ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ (Power factor)

ในระบบจ่ายไฟฟ้ากำลังนั้นค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์มีส่วนสำคัญอย่างยิ่ง แต่มีหลายครั้งที่ผู้ที่เกี่ยวข้อง ทั้งผู้ออกแบบระบบหรือผู้รับผิดชอบในการจ่ายไฟฟ้า อาจไม่ให้ความสำคัญมากนัก บทความนี้จะกล่าวถึงองค์ประกอบและการผลดีของการปรับปรุงเพาเวอร์แฟกเตอร์ให้มีค่าที่เหมาะสมกัน

1. สามเหลี่ยมกำลังไฟฟ้า

ในระบบกระแสไฟฟ้าสลับ การวัดค่ากำลังไฟฟ้าสามารถวัดแยกออกเป็น 2 ส่วน ดังนี้

• กำลังไฟฟ้าจริง (P) เป็นกำลังไฟฟ้าที่ใช้งานจริงมีหน่วยวัดเป็นวัตต์ หรือกิโลวัตต์
• กำลังไฟฟ้ากำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ (Q) เป็นกำลังไฟฟ้าที่ต้องการสำหรับสร้างสนามแม่เหล็ก มีหน่วยวัดเป็นวาร์หรือกิโลวาร์

รูปที่ 1 ค่ากำลังไฟฟ้าที่วัดได้ในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ

2. คำจำกัดความของตัวประกอบกำลังไฟฟ้า

ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าหมายถึงอัตราส่วนระหว่างกำลังไฟฟ้าจริง มีหน่วยเป็นวัตต์ ต่อกำลังไฟฟ้าที่ปรากฏ มีหน่วยเป็นโวลต์-แอมป์ ซึ่งอยู่ในรูปของ cos เราสามารถเขียนสมการตัวประกอบกำลังไฟฟ้าได้ดังนี้

ตัวอย่างที่ 1โรงงานอุตสาหกรรมแห่งหนึ่ง ระบบแรงดัน 3 เฟส   380 V อ่านกระแสจากมิเตอร์ได้ 1,360 A อ่านกำลังไฟฟ้าจริงจากมิเตอร์ได้ 500 kW ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าโรงงานแห่งนี้มีค่าเท่าใด

3. อัตราค่าปรับตัวประกอบกำลังไฟฟ้า ในบิลค่าไฟฟ้า

จากอนุสนธิคณะรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 16 เมษายน 2528 เห็นชอบในหลักการให้สิ่งจูงใจในการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรม เพื่อให้ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าสูงกว่า 0.85 การไฟฟ้าจะคิดเงินส่วนลดค่าความต้องการพลังไฟฟ้าเป็นโบนัสให้กับผู้ใช้ไฟฟ้าที่มีตัวประกอบกำลัง ไฟฟ้าสูงกว่า 0.85 ตามสูตรดังนี้

ปัจจุบัน การไฟฟ้านครหลวงและการไฟฟ้าส่วนภูมิภาคเลิกใช้สูตรค่าปรับตัวประกอบกำลังไฟฟ้าและเลิกให้โบนัสจากสมการ โดยปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าใหม่คือ ถ้าผู้ใช้ไฟฟ้ามีตัวประกอบกำลังไฟฟ้าล้าหลังต่ำกว่า 0.85 โดยที่ในรอบเดือนถ้าผู้ใช้ไฟฟ้ามีความต้องการพลังไฟฟ้ารีแอกทีฟเฉลี่ยใน 15 นาทีที่สูงสุด เมื่อคิดเป็นกิโลวาร์เกินกว่า 61.97 เปอร์เซ็นต์ของความต้องการพลังไฟฟ้ารีแอกทีฟเฉลี่ยใน 15 นาทีที่สูงสุด เมื่อคิดเป็นกิโลวัตต์แล้วเฉพาะส่วนที่เกินต้องเสียค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าในอัตรากิโลวาร์ละ14.02 บาท สำหรับการเรียกเก็บเงินค่าไฟฟ้าในรอบเดือนนั้นเศษของกิโลวาร์ถ้าไม่ถึง 0.5 กิโลวาร์ตัดทิ้ง ตั้งแต่ 0.5 กิโลวาร์ขึ้นไปคิดเป็น 1 กิโลวาร์

       รูปที่ 2 มุม ของค่าตัวประกอบกำลัง

ตัวอย่างที่ 2 กำลังไฟฟ้าจริงอ่านจากมิเตอร์ 500 kW ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าของโรงงานมีค่า 0.6 ในปัจจุบันนี้การไฟฟ้าฯ เรียกเก็บค่าปรับตัวประกอบกำลังไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 0.85 เป็นเงินเท่าใด

ในรอบเดือนถ้าผู้ใช้ กิโลวาร์สูงสุดเกินกว่า 61.97 เปอร์เซ็นต์ของกิโลวัตต์สูงสุดเฉลี่ยใน 15 นาที เฉพาะส่วนที่เกินต้องเสียค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้ากิโลวาร์ละ 14.02 บาท

4. ประโยชน์ที่ได้รับจากการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า

ผลของตัวประกอบกำลังไฟฟ้าสูง
สำหรับค่ากำลังไฟฟ้าจริงที่ใช้งานคงที่ ถ้าค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้ายิ่งต่ำ (มุม ยิ่งมาก) ทำให้กำลังไฟฟ้าปรากฏและกระแสมีค่ามากขึ้น ในทำนองเดียวกันถ้าค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้ายิ่งสูง (มุม ลดลง) ทำให้กำลังไฟฟ้าปรากฏและกระแสมีค่าลดลง

รูปที่ 3 ผลของตัวประกอบกำลังไฟฟ้าสูงและต่ำ

ที่กำลังไฟฟ้าจริงคงที่ โหลดแรกมีกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ kVAr₁ ที่กำลังไฟฟ้าปรากฏ kVA₁ ทำให้มุมตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเท่ากับ ₁ ในทำนองเดียวกันถ้ามุมตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเท่ากับ ₂ ค่ากำลังไฟฟ้าปรากฏจะลดลงเท่ากับ kVA₂

ตัวอย่างที่ 3จากตัวอย่างที่ 1.1 ถ้าเพิ่มตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเป็น 0.95 กระแสอ่านจากมิเตอร์จะลดลงเหลือเท่าใด

ถ้าทำให้ตัวประกอบกำลังไฟฟ้ามีค่าสูงจะทำให้มีผลดีดังนี้

• ประหยัดค่าไฟฟ้า ตั้งแต่ปลายปี 2530 จนถึงปัจจุบัน การไฟฟ้านครหลวงและการไฟฟ้าส่วนภูมิภาคเลิกใช้สูตรค่าปรับตัวประกอบกำลังไฟฟ้าและเลิกให้โบนัสจากสมการแต่หันมาปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าใหม่คือ ถ้าผู้ใช้ไฟฟ้ามีตัวประกอบกำลังไฟฟ้าล้าหลังต่ำกว่า 0.85 โดยที่ในรอบเดือนถ้าผู้ใช้ไฟฟ้ามีความต้องการพลังไฟฟ้ารีแอกทีฟเฉลี่ยใน 15 นาทีที่สูงสุด เมื่อคิดเป็นกิโลวาร์เกินกว่า 61.97 เปอร์เซ็นต์ของความต้องการพลังไฟฟ้ารีแอกทีฟเฉลี่ยใน 14.02 นาทีที่สูงสุด เมื่อคิดเป็นกิโลวัตต์แล้วเฉพาะส่วนที่เกินต้องเสีย ค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าในอัตรากิโลวาร์ละ 15 บาท สำหรับการเรียกเก็บเงินค่าไฟฟ้าในรอบเดือนนั้นเศษของกิโลวาร์ถ้าไม่ถึง 0.5 กิโลวาร์ตัดทิ้ง ตั้งแต่ 0.5 กิโลวาร์ขึ้นไปคิดเป็น 1 กิโลวาร์
• ลดค่ากำลังสูญเสียในสาย การเพิ่มค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าทำให้กำลังสูญเสียในสายลดลง และกำลังสูญเสียในสายสามารถหาได้ดังนี้

ระบบไฟฟ้าเฟสเดียว     :    กำลังสูญเสีย          =              2I² R

ระบบไฟฟ้าสามเฟส       :    กำลังสูญเสีย          =              3I² R

ตัวอย่างที่ 4มอเตอร์ขนาด 50 HP 3 เฟส 380 V PF 0.72 ใช้สายขนาด 35 mm ยาว 180 m ระยะเวลาที่ใช้งานรวม 160 ชั่วโมงต่อเดือน ถ้าค่าไฟหน่วยละ 2.75 บาท (1 UNIT = kWh) สามารถประหยัดค่าไฟฟ้าหลังจากปรับปรุง PF เป็น 0.95 ได้กี่บาทต่อปี เมื่อความต้านทานของสาย = 0.0005 โอห์มต่อเมตร (1 HP = 746 W)

เปอร์เซ็นต์กำลังสูญเสียในสายลดลง

รูปที่ 4 การหาค่ากำลังสูญเสียในสายด้วยกราฟ

PF 0.6 แก้เป็น 0.8 กำลังสูญเสียในสายจะลดลง 44 เปอร์เซ็นต์

PF 0.6 แก้เป็น 1.0 กำลังสูญเสียในสายจะลดลง 64 เปอร์เซ็นต์

• ระบบไฟฟ้าสามารถจ่ายโหลดเพิ่มมากขึ้น การปรับตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้สูงขึ้นทำให้กระแสของระบบลดลง เนื่องจากหม้อแปลงจ่ายโหลดทั้งกำลังไฟฟ้าจริงและกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ เมื่อปรับปรุงกำลัง ไฟฟ้ารีแอกทีฟให้น้อยลงก็จะจ่ายกำลังไฟฟ้าจริงได้มากขึ้น

รูปที่ 5 จากกราฟถ้าปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้สูงขึ้นจะทำให้ระบบไฟฟ้าสามารถจ่ายโหลดได้เพิ่มขึ้น

ตัวอย่างที่ 5 หม้อแปลง 400 kVA จ่ายโหลด 200 kW ที่ตัวประกอบกำลังไฟฟ้า 0.5 ถ้าปรับปรุงตัวประกอบกำลังไฟฟ้า เป็น 0.8 หม้อแปลงยังมีกำลังเหลือใช้อีกเท่าใด

หรือหาได้จากกราฟรูปที่ 1.25 ที่ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าก่อนปรับปรุง (cos ₁) เท่ากับ 0.5 และตัวประกอบกำลังไฟฟ้ารับปรุงใหม่ (cos ₂) เท่ากับ 0.8 จะได้ kVA ที่เหลือมีค่า 0.75 และที่โหลด 200 kW หม้อแปลงยังมีกำลังเหลือใช้ 0.75 x 200 = 150 kVA    ตอบ

•   ลดค่ากำลังสูญเสียในหม้อแปลง กำลังสูญเสียในหม้อแปลงประกอบด้วยกำลัง สูญเสียในลวดทองแดง ซึ่งขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลผ่านหม้อแปลงโดยคิดค่าจาก I2 R และกำลังสูญเสียในแกนเหล็ก ซึ่งสามารถหาค่าได้โดยประมาณกรณีไม่มีโหลด สำหรับค่ากำลังสูญเสียในแกนเหล็กไม่ขึ้นกับโหลดจึงมีค่าเกือบคงที่ซึ่งเป็นกำลังสูญเสียที่เกิดจากกระแสไหลวน และกำลังสูญเสียที่เกิดจากเส้น แรงแม่เหล็กค้าง

รูปที่ 6 แสดงค่ากำลังสูญเสียในแกนเหล็กและลวดทองแดง

สำหรับกำลังสูญเสียในหม้อแปลงอาจหาได้จากกราฟ ดังรูปที่ 6 ค่า Cu หมายถึง ค่าการสูญเสียในลวดทองแดง และค่า Fe หมายถึง ค่ากำลังสูญเสียในแกนเหล็ก ในทำนองเดียวกันกราฟเส้นที่ 3 เป็นหม้อแปลงกรณีกำลังสูญเสียธรรมดา กราฟเส้นที่ 2 เป็นหม้อแปลงกรณีกำลังสูญเสียต่ำ และกราฟเส้นที่ 1 เป็นหม้อแปลงกรณีกำลังสูญเสียต่ำเป็นพิเศษ

ตัวอย่างที่ 6หม้อแปลงแบบกำลังสูญเสียธรรมดาขนาด 500 kVA จ่ายโหลดขนาด 300 kW ที่ PF 0.6 ระยะเวลาที่ใช้งาน 8 ชั่วโมงต่อวัน ถ้าค่าไฟฟ้าหน่วยละ 2.75 บาท ถ้าต้องการปรับปรุง PF เป็น 0.95 สามารถประหยัดค่าไฟฟ้าได้กี่บาทต่อปี

• ระดับแรงดันไฟฟ้าดีขึ้น เมื่อตัวประกอบกำลังไฟฟ้าสูงขึ้น แรงดันตกในสายจะลดลง

รูปที่ 7 ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังไฟฟ้าเป็นเปอร์เซ็นต์กับตัวประกอบกำลังไฟฟ้าของขนาดสาย 35 mm²

รูปที่ 7 เป็นความสัมพันธ์ระหว่างกำลังไฟฟ้าเป็นเปอร์เซ็นต์กับตัวประกอบกำลัง ไฟฟ้าของ ขนาดสาย 35 mm2 จะเห็นได้ว่าถ้าเพิ่ม PF จาก 0.5 เป็น 1.0 กำลังไฟฟ้าจะเพิ่มเป็นเท่าตัว

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน

ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ (Power factor)