดแรงดันไฟฟ้าเกินจาก 2 สาเหตุดังกล่าวนี้   ส่งผลกระทบโดยตรงต่อวัสดุประเภท Surge Arrester ทั้งหลาย (ภาคอินพุตของเครื่อง UPS, Stabilizer เป็นต้น)

. 

-  แรงดันไฟฟ้าตก (Under Voltage)

นิยามของแรงดันไฟฟ้าตกหรือ Under Voltage ที่ให้ไว้โดย IEEE Std. 1100-1992 คือ การลดลงของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ณ ความถี่กำลังไฟฟ้า (50 Hz) เป็นช่วงเวลามากกว่า 2-3 วินาที

. 

แรงดัน Sag เองก็จัดอยู่ในกลุ่มปัญหาเรื่องแรงดันไฟฟ้าตกเช่นกัน แต่แยกแรงดัน Sag ออกไปต่างหากจากนิยามของแรงดันไฟฟ้าตก สำหรับสาเหตุที่ทำให้เกิดปัญหาในเรื่องแรงดันไฟฟ้าตก สามารถจำแนกออกได้ 2 สาเหตุใหญ่

·         ระยะห่างระหว่างแหล่งจ่ายไฟฟ้า (สถานีการไฟฟ้า) กับระบบงานมีมากเกินไป ส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมอยู่ตามสายตัวนำ  

·         เกิดจากโหลดที่ใช้กำลังไฟฟ้าสูง

.

ผลกระทบจากปัญหาในเรื่องแรงดันไฟฟ้าตก ส่งผลให้เกิดความร้อนที่สูงเกินผิดปกติที่มอเตอร์ไฟฟ้า หรือสามารถส่งผลให้ระบบงานหยุดทำงาน (Shutdown) ได้ เป็นต้น

. 

- ไฟดับ(Outage)

ปัญหาเรื่องไฟดับถือเป็นปัญหาหนึ่งในงานคุณภาพกำลังไฟฟ้า เพราะปัญหานี้ส่งผลให้ระบบงานไม่สามารถดำเนินงานได้ โดยนิยามของไฟดับสามารถให้ความหมายได้ว่า การสูญเสียกำลังไฟฟ้าในสายตัวนำตลอดคาบเวลาอย่างสมบูรณ์ หรือพิจารณาอย่างง่าย ๆ นั่นก็คือ ไม่มีกำลังไฟฟ้าจากการไฟฟ้า ฯ จ่ายสู่ระบบงานของเรา

.

ส่วนสาเหตุที่ทำให้เกิดปัญหาไฟดับ สามารถจำแนกออกได้อย่างหลากหลาย เช่น เครื่องกำเนิดกำลังไฟฟ้า (การไฟฟ้า ฯ) เสียหาย หม้อแปลงไฟฟ้าเสียหาย อุบัติเหตุต่าง ๆ ที่ก่อให้เกิดความเสียหายกับระบบสายส่งกำลังไฟฟ้า เป็นต้น   สำหรับการแก้ไขปัญหาในเรื่องไฟดับ สามารถดำเนินการได้โดยการติดตั้งเครื่องกำเนิดกำลังไฟฟ้าในระบบงาน ได้แก่ Generator, UPS เป็นต้น

. 

ความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า (Voltage Unbalance)

ความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า หมายถึง ค่าขนาดของแรงดันไฟฟ้าในระบบไฟฟ้า 3 เฟส โดยแต่ละเฟสมีค่าแตกต่างกันออกไป (พิจารณาลักษณะของรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าร่วมด้วย) ส่วนสาเหตุที่ก่อให้เกิดปัญหาความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า เกิดจากความไม่สมดุลของโหลดในแต่ละเฟส

.

ผลเสียที่เกิดขึ้นกับระบบงานจากปัญหาความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า จะทำให้เกิดความร้อนที่สูงเกินผิดปกติที่โหลดชนิดสามเฟส ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้า รีเลย์ เร็กติไฟเออร์สามเฟส เป็นต้น ความร้อนที่เกิดขึ้นกับโหลดเหล่านี้ ซึ่งมีการทำงานที่ต่อเนื่องได้รับความเสียหายได้ และจะส่งผลกระทบเป็นลูกโซ่ต่อระบบไฟฟ้าในลำดับถัดไป ความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้ายังมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องเร็กติไฟเออร์สามเฟส โดยเอาต์พุตจะมีค่าริปเปิล (Ripple) ที่สูงขึ้น

. 

-  ความไม่สมดุลทางมุมเฟส (Phase Angle Imbalance)

โดยปกติแล้วมุมเฟสของแรงดันไฟฟ้าในระบบไฟฟ้าสามเฟส จะมีระยะห่างเท่ากับ 120 องศา ความคลาดเคลื่อนไปของระยะมุมเฟส เป็นผลโดยตรงมาจากความไม่สมดุลของโหลดในแต่ละเฟส

. 

ผลเสียที่เห็นได้อย่างชัดเจนที่สุดจากปัญหาในเรื่องนี้ นั่นก็คือ ค่าริปเปิล  (Ripple) ทางเอาต์พุตของเครื่องเร็กติไฟเออร์สามเฟสที่มีค่าสูงขึ้นมาก นอกเหนือไปจากนี้ความไม่สมดุลทางมุมเฟสที่รุนแรง สามารถสร้างความเสียหายให้กับมอเตอร์สามเฟส หม้อแปลงไฟฟ้า เป็นต้น

. 

-  ความคลาดเคลื่อนทางคาบเวลาของแรงดันไฟฟ้า (Voltage Modulation)

ความคลาดเคลื่อนทางคาบเวลาของแรงดันไฟฟ้า จะเป็นไปในลักษณะการเพิ่มขึ้นและลดลงของค่าขนาดแรงดันไฟฟ้าในแต่ละคาบเวลา ซึ่งสาเหตุที่ก่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนในลักษณะนี้ ส่วนใหญ่จะเกิดจากผลการทำงานของปั้ม (Pump) และเตาหลอม (Furnaces) เป็นต้น

. 

ตัวอย่างของความคลาดเคลื่อนทางคาบเวลาของแรงดันไฟฟ้า ได้แก่ แรงดัน Flicker (หรือกระแส Flicker)   Flicker สามารถให้นิยามได้ว่า การผันแปรอย่างช้า ๆ และซ้ำไปซ้ำมาของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าในหน่วยวัด RMS โดยมีค่าความถี่ต่ำกว่า 30 Hz สำหรับสาเหตุที่ทำให้เกิดแรงดันหรือกระแส Flicker มาจากผลการทำงานของโหลดที่ใช้กำลังไฟฟ้าในการกำเนิดแรงหมุน (Torque) จากผลการทำงานของเตาหลอม เครื่องเชื่อม เป็นต้น

. 

ผลกระทบจาก Flicker ต่อระบบงาน โดยเบื้องต้นเราสามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่าจากการทำงานของโหลดประเภทให้แสงสว่าง ส่งผลให้อายุการใช้งานของโหลดประเภท CRT (Cathode Ray Tube) ส่งผลให้โหลดอิเล็กทรอนิกส์มีการทำงานที่ผิดพลาด เช่น การทำงานของเซอร์โวมอเตอร์ เป็นต้น

. 

รูปที่ 5 แสดงรูปคลื่นแรงดัน Flicker

. 

-  สัญญาณรบกวน (Noise)

บันทึก โดยปกติแล้วสัญญาณรบกวนไม่ได้จัดอยู่ในเนื้องานคุณภาพกำลังไฟฟ้า การแก้ปัญหาในเรื่องสัญญาณรบกวนจะถูกมองในมิติของเนื้องาน EMC ลงมา แต่อย่างไรก็ตามผู้เขียนกลับมองว่า ปัญหาในเรื่องสัญญาณรบกวนจำเป็นอย่างมากที่จะต้องจัดอยู่ในกลุ่มปัญหาของเนื้องานคุณภาพกำลังไฟฟ้า โดยสัญญาณรบกวนในที่นี้เป็นสัญญาณรบกวนที่มีอิทธิพลมาจากระบบกราวด์ เพราะหากอ้างอิงนิยามของคำว่าคุณภาพกำลังไฟฟ้า (Power Quality) ตามมาตรฐานของสหรัฐ (ANSI) ซึ่งได้นำเอาระบบกราวด์เข้ามาอยู่ในนิยามด้วย ดังนั้นไม่ว่ามาตรฐานต่าง ๆ จะมีมุมมองกันอย่างไร องค์ความรู้ก็คือองค์ความรู้ และเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเพื่อนช่างเทคนิคและวิศวกรในภาคสนามต่อการศึกษา ผู้เขียนจึงขออนุญาตนำเสนอเรื่องสัญญาณรบกวนในภาพกว้างเข้ามาร่วมด้วย ทั้งนี้ทั้งนั้นเพื่อเป็นแนวทางในการปฏิบัติงาน

.

องค์ประกอบการพิจารณาสัญญาณรบกวนจะประกอบด้วย 3 องค์ประกอบด้วยกัน  ได้แก่ แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน (Noise Source) ช่องทางการคับปลิ้ง (Coupling Channels) และตัวรับสัญญาณรบกวน (Noise Receptor)

.

รูปที่ 6 แสดงองค์ประกอบการพิจารณาสัญญาณรบกวน

. 

ขั้นแรกให้นิยามสัญญาณรบกวน การนิยามสัญญาณรบกวนจะนำไปสู่แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนคืออะไร   ตัวรับสัญญาณรบกวนคืออะไร และช่องทางการ Coupling คือทางใด

. 

สำหรับแนวทางในการลดทอนสัญญาณรบกวนให้อยู่ในระดับที่ระบบงานสามารถดำเนินงานได้ (Signal to Noise Ratio) มีอยู่ด้วยกัน 3 แนวทาง

1.  ลดทอนสัญญาณรบกวนจากแหล่งกำเนิด

2.  ทำให้ตัวรับสัญญาณรบกวนไม่มีความไวต่อสัญญาณรบกวน

3.  ดำเนินการให้ช่องทางการ Coupling สามารถผ่านสัญญาณรบกวนได้ต่ำที่สุด

. 

พิจารณาบล็อกไดอะแกรมตัวอย่างในรูปที่ 7 ตัวมอเตอร์ไฟฟ้าจะมีการชีลด์ ซึ่งตัวมอเตอร์ไฟฟ้าจะต่ออยู่กับวงจรควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้า สัญญาณรบกวนที่ก่อเกิดจากผลการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า จะไหลอยู่ในสายตัวนำและจะมีการ Coupling สู่วงจรอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูง ซึ่งมีการทำงานที่ระดับแรงดันไฟฟ้าแรงต่ำ

. 

การ Coupling ของสัญญาณรบกวนสามารถจำแนกออกได้ 3 ลักษณะด้วยกัน ได้แก่ 

1.  การ Coupling ทางด้านสายตัวนำ (Conductivity Couple Noise)

2.  การ Coupling ทางอิมพีแดนซ์ในโหมดการต่อร่วม (Coupling Through Common Impedance)

3.  การแพร่กระจายของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก (Radiated Electric and Magnetic Field)

. 

รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างระบบงานที่เกิดสัญญาณรบกวน

.

การ Coupling สัญญาณรบกวนจากส่วนงานหนึ่ง (ไฟฟ้ากำลัง) ไปสู่อีกส่วนงานหนึ่ง (อิเล็กทรอนิกส์ความไวสูง) ผ่านทางสายตัวนำไฟฟ้าที่เชื่อมต่อทั้งสองส่วนเข้าด้วยกัน ถือเป็นรูปแบบหรือลักษณะการ Coupling สัญญาณรบกวนแบบสามัญที่สุด มีความจำเป็นที่จะต้องดำเนินการ Decoupling สัญญาณรบกวนในสายตัวนำไฟฟ้า

.

สำหรับการ Coupling ของสัญญาณรบกวนผ่านทางอิมพีแดนซ์ที่อยู่ในโหมดต่อร่วมหรือ Common Mode ให้พิจารณารูปที่ 8 ซึ่งเป็นการต่อถึงกันระหว่างกราวด์ทางด้านส่วนงานไฟฟ้ากำลังกับระบบกราวนด์ในส่วนงานระบบคอมพิวเตอร์ หรือส่วนงานที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงอื่น ๆ เช่น PLC, CNC เป็นต้น กระแสไฟฟ้าที่ไหลจากส่วนไฟฟ้ากำลังจะผ่านค่าอิมพีแดนซ์ร่วม และในทำนองเดียวกัน กระแสไฟฟ้าจากส่วนงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงหรือระบบคอมพิวเตอร์ จะไหลผ่านค่าอิมพีแดนซ์ร่วมเช่นกัน ผลที่เกิดขึ้นตามมานั่นก็คือจะปรากฏเป็นศักย์ไฟฟ้าตกคร่อมอยู่ที่ค่าอิมพีแดนซ์ร่วม ศักย์ไฟฟ้าอันเกิดจากผลของกระแสไฟฟ้าจากทั้งสองส่วนงาน จะมีการมอดูเลชันเข้าด้วยกัน ศักย์ไฟฟ้าดังกล่าวนี้เอง ก็คือ สัญญาณรบกวน ซึ่งมันจะมีการ Coupling ไปสู่ส่วนงานต่าง ๆ ในลำดับต่อไป

. 

รูปที่ 8 แสดงตัวอย่างการ Coupling ของสัญญาณรบกวนผ่านทางค่าอิมพีแดนซ์ในโหมดการต่อร่วม

. 

บันทึก  แนวคิดการแยกกราวด์ระบบคอมพิวเตอร์ออกจากระบบไฟฟ้ากำลังหรือทำให้เกิดการไอโซเลชันกันนั้น   ผู้เขียนอ่านเจอในบทความที่เขียนโดย ผศ. Anthony W. Capitini: Member of the IEEE Education Committee โดยท่านได้นำเสนอเอาไว้ในบทความมีใจความว่า : |ความต้องการแยกระบบกราวด์ของระบบคอมพิวเตอร์หรือเครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลจากกราวด์ไฟฟ้ากำลัง มาจากความต้องการของโรงงานผู้ผลิตเครื่องคอมพิวเตอร์ในสหรัฐ แต่ทว่าความต้องการดังกล่าวไปขัดแย้งกับข้อกำหนดของ NEC ซึ่งนำไปสู่การเกิด Ground Loop ระหว่างส่วนงานระบบคอมพิวเตอร์กับส่วนงานไฟฟ้ากำลัง จึงนำไปสู่การการติดตั้งกราวด์ตะแกรง หรือ Signal Reference Grid (SRG)| การติดตั้งกราวด์ SRG หากไม่ใช่ระบบงานที่เพิ่งจะวางระบบใหม่ คงเป็นเรื่องยากลำบากมากที่จะดำเนินการติดตั้งกราวด์ SRG เพราะต้องมีการเคลื่อนย้ายส่วนงานเพื่อวางกราวด์ SRG แนวคิดของผู้เขียนซึ่งเคยใช้แก้ปัญหาให้กับสถานีโทรทัศน์แห่งหนึ่ง และได้ผลมาแล้ว นั่นก็คือ ถ้าการเชื่อมต่อกราวด์ส่วนงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงหรือระบบคอมพิวเตอร์เข้ากับกราวด์ไฟฟ้ากำลัง    ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนขึ้นกับส่วนงานดังกล่าว ขั้นแรกให้ดำเนินการวัดศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างกราวด์ของระบบคอมพิวเตอร์เทียบกับจุดกราวด์ (Ground Point) หรือใช้เทคนิคการวัดค่ากระแสกราวด์ที่ไหลลงดิน แล้วคูณด้วยค่าความต้านทานของระบบกราวด์ หลังจากนั้นนำค่าศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าที่ได้นี้ มาเป็นตัวแปรในการเลือกค่าระดับการทำงานของ Gas Tube Arrester ขั้นตอนที่สองดำเนินการเชื่อมต่อกราวด์ของระบบคอมพิวเตอร์เข้ากับกราวด์ของส่วนงานไฟฟ้ากำลัง โดยมี Gas Tube Arrester คั่นอยู่ตรงกลาง เพื่อก่อให้เกิดความเป็นไอโซเลชันระหว่างกราวด์ของระบบงานทั้งสอง แต่หากเมื่อไหร่ที่เกิดศักย์ไฟฟ้าที่เพิ่มสูงขึ้น ซึ่งอาจจะเกิดจากสาเหตุของการเกิดฟ้าผ่าหรือกราวด์ฟอลต์ เป็นต้น ระบบกราวด์ของส่วนงานทั้งสองก็จะถูกเชื่อมต่อถึงกัน ทำให้ไม่เกิดปัญหาในเรื่อง Ground Loop ในช่วงเวลาที่มีปัญหาดังกล่าวเกิดขึ้นมา 

. 

การ Coupling ของสัญญาณรบกวนผ่านค่าอิมพีแดนซ์อีกลักษณะหนึ่ง คือ การ Coupling ผ่านทางอิมพีแดนซ์สายร่วม (Common Line Impedance) พิจารณารูปที่ 9 การเปลี่ยนแปลงความต้องการของกระแสไฟฟ้าในระบบ PLC (ระบบงานที่ 2) ย่อมมีผลกระทบต่อค่าระดับแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับระบบคอมพิวเตอร์ (ระบบงานที่ 1) ปัญหาในลักษณะนี้สามารถเกิดขึ้นได้กับระบบงานที่ใช้สายตัวนำไฟฟ้าที่มีความยาวมาก ๆ ซึ่งกลายมาเป็นผลที่ทำให้ค่าอิมพีแดนซ์ในสายร่วมมีค่าสูง

. 

รูปที่ 9 แสดงส่วนงานต่อร่วมอยู่กับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าชุดเดียวกัน

. 

รูปที่ 10 โหมดสัญญาณรบกวนในระบบงาน

.

 

 รูปที่ 11 วงจร Rectifier แบบสามัญที่สุดและรูปคลื่นกระแสไฟฟ้า-แรงดันไฟฟ้า

.

-  ฮาร์มอนิก (Harmonic)

ฮาร์มอนิกเกิดขึ้นจากผลการทำงานของวัสดุไม่เชิงเส้น (Non-Linear) ทั้งหลาย ซึ่งได้แก่วัสดุสารกึ่งตัวนำนั่นเอง (ฮาร์มอนิกยังมีสามาเหตุมาจากผลการทำงานของเครื่องมือ อุปกรณ์ และระบบงานอื่น ๆ เช่น บ่อหล่อเหล็ก เครื่องเชื่อมไฟฟ้า เป็นต้น แต่การนำเสนอในบทความฉบับนี้ จะยึดวัสดุสารกึ่งตัวนำเป็นที่ตั้ง) วัสดุสารกึ่งตัวนำจะเป็นส่วนประกอบอยู่ในเครื่องแปลงรูปกำลังไฟฟ้า เช่น UPS, Rectifier เป็นต้น ปัจจุบันปัญหาในเรื่องฮาร์มอนิกส์มีเพิ่มมากขึ้น อันเป็นผลสืบเนื่องโดยตรงมาจากการเพิ่มขึ้นของโหลดอิเล็กทรอนิกส์ และอื่น ๆ

.

วงจรแปลงรูปกำลังไฟฟ้าในรูปที่ 11 เป็นแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิก โดยไดโอดจะนำกระแสไฟฟ้าเฉพาะช่วงเวลาที่มีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวมันเกินค่าแรงดันไฟฟ้า Threshold เท่านั้น ส่งผลให้รูปคลื่นของกระแสไฟฟ้าไม่มีความต่อเนื่อง (Discontinuous) แสดงดังรูปที่ 11 การอธิบายองค์ประกอบทางฮาร์มอนิก (Harmonic Components) สามารถกระทำได้โดยอาศัยคณิตศาสตร์ฟูเรียร์

.

รูปที่ 12 แสดงไดอะแกรมการเชื่อมต่อโหลดในระบบไฟฟ้า

 

จากรูปที่ 12 เป็นไดอะแกรมแสดงให้เห็นจุดที่ฮาร์มอนิกถูกยิงออกสู่ระบบกำลังไฟฟ้า (Power System) ลักษณะของแรงดันไฟฟ้าที่ผิดเพี้ยน (Distortion) ณ จุด Point of Common Coupling จะขึ้นอยู่กับค่าอิมพีแดนซ์ภายในของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (Zs) กับค่าขนาดของกระแสฮาร์มอนิกส์ที่ถูกยิงออกมา

.

กระแสฮาร์มอนิกส์สามารถก่อให้เกิดความร้อนที่สูงเกินตามหม้อแปลงไฟฟ้าหรือมอเตอร์ไฟฟ้า คาปาซิเตอร์ แบงก์ ได้รับความเสียหาย เป็นต้น

.

ผลกระทบจากฮาร์มอนิกส์ที่ทำให้ Cap. Bank ระเบิด สืบเนื่องมากจากค่ารีแอกตีฟของคาปาซิเตอร์ จะมีสัดส่วนตรงข้ามกับค่าความถี่ (Xc = 1/2pfC) ยิ่งความถี่ฮาร์มอนิกส์มีค่าที่เพิ่มสูงขึ้น จะกลับทำให้คาปาซิเตอร์เข้าสู่สภาวะการลัดวงจรไฟฟ้า (ค่ารีแอกตีฟมีค่าที่ต่ำลง) นำไปสู่ความสูญเสียอันเกิดขึ้นจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวคาปาซิเตอร์เกินความสามารถที่ตัวมันจะทนทานได้      

.

ผลกระทบอื่นจากฮาร์มอนิกที่จะไม่กล่าวถึงไม่ได้เลย นั่นก็คือ ฮาร์มอนิกส์ส่งผลให้เกิดความร้อนที่สูงเกินขึ้นที่สายนิวทรัล ปกติแล้วการออกแบบระบบไฟฟ้าสามเฟส หากสมมุติให้กระแสไฟฟ้าของทั้งสามเหสมีความสมดุลกัน (โหลดเป็นเชิงเส้น) กระแสไฟฟ้าทั้งสามเฟสซึ่งมีมุมต่างกัน 120 องศาจะหักล้างกันหมด ไม่เหลือกระแสไฟฟ้าไหลในสายนิวทรัล แต่ความเป็นอยู่จริงของระบบงาน คือ แต่ละเฟสเต็มไปด้วยโหลดประเภทไม่เป็นเชิงเส้น ฮาร์มอนิกคี่จะถูกเพิ่มมากขึ้นในสายนิวทรัล สร้างให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในสายนิวทรัลเพิ่มสูงเกินปกติ (ต้องใช้เครื่องวัดทางด้านฮาร์มอนิกจึงจะเห็น) และกระแสไฟฟ้าค่านี้เองที่ก่อให้เกิดความร้อนที่สายนิวทรัล   

.

บันทึก  ปัญหาในเรื่องฮาร์มอนิกที่ผู้เขียนเคยพบเจอ บาง Site งาน ฉนวนหุ้มสายถึงกับละลาย อันตรายมาก เพราะสามารถนำไปสู่ไฟไหม้ระบบงานได้ จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องให้ความสนใจ)

.

ประเด็นสำคัญสำหรับการแก้ไขป้องกันปัญหาทางด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้า นั่นก็คือ การทับซ้อนของปัญหา ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียงบประมาณโดยเปล่าประโยชน์ ดั่งเช่น Cap. Bank ช่วยเรื่องค่า Power Factor แต่กลับระเบิดเอาง่าย ๆ หากมีปัญหาในเรื่องฮาร์มอนิกเข้ามาขัดขวาง หรือเรื่องแรงดันไฟฟ้าเกินกับไฟกระโชก การทับซ้อนปัญหาในเรื่องนี้กินวงกว้างเป็นอย่างมาก โดยจะส่งผลกระทบต่อภาคอินพุตของเครื่องปรับปรุงคุณภาพกำลังไฟฟ้าหลายชนิด ดังนั้นการจัดการคุณภาพกำลังไฟฟ้า ควรอย่างยิ่งที่จะต้องบูรณาการกรอบของปัญหาและกรอบของคุณสมบัติของเครื่องมือต่าง ๆ เข้ามาเชื่อมโยงเข้าด้วยกัน

.

เอกสารอ้างอิง

.

1.       อาจารย์อนันต์ รุ่งเรืองศิริวัฒน์ เอกสารประกอบการบรรยายเรื่องสัญญาณรบกวนกับการป้องกันสำหรับเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์และระบบสื่อสาร

2.       IEEE Std. 1100-1992 “IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment”

3.       IEEE Std. 1159-1995 “IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality”

4.       Wilson E. Kazibwe, Musoke H. Sendaula “Electric Power Quality Control Techniques”, Van Nostrand Reinhold

5.       J. L. Norman Violette, Dorald  R. J. White, Michael F. Violette, "Electromagnetic Compatibility handbook”, Van Nostrand Reinhold

6.       Richard Wood  บทความเรื่อง  “When a Green Wire Is Not Enough” Consulting-Specifying Engineering, October, 1993

7.       Henry W. Ott  “Noise Reduction Techniques in Electronics Systems”  A wiley-Interscience Publication,  John Wiley&Sons, New York 1988

8.       S. R. Calhoun, J. R. Jone บทความเรื่อง  “Introduction Applications of IEEE Std 1100-1992”  Power Quality September, Texas 1994

 9.       Anthony W. Capitini บทความเรื่อง  “Data Center Employs Comprehensive Computer Grounding Scheme”  EC&M, March  1989

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