ขีดจำกัดการใช้งาน Capacitor bank/Detuned filter กับโหลดที่มีการเปลี่ยนแปลงรุนแรง
Facebook Twitter More...
ในโรงงานอุตสาหกรรมที่มีการใช้งานเครื่องจักรหรือมอเตอร์ขนาดใหญ่หลายตัวที่มีการทำงานเดินเครื่องและหยุดสลับไปมาอย่างรุนแรง เช่น ในอุตสาหกรรมผลิตอาหาร แป้ง และน้ำตาลที่มีการใช้มอเตอร์กระแสตรงและชุดขับ (DC Drive) ในกระบวนการปั่นแห้งต่างๆ ปัญหาที่หลายๆ ท่านพบคือ Capacitor bank หรือ Detuned filter ที่ท่านติดตั้งใช้งานไม่สามารถทำงานปรับค่า Power Factor ให้มีค่าสูงและคงที่ได้ตามที่ท่านต้องการหรือในบางกรณีจะพบว่าเกิดความเสียหายกับอุปกรณ์ Capacitor bank หรือ Detuned filter ที่ติดตั้งเร็วกว่าที่ควรจะเป็นนอกจากนั้นยังพบปริมาณความเสียหายหรือการทำงานผิดปกติของเครื่องจักรที่มีการใช้งานในระบบไฟฟ้านั้นด้วย

ในบทความนี้จะยกตัวอย่างปัญหาที่เกิดขึ้นในอุตสาหกรรม อธิบายถึงขีดจำกัดและสาเหตุของขีดจำกัดนั้นที่เกิดขึ้นกับการทำงานของ Capacitor bank หรือ Detuned filter ที่มีการติดตั้งใช้งานกับระบบไฟฟ้าที่มีเครื่องจักรทำงานในลักษณะดังกล่าวเพื่อให้ท่านที่ปฏิบัติงานทราบและเข้าใจในปัญหาที่เกิดขึ้น


รูปที่ 1 ภาพตัวอย่างเครื่องจักรที่มีการเปลี่ยแปลงการทำงานอย่างรุนแรง


(แกนนอน 30 วินาที/ช่อง)
รูปที่ 2 ตัวอย่างค่า Power Factor ที่ตรวจวัดได้ของระบบไฟฟ้าที่จ่ายให้เครื่องจักร


(แกนนอน 30 วินาที/ช่อง)
รูปที่ 3 ตัวอย่างค่ากำลังงานรีแอคทีฟที่ต้องการชดเชยเพื่อให้ Power Factor = 1

รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างเครื่องจักรจำนวนมากที่ใช้ในกระบวนการผลิตที่มีการเปลี่ยนแปลงการทำงานอย่างรุนแรง โดยอุปกรณ์หลักคือ DC Motor ที่ถูกขับด้วย DC Drive โดยโหลดจะเป็นของเหลวที่ต้องมีการปั่นให้แห้งเพื่อแยกน้ำออกจากวัตถุดิบดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ DC Motor ขนาดใหญ่เพื่อให้แรงบิดในขณะเริ่มต้นสูงมากและเมื่อแยกน้ำออกจากวัตถุดิบเสร็จก็จะหยุดการขับเคลื่อนการทำงาน หลังจากนั้นแรงเฉื่อยที่เหลืออยู่ก็จะถูก DC Motor และ DC Drive ทำหน้าที่คืนพลังงานกลับสู่ระบบไฟฟ้าโดย 1 รอบการทำงานจะใช้เวลาประมาณ 90 วินาที ในรูปที่ 2 เป็นผลการตรวจวัดค่า Power Factor ของระบบไฟฟ้าที่จ่ายให้แก่โหลดในรูปที่ 1 ซึ่งจะพบว่าค่า Power Factor ของระบบมีการเปลี่ยนแปลงในช่วง 0.42 ถึง 0.95 และเมื่อพิจารณาจากรูปที่ 3 กำลังงานรีแอคทีฟที่เกิดขึ้น อยู่ในช่วง 237 ถึง 1,017 kvar และระยะเวลาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงของ kvar ในบางช่วงน้อยกว่า 10 วินาที นอกจากนี้เมื่อพิจารณาผลการตรวจวัดรูปคลื่นของกระแสและแรงดันที่เกิดขึ้นดังแสดงในรูปที่ 4 และ 5 พบว่ามีความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิกของแรงดันและกระแสไฟฟ้าในระดับที่สูงมาก


รูปที่ 4 รูปคลื่นแรงดันและความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิก (THDv) ที่ตรวจวัดได้


รูปที่ 5 รูปคลื่นกระแสและความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิก (THDi) ที่ตรวจวัดได้

จากข้อมูลการทำงานของเครื่องจักรและผลการตรวจวัดที่แสดง ถ้าเราต้องการปรับปรุงค่า Power Factor ของระบบให้มีค่าสูงขึ้นจะพบปัญหาที่ต้องพิจารณาดังนี้
  1. พิกัดกำลังงานรีแอคทีฟสูงสุดที่ต้องการเท่ากับ 1,017 kvar
  2. มีค่าความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิกของแรงดัน (THDv) สูงสุดถึง 6.5%
  3. มีค่าความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิกของกระแส (THDi) สูงสุดถึง 24.9%
  4. ต้องการอัตราความเร็วในการชดเชย kvar สูงสุดประมาณ 550 kvar/วินาที
ถ้าพิจารณาหัวข้อที่ 1 ถึง 3 พบว่าเราไม่สามารถใช้ Capacitor bank ปกติในการแก้ปัญหาได้เนื่องจากค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นสูงมากจนอาจเกิดความเสียหายกับ Capacitor ได้ดังนั้น Detuned filter ที่มีความสามารถในการทำงานและทนฮาร์มอนิกระดับนี้จึงน่าจะถูกพิจารณานำมาใช้งาน แต่เมื่อพิจารณาถึงอัตราความเร็วและพิกัด kvar ที่ต้องการการชดเชยใน 1 วินาทีหรือจำนวนครั้งต่อเวลาที่ความต้องการ kvar เปลี่ยนแปลงที่สูงมากนั้นจะพบว่า Detuned filter ที่ใช้ Power factor controller ร่วมกับ Magnetic contractor เองก็ไม่สามารถตอบสนองต่อความต้องการนี้ได้ หรือสมมติว่าถ้าตอบสนองได้ทันก็จะเกิดความเสียหายต่อ Detuned filter เองและยังสร้างปัญหาทรานเชียลอย่างรุนแรงให้กับอุปกรณ์ในระบบไฟฟ้าในขณะเดียวกันด้วย

โดยทั่วไปอุปกรณ์ Power factor controller ที่มีการติดตั้งใน Capacitor bank หรือ Detuned filter นั้นจะตรวจวัดค่า PF. ของระบบโดยผ่านขดแรงดันและ CT จากนั้นจะคำนวณ kvar ที่ต้องการชดเชยเพื่อให้ได้ตาม Power Factor ที่ตั้งไว้และจะส่งคำสั่งไปยัง Magnetic contractor เพื่อทำหน้าที่ต่อหรือปลดตัวเก็บประจุไฟฟ้าตามจำนวน kvar หรือจำนวน Step ที่ต้องการ โดยคำสั่งที่ส่งไปเพื่อต่อหรือปลดตัวเก็บประจุนั้นจะสั่งแบบเรียงลำดับทีละ 1 ตัวโดยเราสามารถโปรแกรมกำหนดช่วงเวลาหน่วงได้ สาเหตุที่ต้องมีการทำงานเช่นนี้ก็เนื่องจากว่าในการต่อตัวเก็บประจุไฟฟ้าแต่ละ Step จะเกิดกระแสกระชากจากแหล่งจ่ายเข้าสู่ตัวเก็บประจุและยังสร้างแรงดันทรานเชียลเข้าสู่ระบบไฟฟ้าดังแสดงในรูปที่ 6 และ 7 ตามลำดับ สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เนื่องจากในขณะที่ Magnetic contractor ต่อตัวเก็บประจุเข้าระบบนั้นไม่สามารถควบคุมให้ต่อตรงเวลาที่แรงดันของ AC Bus เท่ากับศูนย์โวลท์ (Zero voltage crossing) จึงเป็นเหตุให้เกิดการกระชากของกระแสไฟฟ้าขึ้นดังนั้นในกรณีนี้ถ้า Capacitor bank มีการต่อตัวเก็บประจุเข้าสู่ระบบพร้อมกันมากว่า 1 Step ก็เป็นเหตุให้ปริมาณกระแสกระชากและแรงดันทรานเชียลที่เกิดขึ้นนี้สูงขึ้นมากจนอาจเป็นสาเหตุให้ระบบป้องกันของระบบไฟฟ้าทำงานหรือสร้างความเสียหายกับเครื่องจักรอุปกรณ์ในระบบไฟฟ้าได้ จากรูปที่ 8 จะเห็นได้ว่าการที่ Power Factor Controller มีการสั่งการให้มีการต่อหรือปลดตัวเก็บประจุไฟฟ้าทีละ Step ก็จะส่งผลให้เกิดปัญหาในเรื่องความล่าช้าในการชดเชยและ Over compensation ในกรณีที่โหลดมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว


รูปที่ 6 รูปคลื่นกระแสทรานเชียลที่เกิดขึ้นจากการต่อตัวเก็บประจุ


รูปที่ 7 รูปคลื่นแรงดันทรานเชียลที่เกิดขึ้นจากการต่อตัวเก็บประจุ

จากปัญหาต่างๆ ดังที่กล่าวมาแล้วจะเห็นได้ว่า Capacitor bank หรือ Detuned filter ที่มีการใช้ Power Factor Controller ทำงานร่วมกับ Magnetic contractor นั้นไม่สามารถทำงานเพื่อแก้ไขปัญหาในกรณีตัวอย่างดังที่กล่าวมานี้ได้ ถ้าต้องการแก้ไขปัญหานี้จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่ถูกออกแบบมาให้มีความสามารถในการควบคุมการนำกระแสของการชดเชย kvar ของทุก Step ให้ทำงานที่แรงดันศูนย์ (Zero voltage crossing) และมีความเร็วในการสวิตช์สูงกว่า Magnetic contractor โดยเทคโนโลยีที่มีการใช้ในปัจจุบันคืออุปกรณ์ไทริสเตอร์ ซึ่งเทคนิคดังกล่าวมีชื่อเรียกว่า Thyristor Control Switch (TCS) และโครงสร้างวงจรและการทำงานพื้นฐานแสดงในรูปที่ 9 และรูปคลื่นกระแสขณะสวิตช์ต่อเข้าระบบแสดงในรูปที่ 10


รูปที่ 8 แสดงการควบคุมการชดเชย kvar ของ Power Factor Controller

รูปที่ 9 โครงสร้างวงจรและการทำงานพื้นฐานของ Detuned filter ที่ใช้ TCS ในการสวิตช์


รูปที่ 10 รูปคลื่นกระแสขณะสวิตช์ของวงจรในรูปที่ 9

จากการสวิตช์ในรูปที่ 10 จะเห็นได้ว่าไม่มีกระแสกระชากเกิดขึ้นขณะที่ TCS ทำงานเนื่องจาก MCU ของระบบจะทำการตรวจวัดรูปคลื่นของแรงดันแต่ละเฟสและจะสั่งให้ TCS นำกระแสเมื่อแรงดันแต่ละเฟสมีค่าเท่ากับศูนย์โวลท์ตามลำดับเฟสที่เกิดขึ้น โดยเทคนิคนี้วงจรในรูปที่ 9 จึงมีความสามารถในการชดเชย kvar ได้ทุก Step พร้อมกันโดยไม่มีปัญหาการตัดวงจรของอุปกรณ์ป้องกันหรือปัญหาแรงดันทรานเชียลเข้าสู่ระบบไฟฟ้า นอกจากนั้นความเร็วในการประมวลผลของ DSP ก็สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงขอโหลดที่รวดเร็วได้
  บทความที่เกี่ยวข้อง
สอบถามข้อมูล