วงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์และคุณภาพไฟฟ้า
เพื่อประสิทธิภาพทางด้านพลังงาน
(Switched-mode Rectifiers and Power Quality)

ยุทธชัย ศิลปวิจารณ์
สาขาวิชาครุศาสตร์ไฟฟ้า คณะครุศาสตร์อุตสาหกรรม
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี
ysil72@hotmail.com

วงจรเรียงกระแส (Rectifiers) ถือได้ว่าเป็นวงจรที่มีใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าแทบจะทุกวงจร ไม่ว่าจะเป็นคอมพิวเตอร์, โทรทัศน์, วิทยุ, ยูพีเอส, หรือระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ เป็นต้น ดังนั้นจึงเป็นวงจรที่เกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันมากที่สุดวงจรหนึ่ง แต่วงจรเรียงกระแสเองก็มีส่วนที่ทำให้เกิดปัญหาคุณภาพไฟฟ้าอย่างมาก ไม่ว่าจะเป็นเรื่องที่เกี่ยวกับฮาร์มอนิก หรือตัวประกอบกำลัง ซึ่งเป็นเรื่องสำคัญที่เราในฐานะของผู้ใช้ไฟฟ้าต้องคำนึงถึงเรื่องของการแก้ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าอันเกิดมาจากวงจรเรียงกระแสนี้

คุณภาพไฟฟ้า (Power Quality)

คุณภาพไฟฟ้าคือปริมาณทางไฟฟ้าที่ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าทำงานในสภาวะปกติที่มันควรจะเป็น โดยไม่มีการสูญเสียสมรรถนะหรืออายุการใช้งานลดลงไปจากที่คาดหวังไว้อย่างมีนัยสำคัญ [1]

คำว่าคุณภาพไฟฟ้าเป็นสิ่งที่ควรมีการคำนึงถึงมากที่สุดในยุคปัจจุบัน ซึ่งเป็นยุคที่มีการใช้อุปกรณ์สมัยใหม่ที่มีความไวต่อคุณภาพของแหล่งจ่ายกำลัง กระบวนการผลิตในโรงงานสมัยใหม่มีการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เช่นพีแอลซี และระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้มีความไวต่อการรบกวนเป็นอย่างมาก

สิ่งที่เกี่ยวข้องกับคุณภาพไฟฟ้ามีทั้งหมด 7 ชนิด [1] ได้แก่
1. การรบกวนความถี่ของระบบไฟฟ้ากำลัง (Power Frequency Disturbances)
2. การแทรกสอดทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference)
3. ทรานเซียนต์ของระบบไฟฟ้ากำลัง (Power System Transients)
4. การคายประจุไฟฟ้าสถิต (Electro Static Discharge)
5. ฮาร์มอนิกของระบบไฟฟ้ากำลัง (Power System Harmonic)
6. ตัวประกอบกำลัง (Power Factor)
7. การต่อลงดินและการเชื่อมต่อ (Grounding and Bonding)

สิ่งที่เกี่ยวข้องกับคุณภาพไฟฟ้าทั้งหมด 7 ชนิดนั้น สิ่งที่ดูเหมือนจะใกล้ตัวและมีส่วนเกี่ยวข้องกับผู้ใช้โดยตรงมากกว่าสิ่งอื่นก็คือฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลัง

ฮาร์มอนิกเริ่มเข้ามามีบทบาทในระบบไฟฟ้าโดยแรกเริ่มจากการที่มนุษย์เริ่มนำหลอดเมอร์คิวรี่อาร์กมาใช้แปลงไฟสลับไปเป็นไฟฟ้ากระแสตรงหรือวงจรเรียงกระแส สำหรับระบบรถไฟฟ้าและระบบขับเคลื่อนมอเตอร์กระแสตรงแบบปรับความเร็วรอบได้ในงานอุตสาหกรรม [2] เพราะว่าวงจรเรียงกระแสเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดฮาร์มอนิกสูงและตัวประกอบกำลังต่ำ นี้

จากวันนั้นถึงวันนี้วงจรเรียงกระแสได้แทรกซึมเข้าไปมีบทบาททุก ๆ วงการ ทุกส่วนของชีวิตมนุษย์ และเป็นสิ่งที่เรียกได้ว่าทุกคนมีส่วนในการสร้างมลพิษหรือขยะทางไฟฟ้า

รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างของวงจรเรียงกระแสหนึ่งเฟสและรูปคลื่นกระแสและแรงดัน ที่มักจะพบได้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีกำลังไม่สูงทั่ว ๆ ไปเช่น คอมพิวเตอร์, โทรทัศน์, วิทยุ, เครื่องเสียง, หรือเครื่องประจุแบตเตอรี่ สังเกตได้ว่ากระแสจะมีรูปร่างที่เพี้ยนไปจากรูปไซน์ ซึ่งหมายความว่าจะเกิดความเพี้ยนหรือค่าฮาร์มอนิกขึ้นแล้ว

รูปที่ 1 ตัวอย่างวงจรเรียงกระแสแบบหนึ่งเฟสและรูปคลื่นกระแสและแรงดัน [3]

รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างของวงจรเรียงกระแสหนึ่งเฟสและรูปคลื่นกระแสและแรงดัน ซึ่งมักนิยมใช้ในระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ในโรงงานอุตสาหกรรม หรืองานที่มีกำลังสูง สังเกตได้ว่ากระแสจะมีรูปร่างที่เพี้ยนไปจากรูปไซน์เช่นเดียวกับวงจรเรียงกระแสแบบหนึ่งเฟส ซึ่งหมายความว่าจะเกิดความเพี้ยนหรือค่าฮาร์มอนิกเช่นเดียวกัน

รูปที่ 2 ตัวอย่างวงจรเรียงกระแสแบบหนึ่งเฟสและรูปคลื่นกระแสและแรงดัน [3]

การแก้ปัญหาเรื่องฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลัง

หากเกิดฮาร์มอนิกขึ้นมาแล้ว การแก้ปัญหาที่ปลายเหตุของฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลังจะมีสองวิธีคือการใช้วงจรกรองแบบพาสซีฟ (Passive Filters) และการใช้วงจรกรองแบบแอกตีฟ (Active Filters)

1. วงจรกรองแบบพาสซีฟ (Passive Filters) [3]

วงจรกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟ เป็นวิธีการแก้ปัญหาอันเนื่องมาจากฮาร์มอนิกที่นิยมอันเนื่องมาจากความง่ายของวงจรและมีความทนทาน ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 วงจรกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟ

โครงสร้างของวงจรกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟ ก็คือวงจรเรโซแนนซ์แบบอนุกรม โดยเราจะออกแบบให้ค่าของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุมีความถี่เรโซแนนซ์เท่ากับความถี่ของฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้น ดังนั้นฮาร์มอนิกจะมองเห็นวงจรกรองนี้มีอิมพีแดนซ์ต่ำสุดสำหรับฮาร์มอนิก และจะทำให้เกิดกระแสที่ความถี่ฮาร์มอนิกไหลผ่านวงจรกรองนี้เป็นจำนวนมาก ซึ่งกระแสนี้จะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้น

ข้อเสียของวงจรกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟคือจะเกิดค่ากำลังไฟฟ้ารีแอกตีฟจำนวนหนึ่งเสมอและความสามารถในการกรองของวงจรกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟ จะขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างอิมพีแดนซ์ของวงจรกรองกับอิมพีแดนซ์อื่น ๆ ในระบบ (ลักษณะเดียวกับวงจรแบ่งกระแส) ดังนั้นเราไม่สามารถควบคุมระดับการกรองของมันได้ และความถี่ของการกรองฮาร์มอนิกก็อาจจะเปลี่ยนแปลงได้อันเนื่องมาจากการเสื่อมของอุปกรณ์เมื่อเวลาผ่านไป

2. วงจรกรองแบบแอกตีฟ (Active Filters) [3]

วงจรกรองฮาร์มอนิกแบบแอกตีฟมีโครงสร้างวงจรเดียวกับวงจรอินเวอร์เตอร์ที่ถูกออกแบบมาให้ทำหน้าที่แทนวงจรกรองแบบพาสซีฟ โดยที่มันไม่มีข้อเสียดังที่วงจรกรองแบบพาสซีฟมีแสดงดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 วงจรกรองฮาร์มอนิกแบบแอกตีฟ

วงจรกรองแบบแอกตีฟจะทำการวัดกระแสฮาร์มอนิกของระบบ และหลังจากนั้นมันจะกำเนิดกระแสฮาร์มอนิกที่มีความถี่และขนาดเท่ากับที่วัดได้แต่ว่ามีทิศทางตรงกันข้าม และฉีดหรือจ่ายเข้าระบบ ดังนั้นกระแสฮาร์มอนิกที่โหลดสร้างขึ้นจะถูกหักล้างด้วยกระแสฮาร์มอนิกที่วงจรกรองแบบแอกตีฟสร้างขึ้นมาทำให้กระแสไลน์จากระบบไฟสลับจะกลายเป็นกระแสที่ปราศจากฮาร์มอนิกดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 หลักการทำงานของวงจรกรองแบบแอกตีฟ

แต่อย่างไรก็ดีวิธีการทั้งสองถือว่าเป็นการแก้ปัญหาที่ปลายเหตุ ไม่ได้เป็นการแก้ปัญหาที่ต้นเหตุ และเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ไม่ยั่งยืน ดังนั้นเราจึงควรที่จะหาทางแก้ปัญหาที่ต้นเหตุซึ่งเป็นการแก้ปัญหาที่ยั่งยืน

การแก้ปัญหาที่ต้นเหตุของฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลังจะมีสองวิธีคือการใช้วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบพาสซีฟ (Passive Power Factor Correctors) และการใช้วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบแอกตีฟ (Active Power Factor Correctors)

วงจรแก้ตัวประกอบกำลังสำหรับแก้ปัญหาฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลัง

วงจรแก้ตัวประกอบกำลัง (Power Factor Corrector: PFC) สำหรับแก้ปัญหาฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลัง สามารถแบ่งออกเป็นวงจรที่ใช้อุปกรณ์พาสซีฟหรือวงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบพาสซีฟ และวงจรที่ใช้อุปกรณ์แอกตีฟหรือวงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบแอกตีฟ

1. วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบพาสซีฟ (Passive PFC)

การใช้วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบพาสซีฟสำหรับแก้ปัญหาฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลังจะเป็นวิธีที่ง่ายและวงจรไม่ซับซ้อน โดยวิธีนี้จะใช้อุปกรณ์เฉื่อยงานคือตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ โดยมีวงจรตัวอย่างดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบพาสซีฟ

แม้ว่าวงจรนี้จะมีความเรียบง่าย ทนทาน และใช้อุปกรณ์ไม่กี่ตัว และให้ค่าฮาร์มอนิกที่ค่อนข้างต่ำ ค่าตัวประกอบกำลังที่ค่อนข้างสูง แต่เนื่องจากมันทำงานที่ความถี่ไลน์ (50 หรือ 60 เฮิรตซ์) ซึ่งเป็นความถี่ที่ต่ำ ดังนั้นอุปกรณ์เช่นตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำมักจะมีขนาดที่ใหญ่ (ค่าสูง) น้ำหนักมาก และราคาไม่ถูก

2. วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบแอกตีฟ (Active PFC) หรือวงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์ (Switched-Mode Rectifier: SMR) สำหรับแก้ปัญหาฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลัง

2.1 วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบแอกตีฟหนึ่งเฟส (Single Phase Active PFC)

วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบแอกตีฟสำหรับแก้ปัญหาฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลังแบบหนึ่งเฟสมีหลายวงจร แต่วงจรที่นิยมใช้กันมากสำหรับระบบไฟฟ้าหนึ่งเฟสคือวงจรที่ใช้วงจรบูสต์ ดังรูปที่ 7

กระแสของวงจรบูสต์สามารถปรับให้เป็นรูปไซน์ได้ง่ายกว่าวงจรอื่น ๆ เนื่องจากเป็นกระแสที่ต่อเนื่อง และยังทำให้เฟสของกระแสตรงกับแรงดันด้านเข้าได้ง่าย (ทำให้ตัวประกอบกำลังใกล้เคียงหนึ่ง) เนื่องจากวงจรบูสต์เป็นวงจรแปลงผันไฟตรง-ไฟตรง เราจึงต้องใช้วงจรเรียงกระแสไดโอดเพื่อแปลงผันแรงดันไฟสลับไปเป็นไฟตรงที่มีรูปร่างเป็นค่าสัมบูรณ์ของไซน์ จากนั้นจึงใช้วงจรบูสต์แปลงผันค่าสัมบูรณ์ของไซน์เป็นแรงดันไฟตรง ดังรูปที่ 7

รูปที่ 7 วงจรบูสต์ที่ทำงานเป็น PFC [4]

ด้วยลักษณะของวงจรบูสต์ เมื่อสวิตช์กำลังต่อวงจรจะทำให้กระแสตัวเหนี่ยวนำ (ซึ่งก็คือกระแสด้านเข้าของวงจรนั่นเอง) เพิ่มขึ้น ในขณะที่เมื่อสวิตช์กำลังตัดวงจรจะทำให้กระแสตัวเหนี่ยวนำลดลง และพลังงานก็จะถูกจ่ายไปยังโหลดในช่วงนี้ และด้วยการควบคุมกระแสด้านเข้าที่เหมาะสม ก็จะทำให้กระแสเป็นรูปไซน์ที่มีเฟสตรงกันกับแรงดันด้านเข้าได้ ซึ่งจะตรงกับความต้องการของเราในการที่ต้องการตัวประกอบกำลังสูงและฮาร์มอนิกต่ำ

วงจรในรูปที่ 7 จะมีตัวเก็บประจุค่าเล็กคั่นไว้ระหว่างวงจรเรียงกระแสและวงจรบูสเพื่อทำการกรองความถี่สูง และยังมี NTC หรือเทอร์มิสเตอร์ที่ต่อไว้เพื่อจำกัดกระแสกระชากช่วงเริ่มทำงาน ซึ่งจะมีค่าความต้านทานลดลงเมื่อเริ่มทำงานไปได้ชั่วครู่ (มีกระแสไหลผ่านจะทำให้เกิดความร้อน)

*  การควบคุมวงจรบูสที่ใช้เป็นวงจรแก้ตัวประกอบกำลัง

การควบคุมกระแสของวงจรบูสให้เป็นรูปไซน์มีอยู่หลายวิธี ได้แก่

1. การควบคุมค่าสูงสุดของกระแส [5]

การควบคุมกระแสแบบนี้จะสั่งให้สวิตช์นำกระแสจนกระทั่งค่าสูงสุดของกระแส iL มีค่าเท่ากับ iL* หรือกระแสอ้างอิง แล้วจึงสั่งให้สวิตช์ตัดวงจร โดยมีความถี่ในการตัดต่อสวิตช์ที่คงตัวดังรูปที่ 8

ข้อดีของการควบคุมกระแสด้วยวิธีนี้คือมีความถี่การสวิตช์คงตัว ดังนั้นจึงสามารถออกแบบวงจรกรองได้ง่าย ส่วนข้อเสียคือ ต้องใช้เซนเซอร์ตรวจจับกระแส และถ้าหากค่าสวิตช์นำกระแสมากกว่า 50% (d > 0.5) จะเกิดการแกว่งเชิงฮาร์มอนิกย่อยของกระแสด้านเข้า

รูปที่ 8 รูปคลื่นกระแสของวงจรบูส กรณีควบคุมค่าสูงสุดของกระแส

2. การควบคุมวงจรให้ทำงานที่ขีดแบ่งระหว่างกระแสต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่อง (Boundary-conduction Mode) [5]

การควบคุมกระแสแบบนี้จะต้องสั่งให้สวิตช์นำกระแสเป็นเวลาที่คงที่ (Ton) ดังนั้นกระแสจะเพิ่มขึ้นไปเป็นค่าสัมบูรณ์ของไซน์ (เพราะแรงดันด้านเข้าเป็นค่าสัมบูรณ์ของไซน์) และหลังจากนั้นจึงสั่งให้สวิตช์ตัดวงจร ซึ่งจะทำให้กระแสลดลง เมื่อกระแสลดลงเข้าสู่ค่าศูนย์ก็จะสั่งให้สวิตช์นำกระแสเป็นเวลาที่คงที่อีกครั้งหนึ่ง เมื่อกระแสเพิ่มขึ้นไปเป็นค่าสัมบูรณ์ของไซน์ ดังนั้นค่าเฉลี่ยเฉพาะที่ของกระแส ซึ่งมีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของการเพิ่มของกระแส ก็เป็นฟังก์ชั่นค่าสัมบูรณ์ของไซน์ด้วย ซึ่งเป็นสิ่งที่เราต้องการดังรูปที่ 9

รูปที่ 9 รูปคลื่นของกระแสของวงจรบูสต์ กรณีควบคุมวงจรให้ทำงานที่ขีดแบ่งระหว่างกระแสต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่อง [4]

ข้อดีของการควบคุมกระแสด้วยวิธีนี้คือวงจรควบคุมมีความเรียบง่าย ส่วนข้อเสียคือความถี่ในการสวิตช์มีค่าไม่คงที่ และต้องใช้เซนเซอร์ตรวจจับกระแส

3. การควบคุมวงจรให้ทำงานที่ขีดแบ่งระหว่างกระแสต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่องแบบอินเตอร์ลีฟ (Interleaved boundary-conduction Mode) [6]

เป็นการควบคุมกระแสที่ใช้หลักการคล้าย ๆ กับการควบคุมวงจรให้ทำงานที่ขีดแบ่งระหว่างกระแสต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่อง แต่จะเพิ่มสวิตช์และตัวเหนี่ยวนำอีกอย่างละหนึ่งตัว และควบคุมให้สวิตช์ทั้งสองนำกระแสต่างเฟสกันเป็นมุม 180 องศา ดังรูปที่ 10 และมีลักษณะกระแสดังรูปที่ 11

รูปที่ 10 วงจรบูสต์ กรณีใช้การควบคุมวงจรให้ทำงานที่ขีดแบ่งระหว่างกระแสต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่องแบบอินเตอร์ลีฟ [6]

รูปที่ 11 รูปคลื่นกระแสที่ตัวเหนี่ยวนำของวงจรบูสต์ กรณีใช้การควบคุมวงจรให้ทำงานที่ขีดแบ่งระหว่างกระแสต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่องแบบอินเตอร์ลีฟ

ข้อดีคือค่าระลอก (Ripple) ของกระแสด้านเข้าจะน้อยลงและมีความถี่สูงขึ้นเท่าตัว ทำให้สามารถใช้วงจรกรองด้านเข้าและด้านออกมีขนาดเล็กลง ข้อเสียคือต้องใช้อุปกรณ์มากขึ้น และการควบคุมซับซ้อนขึ้น และต้องใช้เซนเซอร์ตรวจจับกระแส 

4. การควบคุมแบบฮีสเตอรีซิส (Hysteresis Control) [5]

การควบคุมแบบนี้จะควบคุมกระแสให้เพิ่มขึ้นด้วยการสั่งสวิตช์ให้ต่อวงจร เมื่อกระแส i_L เพิ่มขึ้นไปจนถึงค่าเท่ากับกระแสเฉลี่ยที่ต้องการ  บวกด้วยค่าแถบฮีสเตอรีซิสส่วนสอง  จะทำให้สวิตช์ตัดวงจรและกระแสจะลดลง เมื่อกระแสลดลงจนเท่ากับกระแสเฉลี่ยที่ต้องการลบด้วยค่าแถบฮีสเตอรีซิสส่วนสอง  ก็จะทำให้สวิตช์ต่อวงจรอีกครั้งหนึ่ง โดยเขียนเป็นสมการของกระแสได้ดังนี้

รูปที่ 12 รูปคลื่นกระแสวงจรบูส กรณีควบคุมแบบฮีสเตอรีซิส

ข้อดีของการควบคุมกระแสแบบนี้คือ กระแสมีค่าความเพี้ยนน้อยมาก และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงคำสั่งกระแสได้อย่างรวดเร็ว ส่วนข้อเสียคือความถี่ในการสวิตช์มีค่าไม่คงที่ และต้องใช้เซนเซอร์ตรวจจับกระแส

ปัจจุบันได้มีผู้ผลิตไอซีหลายรายได้ผลิตไอซีควบคุมการทำงานของวงจรบูส PFC ออกมาสู่ท้องตลาด เช่น Onsemiconductor (Motorola) เช่นเบอร์ MC33260, MC33262, NCP1603, NCP1606, NCP1631, ST Microelectronics เช่น เบอร์ L6561, L6562, L6563, L6564, Texas Instruments เช่นเบอร์ UCC28019, UCC 28061, UCC 38051, UCC 28517, UCC3818, UC2855, และ Fairchild Semiconductor เช่นเบอร์ FAN6982, FAN7530, FAN4800, FAN9612

2.1 วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบแอกตีฟสามเฟส (Three Phase Active PFC)

วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบแอกตีฟสำหรับแก้ปัญหาฮาร์มอนิกและตัวประกอบกำลังแบบสามเฟสที่นิยมใช้ได้แก่วงจรแบบบริดจ์ดังรูปที่ 13 จากวงจรสังเกตได้ว่าวงจรแบบบริดจ์สามเฟสแบบนี้มีโครงสร้างเป็นวงจรบูสต์

การควบคุมกระแสของวงจรได้แก่ 

1. Stationary Control [7]

วิธีการควบคุมแบบนี้จะใช้ตัวควบคุมพีไอ ควบคุมกระแส โดยนำการกระแสที่วัดเปรียบเทียบกับกระแสคำสั่ง แล้วนำไปเปรียบเทียบกับสัญญาณรูปสามเหลี่ยมเพื่อสร้างสัญญาณควบคุมสวิตช์ทั้ง 6 ตัว ข้อเสียคือตัวควบคุมพีไอต้องขจัดค่าผิดพลาดที่ความถี่ต่ำด้วย

2. Synchronous Vector Control [7]

เพื่อที่จะแก้ปัญหาของตัวควบคุมพีไอ ที่ต้องทำงานที่ความถี่ไฟสลับ จึงต้องใช้วิธีการแปลงปริมาณ 3 เฟสของไฟสลับไปเป็นค่าไฟตรง (Rotating Reference Frame) ทำให้ตัวควบคุมพีไอทำงานกับปริมาณไฟตรงไม่ใช่ไฟสลับ

3. State Feedback Control [7]

เราสามารถแทนที่ตัวควบคุมพีไอทั่วไปด้วยตัวควบคุม State Feedback โดยใช้ทฤษฏีของ Linear Multivariable State Feedback ได้ และใช้หลักการควบคุมเดียวกันกับ Synchronous Vector Control ทำให้ได้การควบคุมที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น

4. Sensorless Vector Control [8]

วิธีการควบคุมแบบนี้คล้ายกันกับ Synchronous Vector Control แต่ไม่ต้องใช้ตัวตรวจจับแรงดันไฟสลับ

รูปที่ 13 วงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบแอกตีฟสามเฟส

วงจรแก้ตัวประกอบกำลังกับการใช้งาน

ปัจจุบันได้มีการนำวงจรแก้ตัวประกอบกำลังแบบแอกตีฟไปใช้งานกันอย่างแพร่หลายในหลาย ๆ วงจร/ระบบ ซึ่งจะขอยกตัวอย่างดังต่อไปนี้

1. ระบบคอมพิวเตอร์

แหล่งจ่ายกำลังในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่จะมีการแก้ตัวประกอบกำลังและลดค่าฮาร์มอนิกกันอย่างแพร่หลาย [การศึกษาการแก้ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าด้วยวงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์]

ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือแหล่งจ่ายไฟฟ้าของคอมพิวเตอร์รุ่นที่มีราคาค่อนข้างสูง (โดยประมาณอยู่ที่ 1,500 บาทขึ้นไป เมื่อเทียบกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าของคอมพิวเตอร์รุ่นที่ใช้วงจรเรียงกระแสแบบทั่วไปที่มีราคาอยู่ที่ประมาณ 500 บาทขึ้นไป) โดยผู้ผลิตมักจะเรียกว่า Active PFC ดังเช่นตัวอย่างในรูปที่ 14, 15 และ 16 ที่แสดงให้เห็นชัดเจนว่ามีการใช้วงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์หรือที่เรียกว่า Active PFC

นับว่าเป็นสิ่งที่ดีที่ผู้ผลิตส่วนใหญ่เห็นความสำคัญของการใช้วงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์ หรือ Active PFC ในการแก้ปัญหาคุณภาพไฟฟ้า และรวมไปถึงปัญหาเรื่องพลังงาน

รูปที่ 14 แสดงคุณสมบัติของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า Gigabyte [9]

รูปที่ 15 แสดงคุณสมบัติของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า OCZ [10]

รูปที่ 16 แสดงคุณสมบัติของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า PC Power & Cooling [11]

รูปที่ 17 แสดงคุณสมบัติของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า Gigabyte ที่ใช้ Passive PFC [12]

2. อิเล็กทรอนิกส์บัลลาสต์ (Electronics Ballasts)

ปัจจุบันมีการใช้อิเล็กทรอนิกส์บัลลาสต์ทดแทนบัลลาสต์ที่ใช้แกนเหล็กแบบเดิม ข้อดีของการใช้อิเล็กทรอนิกส์บัลลาสต์คือประหยัดพลังงานกว่าบัลลาสต์แบบแกนเหล็กถึง 30-50% [13] มีตัวประกอบกำลังสูงและฮาร์มอนิกส์ต่ำ และใช้กับแรงดันได้ย่านกว้างดังตัวอย่างรายละเอียดทางเทคนิคของอิเล็กทรอนิกส์บัลลาสต์ของ Sylvania รุ่น Quicktronic ในรูปที่ 18

รูปที่ 18 รายละเอียดทางเทคนิคของอิเล็กทรอนิกส์บัลลาสต์ Sylvania รุ่น Quicktronic [13]

3. ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์

ได้มีการนำเอาวงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์ไปใช้กับระบบขับเคลื่อนมอเตอร์หรืออินเวอร์เตอร์ ซึ่งนอกจากจะได้ข้อดีของการที่มีตัวประกอบกำลังสูง, ฮาร์มอนิกต่ำ และยังได้ความสามารถในการจ่ายพลังงานคืนสู่แหล่งในช่วงที่มอเตอร์เกิดการเบรก หรือลดความเร็วอีกด้วย

วงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์นี้ผู้ผลิตระบบขับเคลื่อนมอเตอร์เช่น ABB หรือ Vacon มักจะเรียกว่าวงจรภาคหน้าแบบแอกตีฟ หรือ Active Front End
ในงานที่ต้องมีการเบรกบ่อย ๆ หรืองานที่ต้องเบรกอย่างต่อเนื่อง ตัวอย่างเช่นระบบสายพานที่ลำเลียงวัตถุดิบลงจากภูเขาของโรงงานปูนซีเมนต์ ในประเทศสวิตช์เซอร์แลนด์ [14] ที่ใช้ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์หรืออินเวอร์เตอร์ของบริษัท ABB

ซึ่งในลักษณะของการขับเคลื่อนมอเตอร์แบบนี้ มอเตอร์จะต้องทำหน้าที่เบรกหรือต้านการหมุนของสายพานที่กำลังลำเลียงวัตถุดิบลงจากที่สูง เมื่อมอเตอร์ทำการเบรกหมายความว่ามอเตอร์จะทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และอินเวอร์เตอร์จะได้รับกำลังไฟฟ้านี้มาจากมอเตอร์

ในอินเวอร์เตอร์ทั่วไปจะจัดการกับพลังงานไฟฟ้านี้โดยการทำให้เกิดการสูญเสียที่ตัวต้านทานเบรกแบบพลวัต (Dynamic Braking Resistor) แต่นั่นเป็นวิธีที่เหมาะกับการเบรกแบบชั่วครู่และใช้กับอินเวอร์เตอร์ขนาดไม่ใหญ่นัก วิธีการที่เหมาะกับการเบรกระยะยาวและกำลังสูงแบบนี้คือการใช้วงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์หรือ Active Front End

รูปที่ 19 ระบบสายพานที่ลำเลียงวัตถุดิบลงจากภูเขาของโรงงานปูนซีเมนต์ ในประเทศสวิตช์เซอร์แลนด์ ที่ใช้ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ของ ABB [14]

ทางบริษัท Vacon ก็มีการนำวงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์ไปใช้ในระบบขับเคลื่อนมอเตอร์เช่นเดียวกัน โดยนำไปใช้กับระบบที่เรียกว่า Common DC Bus Systems [15] ดังรูปที่ 20 โดย AFE คือ Active Front End, INU คือ Inverter Unit

รูปที่ 20 ระบบ Common DC Bus ที่ใช้วงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์ [15]

สรุป

การใช้วงจรเรียงกระแสแบบวิธีสวิตช์ หรือวงจรแก้ตัวประกอบกำลัง จะทำให้ช่วยแก้ปัญหาเรื่องของตัวประกอบกำลังและฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้ากำลังได้ในระดับต้นเหตุและเรียกได้ว่าเป็นการแก้ปัญหาที่ยั่งยืน ซึ่งจะส่งผลให้ลดมลพิษหรือขยะทางไฟฟ้าและทำให้ใช้พลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยลดการสูญเสียอันเกิดมาจากอุปกรณ์พังเสียหายและการผลิตที่หยุดชะงักเพราะปัญหาคุณภาพไฟฟ้า ช่วยประหยัดพลังงาน และทำให้ระบบไฟฟ้ามีเสถียรภาพมากขึ้น

เอกสารอ้างอิง

[1] C.Sankaran, “Power quality”, 1st ed, Florida: CRC Press, 202 page(s), 2001.
[2] D.Chapman, “Harmonics–causes and effefts”, Hemel Hempstead: Copper Development Association, 13 page(s), 2001.
[3] ยุทธชัย ศิลปวิจารณ์, “วงจรกรองแบบ Active (Active Filters) อีกหนึ่งทางเลือกของการปรับปรุงคุณภาพกำลังไฟฟ้า”, Industrial Technology Review, ปีที่ 14 ฉบับที่ 176 (มีนาคม): 111– 115, 2551.
[4] “MC34262, MC33262 Power Factor Controllers”, Data Sheet: On Semiconductor, 19 page(s), 2005.
[5] โคทม อารียา, “อิเล็กทรอนิกส์กำลัง 2”, กรุงเทพ: ซีเอ็ดยูเคชั่น, 672 หน้า, 2544.
[6] “FAN9611/9612 Interleaved Dual BCM PFC Controllers”, Data Sheet: Fairchild Semiconductor, 35 page(s), 2009.
[7] M.P. Kazmierkowski and L.Malesani, “Current control techniques for three-phase voltage-source pwm converters: a survey”, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, Vol.45: 691-703, 1998.
[8] M.Malinowski, “Sensorless control strategies for three-phase pwm rectifiers”, Warsaw University of Technology: Ph.D. thesis,  127 page(s), 2001.
[9] “ODIN GT 800W” [online]. Available from: http://www.gigabyte.com.tw/Products/PowerSupply/Products_Spec.aspx?ProductID=2490&ProductName=ODIN%20GT%20800W [2010, January 1]
[10] “OCZ 500W-700W ModXStream Pro Power Supply” [online]. Available from: http://www.ocztechnology.com/products/power_management/ocz_500w_700w_modxstream_pro_power_supply [2010, January 1]
[11] “Silencer 910” [online]. Available from:
http://www.pcpower.com/products/description/Silencer_910/index.html [2010, January 1]
[12] “Superb550P” [online]. Available from:http://www.gigabyte.com.tw/Products/PowerSupply/Products_Spec.aspx?ProductID=2794&ProductName=Superb%20550P [2010, January 1]
[13] “Sylvania Quicktronic” [online]. Available from:http://www.sylvania.com/BusinessProducts/LightingForBusiness/Products/Ballasts/ElectronicBallasts/2006BallastTechSpecGuide.htm [2010, January 1]
[14] P.Luechinger, U.Maier, and R.A. Errath, “Active front end technology as applied to a downhill belt conveyor”, ABB Switzerland Ltd., 12 page(s), 2005.
[15] “Vacon NX Product for Common DC Bus Systems”, Product Catalog: Vacon, 20 page(s), N/A.