การทดลองที่ 9
Three Phase Power: Instrument and Measurement
อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง
1. ชุดโคมหลอดไฟ 36 ดวง 1 ชุด
2. Watt meter TYPE 2042 1 ตัว
3. Power Factor meter TYPE 2039 1 ตัว
4. Ammeter 1 ตัว
5. Variac(หม้อแปลงปรับค่าได้) 3 phase 1 ตัว
6. Junction Box 1 ตัว
7. Circuit Breaker 1 ตัว
ทฤษฎี
แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล (Unbalance Voltage)
โดยทั่วไปผู้ที่ใช้อุปกรณ์ชนิดสามเฟส(Three Phase) คาดหวังว่าแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายจากการไฟฟ้าจะมีค่าแรงดันไฟฟ้าที่มีขนาดและมีมุมระหว่างเฟสของแรงดันที่เท่ากัน ดังรูปที่ 1 a) จะเห็นว่าขนาดของแรงดันไฟฟ้าระหว่าง Phase-to-Phase จะมีค่าเท่ากันและมุมระหว่างเฟสจะห่างกัน 120۫ทางไฟฟ้า และในขณะเดียวกันแรงดันระหว่างเฟสทั้งสาม เมื่อเทียบกับจุดเป็นกลาง (Neutral) ก็จะมีความสมดุลกันด้วยเช่นกัน หรืออาจกลล่าวได้ว่ามีความสมดุลกันทั้งสามเฟสนั่นเอง
แต่ถ้าหากแรงดันไฟฟ้าระหว่างเฟสทั้งสามไม่สมดุลกัน (Phase-to-Phase Voltage Unbalance) ดังรูปที่ 1 b) จะเห็นว่าค่าแรงดันไฟฟ้าระหว่างเฟสทั้งสามไม่สมดุลกันทั้งขนาดและมุม มีผลทำให้ค่าแรงดันไฟฟ้า เกิดความไม่สมดุลกันทั้งขนาดและมุม มีผลทำให้ค่าแรงดัน Phase-to-Neutral เกิดความไม่สมดุลตามไปด้วย ดังจะเห็นว่าจุดเป็นกลาง n (Neutral Point) จะเคลื่อนที่ไปอยู่ที่ตำแหน่ง n2แทน ซึ่งผลของการเกิดแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมดุลกันในลักษณะเช่นนี้ จะทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดสามเฟส (Three Phase Loads) เช่น Induction Motor. Adjustable Speed Drives(ADS) มีประสิทธิภาพลดลง เสียหาย หรือหยุดการทำงานได้
โดยการหาค่าแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลสามารถคำนวณได้จาก
ซึ่งในแถบทวีปอเมริกาส่วนมากจะใช้การคำนวณหาค่าแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล โดยพิจารณาจากค่าแรงดันไฟฟ้าแบบ Phase-to-Phase เช่น ตามมาตรฐาน ANSI และ NEMA มักจะใช้ค่าขนาดแรงดันไฟฟ้าแบบ Phase-to-Phase มากกว่าใช้ค่าแรงดันแบบ Phase-to-Neutral จะเห็นว่าด้วยวิธีการนี้สามารถใช้ตรวจวัด Voltmeter แบบธรรมดาได้ แต่สำหรับกลุ่มประเทศแถบทวีปยุโรป จะใช้ค่าอัตราส่วนระหว่าง Negative Sequence Voltage ต่อ Positive Sequence Voltage เป็นตัวกำหนดค่าแรงดันไฟฟ้า ซึ่งการหาค่าดังกล่าวด้วยวิธีนี้ต้องใช้เครื่องมือชนิดพิเศษที่สามารถตรวจวัดค่า Negative Sequence Voltage ได้มาทำการตรวจวัด ซึ่งปัจจุบันการไฟฟ้าในบ้านเราก็ใช้วิธีการแบบหลังในการพิจารณากำหนดด้วยเช่นกัน
โดยสากลแล้วการไฟฟ้าจะกำหนดมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลของระบบไฟฟ้า จะต้องมีค่าไม่เกินร้อยละ 2 ซึ่งในปัจจุบันการไฟฟ้าในบ้านเราก็กำลังร่างข้อกำหนดค่ามาตรฐานดังกล่าวด้วยเช่นกัน
หากระบบไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าเกิดแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล จะส่งผลกระทบทำให้มอเตอร์ไฟมีความร้อนเกิดขึ้นผิดปกติ เนื่องจากมี Negative Sequence Currents ไหลเข้ามอเตอร์เป็นจำนวนมาก กระแสไฟฟ้าลบนี้จะไปสร้างสนามแม่เหล็กต้านกับสนามแม่เหล็กที่ทำให้เกิดกำลังงาน ทำให้แรงบิดของมอเตอร์ลดลง
ในสภาวะที่มอเตอร์ทำงานปกติ ค่าต้านทานของมอเตอร์จะมีความสัมพันธ์กับค่า Negative Sequence Voltage ของระบบไฟฟ้า คือจะมีค่าความต้านทานต่ำมากๆ ใกล้เคียงกับค่าความต้านทานของมอเตอร์ในขณะเริ่มเดิน(Locked Rotor Start Impedance) ดังนั้นแม้ว่าระบบไฟฟ้าที่มีผลต่อแรงดันไฟฟ้าลบทำให้ค่าความต้านทานมีค่าต่ำมากๆ นี่เอง จึงทำให้เกิดค่ากระแสลำดับลบจำนวนมากมายไหลเข้ามอเตอร์ไฟฟ้า จนทำให้มอเตอร์ร้อน หรืออาจเกิดการชำรุดเสียหายได้
เนื่องจากที่ชุดเรียงกระแสไฟฟ้า (Adjustable Speed Drivers) จะรับไฟจากระบบไฟฟ้าแบบ Phase-to-Phase เพื่อชาร์จไฟให้แก่ DC Bus อยู่ตลอดเวลา ดังนั้นหากค่าแรงดันไฟฟ้าที่คร่อมชุดเรียงกระแสไฟฟ้าเฟสใดเฟสหนึ่งเกิดสูงเกินกว่าแรงดันของเฟสที่เหลือ ก็จะมีผลทำให้ชุดเรียงกระแสนั้นนำค่ากระแสมากกว่าเฟสที่เหลือ ซึ่งมีผลทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าเกิดการทำงานได้เช่นกัน ดังนั้นค่าแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลเพียงแค่ 3% อาจมีผลทำให้มอเตอร์ชนิดปรับความเร็วรอบได้เกิดปัญหาได้ นอกจากนี้ผลของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมดุลยังทำให้เกิดปัญหาฮาร์โมนิก (Harmonics) ขึ้นได้อีกด้วย เช่นกัน รวมทั้งทำให้เพิ่มค่า Ripple ใน DC Bus อีกด้วย
สาเหตุของการเกิดแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล
โดยทั่วไปแล้วสาเหตุหลักของการเกิดแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล จะเกิดการใช้กระแสที่ไม่สมดุล(Unbalance Currents) ตั้งแต่ 15-20 % ขึ้นไป ซึ่งอุปกรณ์ไฟฟ้าในโรงงานอุตสาหกรรมนอกจากจะใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดสามเฟสแล้ว ยังใช้อุปกรณ์อยู่ในวงจรด้วย เช่น อุปกรณ์สำนักงาน ระบบไฟฟ้าแสงสว่าง มอเตอร์ Single Phase ดังรูปที่ 3 และ 4
และถ้าหากของอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งเฟสมีขนาดใหญ่และดึงกระแสไฟฟ้าในแต่ละเฟสที่ไม่เท่ากันในปริมาณมากๆด้วยแล้ว ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า(ความถี่ 50 Hz) เกิดขึ้นในสาย Neutral ขึ้น นอกจากนั้นหากมีการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าชนิด Single Phase ที่เป็นแหล่งกำเนิดกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Source) รวมอยู่ด้วยเป็นจำนวนมาก เช่น เครื่องถ่ายเอกสาร หลอกไฟที่ใช้ อิเล็กทรอนิกส์บาราส์ท, เครื่องคอมพิวเตอร์ ซึ่งอุปกรณ์ไฟฟ้าเหล่านี้จะสร้างกระแส ฮาร์โมนิกลำดับที่ 3(ความถี่ 150 Hz) ไหลอยู่ในสาย Neutral รวมอยู่ด้วย หรือในบางครั้งกระแสที่ไหลในสาย Neutral อาจมีค่าสูงใกล้เคียงกับค่ากระแสไฟฟ้าในสายเฟสเลยก็ได้ แม่ว่าค่าแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลไม่สมดุลของทั้งสามเฟสมีค่าเพียงเล็กน้อยก็ตาม ดังรูปที่ 4 จะเห็นว่าค่ากระแสไฟฟ้าในสายไฟฟ้าเฟส A,B และ C มีค่าเท่ากับ 50,50 และ 57 A ในขณะที่กระแสที่ไหลในสาย Neutral มีค่า 82 A ทั้งนี้เนื่องจากผลของการมีกระแสฮาร์มอนิกส์ลำดับ 3 อยู่ในระบบนั่นเองและจากผลของการที่แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลก็จะทำให้เกิดมีกระแสในสาย Neutral และในที่สุดก็จะเกิดปัญหาดังนี้
- - เกิดความสูญเสีย(Losses) เพิ่มขึ้นในระบบไฟฟ้าดังรูปที่ 5
- เกิดแรงดันไฟฟ้าตกมากขึ้น(Voltage Drop) ในกรณีการจ่ายไฟให้กับโหลดชนิด Single Phase Load
- เกิดอันตรายจากกระแสไฟฟ้าดูด เมื่อไปสัมผัสกับสาย Neutral เนื่องจากสาย Neutral มีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม (Voltage Drop) อยู่ ดังรูปที่ 5
- -อุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้าลัดวงจรลงดิน (Ground Over Current Relay) ทำงานผิดพลาดได้ หากการตั้งค่า Setting มีค่าไม่เหมาะสม ดังรูปที่ 6
- - ทำให้พิกัดของระบบไฟฟ้ามีค่าลดลง ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังระบบ 22-0.4/0.23 kV ขนาดkVA พิกัดกระแสไฟฟ้าของแต่ละเฟสมีค่าเท่ากับ 1440A แต่ถ้ากระแสไฟฟ้าที่ดึงในแต่ละเฟส(เฟส A,B และ C) มีค่า1350. 1295 และ 1150 A จะเห็นว่าค่ากระแสที่เฟส B และ C ยังไม่เต็มพิกัดสามารถจ่ายไฟได้เพิ่มอีก แต่ในขณะเดียวกันที่เฟส A มีค่าใกล้เต็มพิกัดแล้ว จึงไม่สามารถเพิ่มโหลดชนิด 3 เฟส ได้อีก
- - เกิดจาก Shunt Capacitor Bank ที่ใช้ในการปรับค่าตัวประกอบพลังไฟฟ้าตู้ Main Distribution Board เกิดความผิดพร่องบางชุดหรือเพียงบาง element หรือฟิวส์ป้องกันชุด Capacitor Bank ขาดบางเฟส ทำให้การชดเชย Reactive Power ไม่เท่ากันทังสามเฟส เป็นผลทำให้ค่าแรงดันไฟฟ้าในแต่ละเฟสมีค่าแตกต่างกันได้ ดังรูปที่ 7
เรื่องน่ารู้ วิธีการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล
มักมีคำถามอยู่เสมอว่า แล้วจะทราบได้อย่างไรว่า การไม่สมดุลนั้นเกิดจากแรงดันไฟไม่สมดุลหรือเกิดจากการใช้กระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้าไม่สมดุล และจะทราบได้อย่างไรว่าเกิดที่ระบบของการไฟฟ้าหรือเกิดขึ้นในส่วนของโรงงานเอง มีวิธีกาตรวจสอบดังนี้
ขั้นที่ 1 ให้ทำการตรวจวัดค่ากระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าในโรงงานของท่านด้วย Multimeter ก่อนว่าไม่สมดุลกันแบบมีนัยสำคัญหรือไม่ ถ้ามีอยู่น้อยกว่า 2 % ก็ค่อนข้างปลอดภัย แต่ถ้ามีมากกว่านี้ ต้องพิจารณาว่ามอเตอร์ไฟฟ้าของท่านมีโอกาสเกิด Overload ขึ้นหรือไม่ ถ้ามีก็ให้ตรวจสอบขั้นต่อไป (ในขั้นตอนนี้หากไม่ได้ทำการปลดวงจรของโหลดออก ให้ทำการตรวจวัดค่ากระแสไฟฟ้า ดังรูปที่ 9 )จากรูป เมื่อทำการตรวจวัดกระแสที่ไหลเข้าสู่มอเตอร์ไฟฟ้าสามเฟสแล้ว ได้ค่ากระแสตามรูป a) จากนั้นทำการสลับเฟสที่จ่ายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าและได้ค่ากระแสไฟฟ้าดังรูป b) ก็แสดงว่าภายในโครงสร้างของมอเตอร์ไฟฟ้ากินกระแสที่ไม่เท่ากันเอง ไม่ได้เกิดจากระบบไฟฟ้าจ่ายไม่สมดุล แต่ถ้าหากว่าค่าตรวจวัดได้มีค่าตามรูป c) ก็แสดงว่าแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่เฟส B เกิดการไม่สมดุลเอง
ขั้นที่ 2 ให้ปลดโหลดออกทั้งหมด แล้ววัดค่าแรงดันไฟฟ้าทั้งสามเฟส (Phase-to-Phase) ที่ตู้ Main Distribution Board อีกครั้ง หากยังพบว่ามีแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลอยู่ก็ให้ดำเนินขั้นต่อไป
ขั้นที่ 3 ให้ปลดโหลดออกทั้งหมดเช่นเดียวกับชั้นที่ 2 แต่ให้วัดแรงดันไฟที่ด้านแรงสูงของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง หากยังพบแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลอยู่ก็ให้แจ้งการไฟฟ้าช่วยดำเนินการแก้ไขต่อไป แต่ถ้าหากไม่พบความไม่สมดุลกันในระบบไฟฟ้าของการไฟฟ้าอีก ก็แสดงว่าหม้อแปลงกำลังหรือชุด Voltage Regulator ของหม้อแปลงนี้เกิดการชำรุด
วิธีการลดผลกระทบเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล
-ควรจัดการกับอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิด Single Phase ให้สมดุลกันทั้งสามเฟส
- พิจารณาเปลี่ยนโหลด Single Phase มีขนาดใหญ่ อาจจะพิจารณาเปลี่ยนเป็นโหลดชนิด Three Phase
-ตรวจสอบฟิวส์ป้องกันชุด Capacitorsเพื่อป้องกันการเกิดแรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล
-หมั่นตรวจสอบจุดต่อสายไฟฟ้าต่างๆ (Connectors)
-ตรวจสอบชุดควบคุมแรงดันไฟฟ้า(Voltage Regulators) แบบแยกเฟส และกำหนดค่าการทำงานให้เหมาะสมภาพจากการทดลอง
สรุปผลการทดลอง
การเปลี่ยนแปลงของไฟฟ้าในแต่ละเฟสในระบบไฟฟ้า 3 เฟส แบบ unbalance Load จะส่งผลต่อเฟสอื่นๆด้วย ดังนั้นเราควรต่อสายนิวตรอนเพื่อรักษาสมดุลของไฟฟ้าในแต่ละเฟส มิฉะนั้นจะทำให้เกิดอันตรายได้