- หน้าแรก
- คลังความรู้
- อนุกรมฟูเรียร์
- แก้ฮาร์มอนิก
// บทที่ 14.12 · อนุกรมฟูเรียร์ · Harmonic Mitigation
แก้ปัญหาฮาร์มอนิก: รีแอกเตอร์ เรโซแนนซ์ คาปาซิเตอร์ดีจูน ฟิลเตอร์จูน ฟิลเตอร์แอกทีฟ และ PFC
ทุกวิธีแก้ฮาร์มอนิกคือการจัดการกับอิมพีแดนซ์ที่แต่ละความถี่ เพิ่มอิมพีแดนซ์ในทางที่ฮาร์มอนิกจะไหลไปหาการไฟฟ้า หรือสร้างทางอิมพีแดนซ์ต่ำให้มันไหลวนอยู่ใกล้โหลด หรือหักล้างมันด้วยกระแสตรงข้าม หน้านี้เริ่มจากความผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในโรงงานไทย คือการใส่คาปาซิเตอร์แก้ PF ในระบบที่มีไดรฟ์ แล้วไล่ไปทุกวิธีพร้อมตัวเลขจากแล็บ
- รีแอกเตอร์ 3–5 % ลด THD ของไดรฟ์จาก ~80 % เหลือ ~35 % ราคาถูกที่สุด ทำก่อน
- คาปาซิเตอร์เปล่า + หม้อแปลง → เรโซแนนซ์ที่ อันตรายถ้าใกล้ 5, 7, 11
- ดีจูน: , จูนที่ (7 % → 3.78) ฟิลเตอร์จูน: จูนที่ 4.7
- ต้องการ THD < 5–8 %: 12/18 พัลส์ ฟิลเตอร์แอกทีฟ หรือ Active Front End / PFC
ภาพรวม: ลดที่ต้นเหตุ ปิดทาง หรือดักไว้ พื้นฐาน
| วิธี | หลักการ (มุมมองฟูเรียร์) | THD กระแสที่ได้ (โดยประมาณ) | ข้อควรระวัง |
|---|---|---|---|
| รีแอกเตอร์ไลน์ / โช้ก DC | เพิ่ม ทำให้พัลส์กว้างขึ้น ฮาร์มอนิกลด | 30–40 % | แรงดันตก 3–5 % |
| 12 / 18 พัลส์ | หักล้างด้วยการเลื่อนเฟส 30° / 20° | 8–15 % | ต้องโหลดสมดุล หม้อแปลงพิเศษ |
| ฟิลเตอร์จูน (passive) | ทางอิมพีแดนซ์ต่ำที่ ใกล้โหลด | 10–20 % | ให้ kvar ด้วย อาจ PF นำหน้าตอนโหลดเบา |
| คาปาซิเตอร์ดีจูน | ย้ายเรโซแนนซ์ไปต่ำกว่า 5th | ไม่ลดมาก แต่ไม่ขยาย | ใช้แทนคาปาซิเตอร์เปล่าเสมอเมื่อมีไดรฟ์ |
| ฟิลเตอร์แอกทีฟ | ฉีดกระแส หักล้างทุกฮาร์มอนิก | < 5–8 % | ราคาสูง ต้องเลือกพิกัดกระแสพอ |
| Active PFC / Active Front End | บังคับให้กระแสเป็นไซน์ตามแรงดัน | < 5 % | ต้องเปลี่ยนตัวอุปกรณ์ |
รีแอกเตอร์ไลน์และโช้ก DC กลาง
ไดรฟ์ที่มีตัวเก็บประจุ DC ชาร์จเป็นพัลส์แคบเพราะมีแค่อิมพีแดนซ์สายกั้น เพิ่มความเหนี่ยวนำทำให้กระแสเพิ่มช้าลง พัลส์กว้างและเตี้ยลง ตามหลักความเรียบ (P8) ฮาร์มอนิกจึงลดลงมาก
M1 Line reactor sizing ขนาดรีแอกเตอร์จาก %Z
%Z คือแรงดันตกคร่อมรีแอกเตอร์ที่กระแสพิกัดเทียบแรงดันเฟส · โช้ก DC ให้ผลใกล้เคียงรีแอกเตอร์ 3–5 % ไม่มีแรงดันตกด้าน AC และตัวเล็กกว่า
ไดรฟ์ 11 kW กระแสฮาร์มอนิกหลักพิกัด 15.9 A ต้องการรีแอกเตอร์ 3 % หาค่า L และผลต่อ THD (Isc/IL = 100)
M1: → mH ต่อเฟส
จำลองในแล็บ (VFD, C = 1000 µF): ไม่มีรีแอกเตอร์ THD 83.5 % PF 0.75 · รีแอกเตอร์ 3 % THD 34.5 % PF 0.94 · 5 % THD 32.0 % · โช้ก DC 2 mH THD 37.2 %
1.38 mH ลด THD จาก 84 % เหลือ 35 % และ PF จาก 0.75 เป็น 0.94 จาก 3 % ไป 5 % ได้เพิ่มน้อย (กฎผลตอบแทนลดลง) ยังไม่ผ่าน IEEE 519 ถ้าไดรฟ์เป็นโหลดหลักของหม้อแปลง
เรโซแนนซ์ขนาน: เมื่อคาปาซิเตอร์แก้ PF กลายเป็นตัวขยายฮาร์มอนิก กลาง
มองจากโหลดที่ปล่อยกระแสฮาร์มอนิก มีสองทางให้ไหล: ไปทางหม้อแปลง ( โตตาม h) หรือเข้าคาปาซิเตอร์ ( เล็กลงตาม h) สองทางนี้ขนานกัน ที่ความถี่ที่รีแอกแตนซ์เท่ากันพอดี อิมพีแดนซ์ขนานพุ่งสูงมาก กระแสฮาร์มอนิกเพียงเล็กน้อยสร้างแรงดันฮาร์มอนิกมหาศาล และกระแสไหลวนระหว่างคาปาซิเตอร์กับหม้อแปลงมากกว่ากระแสที่โหลดปล่อยออกมาหลายเท่า
M2 Parallel resonance order ลำดับฮาร์มอนิกที่เกิดเรโซแนนซ์
กำลังลัดวงจรที่จุดต่อ ขนาดคาปาซิเตอร์ อิมพีแดนซ์หม้อแปลง (ต่อหน่วย) · คาปาซิเตอร์แบบสเต็ป (APFC) ทำให้ เปลี่ยนตามจำนวนสเต็ปที่เปิด ต้องตรวจทุกสเต็ป
M3 Amplification near resonance ตัวคูณการขยาย
ไม่คิดการหน่วง ที่ เป็นอนันต์ จริง ๆ ถูกจำกัดด้วยความต้านทานและโหลดเชิงเส้นอื่น มักได้ 3–10 เท่า
หม้อแปลง 1000 kVA อิมพีแดนซ์ 6 % (ไม่คิดต้นทาง) ต่อคาปาซิเตอร์ (ก) 400 kvar (ข) 600 kvar เรโซแนนซ์ที่ฮาร์มอนิกไหน
ยิ่งเพิ่มสเต็ปคาปาซิเตอร์ (kvar มากขึ้น) เรโซแนนซ์ยิ่งเลื่อนลงมาหา 5 ซึ่งเป็นฮาร์มอนิกที่ไดรฟ์ปล่อยมากที่สุด อาการหน้างาน: คาปาซิเตอร์ร้อน บวม ฟิวส์ขาดเป็นประจำ แรงดันเพี้ยนเมื่อสเต็ปเพิ่ม แก้โดยเปลี่ยนเป็นดีจูน
ไดรฟ์ไทริสเตอร์ 100 kW α = 45° (Isc/IL = 25) ใส่คาปาซิเตอร์ 100 kvar แบบเปล่า เทียบกับดีจูน 7 % และฟิลเตอร์จูน 4.7
ไม่มีคาปาซิเตอร์: PF 0.67, THD กระแส 29 %, THD แรงดัน 13.2 %
คาปาซิเตอร์เปล่า: เรโซแนนซ์ที่ h = 5.99 · กระแสที่ 5 และ 7 ที่ฝั่งการไฟฟ้าขยาย 2.9 และ 2.4 เท่า · THD กระแส 94 % THD แรงดัน 15.4 % · PF ขึ้นแค่ 0.70
ดีจูน 7 %: THD กระแส 26 % THD แรงดัน 9.5 % PF 0.96
ฟิลเตอร์จูน 4.7: กระแสที่ 5 เหลือ 17 % ของที่โหลดปล่อย THD กระแส 18 % THD แรงดัน 8.0 % PF 0.98
kvar เท่ากัน แต่ผลต่างกันสุดขั้ว คาปาซิเตอร์เปล่าแทบไม่ช่วย PF (เพราะความเพี้ยนเพิ่ม D) และทำให้ทุกอย่างแย่ลง ดีจูนและฟิลเตอร์จูนให้ทั้ง kvar และลดฮาร์มอนิก กดปุ่มด้านล่างเพื่อลองเอง
คาปาซิเตอร์ดีจูน 7 % และ 14 % กลาง
M4 Detuned capacitor bank ชุดคาปาซิเตอร์ดีจูน
p = 7 % → = 3.78 (189 Hz) · p = 14 % → 2.67 (134 Hz, ใช้เมื่อมีฮาร์มอนิกที่ 3 เยอะ) · แรงดันคร่อมคาปาซิเตอร์สูงกว่าไฟ 7.5 % (p = 7 %) จึงต้องใช้คาปาซิเตอร์พิกัด 440–480 V ในระบบ 400 V และ kvar บนป้ายจะไม่ใช่ kvar ที่ได้จริง
ระบบ 400 V ต้องการ 50 kvar สุทธิต่อสเต็ป ใช้ดีจูน 7 % หา , , L, C (ต่อเฟสแบบ Y) แรงดันคร่อม C และ kvar บนป้ายถ้าใช้คาปาซิเตอร์พิกัด 480 V
M4: → ,
mH · F (Y เทียบเท่า)
V · kvar บนป้ายที่ 480 V: kvar
จูนที่ Hz ต่ำกว่า 250 Hz ของฮาร์มอนิกที่ 5
L = 0.77 mH, C = 925 µF/เฟส (Y), สั่งคาปาซิเตอร์ 67 kvar 480 V + รีแอกเตอร์ 7 % ได้ 50 kvar จริงที่ 400 V · ผู้ผลิตขายเป็นชุดสำเร็จ แต่ต้องรู้ที่มาเพื่อตรวจสเปกได้
ฟิลเตอร์จูนเดี่ยว (single-tuned): ออกแบบทีละขั้น กลาง
M5 Single-tuned filter ฟิลเตอร์จูนเดี่ยว
เลือก จาก kvar ที่ต้องการแก้ PF ก่อน แล้วจูนที่ ≈ 0.94–0.96 ของฮาร์มอนิกเป้าหมาย (4.7 สำหรับ 5th) · 30–100
M6 How much the filter absorbs สัดส่วนกระแสที่ฟิลเตอร์ดักได้
ฟิลเตอร์ต้องทนกระแสหลัก บวกฮาร์มอนิกที่ดักไว้ (รวมแบบ RMS) และฮาร์มอนิกที่ “ไหลมาจากโหลดอื่น” ในระบบด้วย
ไดรฟ์ไทริสเตอร์ 100 kW (Q₁ ≈ 100 kvar) ระบบ 400 V ออกแบบฟิลเตอร์จูนที่ 4.7 ขนาด 100 kvar = 40
· M5: ·
mH · F (Y เทียบเท่า) · mΩ
แรงดันคร่อม C: V → ใช้คาปาซิเตอร์พิกัด 440 V ขึ้นไป · กระแสหลัก A
แล็บ (Isc/IL = 25): ฟิลเตอร์ดักกระแสที่ 5 ได้ 35 A กระแสที่ 5 ที่เหลือไปหาการไฟฟ้า 17 % THD กระแส 18 % PF 0.98
L = 0.24 mH, C = 1.9 mF/เฟส, R ≈ 9 mΩ, กระแสพิกัด ≈ √(144² + 35²) ≈ 148 A · ฮาร์มอนิกที่ 7 ยังเหลือ ถ้าต้องการต่ำกว่านี้เพิ่มฟิลเตอร์ 7th หรือ high-pass
ฟิลเตอร์แอกทีฟ Active PFC และ Active Front End กลาง
M7 Shunt active filter ฟิลเตอร์แอกทีฟขนาน
อินเวอร์เตอร์ที่วัดกระแสโหลด แยกฟูเรียร์ (หรือวิธีเทียบเท่าในเวลาจริง) แล้วจ่ายกระแสตรงข้าม เหลือแค่ฮาร์มอนิกหลักไหลไปหาการไฟฟ้า แล็บ: VFD 11 kW THD 84 % → 8 % ที่ประสิทธิผล 90 %
M8 Active PFC / Active Front End บังคับให้กระแสเป็นไซน์
บูสต์คอนเวอร์เตอร์ด้านเข้าควบคุมกระแสตามรูปแรงดัน จำเป็นสำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้ากำลังสูงที่ต้องผ่าน IEC 61000-3-2 · แล็บ: SMPS มี PFC THD 3.6 % PF 0.999
เช็กลิสต์แก้ปัญหาหน้างาน: อาการ → วัดอะไร → สาเหตุ → แก้ พื้นฐาน
ใช้เครื่องวิเคราะห์กำลังไฟฟ้า (หรือแล็บด้านล่างเพื่อฝึก) วัดทีละจุด อ่านสเปกตรัม แล้วไล่ตามตารางนี้
| อาการ | วัดอะไร | ถ้าเห็นแบบนี้ → สาเหตุ | แก้ | ลองในแล็บ |
|---|---|---|---|---|
| สายนิวทรัลร้อน | , ทุกเฟส | > กระแสเฟส, h = 3 เด่น → โหลดอิเล็กทรอนิกส์ 1 เฟส | นิวทรัล 200 %, ซิกแซก, PFC | |
| หม้อแปลงร้อน แต่ kW ไม่เต็ม | THDI, K-factor, S | K > 4, S ≫ P → กระแสวนจากฮาร์มอนิก | K-rated, ลดพิกัด, ลด THD | |
| คาปาซิเตอร์บวม ฟิวส์ขาด | THDV เมื่อเปิดแต่ละสเต็ป, | THDV เพิ่มเมื่อเพิ่มสเต็ป → เรโซแนนซ์ M2 | ดีจูน 7 %/14 % | |
| PF ต่ำ ทั้งที่ติดคาปาซิเตอร์แล้ว | PF เทียบ DPF | DPF ≈ 1 แต่ PF ต่ำ → ความเพี้ยน (D) | ลดฮาร์มอนิก ไม่ใช่เพิ่ม kvar | |
| ไม่ผ่าน IEEE 519 ที่ PCC | TDD, % ของ | 5, 7 เด่น → ไดรฟ์ 6 พัลส์ | รีแอกเตอร์ → ฟิลเตอร์ → AF/AFE | |
| มิเตอร์สองเครื่องอ่านไม่ตรงกัน | crest factor | CF > 2 → เครื่องหนึ่งไม่ใช่ True RMS | ใช้ True RMS | |
| มอเตอร์ร้อน สั่น ทั้งที่โหลดปกติ | THDV, | ลำดับลบ → แรงบิดต้าน | ลดแหล่งฮาร์มอนิก ฟิลเตอร์ | |
| มีฮาร์มอนิกคู่หรือ DC | , | ไม่สมมาตรครึ่งคลื่น → ไดโอดเสีย/เรียงกระแสครึ่งคลื่น | ตรวจอุปกรณ์ S4 | — |
แล็บ: ลองแก้เองทีละวิธี พื้นฐาน
เริ่มจาก “⚠ คาปาซิเตอร์แก้ PF เรโซแนนซ์” อ่านแผงแปลผลอัตโนมัติ แล้วเปิดเมนู “แก้ปัญหาฮาร์มอนิก” เปลี่ยนเป็นดีจูน 7 % หรือฟิลเตอร์จูน ดูสเปกตรัมและ THD เปลี่ยน ลองไดรฟ์ VFD แล้วเพิ่มรีแอกเตอร์ โช้ก DC และฟิลเตอร์แอกทีฟ เปรียบเทียบกับขีดจำกัด IEEE 519 บนกราฟ
คำถามที่พบบ่อย
ทำไมคาปาซิเตอร์แก้ PF ระเบิดหรือฟิวส์ขาดบ่อยในโรงงานที่มีไดรฟ์?
คาปาซิเตอร์กับรีแอกแตนซ์ของหม้อแปลงเกิดเรโซแนนซ์ขนานที่ ถ้า h_r ใกล้ฮาร์มอนิกที่ 5 หรือ 7 ที่ไดรฟ์ปล่อยออกมา กระแสฮาร์มอนิกจะถูกขยายหลายเท่าไหลวนระหว่างคาปาซิเตอร์กับหม้อแปลง คาปาซิเตอร์ร้อนเกินและแรงดันเพี้ยนสูง แก้ด้วยคาปาซิเตอร์ดีจูน
คาปาซิเตอร์ดีจูน 7 % คืออะไร?
คือคาปาซิเตอร์ที่ต่อรีแอกเตอร์อนุกรมให้ ของ ทำให้ชุดนี้เรโซแนนซ์อนุกรมที่ เท่าของความถี่หลัก (189 Hz ที่ 50 Hz) ต่ำกว่าฮาร์มอนิกที่ 5 ชุดคาปาซิเตอร์จึงเป็นอินดักทีฟที่ 250 Hz ขึ้นไป ไม่เกิดเรโซแนนซ์กับฮาร์มอนิกของไดรฟ์ ใช้ 14 % เมื่อมีฮาร์มอนิกที่ 3 มาก
รีแอกเตอร์ไลน์ 3 % ลด THD ของไดรฟ์ได้เท่าไร?
ไดรฟ์ 6 พัลส์ที่มีตัวเก็บประจุ DC และไม่มีรีแอกเตอร์มี THD กระแสราว 80–100 % ขึ้นกับความแข็งของระบบ รีแอกเตอร์ 3 % ลดเหลือราว 35–40 % และ 5 % ราว 30–35 % ในแล็บของชุดนี้ไดรฟ์ 11 kW ที่ Isc/IL = 100 ได้ 83.5 %, 34.5 % และ 32.0 %
ฟิลเตอร์จูนทำไมจูนที่ 4.7 ไม่ใช่ 5 พอดี?
เผื่อความคลาดเคลื่อนของค่า C ที่ลดลงตามอายุ (ทำให้ความถี่จูนเลื่อนขึ้น) และเพื่อไม่ให้เรโซแนนซ์ขนานที่อยู่ต่ำกว่าความถี่จูนเลื่อนมาชนฮาร์มอนิกที่ 5 พอดี จูนต่ำกว่าเล็กน้อยยังดักกระแสที่ 5 ได้ดีและปลอดภัยกว่า