เนื้อหาวันที่ : 2007-03-20 17:20:32 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 6001 views

การปรับปรุงคุณภาพพลังงานไฟฟ้าให้ดีขึ้นด้วยตัวกรองฮาร์มอนิกที่สาม

เมื่อสัญญาณเหล่านี้เข้ามาในระบบไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและคอมพิวเตอร์ในระบบไฟฟ้ากำลังอาจทำงานผิดเพี้ยน และมีปัญหาอื่น ๆ ต่อระบบอีกมากมาย ดังนั้นการจัดเตรียมพลังงานไฟฟ้าที่สะอาดปราศจากฮาร์มอนิกรบกวน หรือการปรับปรุงคุณภาพพลังงานไฟฟ้าจึงกลายเป็นเรื่องที่สำคัญในปัจจุบันและอนาคต

หลายคนคงจะเคยสังเกตได้ว่าหน้าจอคอมพิวเตอร์กระพริบ ติด ๆ ดับ ๆ โดยไม่ทราบสาเหตุ สร้างความรำคาญให้เราได้พอสมควร อาการอย่างนี้อาจจะเป็นสิ่งบอกเหตุได้ว่ามีปัญหาเกี่ยวกับฮาร์มอนิก ที่รบกวนการทำงานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์

.

ระบบไฟฟ้าของเรามีฮาร์มอนิกหรือไม่ ก่อนอื่นควรทำความรู้จักกับฮาร์มอนิกกันพอสังเขปว่ามันคืออะไร มาจากไหนจะเกิดผลกระทบได้อย่างไร อาจจะกล่าวได้ว่าสัญญาณฮาร์มอนิกทางไฟฟ้าเป็นสัญญาณที่มีความถี่มากกว่าสัญญาณรูปคลื่นไซน์ 50 เฮิรตซ์ ที่ได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เช่น สัญญาณฮาร์มอนิกที่ 3 จะมีความถี่ 150 เฮิรตซ์ ฮาร์มอนิกที่ 5 จะมีความถี่ 250 เฮิรตซ์และฮาร์มอนิกที่ 7 จะมีความถี่ 350 เฮิรตซ์ เป็นต้น

.

เมื่อสัญญาณเหล่านี้เข้ามาในระบบไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและคอมพิวเตอร์ในระบบไฟฟ้ากำลังอาจทำงานผิดเพี้ยน และมีปัญหาอื่น ๆ ต่อระบบอีกมากมาย ดังนั้นการจัดเตรียมพลังงานไฟฟ้าที่สะอาดปราศจากฮาร์มอนิกรบกวน หรือการปรับปรุงคุณภาพพลังงานไฟฟ้าจึงกลายเป็นเรื่องที่สำคัญในปัจจุบันและอนาคต

.

ฮาร์มอนิกเกิดจากอะไร

สัญญาณฮาร์มอนิกเหล่านี้เกิดจากอะไร สิ่งแรกที่ต้องพิจารณาคือ ภาระทางไฟฟ้าหรือโหลดที่ต่อในวงจร โดยเฉพาะที่กำลังเพิ่มมากขึ้นในปัจจุบันในอาคารบ้านพักอาศัย เช่น คอมพิวเตอร์ แหล่งจ่ายไฟฟ้าสำรอง (UPS) และหลอดฟลูออเรสเซนต์ สำหรับแหล่งโรงงานอุตสาหกรรมตัวอย่างเช่น เครื่องเชื่อมไฟฟ้า และอุปกรณ์ที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์กำลัง รวมทั้งอุปกรณ์เครื่องใช้สำนักงานต่างๆ อุปกรณ์ดังกล่าวนี้กำเนิดฮาร์มอนิกออกไปสู่ระบบไฟฟ้า เกิดผลเสียต่อโหลดอื่น ๆ ที่อยู่ในระบบเดียวกันได้ และนั่นก็หมายความว่าผู้ใช้ไฟฟ้าราย หนึ่ง ๆ มีโอกาสจะได้รับฮาร์มอนิกจากรายอื่นที่ปล่อยเข้าสู่ระบบได้ด้วย

.

โหลดที่ดึงกระแสจากแหล่งจ่ายที่เป็นระบบไฟฟ้าแรงดันคงที่  หากเป็นโหลดเชิงเส้นอย่างความต้านทานที่มีค่าอิมพีแดนซ์คงที่   กระแสที่ไหลไปโหลดจะมีรูปคลื่นสัญญาณไซน์ปกติเหมือนกับที่แหล่งจ่าย ในขณะที่โหลดไม่เป็นเชิงเส้น  ค่าอิมพีแดนซ์ไม่คงที่ รูปคลื่นกระแสที่ไหลจะผิดเพี้ยนไป ไม่ใช่รูปคลื่นไซน์ปกติ เช่น กระแสสำหรับโหลดที่เป็นหม้อแปลงที่ทำงานในย่านสภาวะแกนเหล็กใกล้อิ่มตัว (Saturation Knee-Point) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ดังแสดงด้วยรูปที่ 1 ที่เป็นปรากฏการณ์ซึ่งนำไปสู่การเกิดกระแสฮาร์มอนิกขึ้นมา

.

รูปที่ 1 สัญญาณไซน์จากโหลดแบบเชิงเส้นและไม่เป็นเชิงเส้น

.

โดยเฉพาะฮาร์มอนิกที่ 3 และ 5 จะพบบ่อยในระบบไฟฟ้า ปกติโหลดไม่เป็นเชิงเส้นแบบเฟสเดียวจะกำเนิดฮาร์มอนิกที่ 3 ส่วนแบบสามเฟสจะกำเนิดฮาร์มอนิกที่ 5 สำหรับฮาร์มอนิกที่ 5 และ 7 สามารถกรองออกได้ง่ายจากตัวกรองแบบปรับจูน (Turned Circuits)   

.

นอกจากผลกระทบต่อการทำงานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์แล้ว ปัญหาอีกอย่างที่สำคัญมากในระบบไฟฟ้าคือ  ปกติระบบไฟฟ้า 3 เฟส 4 สาย จะมีกระแสไหลในสายนิวตรอลไม่มากมัก จะมีเพียงกระแสจากความไม่สมดุลของโหลดในแต่ละเฟสเท่านั้น แต่สำหรับในระบบที่มีฮาร์มอนิก นอกจากมีกระแสดังกล่าวแล้ว ยังมีกระแสฮาร์มอนิกที่สามจากแต่ละเฟสไหลมารวมกันที่นิวตรอล ซึ่งอาจจะทำให้ผลรวมกระแสสูงเกินกว่าพิกัดที่สายนิวตรอลจะรับได้ ดังแสดงดังรูปที่ 2 ซึ่งหลายคนอาจจะบอกว่าแก้ได้ด้วยการเพิ่มขนาดสายนิวตรอล แต่วิธีการเพิ่มขนาดจะต้องใช้เงินอีกมากเกินไปและอาจจะมีผลกระทบอย่างอื่นจากกระแสฮาร์มอนิก หากยังปล่อยให้ไหลในวงจร

.

รูปที่ 2 กระแสฮาร์มอนิกที่ 3 ในแต่ละเฟสและที่สายนิวตรอล 

.

ผลกระทบจากกระแสฮาร์มอนิก

.

ในระบบไฟฟ้าสามเฟสสมดุลนั้นกระแสในแต่ละเฟสที่ความถี่หลัก และกระแสฮาร์มอนิกที่ 5 และ 7 จะหลักล้างกันหมดไปเอง แต่ฮาร์มอนิกที่ 3 จะมีเฟสตรงกันเมื่อมารวมกันที่สายนิวตรอลจึงทำให้มีกระแสไหลมากกว่าปกติ โดยเฉพาะอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเฟสเดียวจะเกิดกระแสฮาร์มอนิกสูงมาก ถึงแม้ว่าจะใช้งานอุปกรณ์เหล่านี้ในระดับกำลังไม่สูงนักก็ตาม โดยโหลดที่เป็นคอมพิวเตอร์จะสามารถกำเนิดกระแสฮาร์มอนิกที่ 3 ได้ถึง 4 แอมป์ต่อกิโลวัตต์ 

.

ผลของกระแสฮาร์มอนิกที่ไหลในสาย  จะทำให้เกิดความร้อนที่อาจจะสูงมาก ๆ นำไปสู่การเกิดไฟไหม้ได้ เพราะว่าปกติแล้วสายนิวตรอลมักจะไม่มีอุปกรณ์ป้องกันเหมือนสายเฟส นอกจากนี้มีพลังงานสูญเสียและสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวนที่อาจจะทำให้อุปกรณ์บางอย่างทำงานผิดพลาด และผลจากความร้อนสะสมเนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกก็อาจจะทำให้ฟิวส์หรือเซอร์กิตเบรกเกอร์ทำงาน (Trip) ผิดพลาดได้ หากเป็นเซอร์กิตเบรกเกอร์ที่ทำงานโดยอาศัยหลักการรวมกระแสที่เรียกว่า Residual-Current Operated CB มีโอกาสทำงานผิดพลาดได้สูง จากการที่กระแสฮาร์มอนิกมีความถี่สูงกว่าปกติ แล้วเครื่องวัดเป็นแบบธรรมดาจะนำไปสู่การวัดและรวมค่าที่ไม่ตรงกับความจริง การทำงานของเซอร์กิตเบรกเกอร์จึงผิดพลาด

.

ส่วนกระแสฮาร์มอนิกที่ไหลในระบบแรงดันต่ำหรือระบบจำหน่ายนั้นจะไหลไปที่หม้อแปลงด้านขดลวดสตาร์(Y-Side) และสายนิวตรอล เกิดการเหนี่ยวนำฮาร์มอนิกนี้ขึ้นที่ขดลวดแรงดันสูงด้านเดลต้า (D-Side) แล้วจะไหลวนเฉพาะส่วนขดเดลต้านี้โดยไม่แพร่ไปสู่ระบบแรงสูงอื่น แต่ผลจากการไหลวนนี้จะก่อให้เกิดพลังงานสูญเสียขึ้นที่ขดลวดทองแดง   อุณหภูมิเพิ่มมากกว่าปกติ ทำให้ความสามารถในการจ่ายโหลดลดลง และเนื่องจากฮาร์มอนิกมีความถี่สูงกว่าปกติดังนั้นพลังงานสูญเสียที่แกนเหล็ก กระแสไหลวนแบบ Eddy Current และพลังงานสูญเสียจากการที่กระแสไหลที่ผิวจึงสูงกว่าปกติด้วย

.

ดังนั้นจากที่กล่าวมาข้างต้นพอจะสรุปปัญหาที่เกิดจากฮาร์มอนิกที่ 3 ได้ดังต่อไปนี้

.

-  กระแสไหลในสายนิวตรอลสูงกว่าพิกัดของขนาดสาย (Overloading)

-  เกิดความร้อนสูงเกินในหม้อแปลง (Overheating)

-  เซอร์กิตเบรกเกอร์ทำงานผิดพลาด (Error Tripping)

-  คาปาซิเตอร์ที่ใช้ปรับค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ได้ความเครียดสูงขึ้น (Overstressing)

-  กระแสไหลที่ผิวมาก (Skin Effect)

-  เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวน (EMI)

-  หน้าจอคอมพิวเตอร์กระพริบ

.

ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3   

การติดตั้งตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 เป็นอีกวิธี หนึ่ง ที่ได้ผลในการลดระดับฮาร์มอนิกที่ 3 ในสายนิวตรอลได้ถึง 95 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นกระแสฮาร์มอนิกที่สายเฟสก็ลดลงด้วย และเป็นวิธีการที่จะทำให้ระดับของฮาร์มอนิกอยู่ในเกณฑ์ตามที่มาตรฐานกำหนดได้

.

สำหรับกระแสฮาร์มอนิกที่ 5 และ 7 สามารถที่จะหักล้างกันเองหมดไปได้ แต่ฮาร์มอนิกที่ 3 ไม่สามารถหักล้างกันได้  จึงทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวนรอบสายที่มักจะเป็นปัญหาสำหรับเครื่องใช้สำนักงานและตามโรงพยาบาล  ดังนั้นตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 จะขจัดปัญหานี้ได้ โดยสามารถลดได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ ดังรูปที่ 3

.

รูปที่ 3 กราฟระดับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากหลาย ๆ จุด ในโรงพยาบาล ลดลง ประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อติดตั้งตัวกรองฮาร์มอนิก

.

ส่วนขนาดของตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 จะขึ้นอยู่กับขนาดของหม้อแปลงหรือขนาดของฟิวส์ป้องกัน โดยพิจารณาให้สอดคล้องและทนต่อระดับกระแส ความร้อนที่เกิดขึ้น และความผิดเพี้ยนของแรงดันไฟฟ้า รวมถึงสายนิวตรอลที่ต่อกับจุดสตาร์ของหม้อแปลงด้วยว่าเหมาะสมเพียงใด

.

รูปที่ 4 ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 พิกัดตั้งแต่ 25-3,000 แอมป์ ของบริษัท ABB

.

ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 (Third Hamornic Filter: THF) ตามหลักการของบริษัท ABB ประเทศฟินแลนด์จะใช้หลักการเรโซแนนซ์ โดยจะเกิดอิมพีแดนซ์สูง ๆ สำหรับกระแสฮาร์มอนิกที่ 3 แต่จะมีอิมพีแดนซ์ต่ำมาก ๆ สำหรับกระแสในความถี่หลัก ด้วยการติดตั้งที่สายนิวตรอลจึงมีผลกระทบอย่างอื่นต่อวงจร น้อย มาก เพราะว่าเป็นทางที่กระแสฮาร์มอนิกจะไหลมารวมกัน และตัวกรองแบบ Passive นี้จะทำงานการปิดกั้นแบบตัวมันเองจะสร้างสัญญาณรบกวน น้อย มาก ปลอดภัยต่อสัญญาณดิจิตอลและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ มีอุปกรณ์ป้องกันทั้งในความถี่หลักและความถี่ฮาร์มอนิกที่ 3 โดยมีการต่อเข้าไปในวงจรดังรูปที่ 5 และ 6

.

รูปที่ 5 วงจรการต่อ THF แบบ Passive

.

รูปที่ 6 ลักษณะการติดตั้งตัวกรองกระแสฮาร์มอนิกที่ 3  

.

ตั้งแต่ปี 1994 เป็นต้นมา ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 ได้ติดตั้งในหลายประเทศทั่วโลก หลากหลายประเภทของงาน เช่น อาคารสำนักงาน ห้องคอมพิวเตอร์ บริษัท แหล่งอุตสาหกรรมโรงงานและโรงแรมต่าง ๆ หรือบริเวณที่ใช้โคมแสงสว่างมาก ๆ ซึ่งที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่าสามารถลดกระแสในสายนิวตรอลได้ถึง 95 เปอร์เซ็นต์ ประหยัดพลังงานได้ประมาณ 4 เปอร์เซ็นต์ ขีดความสามารถของอุปกรณ์ในระบบสูงขึ้น สามารถที่จะคืนทุนค่าตัวกรองได้ภายใน 3 ถึง 10 ปี

.

กฎหมายที่เกี่ยวข้องกับฮาร์มอนิกที่ 3

.

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่า ในระบบไฟฟ้าเดียวกันถึงแม้ว่าผู้ใช้ไฟฟ้าราย หนึ่ง ๆ อาจจะไม่ได้สร้างฮาร์มอนิก แต่ก็มีโอกาสได้รับผลกระทบจากฮาร์มอนิกที่ผู้ใช้ไฟฟ้ารายอื่นในระบบเดียวกันได้ จึงดูเหมือนว่าไม่ค่อยดีนักหากจะปล่อยให้มีการสร้างฮาร์มอนิกเข้าสู่ระบบรวม ดังนั้นหลายประเทศจึงมีข้อบังคับออกมาเป็นมาตรฐานเพื่อให้ผู้ใช้ไฟฟ้าในระบบ หนึ่ง ๆ จัดการกับฮาร์มอนิกที่เกิดในส่วนของตัวเอง โดยมีการวัดอ้างอิงที่ตำแหน่งเชื่อมต่อเข้ากับระบบไฟฟ้ารวม(Point of Common Coupling: PCC) เช่น มาตรฐาน GS/3 ในประเทศอังกฤษ Contrad Emeraude ในประเทศฝรั่งเศสและมาตรฐาน IEEE519 ในอนาคตผู้ใช้ไฟฟ้ารายใหญ่จะต้องทำให้กระแสฮาร์มอนิกจากส่วนของตนอยู่ในระดับมาตรฐาน หนึ่ง ๆ เช่น ระดับที่ยอมให้มีได้ประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์

.

ในปัจจุบันหลายคนคงเคยสังเกตเห็นเครื่องหมายที่เป็นสติกเกอร์สัญลักษณ์ CE บนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเป็นเครื่องหมายที่รับรองได้ว่าเครื่องใช้หรืออุปกรณ์นั้น ๆ ผ่านการทดสอบตามมาตรฐานที่เกี่ยวกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Compatibility: EMC) ซึ่งอาจจะมีหลายมาตรฐาน ทำการทดสอบทั้งในความคงทนต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและระดับของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างออกมา หากอยู่ในเกณฑ์ หนึ่ง ๆ ที่มาตรฐานนั้น ๆ กำหนดไว้ ก็จะได้รับเครื่องหมาย CE รับรอง

.

สำหรับฮาร์มอนิกก็เช่นเดียวกัน  มาตรฐาน IEC 1000 ระบุถึงระดับของฮาร์มอนิกที่ยอมรับได้ที่อุปกรณ์ หนึ่ง ๆ จะกำเนิดออกมาได้ โดยเริ่มใช้กันตั้งแต่เดือนมกราคม ปี 2001 หากอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดต่ำกว่า 16 แอมป์ที่จะจำหน่ายในยุโรป ระดับฮาร์มอนิกจะต้องได้ตามมาตรฐานกำหนด สำหรับอุปกรณ์เครื่องใช้ที่กินกระแสมากกว่า 16 แอมป์ กำลังอยู่ในระหว่างการร่างมาตรฐาน อีกไม่นานก็คงจะนำมาใช้ และมาตรฐาน IEEE519 ที่ใช้อ้างอิงในหลาย ๆ ประเทศที่ไม่ใช่แถบยุโรป

.

 

รูปที่ 7 โรงแรม Burj AL Arab-Hotel ตัวอย่างอาคารที่มีชื่อเสียงระดับโลกที่ติดตั้งตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 ทำให้อุณหภูมิในสายลดลงและสามารถใช้บัสบาร์ขนาดเล็กลงได้

.

เพราะฉะนั้นการลดกระแสฮาร์มอนิกที่ 3 ลงไม่เพียงแต่เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของอุปกรณ์ในระบบไฟฟ้าเท่านั้นแต่ยังทำให้พลังงานสูญเสียลดลงด้วย ลดความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้ ลดขนาดสายโดยไม่ต้องเพิ่มขนาดสายไว้รับกระแสฮาร์มอนิก ดังนั้นตัวกรองฮาร์มอนิกจึงมีความสำคัญอย่างมาก สำหรับระบบไฟฟ้าในปัจจุบันและอนาคต

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