ยุทธชัย ศิลปวิจารณ์
สาขาวิชาครุศาสตร์ไฟฟ้า คณะครุศาสตร์อุตสาหกรรม
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

แรงดันตกชั่วขณะ (Voltage Sags) เป็นสิ่งที่เราประสบกันได้ประจำโดยเฉพาะต่างจังหวัดในช่วงฝนตกหรือมีพายุลมแรง โดยสิ่งที่สังเกตได้ก็คือหลอดไฟอาจจะกระพริบ, เครื่องใช้ไฟฟ้าเช่นโทรทัศน์อาจจะดับ หรืออาจจะไม่ดับแต่ก็สังเกตได้ว่าไฟตกจากการดูจอภาพ เป็นต้น โดยแรงดันตกชั่วขณะคือแรงดัน RMS ที่มีขนาดลดลงชั่วคราว ตั้งแต่ 0.5 คาบไฟสลับ จนถึง 1 นาที และขนาดแรงดันลดลงอยู่ในช่วง 0.1 PU. จนถึง 0.9 PU. โดย 1 คาบไฟสลับมีค่าเท่ากับ 20 mS ในกรณีระบบไฟฟ้าที่มีความถี่ 50 Hz เช่นประเทศไทย 

แรงดันตกชั่วขณะเป็นหนึ่งในสาเหตุของปัญหาคุณภาพไฟฟ้า (Power Quality Problems) ที่ภาคอุตสาหกรรมต้องประสบ และมีส่วนทำให้เกิดการสูญเสียอื่น ๆ ตามมาอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

การเกิดแรงดันตกชั่วขณะ ก่อให้เกิดปัญหาอย่างมากต่อภาคอุตสาหกรรม โดยเฉพาะกับโหลดที่มีความอ่อนไหวต่อแรงดัน เช่นโหลดที่เป็นอินเวอร์เตอร์ หรือคอนเวอร์เตอร์สำหรับจ่ายกำลังให้กับมอเตอร์ในงานอุตสาหกรรม, คอมพิวเตอร์ในออฟฟิศ เป็นต้น โดยสถานที่ที่สำคัญได้แก่ โรงงานผลิตรถยนต์, อุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ, อุปกรณ์ถ่ายทอดสัญญาณ, อาคารสำนักงาน, และโรงพยาบาล หรือศูนย์การแพทย์ เป็นต้น ซึ่งจากการสำรวจในสหรัฐอเมริกาพบว่าแรงดันตกชั่วขณะคิดเป็น 92% ของปัญหาคุณภาพไฟฟ้า (Power Quality) [1]

ในประเทศไต้หวัน เฉพาะที่ Hsinchu Science-based Industrial Park (HSIP) ได้มีการศึกษาและพบว่าในแต่ละครั้งที่เกิดแรงดันตกชั่วขณะจะเกิดการสูญเสียทางการเงินมูลค่ามากถึง 100,000 เหรียญสหรัฐ จนถึง 1,000,000 เหรียญ [1] ส่วนในประเทศสหรัฐอเมริกา สถาบัน EPRI (Electronic Power Research Institute) ได้พบว่ามีการสูญเสียทางเศรษฐศาสตร์เฉพาะในสหรัฐอเมริกาที่เกิดจากคุณภาพไฟฟ้าที่แย่ ซึ่งมีแรงดันตกชั่วขณะเป็นสาเหตุที่สำคัญที่สุดเป็นจำนวนสูงถึงสี่แสนล้านเหรียญสหรัฐต่อปี [2] และถึงแม้ว่าจะยังไม่มีผลการศึกษาถึงผลกระทบอันเนื่องมาจากแรงดันตกในประเทศไทย แต่ก็ประมาณได้ว่ามีมูลค่าหลายล้านบาทต่อปี [3] 

วิธีแก้ปัญหาจากแรงดันตกชั่วขณะแบ่งเป็น 2 ลักษณะใหญ่ ๆ คือวิธีการที่ใช้อุปกรณ์สะสมพลังงาน (Energy Storage Devices) และวิธีการที่ไม่ใช้อุปกรณ์สะสมพลังงาน

รูปที่ 1 การใช้ UPS ที่ใช้แบตเตอรี่ แก้ปัญหาไฟตกชั่วขณะ

วิธีนี้เป็นวิธีที่เรียบง่าย และใช้กันมากที่สุดในการแก้ปัญหาแรงดันตกชั่วขณะ โดยในสภาวะปกติ แรงดันโหลดจะได้จากสายกำลังหรือ Power Line ของการไฟฟ้าโดยผ่านสวิตช์โอนย้าย (Transfer Switch) โดยมีทางเดินของกำลังไฟฟ้าที่ทางเดินหลัก (Main Path) ซึ่งในสภาวะนี้อินเวอร์เตอร์ หรือ DC/AC Converter จะอยู่ในสภาวะเตรียมพร้อม (Stand by) เมื่อเกิดสภาวะแรงดันตกชั่วขณะ สวิตช์โอนย้ายจะตัดต่อให้โหลดย้ายมารับแรงดันไฟฟ้าจากอินเวอร์เตอร์ที่มีแหล่งจ่ายเป็นแบตเตอรี่แทน โดยมีทางเดินของกำลังไฟฟ้าที่ทางเดินรอง (Alternate Path)

ทั้งนี้เราจะสมมุติว่าแบตเตอรี่จะถูกประจุให้เต็มอยู่ตลอดเวลาด้วยวงจรเรียงกระแส หรือ AC/DC Converter  วิธีนี้มีข้อดีที่อินเวอร์เตอร์จะทำงานเฉพาะช่วงที่เกิดแรงดันตกชั่วขณะเท่านั้น ประสิทธิภาพในการทำงานโดยรวมของระบบจึงมีค่าสูง

ยังมีอีกวิธีหนึ่งคือการที่ออกแบบให้โหลดรับไฟจากอินเวอร์เตอร์ตลอดเวลาหรือมีชื่อที่บางคนเรียกว่าแบบ Online UPS หรือ True UPS หรือ Double-conversion UPS โดยในสภาวะปกติอินเวอร์เตอร์จะได้แหล่งจ่ายไฟตรงมาจากวงจรเรียงกระแส แต่เมื่อเกิดแรงดันตกชั่วขณะหรือไฟดับ อินเวอร์เตอร์จะรับกำลังไฟฟ้ามาจากแบตเตอรี่แทน แต่วิธีนี้มีข้อเสียในแง่ประสิทธิภาพ เพราะในสภาวะการทำงานปกติจะมีการแปลงผันพลังงานถึงสองต่อ คือวงจรเรียงกระแสและอินเวอร์เตอร์นั่นเอง

จุดด้อยของระบบที่ใช้ UPS ที่ใช้แบตเตอรี่นี้คือตัวแบตเตอรี่เอง ที่ต้องการการดูแลรักษาเป็นพิเศษ และแบตเตอรี่มีราคาแพง อายุการใช้งานจำกัด

รูปที่ 2 การใช้ UPS ที่ใช้ฟลายวีล แก้ปัญหาไฟตกชั่วขณะ

วิธีนี้มีหลักการคล้ายกับวิธีแรก แต่ต่างกันตรงที่วิธีในการเก็บพลังงาน โดยวิธีนี้จะเก็บพลังงานเป็นพลังงานกลไว้ที่ฟลายวีลที่หมุนด้วยความเร็วสูง (มากกว่า 3,000 rpm [5]–[7]) โดยที่ขนาดของพลังงานที่เก็บไว้ที่ฟลายวีลนี้จะขึ้นอยู่กับความเฉื่อยและความเร็วของฟลายวีล

เมื่อเกิดแรงดันตกชั่วขณะ พลังงานกลที่สะสมไว้นี้จะถูกจ่ายคืนออกมาในรูปของพลังงานไฟฟ้าโดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่ออยู่กับฟลายวีล และผ่านสวิตช์โอนย้ายเพื่อจ่ายพลังงานไปยังโหลด

ระบบนี้ไม่ต้องการการดูแลเป็นพิเศษเช่นวิธีแรก แต่อย่างไรก็ตามยังมีความยุ่งยากในการติดตั้งระบบแบบนี้เนื่องจากต้องการการป้องกันที่ดีจากชิ้นส่วนที่หมุนได้ด้วยความเร็วสูง เช่น ฟลายวีล

รูปที่ 3 การใช้ SMES แก้ปัญหาไฟตกชั่วขณะ

ระบบนี้จะคล้ายกับระบบที่ใช้แบตเตอรี่, หรือฟลายวีล แต่จะมีการเก็บพลังงานไว้ที่ Superconducting Magnet ที่มีความสามารถจ่าย (คาย) พลังงานในระดับเมกะวัตต์ และใช้วงจรอินเวอร์เตอร์แปลงผันพลังงานไปยังโหลดในช่วงเกิดแรงดันตกชั่วขณะได้ 

จำนวนพลังงานที่เก็บสะสมไว้ที่สนามแม่เหล็กสามารถคำนวณได้ดังนี้
E = 0.5LI² โดย L คือความเหนี่ยวนำของ Superconducting Magnet ที่รับกระแสขนาดเท่ากับ I
ข้อดีของระบบนี้คือสามารถสะสมและคายพลังงานซ้ำ ๆ ได้สูงมาก แต่ก็มีข้อเสียที่เรื่องของการระบายความร้อนที่ทำให้เพิ่มต้นทุนและเรื่องความปลอดภัย

รูปที่ 4 การใช้ Fuel Cells แก้ปัญหาไฟตกชั่วขณะ

ดูเหมือนว่าวิธีนี้จะเป็นวิธีที่ได้รับความสนใจอย่างมาก เนื่องด้วยข้อดีของมันหลายประการ เช่น เป็นมิตรกับธรรมชาติ, ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูง, ไม่ต้องการดูแลรักษาเป็นพิเศษ เพราะไม่มีส่วนที่เคลื่อนที่หรือหมุนได้, ไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงประเภท Fossil เนื่องจากมันใช้ไฮโดรเจนที่เป็นแหล่งพลังงานปฐมภูมิ

ข้อเสียของมันคือไม่สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดทันทีทันใดได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ร่วมกับแบตเตอรี่ และนอกจากนั้นเนื่องจากมันมีราคาที่สูง จึงจำเป็นที่จะต้องต่อกับสายกำลังของการไฟฟ้าอยู่ตลอดเวลา เพื่อใช้ประโยชน์จากมันให้ได้สูงสุด ดังนั้นในสภาวะปกติอินเวอร์เตอร์จะรับพลังงานจาก Fuel Cells เพื่อจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับโหลดร่วมกับไฟจากการไฟฟ้า เมื่อเกิดแรงดันตกชั่วขณะ สวิตช์โอนย้ายจะตัดวงจรเพื่อแยกไฟจากการไฟฟ้าออกจากโหลด และอินเวอร์เตอร์จะทำงานจ่ายพลังงานให้โหลดเพียงลำพัง

1.5 การใช้ Voltage Restorer  

รูปที่ 5 การใช้ DVR แก้ปัญหาไฟตกชั่วขณะ

มีหลายบริษัทที่ใช้หลักการแก้ปัญหาแรงดันตกชั่วขณะที่สามารถเรียกได้ว่า Voltage Restorer เช่น Solid State Voltage Restorer (SSVR) จาก GE, Dynamic Voltage Restorer จาก Westinghouse, SIPCON-S จาก Siemens, และ Dynacom จาก SP System แต่อย่างไรก็ตามชื่อที่เป็นที่นิยมที่สุดก็คือ Dynamic Voltage Restorer หรือ DVR เพราะว่าส่วนใหญ่จะใช้วงจรแปลงผันพลังงานเพื่อกำเนิดแรงดันที่เสริมเข้าไปกับแรงดันสายกำลังจากการไฟฟ้าเพื่อการชดเชยแรงดันที่ตก

นอกจากนี้ DVR ยังมีคุณสมบัติพิเศษที่สามารถใช้แก้ปัญหาแรงดันเกินชั่วขณะ (Swell Voltage), รักษาระดับแรงดัน, และชดเชยฮาร์มอนิกได้อีกด้วย โดย DVR จะฉีดแรงดัน (กระแส) ที่ต้องชดเชยขนาด, เฟส, และฮาร์มอนิกไปยังสายกำลังโดยผ่านหม้อแปลงที่ต่ออนุกรมกับสายกำลังของการไฟฟ้า

ขนาดของพลังงานที่สะสมในตัวเก็บประจุ จะเป็นตัวกำหนดว่า DVR จะสามารถทำงานได้นานแค่ไหน โดยทั่วไปจะใช้ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กทรอไลต์ อย่างไรก็ตามเราสามารถนำเอาแบตเตอรี่, ฟลายวีล, หรือ SMES มาต่อขนานกับตัวเก็บประจุเพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการจ่ายพลังงานก็ได้

รูปที่ 6 การใช้ Power Line Conditioners แก้ปัญหาไฟตกชั่วขณะ

ในสภาวะปกติ โหลดจะต่ออยู่กับสายกำลังของการไฟฟ้าโดยผ่านสวิตช์โอนย้าย เมื่อเกิดแรงดันตกชั่วขณะ สวิตช์โอนย้ายจะต่อโหลดเข้ากับ Power Line Conditioner เพื่อรับพลังงานไฟฟ้าแทนสายกำลังจากการไฟฟ้า วิธีนี้มีข้อดีอีกข้อที่ไม่ต้องใช้อุปกรณ์สะสมพลังงานชนิดพิเศษ เนื่องจากในขณะที่เกิดแรงตกชั่วขณะ Power Line Conditioner สามารถดึงพลังงานมาจากไฟของการไฟฟ้าได้

รูปที่ 7 การใช้สวิตช์โอนย้ายแบบสถิต แก้ปัญหาไฟตกชั่วขณะ

การใช้สวิตช์โอนย้ายแบบสถิตวิธีนี้เป็นวิธีที่ง่ายที่สุด โดยในสภาวะปกติโหลดจะต่ออยู่กับสายกำลัง (แหล่งจ่าย)หลักโดยผ่านสวิตช์โอนย้ายแบบสถิต เมื่อเกิดแรงดันตกชั่วขณะ สวิตช์โอนย้ายแบบสถิตจะต่อโหลดเข้ากับสายกำลัง (แหล่งจ่าย) สำรอง เพื่อรับพลังงานไฟฟ้าแทนไฟจากสายกำลังหลัก และสวิตช์โอนย้ายแบบสถิตจะกลับไปต่อโหลดกับแหล่งจ่ายหลักอีกครั้งเมื่อแรงดันจากสายกำลังหลักมีค่าปกติ

รูปที่ 8 การใช้หม้อแปลงที่มีตัวเปลี่ยนแท็บ แก้ปัญหาไฟตกชั่วขณะ

วิธีนี้มีข้อดีที่สามารถประยุกต์ใช้กับระบบที่มีอยู่แล้ว โดยการเพิ่มแท็บของหม้อแปลงและเพิ่มสวิตช์ควบคุมที่แต่ละแท็บทำให้สามารถแก้ปัญหาแรงดันตกและแรงเกิน (ซึ่งเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก) ชั่วขณะได้ทั้งสองกรณี

สมมุติให้ในสภาวะปกติ สวิตช์หมายเลข 3 ทำให้แรงดันที่โหลดที่ค่าปกติ เมื่อเกิดแรงดันตกชั่วขณะ ระบบควบคุมจะต้องสั่งให้สวิตช์หมายเลข 1 หรือหมายเลข 2 ต่อวงจร (และสั่งตัดสวิตช์หมายเลข 3) ตามแต่ขนาดของแรงดันตกชั่วขณะ ดังนั้นแรงดันด้านออกที่จ่ายไปยังโหลดจะสามารถถูกชดเชยให้ใกล้เคียงกับแรงดันปกติได้ (กรณีนี้ทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงแบบแปลงขึ้น หรือ Step-up Transformer)     

ในทำนองเดียวกัน ถ้าหากเกิดแรงดันเกินชั่วขณะ ระบบจะต้องสั่งให้สวิตช์หมายเลข 3 ตัดวงจร และสั่งให้สวิตช์หมายเลข 4 ต่อวงจร ดังนั้นแรงดันด้านออกจะสามารถชดเชยให้ใกล้เคียงกับแรงดันโหลดในสภาวะปกติได้ (กรณีนี้ทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงแบบแปลงขึ้น Step-down Transformer)

ระดับความละเอียดของแรงดันชดเชยจะขึ้นอยู่กับจำนวนแท็บของหม้อแปลง ดังนั้นการชดเชยแรงดันจะเรียกได้ว่าเกือบจะต่อเนื่อง (Quasi-continuous) เท่านั้น ซึ่งไม่เหมือนกับวิธีที่ผ่าน ๆ มาที่เป็นวิธีชดเชยแบบต่อเนื่อง ดังนั้นถ้าต้องการหม้อแปลงที่มีแท็บมาก ๆ เพื่อความต่อเนื่องในการชดเชย สิ่งที่ตามมาก็คือต้นทุนที่สูง นอกจากนี้ระบบนี้ยังมีโอกาสที่จะเกิด Transient ของแรงดันในช่วงที่เกิดการเปลี่ยนแท็บได้

รูปที่ 9 การใช้วงจรแปลงผันไฟสลับ-ไฟสลับ แก้ปัญหาไฟตกชั่วขณะ

วิธีนี้จะใช้วงจรทบระดับแบบ AC (AC Boost Converter) เพื่อการชดเชยแรงดันตกชั่วขณะ และใช้วงจรทอนระดับแบบ AC (AC Buck Converter) เพื่อการชดเชยแรงดันเกินชั่วขณะ 

วิธีนี้จะใช้วิธีการต่อโหลดกับวงจรแปลงผันไฟสลับ-ไฟสลับอยู่ตลอดเวลาคล้ายกับวิธีที่ใช้ Online UPS แต่ต่างกันตรงที่ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่หรือตัวสะสมพลังงานแบบพิเศษ เนื่องจากวงจรแปลงผันไฟสลับ-ไฟสลับจะรับพลังงานจากสายกำลังของการไฟฟ้าโดยตรงตลอดเวลา

จากข้างต้น เราได้ทราบแล้วว่าวิธีแก้ปัญหาแรงดันไฟตกชั่วขณะมีหลากหลาย ซึ่งแต่ละวิธีจะมีข้อดี-ข้อเสียที่พอสรุปได้ดังนี้ [4]

วิธีการที่ไม่ใช้อุปกรณ์สะสมพลังงาน

[1] P. Cheng, C.Huang, C.Pan, and S. Bhattacharya, "Design and Implementation of a Series Voltage Sag Compensator Under Practical Utility Conditions", IEEE Trans. on Industry Applications, pp. 844 – 853, May-June 2003.
[2] D.M. Lee, T.G. Habetler, R.G. Harley, T.L. Keister, and J.R.Rostron, "A Voltage Saq Supporter Utilizing a PWM-Switched Autotransformer", IEEE Trans. on Power Electronics, pp. 626 – 635, March 2007.
[3]..ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า, "ข้อเสนอโครงการพัฒนาเครื่องต้นแบบอุปกรณ์แก้ปัญหาแรงดันตกชั่วขณะ",       คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 9 หน้า, 2546.
[4] O.C. MONTERO-HERNANDES, "NEW APPROACHES TO PROVIDE RIDE-THROUGH FOR CRITICAL LOADS IN ELECTRIC POWER DISTRIBUTION SYSTEMS", Ph.D. Thesis: Texas A&M University, 155 page(s), 2001.
[5] Piller Website, 2008. [Online].  Available from: http://www.piller.com [2008, October 13]
[6] Active Power Website, 2008. [Online].  Available from: http://www.activepower.com [2008, October 13]
[7] R.S. Weissbach, G.G. Karady, and R.G. Farmer, "Dynamic voltage compensation on distribution feeders using flywheel energy storage", IEEE Trans. Power Delivery, vol 14-2, pp-465, April 1999.