kVA คืออะไร? ที่มาของหน่วยที่เครื่องปั่นไฟทุกเครื่องใช้ แต่น้อยคนรู้ว่ามาจากไหน

kVA คือ หน่วยของกำลังไฟฟ้าปรากฏ (apparent power) ย่อมาจาก กิโลโวลต์-แอมแปร์ (kilovolt-ampere) คิดจากแรงดัน (โวลต์) คูณกระแส (แอมแปร์) แล้วหารพัน เป็นหน่วยที่ผู้ผลิตอัลเทอร์เนเตอร์และเครื่องปั่นไฟทั่วโลกใช้บอกขนาดเครื่อง เพราะมันบอกว่าเครื่องทนกระแสได้เท่าไร โดยไม่ต้องรู้ล่วงหน้าว่าลูกค้าจะเอาไปจ่ายโหลดแบบไหน ส่วน kW คือกำลังที่กลายเป็นงานจริง ซึ่งสำหรับเครื่องปั่นไฟมักเท่ากับ kVA คูณ 0.8

นั่นคือคำตอบแบบสั้น แต่ถ้าถามต่อว่า ทำไมถึงต้องมีหน่วยสองตัวบนป้ายเครื่องเดียวกัน ทำไมไม่บอกเป็นวัตต์ไปเลยให้จบ และตัวอักษรสามตัวนี้โผล่มาจากไหน คำตอบยาวกว่านั้นมาก และสนุกกว่าที่คิด เพราะมันเกี่ยวกับขากบ ม้าลากโรงเบียร์ นักฟิสิกส์ที่ทำงานเสร็จภายในสัปดาห์เดียว และสงครามการค้าที่เปลี่ยนโลกทั้งใบ

ตัวเลขสองตัวบนป้ายเดียวกัน

ลองดูป้ายข้างเครื่อง Cummins TC500T จะเห็นเขียนว่า 500 kVA / 400 kW ตัวเลขสองตัว หน่วยสองหน่วย บนเครื่องเครื่องเดียว คนที่เพิ่งเริ่มดูเครื่องปั่นไฟมักถามว่า ตกลงเครื่องนี้ 500 หรือ 400 กันแน่ แล้วทำไมเครื่องยนต์ดีเซลตัวเดียวกันในแคตตาล็อกเครื่องยนต์ถึงบอกเป็นแรงม้า ไม่บอกเป็น kVA บ้าง

คำตอบทั้งหมดซ่อนอยู่ในตัวอักษรสามตัว k V A ซึ่งแต่ละตัวมีเจ้าของ มีปี และมีเรื่องเล่าของตัวเอง

k – กิโล คำกรีกที่ฝรั่งเศสหยิบมาใช้

ตัว k ง่ายที่สุด มาจาก kilo คำอุปสรรคที่แปลว่าหนึ่งพัน รากศัพท์คือภาษากรีก chilioi ฝรั่งเศสหยิบมาใช้ตอนสร้างระบบเมตริกหลังการปฏิวัติ ปลายศตวรรษที่ 18 เพื่อให้ทั้งประเทศวัดของด้วยระบบเดียวกัน กิโลเมตร กิโลกรัม และต่อมาคือกิโลวัตต์ กิโลโวลต์-แอมแปร์ ล้วนเป็นลูกหลานของการตัดสินใจครั้งนั้น ถ้าไม่มี k เราคงต้องเขียน 500,000 VA ข้างเครื่อง ซึ่งอ่านยากกว่าเยอะ

V – ขากบ และชายที่ไม่เชื่อว่ากบมีไฟฟ้าในตัว

ช่วงทศวรรษ 1780 หมอชาวอิตาลีชื่อ Luigi Galvani สังเกตว่าขากบที่ตายแล้วกระตุกเมื่อโดนโลหะสองชนิดแตะพร้อมกัน เขาสรุปว่ากบมีไฟฟ้าอยู่ในตัว เรียกว่าไฟฟ้าสัตว์ (animal electricity)

เพื่อนร่วมชาติของเขา Alessandro Volta ไม่เชื่อ เขาคิดว่าไฟฟ้าไม่ได้มาจากกบ แต่มาจากโลหะสองชนิดที่ต่างกัน กบเป็นแค่ตัวนำที่บังเอิญกระตุกให้เห็น Volta ทดลองซ้ำโดยเอากบออก เหลือแค่แผ่นสังกะสีกับทองแดงซ้อนกันเป็นชั้น คั่นด้วยกระดาษชุบน้ำเกลือ ผลคือได้ไฟฟ้าไหลต่อเนื่องเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ เขารายงานไปยัง Royal Society ที่ลอนดอนในปี 1800 สิ่งประดิษฐ์นั้นคือ voltaic pile หรือแบตเตอรี่ก้อนแรกของโลก

ก่อนหน้า Volta ไฟฟ้าที่มนุษย์รู้จักคือไฟฟ้าสถิต ประกายไฟที่เกิดแล้วหายไปทันที แบตเตอรี่ของ Volta ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีไฟฟ้าไหลนิ่ง ๆ ให้ทดลองได้นานเป็นชั่วโมง และนั่นเปิดประตูให้ทุกอย่างที่ตามมา แรงดันที่ดันให้ไฟฟ้าไหล จึงถูกตั้งชื่อว่า โวลต์ ตามชื่อเขา

A – เข็มทิศที่ขยับ และนักคณิตศาสตร์ที่ทำงานเสร็จในหนึ่งสัปดาห์

ปี 1820 Hans Christian Ørsted ชาวเดนมาร์กสังเกตว่าเมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านสายไฟ เข็มทิศที่วางข้าง ๆ จะเบี่ยง นี่คือหลักฐานแรกว่าไฟฟ้ากับแม่เหล็กเป็นเรื่องเดียวกัน ข่าวนี้เดินทางถึงปารีสในเดือนกันยายน

คนที่รับข่าวไปต่อคือ André-Marie Ampère นักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ภายในเวลาราวหนึ่งสัปดาห์หลังได้ยินผลทดลองของ Ørsted เขานำเสนอต่อ Académie des Sciences ว่าสายไฟสองเส้นที่มีกระแสไหลจะออกแรงดูดหรือผลักกันเอง และเขียนออกมาเป็นสมการได้ ภายในไม่กี่ปีเขาสร้างวิชาที่เรียกว่า อิเล็กโทรไดนามิกส์ ขึ้นมาทั้งวิชา หน่วยของกระแสไฟฟ้า ปริมาณประจุที่ไหลผ่านจุดหนึ่งในหนึ่งวินาที จึงได้ชื่อว่า แอมแปร์

ตรงนี้มีประเด็นที่คนทำเครื่องปั่นไฟควรจำไว้ แรงดันคือแรงดัน กระแสคือกระแส มันเป็นสองสิ่งที่วัดแยกกัน ค้นพบคนละปี โดยคนละคน และสิ่งที่ทำให้อัลเทอร์เนเตอร์ร้อนจนไหม้ คือกระแส ไม่ใช่วัตต์ เดี๋ยวเราจะกลับมาเรื่องนี้

W – ม้าลากโรงเบียร์ กับหน่วยที่ไม่ได้ตั้งชื่อตามคนคิดไฟฟ้า

คนที่สามไม่ใช่นักไฟฟ้าเลย James Watt เป็นวิศวกรเครื่องจักรไอน้ำชาวสกอตแลนด์ ช่วงทศวรรษ 1770 เขาปรับปรุงเครื่องจักรไอน้ำของ Newcomen จนประหยัดถ่านหินลงมาก แต่ปัญหาคือจะขายเครื่องจักรให้ใคร ลูกค้าของเขาคือเหมืองและโรงเบียร์ที่ใช้ม้าลากงานอยู่ ถ้าบอกว่าเครื่องนี้แรงแค่ไหน ลูกค้าไม่เข้าใจ Watt จึงวัดว่าม้าหนึ่งตัวทำงานได้เท่าไรต่อนาที แล้วบอกลูกค้าว่าเครื่องของเขาแทนม้าได้กี่ตัว นั่นคือที่มาของหน่วย แรงม้า (horsepower)

หน่วยวัตต์ไม่ได้เกิดในยุคของ Watt กว่าร้อยปีต่อมา ปี 1882 C. William Siemens ในฐานะประธานสมาคม British Association for the Advancement of Science เสนอให้ตั้งชื่อหน่วยกำลังว่า วัตต์ เพื่อเป็นเกียรติแก่ James Watt และกำหนดให้หนึ่งวัตต์เท่ากับหนึ่งโวลต์คูณหนึ่งแอมแปร์ การนิยามอย่างเป็นทางการในฐานะหน่วยสากล (international watt) เกิดขึ้นที่การประชุมในลอนดอนปี 1908 และกลายเป็นส่วนหนึ่งของระบบ SI ในปี 1960

เรื่องตลกร้ายคือ หน่วยที่ชื่อ Watt ไม่เคยกำจัดหน่วยแรงม้าที่ Watt สร้างขึ้นเองได้ ทุกวันนี้เครื่องยนต์ดีเซลในเครื่องปั่นไฟยังระบุกำลังเป็นแรงม้าควบคู่กับกิโลวัตต์ และหนึ่งกิโลวัตต์เท่ากับประมาณ 1.34 แรงม้า เครื่องยนต์เป็นมรดกของ Watt ยุคไอน้ำ ส่วนอัลเทอร์เนเตอร์เป็นมรดกของ Volta กับ Ampère สองโลกนี้มาเจอกันบนแท่นเครื่องเดียวกัน และนั่นคือเหตุผลแรกที่ป้ายมีสองหน่วย

ปี 1881 ที่ปารีส – วันที่โลกตกลงเรียกหน่วยตามชื่อคน

ก่อนทศวรรษ 1880 นักไฟฟ้าแต่ละประเทศวัดกันคนละแบบ เยอรมันใช้หน่วยของ Siemens อังกฤษใช้หน่วยของ British Association ฝรั่งเศสมีของตัวเอง สายโทรเลขที่ลากข้ามประเทศกลายเป็นปัญหาเพราะคนสองฝั่งอ่านค่าไม่ตรงกัน

ปี 1881 ที่ปารีส การประชุมนานาชาติของนักไฟฟ้าครั้งแรก (International Electrical Congress) ตกลงรับระบบหน่วยที่ British Association เสนอ และยืนยันธรรมเนียมที่กลายเป็นเอกลักษณ์ของวิชาไฟฟ้ามาจนวันนี้ คือตั้งชื่อหน่วยตามนักวิทยาศาสตร์ โวลต์ตาม Volta แอมแปร์ตาม Ampère โอห์มตาม Ohm หลังจากนั้นการประชุมที่ชิคาโกปี 1893 นิยามค่ามาตรฐานของแอมแปร์และโวลต์ให้ชัด และการประชุมที่ลอนดอนปี 1908 เพิ่มวัตต์กับจูลเข้าไป ส่วนการย้ายหน่วยไฟฟ้าทั้งชุดเข้าสู่ระบบ SI อย่างเป็นทางการเกิดขึ้นที่การประชุมใหญ่ว่าด้วยการชั่งตวงวัดปี 1948 และ 1960

ถึงตรงนี้เรามีครบแล้ว k V A และ W แต่ยังมีคำถามที่ค้างอยู่ ถ้าหนึ่งวัตต์เท่ากับหนึ่งโวลต์คูณหนึ่งแอมแปร์ แล้ว VA กับ W มันต่างกันตรงไหน ทำไมต้องมีสองชื่อ

สงครามไฟฟ้า และกำลังที่หายไปไหนไม่รู้

ตอนที่ Siemens นิยามวัตต์ในปี 1882 โลกยังใช้ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เป็นหลัก ระบบของ Thomas Edison จ่ายไฟตรงให้หลอดไฟในนิวยอร์ก ในโลก DC ทุกอย่างเรียบง่าย แรงดันคูณกระแสเท่ากับวัตต์ จบ ไม่มีอะไรต้องแยก

แต่ช่วงปลายทศวรรษ 1880 เกิดสิ่งที่ประวัติศาสตร์เรียกว่า สงครามกระแสไฟฟ้า (War of the Currents) George Westinghouse และ Nikola Tesla ผลักดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ซึ่งแปลงแรงดันขึ้นลงด้วยหม้อแปลงได้ ส่งไกลได้โดยไม่สูญเสียมาก Edison สู้สุดตัว แต่ AC ชนะ และโลกทั้งใบรวมถึงเครื่องปั่นไฟทุกเครื่องที่เราขายวันนี้ ล้วนเป็นไฟกระแสสลับ

AC มาพร้อมปัญหาใหม่ที่ DC ไม่มี ในไฟสลับ แรงดันและกระแสแกว่งขึ้นลงเป็นคลื่น ถ้าโหลดเป็นแค่ขดลวดความร้อนหรือหลอดไส้ คลื่นสองลูกนี้ขึ้นลงพร้อมกันพอดี แรงดันคูณกระแสได้วัตต์เต็ม ๆ แต่ถ้าโหลดมีมอเตอร์ มีขดลวด มีหม้อแปลง คลื่นกระแสจะเหลื่อมตามหลังคลื่นแรงดัน เมื่อคูณกันช่วงหนึ่งของรอบคลื่น พลังงานไหลไปโหลด อีกช่วงหนึ่งพลังงานไหลย้อนกลับมาที่เครื่องกำเนิด ไม่ได้กลายเป็นงานอะไรเลย วิศวกรยุคนั้นเรียกมันตรง ๆ ว่า กระแสไร้วัตต์ (wattless current)

นี่คือจุดที่ V คูณ A กับ W แยกทางกัน แรงดันคูณกระแสที่วัดได้จริงที่ขั้ว คือกำลังปรากฏ (apparent power) หน่วยโวลต์-แอมแปร์ ส่วนกำลังที่กลายเป็นงาน คือกำลังจริง (real power) หน่วยวัตต์ อัตราส่วนระหว่างสองค่านี้คือสิ่งที่เรียกว่า ตัวประกอบกำลัง (power factor) ซึ่งเป็นตัวเลขที่ทำให้ 500 กลายเป็น 400

คณิตศาสตร์ของเรื่องนี้ยุ่งยากมากในช่วงแรก จนกระทั่งปี 1893 ที่การประชุมนักไฟฟ้าที่ชิคาโก Charles Proteus Steinmetz วิศวกรชาวเยอรมันที่อพยพไปอเมริกา นำเสนอวิธีใช้จำนวนเชิงซ้อนคำนวณวงจรไฟสลับ ซึ่งเปลี่ยนปัญหาที่ต้องใช้แคลคูลัสให้เหลือแค่พีชคณิต สามเหลี่ยมกำลังที่วิศวกรไฟฟ้าทุกคนเรียนในปีหนึ่ง คือมรดกของเขา ส่วนกำลังที่ไหลไปไหลกลับโดยไม่ทำงาน ได้หน่วยของตัวเองชื่อ var ตามข้อเสนอของ Constantin Budeanu วิศวกรชาวโรมาเนีย ซึ่งคณะกรรมาธิการไฟฟ้าระหว่างประเทศ (IEC) รับรองที่สตอกโฮล์มในปี 1930

ในแง่มิติ หนึ่งโวลต์-แอมแปร์เท่ากับหนึ่งวัตต์เป๊ะ ระบบ SI รู้เรื่องนี้ดี แต่ก็อนุญาตให้ใช้ VA แยกจาก W อย่างเป็นทางการ เพื่อให้คนอ่านรู้ทันทีว่ากำลังพูดถึงกำลังปรากฏ ไม่ใช่กำลังจริง หน่วยสองหน่วยที่มีค่าเท่ากัน แต่มีความหมายต่างกัน นี่คือหนึ่งในไม่กี่กรณีในโลกวิทยาศาสตร์ที่ชื่อหน่วยถูกใช้เป็นป้ายบอกความหมาย ไม่ใช่แค่บอกขนาด

แล้วทำไมเครื่องปั่นไฟถึงเรทเป็น kVA ไม่ใช่ kW

ลองคิดในมุมคนออกแบบอัลเทอร์เนเตอร์ สิ่งที่จำกัดว่าเครื่องจะจ่ายไฟได้แค่ไหนคือความร้อน และความร้อนในอัลเทอร์เนเตอร์มาจากสองแหล่ง ความร้อนในขดลวดทองแดง ซึ่งแปรตามกระแสยกกำลังสอง และความร้อนในแกนเหล็ก ซึ่งแปรตามแรงดัน สังเกตว่าทั้งสองอย่างไม่เกี่ยวกับตัวประกอบกำลังเลย ขดลวดร้อนเท่าเดิมไม่ว่ากระแสนั้นจะกลายเป็นงานหรือไหลไปไหลกลับเปล่า ๆ

ปัญหาคือคนผลิตอัลเทอร์เนเตอร์ไม่มีทางรู้ว่าลูกค้าจะเอาเครื่องไปจ่ายอะไร โรงงานที่เต็มไปด้วยมอเตอร์มีตัวประกอบกำลังต่ำ ดาต้าเซ็นเตอร์ที่มีแต่เพาเวอร์ซัพพลายสมัยใหม่มีตัวประกอบกำลังใกล้หนึ่ง เครื่องตัวเดียวกันจึงจ่ายวัตต์ได้ไม่เท่ากันแล้วแต่โหลด ถ้าระบุเป็น kW จะต้องระบุตัวประกอบกำลังกำกับทุกครั้ง ผู้ผลิตจึงเลือกบอกสิ่งที่ตัวเองควบคุมได้จริง คือแรงดันคูณกระแสสูงสุดที่เครื่องทนได้ ซึ่งก็คือ kVA

ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลอีกฝั่งของแท่น ผลิตงานกลจริง ๆ ที่วัดเป็นกิโลวัตต์หรือแรงม้าได้ตรง ๆ เครื่องยนต์ไม่รู้จักตัวประกอบกำลัง มันรู้แค่ว่าต้องหมุนเพลาให้แรงแค่ไหน เครื่องปั่นไฟหนึ่งชุดจึงเป็นการแต่งงานระหว่างเครื่องที่เรทเป็น kW กับเครื่องที่เรทเป็น kVA

เพื่อให้ทั้งวงการเทียบกันได้ ผู้ผลิตเครื่องปั่นไฟแทบทุกรายจึงตกลงใช้ตัวประกอบกำลัง 0.8 เป็นเกณฑ์ระบุพิกัด ในเอกสารสเปกของเครื่องที่ใช้เครื่องยนต์ Cummins KTA38 จะเห็นบรรทัด Power Factor 0.8 กำกับอยู่ใต้ตารางพิกัด และตัวเลข 880 kVA ก็คู่กับ 704 kW พอดี นี่คือที่มาของ 500 kVA เท่ากับ 400 kW บนป้าย TC500T ค่า 0.8 ไม่ใช่กฎฟิสิกส์ แต่เป็นข้อตกลงของอุตสาหกรรมที่สะท้อนโหลดผสมในโรงงานทั่วไป

เอาความรู้นี้ไปใช้ตอนเลือกเครื่องอย่างไร

ข้อแรก อย่าเทียบ kVA ของยี่ห้อหนึ่งกับ kW ของอีกยี่ห้อ มันคนละหน่วย เครื่อง 500 kVA กับเครื่อง 500 kW ต่างกันราว 25 เปอร์เซ็นต์ ถ้าใบเสนอราคาสองใบใช้หน่วยไม่ตรงกัน ให้แปลงเป็นหน่วยเดียวกันก่อนดูราคา วิธีแปลงอยู่ในบทความ kVA กับ kW ต่างกันอย่างไร พร้อมวิธีแปลง

ข้อสอง ดูโหลดของตัวเองว่าหน้าตาเป็นแบบไหน ถ้าเป็นโรงงานที่มีมอเตอร์ใหญ่ ปั๊ม คอมเพรสเซอร์ ตัวประกอบกำลังอาจต่ำกว่า 0.8 และกระแสตอนสตาร์ทมอเตอร์พุ่งสูงกว่าตอนเดินปกติหลายเท่า ขนาดเครื่องต้องเผื่อจากกระแส ไม่ใช่จากวัตต์ วิธีคิดทั้งหมดอยู่ใน วิธีเลือกขนาดเครื่องปั่นไฟให้เหมาะกับโรงงาน และถ้าอยากรู้ว่าเครื่องขนาดนั้นจ่ายได้กี่แอมป์ ดูสูตรลัดได้ใน เครื่องปั่นไฟ 100 kVA จ่ายไฟได้กี่แอมป์

ข้อสาม ตัวเลข kVA ตัวเดียวกันยังมีหลายความหมาย แล้วแต่ว่าเป็นพิกัดสำรองฉุกเฉิน พิกัดใช้งานหลัก หรือพิกัดต่อเนื่อง TC500T เครื่องเดียวกันคือ 500 kVA ที่พิกัดสำรอง แต่เป็น 450 kVA ที่พิกัดใช้งานหลัก อ่านความต่างได้ใน Standby Prime Continuous ต่างกันอย่างไร

ข้อสุดท้าย ตัวเลขบนป้ายเป็นแค่คำสัญญาของผู้ผลิต สิ่งที่พิสูจน์ว่าเครื่องจ่าย kVA ได้จริงคือการเดินเครื่องกับโหลดจริงก่อนส่งมอบ เราจึงทำ Load Test เต็มพิกัดทุกเครื่อง อ่านวิธีทดสอบได้ใน Load Test เครื่องปั่นไฟด้วย Load Bank

ถ้าพร้อมดูเครื่องจริง ดูตารางรุ่นและราคาได้ที่หมวด เครื่องปั่นไฟ Cummins และ เครื่องปั่นไฟ SDEC หรือถ้าต้องการใช้งานชั่วคราวตั้งแต่หนึ่งเดือนขึ้นไป ดูเงื่อนไขและราคาได้ที่ บริการเช่าเครื่องปั่นไฟ โทร 097-146-3594

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ kVA

kVA คืออะไร

kVA คือกิโลโวลต์-แอมแปร์ หน่วยของกำลังไฟฟ้าปรากฏ คิดจากแรงดันคูณกระแสหารพัน ใช้บอกขนาดอัลเทอร์เนเตอร์และเครื่องปั่นไฟ เพราะบอกว่าเครื่องทนกระแสได้เท่าไรโดยไม่ขึ้นกับชนิดของโหลด

kVA กับ kW ต่างกันอย่างไร

kVA คือกำลังปรากฏที่วัดได้ที่ขั้วเครื่อง ส่วน kW คือกำลังที่กลายเป็นงานจริง ทั้งสองเชื่อมกันด้วยตัวประกอบกำลัง สำหรับเครื่องปั่นไฟ ผู้ผลิตใช้ตัวประกอบกำลัง 0.8 เป็นเกณฑ์ เครื่อง 500 kVA จึงเท่ากับ 400 kW

ทำไมเครื่องปั่นไฟถึงบอกขนาดเป็น kVA ไม่ใช่ kW

เพราะอัลเทอร์เนเตอร์ร้อนตามกระแสและแรงดัน ไม่ใช่ตามวัตต์ และผู้ผลิตไม่รู้ล่วงหน้าว่าลูกค้าจะใช้กับโหลดที่มีตัวประกอบกำลังเท่าไร จึงระบุสิ่งที่ควบคุมได้คือแรงดันคูณกระแสสูงสุด ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลที่ขับอัลเทอร์เนเตอร์ระบุเป็น kW หรือแรงม้าตามงานกลที่ผลิตได้จริง

หน่วยโวลต์ แอมแปร์ และวัตต์ ตั้งชื่อตามใคร

โวลต์ตั้งตาม Alessandro Volta ผู้สร้างแบตเตอรี่ก้อนแรกในปี 1800 แอมแปร์ตั้งตาม André-Marie Ampère ผู้วางรากฐานวิชาอิเล็กโทรไดนามิกส์ในปี 1820 และวัตต์ตั้งตาม James Watt วิศวกรเครื่องจักรไอน้ำ โดย C. William Siemens เสนอชื่อนี้ในปี 1882 การประชุมนานาชาติที่ปารีสปี 1881 เป็นจุดเริ่มต้นของธรรมเนียมตั้งชื่อหน่วยไฟฟ้าตามนักวิทยาศาสตร์