จะเกิดอะไรเมื่อสัญญาณที่คุณวัดไม่เป็นสัญญาณ Sine Wave
สุรัตน์ ศรีน้อย* ยุทธพงศ์ ทัพผดุง**
*ศูนย์คอมพิวเตอร์ มหาวิทยาลัยราชภัฎสวนดุสิต E-mail: [email protected]
**กองบำรุงรักษาระบบไฟฟ้า การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค E-mail: [email protected]
โดยปกติแล้วเครื่องมือวัดค่าแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าที่ใช้สำหรับตรวจวัดในโรงงานอุตสาหกรรมของท่าน ส่วนใหญ่ผู้ผลิตจะออกแบบเพื่อสำหรับการวัดรูปคลื่น Sine และถ้าสมมุติว่าในโรงงานอุตสาหกรรมของท่านมีฮาร์โมนิกส์เกิดขึ้นในระบบซึ่งก็หมายความว่าค่าแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าในโรงงานของท่านอาจจะไม่เป็นสัญญาณ Sine ที่บริสุทธิ์เสียแล้ว ซึ่งจากผลที่เกิดขึ้นดังกล่าวทำให้มีผลกระทบต่อเครื่องมือเครื่องวัดต่างๆในกระบวนการของท่าน ซึ่งระดับความรุนแรงนั้นก็จะขึ้นอยู่กับระดับของฮาร์โมนิกส์ และระดับความไวต่อสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์และเครื่องมือวัดนั้นๆด้วย
ดังนั้นบทความนี้จะเป็นการแสดงให้ท่านทราบถึงผลกระทบที่เกิดขึ้นในเครื่องมือวัดทั่วไปซึ่งจะทำให้ค่ารากกำลังสองเฉลี่ย(rms)ที่อ่านได้มีค่าผิดเพี้ยนไป แต่ในปัจจุบันเครื่องมือวัดหลายผลิตภัณฑ์ได้พัฒนาเครื่องมือวัดของตนทำให้สามารถวัดค่าจริงของค่ารากกำลังสองเฉลี่ยได้โดยจะระบุในสเปคของเครื่องมือวัดนั้นว่า True- rms
อีกทั้งได้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของค่ารากกำลังสองเฉลี่ยด้วยการวัดของเครื่องมือวัด
การวัดค่าแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่มีสัญญาณรูปคลื่นไม่เป็น Sine นั้นจำเป็นต้องใช้เทคนิกการวัดที่แตกต่างจากการวัดสัญญาณที่เป็นรูปคลื่น Sine มาก ซึ่งเครื่องมือวัดแบบทั่วไปนั้นไม่ว่าจะเป็นแบบชนิด Analog หรือ Digital นั้นจะทำการวัดทั้งค่าเฉลี่ย(Average)และค่ายอด(Peak)ของรูปคลื่นและหลังจากนั้นก็จะทำการปรับเทียบเพื่อให้อ่านเทียบเท่าค่ารากกำลังสองเฉลี่ย(rms)ออกมา
ค่ารากกำลังสองเฉลี่ยของคาบเวลาของรูปคลื่นนั้นจะถูกเรียกว่า ค่าประสิทธิผล โดยค่ารากกำลังสองเฉลี่ยของกระแสหรือแรงดันไฟฟ้าจะเป็นค่าที่ทำให้เกิดความร้อนขึ้นจริงในตัวความต้านทาน สำหรับรูปคลื่น Sine นั้นจะมีค่ารากกำลังสองเฉลี่ยเท่ากับ 0.707 เท่าของค่ายอดคลื่นหรือ 1.11 เท่าของค่าเฉลี่ย ดังแสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1
ค่าของรูปคลื่นสัญญาณ Sine:Vrms หรือ Irms = 0.707* ค่ายอด
= 1.11*ค่าเฉลี่ย
ค่าตัวประกอบคลื่น = 1/0.707 = 1.414
การตรวจวัดค่ายอดและค่าเฉลี่ยและถูกปรับเทียบของเครื่องวัดนั้น โดยจะใช้ค่าดังกล่าวเป็นตัวคูณเพื่อให้ได้ค่ารากกำลังสองเฉลี่ย ซึ่งค่าดังกล่าวก็จะเป็นค่ารากกำลังสองเฉลี่ยจริงที่เราสามารถยอมรับได้ แต่ค่าดังกล่าวนั้นจะเป็นจริงและถูกต้องนั้นเฉพาะรูปคลื่นที่เป็นสัญญาณ Sine จริงเท่านั้น จากรูปที่ 3 ได้เปรียบเทียบค่ารากกำลังสองเฉลี่ยที่เปลี่ยนไปเมื่อวัดสัญญาณที่มีรูปคลื่นที่แตกต่างกัน
รูปที่ 3 การเปรียบเทียบค่ารากกำลังสองเฉลี่ยที่อ่านได้จากมิเตอร์ที่ใช้วิธีการวัดที่แตกต่างกัน
จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อรูปคลื่นไม่เป็นสัญญาณ Sine บริสุทธิ์?
ปัจจุบันรูปคลื่น Sine ในโรงงานอุตสาหกรรมนั้นส่วนใหญ่จะมีฮาร์โมนิกส์รวมอยู่ด้วย ซึ่งจากการเกิดปรากฏการณ์ดังกล่าวทำให้ค่าอัตราส่วนระหว่างค่ารากกำลังสองเฉลี่ยกับค่าเฉลี่ยหรือค่ายอดมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น รูปคลื่นสี่เหลี่ยมนั้นค่าเฉลี่ยสำหรับนำไปปรับเทียบของเครื่องวัดนั้นจะทำให้ค่ารากกำลังสองเฉลี่ยมีค่าสูงขึ้นประมาณ 11 % และค่ายอดสำหรับนำไปปรับเทียบนั้นจะมีลดลงประมาณ 10-30 % แต่สำหรับรูปคลื่นอื่นๆนั้นค่าความผิดพลาดก็จะมีความเปลี่ยนแปลงเช่นกัน อาทิเช่นสัญญาณพัลส์นั้นค่าความผิดพลาดค่อนข้างสูง ซึ่งจะแปรผันตามความสูงของค่ายอดและช่วงเวลาปิด(off-time)ระหว่างสัญญาณพัลส์ โดยการรับรู้ค่าเฉลี่ยของมิเตอร์ที่อ่านได้นั้นจะมีค่าต่ำมาก(มากถึง 50 %) แต่สำหรับค่ายอดที่มิเตอร์รับรู้นั้นกลับมีค่าสูงมากๆ(บางครั้งมากกว่า 100 %)
ตัวประกอบยอดคลื่น(Crest factor)คือค่าอัตราส่วนระหว่างค่ายอดหรือค่าสูงสุดของรูปคลื่นกับค่ารากกำลังสองเฉลี่ย สำหรับคลื่นสัญญาณ Sine บริสุทธิ์นั้นค่าตัวประกอบยอดคลื่นจะมีค่าเท่ากับ 1/0.707 = 1.414 แต่อย่างไรก็ตาม สำหรับสัญญาณพัลส์นั้นค่ายอดก็จะมีค่าใกล้เคียงกับคลื่นสัญญาณ Sine บริสุทธิ์ แต่เมื่อพิจารณาช่วงเวลาปิดของสัญญาณพัลส์และค่ารากกำลังสองเฉลี่ยที่มีค่าต่ำ ดังนั้นค่าตัวประกอบยอดคลื่นนั้นจะมีค่าค่อนค่าสูงดังรูปที่ 2
รูปที่ 2
ค่ารากกำลังสองเฉลี่ยหรือค่ายอดแรงดันและกระแสไฟฟ้าของสัญญาณรูปคลื่นที่ไม่เป็น Sine บริสุทธิ์ ซึ่งได้จากการวัดก็จะทำให้มีค่าเปลี่ยนไปดังเช่น
ค่ายอด = 40 A และ rms = 16 ดังนั้นตัวประกอบยอดคลื่น = 40/16= 2.5
การวัดค่ารากกำลังสองเฉลี่ยจริงที่ถูกต้องนั้นสำหรับรูปคลื่นที่ไม่เป็นสัญญาณ Sine บริสุทธิ์จำเป็นจะต้องใช้เครื่องมือเฉพาะเท่านั้น สำหรับมิเตอร์ที่ใช้หลักการของความร้อน โดยทำการป้อนอินพุทผ่านโหลดที่เป็นค่าความต้านทานและวัดค่าความร้อนที่เกิดขึ้น ซึ่งก็จะทำให้ทราบค่ารากกำลังสองเฉลี่ยจริงได้ แต่หลักการนี้จะใช้เวลาในการตอบสนองค่อนข้างช้า ทำให้ในทางปฎิบัติจึงไม่เหมาะสมสำหรับใช้ในการวัดค่าของระบบไฟฟ้ากำลัง สำหรับมิเตอร์แบบ analog บางประเภทสามารถวัดค่ารากกำลังสองเฉลี่ยจริงได้แต่ก็ยังมีความซับซ้อน,ผลสอบสนองช้าและก็ยังมีข้อจำกัดของย่านวัดด้วย
สำหรับการวัดค่ารากกำลังสองเฉลี่ยจริงที่ในทางปฏิบัตินิยมใช้นั้นก็จะเป็นการวัดแบบอิเลคทรอนิกส์โดยใช้ไมโครโปรเซสเซอร์เป็นตัวประมวลผล ซึ่งวงจรการวัดค่ารากกำลังสองเฉลี่ยนั้นจะทำการสุ่มสัญญาณอินพุทที่ความเร็วสูงโดยทั่วไปประมาณ 100 เท่าซึ่งมีค่าสูงกว่าความถี่ของฮาร์โมนิกส์ เช่นการวัดความถี่ฮาร์โมนิกส์อันดับที่ 25 หรือประมาณ 1250 ที่ความถี่ 50 Hz ดังนั้นอัตราสุ่มก็ควรจะอยู่ประมาณที่ 125,000 ครั้งต่อวินาที โดยชุดวงจรไมโครโปรเซสเซอร์จะดำเนินการยกกำลังสองของค่าที่สุ่มได้และรวมค่าสัญญาณที่ถูกสุ่มและถูกยกกำลังสองและถอดรากที่สอง ซึ่งการดำเนินการข้างต้นจะเป็นการประมวลผลเพื่อหาค่ารากกำลังสองเฉลี่ยที่ถูกต้อง แต่ในทางปฏิบัติแล้วเราไม่สามารถดำเนินการได้อย่างต่อเนื่อง แต่จะเป็นการดำเนินการโดยสุ่มสัญญาณให้มากที่สุดซึ่งก็จะขึ้นอยู่กับความเร็วของวงจรอิเลคทรอนิกส์และไมโครโปรเซสเซอร์ที่ใช้ประมวลผล
เมื่อเราต้องการทราบคุณลักษณะของฮาร์โมนิกส์
บางครั้งเรามีความจำเป็นต้องทราบค่าคุณลักษณะของฮาร์โมนิกส์ที่เกิดขึ้น ซึ่งข้อมูลดังกล่าวนั้นสามารถแสดงโดยเครื่องวิเคราะห์สเปคตรัม(Spectrum Analyzer) ซึ่งสามารถแยกแยะฮาร์โมนิกส์แต่ละอันดับและแสดงเปอร์เซนต์และมุมเฟสโดยอ้างอิงจากความถี่มูลฐาน(Fundamental Frequency) ซึ่งการวิเคราะห์ดังกล่าวสามารถดำเนินการโดยดิจิตอลไมโครโปรเซสเซอร์ และปัจจุบันเครื่องวิเคราะห์สเปคตรัมนั้นสามารถรายงานผลการวิเคราะห์ทั้งรูปคลื่นสัญญาณและรายละเอียดอื่นๆได้อีกด้วย ดังแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4 รายงานค่ากระแสและค่าฮาร์โมนิกส์สเปคตรัม
สรุป
เราจะเห็นได้ว่าการใช้เครื่องมือวัดนั้นบางครั้งเราต้องคำนึงถึงสัญญาณของรูปคลื่นที่เราวัดด้วย ถ้าเราไม่พิจารณาโดยละเอียดแล้วเราอาจจะกล่าวหาว่าเครื่องมือที่เราใช้วัดอ่านค่าไม่ถูกต้องได้แต่แท้ที่จริงแล้วกลับเป็นสัญญาณในระบบไฟฟ้าของท่านต่างหากที่ทำใหเเกิดการวัดค่าที่ผิดพลาด ถ้าเราพบสิ่งผิดปกติในระบบแล้วเราก็ควรจะต้องให้เครื่องมือที่ออกแบบเฉพาะมาช่วยวิเคราะห์เพื่อหาสาเหตุและแก้ไขก่อนที่จะส่งผลเสียหายต่อกระบวนการผลิตของท่าน สวัสดีครับ
เรียบเรียงจาก :