ปัญหาทางด้านคุณภาพไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในโรงงานอุตสาหกรรมสามารถที่จะนิยามได้ว่า ปัญหาของการเกิดการเปลี่ยนแปลงหรือเกิดการเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า ความถี่ไฟฟ้าหรือความผิดเพี้ยนของรูปคลื่น (Waveform Distortion) ที่ส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าของผู้ใช้งาน เกิดความผิดพลาดในการทำงาน

รูปที่ 1 แสดงการติดตั้งวงจรกรองแบบแอคทีฟฟิลเตอร์ภายในระบบไฟฟ้า

[spacer height=”20px”]

เมื่อพิจารณาในรูปที่ 1 โหลดส่วนใหญ่ที่ต่อวงจรใช้งานอยู่ภายในโรงงานอุตสาหกรรมนั้นสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ส่วนหลักๆ ด้วยกัน คือโหลดที่เป็นเชิงเส้น (Linear Load) โหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้น (Non-Linear Load) มอเตอร์ไฟฟ้า (Motor) และคาปาซิเตอร์ (Capacitor) ซึ่งในขณะที่โหลดทุกประเภททำงานพร้อมกันจะส่งผลกระทบโดยตรงต่อคุณภาพไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในโรงงานอุตสาหกรรม กล่าวคือเกิดการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะรูปคลื่นของ 3 องค์ประกอบหลักคือ เกิดความผิดเพี้ยนของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความถี่ไฟฟ้า โดยจะส่งผลกระทบต่อกลุ่มโหลดที่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวที่เกิดขึ้น เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้า คาปาซิเตอร์แบงค์ สายตัวนำไฟฟ้า บัสบาร์ทองแดง บัสเวย์บริภัณฑ์ป้องกัน และบริภัณฑ์เครื่องวัดทางไฟฟ้า เป็นต้น
จากปัญหาที่ได้กล่าวมาข้างต้น ส่วนมากจะส่งผลกระทบต่อการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้า ซึ่งมีสาเหตุเกิดจากความผิดเพี้ยนของแรงดันไฟฟ้า (Voltage Distortion) และความผิดเพี้ยนของกระแสไฟฟ้า (Current Distortion) หรือที่เรียกว่า ‘ฮาร์มอนิกส์’ นั่นเอง

อุปกรณ์ไฟฟ้าสมัยใหม่ (High Technology) ที่เป็นแหล่งกำเนิดของขยะในระบบไฟฟ้า (HarmonicDistortion)

[spacer height=”20px”]

การลดทอนปริมาณฮาร์มอนิกส์ในระบบไฟฟ้า (Harmonics Mitigation)
แนวทางในการลดทอนปริมาณของฮาร์มอนิกส์ที่เกิดขึ้นในระบบไฟฟ้าสำหรับโหลดที่สร้างฮาร์มอนิกส์ในระบบไฟฟ้าสามารถดำเนินการได้ โดย การติดตั้งวงจรกรองฮาร์มอนิกส์แบบแอคทีฟฟิลเตอร์ (Active Filter)
Active Filter คือ อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ลดหรือกำจัดปริมาณของกระแสฮาร์มอนิกส์ที่มีไหลอยู่ภายในระบบไฟฟ้า โดยโครงสร้างของแอคทีฟฟิลเตอร์จะประกอบไปด้วยวงจรอินเวอร์เตอร์ที่ถูกออกแบบมาให้ทำหน้าที่แทนวงจรแบบพาสซีฟ ซึ่งจะทำหน้าที่วัดค่ากระแสฮาร์มอนิกส์ในระบบไฟฟ้าเพื่อทำการวิเคราะห์และคำนวณเพื่อสร้างปริมาณของกระแสฮาร์มอนิกส์ขึ้นมาให้อยู่ในทิศทางที่ตรงกันข้ามเป็นมุม 180 องศาทางไฟฟ้ากับฮาร์มอนิกส์ที่มีอยู่ภายในระบบ จากนั้นจึงฉีดกระแสฮาร์มอนิกส์ที่ถูกสร้างขึ้นเข้าสู่ระบบ ทำให้ฮาร์มอนิกส์ในระบบถูกหักล้างออกไปจนหมดเหลือเพียงแต่กระแสไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน (Fundamental Frequency ที่ 50 Hz) ทำให้กระแสไฟฟ้าในไลน์กลายเป็น กระแสที่ปราศจากฮาร์มอนิกส์นั่นเอง คุณสมบัติของแอคทีฟฟิลเตอร์ คือ จะไม่เกิดโอเวอร์โหลดได้เหมือนพาสซีฟฟิลเตอร์ โดยที่แอคทีฟฟิลเตอร์จะสามารถเลือกหมวดการทำงานที่เหมาะสมได้เองโดยอัตโนมัติ และจะเริ่มทำการกรองฮาร์มอนิกส์ได้หมด อีกทั้งการแก้ไขเพาเวอร์แฟคเตอร์

ภาพซ้ายก่อนติดตั้ง Active Filter (AFQ) ภาพขวาหลังติดตั้ง Active Filter (AFQ)

หลักการทำงานของวงจรกรองกระแสฮาร์มอนิกส์แบบแอคทีฟฟิลเตอร์
1. วัดและวิเคราะห์ฮาร์มอนิกส์ในระบบไฟฟ้า
2. กรองฮาร์มอนิกส์ออกจากระบบไฟฟ้าโดยตรง
3. ตรวจสอบผลการตอบสนองการกรองฮาร์มอนิกส์ให้อยู่ในเกณฑ์ที่ต้องการตลอดเวลา

 รูปที่ 2 แสดงหลักการทำงานของ Active Filter

โดยการจ่ายกระแสฮาร์มอนิกส์ที่มีเฟสตรงข้าม 180° เพื่อให้ได้รูปกระแสที่เป็นรูปไซน์ที่สมบูรณ์

การควบคุมวงจรกรองกระแสฮาร์มอนิกส์แบบแอคทีฟฟิลเตอร์จะมี 2 แบบ คือ
1. การควบคุมวงรอบเปิด (การควบคุมทางด้าน Load Side) (Open Loop Control / Current Control without Feedback Active Filter)
การควบคุมวงรอบเปิดนั้นจะทำการคำนวณกระแสฮาร์มอนิกส์ทางด้านโหลด และจะต้องสร้างกระแสฮาร์มอนิกส์ขึ้นมาชดเชยเพื่อที่จะฉีดหรือจ่ายกระแสเข้าสู่ระบบไฟฟ้า ซึ่งข้อดีคือระบบควบคุมง่ายกว่า ไม่ซับซ้อน มีความแม่นยำถูกต้อง แต่ความปลอดภัยน้อยกว่าเนื่องจากต้องใช้ CT ชนิดพิเศษที่มีความแม่นยำสูง

รูปที่ 3 การควบคุมแอคทีฟฟิลเตอร์แบบวงรอบเปิด (Open Loop / Load Side) 

2. การควบคุมวงรอบปิด (การควบคุมทางด้าน Main Side หรือ Network Side) (Close Loop Control / Current Control with Feedback Active Filter)
ซึ่งแอคทีฟฟิลเตอร์จะทำการวัดกระแสฮาร์มอนิกส์ด้านแหล่งจ่ายไฟฟ้า และทำการคำนวณกระแสฮาร์มอนิกส์ที่ต้องสร้างขึ้นมาชดเชยเพื่อฉีดกลับเข้าสู่ระบบ ข้อดีคือจะสามารถควบคุมผลของการกรองกระแสฮาร์มอนิกส์โดยตรง มีความแม่นยำถูกต้องสูง และมีความปลอดภัยในการกำจัดกระแสฮาร์มอนิกส์ อย่างไรก็ตามระบบควบคุมก็จะมีความยุ่งยากและสลับซับซ้อนมากกว่าทั้งยังต้องการระบบควบคุมที่มีประสิทธิภาพสูง มีความน่าเชื่อถือในการแก้ไขปัญหาฮาร์มอนิกส์ เพราะสามารถกำจัดกระแสฮาร์มอนิกส์ได้อย่างแม่นยำ และไม่ต้องใช้ CT ชนิดพิเศษ

รูปที่ 4 การควบคุมแอคทีฟฟิลเตอร์แบบวงรอบปิด (Close Loop Main Side)

จากที่ได้กล่าวมาแล้วในข้างต้นสำหรับแนวทางในการลดทอนปริมาณฮาร์มอนิกส์ที่อยู่ภายในระบบไฟฟ้าระหว่างพาสซีฟฟิลเตอร์ และแอคทีฟฟิลเตอร์คงจะเป็นประโยชน์ต่อวิศวกรหรือช่างเทคนิคที่จะนำไปเป็นแนวทางในการพิจารณาหาทางเลือกกำจัดฮาร์มอนิกส์ออกไปจากระบบไฟฟ้าเพื่อเป็นการปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าภายในโรงงานอุตสาหกรรมได้เป็นอย่างดี
ตำแหน่งการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์
การเลือกตำแหน่งการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์ที่มีความเหมาะสมจะทำให้กำลังสูญเสียภายในสายตัวนำไฟฟ้าในระบบและปัญหาคุณภาพไฟฟ้า รวมทั้งการรบกวนกันเองภายในระบบลดลง
1. แบบศูนย์กลาง (Central Compensation) ทำการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์ไว้ในบริเวณตู้ MDB หรือหลังหม้อแปลงไฟฟ้า วิธีการนี้จะมีค่าใช้จ่ายในการกำจัดฮาร์มอนิกส์น้อยและยังสามารถใช้งานแอคทีฟฟิลเตอร์ในการกำจัดฮาร์มอนิกส์จากโหลดที่สร้างฮาร์มอนิกส์ในระบบไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ข้อดี

  • ควบคุมกระแสฮาร์มอนิกส์ที่จุดต่อร่วมได้ง่าย
  • ติดตั้งเครื่องขนาดใหญ่เพียงเครื่องเดียว

ข้อเสีย

  • มีกำลังสูญเสียในสายตัวนำไปยังโหลดต่างๆ เนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกส์อยู่
  • มีผลกระทบจากฮาร์มอนิกส์ภายในระบบไฟฟ้า
2. แบบกลุ่ม (Group Compensation) วิธีการนี้เหมาะสมที่สุดสำหรับโรงงานทั่วไปที่มีโหลดฮาร์มอนิกส์เป็นจำนวนมากอยู่เป็นกลุ่มๆ Feeder หรือ Bus เดียวกัน การติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์แบบกลุ่มนี้ สามารถลดขนาดของแอคทีฟฟิลเตอร์ลงได้ นอกจากนี้ แอคทีฟฟิลเตอร์ยังสามารถทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพเพื่อกำจัดฮาร์มอนิกส์จากโหลดฮาร์มอนิกส์ที่ทำงานไม่พร้อมกัน อีกทั้งยังมีความง่ายในการแก้ไขปัญหาในภายหลัง

ข้อดี

  • ลดกำลังสูญเสียในสายตัวนำไปยังโหลดต่างๆ เนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกส์
  • ลดปัญหาฮาร์มอนิกส์ในระบบลง

ข้อเสีย

  • ต้องติดตั้ง Active Filter หลายเครื่อง
  • โหลดที่ไม่ได้ต่อ Active Filter อาจจะทำให้กระแสฮาร์มอนิกส์ ที่จุดต่อร่วมเกินพิกัด
3. แบบติดตั้งที่โหลดฮาร์มอนิกส์โดยตรง (Direct Compensation) วิธีการนี้จะมีค่าใช้จ่ายในการกำจัดฮาร์มอนิกส์ที่สูงกว่า ซึ่งจะเหมาะสมกับโหลดฮาร์มอนิกส์ขนาดใหญ่ๆ ที่มักทำงานสม่ำเสมอ หากไม่เป็นเช่นนั้นแล้วแอคทีฟฟิลเตอร์จะไม่ถูกใช้งานให้คุ้มค่า

ข้อดี

  • ควบคุมกระแสฮาร์มอนิกส์ที่จุดต่อร่วมได้ง่าย
  • ลดกำลังงานสูญเสียในสายตัวนำไปยังโหลดต่างๆ เนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกส์

ข้อเสีย

  • ต้องติดตั้ง Active Filter หลายเครื่อง
  • เงินลงทุนในการติดตั้งสูง

รูปที่ 5 แสดงตัวอย่างตำแหน่งการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์

โดยทั่วไปการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์แบบวิธีที่ 1 และ 2 จะเป็นที่นิยม เพราะสามารถใช้งานแอคทีฟฟิลเตอร์เพียงชุดเดียวเพื่อกำจัดฮาร์มอนิกส์จากโหลดฮาร์มอนิกส์หลายๆ ตัวได้ โดยการติดตั้งเพิ่มเติมในอนาคตจะทำได้ง่ายกว่าหากมีการเพิ่มเติมโหลดฮาร์มอนิกส์ นอกจากนี้แอคทีฟฟิลเตอร์จะมีขนาดไม่ใหญ่เกินความจำเป็นในการติดตั้ง เนื่องจากโหลดฮาร์มอนิกส์แต่ละตัวจะผลิตกระแสฮาร์มอนิกส์ที่มีเฟสต่างกันมาหักล้างกันเองบางส่วนได้อีกด้วย

 

การติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์ใช้งานร่วมกันกับคาปาซิเตอร์แบงค์
โดยปกติเมื่อมีการขนานคาปาซิเตอร์แบงค์เข้าสู่ระบบไฟฟ้าเพื่อปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้า ในขณะที่มีฮาร์มอนิกส์ขึ้นอยู่ในระบบ อาจจะทำให้เกิดปรากฏการณ์เรโซแนนซ์แบบขนานขึ้นในระบบไฟฟ้าระหว่างอิมพีแดนซ์ของคาปาซิเตอร์กับอิมพีแดนซ์ของระบบได้ และจะเป็นผลที่ทำให้มีกระแสฮาร์มอนิกส์ไหลผ่านเข้ามาขยายตัวภายในคาปาซิเตอร์ จนเป็นสาเหตุทำให้คาปาซิเตอร์ได้รับแรงดันฮาร์มอนิกส์สูงสุด (Over Voltage ที่ Capacitor) ทำให้เกิดความเสียหายในลักษณะของ Dielectric Loss และเกิด Partial Discharge กับฉนวนของคาปาซิเตอร์อันเนื่องมาจากผลของความร้อน
ดังนั้นการออกแบบติดตั้งคาปาซิเตอร์เพื่อปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าในกรณีที่ในระบบมีฮาร์มอนิกส์และใช้งานควบคู่กับแอคทีฟฟิลเตอร์ จะต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันขึ้นเป็นพิเศษสำหรับระบบไฟฟ้า เช่น ดีจูนฟิลเตอร์ เพื่อป้องกันการขยายตัวของกระแสฮาร์มอนิกส์ภายในคาปาซิเตอร์ได้ อีกทั้งยังช่วยปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี ซึ่งจะเป็นผลที่ทำให้มีกระแสฮาร์มอนิกส์ไหลเข้าสู่ระบบไฟฟ้าในปริมาณที่ลดลงน้อยกว่าที่มาตรฐานกำหนด
การติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์ควรติดตั้งด้านหลังจากคาปาซิเตอร์ตามรูปที่ 6 โดยที่แอคทีฟฟิลเตอร์จะทำการกำจัดฮาร์มอนิกส์ทำให้รูปคลื่นกระแสเข้าใกล้รูปคลื่นไซน์ และสำหรับคาปาซิเตอร์จะทำหน้าที่ปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าต่อไป ซึ่งทำให้กระแสกระชากของคาปาซิเตอร์มีขนาดลดลงและทำให้อายุการใช้งานของคาปาซิเตอร์ยาวนานยิ่งขึ้น

รูปที่ 6 แสดงการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์ใช้งานร่วมกันกับคาปาซิเตอร์

จากรูปที่ 6 เป็นการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์ที่ถูกต้อง เนื่องจากชุดวัดกระแสไฟฟ้า CT ของแอคทีฟฟิลเตอร์จะวัดปริมาณของกระแสฮาร์มอนิกส์ที่มีอยู่ในระบบด้านแหล่งจ่ายไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ และทำการคำนวณกระแสฮาร์มอนิกส์ที่ต้องสร้างขึ้นมาชดเชยเพื่อฉีดกลับเข้าสู่ระบบ ซึ่งจากรูปจะเป็นการควบคุมแบบวงรอบปิด (Close Loop Control/Main Side) ทำให้มีความแม่นยำถูกต้องสูงในการกำจัดกระแสฮาร์มอนิกส์
จากตัวอย่างระบบไฟฟ้ารูปที่ 6 จะเป็นการกำจัดฮาร์มอนิกส์ภายในระบบไฟฟ้าโดยการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์ (Active Filter) ป้องกันกระแสฮาร์มอนิกส์ไหลเข้าไปขยายตัวภายในคาปาซิเตอร์แล้วจะถูกป้องกันโดยพาสซีฟฟิลเตอร์ (Passive Filter) หรือที่เรียกว่าดีจูนฟิลเตอร์ (Detuned Filter)
โดยทั่วไปการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์เข้าไปในระบบไฟฟ้าเพียงแค่ทำหน้าที่กำจัดฮาร์มอนิกส์ที่มีอยู่ภายในระบบไฟฟ้าอย่างเดียวเท่านั้น ซึ่งถือได้ว่าเป็นหน้าที่หลักของแอคทีฟฟิลเตอร์ ในส่วนของการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าก็ให้เป็นหน้าที่ของดีจูนฟิลเตอร์ (Detuned Filter) แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดในการติดตั้งแอคทีฟฟิลเตอร์นั้น โดยเฉพาะติดตั้งแบบศูนย์กลาง (Central Compensation) เพื่อความปลอดภัยและประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้งานแอคทีฟฟิลเตอร์มีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องปรับปรุงตู้คาปาซิเตอร์แบงค์เดิมให้เป็นดีจูนฟิลเตอร์เท่านั้น อันเนื่องมาจากว่าแอคทีฟฟิลเตอร์ที่ติดตั้งรูปที่ 6 นั้นจะกลายเป็นโหลดอยู่ในระบบไฟฟ้า ทั้งนี้คือแหล่งจ่ายฮาร์มอนิกส์ (Harmonics Source) นั่นเอง ซึ่งในบางช่วงเวลาแอคทีฟฟิลเตอร์จะฉีดกระแสฮาร์มอนิกส์ไหลเข้าไปขยายตัวภายในคาปาซิเตอร์จนทำให้เกิดความเสียหายขึ้นได้
ภายหลังการติดตั้งและใช้งานแอคทีฟฟิลเตอร์จะกรองฮาร์มอนิกส์ออกจากระบบไฟฟ้าให้อยู่ภายในเกณฑ์ที่ต้องการตลอดเวลา โดยปรับปริมาณการกรองอัตโนมัติ และมีการตรวจสอบการทำงานของตัวเองตลอดเวลาเพื่อให้มีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาสูงสุด

ตารางแสดงคุณสมบัติของฮาร์มอนิกส์ฟิลเตอร์แต่ละชนิดในการเลือกใช้งาน

 คุณสมบัติ Passive Filter  Active Filter 
การกำจัดฮาร์มอนิกส์ สามารถแยกกำจัดแต่ละลำดับได้ แต่ต้องติดตั้งวงจรกรองเรียงตั้งแต่ลำดับต่ำเสมอเพื่อป้องกันการเกิดเรโซแนนซ์ สามารถแยกกำจัดฮาร์มอนิกส์ลำดับใดๆ ก็ได้หรือจะกำจัดหมดก็ได้
ขนาด  ใหญ่ เล็กกว่า
ความสามารถในการกำจัดฮาร์มอนิกส์  ขึ้นอยู่กับค่าอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่าย โดยออกแบบให้ค่า Q สูง ไม่ขึ้นอยู่กับค่าอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่าย กำจัดฮาร์มอนิกส์ลำดับสูงๆ ได้ไม่ดี
ควาเปลี่ยนแปลง ของความถี่แหล่งจ่าย  คุณสมบัติการกรองลดลง โดยเฉพาะเมื่อค่า Q สูงๆ ไม่มีการเปลี่ยนแปลง
การเพิ่มปริมาณของฮาร์มอนิกส์ ทำให้เกิดโหลดเกิน เกิดความร้อน และเสียหายได้ การเพิ่มขนาดกำลังโดยการขนานวงจรกรองต้องระมัดระวังเมื่อมีการแบ่งโหลด ไม่เกิดโหลดเกิน และสามารถเพิ่มขนาดกำลังได้ง่าย โดยเพิ่มเฉพาะในส่วนของวงจรอินเวอร์เตอร์
ปริมาณกำลังรีแอคทีฟ จ่ายกำลังรีแอคทีฟเสมอ ซึ่งอาจเกินความต้องการ เลือกให้จ่ายกำลังรีแอคทีฟ หรือไม่ก็ได้ตามที่ผู้ใช้กำหนด
กำลังงานสูญเสีย น้อย มากกว่า (ประสิทธิภาพมากกว่า 90%)
ราคา ถูกกว่า แพงกว่า
ปัญหาเรโซแนนซ์ กับอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่าย  อาจเกิดเรโซแนนซ์แบบขนาน เมื่อมองจากโหลด หรือเรโซแนนซ์แบบอนุกรมเมื่อมองจากแหล่งจ่าย ทำให้เกิดกระแสและแรงดันเกินในวงจรกรอง ไม่มี
การวิเคราะห์อิมพีแดนซ์ของระบบ  ต้องวิเคราะห์อย่างละเอียด โดยทั่วไปไม่จำเป็น
การออกแบบ  เป็นกรณี ใช้งานได้ทันทีโดยไม่ต้องออกแบบ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[spacer height=”20px”]

ประเภทรุรกิจที่ควรติดตั้ง ACTIVE FILTER

  • Data processing centres
  • Airports
  • Banking institutions
  • Telecommunications centers
  • Presses facilities
  • Office buildings
  • Audiovisual centres
  • Universities
  • Welding systems
  • Fuel and gas plants
  • Water treatment plants
  • Automotive plants
  • Cement plants
  • Paper plants
  • Hotels
  • Shopping centres
  • etc.