从改善开关式电镀整流器的功率因素到减少电费 (刊登於香港表面处理学会第54期会讯)
整流器在传统电镀生产工艺中，是一个关键器材。在80年代，整个电镀行业都是在使用可控硅(SCR) 整流器(俗称低频整流器-工作频率为50Hz)。由於电镀是一个耗能的工艺，同时亦因为中国发展迅速，电能供不应求，所以在夏天的日子经常停电。配合中国政府对耗能和耗水的严厉规管，电镀业界对节能的要求亦愈来愈高。在90年代开始，业界逐渐转用开关式整流器(俗称高频整流器-工作频率为20KHz-300KHz)，尤其是线路板行业的镀铜工艺，大部份都是选用这类整流器，因为它的体积小，纹波低，効率高和易於自动化控制。但是，要怎样透过改善开关式整流器的功率因素(功因)从达到减少电费的効果呢？首先，我们需认识功率因素是什麼一回事。功因并不是一个新知识，电力学教料书都有大量关於功因方面的知识，只不过大部份电镀从业员的注意力都集中於电化学的反应，较少接触电源方面的知识；同时，坊间关於电镀用整流器的文章亦很少。笔者试从教科书的内容，简述一些功因的知识。
功率因素(Power Factor) ，简写PF。交流电有以下三个成份：- (1) 有功功率(Active Power) ，用P来代表，单位是瓦特(W) 。 (2) 视在功率(Apparent Power) ，用S来代表，单位是伏安(VA) 。 (3) 无功功率(Reactive Power) ，用Q来代表，单位是无功伏安(var) 。 功率因素定义=P/S=有功功率/视在功率 如功率因素=1时，即有功功率=视在功率，是没有无功功率的损耗。
对於纯正弦波的波形而言，P,Q及S可以用向量来表示，三个向量可以形成满足下式的向量三角形：
S² =P² + Q²
若是电流和电压之间的相位角，则功率因数等於此角的馀弦|cosφ|，且：
|P| = |S| |cosφ|
原来应用交流电工作时，会有以下三种负载状态：- (1) 纯电阻负载时(例如镀槽上的发热捧) ，电压的波形与电流的波形并没有时间差(即同相位) ，功率因素会是1。 (2) 如应用电路上含有电容时(例如电镀用的开关电源，照明的电子镇流器和LED驱动器等等) ，电流的波形会超前於电压的波形而导致相位差，功率因素会小於1，形成无功功率的存在。 (3) 如应用电路上含有电感时(例如过滤泵的马达，通风抽气扇和空调的马达等等) ，电流的波形会滞后於电压的波形而导致相位差，功率因素亦会小於1，形成无功功率的存在。
线性电路
当用线性元件组成电路时，若输入电压为一正弦波，和其电流也是相同频率的正弦波，则功率因数只是因为电压和电流之间有相位差，这称之为位移功率因素。 当电路是电感负载时，额外能量会储存在磁场。当电路是电容负载时，额外能量会储存在电场。这些额外储存的能量会在负载和输入电源端往复流动，增加输入导线上的电流，增加无功功率，视在功率会因此而提高，输电网路的効率和稳定性都会大为降低。所以，大用电量的客户，需重视整个企业的用电功因，修正它至接近1，减小无功功率从而节省电费。如整个企业是线性电感负载时，可加入电容改善功因；反之，如果是电容负载时，可以加入电感。在国内，大部份企业都是电感负载，例如生产机床的马达，通风和空调系统等等，所以各地政府都强迫稍为大一点的企业设置电容补赏设备。
开关式电镀整流器
原来开关式电镀整流器，是非线性负载的。它的工作模式是透过高频 (工作频率20KHz-300KHz)开关电子元件，利用交流变压器原理，将输入端的高电压转换成低直流输出的电镀电压。系统的电流会因为电子元件不停切换，导致电流频繁中断，输入电流的波形便会因此由正弦波扭曲成其它的波形。非线性负载的输入电流中除了原来的电源频率外，任何周期性波形都可分为一个基频正弦加上许多谐波频率的正弦。谐波频率是基频的整倍数。当基频是50KHz时，第二次谐波为100KHz, 而第三次谐波为150KHz……等等。因开关电源的电流属非正弦波，视在功率在包含所有谐波成份时，功率因素中不但有位移功率因素，也有对应谐波成份的畸变功率(Distortion Power Factor)因素。
谐波的危害
它的危害有以下方面：-
(1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波电流流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
(2)谐波影响各种电器设备的正常工作。谐波会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、减少寿命，甚至损坏。对发电机会产生附加功率损耗、产生脉动转矩和噪音。
(3)谐波会引起公用电网中，局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，就使(1)和(2)中的危害大大增加，甚至引起严重事故。
(4)谐波会对邻近的通讯系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通讯质量；重者导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。
中国电能质量标准及相关规定
1994年中国颁布了《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-93）的国家标准，对各级公用电网的谐波电压和用户注入电网的谐波电流允许值作出了明确规定。中国电力工业部於1998年颁布了《电网电能质量技术监督管理的规定》。
结论 (1) 在选择开关式电镀整流器时，应选有功率因素修正设置的器材，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) 一般无功功率因素修正器的开关电镀整流器，其功率因素(Power Factor)只得0.65左右，视在功率比例上非常大。如果在缺电的时段，企业需要自行发电来支持生产，会需要更大的发电机组，最后，会因此而消耗大量頟外柴油。
(3) 在一些应用低电压的地区，如台湾，菲律宾，韩国和日本…等等，当需要装置升压变压器时，它的容量需大量增加，投资和维护费亦因而提升。
(4) 大家看过上述资料后，每个月收到电费单时，你会懂得看它的内容了。
朱国雄 依利柏电能有限公司(香港) |