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事半「功」倍有一套──電器設備功率因數淺談

2004/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 685

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▓撰文:陳文樹

功率是單位時間內所傳輸的能量,功率因數(Power Factor;PF)則是控制電器是否有效使用電力的重要因素,功率因數可反映所使用電器的電力效能。

在直流電路中,功率為電壓V(伏特)和電流A(安培)之乘積,並以W(瓦)做為使用單位;但在交流電系統裡,則因電抗電流或諧波電流的損耗,而使顯示功率(Apparent Power,又稱視在功率或額定輸出功率)大於實際功率,本文探討的功率因數,即為實際功率與顯示功率的比值。

假使功率因數偏低,則會增加變壓器及輸電線路的損失,亦即會影響變壓器及線路容量的利用率。習慣上,現在都是以W來表示電力系統或交流電器用品的有效功率數值,而以VA來表示顯示功率的數值,故其功率因數為W╱VA。當功率因數的數值越大,代表其電力利用率越高,一般的電器或設備之PF值大約只在0.5~0.7之間,針對此一情形過去常見的改善電力利用成效之方法,係在靠近負載端的地方加裝電容器,現則可藉由裝設功率因數校正器(Power Factor Correction;PFC)來改善,其作用原理是藉由調整交流電電流輸入的時間與波型,使其與電壓波型儘量一致,以讓功率因數接近於1,計有節省電力、增加電力系統容量和穩定電流等裨益。

<插入表:一般用電器具之概略功率因數值>

功率因數整器有方

若干電器設備的實際功率與顯示功率的差值很小,惟部份設備如電腦等,其功率因數卻大都只有0.65左右,若以θ表示為非線性負載電壓、電流不同相時的相位差,cosθ則是其功率因數之值,而直接做功的有功功率(P)乃為顯示功率和cosθ值的乘積,至於儲藏在電路中但不直接做功的無功功率(Q)則是顯示功率和sinθ值的乘積。

當交流電進入電腦並進行整流之後,即會獲有脈動直流電壓,但如果未將脈動電壓做處理便逕行供應予電腦的電路,將無法使電腦正常工作,因此必須由電源整流器之後的濾波電容器再做處理,提供予平滑的直流電壓方可成事。該濾波器像一個水庫,電容器裏面則必須儲存足量的電荷,俾在整流半波的空白之際,使電路系統的整個工作電壓仍不致間斷,亦即在兩個脈動半波之間電能輸入不足時,靠著電容器內的儲能來維持正常的運作。然而,如果裝設過量的電容時,卻又會形成部份的無效電流,反而降低原來的省電效果。因此若能採用自動功率因數調整器來適時調節,更可收到預期的效益。

功率因數標準設限

自2001年1月起,歐盟已對於電器設備的諧波訂立有詳細的規範,凡功率輸出值在75~600 W範圍間之電器、電子設備產品,俱須通過諧波測試(Harmonics test)。鑑於此為新興的趨勢,日本亦已著手研擬關於節約電力的各項方案,日後其政府機關採購之電器設備,皆會將功率因數校正(PFC)視為電器設備的標準配備之一。

PFC可分為早期使用的被動式PFC與後來再研發出的主動式PFC。被動式PFC係經由電感、電容等組合而成的電路以降低諧波電流,因為輸入電流為屬低頻的50Hz到60Hz,所以需要用到較多的電感與電容,而校正過的功率因數亦只有75~80%;主動式PFC使用可控制線路的主動型元件,其基本運作原理為調整輸入之電流波型儘量與輸入電壓波形相一致,故功率因數的校正值可趨近至100%。

再者,主動式PFC另有一項重要功能,乃是電源供應器的輸入電壓,範圍可在90~264V之間的全域電壓(Full range╱universal voltage),故電源供應器不需要視供電環境而切換。反觀被動式的PFC在110~115V的電力系統上常未能發揮作用,必須在220~230V時始有作用。採用主動式PFC的電源供應器,重量明顯較採用被動式PFC元件的產品輕巧許多,震動和噪音也較小,此正是嗣後3C市場上的必然趨勢。電器產品若具有功率因數校正功能,則在其產品規格書中應會標示出功率因數的數值,一般必須要大於90%以上,才是主動式的功率因數校正者。

提升用電品質的「功」率

目前已有業者開發出可調整功率因數的新式設備,應用微電腦控制器,在各相與相之間以及各相與零線之間,接入不同數量的電容器,以校正三相不平衡電流至正負10%以內,將功率因數補償至0.95以上。功率因數提高後的變壓器,輸出電流減少,因而變壓器利用率相對提高,可增加變壓器負荷能力30%以上,同時改善供電電壓的三相平衡,使其功率因數較裝設一般之改良器平均提高約3%,具有極大的推廣功能。部份功率因數改良器可集中或分散到局部設備,以進行動態功率因數的補償,具有警示和過流保護的功能,尚可防止損壞用電設備。

改善功率因數,除了可以減輕電費並降低損失外,還可穩定電壓、提高用電品質及增益電力系統的充裕度。台電公司為鼓勵用戶提高用電設備功率因數,在電價表中訂定:若用戶用電的功率因數超過80%,每超過1%則當月電費可減收0.15%,反之若低於80%,則每低於1%當月電費需加收0.3%。用戶於改善功率因數後,尚可降低線路上之無效電流,保護線路在安全容量下的正常工作,以及確保電器設備與線路的安全使用,降低意外事故之發生,確是一舉多得。(作者為交通部郵政研究所研究員)

<圖說>
表1:一般用電器具之概略功率因數值


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