เมื่อในโรงงานอุตสาหกรรมของคุณ หรือโรงงานใกล้เคียงมีการใช้ไทริสเตอร์ในการควบคุมกระแสให้กับโหลดต่าง ๆ เช่น เตาหลอม ชุดควบคุมความเร็วมอเตอร์ และอุปกรณ์มีการทำงานโดยการใช้กระแสไฟฟ้าแบบไม่เต็มรูปคลื่นอื่น ๆ และถ้าคุณเคยประสบปัญหาคาปาซิเตอร์ที่ใช้ในการแก้ค่าตัวประกอบกำลัง (Power Factor) เกิดระเบิดขึ้นบ่อยครั้ง อุปกรณ์ควบคุมต่าง ๆ ทำงานผิดเพี้ยนไป หม้อแปลงและเครื่องจักรไม่สามารถจ่ายหรือใช้งานได้เต็มพิกัด ซึ่งสาเหตุประการ หนึ่ง ที่ไม่ควรมองข้ามก็คือ ฮาร์มอนิก

.

ปัจจุบันการนำอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) มาประยุกต์ใช้งานอย่างกว้างขว้าง ไม่ว่าจะเป็นเครื่องใช้ในที่พักอาศัยหรือในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ซึ่งช่วง 2-3 ปีที่ผ่านมา ทำให้มีการพัฒนาเทคโนโลยีด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronics) เป็นไปอย่างรวดเร็ว โดยเครื่องมือเครื่องจักรที่มีการนำอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำมาใช้เป็นส่วนประกอบนั้น กลับกลายเป็นแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก และทำให้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบผิดเพี้ยนไป จนกลายเป็นปัญหาที่สำคัญอีกประการ หนึ่ง ในวงการอุตสาหกรรมที่มีความต้องการคุณภาพทางไฟฟ้าสูง

บทความนี้ทำให้คุณเข้าใจ และรู้จักการเกิดกระแสฮาร์มอนิกและรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าผิดเพี้ยนเกิดขึ้นได้อย่างไร โดยจะเป็นการนำเสนอโดยใช้รูปภาพประกอบเพื่อให้ง่ายต่อการเข้าใจ และสามารถถ่ายทอดให้แก่ผู้บริหารหรือลูกน้องของคุณให้มีความเข้าใจเกี่ยวกับการเกิดฮาร์มอนิกมากยิ่งขึ้น สำหรับการอธิบายในบทความนี้ จะใช้ไทริสเตอร์เป็นตัวสร้างแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก และทำให้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบผิดเพี้ยนไป

การทำงานของไทริสเตอร์

รูปที่ 1 แบบจำลองการทำงานของไทริสเตอร์

จากรูปที่ 1 เมื่อไม่มีสัญญาณอินพุตป้อนเข้าขา Gate ไทริสเตอร์ จะทำให้ไทริสเตอร์ยังไม่มีการนำกระแสไฟฟ้า ถึงแม้ว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าบวกป้อนเข้าที่ขา Anodes และแรงดันไฟฟ้าลบป้อนเข้าที่ขา Cathodes ก็ตาม แต่เมื่อมีการป้อนสัญญาณอินพุตป้อนเข้าที่ขา Gate แล้วก็จะทำให้ไทริสเตอร์นำกระแสอย่างต่อเนื่อง ถึงแม้ว่าเราจะทำการปลดสัญญาณอินพุตที่ขา Gate ออกแล้วก็ตาม ในการที่จะทำให้ไทริสเตอร์หยุดนำกระแสนั้น จะต้องทำการสลับการป้อนแรงดันไฟฟ้าที่ขา Anodes เป็นแรงดันไฟฟ้าลบและขา Cathodes เป็นแรงดันไฟฟ้าบวก

การควบคุมมุม (Phase Control) พื้นฐาน

รูปที่ 2 การควบคุมแสงสว่างโดยไทริสเตอร์

รูปที่ 3 รูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต

หลังจากเราทราบหลักการทำงานของไทริสเตอร์แล้ว ต่อไปจะเป็นการประยุกต์ใช้งานไทริสเตอร์ในการควบคุมเฟสเพื่อควบคุมแสงสว่างหลอดไฟฟ้า การอธิบายหลักการควบคุมเฟสนั้นเพื่อให้ง่ายต่อการเข้าใจจึงได้มีการแบ่ง 1 คาบเวลาออกเป็น 4 ส่วน ดังรูปที่ 3

ส่วนที่ 1 เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าด้านบวก Th1 จะยังไม่มีการนำกระแสเนื่องจากยังไม่มีการป้อนสัญญาณอินพุตเข้าที่ขา Gate

ส่วนที่ 2 เมื่อมีการป้อนสัญญาณอินพุตเข้าที่ขา Gate ของ Th1 ทำให้ Th1 นำกระแสทำให้กระแสไฟฟ้าไหลในวงจร ในขณะที่รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าอินพุตมีค่าสูงสุดทางด้านบวก

ส่วนที่ 3 เมื่อรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าอินพุตมีค่าด้านลบป้อนให้ Th1 ก็จะทำให้ Th1 หยุดนำกระแส แต่ในทางกลับกัน กลับกลายเป็นการป้อนแรงดันไฟฟ้าด้านลบให้ Th2 แต่ Th2 จะยังไม่มีการนำกระแสเนื่องจากยังไม่มีการป้อนสัญญาณอินพุตเข้าที่ขา Gate ของ Th2

ส่วนที่ 4 เมื่อมีการป้อนสัญญาณอินพุตเข้าที่ขา Gate ของ Th2 ทำให้ Th2 นำกระแส มีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร ในขณะที่รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าอินพุตมีค่าสูงสุดทางด้านลบ

จากการทำงานอย่างต่อเนื่องของทั้ง 4 ส่วนใน 1 คาบเวลา และมีการทำซ้ำอย่างนี้ 50 ครั้งใน 1 วินาทีหรือที่ความถี่ 50 Hz นั่นเอง ทำให้เรามีความรู้สึกว่าหลอดไฟฟ้านั้นมีความสว่าง น้อย ลง สาเหตุก็เนื่องจากความสามารถของสายตามนุษย์ไม่ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของแสงไฟได้รวดเร็วถึงความถี่ 50 Hz ได้ และถ้าเมื่อเราต้องการควบคุมความสว่างของหลอดไฟฟ้าให้สว่างเพิ่มขึ้นหรือลดลงก็สามารถทำได้โดยการกำหนดช่วงเวลาในการป้อนอินพุตเข้าที่ขา Gate หรือปรับมุมเพื่อให้ไทรริสเตอร์ทำงาน หรือเรียกว่า Firing Angle นั่นเอง ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 การควบคุม Firing Angle

การจำลองระบบไฟฟ้าที่มีการใช้ไทริสเตอร์

เมื่อกำหนดให้ระบบไฟฟ้ามีการใช้ไทริสเตอร์จ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลดความต้านทาน A อยู่ในระบบ โดยที่โหลด B เป็นค่าความต้านทานที่ต่ออยู่ในระบบตลอดเวลา โดยกำหนดให้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ 100 โวลต์ ค่าอิมพีแดนซ์ของสายมีค่าเท่ากับ 1 โอห์ม และค่าความต้านทานโหลดทั้งชุด A และ B มีค่าเท่ากับ 4 โอห์ม ดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 ระบบไฟฟ้าเมื่อมีไทริสเตอร์ในระบบ

จากรูปที่ 5 เราสามารถอธิบายการเกิดแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก และทำให้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าผิดเพี้ยนได้ เมื่อสมมุติกำหนดให้ป้อนสัญญาณอินพุตที่ขา Gate ที่ Firing Angle เท่ากับ 90 องศา และสามารถอธิบายทีละส่วนเพื่อง่ายต่อการเข้าใจดังนี้

ส่วนที่ 1 เราจะเห็นได้ว่าไทริสเตอร์ยังไม่มีการนำกระแส แต่อย่างไรก็ตามที่โหลด B จะรับกระแสไฟฟ้ามีค่าเท่ากับแหล่งจ่าย 100/5 แอมป์ และค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดโหลดมีค่าเท่ากับ 100X4/5 โวลต์

ส่วนที่ 2 เราจะเห็นได้ว่าไทริสเตอร์จะนำกระแสไฟฟ้าด้านบวก ซึ่งทำให้ในส่วนนี้ค่ากระแสไฟฟ้าที่จุดโหลด A และ B มีค่าลดลงเท่ากันที่ 100/6 แอมป์ และค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดโหลดทั้งสองจะมีค่าเท่ากับ 100X2/3 โวลต์ แต่แหล่งจ่ายไฟฟ้าจะต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นมีค่าเท่ากับ 100/3 แอมป์

ส่วนที่ 3 เราจะเห็นได้ว่าไทริสเตอร์ยังไม่มีการนำกระแสไฟฟ้า แต่อย่างไรก็ตามที่โหลด B จะรับกระแสไฟฟ้ามีค่าเท่ากับแหล่งจ่าย -100/5 แอมป์และค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดโหลดมีค่าเท่ากับ -100X4/5 โวลต์

ส่วนที่ 4 เราจะเห็นได้ว่าไทริสเตอร์จะนำกระแสด้านลบซึ่งทำให้ในส่วนนี้ค่ากระแสไฟฟ้าที่จุดโหลด A และ B มีค่าเท่ากันที่ -100/6 แอมป์ และค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดโหลดทั้งสองจะมีค่าเท่ากับ -100X2/3 โวลต์แต่แหล่งจ่ายไฟฟ้าจะต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นมีค่าเท่ากับ -100/3 แอมป์

ถึงตรงนี้ผมคิดว่าคุณคงเข้าใจแล้วใช่ไหมล่ะครับว่า ระบบที่มีไทริสเตอร์ที่มีใช้งานอยู่ในโรงงานอุตสาหกรรมหรือโรงงานข้างเคียงกับคุณ ส่งผลทำให้เกิดแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิกและทำให้รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าผิดเพี้ยนได้อย่างไร ซึ่งปัญหาดังกล่าวไม่เพียงแต่ส่งผลกระทบต่อโรงงานอุตสาหกรรมของคุณเพียงอย่างเดียว แต่จะส่งผลกระทบไปยังแหล่งจ่ายไฟฟ้าด้วย และเพื่อให้คุณเข้าใจได้ชัดเจนมากยิ่งขึ้น เราลองมาเมื่อพิจารณาดูว่าที่จุดโหลด B และแหล่งจ่ายไฟฟ้านั้นจะมีผลที่ถูกกระทบจากแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก (จุดโหลด A) ได้มาก น้อย เพียงใด ดังอธิบายในรูปที่ 6

รูปที่ 6 ผลกระทบจากแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก (จุดโหลด A) ที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าและที่จุดโหลด B

เมื่อเราพูดถึงแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกแล้ว และเพื่อให้ง่ายต่อการเข้าใจได้ง่ายขึ้น แหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกก็คือ อุปกรณ์ใด ๆ ที่ทำให้รูปคลื่นกระแสและแรงดันไฟฟ้าพื้นฐาน (Fundamental Wave) ของระบบมีรูปร่างผิดเพี้ยนไป และถ้าเราพิจารณารูปที่ 6 จะพบว่ากระแสไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าและที่จุดโหลด B นั้นจะมีรูปร่างผิดเพี้ยนไป (ส่วนที่แรเงา) เนื่องจากจุดโหลด A ถ้าเราพิจารณาให้จุดโหลด A เป็นแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกแล้ว เราจะพบว่าการแพร่กระจายของกระแสฮาร์มอนิกออกไป จะมีสัดส่วนผกผันกับค่าอิมพีแดนซ์ของสาย (1 โอห์ม ) และความต้านทานของจุดโหลด B (4 โอห์ม ) หรือในอัตราส่วน 4 ต่อ 1 และอีกนั่นแหละครับ คงจะมีหลายท่านสงสัยต่อไปอีกว่า แล้วฮาร์มอนิกอันดับต่าง ๆ นั้นจะมีรูปคลื่นแตกต่างจากรูปคลื่นพื้นฐาน (Fundamental Wave) อย่างไร ดังรูปที่ 7 เมื่อสมมุติให้ Fundamental Wave มีความถี่เท่ากับ 50 Hz ดังนั้นความถี่ของฮาร์มอนิกอันดับ 2 จะเท่ากับ 100 Hz และ 150, 200, 250 Hz ตามลำดับ และเมื่อนำ Fundamental Wave รวมกับฮาร์มอนิกตั้งแต่อันดับ 2-5  จะพบว่าผลลัพธ์ (Composite Waveform) ของรูปคลื่นจะมีความผิดเพี้ยนไป

รูปที่ 7 การสังเคราะห์ด้วยทฤษฎี Fourier Series

Fourier Series ทฤษฎีเพื่อการสังเคราะห์อันดับฮาร์มอนิก

การสังเคราะห์รูปคลื่นที่ผิดเพี้ยนไปเพื่อหาฮาร์มอนิกอันดับใดประกอบอยู่บ้างและมีขนาดเท่าใดนั้นจะใช้ทฤษฎี Fourier Series มาทำการสังเคราะห์ สำหรับรูปคลื่นที่ผิดเพี้ยนไปโดยมีลักษณะของรูปคลื่นด้านบวกมีลักษณะเหมือนกับรูปคลื่นด้านลบใน 1 คาบเวลานั้น ถ้าเราสังเคราะห์ด้วยทฤษฎี Fourier Series พบว่าจะเกิดเฉพาะฮาร์มอนิกอันดับเลขคี่เท่านั้น (3^rd, 5^th, 7^th, 9^th, …) ดังนั้นในระบบไฟฟ้ากำลังจึงให้ความสนใจการเกิดฮาร์มอนิกอันดับเลขคี่เป็นพิเศษ แต่ในความเป็นจริงนั้นฮาร์มอนิกอันดับเลขคู่ก็สามารถเกิดขึ้นได้เหมือนกัน เช่น ชุด Half-Wave Rectifier หรือชุด Arc Furnace ที่มีการให้งานแบบไม่ต่อเนื่อง

และโดยทั่วไปแล้วฮาร์มอนิกอันดับที่สูง ๆ (สูงกว่าอันดับที่ 25^th ถึง 50^th ขึ้นอยู่กับแต่ละระบบ) ส่วนใหญ่เราจะไม่นำมาพิจารณา ก็เนื่องมาจากไม่ค่อยสร้างความเสียหายให้แก่ระบบไฟฟ้ากำลังมากเท่าใดนัก และในการออกแบบชุดกรองฮาร์มอนิกอันดับที่สูง ๆ ก็ทำได้ยาก แต่อย่างไรก็ตาม ฮาร์มอนิกอันดับที่สูง ๆ นั้นก็อาจจะเข้าไปรบกวนการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่มีกำลังต่ำ ๆ ได้ ซึ่งทั้งนี้และทั้งนั้น นักอุตสากรรมก็ต้องพิจารณาด้วยว่าฮาร์มอนิกอันดับใดมีผลกระทบต่ออุตสาหกรรมของท่านเพื่อจะได้แก้ไขปัญหาได้ถูกจุด

เอกสารอ้างอิง

·         เอกสารประกอบการสัมมนา “Power Quality”, Under the Cooperation Between JEPIC and Thai Power Utilities, 22^nd – 25^th January 2001

·         Dugan, Roger C., “Electrical Power System Quality”, 1996, McGraw-Hill

·         http://www.eweb.org/energy/powerqual/harmonics/