Power Factor: บล็อกเพื่อการศึกษาค่าPower Factor อธิบายถึงหลักการข้อมูลทุกอย่างมาจากแหล่งอ้างอิงที่หลากหลายและน่าเชื่อถือ เพื่อให้ผู้ที่สนใจได้ศึกษาหาความรู้

Power Factor(PF.)

ค่าPower Factor (PF.) หรือที่เรียกกันในภาษาไทยว่าค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้านั้น คือค่าตัวเลขอัตราส่วนของกำลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานจริงหรือ Real Power (P) ซึ่งมีหน่วยเป็นวัตต์ (Watt :W) หารด้วยค่ากำลังงานที่ปรากฏ หรือ Apparent Power (S) ซึ่งมีหน่วยเป็นโวลต์-แอมแปร์ (VA) โดยสามารถอธิบายให้เข้าใจง่ายได้ว่า Power Factor คือตัวเลขที่บอกถึงกำลังงานไฟฟ้าที่ได้ใช้ประโยชน์หรือเกิดการทำงานจริงกับขนาดของกำลังงานทั้งหมดที่ต้องการจากระบบไฟฟ้าโดยส่วนที่เกินจากกำลังงานที่ใช้ทำงานจริงจะเรียกว่า Reactive Power ซึ่งมีหน่วยเป็น วาร์ (VAR)

ดังนั้น ประสิทธิภาพของการจ่ายไฟฟ้าในกรณีระบบที่มีตัวประกอบกำลังไฟฟ้าต่ำ จะต่ำกว่าระบบที่มีตัวประกอบกำลังไฟฟ้าสูง ทั้งนี้เป็นเพราะอาจเกิดแรงดันไฟฟ้าตก กระแสไฟฟ้าในระบบไฟฟ้ามีค่าสูงขึ้นและทำให้เกิดกำลังไฟฟ้าสูญเสียในระบบ

หลักการหา Power Factor ง่ายๆ ตามคลิปนี้เลยครับ

ค่าที่ดีที่สุดสำหรับ Power Factor คือ มีอัตราส่วนที่เท่ากัน จะต้องมีค่าเท่ากับ 1 แต่ในความเป็นจริงไม่สามารถทำได้ ซึ่งค่า power Factor เปลี่ยนแปลงไปตามการใช้ LOAD ซึ่ง Load ทางไฟฟ้ามีอยู่ 3ลักษณะ คือ

1.Load ประเภท Resistive หรือ ความต้าน จะมีค่า Power Factor เป็นหนึ่ง เช่นหลอดไฟฟ้าแบบไส้ เตารีดไฟฟ้า หม้อหุงข้าว เครื่องทำน้ำอุ่น เป็นต้น

ถ้าหน่วยงานหรือองค์กร มี Load ประเภทนี้เป็นจำนวนมาก ก็ไม่จำเป็นที่จะต้องปรับปรุงค่า Power Factor

2. Load ประเภท Inductive หรือ ความเหนี่ยวนำ จะมีค่า Power Factor ไม่เป็นหนึ่ง เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้ขดลวด เช่น มอเตอร์ บัลลาสต์ของหลอดฟลูออเรสเซนต์ เครื่องปรับอากาศ เป็นต้น

จะเห็นได้ว่าหน่วยงานหรือองค์กรส่วนใหญ่ จะหลีกเลี่ยงLoad ประเภทนี้ไม่ได้ และมีเป็นจำนวนมาก ซึ่งจะทำให้ ค่า Power Factor ไม่เป็นหนึ่ง และ Load ประเภทนี้จะทำให้ค่า Power Factor ล้าหลัง ( Lagging)

จำเป็นที่จะต้องปรับปรุงค่า Power Factor โดยการนำ Load ประเภทให้ค่า Power Factor นำหน้า ( Leading) มาต่อเข้าในวงจรไฟฟ้าของระบบ เช่น การต่อชุด Capacitor Bank เข้าไปในชุดควบคุมไฟฟ้า

Capacitor Bank Capacitor Bank สำหรับ High Volt

3. Load ประเภท Capacitive หรือ Load ที่มีตัวเก็บประจุ (Capacitor) เป็นองค์ประกอบ Load ประเภทนี้จะมีใช้น้อยมาก จะมีค่า Power Factorไม่เป็นหนึ่ง Load ประเภทนี้จะทำให้ค่า Power Factor นำหน้า ( Leading) คือกระแสจะนำหน้าแรงดัน จึงนิยมนำ Load ประเภทนี้มาปรับปรุงค่า Power Factor ของระบบที่มีค่า Power Factor ล้าหลัง เพื่อให้ค่า Power Factor มีค่าใกล้เคียงหนึ่ง

ปัจจุบัน พื้นฐานความเข้าใจของวิศวกรไฟฟ้าทั่วไปนั้นค่า 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 ดังนั้นการนิยามหรือการคำนวณค่า Power Factor ของระบบที่มีปริมาณฮาร์มอนิก(Harmonic) ในระดับสูงจึงไม่สามารถใช้เฉพาะค่า cos(θ) มาระบุค่า Power Factor ได้

เรามารู้จักกับ Capacitor Bank กัน

Total Power Factor,Displacement PF., Distortion PF.

ในการประเมินค่า Power Factor ของระบบที่มีแรงดันและกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) การระบุค่า Power Factor จะระบุในรูปของ Total Power Factor

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 เมื่อเทียบกับแรงดันแสดงในรูปที่1

รูปที่1แสดงรูปคลื่นแรงดัน (THD_v=0%), รูปคลื่นกระแส (THD_i=100%), θ₁=30°, Displacement PF.= 0.866, Total PF.= 0.61

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 THD_i

กรณีที่มีทั้งแรงดันและกระแสฮาร์มอนิก(Harmonic Current) เกิดขึ้นในระบบ

ในกรณีนี้ Distortion PF. จะมีค่าเท่ากับ

และเมื่อนำค่า THD_v และ THD_i ไปพล็อตกราฟจะได้ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Distortion PF. ค่า THD_v และค่า THD_i

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

สาเหตุที่ต้องปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้สูงขึ้น

อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าต่ำ มีผลทำให้ระบบการจ่ายไฟฟ้ามีคุณภาพต่ำไปด้วย เนื่องจาก ประโยชน์ที่จะได้รับจากกำลังไฟฟ้าจริง (กิโลวัตต์) ในระบบไฟฟ้าจะต่ำ กว่า ซึ่งทำให้การไฟฟ้าจำเป็นต้องเพิ่มขนาดของอุปกรณ์จำหน่ายและอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าให้สูงขึ้น เพื่อให้สามารถรองรับปริมาณพลังไฟฟ้าส่วนที่ไม่จำเป็นหรือรีแอคตีฟ (กิโลวาร์) ที่เกิดขึ้นด้วย อันไม่เป็นผลดีต่อประเทศชาติโดยรวม

เราจะปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้สูงขึ้นได้อย่างไร

เราสามารถทำให้มีค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าสูงขึ้นได้โดยการติดตั้งตัวเก็บประจุไฟฟ้า ( คาปาซิสเตอร์ ) ซึ่งทำหน้าที่จ่ายกำลังไฟฟ้ารีแอคตีฟ (กิโลวาร์ ) แทนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ดังนั้น เมื่อต่อตัวเก็บประจุไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีการสร้างสนามแม่เหล็กที่ก่อให้เกิดกำลังไฟฟ้ารีแอคตีฟ (เช่นมอเตอร์) เข้าด้วยกัน กำลังไฟฟ้ารีแอคตีฟที่จ่ายจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าหรือการไฟฟ้าจะลดลงหรือหมดไปขึ้นอยู่กับปริมาณกำลังไฟฟ้าที่จ่ายโดยตัวเก็บประจุไฟฟ้านั้น

ผลประโยชน์ต่อประชาชนและสิ่งแวดล้อม เมื่อมีการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า

การปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า (Power Factor : PF) สามารถลดกำลังไฟฟ้าสูญเสียและเพิ่มความ สามารถในการรับโหลดของอุปกรณ์ต่างๆ ได้เพิ่มขึ้น ทั้งของผู้ใช้ไฟฟ้า ระบบจำหน่าย ระบบส่งไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งจะเป็นการประหยัดการใช้พลังงานไฟฟ้าของผู้ใช้ไฟฟ้าและของประเทศชาติโดยรวม อันจะก่อให้เกิดการอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้า ซึ่งจะสามารถพิจารณาความสามารถในการอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้า โดยสรุปได้ดังนี้

ผลประโยชน์ที่มีต่อผู้ใช้ไฟฟ้า

1. สามารถประหยัดค่าพลังไฟฟ้ารีแอคตีฟ (กิโลวาร์) ซึ่งผู้ใช้ไฟฟ้าที่มีค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า ที่ต่ำกว่า 0.85 จะต้องเสียค่าปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า ในอัตรา 56.07 บาท/กิโลวาร์ ซึ่งเมื่อผู้ใช้ไฟฟ้าปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้มีค่ามากกว่า 0.85 จะทำให้ผู้ใช้ไฟฟ้าสามารถประหยัดค่าไฟฟ้าในส่วนนี้ลงได้

2. ผู้ใช้ไฟฟ้าสามารถประหยัดการลงทุนในการขยายระบบไฟฟ้าลงได้ เนื่องจากเมื่อมีการปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแล้วจะเป็นการเพิ่มความสามารถของสายไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้าในการรับโหลด ได้เพิ่มขึ้น

3. เมื่อมีการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแล้ว จะเป็นการลดกำลังไฟฟ้าสูญเสียในสายไฟฟ้าและหม้อแปลง อีกทั้งแรงดันไฟฟ้าตกจะน้อยลง (แรงดันไฟฟ้าดีขึ้น) ซึ่งผลข้างต้นจะนำมาซึ่งประโยชน์ต่อผู้ใช้ไฟฟ้าที่สามารถประหยัดค่าไฟฟ้าลงได้ และยังเป็นการเพิ่ประสิทธิภาพของการจ่ายไฟฟ้าของระบบไฟฟ้า ที่สามารถแสดงได้เป็นรูปธรรมที่ชัดเจน

ผลประโยชน์ที่มีต่อส่วนรวม

1. การปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้มากกว่า 0.85 จะทำให้ระบบอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบไฟฟ้าสามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าได้เพิ่มขึ้น จะเป็นการประหยัดการลงทุนในการขยายระบบไฟฟ้า

2. ผลที่เกิดขึ้นเมื่อมีการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าต่อส่วนรวม นั้นก็คือ การสามารถประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ โดยสามารถลดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าที่เกิดเนื่องจากการลดค่ากระแสไฟฟ้าในสายส่งและอุปกรณ์ ในระบบจำหน่ายไฟฟ้า ของการไฟฟ้านครหลวง การไฟฟ้าส่วนภูมิภาคและการไฟฟ้าฝ่ายผลิต ซึ่งเป็นการประหยัดค่าพลังงานไฟฟ้าโดยรวมของประเทศได้