Research

ผลเสียของฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้า ตอนที่ 1


อาจารย์อำภา สาระศิริ  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้ากำลัง  
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
6 มิถุนายน 2557  

1. บทนำ
      ฮาร์มอนิก คือ ส่วนประกอบในรูปสัญญาณคลื่นไซน์ (sine wave) ของสัญญาณหรือปริมาณเป็นคาบใดๆ ซึ่งมีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่มูลฐาน(fundamental frequency) โดยที่สัญญาณใดๆ ทางไฟฟ้าสามารถนำมาวิเคราะห์ เพื่อแยกออกให้อยู่ในรูปของสัญญาณไซน์ที่มีความถี่ต่างๆ กันรวมกันได้ ด้วยหลักการของอนุกรมฟูริเยร์ (Fourier series) สามารถแสดงรูปสัญญาณผิดเพี้ยนที่มีส่วนประกอบผลรวมคลื่นไซน์ที่ความถี่มูลฐานกับคลื่นไซน์ที่ฮาร์มอนิกอันดับที่ 3, 5 และ 7 ดังรูปที่ 1 [5] เมื่อพิจารณาในส่วนของระบบไฟฟ้ากำลัง ฮาร์มอนิก คือ ความผิดเพี้ยนของรูปคลื่นกระแสหรือแรงดันต่างไปจากรูปคลื่นไซน์ ถ้าทำการวิเคราะห์การทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ พบว่ารูปคลื่นกระแสหรือแรงดันของอุปกรณ์ไฟฟ้าบางชนิดอาจมีรูปคลื่นที่แตกต่างไปจากรูปคลื่นไซน์ทั้งๆ ที่ถูกป้อนด้วยกระแสและแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับรูปคลื่นไซน์ [17] ทั้งนี้อาจเกิดจากความสัมพันธ์อย่างไม่เป็นเชิงเส้น (non-linear) ของกระแสและแรงดันหรืออาจจะเกิดจากกระแสไหลเป็นช่วงๆ ไม่ต่อเนื่องจากการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ [1] ส่งผลให้คุณภาพของระบบไฟฟ้าลดลง 

รูปที่ 1 การรวมสัญญาณคลื่นไซน์ที่ความถี่มูลฐานกับคลื่นไซน์ที่ฮาร์มอนิกอันดับที่ 3, 5 และ 7 

2. แหล่งกำเนิดฮาร์มอนิก
     แหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกขั้นพื้นฐานมาจากอุปกรณ์ทางไฟฟ้าที่ไม่เป็นเชิงเส้น ทั้งที่เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีความสัมพันธ์ของกระแสและแรงดันไม่เชิงเส้น การไฟฟ้าจะจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เป็นรูปสัญญาณคลื่นไซน์ให้กับโหลดประเภทต่างๆ ของผู้ใช้ไฟ แต่ในกรณีในระบบไฟฟ้าที่ผู้ใช้ไฟบางรายมีโหลดประเภทไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งโหลดดังกล่าวเป็นแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกกระแส ฮาร์มอนิกนั้นจะไหลเข้าสู่ระบบของผู้ใช้ไฟเอง และระบบไฟฟ้าข้างเคียง ผลของกระแสฮาร์มอนิกจะทำให้แรงดันในระบบไฟฟ้ามีรูปคลื่นผิดเพี้ยนไปจากรูปคลื่นไซน์ ค่าความเพี้ยนของแรงดันจะมากหรือน้อยนั้น ขึ้นอยู่กับค่าอิมพิแดนซ์ของระบบและขนาดของกระแสฮาร์มอนิกที่ความถี่ต่างๆ  [14] แหล่งกำเนิด ฮาร์มอนิกตามคุณลักษณะการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ อาจแบ่งได้ดังต่อไปนี้

     2.1 อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 
     อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไม่เป็นเชิงเส้น เช่น ไดโอด (diode) ไทริสเตอร์ (thyristor) และวงจรเรียงกระแส อุปกรณ์เหล่านี้มีการนำ/หยุดนำกระแสที่ส่งผลให้เกิดกระแสไม่ต่อเนื่องเป็นช่วงๆ  [4] ซึ่งเป็นตัวการหลักที่ทำให้เกิดฮาร์มอนิกขึ้นในระบบไฟฟ้า สามารถแสดงรูปอุปกรณ์และรูปคลื่นสัญญาณกระแสและแรงดันได้ในรูปที่ 2  ถึง 4 ตามลำดับ อาจสังเกตได้ว่า รูปสัญญาณกระแสที่ไหลผ่านไดโอดและไทริสเตอร์ในรูปที่ 2 มีความผิดเพี้ยนไปจากรูปคลื่นไซน์อย่างมาก แสดงให้เห็นว่าสัญญาณเหล่านี้มี ฮาร์มอนิกเป็นองค์ประกอบอยู่ ส่วนลักษณะของสัญญาณแรงดันยังคงเป็นรูปคลื่นไซน์ซึ่งผลของ ฮาร์มอนิกปรากฏไม่มากนัก เมื่อนำไดโอด 4 ตัวต่อเรียงกันแบบบริดจ์ได้เป็นวงจรเรียงกระแสแบบไดโอดบริดจ์ 1 เฟส ดังแสดงในรูปที่ 3 พบว่า มีความผิดเพี้ยนของสัญญาณกระแส Is มีลักษณะของสัญญาณไม่ต่อเนื่อง  ส่วนสัญญาณแรงดัน Vs ยังคงให้รูปคลื่นเป็นไซน์ แต่เมื่อพิจารณาระบบ  3 เฟส ในส่วนของวงจรเรียงกระแสโครงสร้างที่ใช้ไดโอด [15] และ ไทริสเตอร์ [14] อาจสังเกตได้ว่า ทั้งกระแสและแรงดันทางขาเข้าระบบมีความผิดเพี้ยนไปจากรูปคลื่นไซน์อย่างมาก นั่นคือ เมื่อใช้ไดโอด แสดงในรูปที่ 4  กระแสทางขาเข้าจะมีลักษณะการไหลที่ไม่ต่อเนื่อง และรูปของแรงดันทางขาเข้าระหว่างสายกับสายมีลักษณะสัญญาณบิดเบี้ยวไปจากคลื่นไซน์  

     2.1.1 อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปในบ้านพัก และสำนักงาน
     อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปในบ้านพัก และสำนักงานส่วนใหญ่เป็นชนิด 1 เฟส เช่น อุปกรณ์ที่มีการ ใช้แหล่งจ่ายกำลังแบบสวิตชิ่ง (switch mode power supply, SMPS) ซึ่งอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์ [13] บัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์ (electronic ballast) [16] อุปกรณ์สำรองไฟฟ้า (uninterruptible power supply, UPS) ขนาดเล็ก [9] เป็นต้น 

รูปที่ 2 รูปคลื่นกระแสและแรงดันที่ไหลผ่านไดโอดและไทริสเตอร์ [4]

รูปที่ 3 รูปคลื่นกระแสและแรงดันจากวงจรเรียงกระแสแบบไดโอดบริดจ์เฟสเดียว [3]

รูปที่ 4 รูปคลื่นกระแสและแรงดันจากวงจรเรียงกระแสแบบไดโอด 3 เฟส [1]

     2.1.2 อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้ในกระบวนการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม
     
ภาคอุตสาหกรรมในส่วนกระบวนการผลิตนั้นโดยส่วนใหญ่แล้วเป็นระบบไฟฟ้า 3 เฟส มีแหล่งกำเนิด ฮาร์มอนิกอยู่จำนวนมาก เช่น เครื่องแปลงผันกำลังแบบสถิต (static power converter, SPC) ที่มีขนาดใหญ่ ชุดขับเคลื่อนปรับความเร็วได้ (adjustable speed drive, ASD) [14] อุปกรณ์สำรองไฟฟ้าขนาดใหญ่ [9]

     2.2 อุปกรณ์ที่มีการทำงานประเภทอาร์ค 
     การทำงานแบบอาร์คโดยส่วนใหญ่แล้วจะพบในงานเชื่อมหลอมละลายที่ต้องใช้ความร้อนสูง ซึ่งกระบวนการอาร์คนี้จะทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานความร้อน เช่น เตาหลอมแบบอาร์ค (arc furnace) [12] เตาหลอมแบบเหนี่ยวนำ (induction furnace) [18] เครื่องเชื่อมแบบอาร์ค (arc welding) [8] เป็นต้น

     2.3 อุปกรณ์ที่มีความสัมพันธ์ไม่เป็นเชิงเส้นจากการอิ่มตัวของแกนเหล็กทางแม่เหล็กไฟฟ้า [10]   
     อุปกรณ์ไฟฟ้าที่เกิดการอิ่มตัวและเป็นแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิก คือ หม้อแปลงไฟฟ้า สามารถอธิบายได้ด้วยกฎของฟาราเดย์ดังสมการ 1 

                                                       V = 4.443fNØm                                                            (1)

โดยที่     V   คือ แรงดันไฟฟ้าทางด้านเข้า (Vrms)
             f   คือ ความถี่ของแรงดันไฟฟ้า (Hz)
            N   คือ จำนวณรอบของขดลวดที่พันอยู่บนแกนเหล็ก (turn)
           Øm  คือ ฟลักซ์แม่เหล็กในแกนเหล็ก (Wb) 

รูปที่ 5 กระแสสร้างสนามแม่เหล็กที่มีฮาร์มอนิก

     จากสมการ 1 ถ้า f และ N มีค่าคงที่ ขณะที่ V  มีค่าเพิ่มขึ้น Ø ก็จะมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างเป็นสัดส่วน เนื่องจากฟลักซ์แม่เหล็กและกระแสสร้างสนามแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กันแบบไม่เชิงเส้น ถ้าแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าหม้อแปลงไฟฟ้ามีรูปคลื่นเป็นไซน์ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดในแกนเหล็กจะมีรูปคลื่นเป็นไซน์ด้วย ทำให้กระแสสร้างสนามแม่เหล็กมีรูปคลื่นไม่เป็นไซน์  ถ้าเกิดกรณีที่แรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าหม้อแปลงมีค่าสูงจนทำให้เกิดการอิ่มตัวของแกนเหล็ก กระแสสร้างสนามแม่เหล็กจะมีรูปคลื่นผิดเพี้ยนไปจากรูปคลื่นไซน์มาก กระแสสร้างสนามแม่เหล็กที่ผิดเพี้ยนไปจากรูปคลื่นไซน์นี้ สามารถแยกออกเป็นกระแสความถี่มูลฐาน (im1) ที่ความถี่ 50 Hz และ กระแสฮาร์มอนิกอันดับที่ 3 (im3) ได้ดังรูปที่ 5 การเพิ่มขึ้นของกระแสฮาร์มอนิกจะสัมพันธ์กับค่าแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าหม้อแปลงดังรูปที่ 6 [4]

รูปที่ 6 ส่วนประกอบของกระแสฮาร์มอนิกในกระแสสร้างสนามแม่เหล็กของหม้อแปลงไฟฟ้า

    จากรูปที่ 6 ถ้าแรงดันที่ป้อนเข้าหม้อแปลงมีค่าเป็น 120% ของแรงดันพิกัดในหม้อแปลงไฟฟ้า จะมีค่ากระแสฮาร์มอนิกที่อันดับต่างๆ ดังนี้
    - กระแสฮาร์มอนิกที่ความถี่มูลฐาน     I1= 72% Im = 0.72 Im
    - กระแสฮาร์มอนิกอันดับที่ 3        I3= 76% I1 = 0.5472 Im
    - กระแสฮาร์มอนิกอันดับที่ 5        I5= 53% I1 = 0.3816 Im
    - กระแสฮาร์มอนิกอันดับที่ 7        I7= 32% I1 = 0.2304 Im
    โดยที่ Im คือ กระแสสร้างสนามแม่เหล็ก
             In คือ ค่ากระแสพิกัด
             I1, I3, I5 และ I7 คือ กระแสความถี่มูลฐานและกระแสฮาร์มอนิก

"สำหรับในตอนที่ 2 จะกล่าวถึงผลเสียของฮาร์มอนิกและผลสรุปของบทความนี้อย่าลืมติดตามกันนะค่ะ"

เอกสารอ้างอิง
[1]  ไชยะ แช่มช้อย. (2539). ฮาร์มอนิก (2) แหล่งกำเนิด. เทคนิคเครื่องกลไฟฟ้าอุตสาหการ. ปีที่ 13. ฉบับที่ 134. หน้า: 103-109.
[2]  ไชยะ แช่มช้อย. (2542). ฮาร์มอนิก: ความเสียหายในระบบไฟฟ้าที่เกิดจากสภาวะเรโซแนนซ์.เทคนิคเครื่องกลไฟฟ้าอุตสาหการ. ปีที่ 16. ฉบับที่ 172. หน้า: 85-89.
[3]  ดำรง จีนขาวขำ และประสิทธิ์ จันทร์มนตรี. (2550). วงจรรียงกระแสแบบบริดจ์เฟสเดียวที่มีการพัฒนาค่าตัวประกอบกำลังด้วยการแปลงผันแบบบูสต์. วารสารวิชาการ พระจอมเกล้าพระนครเหนือ. ปีที่ 17. ฉบับที่ 2. หน้า: 43-51. 
[4] ดำรง บัวยอม. (2542). ฮาร์มอนิกกับการอนุรักษ์พลังงาน. วิศวกรรมสาร, ฉบับ ว.ส.ท. เทคโนโลยี. ปีที่ 52. ฉบับที่ 7. หน้า: 61-65. 
[5]  ไตรภพ เหลืองรัตนเจริญ. (2541). มาตรฐานฮาร์มอนิก. Industrial technology review. ฉบับที่ 44. หน้า: 54-58.
[6]   Ayodeji A. Ogundare and Ashok Kumar. (1990). Effect of Harmonics on Watthour Meter  Computer Simulation  Model. IEEE. pp: 273-277.
 [7]  Brozek J.P. (1990). The Effect of  Harmonics on overcurrent  Protection Devices. IEEE. pp:        1965-1967.
[8]  Chae Y.M., Gho J.S., Choe G.H., Shin W.S. and  Choi J.Y. (1998). PWM converter-inverter arc welding machine using new type NCT. IEEE Conference on Power Electronics and Applications. pp: 1636-1641.
[9] Chapman D. (2001). Harmonics Causes and Effects. Copper Development Association. pp:1-11.
[10] Kennedy S.P. and Ivey C.L. (1990). Application, design and rating of transformers containing harmonic currents. IEEE Conference on Pulp and Paper Industry Technical . pp: 19-31.
[11] Lee T.M. and CHAN T.W . (1995). The Effects of Harmonics on The Operational Characteristics of Residual-Current Circuit Breakers. IEEE. pp: 548-553.
[12] Mendis S.R. and Gonzalez D.A. (1990). Harmonic and Transient  Overvoltage Analysis in Arc Furnace Power  Systems. IEEE. pp:42-50.
[13] Plow R. (1994). Effects of Switch Mode Power Supply Harmonic Currents on Building  Power Systems and Stand-by Engine Alternators. IEEE. 665-668.
[14] Rice D.E. (1986). Adjustable Speed Drive and Power Rectifier Harmonics-Their Effect on Power System Components. IEEE Transactions on Industry Application. vol. IA-22. no. 1. pp: 161-177.
[15] Takahashi I. (1990). Power Factor Improvement  of A Diode Rectifier Circuit by Dither Signals. IEEE. pp: 1289-1294.
[16] Takahashi N., Kato Y., Ohkita M., Okutu K., Matsuyama M. and Nakaoka M. (2000). An Electronic Ballast for Suppression of the Input Harmonic Currents. IEEE. pp: 2317-2312.
[17] Tristan A. and Kneschke, P.E. (1999). Distortion and Power Factor of Nonlinear Loads. IEEE. pp: 47-54.
[18] Unnikrishnan A.K., Joseph A. and Subhash Joshi T.G. (2007). Three-level converter based active filter for harmonic compensation of 4MW induction furnace. IEEE Conference on Power Electronics and Applications. pp: 1-7.
[19] Wagner V.E., Balda J.C., Griffitki D.C., McEachern A., Barnes T.M., Hartmann D.P., Phileggi D.J., Emannuel A.E., Horton W.F., Reid W.E., Ferraro R.J. and Jewel1 W.T. (1993). Effects of Harmonics on Equipment. IEEE Transaction on Power Delivery, vol.8. no.2. pp: 672-680.

<< ย้อนกลับ