關於部落格
聯絡我們: Line ID: 0922075977;
avolution@yahoo.com.tw
  • 40625

    累積人氣

  • 27

    今日人氣

    0

    追蹤人氣

分享電源相關好文

替交流電源把脈
 
  有鑑於此,筆者根據多年研究電力與電磁原理的心得,歷得各種實驗,設計成RPS NO.1電源處理器。設計初衷原本是業餘創作自娛之物,卻意外獲得音響同好們的喜愛,復蒙Desiger Audio公司選為創業面市的第一部產品,上市之後再次獲得劉總編的肯定,並囑為文介紹PRS NO.1的設計原理。由於PRSNO.1的設計理念係針對交流電的工作原理,傳輸特性及電力系統負載特性所引起的缺陷提供補救拱施。為方便大多數非理工科讀者閱讀起見,本文擬先概述基本電工原理及其相關術語,接著再述說交流電源品質劣化的原因,最後介紹PRS NO.1對交流電源的整治方法。換言之,本文要先替交流電源把脈,查出病因,再提出根治的藥方,筆者認為唯有如此才能對症下藥,避免濫用廣效抗生素導致不必要的副作用。
 
直流電與交流電的特性:
 
  所謂「直流」電,就是方向不變的電流。在直流電路中,其極性不變,電子永遠依一個方向,由負向正作等量的流動。所謂「交流」,就是方向常在變換的電流。在交流電路中,電源的極性常在變動。在此瞬間為負極者,稍後就變為負極;在此瞬間為負極者,稍後就變為正極。交流電路中之電流不但經常變換方向,而且其電流之量也時時在變。即由零點沿一定方向(正極)漸漸增加至最大值,然後逐漸下降至零點,再繼續往另一方向(負極)遞增至最大值,然後返回至零點。圖一所示即為交流電壓或電流之「波形」,稱為「正弦波」,橫軸代表時間,縱軸代表電壓或電流之幅度。此波形有一半在橫軸之上(稱為正交變或正半週),一半在橫軸之下(稱為負交變或負半週),交流電壓(流)每秒所生的週數叫做「頻率」,其單位為「赫茲」(Hertz簡寫Hz),電力公司送往用戶之交流電,其頻率為60Hz,即每秒有60週。圖二所示,完成一週(0°~360°)所需的時間稱為「週期」(Period),故60Hz每週佔1/60,其週期即為1/60秒。交流電優於交流電之處,在於我們可以很容易的利用變壓器將電壓升高或降低,以適應各種需要。雖然有些電器設備可直接使用交流電源,但某些設備則非用直流不可,例如蓄電池之充電、電鍍及電子電路的電源,均需採用直流電源。音響設備屬於電子電路之應用產品,因此必須使直流電。採用直流電源的設備,除了輕便攜帶式或耗電量較小者採用電池外,其餘均利用變壓器,先將交流電壓升高或降低至適當的電壓,再經整流與濾波而得直流電源。較高級或精密的電子設備,為了獲得更穩定與純淨的直流電源,會再經穩壓與電子濾波電路處理。但無論如何,交流電源的品質壞將直接影響整流後交流電源品質,進而影響電子設備的性能。
 
正弦波有二點重要特性,若不合乎下列二項原理則即非正弦波。
 
一、單一頻率。若數個不同頻率的正弦波合併,其合成波形就不再為正弦波。
二、正負兩半週互為鏡中之影像,兩半週的起落變化速率完全相同。交流電的三要素
 
(一)、頻率
 
  有關頻率的定義,前面已經討論過,頻率若不準,將導致控制電路的失常。例如,同步馬達的轉速依頻率而變,頻率高則轉速變快;頻率低則轉速變慢。又許多控制電路之時間常數係依頻率而變,頻率高則時間縮短,頻率低則動作時間延長,因此,頻率不準將導致控制電路異常。
 
(二)、電壓
 
  通常我們說某交流電壓為若干伏特或某交流電流為若干安培,都是指「有效值」(Effective value)而言。在交流中,有無數的瞬時值,電流和電壓都隨時在變,為了能將交流的效果與直流的效果相比較,我們找到一值,經試驗結果(負載為純電阻),其所產生的熱(功率)與等值的直流電相等,此值稱為「有效值」,又稱為「均方根值」(Root Mean Square,簡稱RMS)。
 
若將電熱爐接到110V交流電壓,其發熱量與接到110V直流電壓所發之熱量完全相等,此時直流電路與交流電路之電力表示公式均為P=I2RI,R為電阻R所消耗的電力,E及I稱為交流電壓/電流之有效值或直流電之電壓/電流值。
 
(三)、相位
 
  兩種不同直流電源,若欲併聯使用,只需調整兩者之電壓一致即可。但交流電則複雜得多,必須先調電壓及頻率一致,然後再調整相位,使趨於一致(通常在相角差在±5度以內)才能併聯(稱為同步併聯),否則將導致電震等嚴重災害。
 
  所謂「相位」,即是交流電壓(或電流)的時間關係,可能指電壓與電流之間的時間關係,可能指此一電壓與彼一電壓的時間關係,也可能指此一電壓與彼一電流的時間關係。換句話說,當電壓(或電流)彼此的波形變化之步調一致時,我們稱之為同相。亦即兩波同時開始,同時到達最大值,且同時通過零點,同時完成正半週與負半週。在直流電路中,電流與電壓同時發生,步調永遠一致,因此我們用不著注意其時間關係,故無「相位」可言,所以直流電路的電力為電壓(E)和電流(I)的乘積,只有單純的「有效電力」而已。但在交流電路中情況就不同了,除了此電壓與彼電壓,或此電流與彼電流之間步調有差異外,即使是同得一致,當兩者步調完全一致時,我們稱之為「同相」(in phase),反之則稱之為「異相」(out of phase),或說它們之間有「相位差」。相位差是用角度表示,所以又稱為「相角」。
 
  由電力公司各發電廠送出來的交流電係60Hz正弦波,且電流與電壓均為同步的理想交流電源,但由於輸電線的電容、電感效應及負載的特性,而導致電流與電壓之間有相位差存在。若電容抗大於電感抗,則電流相位將導前於電壓相位,反之則電流相位將落後電壓相位。
 
  因此實際應用時,交流電力公式之表示應該為P=E×I×cosinθ(θ為相位角),cosineθ即為電路中的「功率因數」,當θ為0°時,則cosine 0°=1,即θ為90°時,則cosine 90°=0,即P=E×I×0=0,由此可知,電流與電壓必須步調一致(同相)才能同心協力以盡全功。若電流與電壓有相位差存在,則必定會損失一部份電力,所喪失的能量就稱為「無效電力」,相角差愈大,無效電力亦愈大,功率因數就愈差。
 
  由此可知,交流電力的計算,必須同時兼顧電壓、電流、電壓/電流之間的相位差,以及電力系統的負載特性。由表一可以很清楚看出彼此之間的「相量」關係。
 
P:有效電力
Q:無效電力
R:電阻元件,消耗有效電力
L:電感元件,消耗無效電力
C:電容元件,產生無效電力
 
電力的傳輸與控制
 
  臺灣現有電力系統,北、中、南部都有大型發電廠,但北部用電需求遠大於其它地區,且北部發電量不足,因此所需電力無法完全由北部電廠供給,其不足之電力須從其他地區支援,形成南電北送的情況。這種情況除了增加輸電損失外,大量的「電力潮流」也易引起系統低頻振盪的現象。
 
  電力的傳輸特性猶如海洋、江河等之潮流變化,受季節轉移、日月萬有引力或潮汐溫差的影響;又如交通流量的變化,魚貫而行的車隊忽快忽慢,我們稱之為車潮,車潮的變化與隨道路狀況與交通管制的情形有密切的關係。車潮的疏導,可藉高速公路、快速道路、高架橋、紅綠燈號誌及臨時調撥車道等措施為之。電力的傳輸與調度也是如此,必須在呇適當地點設立發電廠、高、低壓變電所,以及在超高壓變電所裝設並聯電感等;
 
一、二次變電所裝設靜態電容器(SC)等,以配合無效電力情況調度使用。由表一可看出大部份負載不僅消耗有效功率,也需無效功率,因此兩者都要由電力公司提供。電力公司通常都是利用自動發電控制(AGC,Automatic Generation Control)來調度有效電力,以維持頻率的穩定,使發電量和負載維持平衡。但對於無效電力的控制則不然,必須同時利用多種方法,例如:
 
(一)調整發電機的激磁電流。
(二)調整發電廠升壓變壓器的分接頭。
(三)調整超高壓變電所併聯電感器。
(四)調整一、二次變電所靜態電容器。
 
雖然有上述各種方法可供應用,但比較起來,無效電力較有效電力難控制的多,其原因歸納如下:
 
(一)無效電力比有效電力更具非線性,也就是變化多端,無一定的形態與模型等規則可循,因此檢知,分析與監控有困難,故其調整控制的靈敏度遠低於有效電力之控制。
 
(二)無效電力之傳輸性較差,因此無效電力控制裝置須散佈於全系統。在發電廠、變電所興建受阻的情況下,電力公司擬依實際需要在最適當地點裝設無效電力控制裝置百般困難。
 
(三)電壓大幅偏高所能容忍之間時要求極短,且系統加入更多的電壓及無效電力控制裝置後,將導致模型化處理及電腦分析變得更困難。
 
電力系統受干擾的因素
 
交流電源的干擾現象大致可分為電暫態(瞬時壓降)與高諧波兩大類,引起電暫態的原因包括:
 
(一)雷電交流、
(二)開關突破、
(三)短路或接地事故、
(四)工廠內大電力馬達、電焊機及電氣體爐等啟閉所引起的突波、
(五)大樓昇降梯、空調機啟閉所引起之突波。
 
引起高諧波的原因包括:
 
(一)變壓器過激磁造成鐵心飽和,形成畸變波,
(二)煉鋼廠電弧爐熔解時將引起大量的諧波,
(三)大型開流體應用機器,例如:換流器(Inverter)、馬達調速器、電爐控溫器、調光器、電磁爐、微波爐等。上述困擾因素,日常生活中隨處可見,對供電品質的影響非常大,輕者影響音質或映像,重者將傷及電器設備或縮短電氣設備之使用壽命,其影響程度與下列因素有關:
 
(一)干擾源(設備)的容量愈大,所引起的突波電流或電流亦愈大,對鄰近用戶之干擾程度愈嚴重。
(二)距離干擾源愈近,受干擾影響愈嚴重,反之前干擾愈小。
(三)愈往輸電線路末端,受高諧波干擾的機率與成份愈大。
(四)輸電線路線徑愈細或線路較長時,由於電源阻抗增加,供電系統的高諧波電壓將升高,其干擾亦變得較嚴重。
 
當正弦波交流電源受到高諧波干擾時,供電壓及電流波形將受影響而變形(諧波失真),這種變形後的波形稱為畸變波(Distorted Wave)。任何畸變波均含有高諧波成份,經仔細分析,這些畸變波均由許多不同頻率的正弦波相加而成,(a)的波形曲線係由基本波(b)與(c)(d)正弦波之混合波形。(c)(d)即代表干擾波,實際上之干擾波形則更複雜,其混合波形對電氣設備的影響或危害將更嚴重。
 
電源諧波的危害
 
  一般電力設備或電氣用品之設計,其額定值(Rating,即耐壓、耐電流、耐熱及輸出功率)、保護(Protection,即超過額定值之跳脫電路)及控制(control,即邏輯控制電路)等規範皆以正弦波交流電之運用為設計基礎,若有諧波重疊在正弦波上,即可能導致下列危害:
 
(一)使電力設備或電氣用品過熱、過電壓、過電流而導致損壤或縮短使用壽命。
(二)對保護裝置與控制系統引起誤動作。例如:超過保護設定值之上限(Upper-Limit),該動作而未動作跳脫(Trip)或未達設定值而提前跳脫等誤動作情形。
(三)對通訊、資訊及影視訊等造成干擾。例如:產生不必要的雜波,造成錯誤的資訊、或使視聽設備產生雜音,使映像錯亂或閃爍等。
(四)高諧波電流所形成之磁場,對同步或感應電動機(馬達)不但無法提供實值轉矩(Torque,即扭力、驅動力),反而產生反效果的逆向轉矩,減低電動機機械效率。
(五)增加變壓器的鐵損(渦流損及磁滯損)及銅損,造成溫度異常上昇或引起鐵心與繞組之共振,發出響聲(哼聲)。例如:一部擴大機之變壓器在甲地使用幾乎無哼聲,但換到乙地使用則哼聲變大,其原因為乙地的交流電源含有高諧波成份的關係,是諧波電壓/電流在作怪,而非所謂供電不足的關係。不單是變壓器如此,電容器用在含有高諧波的電源也會發出異常噪音,發熱或莫明其妙的故障失效,各位讀者不可不察,否則恐將吃盡苦頭且讓許多善良器材含冤莫白!有失公允。
 
  為防止過多諧波電流注入電力系統造成用戶電器設備損壞,歐、美、日等先進國家早已制訂「電力系統諧波管制標準」以管制工業大電力用戶之諧波電壓、電流,使勿超過管制標準。若超過管制標準則應限期改善,否則處予罰款或停電處份,而國內則遲至81年才訂定完成「電力系統諧波管制執行標準」,並公佈於81年11月26日起試辦。依筆者估計,距強制執行恐尚有相當時日,在此之前您得委屈繼續忍受較高的諧波干擾,除非您已下定決心購置一台夠水準的電源處理器。
 
PRS NO.1的設計理念
 
  電源對於電子裝置之重要性,猶如吾人體內所流動的血液。電力系統有效電力與無效電力之不平衡,就如同血液的紅血球與白血球數量的不平衡,電力系統注入高諧波成份,就如同血液循環系統受到各種病毒的入侵一樣,除非人體(電子裝置)的免疫系統(電源干擾排斥率)夠強否則一定會發病,對於電子裝置則能造成功能不正常,產生雜音或無法發揮應有的效果。
 
電源處理器應具備的條件
 
  爾來市面上的出現各種電源濾波器產品,優格差異極大,較高價者甚至超過一套中價位音響組合,他們均宣稱對音響音質有大改善,筆者亦相繼接獲不少讀者同好的來電詢問有關此一方面的問題,由於筆者不了解各種廠牌的設計原理,也未一一試聽過各種產品,因此無法作答,不過筆者認為一部理想的電源處理器應該具備下列條件:
 
一、能消除同相(共模)及異相(差模)雜波。
二、可改善功率因數。
三、無交流哼聲。
四、溫昇不宜太高。
五、不需接地處理。
六、不影響音質及無其他副作用。
 
  PRS NO.1係依據上述設計準則而設計,目標確定後隨即展開各類資料搜集、研究、分析並進行各項實驗,最後證實產業界傳統慣用的濾波處理方式,均無法符合上述設計準則要求,於是放棄傳統方法,再進一步研究,希望能有所突破。在一個很偶然的機會,頓悟到「電磁鏡像原理」,這幾乎就是我所要追求的答案!所謂「電磁鏡像原理」即是「電磁差動原理」,類似於電晶體的差動放大器。PRS NO.1內設有二組獨立電感繞組(L1及L2)呈鏡像對稱,即一正一反,而交流電源60Hz正弦波波形也是鏡像對稱,使正半週波(A)與負半週波(B)分別通過L1及L2電感繞組,當單一正弦波通過時,則因鏡像對稱之關係,兩組電感磁動勢之作用力完全相等(FA=FB),因此相互抵銷(即FA-FB=0),若正弦波含有其他暫態雜波或高諧波成波,將導致正弦波波形扭曲變形,形成非對稱性,而產生差動信號(FA-FB=FC),由於鐵心的磁滯作用,對差動信號能量有阻尼、吸收作用,至於60Hz正弦波則可暢行無阻。此外PRS NO.1又裝置有改善功率因數之無極性交流電容器,設計時將該電容(C)與電感(L)安排為LC濾波電路,故電磁鏡像成為雜波前處理器,而LC濾波電路則為後處理器,兼具改善功率因數之功率,故具有多重濾波效果與高電源使用效率。
 
超靜音的設計
 
  凡交流電通過電感器均會產生交流共振哼聲,尤其是具有鐵心的高磁通密度電感器,其惱人的哼聲是筆者設計本電源處理器感到最棘手的問題,經試用各種傳統抑制共振的方法均無效,只有在電磁鏡像原理以振制振的方法獲得圓滿解決,巧的是這個方法與最近新聞報導日本人防治噪音發生器的方法有異曲同工之妙。即設計一套噪音發生器,使與工廠噪音的頻率、波形、振幅一致,但相位剛好相反,如此波峰與波谷的能量完全抵銷而達到無噪音的目的。這項發明是今年12月份公佈的,但筆者約在兩年前就應用在PRS NO.1電源處理器上,可見英雄所見略同,只是應用不同罷了!既然是超靜音電源處理器,則直接置於音響系統使用,不但無二次噪音污染之虞,尚可降低電源阻抗以提高電源改善效果。
 
  差動放大原理是共模雜訊的最大剋星,故PRS NO.1不需經過接地處理即可達成這項任務,蓋因臺灣地區地小人稠,高樓林立,欲埋設專用接地線確實困難重重,若與避雷針接地或動力設備接地共用接地線,則無異引狼入室,必將導致更大的災害。
 
  PRS NO.1屬於智慧型的電源處理器,具有辦識電源好壞的能力,對純淨無污染的交流電,等於只通過一條直線,一旦有暫態、雜波出現或電壓與電流步調不一致時,才開始發揮作用,而非好人壞人一網打盡的笨拙方法。根據試用經驗,只要負載不超過額定功率,使用均無不良副作用。
 
  差動放大器之共模信號排斥率視兩顆配對晶體是否對稱,工作點愈穩定及電路常數愈對稱,則共模信號排斥率愈為優良,但要達到絕對對稱是非常困難的一件事。同理,欲使電磁差動濾波器兩組電感常數絕對對稱也有困難,除了線圈繞組必須完全對稱外,鐵心的材質及幾何形狀也應完全對稱。就幾何形狀而言,雖然鐵心剛出廠是對稱的,但後續的熱處理及繞線工作亦可能造成變形,甚至在任一加工過程受到撞擊都有可能變形而影響其對稱性。所謂鐵心材質包括:合金成分及比例、導磁率、飽和磁通密度及質量密度等。就因為影響電感常數之參數如此多,製造的每一過程均須謹慎控制才能維持適當的品質。第一部產品之試用時,筆者是以純手工繞製,僅繞製線圈部份就得花上好幾個小時之久,由於市面上現有繞線機均無法勝任,為了量產還得另行設計特製繞線機才能進行量產工作,待電磁差動線圈繞製及調整完妥後,再以符合UL規格之絕緣膠予以封裝,以為保護並防止特性飄移或劣化。
 
結語
 
  影響交流電源品質的因素繁多,包括電壓與電流的相位關係、電力系統的負載特性及高諧波干擾等。交流電力所能作的工與其電壓與電流之相位有直接關係,應以向量式來計算,因此「有效電力」為電壓與電流之向量和。
 
  正弦波一旦受到外來雜波干擾,將變形失真,失真的交流電源是造成音質惡化,電子設備容易故障的罪魁禍首,一般人通常均以三用電表來測量電源電壓,若電源波形有諧波失真,其測量值將有極大差異,如圖五所示,(a)為基波與諧波反相,測量值將偏低;(b)為基波與諧波同相,測量值將偏高,因此用一般電表來推測電源品質,就如同瞎子摸象般不切實際,甚至使用示波器,如只觀察其電壓波形亦無法判斷電源品質之好壞,必須再利用電流波形轉換器,以便可以同時觀察電壓及電流之波形暨相位關係。最簡單又可靠的方法當然是採用「綜合電力分析儀」,它是電力診斷分析專家,可以將被測試電源的相關數據同時列印在報表紙上,成為該電源的總體檢表,因此任何隱疾將無所遁形!至於何種廠牌的電源處理器才是真正的救命仙丹,各位讀者的金耳朵才是最精密的分析,請善加利用並提供寶貴意見賜教是幸!
相簿設定
標籤設定
相簿狀態