กระแสไฟฟ้ามีสองแบบ
กระแสไฟฟ้ามีสองรูปแบบ และคำถามด้านคุณภาพไฟฟ้าแทบทุกข้อ ทั้งจะซื้อ UPS ตัวไหน ทำไมเบรกเกอร์ทริป ทำไมอินเวอร์เตอร์ระบุกำลังเป็น VA ล้วนย้อนกลับมาที่ความต่างระหว่างสองแบบนี้
ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) คือการไหลของประจุไฟฟ้าในทิศทางเดียว ทิศทางไม่เปลี่ยนเลย แบตเตอรี่ โซลาร์เซลล์ และเซลล์เชื้อเพลิงผลิต DC และเครื่องใช้ DC ต้องต่อขั้วให้ถูก อิเล็กทรอนิกส์ LED มอเตอร์ในรถไฟฟ้า และเซลล์ของแบตเตอรี่ทุกก้อนทำงานด้วย DC ภายใน
ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) กลับทิศเป็นรอบ ไฟที่การไฟฟ้าจ่ายให้บ้านและธุรกิจเป็นคลื่นไซน์ความถี่ 50 Hz ในไทย ยุโรป และเอเชียส่วนใหญ่ และ 60 Hz ในทวีปอเมริกาและบางส่วนของญี่ปุ่น สัญญาณเสียงและวิทยุก็เป็น AC เช่นกัน AC ชนะในระบบกริดเพราะหม้อแปลงเพิ่มแรงดันเพื่อส่งระยะไกลและลดลงมาใช้งานได้โดยสูญเสียต่ำ
ระบบโซลาร์และระบบกักเก็บทุกระบบอยู่ตรงรอยต่อของสองแบบนี้: แผงโซลาร์และแบตเตอรี่เป็น DC โหลดและกริดเป็น AC และ อินเวอร์เตอร์ คืออุปกรณ์ที่แปลงระหว่างกัน
การคิดกำลัง: DC ง่าย AC ไม่ง่าย
เครื่องใช้ DC กำลังคือแรงดันที่ทำงานคูณกระแสที่ดึง:
กำลัง DC (W) = แรงดัน (V) × กระแสโหลด (A)
ปั๊ม 12 V ดึงกระแส 5 A ใช้กำลัง 60 W จบ
เครื่องใช้ AC กระแสกลับทิศ 100 ครั้งต่อวินาที แรงดันและกระแสขณะใดขณะหนึ่งจึงเคลื่อนตลอด เพื่อให้ได้ตัวเลขเดียวที่มีความหมาย ทั้งสองค่าจึงระบุเป็น RMS (root mean square) คือค่า DC คงที่เทียบเท่าที่ให้กำลังความร้อนเท่ากัน ไฟบ้าน "230 V" คือ 230 V RMS ค่ายอดอยู่ราว 325 V
แม้ใช้ค่า RMS แล้ว กำลัง AC ยังขึ้นกับว่า *โหลดชนิดไหน* ต่ออยู่
โหลดเชิงเส้นและโหลดไม่เชิงเส้น
โหลดเชิงเส้น ดึงกระแสตามรูปคลื่นแรงดัน คลื่นไซน์เข้า คลื่นไซน์ออก ตรงจังหวะกัน ใช้กำลังจริงล้วน และ power factor = 1 หลอดไส้ ฮีตเตอร์ความต้านทาน และกาต้มน้ำเป็นโหลดเชิงเส้น
โหลดไม่เชิงเส้น ดึงกระแสเป็นพัลส์แทนที่จะเป็นคลื่นไซน์ พัลส์เหล่านี้มี กระแสฮาร์มอนิก ซึ่งเป็นทวีคูณของความถี่หลัก 50 Hz ซ้อนบนกระแสเดิม และ power factor น้อยกว่า 1 คอมพิวเตอร์และเซิร์ฟเวอร์ ไฟ LED และฟลูออเรสเซนต์ที่ใช้ไดรเวอร์อิเล็กทรอนิกส์ ไดรฟ์มอเตอร์ปรับความเร็ว เครื่องชาร์จ โทรทัศน์ และแทบทุกอย่างที่มีสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายเป็นโหลดไม่เชิงเส้น
วัดเทียบกันที่แรงดันเท่ากันและกำลังพิกัดเท่ากัน หลอดไส้ดึงกระแสคลื่นไซน์สะอาดที่ power factor 1.0 ขณะที่คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะดึงกระแสเป็นแท่งแหลมที่ power factor ราว 0.5 ค่ายอดกระแสของคอมพิวเตอร์สูงกว่าค่าเฉลี่ยมาก นี่คือเหตุผลที่สายไฟ เบรกเกอร์ และ UPS ต้องเลือกขนาดจากกระแส ไม่ใช่วัตต์
วัตต์กับ VA คืออะไร
- วัตต์ (W) คือหน่วยของ กำลังจริง อัตราที่พลังงานถูกใช้หรือผลิตจริง
- โวลต์-แอมแปร์ (VA) คือหน่วยของ กำลังปรากฏ แรงดัน RMS คูณกระแส RMS คือกำลังที่แหล่งจ่ายต้องส่งได้ ไม่ว่าส่วนไหนจะทำงานจริง
กำลังปรากฏ (VA) = แรงดัน (V RMS) × กระแส (A RMS)
กำลังจริง (W) = กำลังปรากฏ (VA) × power factor
Power factor (pf) คืออัตราส่วนของกำลังจริงต่อกำลังปรากฏ เป็นตัวเลขระหว่าง 0 ถึง 1 โหลดเชิงเส้น pf = 1 โหลดไม่เชิงเส้น pf < 1 ส่วนต่างระหว่าง VA กับ W คือกระแสที่ไหลในสายและทำให้สายร้อนโดยไม่ได้ทำงาน
ตัวอย่างที่วัดจริง
คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะพร้อมจอ 17 นิ้ว วัดด้วยเพาเวอร์มิเตอร์:
| การวัด | ค่า |
|---|---|
| แรงดัน (RMS) | 229.3 V |
| กระแส (RMS) | 1.10 A |
| กำลังปรากฏ | 229.3 × 1.10 = 252 VA |
| กำลังจริง (ค่าจากเพาเวอร์มิเตอร์) | 132 W |
| Power factor | 132 ÷ 252 = 0.52 |
ทำไม UPS ระบุกำลังเป็น VA
UPS อินเวอร์เตอร์ หรือเครื่องปั่นไฟ ต้องจ่าย กระแสปรากฏเต็ม ของโหลด ไม่ใช่แค่วัตต์ และภาคอินเวอร์เตอร์ของมันร้อนตามกระแสที่ไหลผ่าน พิกัด VA จึงเป็นตัวกำหนดขีดจำกัด UPS "1,000 VA" ที่มี power factor พิกัด 0.8 จ่ายกำลังจริงได้ 800 W แต่ไม่เกิน 1,000 VA เด็ดขาด และโหลดอุปกรณ์ไม่เชิงเส้นที่รวมกัน 700 W ที่ pf 0.6 เท่ากับ 1,167 VA เกินกว่าที่ UPS รับได้
กฎในการหาขนาด:
- รวมโหลดเป็น VA ใช้ค่า VA บนป้ายของแต่ละอุปกรณ์ หรือวัตต์หารด้วย power factor (ใช้ 0.6-0.7 สำหรับอุปกรณ์ไอทีรุ่นเก่าถ้าป้ายบอกแค่วัตต์)
- เผื่อ 20-30% สำหรับการเติบโตและกระแสกระชากตอนสตาร์ตอุปกรณ์
- ตรวจทั้งพิกัด VA และ W ของ UPS เทียบกับยอดรวม
ทำไมโหลดไม่เชิงเส้นสำคัญต่อคุณภาพไฟฟ้า
กระแสฮาร์มอนิกจากโหลดไม่เชิงเส้นทำมากกว่าลด power factor มันบิดเบือนรูปคลื่นแรงดันให้ทุกอย่างในวงจรเดียวกัน ทำให้สายนิวทรัลและหม้อแปลงร้อนเกิน ทำเบรกเกอร์ทริปต่ำกว่าพิกัด และรบกวนอิเล็กทรอนิกส์อื่น ไซต์ที่มีคอมพิวเตอร์ ไฟ LED และไดรฟ์มอเตอร์มาก เช่น สำนักงาน ห้องดาต้า โรงงาน เจอครบทุกข้อ ทางแก้คือสายและหม้อแปลงที่ขนาดถูกต้อง การแก้ power factor และ UPS แบบ double-conversion (true on-line) ที่สร้างคลื่นไซน์สะอาดใหม่ให้โหลดสำคัญไม่ว่าต้นทางจะเป็นอย่างไร LEONICS ออกแบบอุปกรณ์คุณภาพไฟฟ้าสำหรับสภาพแบบนี้มาตั้งแต่ปี 1991 UPS และ AVR ครอบคลุมโหลดตั้งแต่โต๊ะทำงานเดียวถึงทั้งโรงงาน
คำถามที่พบบ่อย
ไฟฟ้า AC กับ DC ต่างกันอย่างไร
DC ไหลทิศเดียวที่ค่าคงที่ เป็นกระแสของแบตเตอรี่ โซลาร์เซลล์ และอิเล็กทรอนิกส์ AC กลับทิศเป็นรอบแบบคลื่นไซน์ 50 หรือ 60 ครั้งต่อวินาที เป็นกระแสของกริดการไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์แปลง DC เป็น AC ส่วนเรกติไฟเออร์และเครื่องชาร์จแปลง AC เป็น DCวัตต์กับ VA ต่างกันอย่างไร
วัตต์วัดกำลังจริง คือพลังงานที่ใช้จริง VA (โวลต์-แอมแปร์) วัดกำลังปรากฏ คือแรงดัน RMS คูณกระแส RMS กำลังที่แหล่งจ่ายต้องรับ วัตต์เท่ากับ VA คูณ power factor โหลดเชิงเส้นจึงเท่ากัน ส่วนคอมพิวเตอร์ VA อาจเป็นสองเท่าของวัตต์Power factor คืออะไร
อัตราส่วนกำลังจริงต่อกำลังปรากฏ อยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 power factor 1 หมายถึงกระแสทั้งหมดทำงานจริง 0.5 หมายถึงกระแสครึ่งหนึ่งไหลวนโดยไม่ทำงาน โหลดอิเล็กทรอนิกส์ไม่เชิงเส้นและมอเตอร์เหนี่ยวนำมี power factor ต่ำกว่า 1ทำไม UPS ระบุเป็น VA ไม่ใช่วัตต์
เพราะอินเวอร์เตอร์ของมันต้องรับกระแสเต็มของโหลด รวมส่วนที่ไม่ได้ทำงาน UPS ระบุทั้งพิกัด VA และ W โหลดต้องอยู่ในขีดจำกัดทั้งสองแรงดัน RMS คืออะไร
ค่า root-mean-square ของรูปคลื่น AC คือแรงดัน DC คงที่เทียบเท่าที่ให้กำลังเท่ากันในตัวต้านทาน แรงดันไฟบ้านระบุเป็น RMS: 230 V RMS มีค่ายอดราว 325 Vวัดกำลังจริงของเครื่องใช้ AC อย่างไร
ใช้เพาเวอร์มิเตอร์ที่สุ่มวัดแรงดันและกระแสพร้อมกันแล้วคำนวณวัตต์โดยตรง การเอาค่าโวลต์มิเตอร์คูณค่าแอมมิเตอร์ได้ VA ไม่ใช่วัตต์ เว้นแต่โหลดเป็นความต้านทานล้วนสรุป
DC ไหลทิศเดียวและคำนวณง่าย AC กลับทิศและต้องใช้ค่า RMS กับ power factor โหลดเชิงเส้นใช้กระแสทั้งหมดที่ดึง โหลดอิเล็กทรอนิกส์ไม่เชิงเส้นดึงกระแสปรากฏมากกว่ากำลังจริงมาก นี่คือเหตุผลที่วัตต์กับ VA ต่างกัน power factor สำคัญ และ UPS อินเวอร์เตอร์ เครื่องปั่นไฟ ระบุพิกัดเป็น VA เลือกขนาดอุปกรณ์ป้องกันจากกำลังปรากฏของโหลดโดยมีเผื่อ และให้ true on-line UPS จัดการรูปคลื่นที่โหลดทำให้บิดเบี้ยว
ดู UPS เครื่องปรับแรงดันอัตโนมัติ ของ LEONICS หรืออ่าน ไฟสำรองโรงพยาบาล สำหรับตัวอย่างการใช้งานจริง