ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com      

ในภาวะปัจจุบันการประหยัดพลังงานไฟฟ้าเป็นเป้าหมายสำคัญเป้าหมายหนึ่งในการลดค่าใช้จ่ายและเพิ่มรายได้ให้โรงงานอุตสาหกรรมหรือหน่วยงานต่าง ๆ ได้ เครื่องมือทดสอบชนิด Power Logging Tester ซึ่งปกติใช้ในการตรวจวัดการใช้พลังงาน (Energy Audit) หรือแก้ไขปัญหาทางไฟฟ้า (Troubleshooting) นั้นยังสามารถอ่านและบันทึกค่าทางไฟฟ้าต่าง ๆ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า แนวโน้มของพลังงาน (Power Trend) การเกิดทรานเซี้ยนต์ (Transients) และการบันทึกเหตุการณ์ต่าง ๆ (Event Log)         

เราสามารถลดค่าไฟฟ้าและทำให้เกิดการประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้โดยการนำเอาค่าแรงดันไฟฟ้าและค่ากระแสไฟฟ้าที่ไม่สมดุลที่อ่านค่าได้โดยเครื่อง Power Logging Tester มาศึกษาและวิเคราะห์เพื่อจัดโหลดไฟฟ้าให้เกิดความสมดุลในระบบไฟฟ้า 3 เฟส และศึกษาค่ากำลังไฟฟ้าที่วัดและเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องที่บันทึกไว้ได้เพื่อกำหนดตารางเวลาการทำงานของโหลดไฟฟ้าให้เกิดความเหมาะสมซึ่งจะช่วยลดค่าดีมานด์ไฟฟ้า (Electric Demand) ลงได้ ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นวิธีที่สามารถลงมือปฏิบัติได้เลย เชิญติดตามรายละเอียดในบทความฉบับนี้ได้เลยครับ

วิศวกรไฟฟ้าพยายามจัดโหลดไฟฟ้าให้เกิดความสมดุลในระบบไฟฟ้ากำลัง 3 เฟสตั้งแต่เริ่มต้นของการออกแบบจนถึงเวลาติดตั้ง การคำนวณโหลดไฟฟ้านั้นสามารถคำนวณโหลดไฟฟ้าตามมาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้าสำหรับประเทศไทย พ.ศ.2545 (ฉบับปรับปรุงครั้งที่ 1 พ.ศ.2551) ข้อ 3.1.6 การคำนวณโหลดสำหรับวงจรย่อย และข้อ 3.2.3 การคำนวณโหลดสำหรับสายป้อน โดยค่าที่คำนวณได้จะมีหน่วยเป็นโวลต์ - แอมแปร์ (VA) หรือ กิโลโวลต์ - แอมแปร์ (kVA) 

การจัดโหลดไฟฟ้าให้เกิดความสมดุลในแต่ละเฟสตั้งแต่เริ่มต้นของการออกแบบนั้น วิศวกรไฟฟ้าพยายามทำให้แต่ละเฟสมีค่ากำลังไฟฟ้าในหน่วย กิโลโวลต์–แอมแปร์ ใกล้เคียงกัน ซึ่งสามารถทำได้ในทางทฤษฏีเท่านั้น แต่ในทางปฏิบัติแล้ว ไม่มีโอกาสที่จะเกิดโหลดสมดุลได้อย่างสมบูรณ์ โหลดที่ไม่สมดุลก็คือแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในแต่ละเฟสที่ไม่สมดุลนั่นเอง ดังนั้นการตรวจจับและบันทึกค่าแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นขณะหนึ่งขณะใดในวงจรไฟฟ้าจึงเป็นการตรวจสอบว่าเกิดสภาวะโหลดไฟฟ้าไม่สมดุลขึ้นในระบบไฟฟ้ากำลังหรือไม่ การตรวจสอบว่าเกิดโหลดไม่สมดุลในระบบไฟฟ้ามีวิธีปฏิบัติได้ 2 วิธี                    

วิธีที่ 1 เป็นการอ้างอิงมาตรฐาน IEEE หรือ NEMA โดยการใช้เครื่องมือวัดชนิดดิจิตอลมัลติมิเตอร์วัดค่าแรงดันไฟฟ้าขณะใดขณะหนึ่ง (Spot Voltage Reading) โดยวัดค่าแรงดันระหว่างเฟส AB, AC, BC รวมค่าที่อ่านได้และหารด้วยสามเพื่อหาค่าแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ย เมื่อแรงดันระหว่างเฟสค่าใดค่าหนึ่งมากกว่าแรงดันเฉลี่ยเกินกว่า 1% แสดงว่าต้องการการแก้ไข อย่างไรก็ตามขั้นตอนนี้อาจจะมีความไม่แน่นอนอยู่ เนื่องจากอาจจะมีโหลดไฟฟ้าทำงานเปิด–ปิด ในแต่ละช่วงเวลาจึงต้องศึกษาควบคู่กับแนวโน้มของกำลังไฟฟ้า (Trending) และค่ากำลังไฟฟ้าที่บันทึกได้ (Power Logging)

วิธีที่ 2 เป็นการตรวจสอบโหลดไม่สมดุลโดยการใช้เครื่องมือ Power Quality Analyzer ที่มีวิธีการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า "Symmetrical Components" เพื่อวิเคราะห์โหลดไม่สมดุลที่เกิดขึ้นในระบบไฟฟ้ากำลัง โปรแกรมคอมพิวเตอร์จะแยกและแสดงผลของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในแต่ละเฟสเป็นส่วนประกอบสามส่วน คือ Positive Sequences, Negative Sequences และ Zero Sequences 

ส่วนประกอบที่หนึ่งคือ Positive Sequences เป็นแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าปกติที่สมดุลในระบบไฟฟ้า 3 เฟส ส่วนประกอบที่สองคือ Negative Sequences แสดงความไม่สมดุลของระบบไฟฟ้ากำลัง ทำให้โหลดไฟฟ้าประเภทอินดักตีฟโหลด เช่น มอเตอร์ หรือ หม้อแปลงไฟฟ้าเกิดความร้อนเกิน (Overheating) รวมถึงทำให้แรงบิดของมอเตอร์ลดลงมีผลต่อความเร็วรอบของมอเตอร์อีกด้วย ส่วนประกอบที่สามคือ Zero Sequences แสดงความไม่สมดุลของกระแสไฟฟ้าที่ไหลในตัวนำนิวตรอลหรือตัวนำเส้นศูนย์ในระบบไฟฟ้ากำลัง 3 เฟส ทำให้เกิดพลังงานสูญเสียในรูปของความร้อนเกินในตัวนำไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้า

มาตรฐานไฟฟ้า EN50160 คุณภาพพลังงานไฟฟ้า "Voltage Distributions: Voltage Characteristics in Public Distribution System" ได้กำหนดความไม่สมดุลในระบบไฟฟ้ากำลังที่จุด Point of Coupling ไว้ไม่เกิน 2% ในรูปของอัตราส่วนระหว่าง Vneg/Vpos หรือ Vzero/Vpos โดยค่าแต่ละค่าที่คำนวณได้ต้องไม่เกิน 2% ถ้าค่าที่คำนวณได้เกินกว่าแสดงว่าได้เกิดโหลดไม่สมดุลขึ้นในระบบไฟฟ้ากำลัง 3 เฟส ซึ่งจำเป็นต้องแก้ไขเพราะพลังงานที่สูญเสียมีนัยสำคัญกับระบบไฟฟ้ากำลัง                    

รูปที่ 1 ค่าที่ตรวจวัดและวิเคราะห์โดยเครื่องมือ PQ Analyzer พบว่า Vneg เท่ากับ 9.2% แสดงว่าได้เกิดความร้อนเกินขึ้นในโหลดประเภทมอเตอร์และหม้อแปลง ทำให้แรงบิดของมอเตอร์ลดลง ส่งผลต่อความเร็วรอบของมอเตอร์ด้วย ในขณะเดียวกัน ค่า Vzero มีค่าสูงถึง 8.2% แสดงถึงกระแสไฟฟ้าปริมาณมากไหลในตัวนำนิวตรอลเกิดขึ้นเนื่องจากโหลดไม่สมดุลทำให้เกิดความร้อนเกินในตัวนำและหม้อแปลงไฟฟ้า

นอกเหนือจากการลดค่าพลังงานไฟฟ้าด้วยวิธีการจัดโหลดให้สมดุลแล้ว เรายังสามารถลดค่าพลังงานไฟฟ้าได้โดยการกำหนดตารางเวลาการทำงานของโหลดในระบบไฟฟ้ากำลังอย่างเหมาะสม ซึ่งก็เป็นส่วนหนึ่งของการบริหารโหลดไฟฟ้า หรือ Load Management นั่นเอง 

ค่าไฟฟ้าที่การไฟฟ้าฯ เรียกเก็บจากผู้ใช้ไฟฟ้าประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก ๆ สองส่วนคือ ค่ากำลังไฟฟ้า (Electrical Demand) ที่วัดในหน่วยของ กิโลวัตต์ และค่าพลังงานไฟฟ้า (Energy Demand) ที่วัดในหน่วยของ กิโลวัตต์ - ชั่วโมง หรือ การไฟฟ้าฯ จะเก็บค่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดที่วัดได้ในหน่วย กิโลวัตต์ (kW) ทุก ๆ 15 นาที โดยค่าสูงสุดที่วัดได้นี้เรียกว่า ค่า Peak Demand ถ้าโรงงานอุตสาหกรรมใดมีค่า Peak Demand สูง การไฟฟ้าฯ ก็ต้องลงทุนในส่วนของการไฟฟ้าฯ ให้มีความพร้อมจ่ายกำลังไฟฟ้าค่าดังกล่าวได้อยู่ตลอดเวลา ดังนั้นการไฟฟ้าฯ จึงต้องเก็บค่า Peak Demand นี้จากผู้ใช้ไฟฟ้า 

ส่วนใหญ่แล้วค่า Peak Demand ที่เกิดขึ้นในระบบไฟฟ้ากำลังของผู้ใช้ไฟฟ้า เกิดขึ้นอย่างทันทีทันใด เป็นลักษณะโหลดไฟฟ้าประเภท Simultaneous Loads หรือโหลดจำนวนมากที่ทำงานพร้อมกัน ดังนั้นในบิลค่าไฟฟ้าแต่ละเดือนจะพบว่าผู้ใช้ไฟฟ้าจะต้องจ่ายค่า Peak Demand ในสัดส่วนที่สูงมากของค่าไฟฟ้าทั้งหมด ดังนั้น การลดค่าไฟฟ้าจึงจำเป็นต้องพิจารณาถึงการจัดตารางเวลาการทำงานของโหลดไฟฟ้าในระบบไฟฟ้ากำลังให้มีความเหมาะสม ในกรณีนี้เครื่องมือวัดชนิด Power Logger ช่วยได้          

การจัดตารางเวลาการทำงานของโหลดไฟฟ้าเริ่มจากการใช้เครื่องมือ Power Logger ตรวจติดตาม (Monitor) การทำงานของโหลดไฟฟ้าในช่วงเวลาใดช่วงเวลาหนึ่งอย่างต่อเนื่องเพื่อศึกษาลักษณะการทำงานของโหลดไฟฟ้าในระบบไฟฟ้ากำลัง โดยต้องศึกษาจากไดอะแกรมไฟฟ้า (Single Line Diagram) ด้วยเพื่อเปรียบเทียบกับค่าพลังงานไฟฟ้าที่วัดได้จริง

การจัดตารางเวลาการทำงานของโหลดไฟฟ้าต้องศึกษาร่วมกับ Operation Manager เพื่อหาวิธีว่าสามารถจัดตารางเวลาการทำงานของโหลดไฟฟ้าให้อยู่ในช่วงเวลาของ "OFF PEAK" เพื่อลดค่า Demand Charge นอกจากนี้ต้องวัดการใช้พลังงานไฟฟ้ารวมที่เมนสวิตซ์ทุกช่วงเวลา 15 นาที และตรวจติดตามเป็นระยะหนึ่งรอบบิลไฟฟ้า (ประมาณ 30 วัน) เพื่อศึกษาการบริหารโหลดไฟฟ้าอย่างรอบด้าน 

เมื่อได้ข้อมูลจาก Power Logger Devices เพียงพอแล้วก็โหลดข้อมูลดังกล่าวลงในเครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาและตรวจวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้ ตรวจสอบว่ามีโหลดไฟฟ้าใดที่ทำให้เกิดค่า Peak Demand มีโหลดไฟฟ้าใดบ้างที่ทำงานในช่วง ON PEAK และในช่วง OFF PEAK พิจารณาว่าจะสามารถปรับเวลาการทำงานของโหลดไฟฟ้าหรือขั้นตอนการผลิตเพื่อลดค่า Peak Demand ลงได้หรือไม่

เราสามารถใช้ PQ Analyzer Tester และ Power Logger Devices ในการตรวจติดตามการทำงานของโหลดไฟฟ้าเพื่อศึกษาข้อมูลที่วัดได้ในการลดค่าไฟฟ้าจากการจัดโหลดไฟฟ้าให้สมดุลและจัดตารางเวลาการทำงานของโหลดไฟฟ้าให้เกิดความเหมาะสม

ข้อมูลอ้างอิง

* EC&M January 2009: Saving Energy Through Load Balancing and Scheduling page 16–20
* www.ecmweb.com