ผลกระทบของ Harmonic ต่อ Power Factor

     โดยพื้นฐานความเข้าใจของวิศวกรไฟฟ้าทั่วไปนั้นค่า Power Factor หรือเรียกย่อๆว่า PF. ที่นิยามจากค่า cos(θ)  ของมุมของกระแสและแรงดันที่ความถี่เดียวกันที่เกิดขึ้น ซึ่งความเข้าใจนี้ถูกต้องสำหรับแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่มีเฉพาะความถี่มูลฐานเท่านั้น (สำหรับประเทศไทยคือ 50Hz) โดยไม่มีความถี่อื่นหรือฮาร์มอนิก(Harmonic) ของแรงดันและกระแสมาปะปน เนื่องจากในปัจจุบันโหลดที่มีการใช้งานมีคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้น (Non-linear load) ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลในระบบมีส่วนประกอบของกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) ในปริมาณมาก และเป็นสาเหตุหลักของความเพี้ยนฮาร์มอนิก(Harmonic) ในขณะเดียวกัน ดังนั้นการนิยามหรือการคำนวนค่า Power Factor ของระบบที่มีปริมาณฮาร์มอนิก(Harmonic) ในระดับสูงจึงไม่สามารถใช้เฉพาะค่า cos(θ) มาระบุค่า Power Factor ได้
     ในการประเมิณค่า Power Factor ของระบบที่มีแรงดันและกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) การระบุค่า Power Factor จะระบุในรูปของ Total Power Factor

1.    กรณีไม่มีแรงดันฮาร์มอนิก(Harmonic Voltage) (THD_v=0) โดยมีเฉพาะกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) ในระบบ

     ในกรณีนี้สามารถแทน P/S₁ ด้วย cos(θ₁)  ได้ เราเรียกค่านี้ว่า Displacement Power Factor โดย θ₁ คือมุมที่เกิดขึ้นของ fundamental current หรือกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) อันดับที่ 1 เมื่อเทียบกับแรงดันแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดงรูปคลื่นแรงดัน (THDv=0%), รูปคลื่นกระแส (THDi=100%), θ1=30°,  Displacement PF.= 0.866, Total PF.= 0.61

     รูปที่ 1 แสดงรูปคลื่นกระแสที่มีกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) (สีแดง) โดยกระแสที่ความถี่ fundamental แสดงด้วยเส้นสีส้ม จะสังเกตได้ว่ารูปคลื่นแรงดันและกระแส fundamental มีมุมต่างกันอยู่ θ₁=30° ซึ่งทำให้ค่า Displacement PF. ในกรณีนี้มีค่าเท่ากับ 0.866 cos(θ₁) = 0.866 และเนื่องจากค่า THD_i=100% แทนลงในสมการที่ 1 จะได้ค่า Total PF. = 0.61 ความสัมพันธ์ระหว่าง Displacement PF. ค่า Total PF. และค่า THD_i แสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Displacement PF. ค่า Total PF. และค่า THDi

2.    กรณีที่มีทั้งแรงดันและกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) เกิดขึ้นในระบบ

ในกรณีนี้ Distortion PF. จะมีค่าเท่ากับ

และเมื่อนำค่า THDv และ THDi ไปพล็อตกราฟจะได้ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Distortion PF. ค่า THDv และค่า THDi

     จะเห็นได้ว่าในกรณีที่มีทั้งแรงดันและกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) เกิดขึ้นในระบบค่า Distortion PF. จะมีค่าลดต่ำลงตามการเพิ่มขึ้นตามปริมาณฮาร์มอนิก(Harmonic) ที่เกิดขึ้นและก็จะทำให้ค่า Total PF. ในสมการที่ 1 ลดลงเช่นเดียวกัน

ปัญหาฮาร์มอนิก (Harmonics Problem)

     ฮาร์มอนิก(Harmonic)  สำหรับงานคุณภาพกำลังงานไฟฟ้าสามารถอธิบายได้อย่างง่ายคือค่าความถี่ที่ไม่ต้องการให้มีหรือเกิดขึ้นในระบบไฟฟ้าไม่ว่าจะเป็นของแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าสำหรับประเทศไทยความถี่ของการผลิตและส่งจ่ายกระแสไฟฟ้าคือ 50Hz (50Hz คือความถี่ฐานหรือฮาร์มอนิก(Harmonic) ลำดับที่ 1  :  fundamental frequency or 1st order harmonic) ดังนั้นความถี่ของแรงดันและกระแสไฟฟ้านอกจากความถี่ 50Hz นี้เป็นสิ่งที่ไม่ต้องการให้เกิดขึ้น  โดยทั่วไปความถี่ที่ไม่ต้องการนี้จะเกิดขึ้นเป็นจำนวนเท่าของความถี่ 50Hz แสดงในตารางที่ 2

"ปัญหาฮาร์มอนิก : ค่าความถี่ที่ไม่ต้องการให้มีหรือเกิดขึ้นในระบบไฟฟ้าไม่ว่าจะเป็นของแรงดันหรือกระแสไฟฟ้า"

     รูปที่ 3 แสดงตัวอย่างรูปคลื่นที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวหรือบวกกันจากฮาร์มอนิก(Harmonic) ลำดับที่ 1 และ 3 ซึ่งผลที่ได้จะสังเกตได้ว่าจะมีความผิดเพี้ยนจากรูปคลื่นไซน์พื้นฐานอย่างชัดเจน ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้กับแรงดันและกระแสไฟฟ้าในระบบที่มีโหลดอิเล็กทรอนิกส์เป็นจำนวนมากดังที่กล่าวไปแล้ว โดยอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องจักรแต่ละชนิดจะมีคุณสมบัติทำให้เกิดฮาร์มอนิก(Harmonic) ต่างๆกัน และขนาดความรุนแรงของปัญหาฮาร์มอนิก(Harmonic) โดยทั่วไปนิยามจากค่าเปอร์เซ็นต์ความเพี้ยนเชิงฮาร์มอนิก(Harmonic) รวม (%Total Harmonics Distortion: %THD) ซึ่งเป็นค่าที่บอกถึงปริมาณผลรวมฮาร์มอนิก(Harmonic) ลำดับที่ 2 ขึ้นไปเทียบกับลำดับที่ 1 (THD = 0% หมายความว่าเป็นรูปคลื่นไซน์ที่ต้องการในอุดมคติ)

 "อุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องจักรแต่ละชนิดจะมีคุณสมบัติทำให้เกิดฮาร์มอนิกต่างกัน"

%THDv = ค่าเปอร์เซ็นต์ความเพี้ยนแรงดันเชิงฮาร์มอนิกรวม
%THDi = ค่าเปอร์เซ็นต์ความเพี้ยนกระแสเชิงฮาร์มอนิกรวม

ปัญหากระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) ต่อระบบไฟฟ้ามีดังต่อไปนี้

• ผลของกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) ทำให้กำลังงานสูญเสียของหม้อแปลงเพิ่มขึ้นทั้งจากลวดตัวนำและแกนแม่เหล็ก
• ผลของกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) ที่ไหลอยู่ในระบบทำให้เกิดกำลังงานสูญเสียในสายตัวนำมากขึ้นเนื่องจากกระแสฮาร์มอนิกท(Harmonic Current) ำให้ค่ากระแสและความต้านทานของสายสูงขึ้น
• ผลของกระแสฮาร์มอนิกท(Harmonic Current) ำให้เกิดกำลังงานสูญเสียในคาปาซิเตอร์แก้ค่าตัวประกอบกำลัง (Cap. Bank) และทำให้เกิดความร้อนสูงขึ้น
• ผลของกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) Triplen ( ลำดับที่3,6,9..) จะรวมกันไหลอยู่ในสายนิวตรอลทำให้เกิดความร้อนสูง
• ผลของฮาร์มอนิกเรโซแนนซ์ ทำให้อุปกรณ์ได้รับความเสียหายเนื่องจากได้รับกระแสและแรงดันเกินพิกัด
• ผลของฮาร์มอนิก(Harmonic) ต่อเครื่องจักรไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งมอเตอร์และอุปกรณ์ที่มีการทำงานโดยใช้ผลของสนามแม่เหล็กทำให้กำลังงานสูญเสียเพิ่มขึ้นเป็นผลทำให้เครื่องจักรร้อนและมีอายุการใช้งานสั้นกว่าปกติ
• ผลของฮาร์มอนิก(Harmonic) ทำให้รีเลย์และอุปกรณ์ป้องกันทางไฟฟ้าทำงานผิดพลาด
• ผลของฮาร์มอนิก(Harmonic) ทำให้มิเตอร์วัดค่าไฟฟ้า ( Watt - Hour Meter ) ทำการวัดค่าผิดพลาดได้
• ผลของฮาร์มอนิก(Harmonic) ทำให้เกิดสัญญาณรบกวน(Noise)ในระบบสื่อสารและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานผิดพลาด

     ในการออกแบบและติดตั้งระบบไฟฟ้าภายในอาคารสำนักงานและโรงงานอุตสาหกรรมถ้าเป็นอาคารและโรงงานที่ถูกสร้างมาในระยะ 10 ถึง 20 ปีที่ผ่านมาส่วนใหญ่จะไม่ได้ถูกออกแบบมาสำหรับรองรับปัญหากระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) จากอุปกรณ์เครื่องจักรสมัยใหม่ที่ติดตั้งเพิ่มเติม (ในปัจจุบันถ้าในขั้นตอนการออกแบบไม่ได้ออกแบบเพื่อรองรับก็มีปัญหาเช่นเดียวกัน) โดยในระยะแรกขณะที่จำนวนหรือปริมาณอุปกรณ์และเครื่องจักรที่สร้างปัญหากระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) มีไม่มากในระบบ ปัญหาที่เกิดขึ้นคือความร้อนสะสมที่อุปกรณ์ที่กระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) ไหลผ่านจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย เช่น หม้อแปลง สายไฟและอุปกรณ์ภายในตู้ MDB โดยที่ผู้รับผิดชอบด้านไฟฟ้าอาจจะยังไม่สังเกตได้ แต่เมื่อปริมาณกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) ในระบบมีมากขึ้นจะสร้างสิ่งผิดปกติที่สังเกตได้ดังนี้ สายนิวตรอลจะมีความร้อนสูง หม้อแปลงและตู้ MDB จะมีความร้อนสูงและมีเสียงสั่นครางคาปาซิเตอร์แก้ค่าตัวประกอบกำลังจะร้อนและเสียหายบ่อย อุปกรณ์ป้องกันในระบบ เช่น เบรกเกอร์และรีเลย์จะทำงานเองโดยไม่ทราบสาเหตุ นอกจากนั้นกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) ยังเป็นสาเหตุหลักของแรงดันฮาร์มอนิก(Harmonic Voltage) ที่จุดต่อร่วมและสร้างปัญหาให้กับอุปกรณ์และเครื่องจักรในระบบไฟฟ้า

ปัญหาแรงดันฮาร์มอนิก(Harmonic Voltage) ต่อระบบไฟฟ้ามีดังต่อไปนี้

• ทำให้กระแสไฟฟ้าที่จ่ายออกจากจุดต่อร่วมมีส่วนประกอบฮาร์มอนิก(Harmonic) ออกไปแม้ว่าโหลดที่นำมาต่อมีคุณสมบัติเชิงเส้น
• ถ้ามีแรงดันฮาร์มอนิก(Harmonic Voltage) ในลำดับที่ 5 และ 11 ซึ่งเป็นเนกาทีฟซีแควนซ์ จะทำให้มอเตอร์ที่ได้รับแรงดันนี้เข้าไปจะเกิดแรงหมุนในทิศทางกลับหรือต้านกับทิศทางการหมุนปกติทำให้มอเตอร์ร้อนเนื่องจากต้องใช้กำลังงานเพื่อต้านแรงนี้
• อุปกรณ์ที่ทำงานโดยผลของสนามแม่เหล็ก เช่น บัลลาสต์แกนเหล็ก แม่เหล็กไฟฟ้า หม้อแปลงจะร้อนผิดปกติเนื่องจากผลของแรงดันฮาร์มอนิก(Harmonic Voltage) ในลำดับที่ 5 และ 11 จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กต้านภายในแกนเหล็กทำให้ต้องการกระแสไฟฟ้าขาเข้าและใช้กำลังงานไฟฟ้ามากกว่าปกติ
• เป็นสาเหตุของการเรโซแนนซ์ทางกลของมอเตอร์ทำให้มอเตอร์ทำงานสั่นอย่างผิดปกติ
• เป็นสาเหตุให้อุปกรณ์ที่ต้องทำงานเข้าจังหวะ (Synchronization) กับความถี่สายกำลังเช่น เครื่องสำรองไฟฟ้า (UPS) สวิตช์ถ่ายโอนอัตโนมัติ (ATS) วงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง-ไทริสเตอร์ชนิดควบคุมเฟส ระบบการสื่อสารข้อมูล ทำงานผิดพลาดได้
• เป็นสาเหตุให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์-คอมพิวเตอร์ทำงานผิดพลาดหรือเสียหายได้ 

"ในการออกแบบและติดตั้งระบบไฟฟ้าภายในอาคารสำนักงานและโรงงานจำเป็นต้องคำนึงถึงปัญหากระแสฮาร์มอนิก"
ตารางที่ 4 แสดงขีดจำกัดกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) สำหรับผู้ใช้ไฟฟ้ารายใดๆที่จุดต่อร่วม โดยนำมาจากเอกสารข้อกำหนดกฎเกณฑ์ฮาร์มอนิก(Harmonic) เกี่ยวกับไฟฟ้าประเภทธุรกิจและอุตสาหกรรม ซึ่งกำหนดโดยการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย การไฟฟ้านครหลวง การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค โดยข้อกำหนดนี้ออกมาเพื่อเป็นการควบคุมปริมาณกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) จากผู้ใช้ไฟฟ้า จะต้องมีค่าต่ำกว่าขีดจำกัดดังกล่าวจึงจะอนุญาตให้ต่อเชื่อมกับระบบหรือจำหน่ายกระแสไฟฟ้าให้กับผู้ขอใช้ไฟฟ้า แม้ว่าปัจจุบันข้อกำหนดนี้จะความเข้มงวดกับผู้ยื่นขอใช้ไฟรายใหม่แต่ในความเป็นจริงแล้วหากมีการตรวจสอบกันอย่างจริงจังจะพบผู้ใช้ไฟฟ้าเป็นจำนวนมากสร้างปริมาณกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) นี้เกินขีดจำกัดนี้ ซึ่งจะก่อให้เกิดปัญหาดังที่กล่าวมาแล้ว ดังนั้นการควบคุมปริมาณกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) ในระบบไฟฟ้าของผู้ใช้ไฟจะเป็นการลดปัญหา ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับผู้ใช้ไฟเองและยังเป็นการปฏิบัติตามข้อกำหนดกฏเกณฑ์ของผู้ให้บริการไฟฟ้าด้วย