วิธีคำนวณและเลือกขนาดตัวกรองฮาร์มอนิกแบบแอคทีฟ

การกำหนดความจุของ AHF (Active Power Filter) เป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการเลือกใช้ หากความจุไม่เพียงพอจะทำให้การชดเชยไม่มีประสิทธิภาพ หรืออาจทำให้อุปกรณ์โอเวอร์โหลดและเสียหายได้ ในขณะที่ความจุมากเกินไปจะทำให้สิ้นเปลืองเงินลงทุน ต่อไปนี้คือขั้นตอนและวิธีการหลักในการกำหนดความจุของ APF:

หลักการสำคัญ: ความจุพิกัดของ AHF (โดยปกติแสดงเป็นแอมแปร์) ต้องมากกว่าหรือเท่ากับค่าประสิทธิผลของผลรวมเวกเตอร์ของกระแสฮาร์มอนิกและกระแสรีแอกทีฟที่ต้องชดเชย โดยต้องมีค่าเผื่อที่เหมาะสม

ขั้นตอนการกำหนดความจุ AHF

1. ระบุเป้าหมายการชดเชย:

โหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้นเดี่ยว: เช่น ตัวแปลงความถี่ เตาเหนี่ยวนำความถี่กลาง UPS ขนาดใหญ่ อุปกรณ์เรกติไฟเออร์ เป็นต้น ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่เหมาะสม

กลุ่มโหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้น: เช่น ตัวแปลงความถี่หลายตัวในสายการผลิตหลายสาย

ระบบจำหน่ายไฟฟ้าทั้งหมด/บัสบาร์: การชดเชยกระแสฮาร์มอนิกรวมที่เกิดจากโหลดทั้งหมดบนบัสบาร์นี้ ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่พบบ่อยที่สุด

2. การรับข้อมูลกระแสฮาร์มอนิก:

2.1 วิธีที่ 1: การวัดจริง (แม่นยำที่สุด แนะนำอย่างยิ่ง)

2.11 ใช้เครื่องวิเคราะห์คุณภาพไฟฟ้าแบบมืออาชีพ (เช่น Fluke, Hioki, YOKOGAWA เป็นต้น)

2.12 ทำการวัดที่จุดชดเชยเป้าหมาย (เช่น ขั้วอินพุตของโหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้น บัสบาร์ที่ต้องการชดเชย)

2.13 วัดค่าพารามิเตอร์สำคัญ:

ค่าประสิทธิผลของกระแสพื้นฐาน: `I₁` (A)

อัตราการบิดเบือนฮาร์มอนิกรวม: `THDi` (%) – ซึ่งเป็นอัตราส่วนของค่าประสิทธิผลรวมของกระแสฮาร์มอนิกต่อค่าประสิทธิผลของกระแสพื้นฐาน

ปริมาณกระแสฮาร์มอนิก: `I₅`, `I₇`, `I₁₁`, `I₁₃` เป็นต้น (A หรือ %) – การทำความเข้าใจการกระจายสเปกตรัมมีประโยชน์ต่อกลยุทธ์การควบคุม AHF และการออกแบบความจุ แต่ `THDi` ใช้เป็นหลักในการคำนวณความจุรวม

เงื่อนไขการวัด: ควรทำการวัดภายใต้สภาวะโหลดฮาร์มอนิกสูงสุดโดยทั่วไป หากสภาวะโหลดแตกต่างกันอย่างมาก ควรวัดหลายสภาวะโดยทั่วไป และบันทึกกรณีที่แย่ที่สุด (THDi สูงสุด)

ระยะเวลา: เวลาในการวัดควรนานพอที่จะครอบคลุมรอบการทำงานของโหลด

2.2 วิธีที่สอง: การประมาณทางทฤษฎี (ความแม่นยำต่ำกว่า เหมาะสำหรับการเลือกเบื้องต้นหรือเมื่อไม่สามารถวัดจริงได้)

2.21 ปรึกษาคู่มืออุปกรณ์: คู่มือของอุปกรณ์บางชนิด (เช่น ตัวแปลงความถี่) จะให้ค่า THDi กระแสอินพุตทั่วไปหรือสเปกตรัมฮาร์มอนิก

2.22. สูตรเชิงประจักษ์/ค่าทั่วไป:
เรกติไฟเออร์ 6 พัลส์ (ไม่มีรีแอกเตอร์): `THDi` ≈ 30%-50%
เรกติไฟเออร์ 6 พัลส์ (มีรีแอกเตอร์ DC): `THDi` ≈ 30%-40%
เรกติไฟเออร์ 6 พัลส์ (มีรีแอกเตอร์ AC): `THDi` ≈ 30%-35%
เรกติไฟเออร์ 12 พัลส์: `THDi` ≈ 10%-15%

2.23. UPS: `THDi` ≈ 25%-40%

2.24. แหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่งความถี่สูง: `THDi` อาจสูงมาก (>80%) แต่ค่ากระแสประสิทธิผลจริงอาจไม่มาก

2.25. การประมาณกระแสพื้นฐาน: `I₁≈ S / (√3 * U * PF)` โดยที่ `S` คือกำลังปรากฏของโหลด (kVA), `U` คือแรงดันไฟฟ้าระหว่างสาย (V), และ `PF` คือตัวประกอบกำลังของโหลด (สามารถใช้ 0.7-0.9 สำหรับการประมาณ) หมายเหตุ: ตัวประกอบกำลังของโหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้นมักจะต่ำกว่า

3. คำนวณค่าประสิทธิผลของกระแสฮาร์มอนิกที่ต้องชดเชย:

ตัวอย่าง:
กระแสอินพุตที่วัดได้ของตัวแปลงความถี่ I₁ = 100A, THDi = 40% ดังนั้น Ih = 100A * (40 / 100) = 40A ซึ่งหมายความว่า AHF ต้องมีความสามารถในการชดเชยกระแสฮาร์มอนิกอย่างน้อย 40A

4. พิจารณาความต้องการชดเชยกำลังรีแอกทีฟ:

หาก AHF ต้องชดเชยทั้งฮาร์มอนิกและกำลังรีแอกทีฟ (เพื่อปรับปรุงตัวประกอบกำลัง) ต้องรวมข้อกำหนดนี้ในการคำนวณ

กำหนดค่าประสิทธิผลของกระแสรีแอกทีฟที่ต้องชดเชย `Iq` (A):

`Iq = I₁ * sin(φ)` โดยที่ `φ` คือมุมเฟสที่กระแสโหลด滞后แรงดันไฟฟ้า (`cosφ` คือตัวประกอบกำลัง)

5. การพิจารณาค่าเผื่อ:

5.1 ค่าเผื่อความผันผวนของโหลด: โหลดอาจเปลี่ยนแปลง และระดับฮาร์มอนิกอาจเกินค่าที่วัดได้ชั่วขณะ แนะนำให้เพิ่มค่าเผื่อ 15%-30%

5.2 ค่าเผื่อการขยายระบบ: พิจารณาการเพิ่มโหลดในอนาคตที่อาจเกิดขึ้น แนะนำให้เพิ่มค่าเผื่อ 10%-20% (กำหนดตามแผน)

5.3 ค่าเผื่อความจุของ AHF เอง: โดยทั่วไป AHF มีความสามารถในการโอเวอร์โหลดระยะสั้น (เช่น โอเวอร์โหลด 150% เป็นเวลา 1 นาที) แต่ความจุพิกัดควรเพียงพอสำหรับการทำงานต่อเนื่อง

5.4. การใช้ค่าเผื่อ: คูณกระแส `Ih` หรือ `Ic` ที่คำนวณได้ในขั้นตอนที่ 3 หรือ 4 ด้วยปัจจัยค่าเผื่อ `K` (เช่น 1.2 – 1.5)

`I_ahf = Ih * K` (ชดเชยเฉพาะฮาร์มอนิก)
`I_ahf = Ic * K` (ชดเชยทั้งฮาร์มอนิกและกำลังรีแอกทีฟ)

6. การกำหนดกระแสพิกัด AHF ขั้นสุดท้าย:

ตามผลลัพธ์ที่คำนวณได้ของ `I_AHF` ให้เลือกรุ่น AHF ที่มีกระแสพิกัด额定เท่ากับหรือมากกว่า `I_ahf` เล็กน้อย

หมายเหตุ:

ความจุของ AHF มักแสดงเป็นแอมแปร์ (เช่น 50A, 100A, 300A)

บางครั้ง ความจุกำลังปรากฏจะแสดงเป็นกิโลโวลต์-แอมแปร์ (`S_ahf = √3 * U * I_AHF`) อย่างไรก็ตาม กระแสเป็นพื้นฐานที่ตรงที่สุดสำหรับการเลือก

ระดับแรงดันไฟฟ้าต้องตรงกับแรงดันไฟฟ้าของระบบ (เช่น 380V, 400V, 480V, 690V เป็นต้น)

สรุปข้อควรพิจารณาที่สำคัญ:

กระแสฮาร์มอนิกมีความสำคัญ: การวัดหรือประมาณค่าประสิทธิผลรวมของกระแสฮาร์มอนิก (`Ih`) ที่จุดชดเชยเป้าหมายอย่างแม่นยำเป็นพื้นฐาน

ข้อกำหนดการชดเชยกำลังรีแอกทีฟ: หากต้องการชดเชยกำลังรีแอกทีฟพร้อมกัน ต้องคำนวณกระแสรีแอกทีฟ (`Iq`) และสังเคราะห์เวกเตอร์กับกระแสฮาร์มอนิก (`Ic`)

ค่าเผื่อที่เพียงพอเป็นสิ่งสำคัญ: ความผันผวนของโหลด การขยายระบบ และคุณลักษณะของ AHF เอง ล้วนต้องการค่าเผื่อที่เพียงพอ ควรเผื่อไว้มากกว่าเผื่อไว้น้อย แต่ควรหลีกเลี่ยงการสิ้นเปลืองมากเกินไป

ควรวัดจริง: การประมาณทางทฤษฎีมีข้อผิดพลาดอย่างมีนัยสำคัญ แนะนำให้วัดคุณภาพไฟฟ้าจริง โดยเฉพาะภายใต้โหลดที่ซับซ้อนหรือสภาวะการทำงานที่แปรผัน

แรงดันไฟฟ้าของระบบ: แรงดันไฟฟ้าพิกัดของ AHF ต้องตรงกับแรงดันไฟฟ้าของระบบที่จุดติดตั้ง

อุณหภูมิแวดล้อม: ความจุของ AHF มักจะสอบเทียบที่อุณหภูมิแวดล้อมมาตรฐาน (เช่น 40°C) หากอุณหภูมิแวดล้อมในการติดตั้งสูงกว่า อาจต้องพิจารณาลดพิกัดหรือเลือกรุ่นที่มีความจุสูงกว่า โทโพโลยี AHF: AHF แบบขนานเป็นแบบที่พบบ่อยที่สุด และกำหนดความจุตามที่อธิบายไว้ข้างต้น ประเภทอื่นๆ (เช่น แบบอนุกรมและแบบไฮบริด) มีหลักการกำหนดความจุที่คล้ายกัน แต่จุดเน้นอาจแตกต่างกัน

การปรึกษาผู้ผลิต: แจ้งข้อมูลการวัด สภาวะโหลด และข้อกำหนดของคุณให้ซัพพลายเออร์ AHF ทราบ โดยปกติพวกเขาจะให้คำแนะนำและการคำนวณการเลือกอย่างมืออาชีพ

สรุปสูตรอย่างง่าย (ชดเชยเฉพาะฮาร์มอนิก)

`กระแสพิกัด AHF (I_ahf) ≥ [ค่าประสิทธิผลกระแสพื้นฐาน (I₁) × การบิดเบือนฮาร์มอนิกรวม (THDi%) / 100] × (1 + ปัจจัยค่าเผื่อ)`

ตัวอย่าง: สำหรับบัสบาร์จ่ายไฟ 380V ภายใต้สภาวะการทำงานสูงสุดที่วัดได้:

`I₁ = 800A` `THDi = 25%`

ต้องการเฉพาะการชดเชยฮาร์มอนิก ตัวประกอบกำลังเป้าหมายเป็นที่ยอมรับได้ พิจารณาค่าเผื่อความผันผวนของโหลด 20% และค่าเผื่อการขยาย 10% ปัจจัยค่าเผื่อรวม `K = 1.3`
การคำนวณ: `Ih = 800A * (25 / 100) = 200A`
`I_ahf = 200A * 1.3 = 260A`
การเลือก: เลือก AHF แบบขนาน 380V ที่มีกระแสชดเชยพิกัดไม่น้อยกว่า 260A (เช่น รุ่น 300A)

โดยการปฏิบัติตามขั้นตอนและวิธีการข้างต้น และพิจารณาค่าเผื่ออย่างรอบคอบร่วมกับสถานการณ์จริง จะสามารถกำหนดความจุของ AHF ได้อย่างเป็นวิทยาศาสตร์และสมเหตุสมผล ทำให้มั่นใจได้ว่าการทำงานมีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และประหยัด