จะปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังในวงจรการปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังได้อย่างไร

เข้าใจเรื่องแฟกเตอร์กำลังและบทบาทของมันในการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

สามเหลี่ยมกำลัง: อธิบายกำลังจริง กำลังเหนี่ยวนำ และกำลังปรากฏ

แก่นหลักของแฟกเตอร์กำลังคือ สามเหลี่ยมกำลัง ซึ่งแสดงองค์ประกอบสำคัญสามประการ:

ประเภทของพลังงาน	หน่วยการวัด	บทบาทในระบบไฟฟ้า
กำลังจริง (P)	กิโลวัตต์ (kW)	ทำงานจริง (เช่น การให้ความร้อน)
กำลังไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (Q)	กิโลโวลต์-แอมแปร์ เหนี่ยวนำ (kVAR)	รักษาระบบสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
กำลังไฟฟ้ารวม (S)	กิโลโวลต์-แอมแปร์ (kVA)	พลังงานทั้งหมดที่ส่งไปยังระบบ

ตัวประกอบกำลังไฟฟ้า 0.85 หมายความว่ามีเพียง 85% ของกำลังไฟฟ้ารวมที่ทำงานได้จริง ส่วนอีก 15% สูญเสียไปกับกำลังไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (Ponemon 2023) ประสิทธิภาพที่ต่ำนี้ทำให้การดึงกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น และเกิดการสูญเสียพลังงานในเครือข่ายการจ่ายไฟ

มุมเฟสระหว่างแรงดันและกระแสไฟฟ้าในฐานะปัจจัยสำคัญของตัวประกอบกำลังไฟฟ้า

ตัวประกอบกำลังงาน (Power Factor) โดยพื้นฐานแล้ววัดประสิทธิภาพในการใช้พลังงานไฟฟ้า คำนวณจากค่าโคไซน์ของมุมเฟส (มุมเธต้า) ที่เกิดระหว่างคลื่นแรงดันและกระแสไฟฟ้า เมื่อพิจารณาโหลดแบบต้านทาน เช่น เครื่องทำความร้อนไฟฟ้า มุมนี้จะอยู่ใกล้ 0 องศามาก ทำให้ตัวประกอบกำลังงานเข้าใกล้ 1 หมายความว่า ไฟฟ้าส่วนใหญ่ถูกแปลงเป็นความร้อนที่ใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม สิ่งต่าง ๆ จะเปลี่ยนไปเมื่อเผชิญกับโหลดแบบเหนี่ยวนำ โดยเฉพาะมอเตอร์ ซึ่งก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า 'เลก' (Lag) ส่งผลให้มุมเธต้าเพิ่มขึ้น และทำให้ตัวประกอบกำลังงานลดลงอย่างมาก ในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด เมื่อมีเลกเต็มรูปแบบโดยไม่มีการทำงานจริงเกิดขึ้น ตัวประกอบกำลังงานอาจลดลงจนถึงศูนย์ นั่นคือเหตุผลที่วิศวกรต้องคอยตรวจสอบปัญหานี้อยู่เสมอ โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ประสิทธิภาพของมอเตอร์มีความสำคัญมาก

ผลกระทบของกำลังงานรีแอคทีฟและความจำเป็นในการแก้ไข

โรงงานที่ไม่แก้ไขปัญหาตัวประกอบกำลังไฟฟ้า มักจะถูกบริษัทจำหน่ายไฟฟ้าเรียกเก็บค่าปรับจำนวนมาก ข้อมูลตัวเลขก็บ่งชี้อย่างชัดเจนเช่นกัน — โรงงานส่วนใหญ่ต้องจ่ายเงินประมาณ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐทุกปี เนื่องจากระบบของพวกเขาดูดซับกำลังงานรีแอคทีฟมากเกินไป ตามการวิจัยล่าสุดจาก Ponemon ในปี 2023 ธนาคารตัวเก็บประจุ (Capacitor banks) สามารถแก้ปัญหานี้ได้โดยการจ่ายกำลังงานรีแอคทีฟที่จำเป็นในจุดกำเนิดแทนที่จะดึงมาจากกริดหลัก ซึ่งช่วยลดภาระให้กับเครือข่ายไฟฟ้าโดยรวม ผู้เชี่ยวชาญด้านพลังงานยังพบข้อมูลที่น่าสนใจอีกด้วย เมื่อสถานประกอบการสามารถเพิ่มค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าให้สูงถึงประมาณ 0.95 ความเครียดต่อระบบกริดท้องถิ่นจะลดลงประมาณ 18% นั่นหมายความว่าโรงงานสามารถรองรับภาระงานได้มากขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องลงทุนโครงสร้างพื้นฐานหรือเปลี่ยนอุปกรณ์ใหม่ที่มีราคาแพง ช่วยประหยัดทั้งค่าใช้จ่ายและปัญหาต่าง ๆ ในระยะยาว

ความผิดเพี้ยนของคลื่นฮาร์มอนิกและผลกระทบต่อตัวประกอบกำลังไฟฟ้าในโหลดแบบนอน-ลิเนียร์

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดและไดรฟ์ความถี่ตัวแปรสร้างกระแสฮาร์มอนิกที่รบกวนคลื่นไซน์บริสุทธิ์ ผลที่เกิดขึ้นคือ ฮาร์มอนิกที่ไม่ต้องการเหล่านี้จะเพิ่มค่ากำลังปรากฏโดยไม่ได้เพิ่มพลังงานที่ใช้งานได้จริง ส่งผลให้ค่าแฟกเตอร์กำลังที่แท้จริงลดลง การศึกษาเมื่อปี 2023 พบว่า สถานที่ที่มีฮาร์มอนิกมากอาจเห็นความต้องการกำลังปรากฏเพิ่มขึ้นได้ตั้งแต่ 15% ไปจนถึง 30% โดยที่ยังใช้อุปกรณ์ชุดเดิมอยู่ ซึ่งหมายความว่า ตู้คอนเดนเซอร์แบบมาตรฐานจะไม่สามารถแก้ปัญหาการปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังในสภาพแวดล้อมเช่นนี้ได้อีกต่อไป สถานประกอบการที่เผชิญปัญหานี้จึงจำเป็นต้องใช้วิธีการขั้นสูงที่ออกแบบมาเฉพาะเพื่อลดผลกระทบจากฮาร์มอนิก

การปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังแบบแอคทีฟโดยใช้เครื่องแปลงแรงดันแบบบูสต์

หลักการของการปรับปรุงแฟกเตอร์กำลังแบบแอคทีฟ (APFC) โดยใช้เครื่องแปลงสัญญาณแบบสวิตช์

การชดเชยแฟกเตอร์กำลังแบบแอคทีฟหรือ APFC ทำงานโดยใช้เครื่องแปลงสัญญาณสวิตชิ่งที่ปรับรูปร่างของกระแสไฟฟ้าขาเข้าให้เป็นคลื่นไซน์เรียบซึ่งสอดคล้องกับเส้นโค้งของแรงดันไฟฟ้า โดยทั่วไปจะทำให้ได้ค่าแฟกเตอร์กำลังเกิน 0.95 ตามงานวิจัยล่าสุดจาก IEEE Transactions ในปี 2023 สิ่งที่ทำให้วิธีนี้แตกต่างจากเทคนิคแบบพาสซีฟแบบดั้งเดิมคือการที่มันสามารถปรับตัวเองอย่างต่อเนื่องต่อการเปลี่ยนแปลงของโหลดผ่านการมอดูเลตความกว้างพัลส์ความถี่สูง (PWM) กระบวนการปรับตัวนี้ช่วยลดพลังงานรีแอกทีฟที่สูญเปล่าลงระหว่าง 60% ถึง 80% ขึ้นอยู่กับสภาพของระบบ โดยระบบที่ใช้ APFC ส่วนใหญ่มีประสิทธิภาพการทำงานอยู่ที่ประมาณ 90% ถึง 95% ซึ่งทำให้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการประยุกต์ใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลังในปัจจุบัน ที่ซึ่งตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่แม่นยำและมาตรฐานข้อบังคับมีความสำคัญมากในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม

การทำงานของวงจร PFC ที่ใช้ตัวเพิ่มแรงดัน (Boost Converter)

โทโพโลยีของตัวแปลงแรงดันแบบบูสต์มีบทบาทสำคัญในการออกแบบ APFC เนื่องจากช่วยให้สามารถรักษากระแสขาเข้าอย่างต่อเนื่องและเพิ่มแรงดันขาออกได้ โดยการควบคุมกระแสในขดลวดเหนี่ยวนำให้ตามอ้างอิงรูปคลื่นไซน์ที่สอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ วงจรเหล่านี้จะช่วยกำจัดการเลื่อนเฟสและลดฮาร์โมนิกส์ลง องค์ประกอบหลักประกอบด้วย:

• สวิตช์ IGBT/MOSFET ความถี่สูงที่ทำงานที่ความถี่ 20–150 กิโลเฮิรตซ์
• ไดโอดฟื้นตัวเร็วเพื่อลดการสูญเสียจากการฟื้นตัวกลับ
• ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้นเพื่อรักษาระดับแรงดันบัส DC ให้มีเสถียรภาพ

โครงสร้างนี้รับประกันค่าแฟกเตอร์กำลังใกล้เคียงหนึ่งอย่างต่อเนื่อง พร้อมรองรับช่วงแรงดันขาเข้าที่กว้าง

กลยุทธ์การควบคุมเพื่อให้ได้ค่าแฟกเตอร์กำลังเท่ากับหนึ่ง

ตัวควบคุม APFC รุ่นใหม่ใช้เทคนิคขั้นสูงเพื่อรักษางานประสิทธิภาพสูงภายใต้สภาวะที่เปลี่ยนแปลงไป

1. การควบคุมโหมดกระแสเฉลี่ย : ให้การติดตามกระแสแม่นยำ ด้วยค่าความผิดเพี้ยนรวมต่ำกว่า 5% (THD) ในทุกช่วงภาระงาน
2. โหมดการนำไฟฟ้าวิกฤต (CRM) : ปรับความถี่การสลับได้อย่างพลวัต ทำให้สามารถทำงานแบบ valley switching เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพภายใต้ภาระเบา
3. อัลกอริทึมที่ใช้การประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) : ให้การปรับตัวแบบเรียลไทม์ต่อภาระที่เป็นเชิงไม่เส้นและเปลี่ยนแปลงตามเวลา

วิธีการควบคุม	THD (%)	ประสิทธิภาพ	ค่าใช้จ่าย
Analog CRM	<8	92%	ต่ํา
Digital PWM	<3	95%	แรงสูง

โซลูชันดิจิทัลมีสมรรถนะฮาร์โมนิกที่ดีกว่า แต่มีต้นทุนการติดตั้งที่สูงกว่า

ตัวแปลงสัญญาณบูสต์แบบแบ่งเฟสสำหรับการใช้งานกำลังไฟสูง

สำหรับระดับกำลังไฟที่เกิน 10 กิโลวัตต์ ตัวแปลงสัญญาณบูสต์แบบแบ่งเฟสจะกระจายภาระงานไปยังหลายขั้นตอนที่ต่อกันแบบขนาน โดยมีการเลื่อนเฟสเพื่อลดกระแสแรงกระเพื่อม ส่งผลให้ออกแบบนี้สามารถทำได้:

• ชิ้นส่วนแม่เหล็กขนาดเล็กลง 40%
• ลดการรบกวนสัญญาณไฟฟ้า (EMI) ผ่านการหักล้างคลื่นรบกวนในตัว
• ความสามารถในการขยายขนาดแบบมอดูลาร์สำหรับระบบกำลังสูง

เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบขั้นตอนเดียว การเชื่อมต่อแบบอินเตอร์ลีฟ (interleaving) ช่วยลดการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าลง 22% (วารสาร Power Electronics ปี 2023) ทำให้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (EV) และระบบสำรองไฟฟ้าอุตสาหกรรม (UPS) ที่ต้องการค่าแฟกเตอร์กำลังเกิน 98% ภายใต้ภาระเต็ม สถาปัตยกรรมนี้ยังช่วยลดความซับซ้อนในการจัดการความร้อนและยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนประกอบ

โครงสร้าง PFC ขั้นสูง: แบบไร้สะพาน (Bridgeless) และแบบโทเทมโพล (Totem Pole)

โครงสร้าง PFC แบบไร้สะพานและข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพ

การออกแบบ PFC แบบไม่มีสะพานไดโอดช่วยกำจัดวงจรเรียงกระแสไดโอดสะพานมาตรฐานที่พบในแหล่งจ่ายไฟส่วนใหญ่ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากการนำกระแสลงได้ประมาณ 30% เมื่อเทียบกับรุ่นเก่า หลักการทำงานนั้นค่อนข้างเรียบง่าย—เนื่องจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านข้อต่อของสารกึ่งตัวนำน้อยลง ทำให้ระบบโดยรวมมีประสิทธิภาพสูงขึ้น สิ่งนี้สร้างความแตกต่างอย่างมาก โดยเฉพาะในงานประยุกต์ใช้งานที่ต้องการกำลังไฟระดับกลางถึงสูง ซึ่งเราพบเห็นได้ทั่วไปในปัจจุบัน โดยเฉพาะในแหล่งจ่ายไฟสำหรับเซิร์ฟเวอร์ ที่ซึ่งทุกหน่วยมีความสำคัญ มองไปที่สถานการณ์ตลาดในขณะนี้ ตัวเลขล่าสุดแสดงให้เห็นว่า หน่วย PFC แบบไม่มีสะพานไดโอด 3.6 กิโลวัตต์ ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ไนไตรด์แกลเลียม สามารถให้ความหนาแน่นของพลังงานได้ประมาณ 180 วัตต์ต่อลูกบาศก์นิ้ว พร้อมทั้งยังคงรักษาระดับประสิทธิภาพไว้เหนือกว่า 96% สำหรับผู้ที่ต้องเผชิญกับพื้นที่จำกัด หรือพยายามเพิ่มความสามารถในการจัดวางอุปกรณ์ในแร็คให้สูงสุด การปรับปรุงเหล่านี้ถือเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญและไม่อาจมองข้ามได้

สถาปัตยกรรม Totem Pole PFC ในระบบ SMPS สมัยใหม่

การออกแบบ PFC แบบ totem pole กำลังได้รับความนิยมในหมู่วิศวกรแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดสมัยใหม่ เนื่องจากทำงานได้ดีมากกับวัสดุใหม่ที่มีแถบพลังงานกว้าง เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ และแกลเลียมไนไตรด์ สิ่งที่ทำให้โทโพโลยีนี้โดดเด่นคือสามารถจัดการกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลทั้งสองทิศทาง และสามารถใช้งานการสวิตช์แบบซอฟต์ (soft switching) ได้ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากการสวิตช์ลงได้ประมาณ 40% เมื่อใช้ในระบบ 3 กิโลวัตต์ การทดสอบเมื่อเร็วๆ นี้ได้ตรวจสอบประสิทธิภาพของโครงสร้างแบบ interleave ในการใช้งานจริงในศูนย์ข้อมูล ผลลัพธ์ที่ได้น่าประทับใจมาก โดยมีประสิทธิภาพใกล้เคียง 98% ในขณะที่รักษาระดับการบิดเบือนฮาร์โมนิกโดยรวม (THD) ต่ำกว่า 5% ซึ่งตรงตามมาตรฐาน IEC 61000-3-2 ที่กำหนดไว้สำหรับการปล่อยฮาร์โมนิกจากอุปกรณ์ไฟฟ้าอย่างแม่นยำ จึงไม่แปลกใจเลยที่ผู้ผลิตเริ่มให้ความสนใจ

การเปรียบเทียบการสูญเสียจากการนำไฟฟ้า: การออกแบบ PFC แบบดั้งเดิม เทียบกับ แบบ bridgeless

วงจร PFC แบบดั้งเดิมสูญเสียประสิทธิภาพไป 1.5–2% เพียงเพราะการนำไฟฟ้าผ่านสะพานไดโอด การออกแบบแบบไม่มีสะพานช่วยลดการสูญเสียนี้ลงเหลือ 0.8–1.2% ภายใต้ภาระเต็ม โดยการลดจำนวนอุปกรณ์ที่ต้องนำไฟฟ้าในเส้นทางลงครึ่งหนึ่ง การลดนี้ยังส่งผลโดยตรงให้การสร้างความร้อนต่ำลง ทำให้ความต้องการในการระบายความร้อนง่ายขึ้น และเพิ่มความน่าเชื่อถือในระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูง

ความท้าทายในการประยุกต์ใช้อุปกรณ์ GaN/SiC ในวงจร PFC แบบโทเทมโพล

ส่วนประกอบ GaN และ SiC มีข้อดีหลายประการ แต่ต้องให้ความสำคัญกับการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) โดยเฉพาะเมื่อเกิดปัญหาเหนี่ยวนำแบบพาราซิติกที่ทำให้เกิดแรงดันกระชากในช่วงเวลาที่สวิตช์ทำงาน การตั้งค่า dead time ระหว่างสวิตช์ให้เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหา shoot through ในโครงสร้างสะพานครึ่งเสาโทเทมโพล (totem pole half bridge) สำหรับความถี่ที่สูงกว่า 100 กิโลเฮิรตซ์ วิศวกรส่วนใหญ่แนะนำให้ลดค่ากำลังไฟลงประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ ซึ่งประเด็นนี้ยิ่งมีความสำคัญมากขึ้นในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น ระบบการบินและอวกาศ หรืออุปกรณ์โทรคมนาคม ที่อุณหภูมิสุดขั้วและการสั่นสะเทือนทำให้การรักษาระดับความน่าเชื่อถือเป็นเรื่องยากขึ้น

การปรับแก้ปัจจัยกำลังแบบพาสซีฟ และโซลูชันที่ใช้ตัวเก็บประจุ

พื้นฐานของการปรับแก้ปัจจัยกำลังแบบพาสซีฟ (PPFC) โดยใช้ขดลวดเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ

การปรับตัวประกอบกำลังแบบพาสซีฟ หรือเรียกโดยย่อว่า PPFC ทำงานโดยใช้ขดลวดเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุที่ไม่เปลี่ยนค่า เพื่อแก้ปัญหากำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ เมื่อเราต่อธนาคารตัวเก็บประจุร่วมกับอุปกรณ์ที่มีลักษณะเหนี่ยวนำตามธรรมชาติ เช่น มอเตอร์ จะช่วยทำให้คลื่นแรงดันและกระแสไฟฟ้ากลับมาอยู่ในแนวเดียวกัน อุตสาหกรรมศึกษาพบว่าวิธีการง่ายๆ นี้สามารถแก้ไขปัญหาตัวประกอบกำลังได้ประมาณสองในสามถึงสามในสี่ของทั้งหมด สิ่งที่น่าสนใจมากสำหรับวิธีนี้ในด้านงบประมาณคือ โดยทั่วไปจะมีค่าใช้จ่ายเพียง 30% ถึงครึ่งหนึ่งของวิธีการแก้ไขแบบแอคทีฟ แน่นอนว่ามันไม่สามารถปรับตัวแบบเรียลไทม์ได้เหมือนระบบอัจฉริยะบางชนิด แต่สำหรับสถานที่ที่มีภาระการใช้งานคงที่ทุกวัน PPFC ยังคงให้คุ้มค่าในการลงทุนเมื่อมองดูการประหยัดต้นทุนในระยะยาว

การใช้ตัวเก็บประจุเพื่อปรับปรุงตัวประกอบกำลัง: ธนาคารแบบสถิตและแบบสวิตช์

การจัดวางตัวเก็บประจุสองแบบหลักที่ใช้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม:

• ธนาคารแบบสถิต ให้การชดเชยค่าคงที่ เหมาะสมที่สุดสำหรับโพรไฟล์โหลดที่คงที่
• ธนาคารตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ ใช้รีเลย์หรือควบคุมด้วยไทริสเตอร์เพื่อปรับค่าความจุแบบไดนามิกตามความต้องการแบบเรียลไทม์

ตามรายงานการศึกษาระบบพลังงานอุตสาหกรรมปี 2024 ธนาคารตัวเก็บประจุแบบสวิตช์สามารถทำค่าแฟกเตอร์กำลังได้ 92–97% ในสภาพแวดล้อมที่มีโหลดแปรผัน ซึ่งสูงกว่าหน่วยแบบสถิตที่โดยทั่วไปทำได้เพียง 85–90%

การติดตั้งธนาคารตัวเก็บประจุในการชดเชยกำลังรีแอคทีฟในอุตสาหกรรม

การติดตั้งอย่างมีประสิทธิภาพควรปฏิบัติตามหลักการพื้นฐานสามประการ:

1. ติดตั้งธนาคารตัวเก็บประจุใกล้กับโหลดเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ เพื่อลดการสูญเสียในสาย (I²R)
2. คำนวณขนาดของหน่วยให้มีค่าเท่ากับ 125% ของความต้องการกำลังรีแอคทีฟที่คำนวณได้ เพื่อชดเชยการเสื่อมสภาพและความคลาดเคลื่อน
3. ติดตั้งตัวกรองฮาร์โมนิกเมื่อค่าความผิดเพี้ยนฮาร์โมนิกรวมเกิน 5% เพื่อป้องกันความเสี่ยงจากการเกิดเรโซแนนซ์

สถานประกอบการที่นำกลยุทธ์นี้ไปใช้ มักจะสามารถคืนทุนได้ภายใน 18–24 เดือน จากการลดค่าใช้จ่ายตามความต้องการและหลีกเลี่ยงค่าปรับจากผู้ให้บริการไฟฟ้า

การเลือกขนาดตัวเก็บประจุเพื่อการแก้ไขแฟกเตอร์กำลังที่เหมาะสมที่สุด

การคำนวณขนาดอย่างแม่นยำมีความสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงการแก้ไขที่น้อยเกินไปหรือมากเกินไป ค่าการชดเชยพลังงานรีแอคทีฟที่ต้องการจะถูกคำนวณดังนี้:

Qc = P (tanθ1 - tanθ2)

ที่ไหน:

• Qc = ความจุที่ต้องการ (kVAR)
• P = พลังงานจริง (kW)
• θ1/θ2 = มุมเฟสเริ่มต้นและเป้าหมาย

ระบบธนาคารตัวเก็บประจุที่มีขนาดเล็กเกินไปจะทำให้พลังงานรีแอคทีฟไม่ได้รับการแก้ไข ในขณะที่ระบบที่มีขนาดใหญ่เกินไปจะทำให้เกิดแฟกเตอร์กำลังนำ (leading power factor) ซึ่งอาจทำให้การควบคุมแรงดันไม่เสถียร โดยทั่วไประบบที่ใช้ในอุตสาหกรรมจะมีเป้าหมายให้แฟกเตอร์กำลังที่แก้ไขแล้วอยู่ระหว่าง 0.95 ถึง 0.98 แบบตามหลัง (lagging) เพื่อให้เกิดสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและความปลอดภัยของระบบ

เปรียบเทียบวิธีการ PFC แบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟเพื่อการเลือกใช้งานที่เหมาะสมที่สุด

เปรียบเทียบประสิทธิภาพ ต้นทุน และขนาดของระบบ PFC แบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟ

ระบบ PFC แบบแอคทีฟสามารถทำให้แฟกเตอร์กำลังสูงกว่า 0.98 ได้โดยใช้เครื่องแปลงสัญญาณแบบสวิตช์ชิ่งและการควบคุมด้วยระบบดิจิทัล ในขณะที่วิธีการแบบพาสซีฟโดยทั่วไปจะมีค่าสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 0.85–0.92 โดยใช้ธนาคารตัวเก็บประจุ ตามรายงาน Power Factor Solutions ปี 2024 ระบบที่ใช้แบบแอคทีฟสามารถลดการบิดเบือนฮาร์โมนิกโดยรวมได้ 60–80% เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้แบบพาสซีฟ ข้อพิจารณาที่สำคัญมีดังนี้:

• ค่าใช้จ่าย : หน่วย PFC แบบแอคทีฟมีต้นทุนสูงกว่าแบบพาสซีฟถึง 2–3 เท่า
• ขนาด : ระบบแบบพาสซีฟใช้พื้นที่ทางกายภาพน้อยกว่า 30–50%
• ความยืดหยุ่น : วงจรแบบแอคทีฟรักษาระดับประสิทธิภาพการแก้ไขได้สูงตั้งแต่โหลด 20% ถึง 100%

แม้ว่าวงจรแบบแอคทีฟจะประกอบด้วยชิ้นส่วนมากกว่า 40% แต่การตอบสนองแบบไดนามิกทำให้มันจำเป็นอย่างยิ่งในงานประยุกต์ที่มีโหลดแปรผันหรืองานที่ไวต่อสัญญาณ

ข้อพิจารณาเฉพาะตามการใช้งาน: PFC ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด

ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) การใช้ PFC แบบแอคทีฟกำลังกลายเป็นมาตรฐานมากขึ้นเพื่อให้สอดคล้องกับข้อจำกัดฮาร์โมนิกตามมาตรฐาน IEC 61000-3-2 การวิเคราะห์อุตสาหกรรมยืนยันว่า PFC แบบแอคทีฟสามารถให้ประสิทธิภาพได้ถึง 92% ที่โหลดเต็มในหน่วยกำลังตั้งแต่ 500W ขึ้นไป เมื่อเทียบกับ 84% สำหรับการออกแบบแบบพาสซีฟ การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับ:

1. ความจำเป็นในการปฏิบัติตามกฎระเบียบ
2. ข้อจำกัดด้านการออกแบบการระบายความร้อน
3. เป้าหมายต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน

การประยุกต์ใช้งานระดับสูง เช่น พาวเวอร์ซัพพลายสำหรับเซิร์ฟเวอร์ และอุปกรณ์ทางการแพทย์ มักนิยมใช้ PFC แบบแอคทีฟเนื่องจากสามารถจัดการกับการเปลี่ยนแปลงของโหลดอย่างรวดเร็วและรักษาระดับกระแสขาเข้าให้มีความสะอาด

เหตุใดแหล่งจ่ายไฟราคาประหยัดยังคงพึ่งพา PFC แบบพาสซีฟ แม้จะมีข้อจำกัด

แหล่งจ่ายไฟประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์ที่มีกำลังต่ำกว่า 300 วัตต์ ใช้เทคโนโลยี PFC แบบพาสซีฟเป็นหลัก เนื่องจากมีต้นทุนเพียงประมาณสิบถึงยี่สิบเซนต์ต่อวัตต์ เมื่อเผชิญกับสถานการณ์ที่โหลดคงที่ เช่น ในระบบไฟ LED หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในครัวเรือน วิธีการแบบพาสซีฟมักให้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างดี โดยบางครั้งสามารถทำให้ค่าแฟกเตอร์กำลังใกล้เคียงกับ 0.9 ได้ การติดตั้งเหล่านี้จึงสามารถปฏิบัติตามข้อกำหนดพื้นฐานได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบแบบแอคทีฟที่ซับซ้อนและทำให้ต้นทุนสูงขึ้น นี่จึงเป็นเหตุผลที่ผู้ผลิตยังคงเลือกใช้วิธีนี้อยู่เสมอ โดยเฉพาะเมื่อมีข้อจำกัดด้านงบประมาณ ความเรียบง่ายเพียงอย่างเดียวก็สร้างความแตกต่างให้กับบริษัทหลายแห่งที่ต้องการลดต้นทุนโดยไม่ต้องเสียสมรรถนะมากนัก

คำถามที่พบบ่อย

สามเหลี่ยมกำลังในระบบไฟฟ้าคืออะไร

สามเหลี่ยมกำลังประกอบด้วยองค์ประกอบสามประการ ได้แก่ กำลังจริง (ทำหน้าที่ทำงานจริง), กำลังเหนี่ยวนำ (รักษาระบบสนามแม่เหล็กไฟฟ้า) และกำลังปรากฏ (กำลังรวมทั้งหมดที่ส่งไปยังระบบ)

มุมเฟสส่งผลต่อค่าแฟกเตอร์กำลังอย่างไร

ตัวประกอบกำลังคือค่าคอสายน์ของมุมเฟสระหว่างคลื่นแรงดันและกระแสไฟฟ้า มุมเฟสที่ใหญ่ขึ้นแสดงถึงตัวประกอบกำลังที่ต่ำลง ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของการใช้พลังงานไฟฟ้า

ผลกระทบทางการเงินจากตัวประกอบกำลังที่ต่ำคืออะไร

อุตสาหกรรมที่มีตัวประกอบกำลังต่ำอาจต้องเผชิญกับค่าปรับจำนวนมากจากบริษัทจำหน่ายไฟฟ้า โดยมักจะต้องเสียค่าใช้จ่ายสูงถึง 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อปีเนื่องจากความไม่มีประสิทธิภาพ

วิธีการแก้ไขตัวประกอบกำลังแบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟแตกต่างกันอย่างไร

ระบบ PFC แบบแอคทีฟใช้เครื่องแปลงสัญญาณสวิตชิ่งเพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงและความยืดหยุ่น ในขณะที่ระบบ PFC แบบพาสซีฟใช้ธนาคารตัวเก็บประจุ ซึ่งมีต้นทุนและพื้นที่ติดตั้งต่ำกว่า แต่มีความสามารถในการปรับตัวน้อยกว่า