ระบบจ่ายไฟหน้างานของเครื่องทำความร้อนเหนี่ยวนำความถี่ปานกลาง: ขนาดกำลัง ชุดกำเนิดไฟฟ้า แรงดันตก และฮาร์มอนิก

ทำไมระบบจ่ายไฟหน้างานจึงถูกมองข้ามบ่อยที่สุด

การเลือกเครื่องมักหยุดอยู่ที่คำถาม «กี่กิโลวัตต์ ความถี่เท่าไร ใช้คอยล์ไหน» แต่เมื่อเครื่องถึงหน้างาน สิ่งที่ขวางก่อนไม่ใช่กระบวนการให้ความร้อน หากเป็นระบบจ่ายไฟ: หม้อแปลงขนาดไม่พอ เบรกเกอร์ตัดทันทีที่เปิด สายไฟยาว 80 เมตรทำให้แรงดันปลายสายตก เครื่องกำเนิดไฟฟ้ารับโหลดไม่ไหว หรือเซอร์โวไดรฟ์บนบัสเดียวกันเริ่มแจ้งเตือน

โหลดของเครื่องทำความร้อนเหนี่ยวนำความถี่ปานกลางมีลักษณะสามข้อที่ต่างจากเตาต้านทานทั่วไปโดยสิ้นเชิง:

• ความหนาแน่นกำลังสูง: หลายสิบกิโลวัตต์อัดอยู่ในตู้และคอยล์ขนาดเล็ก เริ่มทำงานก็เต็มกำลังทันที;
• โหลดไม่เป็นเชิงเส้น: โทโพโลยี AC—DC—AC ด้านหน้าเป็นวงจรเรียงกระแส รูปคลื่นกระแสไม่ใช่ไซน์;
• การทำงานไม่ต่อเนื่อง: ทั้งวันอาจให้ความร้อนเพียงสิบกว่าชิ้น แต่ทุกชิ้นเป็นการกระแทกที่กำลังเต็ม

สามข้อนี้ทำให้การออกแบบระบบจ่ายไฟลอกประสบการณ์ «โหลดมอเตอร์» มาใช้ไม่ได้ ลำดับต่อไปจะแยกเป็น «ขนาดกำลัง — แหล่งจ่าย — สายไฟ — สัญญาณรบกวน — ความปลอดภัย»

คำนวณย้อนกลับจากกำลังขาเข้า: kVA กระแสไฟฟ้า และตัวคูณพร้อมใช้

ขั้นแรกคือแปลงกำลังบนป้ายชื่อเป็นกำลังปรากฏที่ฝั่งจ่ายไฟจริง ต้องแยกให้ชัด: 60 kW บนป้ายมักหมายถึงกำลังขาเข้าพิกัด คือกำลังแอกทีฟที่ดึงจากระบบ ไม่ใช่กำลังที่กลายเป็นความร้อนในชิ้นงานทั้งหมด ส่วนหลังยังต้องคูณประสิทธิภาพการคัปปลิงของคอยล์และประสิทธิภาพทางความร้อนอีกชั้น

S = P_in / PF　[kVA]　　I = S / (√3 · U)　[A]

หลังจากเรียงกระแสและอินเวอร์ตแล้ว เพาเวอร์แฟกเตอร์ของแหล่งจ่ายความถี่ปานกลางมักอยู่ที่ 0.85–0.92 ส่วนรุ่นที่มีฟิลเตอร์พาสซีฟหรือแก้เพาเวอร์แฟกเตอร์เชิงรุกจะสูงกว่า 0.95 ตารางต่อไปคิดที่ PF = 0.90 ระบบ 400 V สามเฟส:

กำลังขาเข้าพิกัด	กำลังปรากฏ S (PF=0.90)	กระแสเข้าที่ 400 V	เบรกเกอร์แนะนำ
10 kW	11.1 kVA	16 A	20 A
25 kW	27.8 kVA	40 A	50 A
40 kW	44.4 kVA	64 A	80 A
60 kW	66.7 kVA	96 A	125 A

เมื่อหลายเครื่องใช้ฟีดเดอร์ร่วมกันต้องคูณตัวคูณพร้อมใช้ โดยทั่วไปใช้ 0.6–0.8 แต่มีกับดัก: เส้นกำลังของเครื่องทำความร้อนในช่วงเพิ่มอุณหภูมิเป็นโหลดเต็มกำลังต่อเนื่อง ไม่ใช่การกระแทกชั่วขณะแบบมอเตอร์ หากเครื่องสองตัวเข้าสู่ช่วงเพิ่มอุณหภูมิพร้อมกัน (เช่นงานยึดสองตำแหน่งพร้อมกัน) ตัวคูณพร้อมใช้ต้องเป็น 1.0 มิฉะนั้นหม้อแปลงจะเกินพิกัดในสิบนาทีที่ต้องการที่สุดพอดี

หม้อแปลง เบรกเกอร์ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคลื่อนที่

หลักปฏิบัติสองข้อที่ใช้กันทั่วไป: ขนาดหม้อแปลงเลือกที่ 1.2–1.3 เท่าของโหลดคำนวณ และตั้งเบรกเกอร์เข้าที่ 1.1–1.25 เท่าของกระแสพิกัด ข้อแรกเผื่อกรณีแรงดันต่ำแล้วกระแสเพิ่มขึ้น (โหลดกำลังคงที่จะดึงกระแสมากขึ้นเอง) ข้อหลังเผื่อกระแสกระชากจากการชาร์จคาปาซิเตอร์ตอนปิดเบรกเกอร์

• อย่าใช้ฟีดเดอร์ร่วมกับอินเวอร์เตอร์ขนาดใหญ่ โหลดไม่เป็นเชิงเส้นสองตัวซ้อนกันจะทำให้ความผิดเพี้ยนของแรงดันรุนแรงขึ้นเป็นทวีคูณ และรบกวนการตั้งค่าป้องกันซึ่งกันและกัน;
• ตรวจบัสบาร์และขั้วต่อตามการเพิ่มอุณหภูมิ อุณหภูมิในตู้สูงกว่าห้องจ่ายไฟ 10–15 ℃ กระแสพิกัดของสาย 25 mm² ในตู้อาจเหลือเพียง 80% ของการเดินบนรางเคเบิล;
• อย่าจ่ายไฟผ่านปลั๊กที่มีอุปกรณ์ตัดไฟรั่วทั่วไป อุปกรณ์ความถี่ปานกลางมีกระแสรั่วแบบคาปาซิทีฟลงดิน RCD ชนิด AC 30 mA จะตัดบ่อยครั้ง อาการ «เปิดเครื่องแล้วตัดทันที» ส่วนใหญ่มาจากเหตุนี้ ไม่ใช่เครื่องเสีย

เมื่อไม่มีระบบไฟฟ้าที่เชื่อถือได้อย่างงานกังหันลม งาน offshore งานท่อ และงานซ่อมรถไฟ ต้องใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล ขนาดต้องไม่คิดแบบ «เครื่อง 60 kW จับคู่ชุด 60 kW» เพราะเหตุผลสามข้อ: โหลดเรียงกระแสทำให้เครื่องกำเนิดต้องลดพิกัด (โดยทั่วไปเหลือ 0.7–0.8) อัตราการควบคุมแรงดันและความถี่เมื่อโหลดกระชากอาจทำให้แหล่งจ่ายเข้าเขตป้องกันแรงดันต่ำ และกำลังต่อเนื่องกับกำลังสำรองบนป้ายชื่อไม่ใช่ค่าเดียวกัน

การประมาณใช้งานจริง: กำลัง PRP ของชุด ≈ 1.4–1.6 เท่าของกำลังขาเข้าพิกัด เครื่อง 60 kW ควรใช้ชุด 90–100 kVA (PRP) หากมีโหลดไฟส่องสว่าง ปั๊มลม ปั๊มน้ำร่วมด้วยต้องบวกเพิ่ม เลือกชนิดที่มี AVR และเป็นเครื่องกำเนิดซิงโครนัส ส่วนชุดอินเวอร์เตอร์ขนาดเล็กมีความสามารถรับโหลดเกินต่ำและรูปคลื่นผิดเพี้ยนมาก อาจหลุดซิงโครไนซ์ได้

สายไฟ: แรงดันตก การลดพิกัด และสายที่ยังม้วนอยู่บน reel

สัญชาตญาณในการเลือกสายคือ «เลือกตามกระแสพิกัด» แต่สำหรับสายชั่วคราวยาวหลายสิบเมตร แรงดันตกมักกลายเป็นข้อจำกัดก่อนกระแสพิกัด แรงดันตกของระบบสามเฟส:

ΔU = √3 · I · L · (R·cosφ + X·sinφ)　[V]

ตัวอย่าง 60 kW (96 A), cosφ=0.90, ทองแดง 35 mm² (R≈0.63 Ω/km, X≈0.08 Ω/km):

ความยาวสาย	แรงดันตก ΔU	คิดเป็น % ของ 400 V	สรุป
30 m	3.0 V	0.75%	ใช้ได้
50 m	5.0 V	1.25%	ใช้ได้
100 m	10.0 V	2.50%	ใกล้ขีดจำกัด ควรเพิ่มขนาดหนึ่งขั้น

โดยทั่วไปควบคุมแรงดันตกปลายสายไม่เกิน 3% (รวมหม้อแปลงและสวิตช์) สายชั่วคราวระยะไกลอาจผ่อนได้ถึง 5% แต่แลกมาด้วยกำลังความร้อนที่ลดลงและรอบเวลาที่นานขึ้น

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยหน้างาน:

• ไม่คลี่ reel สาย การระบายความร้อนแย่มาก กระแสพิกัดอาจเหลือครึ่งหนึ่งของเดินลอย;
• ใช้ 3×16 mm² ลาก 60 kW ที่ 50 m แรงดันตกถึง 2.6% บวกการลดพิกัดจากขั้วต่อและ reel แรงดันปลายสายมักต่ำกว่า 370 V;
• ใช้สายน้ำหล่อเย็นแทนสายไฟ สายน้ำระหว่างคอยล์กับแหล่งจ่ายออกแบบตามกระแสความถี่ปานกลางและการแมตช์เรโซแนนซ์ การต่อยาวขึ้นจะเปลี่ยนความเหนี่ยวนำของวงจรและกระทบจุดเรโซแนนซ์

ฮาร์มอนิก เพาเวอร์แฟกเตอร์ และ «เพื่อนบ้านบนหม้อแปลงเดียวกัน»

ด้านหน้าของแหล่งจ่ายความถี่ปานกลางเป็นวงจรเรียงกระแส 6 พัลส์ทั่วไปมี THDi ที่โหลดเต็มราว 25%–40% (ยังไม่กรอง) ฮาร์มอนิกเหล่านี้เมื่อ injected เข้าบัสแรงดันต่ำจะเกิดผลสองอย่าง:

• ความผิดเพี้ยนของแรงดันกระทบโหลดไวต่อสัญญาณ PLC เซอร์โว เครื่องชั่ง และอินเวอร์เตอร์บนบัสเดียวกันอาจสื่อสารผิดพลาดหรือ encoder ตกพัลส์;
• ตู้ชดเชยคาปาซิเตอร์เกิดเรโซแนนซ์กับฮาร์มอนิก หลายคนเห็น PF ต่ำแล้วใส่คาปาซิเตอร์ชดเชย แต่คาปาซิเตอร์กับรีแอกแตนซ์รั่วของหม้อแปลงอาจเรโซแนนซ์ที่ความถี่ฮาร์มอนิกพอดี ขยายความผิดเพี้ยนหลายเท่าและอาจทำให้คาปาซิเตอร์ไหม้

ลำดับที่ทำได้จริง:

1. แยกฟีดเดอร์ก่อน — แยกเครื่องความถี่ปานกลางออกจากโหลดไว ต้นทุนต่ำและได้ผลตรงที่สุด;
2. เพิ่มฟิลเตอร์ — ฟิลเตอร์พาสซีฟในเครื่อง (รีแอกแตนซ์ฝั่ง DC) ลด THDi ได้ถึง 10%–15% ส่วนฟิลเตอร์แบบแอกทีฟเหมาะเมื่อมีหลายเครื่องในห้องจ่ายไฟเดียว;
3. จึงค่อยคิดเรื่องชดเชย — ต้องวัดฮาร์มอนิกก่อน เลือกตู้ชดเชยที่มีรีแอกแตนซ์อนุกรม หรือใช้รุ่น AFE

ขอเสริมความเข้าใจผิดที่พบบ่อย: PF ต่ำไม่ได้แปลว่า «มิเตอร์หมุนเร็วขึ้น» มิเตอร์บ้านวัดกำลังแอกทีฟ ผู้ใช้ภาคอุตสาหกรรมจึงถูกคิดตามดีมานด์หรือ PF สำหรับเครื่องเดียว PF กระทบความจุที่ใช้ได้ของหม้อแปลงและสายไฟ ไม่ใช่พลังงานที่ใช้เอง

กราวด์ RCD และตัวอย่างการคำนวณหน้างาน 60 kW

กระแสไฟรั่วของเครื่องความถี่ปานกลางมีสองส่วน: การรั่วผ่านคาปาซิเตอร์ Y ด้านหน้า และการคัปปลิงคาปาซิทีฟความถี่สูงระหว่างคอยล์–ชิ้นงาน–โครงเครื่อง เมื่อรวมกันแม้ฉนวนสมบูรณ์ก็อาจสูงถึงหลายสิบมิลลิแอมแปร์ พอที่จะทำให้ RCD ชนิด AC 30 mA ตัด วิธีที่ถูกต้อง:

• เลือกอุปกรณ์ป้องกันกระแสเหลือ ชนิด B หรือชนิดสำหรับอินเวอร์เตอร์ ค่ากระทำงาน 100–300 mA และประสานการเลือกกับระดับเหนือกว่า;
• ตู้ โครงเครื่อง และชิ้นงาน ต่อลงดินแยกกันและทำ equipotential bonding ค่าความต้านทานดินตามข้อกำหนดหน้างาน (ทั่วไป ≤4 Ω);
• คอยล์ระบายความร้อนด้วยน้ำควรมีเซนเซอร์อัตราการไหลและการรั่ว เพราะน้ำรั่วเป็นสาเหตุตัดไฟที่พบบ่อยที่สุดระหว่างเดินเครื่อง

เมื่อต่อทุกหัวข้อข้างต้นเข้าด้วยกัน การคำนวณจ่ายไฟของเครื่อง 60 kW ที่หน้างานกังหันลมมีดังนี้:

ขั้น	การคำนวณ	ผล
1 กำลังแอกทีฟ	กำลังขาเข้าพิกัด	60 kW
2 กำลังปรากฏ	60 / 0.90	66.7 kVA
3 กระแสเข้า	66.7 / (√3 × 0.4)	96 A
4 ตั้งเบรกเกอร์	96 × 1.25	125 A
5 สายไฟ	35 mm² × 50 m	แรงดันตก 5.0 V (1.25%)
6 หม้อแปลง	66.7 × 1.25	≥ 83 kVA ใช้ 100 kVA
7 ชุดกำเนิดไฟฟ้า	60 × 1.5 ตาม PRP	90–100 kVA

เจ็ดขั้นนี้คำนวณบนกระดาษแผ่นเดียวจบ แต่ช่วยหลีกเลี่ยงงานแก้ «เครื่องไม่เสียแต่ใช้งานไม่ได้» ได้เกือบทั้งหมด แนะนำให้ใช้ตารางนี้เป็นเช็กลิสต์ก่อนออกเดินทาง: กĎำลัง ขนาดเบรกเกอร์ ความยาวสาย วิธีต่อลงดิน และมีโหลดไวบนบัสเดียวกันหรือไม่ ยืนยันครบห้าข้อแล้วจึงบรรจุเครื่อง