ไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวประกอบกำลัง ความร้อนที่เกิด MO Memoir : Thursday 25 April 2556

ขอทบทวนพื้นฐานไฟฟ้ากำลังกัน ก่อนที่จะต่อไปยังเหตุการณ์คืนวันศุกร์ที่ ๑๒ เมษายน ๒๕๕๖

สิ่งหนึ่งที่ไฟฟ้ากระแสสลับต่างจากไฟฟ้ากระแสตรงคือการที่ไฟฟ้ากระแสสลับมีมุมเฟส (θ) ระหว่างเฟสกระแสไฟฟ้า (I) กับเฟสความต่างศักย์ (V) ทำให้เกิดค่าที่เรียกว่า "ตัวประกอบกำลัง - power factor" ซึ่งเท่ากับ cos(θ) เราสามารถใช้ค่ามุม θ นี้จำแนกอุปกรณ์ไฟฟ้าออกเป็น ๓ ประเภทคือ
 

(ก) พวกมุมเฟสของกระแสและความต่างศักย์เปลี่ยนแปลงไปพร้อม ๆ กัน หรือค่า θ เป็นศูนย์ อุปกรณ์ในกลุ่มนี้ได้แก่พวกที่มีแต่ความต้านทานอย่างเดียว เช่นเตาให้ความร้อน หลอดไฟแบบมีไส้ 
   

(ข) พวกที่มุมเฟสของกระแสจะตามหลังเฟสของความต่างศักย์ เรียกว่ามีตัวประกอบกำลังแบบตาม (lagging power factor) อุปกรณ์ในกลุ่มนี้ได้แก่พวกที่มีขดลวดเหนี่ยวนำ เช่นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์ หลอดฟลูออเรสเซนต์ 
   

(ค) พวกที่มุมเฟสของกระแสนำหน้าเฟสของความต่างศักย์ เรียกว่ามีตัวประกอบกำลังแบบนำ (leading power factor) ได้แก่พวกที่มีตัวเก็บประจุ (capacitor หรือ condenser) 
  

ถ้าอุปกรณ์ไฟฟ้ามีทั้งความต้านทาน ขดลวดเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุรวมกันอยู่ ค่า θ จะขึ้นอยู่กับว่าชิ้นส่วนไหนให้ผลที่เด่นกว่ากัน ภาพโดยรวมก็คืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้กันส่วนใหญ่ในบ้าน อาคารพาณิชย์ และในโรงงานจะเป็นแบบ (ก) และ (ข)

อุปกรณ์ไฟฟ้าหลักที่ก่อให้เกิดปัญหา lagging power factorเห็นจะได้แก่มอเตอร์ไฟฟ้ากับหลอดฟลูออเรสเซนต์ ตัวมอเตอร์ไฟฟ้านั้นค่อนข้างจะชัดเจนอยู่แล้ว ส่วนตัวหลอดฟลูออเรสเซนต์นั้นตัวที่ก่อปัญหาคือตัวบัลลาสต์
  

บัลลาสต์แบบแกนขดลวดมีข้อดีคือมันทนดี ไม่เสียง่าย แต่ก็มีข้อเสียคือมีค่าตัวประกอบกำลังที่ต่ำ (ประมาณ 0.3) และมีการสูญเสียพลังงานค่อนข้างสูง คิดประมาณง่าย ๆ คือบัลลาสต์ธรรมดาสำหรับหลอด 36 W จะมีการสูญเสียพลังงานที่ตัวบัลลาสต์ประมาณ 10 W แต่ถ้าเป็นชนิด low loss ก็อาจจะสูญเสียพลังงานประมาณ 5 W การลดการสูญเสียที่บัลลาสต์ได้ 5 W ต่อไฟ 1 ดวง ถ้าคิดจำนวนหลอดไฟทั้งอาคารจะเห็นว่าเป็นปริมาณมาก ดังนั้นในบางอาคารจึงได้มีการประหยัดไฟด้วยการเปลี่ยนบัลลาสต์แบบธรรมดาให้กลายเป็นชนิด low loss ทั้งหมด ส่วนบัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์แม้จะให้ค่าตัวประกอบกำลังที่สูงกว่า (ที่เคยเห็นคือตั้งแต่ 0.5-0.8) และพลังงานสูญเสียต่ำกว่าแต่มีราคาสูงกว่ามากและไม่ค่อยอึดเท่าไรนัก ผมเคยซื้อมาใช้ปรากฏว่ามันพังก่อนหลอด ผมว่ามันเหมาะกับโคมไฟที่ต้องเปิดต่อเนื่องทั้งวันทั้งคืนมากกว่า
  

สำหรับอาคารบ้านเรือนแต่ละหลังนั้น คงไม่ได้มีการเปิดไฟพร้อมกันทุกดวงทั้งหลัง ดังนั้นปัญหาที่เกิดจากค่า power factor ต่ำนั้นจึงไม่เด่นชัด แต่ในส่วนอาคารสำนักงานที่มีการเปิดไฟใช้งานพร้อม ๆ กันจำนวนมาก หรือในโรงงานที่มีการเดินเครื่องมอเตอร์พร้อมกันจำนวนมาก พลังงานสูญเสียที่เกิดจากค่า power factor ต่ำนั้นจะสูงมาก ดังนั้นจึงมีการออกกฎหมายควบคุมให้ต้องมีการคุมค่า power factor ไว้ไม่ให้ต่ำเกินไป วิธีการที่ทำกันก็คือติดตั้งตัวเก็บประจุ (capacitor) เข้าไป ซึ่งอาจเป็นการติดตั้งเข้ากับอุปกรณ์แต่ละตัวหรือติดตั้งที่ระบบจ่ายไฟฟ้าเข้าโรงงาน/อาคารสำนักงาน ในอดีตนั้นเวลาไปเยี่ยมญาติที่ต่างจังหวัด จะเห็นว่าที่หลอดฟลูออเรสเซนต์แต่ละดวงจะต้องมีการติดตั้งตัวเก็บประจุเอาไว้ (ไม่รู้ว่าเป็นข้อกำหนดของการไฟฟ้าส่วนภูมิภาคในสมัยนั้นหรือเปล่า) เพราะสมัยนั้นโรงผลิตไฟฟ้าของบ้านเรายังมีไม่มาก การลดความสูญเสียจึงจำเป็นมาก แต่ในปัจจุบันไม่เห็นต้องทำเช่นนั้นกันแล้ว
  

ในกรณีของกระไฟฟ้ากระแสตรงนั้น เราเรียนมากันว่าพลังงาน (P) หน่วยเป็นวัตต์ (W) มีค่าเท่ากับผลคูณของกระแสกับความต่างศักย์หรือ P = IV แต่เนื่องจากความต่างศักย์คำนวณได้จากสูตร V = IR ดังนั้นเราจะได้อีกสูตรสำหรับคำนวณค่าพลังงานคือ P = I²R
  

แต่สำหรับไฟฟ้ากระแสสลับนั้น เนื่องจากทั้งกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์มีการเปลี่ยนแปลง พลังงานไฟฟ้าที่ได้ ณ จังหวะเวลาใด ๆ จึงเป็นผลคูณระหว่างกระแสและความต่างศักย์ที่จังหวะเวลานั้น ถ้าจังหวะใดที่ค่ากระแสเป็นศูนย์หรือความต่างศักย์เป็นศูนย์ (ไม่จำเป็นต้องเป็นศูนย์ทั้งสองตัวพร้อมกัน) ค่าพลังงานไฟฟ้าที่ได้ ณ จังหวะเวลานั้นก็จะเป็นศูนย์ 
   

สำหรับกรณีที่กระแสและความต่างศักย์คงที่ ค่าพลังงานไฟฟ้าเฉลี่ยจะมีค่ามากที่สุดเมื่อจังหวะเวลาที่กระแสเป็นศูนย์และความต่างศักย์เป็นศูนย์เกิดขึ้นพร้อมกัน (หรือค่ามุม θ เป็นศูนย์) สูตรคำนวณค่าพลังงานไฟฟ้า P = IV ที่ใช้กับไฟฟ้ากระแสตรงจึงใช้ไม่ได้ ในกรณีของไฟฟ้ากระแสสลับค่าพลังงานไฟฟ้าจะคำนวณได้จากสูตร P = IVcos(θ) มีหน่วยเป็นวัตต์ (W) ส่วนค่า P = IV นั้นจะใช้หน่วยเป็น VA (โวล์ต-แอมแปร์) มักจะใช้เป็นตัวบอกขนาดของกำลังไฟฟ้าที่หม้อแปลงจ่ายให้ได้ หรือพลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์ไฟฟ้าต้องการ

ในกรณีของอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับนั้น พลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์ต้องการคือ พลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์นำไปใช้งานได้จริง และพลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์รับเข้ามาและส่งคืนกลับระบบไป ส่วนที่เราจ่ายค่าไฟฟ้าคือพลังงานที่อุปกรณ์นำไปใช้งานได้จริง ส่วนพลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์รับเข้ามาและส่งคืนกลับระบบไปนั้นถือเป็นพลังงานสูญเสียของระบบส่ง เช่นอุปกรณ์ไฟฟ้าตัวหนึ่งมีค่า cos(θ) = 0.8 ถ้าอุปกรณ์ตัวนี้กินกระแส 1 A ที่ 220 V พลังงานไฟฟ้าระบบจ่ายไฟฟ้าต้องจ่ายให้กับอุปกรณ์คือ 220 W (ได้จากผลคูณระหว่าง I กับ V) แต่ตัวอุปกรณ์จะผลิตพลังงานได้เพียง 176 W (ผลคูณระหว่าง I กับ V และ cos(θ) ส่วนที่เหลืออีก 44 W เป็นส่วนที่ต้องส่งคือระบบจ่ายไฟฟ้ากลับไป

แต่พลังงานความร้อน (หน่วยเป็นวัตต์) ที่เกิดขึ้นจากความต้านทานของตัวนำไฟฟ้าในระบบไฟฟ้ากระแสสลับนั้นยังเป็นไปตามสูตร P = I²R อยู่ (แปรผันตามกระแสกำลังสอง) จากสูตร P = IVcos(θ) จะเห็นว่าสำหรับอุปกรณ์ที่กินพลังงานไฟฟ้าเท่ากัน อุปกรณ์ตัวที่มีค่าตัวประกอบกำลังสูงกว่าจะใช้กระแสไฟฟ้าต่ำกว่า และเมื่อปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ใช้ลดต่ำลง จะทำให้ความสูญเสียพลังงานไปเป็นความร้อน (คำนวณได้จากสูตร P = I²R) ลดต่ำลงไปด้วย นอกจากนี้เมื่อความต้องการกระแสไฟฟ้าลดต่ำลงยังทำให้สามารถใช้สายไฟฟ้าที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัดเล็กลงได้ด้วย ถือได้ว่าเป็นการประหยัดค่าใช้จ่ายในการเดินสายไฟ (พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ ทางผู้ใช้ไฟเป็นคนจ่ายค่าไฟในส่วนนี้ด้วย)
  

ด้วยเหตุนี้สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังไฟฟ้ามาก จึงมักเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการความต่างศักย์ที่สูงขึ้น เพราะจะไปลดความต้องการกระแสไฟฟ้าให้น้อยลง การสูญเสียไปเป็นพลังงานความร้อนจากความต้านทานภายในอุปกรณ์ (คำนวณจากสูตร P = I²R) ก็จะลดต่ำลงไปได้ เช่นมอเตอร์ที่มีแรงม้าสูงขึ้น จึงมักเป็นมอเตอร์ 3 เฟสใช้ไฟ 380 V แทนที่จะเป็นมอเตอร์เฟสเดียวใช้ไฟ 220 V เพราะความต่างศักย์ของไฟฟ้า 3 เฟสที่สูงกว่าทำให้การใช้กระแสไฟฟ้าลดลง และยังเป็นการกระจายปริมาณกระแสไฟฟ้าดังกล่าวออกไปยังสายไฟฟ้า 3 เส้น (เฟสละเส้น) แทนที่จะรวมกันอยู่ในสายไฟเส้นใหญ่เส้นเดียวเช่นในกรณีของไฟฟ้าเฟสเดียว

จากประสบการณ์ส่วนตัวที่เคยพบเจอนั้น ปัจจัยภายนอกที่เกิดจากระบบจ่ายไฟฟ้าที่สามารถทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเพลิงไหม้ได้มีอยู่ ๒ ปัจจัยคือ "ไฟตก" และ "ไฟดับ"

"ไฟตก" ในที่นี้คือเหตุการณ์ที่ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่มีอยู่ในระบบนั้นลดต่ำลงกว่าปรกติ คือในสายไฟฟ้ายังมีไฟฟ้าไหลอยู่ แต่แทนที่จะมีความต่างศักย์ 220 V กลับลดต่ำลงกว่า 220 V ส่วนสาเหตุจะเกิดจากอะไรบ้างนั้นผมก็ไม่รู้เหมือนกัน รู้แต่ว่าเวลาที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าในระบบสูงเกินกว่ากำลังที่ระบบจ่ายไฟฟ้า (เช่นโรงไฟฟ้าหรือหม้อแปลง) จะจ่ายให้ได้ ก็จะเกิดเหตุการณ์ทำนองนี้ขึ้นได้
  

ถ้าเป็นอุปกรณ์พวกที่ใช้ขดลวดความร้อนหรือความต้านทาน เช่นหลอดไส้ เวลาเกิดไฟตกจะพบว่าหลอดนั้นจุดติด คือเห็นไส้หลอดลุกส่องสว่าง แต่ความสว่างที่ได้จะต่ำผิดปรกติ ถ้าเป็นหลอดฟลูออเรสเซนต์ก็จะพบว่าไม่สามารถเปิดให้ติดได้ (ยกเว้นว่าใช้บัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์ จะพบว่ามันจุดติดได้ เพราะมันรองรับไฟตกได้ดีกว่าพวกบัลลาสต์แกนขดลวด)
  

แต่ถ้าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้มอเตอร์ เช่น พัดลม เราจะพบว่ามันหมุนช้าลง
  

อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์เป็นองค์ประกอบ (เช่น พัดลม คอมเพรสเซอร์ของเครื่องปรับอากาศและตู้เย็น) จะมีปัญหามากเวลาที่ไฟตก เช่นในกรณีของตู้เย็นนั้น ความต้องการการใช้พลังงานในการอัดสารทำความเย็นยังคงเท่าเดิมแม้ว่าจะมีปัญหาไฟตกเกิดขึ้น สิ่งที่มอเตอร์จะทำก็คือดึงกระแสเข้ามาชดเชย (V ลดลงก็ต้องดึง I เข้ามาชดเชยเพื่อให้ได้ P เท่าเดิม) ผลที่ตามมาคือตัวขดลวดจะร้อนขึ้น (ความร้อนแปรผันตามปริมาณกระแสยกกำลัง 2) โดยอาจจะเริ่มจากมอเตอร์ไหม้ก่อน (เกิดจากน้ำยาที่เคลือบลวดทองแดงเอาไว้เสื่อมสภาพจากความร้อน) และอาจลามไปถึงวัสดุที่ใช้เป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดนั้นด้วย ถ้าวัสดุนั้นลุกติดไฟได้ก็มีโอกาสที่จะเกิดไฟไหม้ขึ้น ด้วยเหตุนี้เวลาที่เกิดเหตุการณ์ไฟตกเขาจึงมักบอกให้รีบถอดปลั๊กตู้เย็นและปิดแอร์

เชื่อว่าพอได้ยินว่าเหตุการณ์ "ไฟดับ" สามารถทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเพลิงไหม้ได้หลายคนคงแปลกใจไม่น้อย ถ้าเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟเฟสเดียวเมื่อเกิดเหตุการณ์ไฟดับอุปกรณ์ก็จะหยุดการทำงาน เป็นเหมือนกับการที่เราไปปิดเครื่องมัน ที่มันจะมีปัญหาคือการที่ไฟดับ "เพียงบางเฟส" และเรามีการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟฟ้า 3 เฟส (เช่นมอเตอร์และคอมเพรสเซอร์ของเครื่องปรับอากาศขนาดใหญ่ของอาคาร) อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟฟ้า 3 เฟสนี้แม้ว่าไฟจะขาดหายไปบางเฟส อุปกรณ์ก็จะยังคงทำงานต่อไป โดยจะไปดึง "กระแสเพิ่มเติม" จากเฟสที่ยังมีไฟฟ้าอยู่
  

ปัญหามันเกิดตรงนี้แหละ เช่นไฟฟ้าดับไป 1 เฟส มอเตอร์ก็จะดึงกระแสเพิ่มจาก 2 เฟสที่เหลือ ทำให้ขดลวดและสายไฟของเฟสที่เหลืออีกสองเฟสร้อนขึ้น โดยปรกติตัวมอเตอร์เองมันก็จะทนได้ในระดับหนึ่ง ประมาณว่าให้เวลารู้ตัวและปิดอุปกรณ์ได้ทันเวลา แต่ไม่ได้หมายความว่าสามารถปล่อยให้มันทำงานได้ต่อไปเรื่อย ๆ เหตุการณ์นี้เคยเกิดขึ้นกับอาคาร ๔ ของคณะเรา ที่แต่ละชั้นมีเครื่องปรับอากาศส่วนกลางขนาดใหญ่ ๔ เครื่องสำหรับแต่ละมุมของอาคาร เครื่อปรับอากาศเหล่านี้ใช้ไฟฟ้า 3 เฟส มีวันหนึ่งไฟฟ้าหายไป 1 เฟส ไฟแสงสว่างก็มีติดบ้างไม่ติดบ้าง ปลั๊กไฟบางปลั๊กก็มีไฟบางปลั๊กก็ไม่มี ผู้ที่ทำงานอยู่ในอาคารก็ไม่รู้ว่าควรต้องทำอย่างไร กว่าช่างประจำอาคารจะทราบเรื่องและไล่ปิดเครื่องปรับอากาศได้ก็ปรากฏว่าเกิดความเสียหายไปหลายเครื่องแล้ว

จากประสบการณ์ส่วนตัวที่ผ่านมานั้น เหตุการณ์ที่ทำให้เกือบเกิดเพลิงไหม้ในแลปมักจะมีสาเหตุมาจากการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าไม่ถูกวิธี (จะโดยไม่รู้หรือไม่สนใจก็ตามแต่) มากกว่าที่จะเกิดจากไฟฟ้าที่จ่ายมามีความบกพร่อง ปัญหาที่เกิดจากไฟฟ้าที่จ่ายมามีความบกพร่องมักทำให้อุปกรณ์เสียหายมากกว่าที่จะทำให้เกิดเพลิงไหม้ เพราะเรามักรู้ว่ามีไฟฟ้ามีปัญหาก่อนเกิดเพลิงไหม้ ไม่เหมือนกับการใช้ไม่ถูกวิธี ซึ่งจะมารู้ก็ตอนกำลังจะหรือได้เกิดเพลิงไหม้ขึ้นแล้ว 
   

เรื่องการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าไม่ถูกวิธีนี้เคยเล่าเอาไว้เมื่อเกือบ ๕ ปีที่แล้วตั้งแต่ตอนกลุ่มเราเริ่มออก Memoir ลองไปอ่านย้อนหลังดูได้จาก Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓ วันศุกร์ที่ ๑๑ กรกฎาคม ๒๕๕๑ เรื่อง "นานาสาระเรื่องไฟฟ้ากำลัง วางเพลิงแลปไม่ใช่เรื่องยาก" ดูเอาเองก็แล้วกัน

บริเวณจุดสัมผัสระหว่างขาปลั๊กตัวผู้และขั้วโลหะที่อยู่ในปลั๊กตัวเมียเป็นตำแหน่งที่มีโอกาสที่จะมีความต้านทานไฟฟ้าสูง ขึ้นอยู่กับการสัมผัสกันระหว่างขาปลั๊กตัวผู้และขั้วโลหะที่อยู่ในปลั๊กตัวเมีย ถ้ามีการสัมผัสกันดี กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้สะดวก ก็จะไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าสัมผัสกันไม่ดี เช่นปลั๊กหลวม มีการสัมผัสกันเพียงบางจุด จะทำให้ตัวโลหะนำไฟฟ้าเกิดความร้อนสูง จนทำให้พลาสติกที่เป็นโครงสร้างของตัวปลั๊กหลอมเหลวหรือไหม้ได้ (ขึ้นกับชนิดพลาสติกที่ใช้ทำ ดูรูปที่ ๑ ข้างล่าง) และถ้าความร้อนนั้นสูงจนกระทั่งทำให้ฉนวนหุ้มสายไฟหลอมหรือไหม้จนสายไฟสัมผัสกันโดยตรง ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรขึ้นได้ ดังนั้นเพื่อป้องกันปัญหาดังกล่าว การต่อไฟฟ้าเข้ากับอุปกรณ์ที่กินกระแสสูงจึงควรใช้การต่อถาวรผ่าน circuit breaker จะดีกว่าใช้การเสียบปลั๊ก

รูปที่ 1 เต้ารับชนิด 3 ขา (มีสายดิน) (1) รอยไหม้ที่เกิดจากการเสียบปลั๊กไม่แน่น (2) (3) รูสำหรับเสียบปลั๊กชนิดขาแบน พึงสังเกตว่าความยาวของรู 2 และ 3 ไม่เท่ากัน เพราะปลั๊กตัวผู้แบบสองขาแบนบางชนิดออกแบบมาให้ขาสองข้างกว้างไม่เท่ากันอยู่ ดังนั้นถ้าเสียบไม่ลงให้ลองสลับข้างเสียบดู รูปนี้นำมาจาก Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓ ที่กล่าวถึงข้างบน

หวังว่าเมื่ออ่านเรื่องนี้จนหมดแล้ว พวกคุณคงมีพื้นฐานความเข้าใจเรื่องไฟฟ้ากำลังก่อนที่จะเข้าสู่เรื่องต่อไป