บทที่ 05 — ระบบสามเฟส

05.1 ทำไมต้องสามเฟส (Why Three Phases?)

ระบบสามเฟสคือแหล่งจ่ายไฟไซน์สามชุดที่มีแอมพลิจูดเท่ากัน ความถี่เดียวกัน แต่เหลื่อมเฟสกันชุดละ 120° เมื่อบวกค่าแรงดันขณะใดขณะหนึ่งของทั้งสามชุดเข้าด้วยกัน ผลรวมจะเป็นศูนย์เสมอไม่ว่าเวลาใด — และถ้าโหลดที่ต่ออยู่สมดุลกันทั้งสามเฟส กระแสที่ไหลก็จะรวมกันเป็นศูนย์ในลักษณะเดียวกัน นี่คือคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ที่เรียบง่ายแต่ทรงพลังที่สุดของระบบสามเฟส เพราะมันหมายความว่าระบบ 3 สายสามารถส่งกำลังได้โดยไม่ต้องมีสายกลับเลยในกรณีโหลดสมดุล

โดย \(v_A, v_B, v_C\) คือแรงดันขณะใดขณะหนึ่งของแต่ละเฟส (V), \(V_m\) คือแรงดันยอด (V) และ \(\omega\) คือความถี่เชิงมุมเท่ากับ 2πf (rad/s)

ผลลัพธ์ที่ตามมาจากสมการนี้คือกำลังไฟฟ้ารวมของโหลดสามเฟสสมดุลจะ "เรียบ" ไม่กระเพื่อมที่ 100 Hz แบบระบบเฟสเดียวที่อธิบายไว้ใน ch04 เพราะการกระเพื่อมของแต่ละเฟสหักล้างกันพอดีเมื่อรวมทั้งสามเฟส ผลที่เห็นได้จริงคือแรงบิดบนเพลาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์สามเฟสจะเรียบคงที่ ไม่สั่นตามจังหวะ 100 Hz อายุใช้งานของ bearing และ coupling จึงยาวขึ้นกว่าระบบเฟสเดียวอย่างมีนัยสำคัญ — เหตุผลนี้เพียงข้อเดียวก็เพียงพอให้เครื่องจักรไฟฟ้าขนาดใหญ่ทุกตัวในโรงไฟฟ้าเลือกใช้สามเฟส

ข้อได้เปรียบข้อที่สองคือความประหยัดตัวนำ: เมื่อส่งกำลังไฟฟ้าปริมาณเท่ากัน ระยะทางเท่ากัน และยอมให้ loss เท่ากัน ระบบสามเฟส 3 สายใช้ปริมาณทองแดงเพียงประมาณ 75% ของระบบเฟสเดียว 2 สาย นี่คือเหตุผลเชิงเศรษฐศาสตร์ที่ทำให้สายส่งไฟฟ้าทั้งโลกไม่มีใครเลือกเดินระบบเฟสเดียวในระยะไกล ข้อได้เปรียบข้อที่สามซึ่งสำคัญไม่แพ้กันคือกระแสสามเฟสที่ไหลในขดลวด stator จะสร้าง rotating magnetic field ขึ้นเองโดยธรรมชาติจากการจัดเรียงเฟสทางกายภาพ ทำให้มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟสสตาร์ทตัวเองได้ทันทีที่จ่ายไฟ ไม่ต้องพึ่ง capacitor ช่วยสตาร์ทแบบที่มอเตอร์เฟสเดียวจำเป็นต้องมี (รายละเอียดของกลไกนี้อยู่ใน ch33)

ระบบไฟฟ้ากำลังของไทยทั้งหมดเป็นสามเฟส 50 Hz ตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทาง: เครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตที่แรงดันประมาณ 11–26 kV สายส่งของ EGAT อยู่ที่ระดับ 500/230/115 kV ระบบจำหน่ายของ PEA ใช้ 22/33 kV และของ MEA ใช้ 12/24 kV ก่อนลดลงมาเป็นแรงต่ำ 380/220 V ที่ใช้กันในโรงงานและบ้านเรือน ข้อควรจำที่สำคัญมากคือ ตัวเลขแรงดันสูงทุกตัวที่กล่าวมานี้คือ line-to-line voltage เสมอ ไม่ใช่แรงดันต่อเฟส ซึ่งจะอธิบายความแตกต่างละเอียดในหัวข้อ 05.2 ถัดไป

ชื่อเรียกของแต่ละเฟสมีได้หลายธรรมเนียม: A-B-C แบบสากล, R-Y-B ที่นิยมในเอกสารเก่าและงานยุโรป หรือ L1-L2-L3 ตามมาตรฐาน IEC — ทั้งหมดหมายถึงสิ่งเดียวกัน ส่วนสีของสายไฟฟ้าในประเทศไทยกำหนดตามมาตรฐาน มอก.11-2553 คือ L1 สีน้ำตาล, L2 สีดำ, L3 สีเทา, สายนิวทรัล (N) สีฟ้า และสายดิน (PE) สีเขียวแถบเหลือง ช่างไฟฟ้าที่คุ้นตากับสีเหล่านี้จะระบุเฟสได้ทันทีโดยไม่ต้องวัดซ้ำ

1. Tower top — ยอดเสาส่งไฟฟ้าแรงสูง จุดสูงสุดของโครงเหล็ก มักติดตั้งสายล่อฟ้า (overhead ground wire) แยกต่างหากจากสายเฟสเพื่อรับฟ้าผ่าก่อนถึงตัวนำไฟฟ้า
2. Upper crossarm — แขนขวางเหล็กชุดบนสุด รองรับตัวนำหนึ่งเฟสของทั้งสามเฟส การจัดเรียงเฟสตามแนวตั้งเป็นสามชั้นแบบนี้พบมากในสายส่งแรงสูงของไทย
3. Middle crossarm — แขนขวางชุดกลาง รองรับตัวนำอีกหนึ่งเฟส อยู่กึ่งกลางระหว่างแขนบนและแขนล่าง
4. Bottom crossarm — แขนขวางชุดล่างสุด รองรับตัวนำเฟสที่สาม รวมทั้งสามแขนคือสามเฟสครบชุดของวงจรเดียว
5. Three bundled conductor phase — ตัวนำแต่ละเฟสในภาพเป็นตัวนำแบบมัด (bundled conductor) คือมัดตัวนำย่อยหลายเส้นแทนตัวนำเส้นเดียวขนาดใหญ่ ช่วยลด corona loss และเพิ่มความสามารถส่งกำลัง — แรงดันที่ระบุบนป้ายเสา (เช่น 500 kV) คือค่า line-to-line ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นในหัวข้อนี้เสมอ
6. Long glass insulator string — พวงลูกถ้วยแก้วแขวนยาว (ปรากฏสามพวงตามสามระดับแขนขวาง) แขวนสายตัวนำแต่ละเฟสจากแขนขวางลงมา ทำหน้าที่เป็นฉนวนกั้นแรงดันสูงไม่ให้ไหลลงสู่โครงเหล็กที่ต่อลงดิน จำนวนลูกถ้วยต่อพวงเพิ่มขึ้นตามระดับแรงดัน
7. Tower body (lattice) — โครงเหล็กแบบตาข่ายที่ประกอบเป็นตัวเสาหลัก น้ำหนักเบาแต่แข็งแรง ทนแรงลมและน้ำหนักสายตัวนำได้ตลอดอายุใช้งานหลายสิบปี
8. Cross bracing — เหล็กค้ำแนวทแยงเสริมความแข็งแรงให้โครงเสา ป้องกันการบิดตัวจากแรงลมด้านข้าง
9. Tower leg — ขาเสาทั้งสี่ต้นที่รับน้ำหนักตัวเสาและแรงดึงจากสายตัวนำลงสู่ฐานราก
10. Foundation base — ฐานคอนกรีตยึดขาเสาแต่ละต้นลงดิน ต้องออกแบบให้รับทั้งแรงกดและแรงถอน (uplift) จากสายตัวนำในสภาพลมแรง
11. Upper section / Middle section / Lower section — เส้นบอกระยะแบ่งความสูงเสาออกเป็นสามช่วงตามตำแหน่งแขนขวางแต่ละชุด ใช้อธิบายสัดส่วนโครงสร้างของเสาในภาพ
12. Ground / vegetation clearance zone — ระยะห่างต่ำสุดจากสายตัวนำถึงพื้นดินหรือยอดไม้ตามที่กฎหมายไฟฟ้ากำหนดตามระดับแรงดัน เป็นระยะเผื่อความปลอดภัยป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรจากต้นไม้หรือสิ่งก่อสร้างที่โตล้ำเข้าใกล้สาย

05.2 การต่อแบบ Wye (Wye/Star Connection)

การต่อแบบ wye คือการนำปลายด้านหนึ่งของขดลวดทั้งสามชุดมารวมกันที่จุดเดียว เรียกจุดนี้ว่าจุดนิวทรัล (N) ส่วนปลายอีกด้านของแต่ละขดจะออกเป็นขั้ว A, B, C แยกกัน การมีจุดนิวทรัลทำให้สร้างระบบ 4 สายได้ (3 เฟส + นิวทรัล) ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ระบบจำหน่ายไฟฟ้าแรงต่ำของไทยใช้อยู่ทุกวันนี้ — จ่ายโหลดสามเฟส 380 V ให้เครื่องจักรได้ในเวลาเดียวกับที่จ่ายโหลดเฟสเดียว 220 V ให้แสงสว่างและเต้ารับผ่านสายเดียวกัน

โดย \(V_L\) คือ line-to-line voltage (V), \(V_{ph}\) คือ phase (line-to-neutral) voltage (V), \(I_L\) คือ line current (A) และ \(I_{ph}\) คือ phase current ในขดลวดหรือโหลด (A) — ตัวอย่างที่คุ้นเคยที่สุดคือระบบ 380/220 V: 380 V คือค่าที่วัดระหว่างสองเฟส ส่วน 220 V คือค่าที่วัดระหว่างเฟสหนึ่งกับนิวทรัล และเมื่อตรวจสอบด้วยสูตร √3 × 220 = 381 V ตัวเลขก็ตรงกันพอดี

เหตุผลที่ตัวคูณเป็น √3 ไม่ใช่ 2 หรือ 3 มาจากการบวกเวกเตอร์: line voltage \(\vec{V}_{AB}\) ไม่ได้เกิดจากการวัดคร่อมขดลวดโดยตรง แต่เกิดจากผลต่างของสอง phase voltage คือ \(\vec{V}_{AB} = \vec{V}_{AN} - \vec{V}_{BN}\) เมื่อสองเวกเตอร์นี้เหลื่อมกัน 120° ผลต่างที่ได้จะมีขนาดโตขึ้น √3 เท่าของแต่ละเวกเตอร์ และนำหน้า phase voltage ที่เกี่ยวข้องอยู่ 30° เสมอสำหรับลำดับเฟส abc ภาพเฟเซอร์ในหัวข้อนี้จะพิสูจน์ความสัมพันธ์นี้ให้เห็นชัดด้วยรูปเรขาคณิต

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่แทบทุกตัวในโรงไฟฟ้าต่อขดลวด stator แบบ wye เกือบทั้งหมด เหตุผลหลักมีสองข้อ: ข้อแรกคือฉนวนของแต่ละเฟสต้องทนแค่ phase voltage ไม่ใช่ line voltage เต็ม ทำให้ประหยัดฉนวนได้มากเมื่อเทียบกับการต่อ delta ที่แรงดันสูงระดับหลาย kV ข้อสองคือการมีจุดนิวทรัลให้ต่อลงดินผ่าน grounding transformer หรือ grounding resistor เพื่อจำกัดกระแส ground fault ให้อยู่ในระดับที่ควบคุมได้ (รายละเอียดของวิธีต่อลงดินของ generator อยู่ใน ch30 และระบบป้องกันที่เกี่ยวข้องอยู่ใน ch36)

ข้อสังเกตเชิงคุณภาพไฟฟ้าที่เกี่ยวกับ wye 4 สายคือ harmonic อันดับ 3 ของสามเฟส (ซึ่งอยู่ในเฟสเดียวกันทั้งหมด เรียกว่า zero-sequence component ตามที่อธิบายไว้ใน ch04) จะไม่หักล้างกันเหมือน fundamental แต่จะไหลรวมกันในสายนิวทรัลแทน ทำให้สายนิวทรัลของระบบที่มีโหลด non-linear มากอาจร้อนผิดปกติได้แม้โหลดสมดุลดีทั้งสามเฟส เป็นประเด็นที่ต้องพิจารณาเมื่อออกแบบขนาดสายนิวทรัล

05.3 การต่อแบบ Delta (Delta Connection)

การต่อแบบ delta คือการนำขดลวดสามชุดมาต่อหัวต่อท้ายกันเป็นวงปิดรูปสามเหลี่ยม แตกต่างจาก wye ตรงที่ไม่มีจุดนิวทรัลเลย จึงเป็นระบบ 3 สายเสมอไม่ว่าจะออกแบบมาใช้งานแบบใด

โดย \(V_L\) คือ line voltage (V), \(V_{ph}\) คือแรงดันคร่อมขดลวดหนึ่งชุด (V), \(I_L\) คือ line current (A) และ \(I_{ph}\) คือกระแสในขดลวดหนึ่งชุด (A) — ความสัมพันธ์นี้กลับด้านกับ wye พอดี: ที่ delta แรงดันเท่ากันแต่กระแสต่างกัน √3 เท่า (ไม่ใช่แรงดัน) และสำหรับลำดับเฟส abc line current จะตามหลัง phase current อยู่ 30°

ผลจากการต่อแบบนี้คือขดลวดแต่ละชุดต้องรับ line voltage เต็มจำนวน ทำให้ต้องใช้ฉนวนหนากว่าการต่อ wye ที่แรงดันเท่ากัน แต่แลกมาด้วยกระแสในขดลวดที่เล็กลง √3 เท่าเมื่อเทียบกับกระแสสาย จุดสมดุลนี้ทำให้ delta เหมาะกับด้านแรงดันต่ำที่ต้องรับกระแสสูง เช่นด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงจำหน่ายหลายรุ่น

ข้อดีที่สำคัญที่สุดของ delta ในเชิงคุณภาพไฟฟ้าคือ harmonic อันดับ 3 (zero-sequence) ของสามเฟสจะไหลวนอยู่ภายในวง delta เอง ไม่ไหลออกไปรบกวนระบบภายนอก นี่คือเหตุผลหลักที่หม้อแปลงกำลังส่วนใหญ่ถูกออกแบบให้มีขดลวดต่อ delta อย่างน้อยหนึ่งชุดเสมอ ตัวอย่างที่ชัดที่สุดคือ generator step-up transformer ซึ่งมักต่อขดลวดด้าน generator เป็น delta และด้านสายส่งเป็น wye (รายละเอียดของหม้อแปลงชนิดนี้อยู่ใน ch32)

1. From turbine hall (generator terminals) — จุดต้นทางที่ท่อบัสทั้งสามออกมาจากผนังอาคาร turbine hall ตรงกับขั้วต่อจริงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้านใน แต่ละท่อรับกระแสจากหนึ่งเฟสของ generator โดยตรง
2. Isolated-phase bus duct enclosures (aluminum) — ท่อฉนวนอะลูมิเนียมทรงกระบอกสามท่อขนานกัน แต่ละท่อหุ้มตัวนำหนึ่งเฟสแยกจากกันทางกายภาพอย่างสิ้นเชิง ต่างจาก busbar ทั่วไปที่วางสามเฟสรวมกันในโครงเดียว การแยกท่อแบบนี้ป้องกัน phase-to-phase fault ที่กระแสอาจสูงหลายหมื่นแอมป์บริเวณใกล้ generator ซึ่งเป็นจุดกระแสลัดวงจรสูงสุดของทั้งระบบ
3. Steel support structure — โครงเหล็กยกท่อบัสให้ลอยจากพื้น ระยะห่างระหว่างท่อและจากพื้นต้องออกแบบตามการขยายตัวจากความร้อนและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าขณะเกิดกระแสลัดวงจร
4. Connection to transformer bushings — จุดเชื่อมต่อปลายท่อบัสเข้ากับบุชชิ่งของหม้อแปลง step-up แต่ละเฟสเชื่อมเข้าบุชชิ่งของตัวเองตามลำดับเดียวกับที่ออกจาก generator
5. Step-up transformer — หม้อแปลงเพิ่มแรงดันจากแรงดัน generator (ระดับ 11–26 kV ตามที่กล่าวในหัวข้อ 05.1) ขึ้นเป็นแรงดันสายส่ง มักต่อขดลวดด้าน generator เป็นเดลต้าตามที่อธิบายไว้ข้างต้นเพื่อดัก harmonic อันดับ 3 ไม่ให้ไหลเข้าสู่ generator
6. Concrete foundations — ฐานคอนกรีตย่อยรองรับโครงเหล็กแต่ละต้นตลอดแนวท่อบัส
7. Transformer foundation — ฐานคอนกรีตขนาดใหญ่รองรับน้ำหนักหม้อแปลง step-up ทั้งลูก ซึ่งหนักได้หลายสิบถึงหลายร้อยตัน

มอเตอร์ที่ terminal box มีขั้วต่อ 6 ขั้ว (ปลายต้นขดและปลายท้ายขดของทั้งสามเฟส) เลือกต่อ wye หรือ delta ได้ด้วยการย้ายตำแหน่ง link bar เท่านั้น นี่คือพื้นฐานของการสตาร์ทแบบ star-delta ที่ใช้กันแพร่หลาย: สตาร์ทเครื่องที่การต่อแบบ wye ก่อน (แรงดันตกคร่อมขดลวดลดลง √3 เท่า ทำให้กระแสสตาร์ทลดเหลือเพียง 1/3 ของกระแสสตาร์ทแบบ delta ตรง) แล้วจึงสับสวิตช์เปลี่ยนเป็น delta เมื่อมอเตอร์วิ่งขึ้นความเร็วแล้ว (รายละเอียดวงจรสตาร์ทชนิดนี้อยู่ใน ch33)

1. Terminal box — กล่องขั้วต่อของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟส จุดเดียวที่เปิดเข้าถึงปลายขดลวดทั้งหกปลายเพื่อเลือกวิธีต่อวงจรก่อนใช้งาน
2. U1 / V1 / W1 / U2 / V2 / W2 (เลขกำกับขั้ว) — ระบบเลขกำกับขั้วมาตรฐาน IEC ที่พิมพ์บนแผ่นฉนวน: U1-V1-W1 คือปลายต้นขดลวดเฟส U, V, W ตามลำดับ ส่วน U2-V2-W2 คือปลายท้ายของขดเดียวกัน การจัดเรียงขั้วเป็นสองแถวแบบนี้เป็นมาตรฐานที่ทำให้ต่อ link bar เป็น wye หรือ delta ได้สะดวกโดยไม่ต้องเปลี่ยนสายไฟภายในขดลวดเลย
3. Delta connection (link bars vertical) — ป้ายกำกับแสดงว่าภาพนี้ต่อแบบเดลต้า สังเกตจาก link bar ที่วางตัวแนวตั้งเชื่อม U1-W2, V1-U2, W1-V2 ครบวงปิดสามเหลี่ยม ตรงกับที่อธิบายไว้ข้างต้น — ถ้าต้องการเปลี่ยนเป็นต่อแบบวาย ต้องย้าย link bar ไปเชื่อม U2-V2-W2 เข้าด้วยกันเป็นจุดนิวทรัลแทน
4. Brass terminal studs — สลักทองเหลืองที่เป็นจุดต่อไฟฟ้าจริงของแต่ละขั้ว ใช้ทองเหลืองเพราะนำไฟฟ้าดีและทนการกัดกร่อนกว่าเหล็กเปลือย
5. Link bars — แผ่นโลหะเชื่อมต่อระหว่างขั้วสองขั้วที่อยู่ติดกัน ใช้กำหนดรูปแบบการต่อวงจร (wye หรือ delta) เพียงแค่ขันแน่นหรือย้ายตำแหน่ง
6. Terminal insulating plate — แผ่นฉนวนรองรับขั้วต่อทั้งหกจุด กันไม่ให้ขั้วต่างเฟสลัดวงจรถึงกันหรือถึงตัวถังมอเตอร์ที่ต่อลงดิน
7. Three-phase power cables — สายไฟฟ้ากำลังสามเฟสสามเส้นสีน้ำตาล เหลือง น้ำเงิน ตามมาตรฐาน มอก.11-2553 ที่กล่าวถึงในหัวข้อ 05.1 จ่ายไฟจากแหล่งจ่ายเข้าสู่ terminal box
8. Cable gland (strain relief) — ปลอกรัดสายที่ช่องเจาะเข้ากล่อง ป้องกันสายไฟถูกดึงรั้งจนหลุดจากขั้วต่อ และกันน้ำ/ฝุ่นไม่ให้เข้าไปในกล่อง

กรณีพิเศษที่พบในงานจำหน่ายไฟฟ้าคือ delta เปิด หรือ open delta (V-connection): เมื่อหม้อแปลงชุด delta สามลูกเสียหายไปหนึ่งลูก อีกสองลูกที่เหลือยังสามารถจ่ายไฟสามเฟสต่อไปได้ที่ประมาณ 57.7% ของพิกัดเดิม (เท่ากับ 1/√3) ซึ่งเป็นทางรอดชั่วคราวที่ช่างระบบจำหน่ายใช้บ่อยระหว่างรอหม้อแปลงลูกใหม่มาเปลี่ยน

05.4 การคำนวณโหลดสมดุล (Balanced Load Calculations)

ข่าวดีสำหรับการคำนวณกำลังสามเฟสคือมีสูตรเดียวที่ใช้ได้กับทั้ง wye และ delta โดยไม่ต้องแยกจำสองสูตร ขอเพียงใช้ค่า line ทั้งคู่เสมอ:

โดย \(P\) คือ real power (W), \(Q\) คือ reactive power (var), \(S\) คือ apparent power (VA), \(V_L\) คือ line voltage (V), \(I_L\) คือ line current (A), \(\phi\) คือมุมเฟสของโหลด (°) และ \(Z_Y, Z_\Delta\) คือ impedance ต่อเฟสแบบ wye และ delta (Ω) — ข้อควรระวังที่ทำให้หลายคนสับสนคือ \(\phi\) ในสูตรนี้คือมุมระหว่าง phase voltage กับ phase current ของโหลด ซึ่งเท่ากับมุมของ impedance ไม่ใช่มุมระหว่างปริมาณ line ที่เหลื่อมกันด้วย 30° ตามที่พิสูจน์ไว้ในหัวข้อ 05.2

วิธีที่ใช้วิเคราะห์วงจรสามเฟสสมดุลได้ทุกกรณีเรียกว่า วิธี per-phase: วิเคราะห์เพียงเฟสเดียวเหมือนวงจรเฟสเดียวธรรมดา แล้วคูณผลลัพธ์ด้วย 3 หากโหลดต่อแบบ delta ให้แปลงเป็น wye เทียบเท่าก่อนด้วยสูตร \(Z_Y = Z_\Delta/3\) จากนั้นคิดเป็นวงจรเฟสเดียวโดยใช้ \(V_{ph}\) คร่อม \(Z_Y\) วิธีนี้ทำให้โหลดสามเฟสที่ซับซ้อนกลายเป็นโจทย์เฟสเดียวธรรมดาที่คำนวณด้วยมือได้เร็ว

ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจและมีประโยชน์ในทางปฏิบัติคือ โหลดชุดเดียวกันเป๊ะ ๆ เมื่อต่อแบบ delta จะกินกำลังเป็น 3 เท่า ของเมื่อต่อแบบ wye ที่แรงดันสายเท่ากัน เหตุผลคือขดลวดที่ต่อ delta รับแรงดันโตขึ้น √3 เท่าเทียบกับ wye ขณะที่กำลังแปรผันตามแรงดันกำลังสอง ดังนั้นกำลังต่อขดจึงเพิ่มเป็น (√3)² = 3 เท่า นี่คือหลักการเดียวกับที่อธิบายไว้ในหัวข้อ 05.3 ว่าทำไม star-delta starter ถึงลดกระแสสตาร์ทได้ถึง 1/3

ตัวเลขที่ควรติดเครื่องไว้สำหรับงานหน้างานคือ ที่แรงดัน 380 V กระแส 1 A ให้กำลังปรากฏประมาณ 0.66 kVA (มาจาก √3×380×1/1000) และมอเตอร์ทั่วไปที่ PF 0.8 และประสิทธิภาพ 0.9 จะกินกระแสประมาณ 1.9 A ต่อกำลังขับ 1 kW — ใช้ประเมินขนาดสายและเบรกเกอร์คร่าว ๆ ได้เร็วโดยไม่ต้องเปิดเครื่องคิดเลข

ในโรงไฟฟ้าจริง โหลดสมดุลตัวจริงคือมอเตอร์สามเฟสทุกตัวและ heater สามเฟส เพราะโครงสร้างของโหลดเหล่านี้สมดุลกันโดยธรรมชาติทั้งสามเฟส ในทางกลับกันโหลดที่ทำให้ระบบไม่สมดุลคือโหลดเฟสเดียว เช่นวงจรแสงสว่างและเต้ารับ ซึ่งเป็นเหตุผลที่วิศวกรออกแบบระบบไฟฟ้าต้องจัดสรรโหลดเฟสเดียวเหล่านี้ให้กระจายเฉลี่ยกันทั้งสามเฟสตั้งแต่ขั้นตอนออกแบบ ไม่ปล่อยให้เฟสใดเฟสหนึ่งรับภาระมากกว่าเฟสอื่น (ผลกระทบของการไม่สมดุลจะอธิบายละเอียดในหัวข้อ 05.7)

1. Copper busbars (R, Y, B phases) — บัสบาร์ทองแดงแบนสามแท่งเรียงขนานกัน แต่ละแท่งคือหนึ่งเฟส ระบุสีตามธรรมเนียม R-Y-B (Red-Yellow-Blue อีกชื่อหนึ่งของ A-B-C หรือ L1-L2-L3) — ทุกจุดตัดของระบบไฟฟ้ากำลังจะเห็นตัวนำมาเป็นชุดละสามเสมอตามหลักการที่อธิบายไว้ในหัวข้อนี้
2. Busbar support insulators — ฉนวนรองรับบัสบาร์พร้อมปลอกสีกำกับเฟส (แดง/เหลือง/น้ำเงิน) ทำหน้าที่ยึดบัสบาร์ให้อยู่ตำแหน่งและกันไฟฟ้าลัดวงจรระหว่างเฟสกับโครงตู้โลหะที่ต่อลงดิน
3. Safety barrier (arc flash protection) — แผ่นใสกั้นระหว่างชุดบัสบาร์กับจุดต่อสาย ป้องกันอันตรายจาก arc flash ขณะช่างเข้าทำงานใกล้จุดต่อสายด้านล่าง สังเกตสัญลักษณ์ไฟฟ้าแรงสูงสีเหลืองติดไว้เตือน
4. Cable terminations (bolted connections) — จุดต่อแบบขันน็อตระหว่างบัสบาร์กับสายเคเบิลขาออก ต้องขันแรงบิดตามที่ผู้ผลิตกำหนดและตรวจสอบด้วย thermal scan เป็นระยะ เพราะจุดต่อหลวมเป็นสาเหตุอันดับต้นของความร้อนสะสมและ arc fault ในตู้ switchgear
5. Outgoing power cables (to load) — สายเคเบิลสามเฟส (ปลายสายสีแดง เหลือง น้ำเงินตามเฟส) ที่จ่ายไฟออกจากตู้ switchgear ไปยังโหลดปลายทาง เช่น มอเตอร์หรือแผงย่อยอื่น

05.5 การวัดกำลังสามเฟส — Two-Wattmeter Method

ระบบสามเฟส 3 สาย (ไม่มีนิวทรัล) วัดกำลังไฟฟ้ารวมได้ด้วย wattmeter เพียง 2 ตัวเท่านั้น ไม่ใช่ 3 ตัวตามจำนวนเฟสอย่างที่หลายคนเข้าใจผิด วิธีต่อคือ current coil คั่นอนุกรมในสองเฟสใดก็ได้ (สมมติ A และ B) ส่วน voltage coil ของทั้งสองตัวจะเทียบกับเฟสที่เหลือ (C) เป็นจุดอ้างอิงร่วม หลักการนี้มาจากทฤษฎีของ Blondel ที่ระบุว่าระบบไฟฟ้า n สายวัดกำลังรวมได้ครบด้วยมิเตอร์เพียง n−1 ตัว

โดย \(W_1, W_2\) คือค่าที่ wattmeter แต่ละตัวอ่านได้ (W), \(P\) คือกำลังจริงรวมสามเฟส (W) และ \(\phi\) คือมุมเฟสของโหลดสมดุล (°) — ข้อดีที่สำคัญของสูตร \(P = W_1 + W_2\) คือใช้ได้ถูกต้องเสมอ ไม่ว่าโหลดจะสมดุลหรือไม่สมดุล และไม่ว่าโหลดจะต่อแบบ wye หรือ delta

สำหรับโหลดสมดุล ค่าที่มิเตอร์แต่ละตัวอ่านได้แยกกันคือ \(W_1 = V_L I_L\cos(30°-\phi)\) และ \(W_2 = V_L I_L\cos(30°+\phi)\) ซึ่งจะไม่เท่ากันทันทีที่ PF ต่ำกว่า 1 จุดสังเกตคลาสสิกที่ใช้ตรวจสอบความเข้าใจเรื่องนี้คือ: เมื่อ PF = 1 (φ = 0°) ค่า W₁ จะเท่ากับ W₂ พอดี; เมื่อ PF = 0.5 (φ = 60°) ค่า W₂ จะกลายเป็นศูนย์; และถ้า PF ต่ำกว่า 0.5 ค่า W₂ จะติดลบ ซึ่งในทางปฏิบัติหมายความว่าต้องสลับขั้ว voltage coil ของมิเตอร์ตัวนั้นแล้วบันทึกค่าที่อ่านได้เป็นค่าลบเมื่อนำมารวมในสูตร

ข้อดีอีกอย่างของ two-wattmeter คือสำหรับโหลดสมดุลสามารถคำนวณ reactive power และ power factor เพิ่มเติมได้จากมิเตอร์แค่สองตัวเดิม โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์เพิ่ม: \(Q = \sqrt{3}(W_1 - W_2)\) และมุมเฟสหาได้จากสูตร tan φ ด้านบน กล่าวคือได้ทั้ง P, Q และ PF ครบจากมิเตอร์สองตัว

ปัจจุบันมิเตอร์ดิจิทัลและ power quality analyzer สมัยใหม่วัดค่าครบทุกเฟสได้ในตัวเดียวโดยไม่ต้องอาศัยการต่อแบบ two-wattmeter อีกต่อไป แต่หลักการนี้ยังคงถูกใช้เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของ metering CT/VT และทำความเข้าใจการวัดพลังงานซื้อขายไฟที่จุดเชื่อมต่อกับ EGAT ซึ่งใช้มิเตอร์จำนวน element ตามจำนวนสายของระบบ (2–3 ชุด) ตามหลักทฤษฎี Blondel เดียวกันนี้

1. Power analyzer — เครื่องวิเคราะห์กำลังไฟฟ้าสามเฟสแบบพกพา หน้าจอในภาพกำลังแสดงโหมด "Power & Energy" ระบบ "3φ 4W" (three-phase 4-wire) พร้อมค่าที่วัดได้จริง: แรงดัน RMS สามเฟส L1 = 229.7 V, L2 = 229.6 V, L3 = 229.8 V (แรงดันใกล้เคียงกันมาก voltage unbalance ต่ำกว่า 0.5% ตามสูตรในหัวข้อ 05.7), กระแส RMS L1 = 143.6 A, L2 = 143.2 A, L3 = 143.0 A และกำลังจริงรวม P = 94.36 kW — เป็นตัวอย่างค่าวัดจริงหน้างานที่ตรงกับทฤษฎีทั้งหมดของบทนี้อยู่ในเครื่องเดียว หลักการวัดกำลังสามเฟสของเครื่องนี้สืบทอดมาจาก two-wattmeter method ที่อธิบายไว้ข้างต้น
2. Voltage test leads — สายวัดแรงดันสีแดงและสีดำ/น้ำเงิน หนีบเข้ากับจุดวัดแรงดันแต่ละเฟสในตู้ควบคุม ให้เครื่องอ่านค่า V RMS ของแต่ละเฟสพร้อมกัน
3. Current clamps — คลิปหนีบกระแสสีเหลืองสี่ตัว คล้องรอบสายไฟแต่ละเส้นโดยไม่ต้องตัดวงจร วัดกระแสผ่านหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า จำนวนสี่ตัวรองรับระบบ 3 เฟส + นิวทรัล (3φ 4W ตามที่แสดงบนจอ)
4. Three-phase power cables (under test) — สายไฟฟ้ากำลังสามเฟสสามเส้นที่กำลังถูกวัด สังเกตปลอกสีน้ำตาล ดำ เทา สวมปลายสายตามมาตรฐาน มอก.11-2553 ที่กล่าวถึงในหัวข้อ 05.1

05.6 ลำดับเฟส (Phase Sequence)

Phase sequence คือลำดับที่แรงดันแต่ละเฟสไปถึงจุดยอดของคลื่นก่อน-หลังกัน มีอยู่สองแบบคือ abc (positive sequence) และ acb (negative sequence) ลำดับนี้เป็นตัวกำหนดทิศทางของ rotating magnetic field ในขดลวด stator โดยตรง ซึ่งก็คือทิศทางที่มอเตอร์เหนี่ยวนำจะหมุน

วิธีที่ง่ายและใช้กันเป็นมาตรฐานในการกลับทิศหมุนของมอเตอร์สามเฟสคือการสลับสายไฟสองในสามเส้น (คู่ใดก็ได้) เมื่อสลับแล้วลำดับเฟสจะกลับด้าน สนามหมุนก็จะกลับทิศตามไปด้วยทันที ไม่จำเป็นต้องแตะขดลวดภายในมอเตอร์เลย

ก่อนต่อมอเตอร์ทุกครั้งควรตรวจลำดับเฟสด้วย phase sequence indicator ซึ่งมีทั้งแบบจานหมุนแบบเก่าและแบบ LED สมัยใหม่ที่อ่านผลได้ทันที การข้ามขั้นตอนนี้เสี่ยงมาก เพราะปั๊มหรือพัดลมที่หมุนผิดทิศจะให้ flow ตกและมีแรงสั่นสะเทือนสูงผิดปกติ และในอุปกรณ์บางแบบเช่นปั๊มเกลียวหรือ compressor การหมุนผิดทิศอาจทำให้ตัวเครื่องพังทันทีตั้งแต่วินาทีแรกที่จ่ายไฟ

1. Motor junction box — กล่องขั้วต่อของมอเตอร์ที่กำลังถูกตรวจสอบลำดับเฟสก่อนต่อไฟจริง เป็นขั้นตอนบังคับก่อนต่อมอเตอร์ทุกครั้งตามที่อธิบายไว้ข้างต้น
2. Phase terminals — ขั้วต่อสามเฟส U1-V1-W1 บนแผงขั้วมอเตอร์ (สังเกตตัวอักษรจาง ๆ บนแผ่นฉนวนสีดำ) จุดที่ต้องตรวจลำดับเฟสก่อนจ่ายไฟเข้าเครื่อง
3. Alligator clip test leads — สายทดสอบแบบปากจระเข้สามเส้นสีแดง เหลือง น้ำเงิน หนีบเข้ากับขั้วมอเตอร์ทั้งสามโดยตรง ไม่ต้องตัดหรือแก้สายวงจรถาวรใด ๆ
4. Phase rotation tester — เครื่องทดสอบลำดับเฟสแบบพกพา ภายในมีวงจรตรวจจับลำดับที่แรงดันแต่ละเฟสถึงจุดยอดก่อน-หลัง แล้วแสดงผลเป็นไฟ LED ทันที แทนวิธีเก่าที่ใช้จานหมุนดูทิศ
5. Indicator lamps — ไฟแสดงผลชุด L1(U)/L2(V)/L3(W) พร้อมไฟ CORRECT (เขียว) และ INCORRECT (แดง) — ถ้าลำดับเฟสที่หนีบถูกต้องตามลำดับ abc ไฟ CORRECT จะติด มอเตอร์จะหมุนตามทิศที่ออกแบบไว้ทันทีที่จ่ายไฟ; ถ้าไฟ INCORRECT ติดแทน ต้องสลับสายสองในสามเส้นตามที่อธิบายไว้ข้างต้นก่อนต่อไฟจริง

ในงานเดินเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าขนานกับ grid การตรวจลำดับเฟสให้ตรงกันเป็นเงื่อนไขแรกของกระบวนการ synchronization เสมอ (รายละเอียดของขั้นตอน synchronization ทั้งหมดอยู่ใน ch31) โดยปกติลำดับเฟสจะถูกกำหนดและตรวจสอบตั้งแต่ขั้นตอน commissioning และไม่มีการเปลี่ยนแปลงอีกเลยตลอดอายุการใช้งาน แต่ทุกครั้งที่มีการแก้ไขสายวงจร PT (potential transformer) หรือสาย control ที่เกี่ยวข้อง จำเป็นต้องพิสูจน์ลำดับเฟสใหม่เสมอ เพราะความผิดพลาดเพียงจุดเดียวอาจทำให้ synchronization ล้มเหลวหรือเกิดความเสียหายร้ายแรงได้

เอกสารและแบบไฟฟ้าของโรงงานหรือโรงไฟฟ้ามักกำกับไว้ชัดเจนว่า "phase rotation: ABC, clockwise" เพื่อไม่ให้เกิดความสับสน และเมื่อใดที่ต้องรื้อสายมอเตอร์ออกเพื่อซ่อมบำรุง ควร mark ตำแหน่งสายทุกเส้นก่อนถอดเสมอ เพื่อป้องกันการต่อสลับเฟสโดยไม่ตั้งใจตอนประกอบกลับ

05.7 โหลดไม่สมดุลและผลกระทบ (Unbalance & Its Effects)

NEMA นิยาม voltage unbalance ว่าเป็นค่าเบี่ยงเบนสูงสุดของ line voltage จากค่าเฉลี่ยของทั้งสามเฟส หารด้วยค่าเฉลี่ยแล้วคูณ 100% ตัวอย่างเช่นวัดได้ 400/396/389 V ค่าเฉลี่ยจะเป็น 395 V และค่าเบี่ยงเบนสูงสุดคือ 6 V (จากเฟส 389 V) คิดเป็น unbalance ประมาณ 1.5%

โดย \(\%VU\) คือ voltage unbalance (%), \(\Delta V_{max}\) คือค่าเบี่ยงเบนสูงสุดของ line voltage จากค่าเฉลี่ย (V) และ \(V_{avg}\) คือค่าเฉลี่ยของ line voltage สามค่า (V)

ประเด็นที่ต้องระวังคือ voltage unbalance ที่ดูเหมือนเล็กน้อยสามารถทำให้เกิด current unbalance ที่ใหญ่กว่ามากในมอเตอร์เหนี่ยวนำ — โดยทั่วไป current unbalance จะโตเป็นประมาณ 6–10 เท่าของ voltage unbalance เดิม สาเหตุทางฟิสิกส์คือแรงดันไม่สมดุลจะถูกแยกเป็นองค์ประกอบ negative-sequence ที่สร้างสนามแม่เหล็กหมุนย้อนทิศกับสนามหลัก สนามย้อนทิศนี้เหนี่ยวนำกระแสความถี่ประมาณ 2 เท่าของความถี่ระบบขึ้นใน rotor ทำให้เกิดความร้อนสะสมเพิ่มขึ้นอย่างไม่เป็นสัดส่วนเชิงเส้น — ประมาณการคร่าว ๆ คือ temperature rise จะเพิ่มขึ้นราว \(2\times(\%unbalance)^2\) เปอร์เซ็นต์ (unbalance 3% จะทำให้ร้อนเพิ่มขึ้นราว 18%)

มาตรฐาน NEMA MG-1 กำหนดเกณฑ์ derating ของมอเตอร์ตาม voltage unbalance ไว้ชัดเจน: ที่ unbalance ไม่เกิน 1% ใช้มอเตอร์ได้เต็มพิกัดปกติ แต่เมื่อเกิน 1% ต้อง derate โดยที่ 2% ต้อง derate เหลือ 0.95, ที่ 3% เหลือประมาณ 0.88, ที่ 4% เหลือประมาณ 0.82 และที่ 5% เหลือประมาณ 0.75 ของพิกัดเดิม ส่วนที่ unbalance เกิน 5% มาตรฐานไม่แนะนำให้เดินเครื่องต่อเลย

กรณีสุดขั้วที่ต้องระวังเป็นพิเศษคือ single-phasing — เกิดจากฟิวส์ขาดหรือหน้าสัมผัสหลุดที่หนึ่งเฟส มอเตอร์ที่กำลังหมุนอยู่แล้วจะยังคงหมุนต่อไปได้ด้วยแรงเฉื่อยและอาศัยสองเฟสที่เหลือ แต่กระแสในสองเฟสที่เหลือนั้นจะพุ่งสูงขึ้นราว 1.7–2 เท่าทันที ทำให้เกิดความร้อนจัดในเวลาอันสั้น จำเป็นต้องพึ่งพา overload relay หรือ phase-failure relay ในการตัดวงจรก่อนเกิดความเสียหาย (รายละเอียดของระบบป้องกันเหล่านี้อยู่ใน ch36)

ในระบบ 4 สาย โหลดที่ไม่สมดุลจะทำให้เกิดกระแสไหลในสายนิวทรัลเสมอ และหากสายนิวทรัลขาด (broken neutral) จะเกิดผลที่อันตรายยิ่งกว่าคือแรงดันของแต่ละเฟสจะเบี้ยวออกจากกัน — เฟสที่มีโหลดเบาจะมีแรงดันพุ่งสูงเกิน 220 V จนอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่ออยู่บนเฟสนั้นเสียหายยกแผงได้ในคราวเดียว

สำหรับงานไฟฟ้าแรงสูง unbalance วัดด้วยวิธีของ IEC ผ่านอัตราส่วนของ negative-sequence ต่อ positive-sequence component (\(V_2/V_1\)) โดยเกณฑ์ทั่วไปในระบบจำหน่ายกำหนดไว้ไม่เกิน 2% แนวคิดเรื่อง symmetrical components นี้จะถูกนำไปใช้ต่อในงานออกแบบระบบป้องกันอย่างละเอียดใน ch36

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท