Reactive Power 1. บทนา
ในเวลา จายไฟจะพบวามกระแส 2 สวน คอ
- สวนทเรยกวา active current ทาใหเกด active power ทจะใชจายกาลง power ให load
- สวนทเรยกวา reactive current ทาใหเกด reactive power สวนน ไมให power ทเปน ประโยชนกบ load ท
ตกอย อาจเปนไดทงกระแสชนด inductive และ capacitive สวนหลงนทาให generator ม load เพมขน ทงยง
ทาใหหมอแปลงตองถกจากดการจาย active power ไปท load เกด loss เพมขนในสาย conductor หากลด
กระแสสวนนไดกจะทาให สามารถ ผลต/สง active power ไดมากขนการตอ reactive compensator ขนาน
กบ load หรอ สายสงเปนวธลดกระแสสวนนใหตาลง
2. Compensator
เนองจากสวนทเปน reactive power ทาใหกระแสรวมเพมสงขน เกด voltage drop และ losses เพมขนใน
ลวดตวนาทกระแสทงหมดไหลผาน อปกรณทใชลด reactive power ไดแก
2.1 ชนด uncontrolled reactive compensation เปนชนดตอ fix ไมมการปลด-สบ เชน shunt reactor / shunt
capacitor bank ทใชจานวน หนง unit หรอ หนง bank ตอขนานเขากบ ระบบจาหนายโดยตอผาน fuse ไม
สามารถปรบคาได
2.2 ชนด controlled reactive compensation สามารถปรบคาไดเพอควบคม parameter บางตวของระบบท
ตองการ ไดแก
2.2.1 synchronous condenser เปน rotating machine
- under excited synchronous machine เมอตองการใชเปน inductive loads
- over excited synchronous machine เมอตองการใชเปน capacitive loads
2.2.2 static var compensator มการออกแบบไดหลายรปแบบ เชน
- shunt capacitor bank/shunt reactor bank ทใช circuit breaker เปนตวสบเขา-ปลดออก โดยออกแบบแบ
งเปน step/bank สามารถใชงานตามจานวน reactive power ท ตองการลด เรยกวา mechanically switched
reactor/capacitor
- continuous controlled โดยใช thyristor เปนตวตดตอทสามารถควบคมใหไดปรมาณ reactive var ท
ตองการ ไดแก thyristor controlled reactor :TCR
- discontinuous controlled ใช thyristor เปนตวตดตอทแทน circuit breaker สามารถ ควบคมใหทง bank
เขา-ออกได ไดแก thyristor switched capacitor :TSC และ thyristor switched reactor : TSR
อปกรณเหลานสามารถใชรวมกนได การใชรวมกนเรยกวา static var compensation :
SVC ทาหนาทเปน reactive plant
กาลงไฟฟา
1. กาลงไฟฟาจรง (Active Power)(W) • เกดจากโหลดความตานทาน 2. กาลงไฟฟารแอคทฟ (Reactive Power)(Var) • เกดจากโหลดตวเหนยวนาและตวเกบประจ 3. กาลงไฟฟาปรากฏ (Apparent Power)(VA) • ผลรวมทางเวกเตอรของกาลงไฟฟาจรงและกาลงไฟฟารแอคทฟ
กาลงไฟฟารแอคทฟ(Reactive Power) มหนอยเปน วาร (VAR) หรอกโลวาร(KVAR) เปนกาลง
งานทไมสามารถเปลยนไปเปนพลงงานรปอนได แตอปกรณไฟฟาทตองทางานโดยอาศยสนามแมเหลก เชน หมอแปลงไฟฟา,มอเตอรไฟฟา ตองใชกาลงงานรแอคทฟนเพอสรางสนามแมเหลก
ตวประกอบกาลงไฟฟา (Power Factor)
ตวประกอบกาลงไฟฟา • เปนตวบอกประสทธภาพการใชงานของระบบไฟฟา • PF สง (ใกลคา 1 หรอ 100% ) -->ระบบมประสทธภาพด • PF ตา (ใกลคา 0 หรอ 0% )-->ระบบมประสทธภาพตา โดยทวไปแลวกาลงงานในระบบไฟฟากระแสสลบสามารถแบงออกไดเปน 2 สวนดวยกนคอกาลงงานจรง (Real power) มหนวยเปนวตตหรอกโลวตต (W or kW) เปนกาลงงานทสามารถเปลยนแปลงโดยอปกรณไฟฟาไปเปนพลงงานรปอนไดเชนความรอนแสงสวางหรอพลงงานกลกาลงงานสวนนเกดจากกระแสไฟฟาใชงาน (Active current) และอกสวนหนงคอกาลงงานรแอกตฟ (Reactive power) มหนวยเปนวารหรอ กโลวาร (VAR or kVAR) เปนกาลงงานทไมสามารถเปลยนแปลงไปเปนพลงงานรปอนไดแตอปกรณไฟฟาทตองทางานโดยอาศยสนามแมเหลกเชนหมอแปลงมอเตอรบลลาสตฯลฯตองใชกาลงรแอกตฟนสรางสนามแมเหลกถาไมมสนามแมเหลกอปกรณดงกลาวจะไมสามารถทางานไดกาลงงานในสวนนเกดจากกระแสไฟฟารแอกตฟ (Reactive current) ผลรวมทางเวกเตอรของกาลงงานทงสองเรยกวากาลงงานปรากฏ (Apparent power) มหนวยเปนโวลตแอมแปรหรอกโลโวลตแอมแปร(VA or kVA) เปนกาลงงานทแหลงจายกาลงงานไฟฟาตองจายใหกบอปกรณไฟฟาตางๆและมขนาดเทากบผลคณของกระแสไฟฟาในวงจรกบแรงดนของแหลงจายกาลงไฟฟากาลงงานทงสาม สามารถเขยนเปนสามเหลยมกาลงไฟฟาไดดงรปท 1
รปท 1 แสดงความสมพนธระหวางกาลงไฟฟากระแสไฟฟาและแรงดนไฟฟา
ผลของตวประกอบกาลงไฟฟาตา
ทาใหตองคา S มากขนโดยทไดประโยชนจากคา P เทาเดม
ตองมการสารองกาลงไฟฟามากขน
จานวนโรงผลตไฟฟามากขน
สรปผลของตวประกอบกาลงไฟฟาตา 1. เจาของสถานประกอบการตองเสยคาปรบจากการท P.F. ตาใหกบการไฟฟาฯทกเดอน 2. หนวยการใชไฟฟา (kWh) ตอเดอนเพมขน (เนองจากกาลงสญเสยในสายจากกระแสเพมขน) 3. อาจเกดปญหาแรงดนตก 4. ขนาดสายไฟหมอแปลงไฟฟาอปกรณไฟฟาตางๆมขนาดใหญขน 5. ถาใชเครองกาเนดไฟฟาจายไฟเองคาใชจายในการเดนเครองจะสง
การแกไขคาตวประกอบกาลงไฟฟา โดยทวไปอปกรณไฟฟาตางๆในอาคารหรอโรงงานนนตองอาศยทงกาลงไฟฟาจรง (Real Power) และกาลงไฟฟารแอคทฟ (Reactive Power) เพอใชในการทางาน (พจารณาตามรปท 2) คาสดสวนของกาลงไฟฟาทงสองชนดดงกลาวบงบอกถงคาตวประกอบกาลงไฟฟา (Power Factor) ของอปกรณไฟฟาแตละชนดหรอของอาคารหรอโรงงานโดยรวมตามปกตหากคาตวประกอบกาลงไฟฟา(Power Factor) มคาตายอมหมายความวากาลงไฟฟารวม (Total or Apparent Power) มคาสงขนอนเนองมาจากการทมกาลงไฟฟารแอคทฟสงขนในขณะทกาลงไฟฟาจรงทกอใหเกดงานมคาเทาเดม (ตวประกอบกาลงลดลงกระแสไฟฟามคาสงขน) ซงถอไดวาเปนความสญเสยของระบบจายไฟฟาดวยเชนกน
รปท 2 สามเหลยมกาลงไฟฟา
การปรบปรงตวประกอบกาลงไฟฟา
ในทางปฏบตการปรบปรงตวประกอบกาลงไฟฟาใหมคาสงขนนยมใชตวคาปาซเตอรตอขนานเขากบโหลด
เพอจายกาลงงานรแอกทฟ (reactive power) ใหกบโหลดพจารณาสามเหลยมกาลงไฟฟา
กาหนดให คาตวประกอบกาลงไฟฟาเดม = cosθ1 คาตวประกอบกาลงไฟฟาทปรบปรง = cosθ2 โดยθ1 <θ2 kVAR (เดม) = kW x tan θ1 kVAR (ใหม) = kW x tan θ2 kVARของคาปาซเตอรทตองใช = kW x (tan θ1 – tan θ2) ตวอยางท 1โรงงานแหงหนงมโหลดทางไฟฟา 600 kW และมคาตวประกอบกาลงไฟฟา 70 % ถาตองการ เพมคาตวประกอบกาลงไฟฟาเปน 90 % จะตองตดตงขนาดของคาปาซเตอรเทาใด PF (เดม) = 70 % = cosθ1
cosθ1 = 0.7 θ1 = 45.6 o
PF (ใหม) = 90 % = cosθ2
cosθ2 = 0.9 θ2 = 25.8 o
ขนาดของคาปาซเตอร = kW x (tan θ1 - tan θ2 ) = 600 x (tan 45.6 – tan 25.8) = 323 kVAR
การหาคาตวคณ (tan θ1 - tan θ2) สามารถเปดจากตารางภาคผนวกกไดจากตวอยางขางตน ตวคณมคาเทากบ 0.54 ดงนนขนาดของคาปาซเตอรทใช = 600 x 0.54 = 324 kVAR *หมายเหตเนองจากโหลดทางไฟฟาในโรงงานจะมคาไมคงทตลอดเวลาดงนนการตดตงคาปาซเตอรเพอ เพมคาตวประกอบกาลงไฟฟาจาเปนตองมระบบควบคมเพอใชในการตดตอตวคาปาซเตอรใหเหมาะสมกบ โหลดดวย ตาแหนงการตดตงคาปาซเตอรเพอปรบปรงคาตวประกอบกาลงไฟฟาในระบบไฟฟานนจะมตาแหนงตดตงอปกรณหลกสาหรบการแกไขตวประกอบกาลงไฟฟาอย3ตาแหนง ตดตงทสวนกลาง (Central) - โดยทวไปแลวตดตงทจดเดยว - แกตวประกอบกาลงไฟฟาทจดจายไฟฟาของระบบ - ตดตงไดทงดานแรงดนตาหรอดานแรงดนสงขนอยกบวาราคาดานไหนถกกวากน - จะไมเกดประโยชนในการแกตวประกอบกาลงไฟฟาในแตละจด ตดตงทแตละโหลด (Individual) - แกไขสาหรบโหลดแตละแหงเชนมอเตอรขนาดใหญ - ถาเปนการตดตงระบบใหมการปรบปรงตวประกอบกาลงไฟฟาทแตละโหลดนจะชวยลด ขนาดของสวตชเกยรและกระแสโดยรวมของระบบลงได ตดตงทกลมของโหลด (Group) - ใชสาหรบโหลดทมตวประกอบกาลงไฟฟาตาๆและสามารถรวมกลมกนได - ในกรณตดตงใหมจะมการลงทนนอยเพราะใชเคเบลและสวตชเกยรเลกลงได
รปท 3 แสดงตวอยางการตดตงคาปาซเตอรเพอปรบปรง P.F. ททง 3 ตาแหนง
ประโยชนทไดรบจากการปรบปรงตวประกอบกาลงไฟฟา เมอทาการปรบปรงคาตวประกอบกาลงไฟฟาใหมคาสงขนจะเกดผลดหลายประการสามารถ สรปไดดงน 1. ระบบไฟฟาสามารถรบโหลดไดมากขน เมอคาตวประกอบกาลงไฟฟามคาสงขนกระแสทไหลอยในระบบระหวางแหลงจายไฟ กบจดทมการปรบปรงจะมคาลดลงนนคอเครองจกรตนกาลงหรออปกรณไฟฟาทใชกาลงไฟฟานอยลงทาใหสามารถเพมโหลดเขาไปในระบบไดโดยไมทาใหระบบรบโหลดเกนพกด 2. กาลงไฟฟาสญเสยในระบบลดลง กาลงไฟฟาทสญเสยในสายไฟตางๆจะเปนสดสวนโดยตรงกบคากระแสยกกาลงสอง แตเนองจากกระแสจะลดลงเปนสดสวนโดยตรงกบการปรบปรงคาตวประกอบกาลงไฟฟาดงนนกาลง ไฟฟาทสญเสยในสายไฟและอปกรณไฟฟาตางๆจงเปนสดสวนผกผนกบคาตวประกอบกาลงไฟฟา
รปท 4 แสดงกาลงไฟฟาสญเสยทลดลงในสายเคเบลเมอปรบปรงคาตวประกอบกาลงไฟฟาใหมคาสงขน จากรปท 4 จะเหนวาการปรบปรงคาตวประกอบกาลงไฟฟาจาก 0.6 เปน 0.8 จะลดกาลงไฟฟาสญเสยในสายเคเบลไดถง 44 % และถาเปลยนจาก 0.6 เปน 1.0 จะลดกาลงไฟฟาสญเสยไดถง64 %
3. ลดแรงดนตกในสายสง สายสงไฟฟาโดยทวๆไปทใชกบแรงดนไฟฟากระแสสลบจะมคณสมบตซงแทนได ดวยความตานทานไฟฟาตออนกรมกบความเหนยวนาไฟฟาโดยปกตจะมคาประมาณ 0.4 ถง 0.9 μH/m สาหรบไฟฟา 3 เฟสแรงดนตก (voltage drop) ในสายสงสามารถหาไดจาก
เมอ I คอกระแสไฟฟาทไหลในสายสง (A) R คอความตานทานไฟฟาของสายสง (Ω)
XL คอคารแอกแตนซของสายสง (Ω) θคอคามมของตวประกอบกาลงไฟฟา
เมอปรบปรงคาตวประกอบกาลงไฟฟาใหสงขนจะทาใหคา I, θและΔV มคาลดลง 4. คาไฟฟาลดลง เมอคาตวประกอบกาลงไฟฟามคาสงขนจะมผลทาใหกระแสไฟฟาทไหลในวงจรมคา ลดลงกาลงไฟฟาทสญเสยในระบบไฟฟากจะมคาลดลงและคาปรบในสวนของตวประกอบกาลงไฟฟา (ถามคาตากวา 0.85) กไมจาเปนตองเสยทาใหคาไฟฟาทตองจายในแตละเดอนมคาลดลง
ตารางท 1 ตวประกอบกาลงไฟฟาของอปกรณไฟฟาประเภทตางๆ
ตารางท 2 ตวประกอบกาลงไฟฟาของโรงงานและอาคารประเภทตางๆ
หากโรงงานอตสาหกรรมใดมอปกรณไฟฟาทเปนโหลดแบบเหนยวนา (Inductive Load) หรอเปนโหลดแบบเกบประจไฟฟา (Capacitive Load) ชนดใดชนดหนงเพยงอยางเดยวจะทาใหคาตวประกอบกาลงไฟฟาตาแตถานาอปกรณสองประเภทนมาใชรวมกนในอตราทเหมาะสมจะทาใหคาตวประกอบกาลงไฟฟาสงถง 95-100% ซงวธนเรยกวาวธการแกไขคาตวประกอบกาลงไฟฟาการแกไขคาตวประกอบกาลงไฟฟากคอการเพมคาCOSθหรอลดมมθทแตกตางกนระหวางแรงดนไฟฟากบกระแสไฟฟาใหมคานอยทสดเพอเพมคาเพาเวอรแฟคเตอรใหใกลเคยง 1 มากทสด(Power Factor = 1.0 คอคาทดทสดเสมอนกบวาระบบไฟฟาสามารถใชใหเกดประโยชนไดเตม 100%)
รปท 8 แสดงคาตวประกอบกาลงไฟฟาทมคา = 0.80 ( P/S = COSθ =0.80)
โดยทวไปสามารถแกไขคาตวประกอบกาลงไฟฟาใหสงขนโดยการใชตวเกบประจไฟฟา(Capacitor) ตอเขาไปในระบบไฟฟาโดยเปนการเพมกาลงไฟฟารแอคทฟ (มหนวยเปนkVar) ทเขาไปหกลางกาลงไฟฟารแอคทฟเดม (Q1) ใหลดลงเหลอเปนกาลงไฟฟารแอคทฟใหม (Q2) ซงทาใหผลรวมของกาลงไฟฟาทงหมด (S2) มคาลดลงจากเดม (S1) ตามรปท 9
รปท 9 แสดงการใชตวเกบประจไฟฟา (Capacitor) เพอเพมคาตวประกอบกาลงไฟฟา
โดยทขนาดของตวเกบประจไฟฟา (kVar) = kW x ตวคณจากตารางท 3 หรอขนาดของตวเกบประจไฟฟา (kVar) = kW x ( tanθ1- tanθ2 )
ตวอยางเชนหมอแปลงไฟฟาชดหนงจายโหลด 10,000 kW ถาตองการแกไขตวประกอบกาลง (Power Factor) ของโหลดจากเดมเทากบ 0.7 เปน 0.9 จะตองใชตวเกบประจไฟฟาขนาดเทาใด (กกโลวาร) ตอบจากตารางท 3 ตองใชตวเกบประจขนาด = 10,000 x 0.536 = 5,360 kVar
ตารางท 3 คาตวคณในการหาขนาดตวเกบประจไฟฟา
ตารางท 3 คาตวคณในการหาขนาดตวเกบประจไฟฟา (ตอ)
ตารางท 3 คาตวคณในการหาขนาดตวเกบประจไฟฟา (ตอ)
ดงนนหากมการปรบปรงคาตวประกอบกาลงไฟฟา (Power Factor) ใหอยในระดบทเหมาะสมกยอมทจะสามารถลดกาลงสญเสยลงไดอนหมายถงวาจะสามารถลดคาไฟฟาในสวนทไมจ าเปนลงไดนนเองประโยชนของการปรบปรงคาเพาเวอรแฟคเตอร (PF) ใหเหมาะสมคอ (1) ลดรายจายคาปรบเพาเวอรแฟคเตอรจากการไฟฟาฯ เนองจากกาลงไฟฟารแอคทฟ (Q) เปนกาลงไฟฟาทผใชไฟฟาสามารถสรางขนเองไดโดยการตดตงคาปาซเตอรเพอเปนตวจายกาลงไฟฟาในสวนนใหกบโหลดซงหากผใชไฟฟาไมไดตดตงคาปาซเตอรการไฟฟาฯจะตองเปนคนจายกาลงไฟฟาในสวนนเองในขณะทกาลงไฟฟาจรง (Active Power)ไมสามารถสรางจากคาปาซเตอรไดกาลงไฟฟาสวนนจะไดมาจากเครองกาเนดไฟฟาของการไฟฟาฯเทานนดงนนการทระบบไฟฟาของผใชไฟฟามคา PF ตาแสดงวาการไฟฟาฯจะตองรบภาระในการจายกาลงไฟฟารแอคทฟเปนจานวนมากซงทจรงแลวผใชไฟฟาสามารถสรางไดเองโดยการใชคาปาซเตอรผลทตามมากคอการไฟฟาจะตองใชเครองกาเนดไฟฟาทมขนาดใหญขนรวมทงตองใชทรพยากรมากขนเพอทจะสามารถผลตกาลงไฟฟาทงในสวนของการจายกาลงไฟฟาจรงและกาลงไฟฟารแอคทฟใหไดตามความตองการของผใชไฟฟาการไฟฟาจงไดออกกฎมาเพอควบคมคา PF ของโรงงานตางๆโดยกาหนดวาหากโรงงานใดมคา PF ตากวา 0.85 จะตองเสยคาปรบเพาเวอรแฟคเตอร (ขนอยกบรนของมเตอรของการไฟฟาดวยมเตอรบางรนไมสามารถวดคา PF ได)
รปท 5 ระบบทมการตดตงคาปาซเตอรในตาแหนงตางๆ
รปท 6 คาปาซเตอรทใชในระบบจายกาลงไฟฟา
(2) ชวยลดโหลดของหมอแปลง เมอเราใชโหลดเพมมากขนเรอยๆกบหมอแปลงตวเดมและหมอแปลงเรมมขนาดไมพอกบความตองการหมอแปลงตองจายกระแสเกนพกด (Overload) วธโดยทวไปทเรานกถงกนคอการตดตงหมอแปลงเพมอกหนงตวคนสวนใหญลมทจะหยดคดวา "เราไดตดตง Capacitor แลวหรอยง" หากวายงไมไดตดตงการตดตงคาปาซเตอรจะชวยลดโหลดของหมอแปลงตวนนไดโดยคาปาซเตอรทตดตงเพมจะชวยหมอแปลงจายกระแสหรอกาลงไฟฟาในสวนของ Reactive Power ทแตเดมหมอแปลงตองรบภาระจายเองทงหมดทาใหหมอแปลงมกาลงเหลอเพอทจะไปจายโหลดอนเพมเตมได (3) ลดคาไฟฟาทสญเสยไปในรปของความรอนในสายไฟและหมอแปลง คาปาซเตอรสามารถลดคาไฟฟาในสวนนไดดวยเหมอนกนแตเนองจากลกษณะการตดตงในประเทศไทยสวนใหญจะตดตงตคาปาซเตอร (Cap Bank) ตดกบต MDB หรออกนยหนงคอใกลกบหมอแปลงมากจงทาใหการตดตงคาปาซเตอรไมไดลดปรมาณกระแสไฟฟาทไหลในระบบไดมากอยางเหนไดชด
การวดคาไฟฟาภายในบานโดยสามารถรคาไฟฟาไดกอนทคาไฟฟาจะมาเกบจรงซงจะนาไปใชในบานเรอนทวไปหรอสานกงานรวมกระทงหองพกตางๆโดยการวดไฟฟาทใชอยนนจะวดคาพลงงานออกมาใหอยในรปของคากาลงไฟฟาจรง ( Real Power ) , คากาลงไฟฟาประกอบ ( Reactive Power ) และรวมถงคากาลงไฟฟาทปรากฏ ( Apparent Power ) เพอใหเหนความเคลอนไหวของการใชไฟฟาเมอผใชตองการรบรนอกจากนนอปกรณชนดนยงสามารถบอกถงแรงดนไฟฟา ( Voltage ) , กระแสไฟฟา ( Current ) ซงผใชสามารถวเคราะหพฤตกรรมของไฟฟาทกาลงใชอยไดอกวธหนงได พลงงานไฟฟาหรอกาลงไฟฟา ( Electrical Power ) คอการนาเอากระแสมาคณกบแรงดนอาจจะมตวประกอบกาลงมาคณเพมกาลงไฟฟาประกอบไปดวยสามสวนหลกๆคอหนงคากาลงไฟฟาทปรากฏ ( Apparent Power ) คอคาทเรานากระแสคณ ( Cross Product ) กบแรงดนสองคากาลงไฟฟาจรง ( Real Power ) คาทเรานากระแสคณ ( Cross Product ) กบแรงดนแลวคณดวย Cosine ของมมระหวางแรงดนและกระแสนนๆกาลงไฟฟาสดทายคอคากาลงไฟฟาประกอบ ( Reactive Power ) คอคาทเรานากระแสคณ ( Cross Product ) กบแรงดนแลวคณดวย Sine ของมมระหวางแรงดนและกระแสนนๆซงเรา ( เรยก Cosine ของมมระหวางแรงดนและกระแสวา Power factor )
อางองจาก
http://www.ee.eng.cmu.ac.th/~kasin/Courses/252282/TouTod.pdf
http://eng.rtu.ac.th/ESD/ch12.pdf
http://www.piohmcorp.co.th/index.php/features/136
http://www.sci-tech-service.com/article/capacitor/cap_bank.htm
http://www.aida-engineering.co.th/download/subs/ch11.pdf
จดทาโดย นายเบญจพล นใหม รหสนกศกษา 55070500422 หอง A นกศกษาชนปท 2 คณะวศวกรรมศาสตร ภาควชาวศวกรรมไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร
