從改善開關式電鍍整流器的功率因素到減少電費 (刊登於香港表面處理學會第54期會訊)
整流器在傳統電鍍生產工藝中，是一個關鍵器材。在80年代，整個電鍍行業都是在使用可控硅(SCR) 整流器(俗稱低頻整流器-工作頻率為50Hz)。由於電鍍是一個耗能的工藝，同時亦因為中國發展迅速，電能供不應求，所以在夏天的日子經常停電。配合中國政府對耗能和耗水的嚴厲規管，電鍍業界對節能的要求亦愈來愈高。在90年代開始，業界逐漸轉用開關式整流器(俗稱高頻整流器-工作頻率為20KHz-300KHz)，尤其是線路板行業的鍍銅工藝，大部份都是選用這類整流器，因為它的體積小，紋波低，効率高和易於自動化控制。但是，要怎樣透過改善開關式整流器的功率因素(功因)從達到減少電費的効果呢？首先，我們需認識功率因素是什麼一回事。功因並不是一個新知識，電力學教料書都有大量關於功因方面的知識，只不過大部份電鍍從業員的注意力都集中於電化學的反應，較少接觸電源方面的知識；同時，坊間關於電鍍用整流器的文章亦很少。筆者試從教科書的內容，簡述一些功因的知識。
功率因素(Power Factor) ，簡寫PF。交流電有以下三個成份：- (1) 有功功率(Active Power) ，用P來代表，單位是瓦特(W) 。 (2) 視在功率(Apparent Power) ，用S來代表，單位是伏安(VA) 。 (3) 無功功率(Reactive Power) ，用Q來代表，單位是無功伏安(var) 。 功率因素定義=P/S=有功功率/視在功率 如功率因素=1時，即有功功率=視在功率，是沒有無功功率的損耗。
對於純正弦波的波形而言，P,Q及S可以用向量來表示，三個向量可以形成滿足下式的向量三角形：
S² =P² + Q²
若是電流和電壓之間的相位角，則功率因數等於此角的餘弦|cosφ|，且：
|P| = |S| |cosφ|
原來應用交流電工作時，會有以下三種負載狀態：- (1) 純電阻負載時(例如鍍槽上的發熱捧) ，電壓的波形與電流的波形並沒有時間差(即同相位) ，功率因素會是1。 (2) 如應用電路上含有電容時(例如電鍍用的開關電源，照明的電子鎮流器和LED驅動器等等) ，電流的波形會超前於電壓的波形而導致相位差，功率因素會小於1，形成無功功率的存在。 (3) 如應用電路上含有電感時(例如過濾泵的馬達，通風抽氣扇和空調的馬達等等) ，電流的波形會滯後於電壓的波形而導致相位差，功率因素亦會小於1，形成無功功率的存在。
線性電路
當用線性元件組成電路時，若輸入電壓為一正弦波，和其電流也是相同頻率的正弦波，則功率因數只是因為電壓和電流之間有相位差，這稱之為位移功率因素。 當電路是電感負載時，額外能量會儲存在磁場。當電路是電容負載時，額外能量會儲存在電場。這些額外儲存的能量會在負載和輸入電源端往復流動，增加輸入導線上的電流，增加無功功率，視在功率會因此而提高，輸電網路的効率和穩定性都會大為降低。所以，大用電量的客户，需重視整個企業的用電功因，修正它至接近1，減小無功功率從而節省電費。如整個企業是線性電感負載時，可加入電容改善功因；反之，如果是電容負載時，可以加入電感。在國內，大部份企業都是電感負載，例如生產機床的馬達，通風和空調系統等等，所以各地政府都強迫稍為大一點的企業設置電容補賞設備。
開關式電鍍整流器
原來開關式電鍍整流器，是非線性負載的。它的工作模式是透過高頻 (工作頻率20KHz-300KHz)開關電子元件，利用交流變壓器原理，將輸入端的高電壓轉換成低直流輸出的電鍍電壓。系統的電流會因為電子元件不停切換，導致電流頻繁中斷，輸入電流的波形便會因此由正弦波扭曲成其它的波形。非線性負載的輸入電流中除了原來的電源頻率外，任何周期性波形都可分為一個基頻正弦加上許多諧波頻率的正弦。諧波頻率是基頻的整倍數。當基頻是50KHz時，第二次諧波為100KHz, 而第三次諧波為150KHz……等等。因開關電源的電流屬非正弦波，視在功率在包含所有諧波成份時，功率因素中不但有位移功率因素，也有對應諧波成份的畸變功率(Distortion Power Factor)因素。
諧波的危害
它的危害有以下方面：-
(1)諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波電流流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。
(2)諧波影響各種電器設備的正常工作。諧波會使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、減少壽命，甚至損壞。對發電機會產生附加功率損耗、產生脈動轉矩和噪音。
(3)諧波會引起公用電網中，局部並聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，就使(1)和(2)中的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。
(4)諧波會對鄰近的通訊系統產生干擾，輕者產生噪音，降低通訊質量；重者導致信息丟失，使通訊系統無法正常工作。
中國電能質量標準及相關規定
1994年中國頒布了《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549-93）的國家標準，對各級公用電網的諧波電壓和用戶注入電網的諧波電流允許值作出了明確規定。中國電力工業部於1998年頒布了《電網電能質量技術監督管理的規定》。
結論 (1) 在選擇開關式電鍍整流器時，應選有功率因素修正設置的器材，市埸上有 有源功率因素修正器(Active Power Factor Correction-PFC)的整流器，它的功率因素一般在0.98或以上。
(2) 一般無功功率因素修正器的開關電鍍整流器，其功率因素(Power Factor)只得0.65左右，視在功率比例上非常大。如果在缺電的時段，企業需要自行發電來支持生產，會需要更大的發電機組，最後，會因此而消耗大量頟外柴油。
(3) 在一些應用低電壓的地區，如台灣，菲律賓，韓國和日本…等等，當需要裝置升壓變壓器時，它的容量需大量增加，投資和維護費亦因而提升。
(4) 大家看過上述資料後，每個月收到電費單時，你會懂得看它的內容了。
朱國雄 依利柏電能有限公司(香港) |