หลายคนคงจะเคยสังเกตได้ว่าหน้าจอคอมพิวเตอร์กระพริบ ติด ๆ ดับ ๆ โดยไม่ทราบสาเหตุ สร้างความรำคาญให้เราได้พอสมควร อาการอย่างนี้อาจจะเป็นสิ่งบอกเหตุได้ว่ามีปัญหาเกี่ยวกับฮาร์มอนิก ที่รบกวนการทำงานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์

.

ระบบไฟฟ้าของเรามีฮาร์มอนิกหรือไม่ ก่อนอื่นควรทำความรู้จักกับฮาร์มอนิกกันพอสังเขปว่ามันคืออะไร มาจากไหนจะเกิดผลกระทบได้อย่างไร อาจจะกล่าวได้ว่าสัญญาณฮาร์มอนิกทางไฟฟ้าเป็นสัญญาณที่มีความถี่มากกว่าสัญญาณรูปคลื่นไซน์ 50 เฮิรตซ์ ที่ได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เช่น สัญญาณฮาร์มอนิกที่ 3 จะมีความถี่ 150 เฮิรตซ์ ฮาร์มอนิกที่ 5 จะมีความถี่ 250 เฮิรตซ์และฮาร์มอนิกที่ 7 จะมีความถี่ 350 เฮิรตซ์ เป็นต้น

เมื่อสัญญาณเหล่านี้เข้ามาในระบบไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและคอมพิวเตอร์ในระบบไฟฟ้ากำลังอาจทำงานผิดเพี้ยน และมีปัญหาอื่น ๆ ต่อระบบอีกมากมาย ดังนั้นการจัดเตรียมพลังงานไฟฟ้าที่สะอาดปราศจากฮาร์มอนิกรบกวน หรือการปรับปรุงคุณภาพพลังงานไฟฟ้าจึงกลายเป็นเรื่องที่สำคัญในปัจจุบันและอนาคต

ฮาร์มอนิกเกิดจากอะไร

สัญญาณฮาร์มอนิกเหล่านี้เกิดจากอะไร สิ่งแรกที่ต้องพิจารณาคือ ภาระทางไฟฟ้าหรือโหลดที่ต่อในวงจร โดยเฉพาะที่กำลังเพิ่มมากขึ้นในปัจจุบันในอาคารบ้านพักอาศัย เช่น คอมพิวเตอร์ แหล่งจ่ายไฟฟ้าสำรอง (UPS) และหลอดฟลูออเรสเซนต์ สำหรับแหล่งโรงงานอุตสาหกรรมตัวอย่างเช่น เครื่องเชื่อมไฟฟ้า และอุปกรณ์ที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์กำลัง รวมทั้งอุปกรณ์เครื่องใช้สำนักงานต่างๆ อุปกรณ์ดังกล่าวนี้กำเนิดฮาร์มอนิกออกไปสู่ระบบไฟฟ้า เกิดผลเสียต่อโหลดอื่น ๆ ที่อยู่ในระบบเดียวกันได้ และนั่นก็หมายความว่าผู้ใช้ไฟฟ้าราย หนึ่ง ๆ มีโอกาสจะได้รับฮาร์มอนิกจากรายอื่นที่ปล่อยเข้าสู่ระบบได้ด้วย

โหลดที่ดึงกระแสจากแหล่งจ่ายที่เป็นระบบไฟฟ้าแรงดันคงที่  หากเป็นโหลดเชิงเส้นอย่างความต้านทานที่มีค่าอิมพีแดนซ์คงที่   กระแสที่ไหลไปโหลดจะมีรูปคลื่นสัญญาณไซน์ปกติเหมือนกับที่แหล่งจ่าย ในขณะที่โหลดไม่เป็นเชิงเส้น  ค่าอิมพีแดนซ์ไม่คงที่ รูปคลื่นกระแสที่ไหลจะผิดเพี้ยนไป ไม่ใช่รูปคลื่นไซน์ปกติ เช่น กระแสสำหรับโหลดที่เป็นหม้อแปลงที่ทำงานในย่านสภาวะแกนเหล็กใกล้อิ่มตัว (Saturation Knee-Point) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ดังแสดงด้วยรูปที่ 1 ที่เป็นปรากฏการณ์ซึ่งนำไปสู่การเกิดกระแสฮาร์มอนิกขึ้นมา

รูปที่ 1 สัญญาณไซน์จากโหลดแบบเชิงเส้นและไม่เป็นเชิงเส้น

โดยเฉพาะฮาร์มอนิกที่ 3 และ 5 จะพบบ่อยในระบบไฟฟ้า ปกติโหลดไม่เป็นเชิงเส้นแบบเฟสเดียวจะกำเนิดฮาร์มอนิกที่ 3 ส่วนแบบสามเฟสจะกำเนิดฮาร์มอนิกที่ 5 สำหรับฮาร์มอนิกที่ 5 และ 7 สามารถกรองออกได้ง่ายจากตัวกรองแบบปรับจูน (Turned Circuits)   

นอกจากผลกระทบต่อการทำงานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์แล้ว ปัญหาอีกอย่างที่สำคัญมากในระบบไฟฟ้าคือ  ปกติระบบไฟฟ้า 3 เฟส 4 สาย จะมีกระแสไหลในสายนิวตรอลไม่มากมัก จะมีเพียงกระแสจากความไม่สมดุลของโหลดในแต่ละเฟสเท่านั้น แต่สำหรับในระบบที่มีฮาร์มอนิก นอกจากมีกระแสดังกล่าวแล้ว ยังมีกระแสฮาร์มอนิกที่สามจากแต่ละเฟสไหลมารวมกันที่นิวตรอล ซึ่งอาจจะทำให้ผลรวมกระแสสูงเกินกว่าพิกัดที่สายนิวตรอลจะรับได้ ดังแสดงดังรูปที่ 2 ซึ่งหลายคนอาจจะบอกว่าแก้ได้ด้วยการเพิ่มขนาดสายนิวตรอล แต่วิธีการเพิ่มขนาดจะต้องใช้เงินอีกมากเกินไปและอาจจะมีผลกระทบอย่างอื่นจากกระแสฮาร์มอนิก หากยังปล่อยให้ไหลในวงจร

รูปที่ 2 กระแสฮาร์มอนิกที่ 3 ในแต่ละเฟสและที่สายนิวตรอล 

ผลกระทบจากกระแสฮาร์มอนิก

ในระบบไฟฟ้าสามเฟสสมดุลนั้นกระแสในแต่ละเฟสที่ความถี่หลัก และกระแสฮาร์มอนิกที่ 5 และ 7 จะหลักล้างกันหมดไปเอง แต่ฮาร์มอนิกที่ 3 จะมีเฟสตรงกันเมื่อมารวมกันที่สายนิวตรอลจึงทำให้มีกระแสไหลมากกว่าปกติ โดยเฉพาะอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเฟสเดียวจะเกิดกระแสฮาร์มอนิกสูงมาก ถึงแม้ว่าจะใช้งานอุปกรณ์เหล่านี้ในระดับกำลังไม่สูงนักก็ตาม โดยโหลดที่เป็นคอมพิวเตอร์จะสามารถกำเนิดกระแสฮาร์มอนิกที่ 3 ได้ถึง 4 แอมป์ต่อกิโลวัตต์ 

ผลของกระแสฮาร์มอนิกที่ไหลในสาย  จะทำให้เกิดความร้อนที่อาจจะสูงมาก ๆ นำไปสู่การเกิดไฟไหม้ได้ เพราะว่าปกติแล้วสายนิวตรอลมักจะไม่มีอุปกรณ์ป้องกันเหมือนสายเฟส นอกจากนี้มีพลังงานสูญเสียและสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวนที่อาจจะทำให้อุปกรณ์บางอย่างทำงานผิดพลาด และผลจากความร้อนสะสมเนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกก็อาจจะทำให้ฟิวส์หรือเซอร์กิตเบรกเกอร์ทำงาน (Trip) ผิดพลาดได้ หากเป็นเซอร์กิตเบรกเกอร์ที่ทำงานโดยอาศัยหลักการรวมกระแสที่เรียกว่า Residual-Current Operated CB มีโอกาสทำงานผิดพลาดได้สูง จากการที่กระแสฮาร์มอนิกมีความถี่สูงกว่าปกติ แล้วเครื่องวัดเป็นแบบธรรมดาจะนำไปสู่การวัดและรวมค่าที่ไม่ตรงกับความจริง การทำงานของเซอร์กิตเบรกเกอร์จึงผิดพลาด

ส่วนกระแสฮาร์มอนิกที่ไหลในระบบแรงดันต่ำหรือระบบจำหน่ายนั้นจะไหลไปที่หม้อแปลงด้านขดลวดสตาร์(Y-Side) และสายนิวตรอล เกิดการเหนี่ยวนำฮาร์มอนิกนี้ขึ้นที่ขดลวดแรงดันสูงด้านเดลต้า (D-Side) แล้วจะไหลวนเฉพาะส่วนขดเดลต้านี้โดยไม่แพร่ไปสู่ระบบแรงสูงอื่น แต่ผลจากการไหลวนนี้จะก่อให้เกิดพลังงานสูญเสียขึ้นที่ขดลวดทองแดง   อุณหภูมิเพิ่มมากกว่าปกติ ทำให้ความสามารถในการจ่ายโหลดลดลง และเนื่องจากฮาร์มอนิกมีความถี่สูงกว่าปกติดังนั้นพลังงานสูญเสียที่แกนเหล็ก กระแสไหลวนแบบ Eddy Current และพลังงานสูญเสียจากการที่กระแสไหลที่ผิวจึงสูงกว่าปกติด้วย

ดังนั้นจากที่กล่าวมาข้างต้นพอจะสรุปปัญหาที่เกิดจากฮาร์มอนิกที่ 3 ได้ดังต่อไปนี้

-  กระแสไหลในสายนิวตรอลสูงกว่าพิกัดของขนาดสาย (Overloading)

-  เกิดความร้อนสูงเกินในหม้อแปลง (Overheating)

-  เซอร์กิตเบรกเกอร์ทำงานผิดพลาด (Error Tripping)

-  คาปาซิเตอร์ที่ใช้ปรับค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ได้ความเครียดสูงขึ้น (Overstressing)

-  กระแสไหลที่ผิวมาก (Skin Effect)

-  เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวน (EMI)

-  หน้าจอคอมพิวเตอร์กระพริบ

ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3   

การติดตั้งตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 เป็นอีกวิธี หนึ่ง ที่ได้ผลในการลดระดับฮาร์มอนิกที่ 3 ในสายนิวตรอลได้ถึง 95 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นกระแสฮาร์มอนิกที่สายเฟสก็ลดลงด้วย และเป็นวิธีการที่จะทำให้ระดับของฮาร์มอนิกอยู่ในเกณฑ์ตามที่มาตรฐานกำหนดได้

สำหรับกระแสฮาร์มอนิกที่ 5 และ 7 สามารถที่จะหักล้างกันเองหมดไปได้ แต่ฮาร์มอนิกที่ 3 ไม่สามารถหักล้างกันได้  จึงทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวนรอบสายที่มักจะเป็นปัญหาสำหรับเครื่องใช้สำนักงานและตามโรงพยาบาล  ดังนั้นตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 จะขจัดปัญหานี้ได้ โดยสามารถลดได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 กราฟระดับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากหลาย ๆ จุด ในโรงพยาบาล ลดลง ประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อติดตั้งตัวกรองฮาร์มอนิก

ส่วนขนาดของตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 จะขึ้นอยู่กับขนาดของหม้อแปลงหรือขนาดของฟิวส์ป้องกัน โดยพิจารณาให้สอดคล้องและทนต่อระดับกระแส ความร้อนที่เกิดขึ้น และความผิดเพี้ยนของแรงดันไฟฟ้า รวมถึงสายนิวตรอลที่ต่อกับจุดสตาร์ของหม้อแปลงด้วยว่าเหมาะสมเพียงใด

รูปที่ 4 ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 พิกัดตั้งแต่ 25-3,000 แอมป์ ของบริษัท ABB

ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 (Third Hamornic Filter: THF) ตามหลักการของบริษัท ABB ประเทศฟินแลนด์จะใช้หลักการเรโซแนนซ์ โดยจะเกิดอิมพีแดนซ์สูง ๆ สำหรับกระแสฮาร์มอนิกที่ 3 แต่จะมีอิมพีแดนซ์ต่ำมาก ๆ สำหรับกระแสในความถี่หลัก ด้วยการติดตั้งที่สายนิวตรอลจึงมีผลกระทบอย่างอื่นต่อวงจร น้อย มาก เพราะว่าเป็นทางที่กระแสฮาร์มอนิกจะไหลมารวมกัน และตัวกรองแบบ Passive นี้จะทำงานการปิดกั้นแบบตัวมันเองจะสร้างสัญญาณรบกวน น้อย มาก ปลอดภัยต่อสัญญาณดิจิตอลและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ มีอุปกรณ์ป้องกันทั้งในความถี่หลักและความถี่ฮาร์มอนิกที่ 3 โดยมีการต่อเข้าไปในวงจรดังรูปที่ 5 และ 6

รูปที่ 5 วงจรการต่อ THF แบบ Passive

รูปที่ 6 ลักษณะการติดตั้งตัวกรองกระแสฮาร์มอนิกที่ 3  

ตั้งแต่ปี 1994 เป็นต้นมา ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ 3 ได้ติดตั้งในหลายประเทศทั่วโลก หลากหลายประเภทของงาน เช่น อาคารสำนักงาน ห้องคอมพิวเตอร์ บริษัท แหล่งอุตสาหกรรมโรงงานและโรงแรมต่าง ๆ หรือบริเวณที่ใช้โคมแสงสว่างมาก ๆ ซึ่งที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่าสามารถลดกระแสในสายนิวตรอลได้ถึง 95 เปอร์เซ็นต์ ประหยัดพลังงานได้ประมาณ 4 เปอร์เซ็นต์ ขีดความสามารถของอุปกรณ์ในระบบสูงขึ้น สามารถที่จะคืนทุนค่าตัวกรองได้ภายใน 3 ถึง 10 ปี

กฎหมายที่เกี่ยวข้องกับฮาร์มอนิกที่ 3

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่า ในระบบไฟฟ้าเดียวกันถึงแม้ว่าผู้ใช้ไฟฟ้าราย หนึ่ง ๆ อาจจะไม่ได้สร้างฮาร์มอนิก แต่ก็มีโอกาสได้รับผลกระทบจากฮาร์มอนิกที่ผู้ใช้ไฟฟ้ารายอื่นในระบบเดียวกันได้ จึงดูเหมือนว่าไม่ค่อยดีนักหากจะปล่อยให้มีการสร้างฮาร์มอนิกเข้าสู่ระบบรวม ดังนั้นหลายประเทศจึงมีข้อบังคับออกมาเป็นมาตรฐานเพื่อให้ผู้ใช้ไฟฟ้าในระบบ หนึ่ง ๆ จัดการกับฮาร์มอนิกที่เกิดในส่วนของตัวเอง โดยมีการวัดอ้างอิงที่ตำแหน่งเชื่อมต่อเข้ากับระบบไฟฟ้ารวม(Point of Common Coupling: PCC) เช่น มาตรฐาน GS/3 ในประเทศอังกฤษ Contrad Emeraude ในประเทศฝรั่งเศสและมาตรฐาน IEEE519 ในอนาคตผู้ใช้ไฟฟ้ารายใหญ่จะต้องทำให้กระแสฮาร์มอนิกจากส่วนของตนอยู่ในระดับมาตรฐาน หนึ่ง ๆ เช่น ระดับที่ยอมให้มีได้ประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์

ในปัจจุบันหลายคนคงเคยสังเกตเห็นเครื่องหมายที่เป็นสติกเกอร์สัญลักษณ์ CE บนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเป็นเครื่องหมายที่รับรองได้ว่าเครื่องใช้หรืออุปกรณ์นั้น ๆ ผ่านการทดสอบตามมาตรฐานที่เกี่ยวกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Compatibility: EMC) ซึ่งอาจจะมีหลายมาตรฐาน ทำการทดสอบทั้งในความคงทนต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและระดับของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างออกมา หากอยู่ในเกณฑ์ หนึ่ง ๆ ที่มาตรฐานนั้น ๆ กำหนดไว้ ก็จะได้รับเครื่องหมาย CE รับรอง

สำหรับฮาร์มอนิกก็เช่นเดียวกัน  มาตรฐาน IEC 1000 ระบุถึงระดับของฮาร์มอนิกที่ยอมรับได้ที่อุปกรณ์ หนึ่ง ๆ จะกำเนิดออกมาได้ โดยเริ่มใช้กันตั้งแต่เดือนมกราคม ปี 2001 หากอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดต่ำกว่า 16 แอมป์ที่จะจำหน่ายในยุโรป ระดับฮาร์มอนิกจะต้องได้ตามมาตรฐานกำหนด สำหรับอุปกรณ์เครื่องใช้ที่กินกระแสมากกว่า 16 แอมป์ กำลังอยู่ในระหว่างการร่างมาตรฐาน อีกไม่นานก็คงจะนำมาใช้ และมาตรฐาน IEEE519 ที่ใช้อ้างอิงในหลาย ๆ ประเทศที่ไม่ใช่แถบยุโรป

เพราะฉะนั้นการลดกระแสฮาร์มอนิกที่ 3 ลงไม่เพียงแต่เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของอุปกรณ์ในระบบไฟฟ้าเท่านั้นแต่ยังทำให้พลังงานสูญเสียลดลงด้วย ลดความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้ ลดขนาดสายโดยไม่ต้องเพิ่มขนาดสายไว้รับกระแสฮาร์มอนิก ดังนั้นตัวกรองฮาร์มอนิกจึงมีความสำคัญอย่างมาก สำหรับระบบไฟฟ้าในปัจจุบันและอนาคต