ในปัจจุบันการติดตั้งชุดขับเคลื่อนมอเตอร์ชนิดปรับความถี่ได้ (Variable Frequency Drive: VFD) และอุปกรณ์ชนิด Non-linear Load อื่น ๆ ในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้เพิ่มจำนวนมากขึ้น อุปกรณ์เหล่านี้ได้สร้างแรงดันฮาร์มอนิก (Voltage Harmonic) และกระแสฮาร์มอนิก (Current Harmonic) ขึ้นในระบบไฟฟ้าที่อุปกรณ์เหล่านี้ต่ออยู่ ฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นทำให้เกิดการเพี้ยนของรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า (Voltage and Current Distortion) ส่งผลให้ระบบควบคุมการผลิตต่าง ๆ ทำงานผิดพลาด นอกจากนี้กระแสฮาร์มอนิกยังทำให้ระบบไฟฟ้ามีค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ต่ำ ทำให้เกิดพลังงานสูญเสียเพิ่มมากขึ้น จากปัญหาที่กล่าวมาข้างต้นเป็นเพียงส่วน หนึ่ง ของปัญหาอีกจำนวนมากที่เกิดขึ้นเนื่องจากฮาร์มอนิก ซึ่งมีผลทำให้คุณภาพพลังงานไฟฟ้า (Power Quality) ทั้งหมดของระบบไฟฟ้าลดลง

การแก้ปัญหาเมื่อระบบไฟฟ้ามีค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ต่ำนั้น ในกรณีที่โหลดไฟฟ้าส่วนใหญ่หรือทั้งหมดเป็นชนิด Linear Load หรือกระแสโหลดเป็นคลื่นรูปไซน์ (Sine Wave) ที่ความถี่มูลฐาน (50 Hz) ซึ่งแก้ปัญหาโดยการติดตั้งชุดคาปาซิเตอร์ชนิด Pure Capacitance จะทำให้ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์สูงขึ้นตามที่ต้องการได้

แต่ในปัจจุบันการติดตั้งชุดคาปาซิเตอร์ชนิด Pure Capacitance กลับก่อให้เกิดปัญหาต่าง ๆ ตามมาจากฮาร์มอนิกที่มีอยู่ในระบบไฟฟ้า ด้วยเหตุผลว่าค่าอิมพีแดนซ์ของคาปาซิเตอร์จะมีค่าลดลงเมื่อความถี่ของกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น กระแสฮาร์มอนิกที่ไหลผ่านคาปาซิเตอร์ก็มีความถี่สูงเป็นจำนวนเท่าของความถี่มูลฐาน จึงทำให้ค่าอิมพีแดนซ์ของคาปาซิเตอร์ลดลง กระแสไฟฟ้ายิ่งไหลผ่านคาปาซิเตอร์มากขึ้นเกิดความร้อนเกินและทำให้คาปาซิเตอร์เกิดความเสียหาย  นอกจากนี้ที่ความถี่ค่า หนึ่ง ที่ทำให้ค่าคาปาซิตีฟ รีแอกแตนซ์ (Capacitive Reactance) ของคาปาซิเตอร์มีค่าเท่ากับค่าอินดักตีฟ รีแอกแตนซ์ (Inductive Reactance) ของระบบเกิดเป็นปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ขึ้น

และถ้าความถี่ของเรโซแนนซ์ใกล้เคียงกับความถี่ของกระแสฮาร์มอนิก จะทำให้เกิดเป็น Parallel Resonance มีผลทำให้แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้นมาก ทำให้คาปาซิเตอร์และอุปกรณ์อื่น ๆ เสียหายได้ ดังนั้นการปรับปรุงคุณภาพพลังงานไฟฟ้าและค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์จึงจำเป็นต้องพิจารณาถึงฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้น ซึ่งในบทความนี้ได้นำเสนอกรณีตัวอย่างที่แสดงถึงวิธีการตรวจสอบคุณภาพพลังงานไฟฟ้า การรวบรวมข้อมูล การวิเคราะห์ข้อมูล การหาวิธีแก้ไข รวมถึงผลของการแก้ไขที่เกิดขึ้นในโรงงานผลิตเหล็กรีดร้อนแห่ง หนึ่ง เชิญติดตามรายละเอียดได้เลยครับ

รูปที่ 1 แสดงการติดตั้งชุดฮาร์มอนิกฟิลเตอร์ในโรงงานผลิตเหล็กรีดร้อนแห่ง หนึ่ง ในรูปแสดงการติดตั้งรีแอกเตอร์ต่ออนุกรมกับชุดคาปาซิเตอร์ โดยมีรีแอกเตอร์จำนวนสามชุด หนึ่ง ชุดต่อเฟส มีการจัดวางเรียงซ้อนกัน (Stacked Arrangement) โดยมีฉนวนเป็นตัวกั้นแต่ละชุด

โรงงานผลิตเหล็กรีดร้อนแห่งหนึ่ง ประสบปัญหาค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ต่ำและมีฮาร์มอนิกในปริมาณสูง มีแผนที่จะขยายกำลังการผลิตโดยติดตั้งเตาหลอมแบบอาร์ก (Arc Furnace) เพิ่มขึ้นจำนวน 1 ชุด ในปัจจุบันโรงงานแห่งนี้ได้ติดตั้งเตาหลอมแบบอาร์กอยู่แล้วจำนวน 2 ชุด พร้อมคาปาซิเตอร์ชนิดฮาร์มอนิกฟิลเตอร์ (Harmonic Filter) ติดตั้งที่เมนบัส 22 kV และมีเครื่องรีดเหล็ก (Rolling Mill) ติดตั้งที่เมนบัส 12 kV แต่ไม่มีคาปาซิเตอร์ต่ออยู่ที่เมนบัสนี้ ตามรายละเอียดในรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดง Single Line Diagram ของโรงงานผลิตเหล็กรีดร้อนแห่ง หนึ่ง โดยมีคาปาซิเตอร์ชนิดฮาร์มอนิกฟิลเตอร์ ติดตั้งอยู่เฉพาะที่เมนบัส 22 kV

การตรวจวัดและวิเคราะห์คุณภาพพลังงานไฟฟ้าโดยใช้เครื่อง  Power Quality Analyzer ร่วมกับซอฟต์แวร์ ซึ่งจะตรวจวัดแรงดันฮาร์มอนิกและกระแสฮาร์มอนิกในขณะที่เตาหลอมและเครื่องรีดเหล็กทำงานพร้อมกัน โดยตรวจวัดตามจุดต่าง ๆ ดังนี้

จุดที่ 1 วัดที่เมนบัสด้านไฟเข้า 115 kV

จุดที่ 2 วัดที่ด้านปฐมภูมิของหม้อแปลงเตาหลอม 22 kV

จุดที่ 3 วัดที่ชุดคาปาซิเตอร์ที่ต่ออยู่ที่เมนบัส 22 kV

จุดที่ 4 วัดที่สายป้อนหลักที่จ่ายไฟไปยังเมนบัส 12 kV

จุดที่ 5 วัดที่สายป้อนที่จ่ายไฟไปยังเมนบัสของเครื่องรีดเหล็ก

ในการวิเคราะห์ฮาร์มอนิกได้คำนึงถึงการติดตั้งเตาหลอมเพิ่มเติมในอนาคตด้วย ผลของการตรวจวัดนำมาสร้างแบบจำลองฮาร์มอนิกที่สภาวะคงตัว (Steady-state Harmonic Model) ด้วยซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ เพื่อใช้แบบจำลองนี้วิเคราะห์ฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นในปัจจุบันและแนวโน้มในอนาคต (Trend Analysis) ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ของระบบไฟฟ้า รวมถึงแนวทางในการปรับปรุงคุณภาพพลังงานไฟฟ้าได้อีกด้วย

การตรวจวัดฮาร์มอนิกที่ระดับแรงดันไฟฟ้า 12 kV

ผลการวัดค่าแรงดันฮาร์มอนิกและกระแสฮาร์มอนิกที่เมนบัส 12 kV มีค่าที่วัดได้ ดังนี้

- ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของแรงดันไฟฟ้า (% Voltage THD) เท่ากับ 1.5% ถึง 8.17% ของค่าแรงดันไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน (เปลี่ยนแปลงตามโหลดของเครื่องรีดเหล็กที่เกิดขึ้น)

- ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของกระแสไฟฟ้า (% Current THD) เท่ากับ 3.45% ถึง 9.56% ของค่ากระแสไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน (เปลี่ยนแปลงตามโหลดของเครื่องรีดเหล็กที่เกิดขึ้น)

และวัดค่า  Power Flow และค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ที่เมนบัส 12 kV ด้วย มีค่าที่วัดได้ดังนี้         

- ค่ากำลังไฟฟ้าแท้จริง (Active Power) เท่ากับ 23.3 MW

- ค่ากำลังไฟฟ้ารีแอกตีฟ (Reactive Power) เท่ากับ 19.9 MVAR

- ค่ากำลังไฟฟ้าปรากฏ (Apparent Power) เท่ากับ 30.6 MVA

- ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ (Power Factor) เท่ากับ 0.76 Lagging

จากรูปที่ 2 วงจรไฟฟ้ากำลังที่จ่ายไฟให้กับเครื่องรีดเหล็กแบ่งได้เป็น 2 วงจร คือ

วงจรที่ 1 มีการติดตั้งชุดขับเคลื่อนมอเตอร์ชนิด 6 Pulse ซึ่งโดยทั่วไปชุดขับเคลื่อนมอเตอร์ชนิดนี้จะสร้างกระแสฮาร์มอนิกลำดับที่ 5 (5^th Harmonic) ในปริมาณสูง เมื่อวัดค่ากระแสฮาร์มอนิกที่บัสของเครื่องรีดเหล็ก จะได้ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของกระแสไฟฟ้า (% Current THD) เท่ากับ 27.8% ถึง 34.16% ของค่ากระแสไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน โดยมีรูปคลื่นกระแสไฟฟ้าตามรูปที่ 3 ซึ่งประกอบด้วยฮาร์มอนิกลำดับที่ 5, 7, 11, และ 13 

วงจรที่ 2 ไม่มีชุดขับเคลื่อนมอเตอร์ชนิดปรับความถี่ได้ ( Variable Frequency Drive : VFD) ติดตั้งอยู่ที่บัสนี้ ดังนั้นเมื่อวัดค่ากระแสฮาร์มอนิกที่บัสจะได้ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของกระแสไฟฟ้า (% Current THD) เท่ากับ 3.69% ถึง 7.76% ของค่ากระแสไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน

รูปที่ 3 แสดงรูปคลื่นกระแสไฟฟ้าที่ความถี่ 50 Hz เฟส C ที่เพี้ยนไปจากคลื่นรูปไซน์ เนื่องจากฮาร์มอนิกที่ชุดขับเคลื่อนมอเตอร์ชนิด 6 พัลส์สร้างขึ้นมา วัดที่ด้านไฟเข้าชุดขับเคลื่อนมอเตอร์

การตรวจวัดฮาร์มอนิกที่ระดับแรงดันไฟฟ้า  22 kV

ผลการวัดค่าแรงดันฮาร์มอนิกและกระแสฮาร์มอนิกที่เมนบัส 22 kV มีค่าที่วัดได้ดังนี้

- ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของแรงดันไฟฟ้า (% Voltage THD) เท่ากับ 0.53% ถึง 6.3% ของค่าแรงดันไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน (ในสภาวะปกติ)

- ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของแรงดันไฟฟ้า (% Voltage THD) เท่ากับ 19.18% ของค่าแรงดันไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน (ในสภาวะเกิดอาร์กไฟฟ้าที่เตาหลอม)

- ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของกระแสไฟฟ้า (% Current THD) เท่ากับ 3.14% ถึง 16.18% ของค่ากระแสไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน (เปลี่ยนแปลงตามโหลดของเตาหลอม)

โดยปกติเตาหลอมแบบอาร์กชนิด Scrap Metal ที่ติดตั้งใช้งานอยู่นี้ จะมีค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ต่ำอยู่ในช่วง 0.65 ถึง 0.85 Lagging คาปาซิเตอร์จำนวน 2 ชุด สามารถปรับค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ที่เมนบัส 22 kV ให้มีค่าระหว่าง 0.90 Lagging ถึง 0.90 Leading

การวิเคราะห์เพาเวอร์แฟกเตอร์ (Power Factor Analysis)

1. ต้องติดตั้งคาปาซิเตอร์เพิ่มเติมที่เมนบัส 12 kV เพื่อปรับปรุงค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์จาก 0.76 Lagging เป็น 0.95 Lagging   

2. ส่วนที่ระดับแรงดัน 22 kV นี้มีค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ถึง 0.90 Lagging แสดงว่าชุดคาปาซิเตอร์จำนวน 2 ชุด ที่ต่ออยู่ที่เมนบัส 22 kV มีขนาดเพียงพอที่จะจ่ายกำลังไฟฟ้ารีแอกตีฟให้กับเตาหลอมแบบอาร์กที่จะติดตั้งใหม่ได้

จากค่า Power Flow ที่วัดได้ที่เมนบัส 12 kV ทำให้วิเคราะห์ได้ว่าเมื่อต้องปรับปรุงค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ใหม่ให้เท่ากับ 0.95 Lagging ค่ากำลังไฟฟ้ารีแอกตีฟจะมีค่าเท่ากับ 7.2 MVAR ดังนั้น ขนาดของคาปาซิเตอร์ที่จะติดตั้งเพิ่มเติมที่เมนบัส 12 kV เท่ากับ 12.7 MVAR

ผลของฮาร์มอนิกที่มีต่อเพาเวอร์แฟกเตอร์

เมื่อโหลดไฟฟ้าส่วนใหญ่หรือทั้งหมดเป็นชนิด Linear Load เช่น มอเตอร์เหนี่ยวนำ รูปคลื่นแรงดันโหลดและกระแสโหลดจะเป็นคลื่นรูปไซน์ ค่าความเพี้ยนฮาร์โมนิกส์รวมของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าจะมีค่าน้อยมาก ทำให้เพาเวอร์แฟกเตอร์ที่วัดได้เป็นค่า Displacement Power Factor (DPF)

แต่ในปัจจุบันมีโหลดชนิด Non-linear ซึ่งสร้างกระแสฮาร์มอนิกในปริมาณสูงติดตั้งอยู่ในระบบไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก ทำให้ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของกระแสไฟฟ้ามีค่าสูง กระแสฮาร์มอนิกจะทำให้กำลังไฟฟ้าปรากฏมากกว่ากำลังไฟฟ้าแท้จริงเป็นจำนวนมาก ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ที่วัดได้จะเป็นค่า Distortion Power Factor และผลรวมของ Displacement Power Factor และ Distortion Power Factor จะเท่ากับ ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์รวม (Total Power Factor: TPF)

ฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นจะทำให้เพาเวอร์แฟกเตอร์รวมของระบบไฟฟ้ามีค่าต่ำลง (ระหว่าง 0.60 ถึง 0.70) ในขณะที่ค่า DPF จะมีค่าสูง (ระหว่าง 0.90 ถึง 0.95) ดังนั้น เมื่อต้องการปรับปรุงค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์จึงต้องพิจารณาค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์รวมของระบบไฟฟ้า

การลดทอนฮาร์มอนิกด้วยฮาร์มอนิกฟิลเตอร์

แบบจำลองฮาร์มอนิกที่สภาวะคงตัว (Steady-state Harmonic Model) ใช้วิเคราะห์ปริมาณแรงดันฮาร์มอนิกและกระแสฮาร์มอนิกที่ความถี่ต่าง ๆ เมื่อมีแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกต่ออยู่ในระบบไฟฟ้า รวมถึงวิเคราะห์การเกิดเรโซแนนซ์ของคาปาซิเตอร์ที่ต่ออยู่ในระบบไฟฟ้าตามการเปลี่ยนแปลงของค่ากำลังไฟฟ้าลัดวงจร (Short Circuit Capacity) โดยเปลี่ยนค่าอิมพีแดนซ์ของระบบไฟฟ้าของการไฟฟ้าท้องถิ่น

จากการวิเคราะห์การเกิดเรโซแนนซ์ในกรณีที่ต่อคาปาซิเตอร์ขนาด 12.7 MVAR เข้ากับเมนบัส 12 kV พบว่าจะเกิด Parallel Resonance ขึ้นที่ความถี่เรโซแนนซ์ใกล้กับฮาร์มอนิกลำดับที่ 4.7 โดยจะเกิดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดตามรูปที่ 4 แสดงว่าต้องติดตั้งฮาร์มอนิกฟิลเตอร์เพื่อกรองฮาร์มอนิกที่ความถี่นี้ (Tuned Harmonic)

รูปที่ 4 แสดงการเกิดปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ชนิด Parallel ขึ้นเมื่อต่อคาปาซิเตอร์ขนาด 12.7 MVAR เข้ากับเมนบัส 12 kV ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดใกล้กับฮาร์มอนิกลำดับที่ 4.7 เพื่อแก้ไขปัญหานี้จึงต้องติดตั้งฮาร์มอนิกฟิลเตอร์เพื่อกรองฮาร์มอนิกลำดับที่ 4.7 ที่เกิดขึ้นในระบบ

สมการต่อไปนี้ใช้คำนวณหาขนาดของรีแอกเตอร์ที่ต่ออนุกรมกับคาปาซิเตอร์เพื่อเปลี่ยน Pure Capacitance ขนาด 12.7 MVAR เป็นฮาร์มอนิกฟิลเตอร์ลำดับที่ 4.7 โดยมีวงจรไฟฟ้าของฮาร์มอนิกฟิลเตอร์ลักษณะต่าง ๆ ตามรูปที่ 5

รูปที่ 5 แสดงฮาร์มอนิกฟิลเตอร์ประเภทต่าง ๆ ตามลักษณะของรีแอกเตอร์

h2           = Xc/XL                                                                 ---------------------- (1)

XL           = Xc/h2                                                                 ---------------------- (2)

Xc           = (kVL-L)2/MVAR 3-Phase                            ---------------------- (3)

โดยที่

                h              = Tuned Hamonic

Xc           = ค่าคาปาซิตีฟ รีแอกแตนซ์ของฮาร์มอนิกฟิลเตอร์

XL           = ค่าอินดักตีฟ รีแอกแตนซ์ของฮาร์มอนิกฟิลเตอร์

kV L-L    = แรงดันไฟฟ้าระหว่างเฟสของชุดคาปาซิเตอร์

MVAR 3-Phase = พิกัดกำลังไฟฟ้ารีแอกตีฟของคาปาซิเตอร์

วิธีคำนวณ

หาค่า Xcโดยแทนค่า kV L-L = 12 kV และ MVAR 3-Phase = 12.7 MVAR ลงในสมการที่ 3

               Xc           = (12)2/12.7 

                               = 11.339 โอห์ม

        หาค่า XL โดยแทนค่า Xc = 11.339 โอห์ม และ h = 4.7 ลงในสมการที่ 2

                XL           = 11.339/(4.7)2 

                                = 0.513 โอห์ม

เมื่อเปลี่ยนคาปาซิเตอร์ชนิด Pure Capacitance เป็นฮาร์มอนิกฟิลเตอร์ลำดับที่ 4.7 แล้วคำนวณค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมใหม่จะได้ค่าดังนี้

- ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของแรงดันไฟฟ้าสูงสุด (%Voltage Harmonic Distortion) เท่ากับ 2.63% ของแรงดันไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน (มาตรฐาน IEEE ยอมรับได้ที่ 5%)

- ค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของกระแสไฟฟ้า (%Current Harmonic Distortion) เท่ากับ 3.83% ของกระแสไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน (มาตรฐาน IEEE ยอมรับได้ที่ 5%)

การปรับปรุงคุณภาพพลังงานไฟฟ้าเริ่มต้นด้วยการใช้เครื่อง Power Quality Analyzer หรือ Harmonic Analyzer ชนิด True RMS ในการตรวจวัดฮาร์มอนิกและเพาเวอร์แฟกเตอร์ ต่อจากนั้นก็จะทำการวิเคราะห์ข้อมูลด้วยซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์เพื่อสร้างแบบจำลองฮาร์มอนิกที่ภาวะคงตัว สำหรับใช้วิเคราะห์หามาตรการปรับปรุงคุณภาพพลังงานไฟฟ้าที่เหมาะสมต่อไป ซึ่งจะบอกได้ว่าต้องใช้อุปกรณ์ชนิดใดและขนาดใดเพื่อลดค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า เพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่เมนบัส และปรับปรุงค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์

ในกรณีโรงงานผลิตเหล็กรีดร้อนแห่งนี้ จากแบบจำลองฮาร์มอนิกที่สภาวะคงตัวสามารถวิเคราะห์หาขนาดของคาปาซิเตอร์ชนิดฮาร์มอนิกฟิลเตอร์ เพื่อลดทอนฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้าและปรับปรุงค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ซึ่งเป็นปัญหาอยู่ในปัจจุบันและป้องกันปัญหาที่จะเกิดขึ้นในอนาคตได้ เนื่องจากมีการติดตั้งโหลดไฟฟ้าชนิด Non-linear Load ในโรงงานอุตสาหกรรม ดังนั้น การเลือกใช้และติดตั้งคาปาซิเตอร์ชนิดฮาร์มอนิกฟิลเตอร์อย่างเหมาะสมจึงเป็นวิธี หนึ่ง ที่มีประสิทธิผลในการลดทอนฮาร์มอนิกและปรับปรุงเพาเวอร์แฟกเตอร์

เอกสารอ้างอิง

1. Steel mill tackles Power Quality and Power Factor problems, EC&M September 1996 Volume 95 No. 9

2. IEEE Recommended practice for electrical power distribution for industrial plants, ANSI/IEEE Std 141-1986