เครื่องสำรองไฟฟ้า (UPS) เป็นอุปกรณ์ที่ทุกท่านรู้จักกันดี โดยหน้าที่หลักของ UPS จะทำหน้าที่จ่ายกระแสไฟฟ้าสำรองให้กับคอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการ แต่มีในหลายๆ ครั้งที่ UPS สำรองไฟฟ้าหรือจ่าย Back up โดยที่ไฟฟ้าไม่ดับ ทำไมถึงเป็นเช่นนั้น ในบทความนี้จะอธิบายสาเหตุที่มาและความเป็นไปได้ของเหตุการณ์นี้และจะอธิบายโดยละเอียดว่าเกี่ยวกับปัญหาฮาร์มอนิกอย่างไร
ถ้าไม่นับการเสียหายของวงจรหรือความผิดปกติในการทำงานของวงจรภายใน UPS เอง UPS จะทำการสำรองไฟฟ้าในกรณีดังจะกล่าวต่อไปนี้เท่านั้น
- เกิดแรงดันตก แรงดันเกิน ย่านแรงดันทำงานปกติ สำหรับ UPS ที่มีจำหน่ายในประเทศไทยนั้นส่วนใหญ่จะรองรับแรงดันได้ในช่วง 220V +/- 20% (176V – 264V) นั่นหมายความว่าถ้าแรงดันขาเข้ายังอยู่ในช่วงนี้ UPS จะไม่ทำการสำรองไฟฟ้าแต่จะใช้การทำงานของวงจรภายในทำหน้าที่เพิ่มหรือลดแรงดันเพื่อทำให้แรงดันขาออกของ UPS มีค่าใกล้เคียง 220V แต่เมื่อแรงดันขาเข้าของวงจรมีค่ามากกว่า 264V หรือต่ำกว่า 176V เป็นกรณีที่เกินความสามารถของวงจรภายในที่จะจัดการเพิ่มหรือลดแรงดันให้อยู่ในค่าปกติได้ จึงจำเป็นที่จะต้องทำการสำรองไฟฟ้าโดยใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เพื่อจ่ายให้แก่โหลดที่ต่ออยู่ โดยในกรณีนี้เราจะได้ยินเสียงร้องเตือนการสำรองไฟฟ้าของ UPS พร้อมกับสามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงได้จากการหรี่ลงหรือสว่างเกินปกติของหลอดไฟฟ้าที่ใช้งานอยู่ใกล้เคียง
- ไฟฟ้าดับ กรณีนี้เป็นกรณีที่ชัดเจนและเข้าใจได้ง่ายที่สุด โดยขณะที่ไฟฟ้าดับ UPS ก็จะทำการสำรองไฟฟ้าจนกว่าจะมีแรงดันกลับเข้ามาหรือจนกว่าระดับพลังงานที่สะสมในแบตเตอรี่หมด
- เมื่อความถี่ของแรงดันขาเข้ามีการเปลี่ยนแปลง ในการทำงานปกติของ UPS นั้น วงจรภายในจะทำการตรวจสอบความถี่ของแรงดันขาเข้าตลอดเวลาเพื่อใช้เป็นฐานเวลาในการจ่ายแรงดันขาออกหรือเรียกได้ว่าแรงดันขาออกและขาเข้าต้องมีการ Synchronized กันตลอดเวลา โดยทั่วไปย่านความถี่ที่ UPS สามารถ Synchronized ได้จะถูกระบุใว้ในสเป็คของเครื่อง เช่น 50Hz +/-10% หมายความว่าในช่วงความถี่ 45-55 Hz UPS จะไม่ทำการสำรองไฟฟ้าแต่เมื่อความถี่ของแรงดันขาเข้าที่เข้ามาอยู่นอกช่วงนี้ UPS ก็จะทำการสำรองไฟฟ้าโดยใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ทันที
ตัวอย่างการระบุช่วงความถี่ในการทำงานปรกติของ UPS - แรงดันขาเข้ามีความเพี้ยนอย่างรุนแรง ในกรณีนี้ที่พบกันมากเช่นเมื่อเราจ่ายแรงดันจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กเข้ากับ UPS เราจะพบว่าบ่อยครั้งที่ UPS ไม่สามารถ Online หรือ Synchronized เข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้เนื่องจากรูปคลื่นของแรงดันที่ได้จะมีความเพี้ยนอย่างรุนแรงจนทำให้วงจรตรวจจับสัญญาณและประมวลผลภายใน UPS ไม่สามารถทำการ Synchronized แรงดันได้ หรือในกรณีที่แหล่งจ่ายไฟฟ้ามีความเพี้ยนแรงดันฮาร์มอนิกสูงก็เป็นสาเหตุที่สำคัญดังจะกล่าวในหัวข้อถัดไป
ผลกระทบของปัญหาฮาร์มอนิกต่อ UPS
ถ้าจะให้เรียงชนิดของอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องจักรที่สร้างปัญหาฮาร์มอนิกให้กับระบบไฟฟ้า UPS ขนาดใหญ่จะอยู่ในรายชื่อต้นๆ ของการเรียงลำดับอุปกรณ์ที่สร้างปัญหากระแสฮาร์มอนิกแก่ระบบไฟฟ้า เนื่องจากในการทำงานของ UPS เองจำเป็นจะต้องมีวงจรเรียงกระแสหรือเร็กติไฟเออร์ที่ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรงให้กับส่วนของอินเวอเตอร์และสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งกระแสฮาร์มอนิกที่เกิดจาก UPS เองเมื่อรวมกับกระแสฮาร์มอนิกจากอุปกรณ์อื่นๆ เข้าสู่ระบบไฟฟ้าของอาคารหรือโรงงานก็จะเป็นสาเหตุหลักของความเพี้ยนแรงดันฮาร์มอนิกที่มีผลทำให้การทำงานของ UPS ผิดพลาดเองและเกิดปัญหาสำรองไฟฟ้าในขณะที่ไฟฟ้าไม่ดับ
จากรูปตัวอย่างรูปคลื่นแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะพบว่าการที่มีแรงดัน Notch (ลักษณะรูปคลื่นแหลมบนรูปคลื่นแรงดัน) จะเป็นสาเหตุให้วงจรตรวจจับความถี่ของ UPS ทำการคำนวณความถี่ของแรงดันที่เข้าสู่ UPS ผิดพลาดโดย UPS จะเข้าใจว่าความถี่ที่เข้ามามีค่ามากกว่า 2 เท่าของความถี่จริงหรือมากว่า 100Hz ซึ่งอยู่นอกย่านการทำงานของการ Synchronized เครื่อง UPS จึงตัดสินใจสำรองไฟฟ้าออกมา ในกรณีที่ 2 แม้ว่าแรงดันที่เกิดขึ้นจะไม่มีแรงดัน Notch เกิดขึ้นแต่พบว่ามีความเพี้ยนของแรงดันสูงมาก ในกรณีนี้ UPS จะเข้าใจว่าเกิดมีไฟตกไฟเกินอย่างรุนแรง UPS ก็จะทำการสำรองไฟฟ้าออกมาเช่นกัน
ทั้ง 2 กรณีที่เกิดขึ้นนี้ถ้าเกิดขึ้นในระบบไฟฟ้าของท่าน UPS ที่ติดตั้งใช้งานอยู่ก็จะร้องเตือนหรือสำรองไฟฟ้าตลอดเวลาที่เกิดความเพี้ยนของรูปคลื่นแรงดันดังกล่าว หากท่านต้องการหาสาเหตุของปัญหาว่าเกิดจากส่วนใด เบื้องต้นสามารถทำได้โดยให้สังเกตช่วงเวลาที่เกิดว่าตรงกับการเดินเครื่องจักรตัวใดหรือระบบใดในอาคารหรือโรงงานของท่าน โดยส่วนใหญ่เครื่องจักรที่เป็นสาเหตุของปัญหานี้ได้แก่ VSD, CNC ขนาดใหญ่, เตาหลอม Induction หรือ Furnace และเครื่องจักรที่ใช้กำลังงานไฟฟ้าสูงที่เป็น Non-linear load หรือติดต่อผู้เชี่ยวชาญพร้อมเครื่อง Power Analyzer เพื่อตรวจวัด วิเคราะห์พร้อมวิธีแก้ปัญหา เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว ซึ่งการแก้ปํญหาฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นนี้ไม่ได้มีประโยชน์แค่เพียงทำให้ UPS ทำงานปกติเท่านั้น แต่เป็นการแก้ปัญหาที่สาเหตุของระบบไฟฟ้าซึ่งจะทำให้ได้รับประโยชน์จากการปรับปรุงคุณภาพกำลังไฟฟ้าในอีกหลายเรื่อง
บทความโดย
ผศ.ดร.อิษฎา บุญญาอรุณเนตร
ที่ปรึกษาฝ่ายวิศวกรรมบริษัท เพาเวอร์ ควอลิตี้ ทีม จำกัด
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี