เขียนโดย CM.
Capacitor Bank
ถ้าจะพูดถึงโหลดของวงจรไฟฟ้าในทั่วไปแล้วหละก็ เราก็จะนึกถึง ตัวความต้านทาน ( Reactant ) , ตัวเหนียวนำ ( Inductor ) และ ตัวเก็บประจุ ( Capacitor ) ซึ่งแต่ละตัวก็มีคุณสมบัติในการใช้งานที่แตกต่างกันออกไป แต่ 1 ใน 3 ตัวนี้ มีอยู่ 1 ตัวที่ไม่เหมือนใคร คือสามารถทำหน้าที่เป็นได้ทั้ง โหลด และ ตัวจ่ายพลังงานไฟฟ้าออกไป นั้นคือตัว Capacitor ความพิเศษนี้ของตัว Capacitorนี้ ทำให้มันมีความน่าสนใจในการนำเสนอ เราลองมาดูเรื่องเกี่ยวกับ Capacitor กัน
Capacitor Bank คืออะไร
ถ้าจะพูดถึง Capacitor แล้วเราก็จะรู้จักมันในชื่อภาษาไทยว่า “ตัวเก็บประจุ“ หน้าที่ของมันก็ตามชื่อที่ได้รับ คือการเก็บประจุ และคายประจุออกมาให้แก่ระบบ ซึ่งในตามปกติของบุคคลทั่วไปที่ได้ศึกษาระบบไฟฟ้าเบื้องต้นมาก็จะนึกตัวเก็บประจุตัวเล็กๆที่ติดตั้งบนบอร์ดหรือวงจร อิเลคทรอนิก แต่ถ้าอยู่ในภาคไฟฟ้ากำลังแล้วมันจะหมายถึง ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ที่จ่ายพลังงานออกเพื่อมาใช้ทดแทนพลังงานที่สูญเสียไปในระบบ ซึ่งเราเรียกว่า Capacitor Bank ซึ่งมีน้อยคนที่จะรู้จัก ถ้าไม่ได้มาเกี่ยวข้องกับมัน โดยทั่วไปแล้ว Capacitor ที่มีขนาดเล็กในวงจรอิเลคทรอนิก จะมีหน่วยเป็น ฟารัด ( Farad ) หรือ อักษรย่อคือ F ส่วนตัว Capacitor Bank นั้นก็มีหน่วยเป็น Farad เช่นกัน แต่ผู้คนส่วนมากจะนิยมใช้หน่วยของ Capacitor Bank เป็น VAR มากกว่า ซึ่ง VAR นั้นเป็นหน่วยของพลังงานที่ Capacitor จ่ายออกมานั้นเอง เราสามารถแปลงหน่วย Farad เป็น VAR ได้ตามสมการดังนี้
โดยที่เราให้ XC คือ ค่าความต้านทานของตัวเก็บประจุ หน่วยเป็น ohm
C คือ ตัวเก็บประจุ หน่วยเป็น Farad
Q คือพลังงาน ที่ตัวเก็บประจุจ่ายให้ระบบ หน่วยเป็น VAR
— จากสูตรหาความต้านทานของ Capacitor คือ XC = 1/(2pfC)
และจากสูตรหาพลังงานของ Q = (V2/XC ) Sinf ( จะกล่าวถึงในหัวการหาค่า Power Factor )
— ดังนั้นจะได้ว่า Q = V2(2pfC) Sinf
ทำไม พลังงานของ Capacitor จึงมีเป็นหน่วย VAR เพราะ ความต้านทานของ Capacitor นั้น เป็นความต้านทานในส่วนจินตภาพของระบบไฟฟ้าซึ่งเป็นความต้านทานที่เกิดจากอำนาจสนามแม่เหล็ก ซึ่งไม่สามารถวัดค่าได้ตอนในตอนที่ระบบทำงาน เราจึงเรียกพลังงานที่เกิดขึ้นจาก Capacitor ว่า พลังงานในส่วนจินตภาพ หรือ พลังงานรีแอคทรีพพาวเวอร์ ( Reactive Power ) พลังงานนี้ส่วนมากจะเกิดขึ้นในสภาพของ พลังงานที่สูญเสียไปในระบบเวลาใช้งานจริงในรูปของความร้อนที่เกิดขึ้นในสายตัวนำบ้าง หรือ ในรูปแบบพลังงานที่นำไปสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในอุปกรณ์พวกตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งการนำ Capacitor Bank ไปใช้นั้น เราจะนำไปใช้เพื่อทดแทนพลังงานพวกนี้ เพื่อปรับปรุงค่าๆหนึ่งซึ่งเรารู้จักในชื่อของ Power Factor ซึ่งเป็นค่าที่สำคัญในทางไฟฟ้า โดยที่การไฟฟ้าในบ้านเราได้กำหนดค่าๆนี้จจะต้องมีค่าเกิน 0.85 ขึ้นไปในโรงงาน หรือตึก อาคาร ที่มีการติดตั้งหม้อแปลง อยู่ด้วย
—
นวณหา ค่า Power Factor และ การปรับปรุงค่า Power Factor
ถ้าจะพูดถึงค่า Power Factor นั้น เราจะสามารถอธิบายในรูปแบบการจ่ายพลังานแก่ระบบซึ่งง่ายต่อการเข้าใจ โดยระบบจะประกอบไปด้วย หม้อแปลงซึ่งเป็นตัวจ่ายพลังงานให้แก่ระบบหรือโหลด ซึ่งโหลดที่ต้องมีการปรับปรุงค่า Power Factor นั้นคือ โหลดพวกตัวเหนี่ยวนำ ( Inductive load ) ตามรูป
จากรูปเรา จะเห็นได้ว่า หม้อแปลงได้มีการจ่ายพลังงานออกไปสองส่วน คือ ส่วนที่เป็น Active power หรือที่เราเรียกว่า พลังงานที่ใช้จริงซึ่งมีหน่วยเป็น Watts และอีกส่วนคือ Reactive Power หรืออีกชื่อคือ Loss power คือพลังงานที่สูญไปในการสร้างกระแสแม่เหล็ก หรือกระแสเหนี่ยวนำซึ่งเกิดขึ้นในการทำงานของตัวเหนียวนำซึ่งมีหน่วยเป็น VAR โดยเมื่อเราเอาพลังงานทั้ง สองมารวมกันเราจะเรียกว่า Apparent Power คือพลังงานที่เกิดขึ้นจริงมีหน่วยเป็น VA ซึ่งจะได้สมการพลังงานรวมเป็น
ซึ่ง S แทน Apparent Power ( VA )
P แทน Active Power ( Watts )
Q แทน Reactive Power ( VAR )
ซึ่งจากสมการแสดง ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานนั้น มีความสัมพันธ์กันในเชิงตรีโกรณมิติ ซึ่งแสดงได้ดังรูปต่อไปนี้
ซึ่ง ค่า cos f = P / S = ค่า Power Factor นั้นเอง เมื่อเราดูจากรูปแล้วสังเกตว่าถ้าเราลดขนาดของ Q (Var) ลงจะให้ค่า Power Factor มีค่ามากขึ้นดังนั้นการปรับปรุงค่า Power Factor จึงต้องปรับค่า Reactive Power ให้มีค่ามากขึ้น และสิ่งที่สามารถจ่ายค่า Var ในให้ระบบได้คือตัว Capacitor นั้นเอง ซึ่งในทางไฟฟ้ากำลังจะต้องจ่าย Reactive Power เป็นจำนวนมาก ซึ่ง Capacitorที่สามารถจ่ายพลังงานชดเชยตรังนี้ได้ต้องมีขนาดใหญ่ ซึ่งเราเรียกว่า Capacitor Bank นั้นเอง ซึ่งการจะปรับปรุงค่า Power Factor นั้นเราจะต้องหาขนาดของ Capacitor Bank ว่ามีขนาดเท่าไรให้ได้ค่า Power Factor ใหม่ตามที่กำหนดไว้ โดยการคำนวณนั้นสามารถอธิบายได้ดังต่อไปนี้ จากรูปที่ 2 เราจะได้สมการว่า Q = P (tan f) ซึ่งถ้าเรามีการปรับปรุงค่า Power Factor โดยการติดตั้ง Capacitor Bank เข้าไป โดยแทน QC เป็นพลังงานที่ Capacitor Bank ที่ติดตั้งเข้าไปจ่ายให้ระบบ
Q1 เป็นพลังงาน Reactive ก่อนติดตั้ง Capacitor Bank
Q2 เป็นพลังงาน Reactive ที่ติดตั้ง Capacitor Bank เข้าไปแล้วเราจะได้รูปใหม่เป็น
ซึ่งจะได้ ค่าของ Capacitor Bank ที่ตั้งเข้าไปเป็น ตามสมการ
QC = P (Tan f 1 - Tan f 2) และค่า Power Factor ใหม่เป็น Cos f2 = P / S2 นั้นเอง
ดังนั้นเราสามารถสรุปสูตรที่เกียวของกับการปรับปรุงค่า Power Factor ได้ดังนี้
Active Power (watt) P = V . I cos f
Reactive Power (VAR) Q = V . I sin f = ( V2/XC ) Sinf
Apparent Power (VA) S = V . I
Power Factor Cos f = P / S
จากที่สูตรคำนวณที่ได้กล่าวมาแล้ว เราจะสามารถหาค่าของ Capacitor Bank ที่เหมาะสมเพื่อติดตั้งเข้าไปในระบบที่มีการปรับปรุงค่า Power Factor ได้ ตัวอย่างเช่น โรงงานแห่งหนึ่งมีค่า Power Factor ของระบบโดยรวมคือ 0.65 โรงงานการได้มีนโยบายในการปรับปรุงระบบไฟฟ้าให้มีประสิทธิ์ภาพในการทำงานให้ดีขึ้น โดยต้องการปรับค่า Power Factor จากเดิม เปลี่ยนเป็น 0.95 ดังนั้นจะต้องติดตั้ง Capacitor Bank เข้าไปเพื่อชดเชยพลังงานขนาดเท่าไร โดยโรงงานใช้ไฟฟ้า ที่หม้อแปลง 1000 KVA
วิธีคิด จากสูตร P = S cos f 1 ( ในที่นี้ S = 1,000 KVA , cos f 1= 0.65 )
P = 1,000 * 0.65 = 650 KW
จากสูตร QC = P (Tan f 1 - Tan f 2) โดย cos f 2 = 0.95
QC = 650 (1.17 - 0.33 ) = 546 KVAR
แสดงว่า เราต้องติด Capacitor Bank เข้าไปในระบบ ขนาด 546 KVAR เพื่อปรับปรุง ค่า Power Factor จากเดิมที่ 0.65 เป็น 0.95 ถึงจะได้ค่า Power Factor ใหม่ที่เราต้องการ เมื่อเราสามารถคำนวณหาค่า Capacitor Bank ถึงวิธีการตั้ง Capacitor กันนะครับ
การติดตั้ง Capacitor Bank
การติดตั้ง Capacitor Bank เพื่อปรับปรุงค่า Power Factor นั้นมีอยู่ 4 รูปแบบหลักๆแต่ละรูปแบบก็มีควาเหมาะสมในการติดตั้งที่แตกต่างกันออกไป
1. Individual Correction คือการติด Capacitor Bank เข้าไปที่โหลดโดยตรง วิธีนี้ได้ผลเรื่องการปรับค่า Power Factor มากที่สุด แต่จะสิ้นเปลืองมากเนื่องจากว่าจะต้องติดเข้าไปที่โหลดแต่ละตัวโดยตรง จะต้องกำหนดค่าของ Capacitor ที่ติดตั้งแต่จุดตายตัวและโหลดห้ามมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานทีโหลดใช้ในแต่ละตัว จึงเหมาะสมกับอุปกรณ์ที่มีการใช้พลังงานมากๆและทำงานต่อเนื่อง
รูป Single line ในการติดตั้งแบบ Individual Correction
2. Group Correction คือการติด Capacitor Bank เข้าไปที่โหลดโดยกำหนดโหลดให้เป็นกลุ่ม ซึ่งวิธีนี้ได้ผลเรื่องการปรับค่า Power Factor พอสมควร และสิ้นเปลืองน้อยกว่าวิธีแรก แต่ก็ยังต้องกำหนดค่าของ Capacitor ที่ติดตั้งแต่ในละกลุ่มให้ตายตัวและโหลดทั้งหมดภายในกลุ่มจะต้องทำงานพร้อมกันตลอดเวลา ซึ่งวิธีนี้เหมาะสมกับโหลดที่มีขนาดเท่าๆกันหลายๆตัวมาต่อรวมและทำงานพร้อมกันตลอดเวลา
รูป Single line ในการติดตั้งแบบ Group Correction
3. Central Correction คือการติด Capacitor Bank เข้าไปที่ส่วนต้นของระบบเพื่อควบคุมค่า Power Factor ทั้งระบบ ซึ่งวิธีนี้จะต้องใช้ร่วมกับ Magnetic Contractor สำหรับ Capacitor ( ตามมาตราฐาน Ac-6b ) , HRC FUSE และ ตัว Power Factor Controller ที่เรารูจักในชื่อย่อว่า PFC เพื่อควบคุมการทำงาน ของCapacitor เพื่อให้ได้ค่า Power Factor ตามที่ต้องการ โดยวิธีนี้จะควบคุมแบเป็นแบบ อัตโนมัติ ซึ่งเป็นวิธีที่เรานิยมใช้กันมากที่สุดในเวลานี้
รูปSingle line ในการติดตั้งแบบ Central Correction
4. Total Correction คือ การนำวิธีทั้งสามมาใช้พร้อมกันตามจุที่เห็นสมควรซึ่งวิธีนี้จะสามารถค่า Power Factor ได้ดีที่สุด แต่ก็สิ้นเปลืองมากพอสมควร
รูป Single line ในการติดตั้งแบบ Total Correction
ซึ่งวิธีการตั้งที่กล่าวมานี้ ในปัจจุบันที่เราเห็นกันส่วนใหญ่จะเป็นแบบ Central Correction เนื่องจากว่าเป็นวิธีสะดวกสบายที่สุด และสามารถควบคุม Power Factor ได้ทั้งระบบ เนื่องจากว่าการไฟฟ้าได้กำหนดให้ค่า Power Factor ต้องมากกว่า 0.85 โดยเปรียบเทียบกับระบบเป็นหลัก ซึ่งวิธีแบบนี้จะมีการแบ่ง Capacitor Bank ออกเป็น ช่วงๆ หรือที่เราเรียกกันว่า Step นั้นเอง โดยการแบ่ง Step ของ Capacitor Bank นั้นในปัจจุบันทั่วๆไป เราจะแบ่งเป็น Step แต่ละ Step ออกมาเท่าๆกัน โดยคำนวณจากขนาด Capacitor ที่เราคำนวณได้ จากความต้องการปรับปรุงค่า Power Factor ที่ได้กล่าวไว้ในข้อต้นแล้ว คิดที่ 5% - 10% เช่นจากตัวอย่าง เราได้ค่า QC = 546 KVAR เราจะแบ่งเป็น Step ได้ 11 Step โดยแต่ละ Step มีขนาด 50 KVAR เป็นต้น ซึ่งวิธีการคำนวณแบบนี้ในบ้านเราจะนิยมใช้กันแพร่ซึ่งเป็นวิธีที่ง่าย และไม่ยุ่งยาก แต่ที่จริงแล้วการแบ่ง Step ของ Capacitor ที่ถูกต้องจริงๆไม่จำเป็นต้อง ที่แต่ละ Step จะต้องมีขนาดเท่ากันทั้งหมด ซึ่งวิธีนี้มีชื่อเรียกว่า Automatic Power Factor Correction (APFC) Systems ซึ่งจะกล่าวถึงในเล่มถัดไป
ยทความถัดไปจะกล่าวถึงวิธีการคำนวณ Capacitor Bank ที่ใช้ในVoltage ที่แตกต่างกันไป , การคำนวณหากระแสที่ใช้กับ Capacitor Bank ,จะกล่าวถึงอุปกรณ์ที่นำมาใช้ว่าจะต้องคำนวณหากระแสอย่างไรให้เหมาะสม , รวมถึงคำถามที่ว่า ทำไมเวลาหาขนาดของ Capacitor ในระบบต้องคิดที่ 30% จากหม้อแปลง และ Capacitor Bank แต่และแบบมีข้อดีเสียแตกต่างกันอย่างไร........
ปล. ข้อมูลนี้ผมเขียนไว้ปี 2552 ตอนเริ่มทำงานเรื่อง CAPACIOTR BANK ส่วนบทต่อไปจะเป็นส่วนปัจจุบันที่ผมจะเริ่มเขียนหลังจากอยู่กับ CAPACITOR มาสี่ปีเต็มๆ