การปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้า

จำนวนผู้เยี่ยมชมหน้านี้

              โดยทั่วไปอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ในอาคารหรือโรงงานนั้นต้องอาศัยทั้งกำลังไฟฟ้าจริง และกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ เพื่อใช้ในการทำงาน อัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าจริงต่อกำลังกำลังไฟฟ้าที่ปรากฏเรียกว่า ค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า ของอุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละชนิดหรือของอาคารหรือโรงงานโดยรวม หากค่าตัวประกอบไฟฟ้ามีค่าต่ำย่อมหมายความว่า มีความต้องการใช้กำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟสูงเมื่อเทียบกับกำลังไฟฟ้าจริง ซึ่งจะก่อผลเสียให้เกิดกำลังสูญเสียในอุปกรณ์หรือระบบส่งจ่ายไฟฟ้าสูงด้วยเช่นกัน ดังนั้นหากปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม ก็สามารถลดกำลังสูญเสียลงได้ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าจึงเป็นปัจจัยที่สำคัญ เพราะเป็นปัจจัยที่ทำให้ค่าใช้จ่ายต่าง ๆ เพิ่มขึ้นหรือลดลงได้ ระบบไฟฟ้าที่มีตัวประกอบกำลังไฟฟ้าต่ำจะมีความสูญเสียในระบบมาก การแก้ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้สูงขึ้นจำเป็นต้องพิจารณาถึงเงินลงทุนอุปกรณ์ต่างๆที่นำมาแก้ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเทียบกับค่าใช้จ่ายที่ประหยัดได้จากการแก้ตัวประกอบกำลังไฟฟ้า การติดตั้งตัวเก็บประจุ หรือคาปาซิเตอร์เพื่อแก้ตัวประกอบกำลังไฟฟ้า ต้องพิจารณาให้ละเอียด เพื่อป้องกันไม่ให้ คาปาซิเตอร์เสียหายเนื่องจากการเกิดเรโซแนนซ์

กำลังไฟฟ้าในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ

ภาระทางไฟฟ้า หรือโหลดในระบบไฟฟ้า สามารถพิจารณาออกได้เป็นอุปกรณ์พื้นฐาน 3 ตัว คือ

ตัวต้านทาน (R)

ตัวเหนี่ยวนำ (L)

และตัวเก็บประจุ (C) 
แสดงพื้นฐานของวงจรโหลดดังรูปที่ 1 (ก) อุปกรณ์ประเภทตัวเหนี่ยวนำ และอุปกรณ์ประเภทตัวเก็บประจุ ทำให้เฟสของกระแสและเฟสของแรงดันตกคร่อมอุปกรณ์เกิดการเหลื่อมล้ำกัน โดยเฟสของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านโหลดและแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมโหลดแสดงดังรูปที่ 1 (ข) ผลของกำลังงานไฟฟ้าที่ตกคร่อมโหลดจึงไม่เท่ากับผลของแรงดันตกคร่อมโหลดและกระแสที่ไหลผ่านโหลดเหมือนกับระบบไฟฟ้ากระแสตรง การคำนวณกำลังงานไฟฟ้าที่โหลดในระบบ ก็จะอยู่บนพื้นฐานของ แรงดันที่ตกคร่อมโหลด คูณกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านโหลดควบคู่กับการวิเคราะห์วงจรทางคณิตศาสตร์ พบว่า กำลังงานไฟฟ้าขณะใดขณะหนึ่งที่ตกคร่อมโหลดทั้งระบบจะประกอบด้วย 2 ส่วน คือกำลังงานที่ขึ้นกับเวลา และกำลังงานที่ไม่ขึ้นกับเวลา เมื่อหาค่าเฉลี่ยของกำลังงานไฟฟ้าขณะใดขณะหนึ่ง พบว่าค่าเฉลี่ยกำลังงานไฟฟ้าเท่ากับ ผลคูณของ แรงดันไฟฟ้า (V_RMS) กระแสไฟฟ้า (I_RMS) และค่า cos θ เมื่อ θ คือผลต่างของมุมระหว่างแรงดัน และกระแส

รูปที่ 1 โหลดในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ

จากคุณสมบัติของตัวเหนี่ยวนำ ที่พบว่าเฟสของแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมล้ำหน้า กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำเป็นมุม 90° และตัวเก็บประจุที่พบว่า เฟสของแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุ ล้าหลังกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุเป็นมุม 90° ทำให้โหลดประเภทตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำในระบบจะไม่เป็นอุปกรณ์ที่ใช้กำลังงานไฟฟ้า แต่โหลดประเภทตัวต้านทานจะเป็นโหลดที่ใช้กำลังงานไฟฟ้าของระบบเท่านั้น

เพื่อช่วยให้การมองภาพของกำลังงานไฟฟ้าในระบบไฟฟ้ากระแสสลับสามารถมองได้ง่ายขึ้น วิศวกรจึงได้มองค่าของกำลังงานไฟฟ้าเฉลี่ยในรูปของจำนวนเชิงซ้อน และสามเหลี่ยมกำลัง (Power Triangle) แสดงดังรูปที่ 2 (ก) และรูปที่ 2 (ข) ตามลำดับรายละเอียดองค์ประกอบกำลังไฟฟ้า คือ

- กำลังไฟฟ้าจริง (Real Power, P) เป็นกำลังไฟฟ้าที่ระบบโหลดใช้งาน และหากพิจารณาเพิ่มเติมในรูปที่ 4.1 จะพบว่ากำลังงานไฟฟ้าจริง จะถูกใช้งานไปโดยตัวต้านทาน (R) เท่านั้น หากพิจารณาในระบบจำนวนเชิงซ้อนจะปรากฏเป็นค่าจำนวนจริง มีหน่วยวัดเป็นวัตต์ (Watt,W)

- กำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ (Reactive Power, Q) เกิดขึ้นจากอุปกรณ์ประเภทตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ เป็นกำลังไฟฟ้าที่ไม่ก่อให้เกิดงานใดๆ ในระบบของโหลดไฟฟ้า หากพิจารณาในระบบจำนวนเชิงซ้อน จะปรากฏเป็นค่าของจำนวนจินตภาพ มีหน่วยวัดเป็นวาร์(VAR)

- กำลังไฟฟ้าปรากฏ (Apparent Power, S) เป็นผลรวมของกำลังไฟฟ้าจริง และกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ โดยมีขนาดเท่ากับรากที่สองของผลรวมกำลังไฟฟ้าจริงยกกำลังสองกับกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟยกกำลังสอง หรือเท่ากับแรงดันคูณกับกระแส

รูปที่ 2 แสดงค่ากำลังไฟฟ้าที่วัดได้ในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ

ความสัมพันธ์ระหว่างตัวประกอบกำลัง กำลังไฟฟ้าจริง กำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ และกำลังไฟฟ้าปรากฏ จากรูป 2 ในสามเหลี่ยมกำลัง และรูปของเฟสเซอร์ สามารถเขียนความสัมพันธ์เป็นสมการได้ดังนี้

ในระบบที่ดี ค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าจะมีค่าเท่ากับ 1 เพราะแสดงให้เห็นว่ากำลังไฟฟ้าจริง มีค่าเท่ากับกำลังไฟฟ้าปรากฏ ไม่มีค่าของกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ จะทำให้ระบบมีประสิทธิภาพการส่งกำลังดีที่สุด เพราะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านสายส่งน้อยที่สุด ส่งผลให้เกิดความสูญเสียกำลังไฟฟ้าในระบบสายส่งเกิดขึ้นน้อยที่สุด นอกจากนี้ ยังช่วยให้สามารถลดขนาดของสะพานไฟ ฟิวส์ สายไฟฟ้า ในระบบสายส่งให้มีขนาดที่เล็กลง ส่งผลให้มีค่าติดตั้งต่ำกว่าระบบที่มีค่าตัวประกอบกำลังน้อยกว่า 1

ตัวอย่างที่ 1 โรงงานอุตสาหกรรมแห่งหนึ่ง ใช้ระบบ 3 เฟส แรงดันไฟฟ้า 380 โวลต์ อ่านกระแสจากมิเตอร์ได้ 1,266 A อ่านกำลังไฟฟ้าจริงจากมิเตอร์ได้ 500 kW ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าโรงงานแห่งนี้มีค่าเท่าใด

P = 3 VI cos θ

แทนค่ากำลังไฟฟ้าจริง แรงดันและกระแสไฟฟ้า ลงในสมการ เพื่อคำนวณค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าของระบบ

                     500kW = (1.732 x 380 x 1266) cos θ / 1000

                                 cos θ = 0.600

     ตัวประกอบกำลังไฟฟ้า = 0.600

ในทางปฏิบัติแล้ว หากว่าค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าของระบบมีค่าน้อยกว่า 0.85 จะเข้าเงื่อนไขการเสียค่าปรับค่าตัวประกอบกำลัง โดยการไฟฟ้าจะคำนวณค่าปรับเมื่อผู้ใช้ไฟฟ้ามีความต้องการพลังไฟฟ้ารีแอกทีฟเฉลี่ยใน15 นาทีที่สูงสุด (kVAr) มากกว่าร้อยละ 61.97 ของความต้องการพลังไฟฟ้าเฉลี่ยใน 15 นาทีที่สูงสุด (kW) หรือระบบที่มีค่าของตัวประกอบกำลังต่ำกว่า 0.85 โดยคำนวณค่าปรับเฉพาะความต้องการพลังไฟฟ้ารีแอกทีฟส่วนที่เกินจากร้อยละ 61.97 ของความต้องการพลังไฟฟ้าสูงสุด โดยราคาต่อหน่วยของความต้องการพลังไฟฟ้ารีแอกทีฟส่วนที่เกินจากร้อยละ 61.97 ที่ต้องเสียค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าในอัตรา 14.02 บาทต่อ kVAr (ไม่รวมภาษีมูลค่าเพิ่ม) แสดงตัวอย่างที่ต้องเสียค่าปรับดังตัวอย่างที่ 2

ตัวอย่างที่ 2 โรงงานอุตสาหกรรมแห่งหนึ่ง ใช้ระบบ 3 เฟส แรงดันไฟฟ้า 380 โวลต์ อ่านกระแสจากมิเตอร์ได้ 1,266 A อ่านกำลังไฟฟ้าจริงจากมิเตอร์ได้ 500 kW โรงงานแห่งนี้จะต้องเสียค่าปรับเนื่องจากตัวประกอบกำลังไฟฟ้าต่ำกว่า 0.85 เป็นเงินเท่าใด

                            P = (1.732VI) cos θ

                แทนค่าที่ทราบลงในสมการ เพื่อคำนวณค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าของระบบ

                         500 kW = (1.732 x 380 x 1266) cos θ / 1000

                        cos (θ) = 0.600

                        θ = cos-1 0.600 = 53.13°

                         kVar = kW x tan θ

                                   = 667

ความต้องการพลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ เท่ากับ 667 kVAr

                       ค่าปรับ = (667 – (0.6197 x 500)) x 14.02

                                   = (667 – 310) x 14.02

                                   = 5,005.14   บาท       (ยังไม่รวม VAT 7%)

โรงงานนี้ต้องเสียค่าปรับโดยที่ยังไม่รวมภาษีมูลค่าเพิ่มเป็นค่าใช้จ่ายเท่ากับ 5,005.14 บาท

การปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า

การปรับปรุงตัวประกอบกำลังของระบบไฟฟ้ากระแสสลับ จะส่งผลดีต่อระบบสายส่งกำลังไฟฟ้าเป็นอย่างมาก ไม่ใช่แค่เพียงลดค่าใช้จ่ายขณะติดตั้งอุปกรณ์ระบบแต่เพียงอย่างเดียว แต่ยังช่วยลดการสูญเสียความร้อนที่เกิดขึ้นกับสายส่ง หม้อแปลง และอุปกรณ์เชื่อมต่อกระแสไฟฟ้าต่างๆ ของทั้งระบบ และยังช่วยยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์เหล่านั้นได้อีกด้วย

จากสมการกำลังไฟฟ้า 3 เฟส

                                            P = (1.732VI) cos θ

การเพิ่มตัวประกอบกำลังไฟฟ้าของระบบ จะไม่ทำให้ค่าของกำลังไฟฟ้าจริงเปลี่ยนแปลง (P คงที่) แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมระบบเท่าเดิม (V คงที่) และค่าของ cos (θ) เพิ่มสูงขึ้น เมื่อพิจารณาจากสมการ จะพบว่าการปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้า ทำให้ I ลดลง

หรือหากเป็นการพิจารณาในระบบจำนวนเชิงซ้อน หรือเฟสเซอร์ไดอะแกรม แสดงดังรูปที่ 3 จะพบว่าการเพิ่มตัวประกอบกำลังไฟฟ้า ทำให้มุมระหว่างกำลังไฟฟ้าปรากฏ  ( S ) และกำลังไฟฟ้าจริงแคบลง โดยที่กำลังไฟฟ้าจริงมีค่าคงที่ ทำให้กำลังไฟฟ้าปรากฏมีขนาดลดลง

การลดลงของกำลังไฟฟ้าปรากฏ จากการปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้าของปรากฏในระบบไฟฟ้า 3 เฟส ทำให้ S₂ < S₁ จะมีผลต่อกระแส นั้นคือ

ดังนั้น สามารถสรุปได้ว่า I₂ <  I₁ มีความน่าสนใจมาก เพราะการเพิ่มตัวประกอบกำลังไฟฟ้า จะไม่ส่งผลให้กำลังไฟฟ้าจริงของระบบเปลี่ยนแปลง แต่ทำให้กระแสที่ไหลเข้าสู่โหลดลดน้อยลงโดยที่ไม่ได้ไปปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบใดๆในโหลด การเพิ่มค่าตัวประกอบกำลัง สามารถคำนวณหากำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟที่จะชดเชยจากอุปกรณ์เพิ่มเติมประกอบกำลังไฟฟ้า (Q’) ได้ดังนี้

               Q’ = kVar₁ – kVar₂

                        = kW (tan θ1 - tan θ2)

เมื่อ

θ1 เท่ากับ cos-1(PF) ของระบบก่อนทำการปรับปรุง

θ2 เท่ากับ cos-1(PF) ของระบบที่ต้องการปรับปรุง

ตัวอย่างที่ 3 จากตัวอย่างที่ 1 ถ้าเพิ่มตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเป็น 0.95 กระแสอ่านจากมิเตอร์จะลดลงเหลือเท่าใด

ตัวประกอบกำลังใหม่ของระบบที่ต้องการ คือ 0.95 สามารถคำนวณหา θ2 ดังนี้

           θ2 = cos-1 (0.95) = 18.195°

           θ1 = cos-1 (0.60) = 53.130°

สามารถคำนวณค่ากำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟใหม่ kVar₂โดยใช้ค่า kVar₁

             จากตัวอย่างที่ 2 (kVar = 667 ) ได้ดังนี้

                        kVar₂ = kVar₁ - Q’

                                   = 667 – 502

                                  = 165 kVar

พบว่าค่าของกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟใหม่ลดลงเหลือ 165 kVar และสามารถคำนวณหากำลังไฟฟ้าปรากฏใหม่ได้ดังนี้

จาก kW = (S2) cos θ

S2 = (kW) / cos θ

= (500 kW) / 0.95

= 526.316 kVA

และสามารถคำนวณหากระแสใหม่ได้ โดย

จาก S =1.732VI

I2 = S2 / (1.732.V)

= (526.316 kaA) / (380 x 1.732)

= 799.678 A

หลังจากการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังเป็น 0.95 โรงงานควรอ่านกระแสจากมิเตอร์ได้เท่ากับ 800 A

ประโยชน์ของตัวประกอบกำลังไฟฟ้าที่ใกล้เคียง 1

1. ประหยัดค่าเพาเวอร์แฟคเตอร์

หากปรับปรุงให้ระบบมีค่าตัวประกอบกำลังสูงกว่า 0.85 จะประหยัดค่าปรับจากการที่ค่าของเพาเวอร์แฟคเตอร์ของระบบมีค่าต่ำกว่า 0.85

2. ลดค่ากำลังสูญเสียในสาย

สามารถลดค่ากำลังสูญเสียในสายส่งในรูปของความร้อน เพราะการเพิ่มค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายส่งกำลังไฟฟ้ามีค่าลดลง จึงทำให้กำลังสูญเสียในสายลดลง สามารถคำนวณกำลังสูญเสียในสายส่งได้ดังนี้

กรณีระบบไฟฟ้าเฟสเดียว : กำลังสูญเสีย = I²R

กรณีระบบไฟฟ้าสามเฟส : กำลังสูญเสีย = 3I²R

ดังนั้นการแก้ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้สูงขึ้น ทำให้ลดความสูญเสียในสายลงได้ดังนี้

จากสมการ P = 1.732VI. cos θ จากที่กล่าวไปแล้วว่า การปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้าจะไม่ทำให้กำลังไฟฟ้าจริงเปลี่ยนแปลง จึงสามารถเขียนใหม่ได้เป็น

                         1.732VI₁. cos θ1 = 1.732VI₂. cos θ2

                                     I₁. cos θ1 = I₂. cos θ2

สามารถเขียนได้ใหม่ว่า

กำลังงานสูญเสียในสายส่งที่แสดงดังสมการบน สามารถพล็อตเป็นกราฟได้ โดยแสดงให้เห็นดังรูปที่ 3 ดังนั้นสามารถคำนวณกำลังงานสูญเสียที่ลดลงจากการปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้าได้ดังสมการที่แสดงไปแล้ว หรือสามารถใช้รูปที่ 4 เพื่ออำนวยความสะดวกได้ เช่น PF เดิม 0.6 แก้เป็น 0.8 กำลังสูญเสียในสายจะลดลง 44 เปอร์เซ็นต์ หรือ PF 0.6 แก้เป็น 1.0 กำลังสูญเสียในสายจะลดลง 64 เปอร์เซ็นต์

รูปที่ 3 แสดงการหาค่ากำลังสูญเสียในสายด้วยกราฟ

3. หม้อแปลงไฟฟ้าสามารถจ่ายโหลดเพิ่มมากขึ้น

ตามปกติแล้ว ขนาดหม้อแปลงไฟฟ้ามีขนาดเป็นกำลังไฟฟ้าปรากฏ (VA) หากพิจารณาสามเหลี่ยมกำลังไฟฟ้าในกรณีที่ระบบไฟฟ้ามีค่าตัวประกอบกำลังน้อยทำให้ค่ามุม θ มาก สำหรับกรณีที่ระบบไฟฟ้ามีค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าสูง (ใกล้เคียง 1.00) ทำให้ค่ามุม θ น้อย หากเปรียบเทียบกรณีระบบไฟฟ้าทั้งสองกรณี จะพบว่าที่ขนาดหม้อแปลงเท่าๆ กัน ระบบไฟฟ้าที่มีค่าตัวประกอบกำลังใกล้เคียง 1.00 จะสามารถรองรับโหลดกำลังไฟฟ้าจริงได้มากกว่าระบบที่มีค่าตัวประกอบกำลังต่ำกว่า โดยรายละเอียดการพิสูจน์ สามารถแสดงได้ ดังนี้

                    จาก P = 1.732VI.cos θ และ θ1 > θ2

                         P₁ = 1.732VI.cos θ1

                        P₂ = 1.732VI.cos θ2

                     P₂/ P₁ = cos θ2 / cos θ1

                              > 1.00

จะพบว่า การปรับปรุงตัวประกอบกำลัง ทำให้ P₂/ P₁ มีค่ามากกว่า 1.00 หมายความว่า ในระบบเดียวกัน หากมีการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้สูงขึ้น จะสามารถส่งกำลังไฟฟ้าให้กับโหลดสูงขึ้น หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ หม้อแปลงขนาดเท่าๆกัน ในระบบที่มีค่าตัวประกอบกำลังใกล้เคียง 1.00 จะสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าจริงให้กับโหลดได้สูงมากกว่าระบบที่มีค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าต่ำ

ดังนั้น ความสามารถในการรองรับโหลดติดตั้งของระบบจะมีมากขึ้นหลังจากมีการปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้า โดยสามารถคำนวณได้ดังนี้

รูปที่ 4 ถ้าปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้สูงขึ้นจะทำให้ระบบไฟฟ้าสามารถจ่ายโหลดได้เพิ่มขึ้น

ตัวอย่างที่ 4 หม้อแปลงไฟฟ้า 400 kVA จ่ายโหลด 200 kW ที่ตัวประกอบกำลังไฟฟ้า 0.5 ถ้าปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเป็น 0.8 หม้อแปลงไฟฟ้าจะมีกำลังไฟฟ้าปรากฏสำรองสำหรับจ่ายโหลดเพิ่มขึ้นเท่าใด

                      หม้อแปลงไฟฟ้ายังมีกำลังเหลือใช้อีก = 400 – 250 kVA

                                                                                  = 150 kVA

หรือหาได้จากกราฟรูปที่ 4.5 ที่ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าก่อนปรับปรุงเท่ากับ 0.5 และตัวประกอบกำลังไฟฟ้า ปรับปรุงใหม่เท่ากับ 0.8 สามารถอ่านได้ว่ากำลังไฟฟ้าปรากฏสำรองเท่ากับ 75% ของกำลังไฟฟ้าจริงของระบบ หรือเท่ากับ 150 kVA

ที่มา : เอกสารเทคนิคการประหยัดพลังงาน กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน