เนื้อหาวันที่ : 2007-03-20 09:43:20 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 5251 views

รู้จักและเข้าใจการเกิดแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก

2-3 ปีที่ผ่านมามีการพัฒนาเทคโนโลยีด้านอิเล็กทรอนิกส์เป็นไปอย่างรวดเร็ว โดยเครื่องมือเครื่องจักรที่มีการนำอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำมาใช้เป็นส่วนประกอบนั้น กลับกลายเป็นแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก และทำให้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบผิดเพี้ยนไป จนกลายเป็นปัญหาที่สำคัญอีกประการหนึ่งในวงการอุตสาหกรรมที่มีความต้องการคุณภาพทางไฟฟ้าสูง

เมื่อในโรงงานอุตสาหกรรมของคุณ หรือโรงงานใกล้เคียงมีการใช้ไทริสเตอร์ในการควบคุมกระแสให้กับโหลดต่าง ๆ เช่น เตาหลอม ชุดควบคุมความเร็วมอเตอร์ และอุปกรณ์มีการทำงานโดยการใช้กระแสไฟฟ้าแบบไม่เต็มรูปคลื่นอื่น ๆ และถ้าคุณเคยประสบปัญหาคาปาซิเตอร์ที่ใช้ในการแก้ค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor) เกิดระเบิดขึ้นบ่อยครั้ง อุปกรณ์ควบคุมต่าง ๆ ทำงานผิดเพี้ยนไป หม้อแปลงและเครื่องจักรไม่สามารถจ่ายหรือใช้งานได้เต็มพิกัด ซึ่งสาเหตุประการ หนึ่ง ที่ไม่ควรมองข้ามก็คือ ฮาร์มอนิก

.

ปัจจุบันการนำอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) มาประยุกต์ใช้งานอย่างกว้างขว้าง ไม่ว่าจะเป็นเครื่องใช้ในที่พักอาศัยหรือในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ซึ่งช่วง 2-3 ปีที่ผ่านมา ทำให้มีการพัฒนาเทคโนโลยีด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronics) เป็นไปอย่างรวดเร็ว โดยเครื่องมือเครื่องจักรที่มีการนำอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำมาใช้เป็นส่วนประกอบนั้น กลับกลายเป็นแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก และทำให้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบผิดเพี้ยนไป จนกลายเป็นปัญหาที่สำคัญอีกประการ หนึ่ง ในวงการอุตสาหกรรมที่มีความต้องการคุณภาพทางไฟฟ้าสูง

.

บทความนี้ทำให้คุณเข้าใจ และรู้จักการเกิดกระแสฮาร์มอนิกและรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าผิดเพี้ยนเกิดขึ้นได้อย่างไร โดยจะเป็นการนำเสนอโดยใช้รูปภาพประกอบเพื่อให้ง่ายต่อการเข้าใจ และสามารถถ่ายทอดให้แก่ผู้บริหารหรือลูกน้องของคุณให้มีความเข้าใจเกี่ยวกับการเกิดฮาร์มอนิกมากยิ่งขึ้น สำหรับการอธิบายในบทความนี้ จะใช้ไทริสเตอร์เป็นตัวสร้างแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก และทำให้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบผิดเพี้ยนไป

.

การทำงานของไทริสเตอร์

.

รูปที่ 1 แบบจำลองการทำงานของไทริสเตอร์

.

จากรูปที่ 1 เมื่อไม่มีสัญญาณอินพุตป้อนเข้าขา Gate ไทริสเตอร์ จะทำให้ไทริสเตอร์ยังไม่มีการนำกระแสไฟฟ้า ถึงแม้ว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าบวกป้อนเข้าที่ขา Anodes และแรงดันไฟฟ้าลบป้อนเข้าที่ขา Cathodes ก็ตาม แต่เมื่อมีการป้อนสัญญาณอินพุตป้อนเข้าที่ขา Gate แล้วก็จะทำให้ไทริสเตอร์นำกระแสอย่างต่อเนื่อง ถึงแม้ว่าเราจะทำการปลดสัญญาณอินพุตที่ขา Gate ออกแล้วก็ตาม ในการที่จะทำให้ไทริสเตอร์หยุดนำกระแสนั้น จะต้องทำการสลับการป้อนแรงดันไฟฟ้าที่ขา Anodes เป็นแรงดันไฟฟ้าลบและขา Cathodes เป็นแรงดันไฟฟ้าบวก

.

การควบคุมมุม (Phase Control) พื้นฐาน

.

รูปที่ 2 การควบคุมแสงสว่างโดยไทริสเตอร์

.

รูปที่ 3 รูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต

.

หลังจากเราทราบหลักการทำงานของไทริสเตอร์แล้ว ต่อไปจะเป็นการประยุกต์ใช้งานไทริสเตอร์ในการควบคุมเฟสเพื่อควบคุมแสงสว่างหลอดไฟฟ้า การอธิบายหลักการควบคุมเฟสนั้นเพื่อให้ง่ายต่อการเข้าใจจึงได้มีการแบ่ง 1 คาบเวลาออกเป็น 4 ส่วน ดังรูปที่ 3

.

ส่วนที่ 1 เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าด้านบวก Th1 จะยังไม่มีการนำกระแสเนื่องจากยังไม่มีการป้อนสัญญาณอินพุตเข้าที่ขา Gate

ส่วนที่ 2 เมื่อมีการป้อนสัญญาณอินพุตเข้าที่ขา Gate ของ Th1 ทำให้ Th1 นำกระแสทำให้กระแสไฟฟ้าไหลในวงจร ในขณะที่รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าอินพุตมีค่าสูงสุดทางด้านบวก

ส่วนที่ 3 เมื่อรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าอินพุตมีค่าด้านลบป้อนให้ Th1 ก็จะทำให้ Th1 หยุดนำกระแส แต่ในทางกลับกัน กลับกลายเป็นการป้อนแรงดันไฟฟ้าด้านลบให้ Th2 แต่ Th2 จะยังไม่มีการนำกระแสเนื่องจากยังไม่มีการป้อนสัญญาณอินพุตเข้าที่ขา Gate ของ Th2

ส่วนที่ 4 เมื่อมีการป้อนสัญญาณอินพุตเข้าที่ขา Gate ของ Th2 ทำให้ Th2 นำกระแส มีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร ในขณะที่รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าอินพุตมีค่าสูงสุดทางด้านลบ

.

จากการทำงานอย่างต่อเนื่องของทั้ง 4 ส่วนใน 1 คาบเวลา และมีการทำซ้ำอย่างนี้ 50 ครั้งใน 1 วินาทีหรือที่ความถี่ 50 Hz นั่นเอง ทำให้เรามีความรู้สึกว่าหลอดไฟฟ้านั้นมีความสว่าง น้อย ลง สาเหตุก็เนื่องจากความสามารถของสายตามนุษย์ไม่ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของแสงไฟได้รวดเร็วถึงความถี่ 50 Hz ได้ และถ้าเมื่อเราต้องการควบคุมความสว่างของหลอดไฟฟ้าให้สว่างเพิ่มขึ้นหรือลดลงก็สามารถทำได้โดยการกำหนดช่วงเวลาในการป้อนอินพุตเข้าที่ขา Gate หรือปรับมุมเพื่อให้ไทรริสเตอร์ทำงาน หรือเรียกว่า Firing Angle นั่นเอง ดังรูปที่ 4

.

รูปที่ 4 การควบคุม Firing Angle

.

การจำลองระบบไฟฟ้าที่มีการใช้ไทริสเตอร์

เมื่อกำหนดให้ระบบไฟฟ้ามีการใช้ไทริสเตอร์จ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลดความต้านทาน A อยู่ในระบบ โดยที่โหลด B เป็นค่าความต้านทานที่ต่ออยู่ในระบบตลอดเวลา โดยกำหนดให้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ 100 โวลต์ ค่าอิมพีแดนซ์ของสายมีค่าเท่ากับ 1 โอห์ม และค่าความต้านทานโหลดทั้งชุด A และ B มีค่าเท่ากับ 4 โอห์ม ดังรูปที่ 5

.

รูปที่ 5 ระบบไฟฟ้าเมื่อมีไทริสเตอร์ในระบบ

.

จากรูปที่ 5 เราสามารถอธิบายการเกิดแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก และทำให้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าผิดเพี้ยนได้ เมื่อสมมุติกำหนดให้ป้อนสัญญาณอินพุตที่ขา Gate ที่ Firing Angle เท่ากับ 90 องศา และสามารถอธิบายทีละส่วนเพื่อง่ายต่อการเข้าใจดังนี้

.

ส่วนที่ 1 เราจะเห็นได้ว่าไทริสเตอร์ยังไม่มีการนำกระแส แต่อย่างไรก็ตามที่โหลด B จะรับกระแสไฟฟ้ามีค่าเท่ากับแหล่งจ่าย 100/5 แอมป์ และค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดโหลดมีค่าเท่ากับ 100X4/5 โวลต์

ส่วนที่ 2 เราจะเห็นได้ว่าไทริสเตอร์จะนำกระแสไฟฟ้าด้านบวก ซึ่งทำให้ในส่วนนี้ค่ากระแสไฟฟ้าที่จุดโหลด A และ B มีค่าลดลงเท่ากันที่ 100/6 แอมป์ และค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดโหลดทั้งสองจะมีค่าเท่ากับ 100X2/3 โวลต์ แต่แหล่งจ่ายไฟฟ้าจะต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นมีค่าเท่ากับ 100/3 แอมป์

ส่วนที่ 3 เราจะเห็นได้ว่าไทริสเตอร์ยังไม่มีการนำกระแสไฟฟ้า แต่อย่างไรก็ตามที่โหลด B จะรับกระแสไฟฟ้ามีค่าเท่ากับแหล่งจ่าย -100/5 แอมป์และค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดโหลดมีค่าเท่ากับ -100X4/5 โวลต์

ส่วนที่ 4 เราจะเห็นได้ว่าไทริสเตอร์จะนำกระแสด้านลบซึ่งทำให้ในส่วนนี้ค่ากระแสไฟฟ้าที่จุดโหลด A และ B มีค่าเท่ากันที่ -100/6 แอมป์ และค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดโหลดทั้งสองจะมีค่าเท่ากับ -100X2/3 โวลต์แต่แหล่งจ่ายไฟฟ้าจะต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นมีค่าเท่ากับ -100/3 แอมป์

.

ถึงตรงนี้ผมคิดว่าคุณคงเข้าใจแล้วใช่ไหมล่ะครับว่า ระบบที่มีไทริสเตอร์ที่มีใช้งานอยู่ในโรงงานอุตสาหกรรมหรือโรงงานข้างเคียงกับคุณ ส่งผลทำให้เกิดแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิกและทำให้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าผิดเพี้ยนได้อย่างไร ซึ่งปัญหาดังกล่าวไม่เพียงแต่ส่งผลกระทบต่อโรงงานอุตสาหกรรมของคุณเพียงอย่างเดียว แต่จะส่งผลกระทบไปยังแหล่งจ่ายไฟฟ้าด้วย และเพื่อให้คุณเข้าใจได้ชัดเจนมากยิ่งขึ้น เราลองมาเมื่อพิจารณาดูว่าที่จุดโหลด B และแหล่งจ่ายไฟฟ้านั้นจะมีผลที่ถูกกระทบจากแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก (จุดโหลด A) ได้มาก น้อย เพียงใด ดังอธิบายในรูปที่ 6

.

รูปที่ 6 ผลกระทบจากแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก (จุดโหลด A) ที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าและที่จุดโหลด B

.

เมื่อเราพูดถึงแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกแล้ว และเพื่อให้ง่ายต่อการเข้าใจได้ง่ายขึ้น แหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกก็คือ อุปกรณ์ใด ๆ ที่ทำให้รูปคลื่นกระแสและแรงดันไฟฟ้าพื้นฐาน (Fundamental Wave) ของระบบมีรูปร่างผิดเพี้ยนไป และถ้าเราพิจารณารูปที่ 6 จะพบว่ากระแสไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าและที่จุดโหลด B นั้นจะมีรูปร่างผิดเพี้ยนไป (ส่วนที่แรเงา) เนื่องจากจุดโหลด A ถ้าเราพิจารณาให้จุดโหลด A เป็นแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกแล้ว เราจะพบว่าการแพร่กระจายของกระแสฮาร์มอนิกออกไป จะมีสัดส่วนผกผันกับค่าอิมพีแดนซ์ของสาย (1 โอห์ม ) และความต้านทานของจุดโหลด B (4 โอห์ม ) หรือในอัตราส่วน 4 ต่อ 1 และอีกนั่นแหละครับ คงจะมีหลายท่านสงสัยต่อไปอีกว่า แล้วฮาร์มอนิกอันดับต่าง ๆ นั้นจะมีรูปคลื่นแตกต่างจากรูปคลื่นพื้นฐาน (Fundamental Wave) อย่างไร ดังรูปที่ 7 เมื่อสมมุติให้ Fundamental Wave มีความถี่เท่ากับ 50 Hz ดังนั้นความถี่ของฮาร์มอนิกอันดับ 2 จะเท่ากับ 100 Hz และ 150, 200, 250 Hz ตามลำดับ และเมื่อนำ Fundamental Wave รวมกับฮาร์มอนิกตั้งแต่อันดับ 2-5  จะพบว่าผลลัพธ์ (Composite Waveform) ของรูปคลื่นจะมีความผิดเพี้ยนไป

.

รูปที่ 7 การสังเคราะห์ด้วยทฤษฎี Fourier Series

.

Fourier Series ทฤษฎีเพื่อการสังเคราะห์อันดับฮาร์มอนิก

การสังเคราะห์รูปคลื่นที่ผิดเพี้ยนไปเพื่อหาฮาร์มอนิกอันดับใดประกอบอยู่บ้างและมีขนาดเท่าใดนั้นจะใช้ทฤษฎี Fourier Series มาทำการสังเคราะห์ สำหรับรูปคลื่นที่ผิดเพี้ยนไปโดยมีลักษณะของรูปคลื่นด้านบวกมีลักษณะเหมือนกับรูปคลื่นด้านลบใน 1 คาบเวลานั้น ถ้าเราสังเคราะห์ด้วยทฤษฎี Fourier Series พบว่าจะเกิดเฉพาะฮาร์มอนิกอันดับเลขคี่เท่านั้น (3rd, 5th, 7th, 9th, …) ดังนั้นในระบบไฟฟ้ากำลังจึงให้ความสนใจการเกิดฮาร์มอนิกอันดับเลขคี่เป็นพิเศษ แต่ในความเป็นจริงนั้นฮาร์มอนิกอันดับเลขคู่ก็สามารถเกิดขึ้นได้เหมือนกัน เช่น ชุด Half-Wave Rectifier หรือชุด Arc Furnace ที่มีการให้งานแบบไม่ต่อเนื่อง

.

และโดยทั่วไปแล้วฮาร์มอนิกอันดับที่สูง ๆ (สูงกว่าอันดับที่ 25th ถึง 50th ขึ้นอยู่กับแต่ละระบบ) ส่วนใหญ่เราจะไม่นำมาพิจารณา ก็เนื่องมาจากไม่ค่อยสร้างความเสียหายให้แก่ระบบไฟฟ้ากำลังมากเท่าใดนัก และในการออกแบบชุดกรองฮาร์มอนิกอันดับที่สูง ๆ ก็ทำได้ยาก แต่อย่างไรก็ตาม ฮาร์มอนิกอันดับที่สูง ๆ นั้นก็อาจจะเข้าไปรบกวนการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่มีกำลังต่ำ ๆ ได้ ซึ่งทั้งนี้และทั้งนั้น นักอุตสากรรมก็ต้องพิจารณาด้วยว่าฮาร์มอนิกอันดับใดมีผลกระทบต่ออุตสาหกรรมของท่านเพื่อจะได้แก้ไขปัญหาได้ถูกจุด

.

เอกสารอ้างอิง

·         เอกสารประกอบการสัมมนา “Power Quality”, Under the Cooperation Between JEPIC and Thai Power Utilities, 22nd – 25th January 2001

·         Dugan, Roger C., “Electrical Power System Quality”, 1996, McGraw-Hill

·         http://www.eweb.org/energy/powerqual/harmonics/

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