ฮาร์มอนิก (Harmonic) คืออะไร?
สำหรับงานคุณภาพกำลังงานไฟฟ้าสามารถอธิบายได้อย่างง่ายคือค่าความถี่ที่ไม่ต้องการให้มีหรือเกิดขึ้นในระบบไฟฟ้าไม่ว่าจะเป็นของแรงดันหรือกระแสไฟฟ้า
สำหรับประเทศไทยความถี่ของการผลิตและส่งจ่ายกระแสไฟฟ้าคือ 50Hz (50Hz คือความถี่ฐานหรือฮาร์มอนิกลำดับที่ 1 : fundamental frequency or 1st order harmonic) ดังนั้นความถี่ของแรงดันและกระแสไฟฟ้านอกจากความถี่ 50Hz นี้เป็นสิ่งที่ไม่ต้องการให้เกิดขึ้น โดยทั่วไปความถี่ที่ไม่ต้องการนี้จะเกิดขึ้นเป็นจำนวนเท่าของความถี่ 50Hz
รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างรูปคลื่นที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวหรือบวกกันจากฮาร์มอนิกลำดับที่ 1 และ 3 ซึ่งผลที่ได้จะสังเกตได้ว่าจะมีความผิดเพี้ยนจากรูปคลื่นไซน์พื้นฐานอย่างชัดเจน ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้กับแรงดันและกระแสไฟฟ้าในระบบที่มีโหลดอิเล็กทรอนิกส์เป็นจำนวนมากดังที่กล่าวไปแล้ว โดยอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องจักรแต่ละชนิดจะมีคุณสมบัติทำให้เกิดฮาร์มอนิกต่างกัน และขนาดความรุนแรงของปัญหาฮาร์มอนิก โดยทั่วไปนิยามจากค่าเปอร์เซ็นต์ความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิกรวม (%Total Harmonics Distortion: %THD) ซึ่งเป็นค่าที่บอกถึงปริมาณผลรวมฮาร์มอนิกลำดับที่ 2 ขึ้นไปเทียบกับลำดับที่ 1 (THD = 0% หมายความว่าเป็นรูปคลื่นไซน์ที่ต้องการในอุดมคติ)
%THDv = ค่าเปอร์เซ็นต์ความเพี้ยนแรงดันเชิงฮาร์มอนิกรวม, %THDi = ค่าเปอร์เซ็นต์ความเพี้ยนกระแสเชิงฮาร์มอนิกรวม
ปัญหากระแสฮาร์มอนิกต่อระบบไฟฟ้ามีดังต่อไปนี้
- ทำให้กำลังงานสูญเสียของหม้อแปลงเพิ่มขึ้นทั้งจากลวดตัวนำและแกนแม่เหล็ก
- กระแสฮาร์มอนิกที่ไหลอยู่ในระบบทำให้เกิดกำลังงานสูญเสียในสายตัวนำมากขึ้นเนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกทำให้ค่ากระแสและความต้านทานของสายสูงขึ้น
- ทำให้เกิดกำลังงานสูญเสียในคาปาซิเตอร์แก้ค่าตัวประกอบกำลัง (Capacitor Bank) และทำให้เกิดความร้อนสูงขึ้น
- กระแสฮาร์มอนิก Triplen (ลำดับที่ 3,6,9..) จะรวมกันไหลอยู่ในสายนิวตรอลทำให้เกิดความร้อนสูง
- ทำให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหายเนื่องจากได้รับกระแสและแรงดันเกินพิกัด
- ผลของกระแสฮาร์มอนิกต่อเครื่องจักรไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งมอเตอร์และอุปกรณ์ที่มีการทำงานโดยใช้ผลของสนามแม่เหล็กทำให้กำลังงานสูญเสียเพิ่มขึ้นเป็นผลทำให้เครื่องจักรร้อนและมีอายุการใช้งานสั้นกว่าปกติ
- ทำให้รีเลย์และอุปกรณ์ป้องกันทางไฟฟ้าทำงานผิดพลาด
- ทำให้มิเตอร์วัดค่าไฟฟ้า (Watt-Hour Meter) ทำการวัดค่าผิดพลาดได้
- ทำให้เกิดสัญญาณรบกวน (Noise) ในระบบสื่อสารและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานผิดพลาด
ในการออกแบบและติดตั้งระบบไฟฟ้าภายในอาคารสำนักงานและโรงงานอุตสาหกรรมถ้าเป็นอาคารและโรงงานที่ถูกสร้างมาในระยะ 10 ถึง 20 ปีที่ผ่านมา ส่วนใหญ่จะไม่ได้ถูกออกแบบมาสำหรับรองรับปัญหากระแสฮาร์มอนิกจากอุปกรณ์เครื่องจักรสมัยใหม่ที่ติดตั้งเพิ่มเติม (ในปัจจุบันถ้าในขั้นตอนการออกแบบไม่ได้ออกแบบเพื่อรองรับก็มีปัญหาเช่นเดียวกัน) โดยในระยะแรกขณะที่จำนวนหรือปริมาณอุปกรณ์และเครื่องจักรที่สร้างปัญหากระแสฮาร์มอนิกมีไม่มากในระบบ ปัญหาที่เกิดขึ้นคือความร้อนสะสมที่อุปกรณ์ที่กระแสฮาร์มอนิกไหลผ่านจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย เช่น หม้อแปลง สายไฟและอุปกรณ์ภายในตู้ MDB โดยที่ผู้รับผิดชอบด้านไฟฟ้าอาจจะยังไม่สังเกตได้ แต่เมื่อปริมาณกระแสฮาร์มอนิกในระบบมีมากขึ้นจะสร้างสิ่งผิดปกติที่สังเกตได้ดังนี้ สายนิวตรอลจะมีความร้อนสูง หม้อแปลงและตู้ MDB จะมีความร้อนสูงและมีเสียงสั่นคราง คาปาซิเตอร์แก้ค่าตัวประกอบกำลังจะร้อนและเสียหายบ่อย อุปกรณ์ป้องกันในระบบ เช่น เบรกเกอร์และรีเลย์จะทำงานเองโดยไม่ทราบสาเหตุ นอกจากนั้นกระแสฮาร์มอนิกยังเป็นสาเหตุหลักของแรงดันฮาร์มอนิกที่จุดต่อร่วมและสร้างปัญหาให้กับอุปกรณ์และเครื่องจักรในระบบไฟฟ้า
ปัญหาแรงดันฮาร์มอนิกต่อระบบไฟฟ้ามีดังต่อไปนี้
- ทำให้กระแสไฟฟ้าที่จ่ายออกจากจุดต่อร่วมมีส่วนประกอบฮาร์มอนิกออกไปแม้ว่าโหลดที่นำมาต่อมีคุณสมบัติเชิงเส้น
- ถ้ามีแรงดันฮาร์มอนิกในลำดับที่ 5 และ 11 ซึ่งเป็นเนกาทีฟซีแควนซ์ จะทำให้มอเตอร์ที่ได้รับแรงดันนี้เข้าไปจะเกิดแรงหมุนในทิศทางกลับหรือต้านกับทิศทางการหมุนปกติทำให้มอเตอร์ร้อนเนื่องจากต้องใช้กำลังงานเพื่อต้านแรงนี้
- อุปกรณ์ที่ทำงานโดยผลของสนามแม่เหล็ก เช่น บัลลาสต์แกนเหล็ก แม่เหล็กไฟฟ้า หม้อแปลงจะร้อนผิดปกติเนื่องจากผลของแรงดันฮาร์มอนิกในลำดับที่ 5 และ 11 จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กต้านภายในแกนเหล็กทำให้ต้องการกระแสไฟฟ้าขาเข้าและใช้กำลังงานไฟฟ้ามากกว่าปกติ
- เป็นสาเหตุของการเรโซแนนซ์ทางกลของมอเตอร์ทำให้มอเตอร์ทำงานสั่นอย่างผิดปกติ
- เป็นสาเหตุให้อุปกรณ์ที่ต้องทำงานเข้าจังหวะ (Synchronization) กับความถี่สายกำลัง เช่น เครื่องสำรองไฟฟ้า (UPS) สวิตช์ถ่ายโอนอัตโนมัติ (ATS) วงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง-ไทริสเตอร์ชนิดควบคุมเฟส ระบบการสื่อสารข้อมูล ทำงานผิดพลาดได้
- เป็นสาเหตุให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์คอมพิวเตอร์ทำงานผิดพลาดหรือเสียหายได้
ตารางด้านบนแสดงขีดจำกัดแรงดันฮาร์มอนิกสำหรับผู้ใช้ไฟฟ้ารายใดๆ ที่จุดต่อร่วม โดยนำมาจากเอกสารข้อกำหนดกฎเกณฑ์ฮาร์มอนิกเกี่ยวกับไฟฟ้าประเภทธุรกิจและอุตสาหกรรม ซึ่งกำหนดโดย การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย การไฟฟ้านครหลวง การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค โดยข้อกำหนดนี้ออกมาเพื่อเป็นการควบคุมปริมาณกระแสฮาร์มอนิกจากผู้ใช้ไฟฟ้า จะต้องมีค่าต่ำกว่าขีดจำกัดดังกล่าวจึงจะอนุญาตให้ต่อเชื่อมกับระบบหรือจำหน่ายกระแสไฟฟ้าให้กับผู้ขอใช้ไฟฟ้า แม้ว่าปัจจุบันข้อกำหนดนี้จะมีความเข้มงวดกับผู้ยื่นขอใช้ไฟรายใหม่แต่ในความเป็นจริงแล้วหากมีการตรวจสอบกันอย่างจริงจังจะพบผู้ใช้ไฟฟ้าเป็นจำนวนมากสร้างปริมาณกระแสฮาร์มอนิกเกินขีดจำกัดนี้ ซึ่งจะก่อให้เกิดปัญหาดังที่กล่าวมาแล้ว ดังนั้นการควบคุมปริมาณกระแสฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้าของผู้ใช้ไฟจะเป็นการลดปัญหา ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับผู้ใช้ไฟเองและยังเป็นการปฏิบัติตามข้อกำหนดกฏเกณฑ์ของผู้ให้บริการไฟฟ้าด้วย
บทความโดย บริษัท เพาเวอร์ ควอลิตี้ ทีม จำกัด
หากมีข้อสงสัยหรือศึกษาบทความเพิ่มเติมสามารถติดตามได้ที่ www.pq-team.com