ความหมายของคุณภาพไฟฟ้า

ในบริบทของระบบไฟฟ้า คุณภาพไฟฟ้าหมายถึงระดับที่แหล่งจ่ายไฟฟ้ายังคงรักษามาตรฐานแรงดันไฟฟ้า ความถี่ และความบริสุทธิ์ของรูปคลื่นให้อยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ คุณภาพไฟฟ้าที่สูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำงานอย่างถูกต้องของอุปกรณ์และระบบไฟฟ้า พร้อมทั้งรับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนาน ประสิทธิภาพ และความปลอดภัย

คุณภาพไฟฟ้าสามารถจำแนกได้หลายลักษณะ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า ความถี่ และความต่อเนื่องของแหล่งจ่ายไฟ การเบี่ยงเบนจากค่าปกติของพารามิเตอร์เหล่านี้อาจส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกกันทั่วไปว่าการรบกวนคุณภาพไฟฟ้า

พารามิเตอร์แรงดันไฟฟ้าประกอบด้วยแรงดันไฟฟ้าปกติ เสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า และสมดุลแรงดันไฟฟ้า พารามิเตอร์เหล่านี้มักได้รับผลกระทบจากเหตุการณ์ต่างๆ เช่น แรงดันตก (แรงดัน RMS ลดลงในระยะสั้น) แรงดันไฟกระชาก (แรงดัน RMS เพิ่มขึ้นในระยะสั้น) และภาวะชั่วครู่ (แรงดันเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันในช่วงเวลาสั้นๆ)

ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับเนื้อหาฮาร์มอนิกที่เกิดจากโหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งทำให้รูปคลื่นไซน์ทั่วไปผิดเพี้ยน

เสถียรภาพความถี่เป็นอีกหนึ่งปัจจัยสำคัญต่อคุณภาพไฟฟ้า ในหลายพื้นที่ ความถี่ไฟฟ้ามาตรฐานอยู่ที่ 50 หรือ 60 เฮิรตซ์ และการเบี่ยงเบนจากความถี่เหล่านี้อย่างมีนัยสำคัญอาจก่อให้เกิดปัญหากับอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายประเภท

ความต่อเนื่องของการจ่ายไฟฟ้าก็เป็นปัจจัยสำคัญต่อคุณภาพไฟฟ้าเช่นกัน การหยุดชะงักไม่ว่าจะชั่วคราวหรือยาวนาน อาจทำให้การดำเนินงานหยุดชะงักและเกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ได้

ภาพรวมของฮาร์โมนิกส์

ฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้ากำลังคือองค์ประกอบรูปคลื่นไซน์ของรูปคลื่นคาบ ซึ่งความถี่เป็นจำนวนเต็มคูณของความถี่มูลฐาน หากความถี่มูลฐานแสดงด้วย 'f' (ปกติ 50 หรือ 60 เฮิรตซ์สำหรับระบบไฟฟ้ากำลัง) ฮาร์มอนิกที่ 2 คือ 2f ฮาร์มอนิกที่ 3 คือ 3f เป็นต้น ความถี่มูลฐานหรือฮาร์มอนิกที่ 1 คือความถี่การทำงานปกติของระบบไฟฟ้ากำลัง

การเกิดฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้าส่วนใหญ่เกิดจากโหลดแบบไม่เชิงเส้น โหลดเชิงเส้น เช่น เครื่องทำความร้อนแบบต้านทานหรือหลอดไส้ จะสร้างกระแสไซน์ที่ความถี่เดียวกันกับแรงดันไฟฟ้า ในทางตรงกันข้าม โหลดแบบไม่เชิงเส้นจะสร้างกระแสแบบไม่เป็นไซน์ ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลากหลายชนิด เช่น คอมพิวเตอร์ หลอดไฟ LED และอินเวอร์เตอร์ ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถนำฮาร์มอนิกเข้าสู่ระบบได้

ความถี่ฮาร์มอนิกในระบบโครงข่ายไฟฟ้าเป็นสาเหตุสำคัญของปัญหาคุณภาพไฟฟ้า ฮาร์มอนิกในระบบโครงข่ายไฟฟ้าอาจก่อให้เกิดผลกระทบเชิงลบมากมาย เช่น อุปกรณ์ไฟฟ้ามีความร้อนสูงเกินไป อุปกรณ์ป้องกันทำงานผิดปกติ และสัญญาณรบกวนการสื่อสาร ในการวิเคราะห์ระบบไฟฟ้า ฮาร์มอนิกเหล่านี้มักแสดงเป็นแอมพลิจูดและเฟสเทียบกับความถี่มูลฐาน

ความเพี้ยนฮาร์มอนิกมักวัดค่าด้วยค่าความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวม (THD) ซึ่งเป็นการวัดความเพี้ยนของสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดจากฮาร์มอนิก โดยแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของค่าพื้นฐาน ค่า THD ที่ต่ำกว่ามักบ่งชี้ว่าคุณภาพกำลังไฟฟ้าดีกว่า

แหล่งกำเนิดและผลกระทบของฮาร์มอนิกต่อระบบไฟฟ้า

ฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้าส่วนใหญ่เกิดจากโหลดแบบไม่เชิงเส้น โหลดเหล่านี้ไม่มีความสัมพันธ์เชิงเส้นโดยตรงระหว่างแรงดันและกระแส โหลดแบบไม่เชิงเส้น ได้แก่ หลอดฟลูออเรสเซนต์ ตัวควบคุมความเร็ว คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ อุปกรณ์เหล่านี้บิดเบือนคลื่นไซน์ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ส่งผลให้เกิดฮาร์มอนิก

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้า เช่น อินเวอร์เตอร์และตัวแปลงสัญญาณ ก็เป็นแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกที่สำคัญเช่นกัน โดยทั่วไปอุปกรณ์เหล่านี้ทำงานโดยการสลับแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าระหว่างสถานะต่างๆ อย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดรูปคลื่นที่ไม่ใช่ไซน์ การเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันและฉับพลันเหล่านี้สามารถสร้างความถี่ฮาร์มอนิกได้หลากหลาย

ฮาร์มอนิกส์มีผลกระทบมากมายต่อระบบไฟฟ้าและอาจเป็นอันตรายได้ ต่อไปนี้คือผลกระทบหลักๆ บางส่วน:

อุปกรณ์มีความร้อนสูงเกินไป: ฮาร์มอนิกส์สามารถเพิ่มอุณหภูมิในอุปกรณ์ระบบไฟฟ้า เช่น หม้อแปลง มอเตอร์ และสายเคเบิล สาเหตุนี้เกิดจากการสูญเสียเพิ่มเติมที่เกิดจากความถี่ฮาร์มอนิกส์ ซึ่งอาจนำไปสู่การเสื่อมสภาพก่อนเวลาอันควรและความล้มเหลว

การใช้งานอุปกรณ์ที่ไม่เหมาะสม : ฮาร์มอนิกส์อาจรบกวนการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน อาจทำให้อุปกรณ์ป้องกันทำงานผิดปกติ ส่งผลให้การป้องกันไม่เพียงพอและอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายได้

ประสิทธิภาพของระบบลดลง: ฮาร์มอนิกส์สามารถลดประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไฟฟ้าได้ การมีฮาร์มอนิกส์หมายความว่าต้องใช้กระแสไฟฟ้ามากขึ้นในการส่งกำลังไฟฟ้าจริงในปริมาณเท่าเดิม ส่งผลให้การสูญเสียกำลังไฟฟ้าในระบบเพิ่มขึ้น

การลดลงของค่าแฟกเตอร์กำลังไฟฟ้า: ฮาร์มอนิกสามารถลดค่าแฟกเตอร์กำลังไฟฟ้าลง ส่งผลให้กำลังไฟฟ้าที่ปรากฏในระบบเพิ่มขึ้น และทำให้ต้นทุนพลังงานสูงขึ้น

การรบกวนระบบการสื่อสาร: ความถี่ฮาร์มอนิกบางความถี่อาจรบกวนระบบโทรคมนาคม ส่งผลให้เกิดการรบกวนหรือการหยุดชะงักของบริการ

เพื่อลดผลกระทบของฮาร์มอนิกให้เหลือน้อยที่สุด จึงมีการใช้กลยุทธ์ต่างๆ มากมาย ซึ่งรวมถึงการใช้ตัวกรองฮาร์มอนิก การออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังอย่างรอบคอบ และการรักษาค่าตัวประกอบกำลังให้สูง นอกจากนี้ ยังมีการพัฒนามาตรฐานคุณภาพกำลังไฟฟ้า เช่น IEEE 519 เพื่อให้คำแนะนำเกี่ยวกับระดับความเพี้ยนฮาร์มอนิกที่ยอมรับได้