การทำงานของวงจรกรองกำลังชนิดแอคทีฟ (Active Power Filter)

PAMAX Series : Active Power Filter

     ในช่วงเวลากว่า 30 ปีที่ผ่านมา ผลจากการพัฒนาด้านอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า คอมพิวเตอร์ เครื่องจักรอุตสาหกรรมให้มีขีดความสามารถในการผลิตและความเร็วในการทำงานสูง ตลอดจนอุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานเพื่อการลดการใช้พลังงาน ในด้านบวกผลจากการพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้ทำให้ภาคธุรกิจและอุตสาหกรรมให้ความสนใจและนำเทคโนโลยีเหล่านี้มาใช้ในหน่วยงานเป็นจำนวนมาก เช่น สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (SMPS) สำหรับระบบคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์โทรคมนาคม อินเวอเตอร์ควบคุมความเร็วรอบมอเตอร์(VSD) เตาอินดัคชั่น (Induction Heating) บัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับหลอดไฟฟ้าแสงสว่างชนิดต่างๆ และอื่นๆ แต่ในอีกด้านหนึ่งการพัฒนาอุปกรณ์ เครื่องจักรและอุปกรณ์เพื่อการอนุรักษ์พลังงานเหล่านี้ได้สร้างมลภาวะหรือปัญหาทางคุณภาพกำลังไฟฟ้าที่เรียกว่ากระแสฮาร์มอนิกให้กับระบบไฟฟ้าของทั้งหน่วยงานที่นำอุปกรณ์เครื่องจักรเหล่านี้มาใช้งานเองและกับผู้ใช้ไฟฟ้าส่วนรวมในขณะเดียวกันด้วย

อุปกรณ์ที่ติดตั้งเพื่อทำหน้าที่ลดหรือกำจัดฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้าหรือติดตั้งที่ตัวโหลดที่สร้างฮาร์มอนิกเอง โดยอุปกรณ์ปรับปรุงคุณภาพกำลังไฟฟ้าที่รู้จักและใช้งานกันแพร่หลายก็ได้แก่ AC Line Reactor, Detuned Filter, Tuned Filter, Passive Power Filter และ Active Power Filter (APF) โดยในบทความนี้จะแนะนำการทำงาน ประเภท และการเลือกใช้อุปกรณ์ Active Power Filter ให้เหมาะสมกับงานและความต้องการของท่าน

รูปที่ 1 ตัวอย่างอุปกรณ์ Active Power Filter รุ่นที่มีจำหน่ายในท้องตลาด

รูปที่ 2 หลักการทำงานของ Active Power Filter

หน้าที่หลักของ APF คือการกำจัดหรือลดปริมาณกระแสฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้าเพื่อป้องกันปัญหาจากกระแสและแรงดันฮาร์มอนิก รูปที่ 2 แสดงหลักการทำงานพื้นฐานโดยโหลดที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์โหลดจะสร้างกระแสที่มีความเพี้ยน (iL) และฮาร์มอนิกเข้าสู่ระบบไฟฟ้า ในภาพเป็นตัวอย่างรูปคลื่นกระแสที่เกิดจาก 6 pulses rectifier โดยเครื่อง APF จะสร้างกระแสไฟฟ้าชดเชย (iC) ที่มีส่วนประกอบฮาร์มอนิกในทิศทางตรงข้ามเข้าไปหักล้างกับกระแสโหลดที่มีความเพี้ยน จากการหักล้างส่วนประกอบกระแสฮาร์มอนิกในทิศทางตรงกันข้ามนี้ จะทำให้กระแส (iS) ที่จ่ายออกมาจากหม้อแปลงหรือแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า (AC Power) เป็นรูปคลื่นไซน์ที่มีส่วนประกอบฮาร์มอนิกเพียงความถี่เดียว (Fundamental only)

ขั้นตอนและข้อพิจาณราในการเลือก APF เพื่อติดตั้งใช้งาน

     ในการติดตั้ง APF เพื่อกำจัดหรือลดปริมาณกระแสฮาร์มอนิกในระบบนั้นจำเป็นต้องมีการตรวจวิเคราะห์ปริมาณและลำดับของกระแสฮาร์มอนิกที่ 2 ขึ้นไป ว่ามีลำดับละกี่แอมป์ (A) และผลรวมทั้งหมดมีค่ากี่แอมป์ (A) เพื่อกำหนดขนาดของเครื่อง APF และพิกัดกระแสฮาร์มอนิกเครื่อง APF ที่มากกว่ากระแสฮาร์มอนิกรวมสูงสุดที่เกิดขึ้น โดยทั่วไปพิกัดของเครื่องจะระบุหน่วยเป็นแอมป์ (A) เช่น 50A, 75A, 100A…600A เป็นต้น นอกจากนั้นยังต้องพิจารณาสิ่งต่อไปนี้ประกอบด้วย

มาตรฐานขีดจำกัดกระแสฮาร์มอนิกสูงสุด – ในกรณีที่ไม่สามารถติดตั้งเครื่อง APF ที่มีพิกัดกระแสสูงสุดมากกว่าปริมาณกระแสฮาร์มอนิกรวมที่เกิดขึ้น เราสามารถเลือกลำดับและสัดส่วนของฮาร์มอนิกที่ต้องการกำจัดโดยการโปรแกรมที่เครื่อง APF เพื่อให้ผ่านมาตรฐานขีดจำกัดกระแสฮาร์มอนิกได้โดยผลรวมของกระแสฮาร์มอนิกอาจต่ำกว่าและสามารถใช้เครื่อง APF พิกัดที่เล็กลงเพื่อการประหยัดงบประมาณได้

แหล่งจ่ายไฟฟ้าและชนิดของโหลด – เนื่องจากโหลดในระบบไฟฟ้ามีทั้งชนิด 1 เฟส และ 3 เฟส โดยโหลดชนิด 3 เฟสเองก็มีชนิดย่อยลงไปอีกคือ 3 เฟส/3 สาย (3P/3W) และ 3 เฟส/4 สาย (3P/4W) ดังนั้นจำเป็นต้องเลือก APF ที่มีโครงสร้างวงจรรองรับการใช้งานให้เหมาะกับโหลดพิจารณาจากตารางที่ 1 และรูปที่ 2 และ 3 โดยทั่วไปเครื่อง APF โครงสร้าง 3P/4W จะมีราคาสูงกว่า 3P/3W แต่ในแง่การใช้งานจะมีความสะดวกกว่ามากเนื่องจากสามารถรองรับโหลดได้ทุกชนิดและสามารถทำฟังก์ชั่นอื่นที่มีประโยชน์ต่อระบบไฟฟ้าได้มากกว่า ส่วนเครื่อง APF โครงสร้าง 3P/3W นั้นจะเหมาะกับการติดตั้งกับเครื่องจักรชนิด 3 เฟสเพื่อแก้ปัญหาฮาร์มอนิกที่เครื่องนั้นสร้างออกมา

ตารางที่ 1 โครงสร้างเครื่อง APF และชนิดของโหลดที่เหมาะสม

รูปที่ 3.1 การติดตั้งใช้งาน APF ชนิด 3 เฟส 3 สาย (3P/3W) และชนิดของโหลดที่เหมาะสม

รูปที่ 3.2 การติดตั้งใช้งาน APF ชนิด 3 เฟส 4 สาย (3P/4W) และชนิดของโหลดที่เหมาะสม

การติดตั้งร่วมกับตัวเก็บประจุไฟฟ้าแก้ค่าตัวประกอบกำลัง (Capacitor Bank) – ปกติแล้วในระบบไฟฟ้าของโรงงานหรืออาคารสำนักงานขนาดใหญ่จะมีการติดตั้งตัวเก็บประจุแก้ค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเสมอซึ่งการติดตั้งเครื่อง APF ให้เกิดประโยชน์สูงสุดเราจะทำการติดตั้งเครื่อง APF หลังตัวเก็บประจุตามรูปที่ 4 โดยเครื่อง APF จะทำการกำจัดฮาร์มอนิกทำให้รูปคลื่นกระแสเข้าใกล้รูปคลื่นไซน์แล้วตัวเก็บประจุจึงทำหน้าที่ปรับค่าตัวประกอบกำลังซึ่งจะทำให้กระแสกระชากของตัวเก็บประจุลดลงและทำให้อายุการใช้งานยาวขึ้น

รูปที่ 4 แสดงการติดตั้งใช้งาน APF ร่วมกับ Capacitor Bank

ตำแหน่งจุดติดตั้งและกำลังงานสูญเสียในระบบ – การติตั้งเครื่อง APF นอกจากจะได้ประโยชน์จากการลดหรือจำกัดปริมาณกระแสฮาร์มอนิกส์ไม่ให้เกินขีดจำกัดของข้อกำหนดมาตรฐานที่จุดต่อร่วมแล้ว การเลือกตำแหน่งติดตั้งเครื่อง APF ที่เหมาะสมจะทำให้กำลังงานสูญเสียภายในสายตัวนำไฟฟ้าในระบบและปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าและการรบกวนกันเองภายในระบบลดลงด้วย

รูปที่ 5.1 แสดงการติดตั้ง APF ที่บริเวณด้านขาออกของหม้อแปลง

รูปที่ 5.2 แสดงการติดตั้ง APF ที่บริเวณหน้าโหลดแต่ละตัวที่กระจายอยู่ตามบริเวณต่างๆในอาคารหรือโรงงาน

รูปที่ 5.3 แสดงการติดตั้ง APF แบบผสม

ปริมาณกระแสนิวตอลในระบบ – โดยทั่วไปโหลดภายในโรงงานหรืออาคารนั้นจะประกอบด้วยทั้งโหลด 1 เฟสและ 3 เฟสต่อร่วมกันโดยอุปกรณ์เครื่องใช้สำนักงานและระบบไฟฟ้าแสงสว่างจะเป็นโหลดชนิด 1 เฟส ส่วนเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่นั้นจะใช้แรงดัน 3 เฟสเป็นหลัก เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปว่าถ้าสามารถจัดสมดุลของกระแสไฟฟ้าในแต่ละเฟสให้ใกล้เคียงกันได้กระแสนิวตรอลจะมีค่าใกล้เคียงศูนย์ เป็นความจริงสำหรับฮาร์มอนิกลำดับที่ 1 (50Hz) แต่สำหรับฮาร์มอนิกส์ลำดับคูณสาม (Tripen harmonic) นั้นปริมาณกระแสฮาร์มอนิกเหล่านี้จะไหลมารวมกันที่สายนิวตรอลทั้งหมดเนื่องจากเป็นซีเควนซ์ศูนย์ (Zero sequence) โหลดอิเล็กทรอนิกส์ 1 เฟส เช่น คอมพิวเตอร์ บัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์ โทรทัศน์ และอื่นๆ เหล่านี้จะสร้างกระแสฮาร์มอนิกส์เหล่านี้สูงมาก รูปที่ 6 แสดงผลการตรวจวัดกระแสฮาร์มอนิกจากอาคารขนาดใหญ่แห่งหนึ่ง จะเห็นได้ว่าปริมาณกระแสแต่ละเฟสมีค่าใกล้เคียงกันมาก (1640A, 1641A, 1535A) แต่ค่ากระแสนิวตรอลมีค่าสูงถึง 1080A ซึ่งเป็นผลมาจากปริมาณกระแสฮาร์มอนิกลำดับที่ 3 ของแต่ละเฟสมีค่า 370.5A, 356.4A และ 344.7A ตามลำดับ

รูปที่ 6 แสดงค่ากระแสนิวตรอลที่สูงเนื่องจากฮาร์มอนิกที่ 3

ความสามารถในการลดกำลังงานรีแอคทีฟ – โดยทั่วไปการลดกำลังงานรีแอคทีฟส่วนใหญ่จะใช้ตัวเก็บประจุไฟฟ้าแก้ค่าตัวประกอบกำลังร่วมกับอุปกรณ์ควบคุมหรือที่เรียกว่า PF Controller ตัดต่อแม็กเนติกคอนแทร็คเตอร์เพื่อให้ได้การชดเชยกำลังงานรีแอคทีฟที่เหมาะสมกรณีนีเหมาะสำหรับโหลดที่มีการเปลี่ยนแปลงช้าหรือการเปลี่ยนแปลงไม่บ่อย แต่ถ้าโหลดมีการเปลี่ยนแปลงที่มีไดนามิคสูงการตั้งค่ากำหนดให้ APF ที่มีคุณสมบัติในการชดเชยกำลังงานรีแอคทีฟมาใช้จะสามารถตอบสนองได้เร็วกว่ามากเนื่องจากไม่มีกลไกและอุปกรณ์ที่ต้องเคลื่อนที่และยังลดโอกาสที่จะเกิดการรีโซแนนซ์ได้เป็นอย่างดี

ความสามารถในการปรับสมดุลกกระแสแต่ละเฟส – นอกจากเครื่อง APF จะทำหน้าที่กำจัดกระแสฮาร์มอนิก กำจัดกระแสนิวตรอล และชดเชยกำลังงานรีแอคทีฟแบบไดนามิคได้เป็นอย่างดีแล้ว ในกรณีของ APF ที่เป็นโครงสร้าง 3 เฟส 4 สาย นั้นยังสามารถชดเชยการไม่สมดุลของกระแสแต่ละเฟสให้สมดุลได้อัตโนมัติซึ่งจะเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของหม้อแปลงและกำลังงานสูญเสียในระบบลดลง

ความเร็วในการตอบสนองการเปลี่ยนแปลงกระแสโหลด – เนื่องในโรงงานและอาคารมีอิเล็กทรอนิกส์โหลดและมีการเปลี่ยนแปลงของกระแสอย่างรุนแรงความเร็วในการตอบสนองการเปลี่ยแปลงของเครื่อง APF ควรจะต้องสามารถตอบสนองได้เร็ว โดยควรจะตอบสนองต่อทรานเชียนท์ไม่เกิน 0.1 mS และตอบสนองโดยสมบูรณ์ไม่ควรเกิน 1 คาบสัญญาณหรือ 20 mS เพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่เกิดการกระชากของกระแสและแรงดันไปรบกวนหรือทำอันตรายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้า เครื่องจักรที่ต่อร่วมในระบบไฟฟ้านั้นๆ

สรุป เนื้อหาในบทความนี้เป็นแนวทางให้ผู้สนใจด้านปัญหาคุณภาพกำลังไฟฟ้าได้รับข้อข้อมูลเกี่ยวกับ Active Power Filter ว่ามีประโยชน์และการใช้งานที่เหมาะสม ถูกต้องและเกิดประโยชน์สูงสุด เนื่องจากในปัจจุบันรูปแบบของกระแสฮาร์มอนิกที่เกิดจากเครื่องจักรสมัยใหม่มีการทำงานแบบไดนามิกมากขึ้นซึ่งหมายความว่าอิมพีแดนซ์ของโหลดที่อยู่ในระบบมีการเปลี่ยนแปลงสูงมาก ซึ่งมีผลต่อการทำงานของอุปกรณ์กรองฮาร์มอนิกชนิด Passive Filter หรือ Tuned Filter ที่ทำให้เกิดความเสียหายจากปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ ซึ่งปัญหานี้จะไม่เกิดกับ APF อีกทั้งในปัจจุบันราคาของ APF เองก็มีการปรับตัวลงและผู้ให้บริการก็มีทางเลือกให้กับผู้สนใจมากขึ้น

บทความโดย บริษัท เพาเวอร์ ควอลิตี้ ทีม จำกัด

สงวนลิขสิทธิ์ ห้ามทำซ้ำ คัดลอก หรือนำไปเผยแพร่ก่อนได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษรจากบริษัท ฯ