电源的省思之二 [复制链接]

电源的省思之二
从功率因素检视电源
陈运双

经由前面的解说，您对「无效电力」与「有效电力」应当有相当程度的认识，当您知道执行无效电力补偿（功率因子改善）有这么多的益处之后，一定急于想知道如何进行DIY的工作。但对没有电学基础的部分读者来讲，可能心中仍有些疑憾，到底周遭环境中那些是属于电感性负载？一般住家或位于商业区的住宅是否有必要执行无效电力补偿？另对用「向量」来解释「无效电力」与「有效电力」也不是很有概念。果真是如此，那也没关系，以下我再试着用另一种方式说明，以利您对接下来的DIY制作更具信心。首先请参阅＜表1＞「各种负载之功率因子表」，表内有关「电灯类」之各项灯具，除最古老的白热电灯（钨丝灯泡）外，其余均需要执行功率因子补偿；至于「电动机类」，一般家庭之电冰箱、冷气机、洗衣机、抽水马达、大厦之电梯、车库之动铁卷门等皆由马达驱动，故需执行功率因子补偿。对电动机执行功率因子改善，其所需容量详参＜表2＞，表内「HP」为Horse Power，代表电动机的马力，一马力相当于746瓦的有效功率，设功率因子为0.85则需消耗877瓦的视在功率，马力愈大需补偿的电容量愈大；「点焊设备」及「熔铁炉」则属于工业界常用的设施，而炼钢厂之大型「电弧炉」甚至亦伴随着大量的谐波电流，干扰其它电气设备。由＜表1＞所列各类电气之功率因子可以获知，几乎大部分电气用品皆为电感性负载，包括音响器材内之变压器，尤以大功率A类后级或真空管后级扩大器需求更多的功率因子补偿。

前面已提到过，电气的负载种类可以极端的分类为纯电感性、纯电容性与纯电阻性，为让读者从另一方式了解，当交流电源受到上述三种负载时，其电压、电流相位的变化与作功的关系，特以三张图片再分别说明之。＜图3＞所示「纯电感性负载的功率曲线」，设i为电流曲线，e为电压曲线，而p则为功率曲线，由该图可以看出，当电流通过绕有线圈之纯电感性负载时，电流滞后于电压e90度角，p为电压与电流合成的功率（阴影部分），从电流一周波（gf）间来看，共有二次正值（ga间及db间），二次负值（ad间及bf间），由于互相交替发生，故其总和为零，即根本没有功率输出。其物理意义为：p在正值时，由电源将电能输入线圈，储存于磁场内；p为负值时，由磁场将电能输入于电源，对纯电感性负载而言，p=0（即不消耗有效电力）。＜图4＞所示「纯电容性负载功率图」，由该图可以看出，其电流较电压e领先90度角，同样从电流一周波（ae）间来看也有二次正值（ab间及cd间），二次负值（bc间及de间），故亦形成负交互之情况，其总和亦必为零。对电源来讲，无功率输出，其物理意义为：p为正值者，表示电源向电容输入电储存于电容器中，在p为负值时，则为电容器向电源放出同一电能，故仅为功率之循环，而无输出（不消耗有效电力），与电感性电路相似，只是「时相」不同而已。＜图5＞所示「纯电阻性负载功率图」，由图中可以看出，当电流通过纯电阻负载时，电流i及电压e在任一时刻均维持同相，故其合成的功率曲线p亦为同相，且为正值，此时之功率消耗于电路中，即为功率输出。例如电炉之发热转换成热能，称为作功，此种功率为「有效功率」，但在纯电感及纯电容性电路中，其功率只在电路中往复循环，而无功能之变换，则称为「无效功率」不能作功，故称为「虚功」，其单位为VAR（乏）。
感抗与容抗比值之计算

由于无效电力之传输性较差，无效电力补偿宜将电容器尽量靠近用电负载端安装，如＜图6＞所示，该负载系由SCR（硅控整流器）构成的马达驱动组，以SCR驱动电路调控马达转速会产生谐波电流，为了防止电路呈电容性而扩大高谐波，电容器通常应串联一「电抗器」使电路呈电感性，其电路结构如＜图7＞所示，若能控制电抗器与电容器成某一定比率值，则可配合系统阻抗大小，吸收相当程度的特定谐波量，其计算方法如下：设高谐波阶数为K时，XL为感抗值，Xc为容抗值，则XL≧Xc／K2
例一、分别以一般电力系统之第5次及第7次谐波计算感抗与容抗的比值。
（1）XL≧Xc／52=Xc／25=0.04 Xc……5th谐波
（2）XL≧Xc／72=Xc／49=0.02 Xc……7th谐波
从以上的计算结果可知，装设电抗器时，其感抗至少为电容器容抗之4％及2％以上。
例二、假设无故电力补偿电容器之容量为20μF，求第5分谐波之串联电抗器之电感值。
Xc=1／2╳3.14╳60╳20╳10-6=132.6（Ω）
XL=0.04Xc=0.04╳132.6=5.3（Ω）
XL=2πf L→L=5.3／2πf=5.3／2╳3.14╳60=5.3／376.8=0.014（H）=14（mH）
由例二计算所得，若电力系统中含有5次谐波成分，如果采用20μF之电容器作为无效电力补偿，考量电容器及电抗器制造上的误差，则宜采用大于14mH的串联电抗器才能确保达成预期的目标。若电力系统同时含有多重谐波，例如第5次及第7次谐波，则可同时并联多只谐波炉波器，其电路结构详如＜图8＞所示。
　
表1：各种负载之功率因子表

表2：功率改善用低压电容器容量

图3︰纯电感性负载功率曲线

图4︰纯电容性负载功率曲线

图5：纯电阻性负载功率曲线

图6︰DC马达驱动组及功因改善电容器构成的系统单线图

图7︰串接电抗器抑制些波及避免共振

图8︰应用于吸收AC/DC转换器5th及7th谐波滤波器

图9︰电流量测示意图

图10︰CD转盘、D/A及前级扩大器无效电力补偿

图11︰后级扩大器无效电力补偿

表12︰电抗器制作参考表

图13︰多只电抗器与电电容器组成可调式无效电力补偿电路

图14︰传统插座（上）与隔离接地型插座（下）的结构比较
用杠杆原理改善电源

在工业用电的各种场合，无效电力的补偿被视为必要的装置，例如大型马达的进相电容，缺少该电容器马达就起动不了，此时若保护电路未动作，持续给予过大的起动电流，有可能导至马达烧毁（注：马达起动电流约为正常运转电流的7倍）。由此可见，使大型马达起动，并不是靠给予大电流就能办得到，而是另有条件的，即电流相位不能滞后于电压的相位太多，最好电流与电压能够同相，这样才能并肩齐步走，就好比两位壮汉要搬动或抬起一件重物，必须口头喊一、二、三，在喊到三的瞬间同时使力，进相电容的功用就如同壮汉搬重物的协同呼唤，惟有合作的伙伴同步使力，才能发挥有效的爆发力，否则只是作虚功而已。有许多音响迷为了强化电源，不惜重资更换粗壮的电源线，从进屋内线开始换起 ，至于个别器材的电源线更不在话下，如巨蟒般又粗又大，笔者认为若能再配合无效电力补偿，就等于大力士拥有一支杠杆，如虎添翼，而无效电力补偿电路内的电抗器与电容器之选用，则相当于杠杆的支点，只要找到最佳支点，就让能您事半而功倍。
电抗器的制作

以漆包线卷绕在线轴上可以形成适当的电感量，若在线圈的内圈置入铁心或磁性材料，则可以增加电感量，故相同电感量，若内置铁心可降低绕组的圈数，但该材料的性质会影响电抗器的频率响应，且在大电流通过时容易导致饱和现象，增加磁滞损失，并产生恼人的噪音。笔者初次实验系利用家中现成电源变压器的漆包线绕组充当电抗器使用，刚一接上电源即传来变压器铁心振动的噪音，大约有50dB—60dB的音压，远超过我的预料，只好改用空心电感。为了实验预估应绕线圈数，先以家中库存的机内配线二捆，分别为16号约50米长，及20号线约100米长，经测量电感值，前者为1.8mH，后者为6mH。第二次实验即利用上述二捆电线充当无效电力补偿的电抗器，接上电源后未察觉任何噪音，且效果亦颇令人满意，经比较，以电感量大者效果较佳。

为方便介绍给读者依样制作，于是向变压器制造厂商试绕了4只电抗器，使用1.2mm直径的漆包线，绕在4.7mm╳5.5mm EI变压器用线轴（Bobbin）上，有关该4只电抗器的各项参数详如＜表12＞，有兴趣的读者可依样葫芦。绕线的松紧度、线径大小均会影响电抗器的电感量，相同圈数，绕得比较紧，电感量会增大，绕得松则电感量会降低；线径用得粗，则同样圈数电感量会降低，线径用得细则电感量会增加。建议线径不要小于1.2mm，以免电抗器的内阻过高，影响充放电的速度，线圈绕组也不能绕得太松，否则容易引起哼声。（注：表12所列电抗器是向台北市洛阳街25号川利电机订制的，价格约每绕一圈一块钱）。
电容器的选用及测试

本电路所使用之电容器必须为「无极性电容」且电压在250VAC以上，部分无极性电容只标示DC者，则应选用400VDC以上比较安全；有些电容器的外壳上并未标示AC或DC者，请注意察看标示电压后面的符号，标示正弦波符号（～）者代表AC，标示一横（－）者代表DC。过去拆船业盛行的年代，几乎各家旧料行均可买得到这类无极性电容器，笔者进行实验使用的就是「大发牌」电容器，原制造厂家分别为Mallory及Siemens，前者是浸油纸质电容器，而后者则是浸油PP质电容器。如果您手边也有这种旧料电容器，正好可以派上用场，但为了安全起见，最好先进行下列测试后再使用：

一、统三用表（指针式）测量电容器二极铝箔的绝缘度，先用1KΩ档测量电容的两极，首先指针会往右（低电阻值方向）摆动，然后慢慢往左（高电阻值方向）回复，直到指针回复至无限大（∞）刻度，此时测试棒不要移开电容器之两极端，直接将电表拨至10KΩ档，此时指针又会再往右摆动至某一电阻值，然后指针再慢慢回复至无限大，这次回复的速度会更慢一点，但一定得回复至无限大位置，若无法完全回复至无限大位置，则表示该电容器铝箔电极的绝缘不良，不能使用，若电容器为金属外壳，则需以10KΩ档再分别量测此电容器二极与外壳间之绝缘度，接受标准为电阻值无限大。

二、通过第一阶段测试之电容器方可再进行本步骤之送电测试，上一步骤之绝缘度量测，其实三用表之测试棒亦同时送出直流电，只不过所送的电压及电流值都很低（1KΩ档为3V及150μA；10KΩ档为12V及50μA），为确认电容器在110VAC仍能维持良好绝缘度，需再进一步执行送电试验。为确保安全，最好采用配有无熔丝开关或保险丝的插座（注：可选择具有此装置的延长线排插，使用保险丝者，宜更换为慢熔式保险丝，以免送电瞬间因突波电流而熔断），先将电容器与电抗器串联起来，其余悬空的两端，电抗器端接电源的火线，电容器端则接地线（或称中性线），接妥后再复查一遍，确定完全正确即可大胆送电，若电容器严重漏电而导致过载电流或短路现象，无熔丝开关或保险丝将发挥作用（跳脱或熔断）是以确保安全，所以不用怕。如果送电后什么事都没发生，恭喜您已安全上了二垒，但请维持送电状态持续约30分钟，在此送电期间宜随时以手触摸感觉电容器的外壳是否发热，并聆听电抗器是否发出异常的噪音，品质优良的电容器是不应该发热的（与环境温度一致），否则就是电容器有漏电现象，或电源有严重的谐波电流，如果一切正常，则您已经安全抵达第三垒，只要再继续完成下一步骤即可奔回本垒。

三、用电表量测通过电容器与电抗器的电流量，以传统指针式三用表、数字三用表或钩式电流表均可，传统指针三用表与钩式电流表之误差值比较大，尤以钩式电流表之误差最大，但最大的优点是使用方便，量测时不需拆接线，但应该尽量远离电抗器及其它会产生电磁场的装置，以免受到干扰而偏离实际电流值。若使用指针式或数字三用表的电流档量测，则需与被量测电路成串联状态，由于本电路系由电抗器与电容器组成，送电瞬间有突波电流产生，易损及电表，故建议在送电前先以鳄鱼夹跨接线跨接电表之两端，待送电后再拆除该跨接线，以保护电表，有关电流量测的方法详如＜图9＞所示。根据上述电路所测得之电流应该是多少才算正确？依公式Xc=1／2πfc，当f=60，c=1μF时，容抗值Xc=2652Ω，设电源电压为115VAC时，每1μF电容量应通过43mA电流（115÷2562=0.043），当电抗器所串联之电容器电容量为20μF，则测得电流应为20╳0.043=0.86A，其正常的误差值主要决定于电容量与电源电压的变化误差。电抗器的电感量与通过电流值无关（注：假设交流电源为单纯60Hz正弦波，又本电路建议使用电抗器为8mH—20mH，其内阻差异极微量，可以乎略不计）。若量测结果符合上述计算值，则您已安全回到本垒，接着就可以依照＜图10＞或＜图11＞的电路方式完成您的无效电力补偿，慢慢调出最佳状态，仔细调出您喜爱的音色。若很不幸所测得的电流值偏离上述原则甚多时，可能有两种原因：第一为电容器绝缘不良，有漏电流现象；第二为交流电源含有高次谐波电流造成。为查明原因，请更换一只电容器，重新测量计算电流值即可查知是否电容器有问题，否则就是第二种原因，电源有高次谐波，此时可更换不同电感值的电抗器，分别量测并记录电流量，比较不同电感量，从纪录中找出有几个电流峰值，以判定在无效电力补偿电路之前是否需再增设谐波滤波器，有关电源谐波之滤波电路请参阅本刊第111期拙文「电源谐波干扰与抑制技术」。如果更换不同电感值之电抗器所测得之电流量变化不大，且触摸电容器外壳亦无明显的温度上升情形，表示电源谐波不是很严重，可以放心使用。在量测过程，电流量比较大者，表示无效电力补偿电路已经发挥吸收谐波的功能；若有二个以上电流峰值，可考虑仿照＜图8＞的方式，利用多组无效电力补偿电路并联使用，俾对电源谐波进行最佳的抑制效果。
电容器的材质决定声音走向

电容器的材质与整体声音的表现有密切的关联，笔者试听的结果简述如下：

一、浸油纸质电容器：试听电容器厂牌为Mallory，中低频饱满宽松，反应速度稍慢，高频稍暗，音色温暖颇有管味。

二、浸油PP质电容器：试听电容器厂牌为Siemens，中低频饱满程度比浸油纸质略逊一筹，但高低频两端的延伸更好，低频的密度较高，反应速度比较快，音色表现类似Hi-End真空管与晶体混血机种，感性与理性兼备。

三、金属化PP质电容器：试听电容器厂牌为CDE（佑升电料行出售），整体声音平衡度极佳，反应速度最快，极高至极低频两端的延伸最佳，尤其极低频的能量密度非常高，音色非常细致，已达监听级的标准。另外又试听了Solen厂牌的两种不同Type电容器，均为25μF/250VAC MKP电容（各别为唐竹及佑升出售），虽Type不同，价格也不一样（佑升出售价格略高）但声音难分轩轾，整体的表现与CDE有点类似，但极高频至极低频的延伸逊色不少，声音也不如CDE细致。

四、电解质电容器：试听电容器厂牌为智宝（Teapo），反应速度与Siemens差不多，高低频两端延伸不足，声音比较粗糙，其它各项的表现也乏善可陈，是本次试听电容器中品质最差的，价格也是最便宜的。

无效电力补偿，到底要使用多大的电抗器及电容器，是否有一定的标准？答案是没有，因为每一个地区的状况不一样，就好象每一个人的体质不同，治病的药方也得视个人的体质予以适度调整，笔者在此只能提供参考的处方；在大多数的电源环境里（一般住宅区），可以用8mH电抗器与25μF电容器之组合，有谐波电流干扰的电源，可酌量增加电感量，例如增至14mH，视实际情形再仔细试听调整。至于电容器的容量则视您的环境是否有大量的电感性负载，可参考表1及表2进行调整。但有时候可能一天24小时，当中会有用电尖峰与离峰的时段也要列入考虑，例如住在工业区附近或是闹、夜市等，均会发生此种现象，住在上述区域的读者，建议利用多只电抗器与电容器组成可调式的无效电力补偿电路（详如图13所示）以因应尖峰与离峰时段的调整。根据个人经验，大概只要备妥8mH—20mH电抗器及10μF—40μF电容器就足以应付大部分环境状况。

笔者花了很长一段篇幅解说试验，量测等制作过程，主要目的在于方便读者，无论您过去有无DIY经验，只要参照本文的内容就能依样葫芦，解决过去长期困扰您的电源问题。另由于市售电源处理器的售价偏高，效果也令人质疑，本次DIY的制作成本低廉，但愿能引起您的共鸣而参与本次的制作，共享电源改善的美好经验。
插头与插座是能量的桥梁

笔者一位同事，去年趁房价下跌之际换了一间比较大的房子，同时也迎进了一对ATC SCM 100主动式喇叭，一偿多年的宿愿，笔者协助规划音响室的装修事宜，又在ATC喇叭加装超低音与超低音喇叭，以补上下面端延伸不足。经过颇长一段时间的整治工程，终于搞定，昔日音响同好都到齐聆赏祝贺，少不了用一些严苛的音乐去考验它，包括同好自备的CD片，还好都能一一过关斩将宾主尽欢。但我觉得其中还有一样东西需尽快改善，才能把这套系统的实力完全发挥出来，即电源延长线排插。由于他家电视机与音响摆在一起，用电的设备较多，墙壁上的电源插座不敷使用，因此使用二条延长线排插，而且使用已有相当时日，外观看起来颇为粗壮，但实际上弹簧的夹持力已经不足，故建议尽早更换品质更好的排插。不知是何原因，可能是刚搬新家百废待举，也可能是对这套音响系统已经感到很满意而没有积极去处理这件事，大约过了二、三个月之后，有一天他突然告诉我，最近ATC喇叭的电源保险丝莫明其妙的烧断过二次。根据我的判断，有可能是开关机的顺序弄反了，产生突波电流所致，例如先开ATC的电源再开前级电源，或是ATC的电源尚未切掉就先关前级电源所致，所以我要他特别注意这点，也要他告知家中其它成员避免操作顺序错误，但隔不了几天保险丝又烧断了，这次我那位同事查觉保险丝熔断的瞬间，电源排插在同一时间亦传出有跳火花的异声，因此研判电源排插有问题，于是惊觉到电源插座的重要性而积极进行电源插座更换计画，包括主电源开关箱到墙上插座之电源线也重拉，所有音响用电源插头及插座均改用Hubbell厂牌的产品，所有电源线均采用「太平洋」5.5mm2屋内配线。主电源箱至墙壁插座之电源更换工作交由合格的电匠去做，延长线则依照我的方法去制作，虽然我已经示范过，但他还是不放心，要求在我家中制作施工，期能在关键步骤给予从旁协助，以确保品质。待上述相关项目均改善完成再开声，令在场每一位音响同好都感到惊讶，因为改善幅度实在太大了，整个能量密度大约提升了20﹪之多，好象吃了大力丸一样，不！应该说是服了千年灵芝，因为增加的是内功，虽力大无穷，却是源源不断不愠不火的内力，整个音场下盘更稳固，背景更宁静，乐器的线条更凸浮而清楚，高频变得更乐耳，无论是音响性或音乐性都获得全面性的改善，当然ATC的电源保险丝迄今（已超过半年）未曾再烧断过。
Hubbell是电源插头与插座的鼻祖

过去在拆船业全盛时期，识货者能以极低廉的价格获得一流品质的工业零组件，例如隔离变压器、电容器、及各种电源插头与插座等，笔者也没错过那个时代，从中学习到很多知识、获益良多，就举电源插头与插座来讲，各种品牌，各类型式琳琅满目，只要发现比较独特、有创意的产品，都会买回家研究，经过多年的观察结果，Hubbell是市场出现率最高的品牌，因为其材质及结构均特别考究，产品的品质也是最好的，因而广获工业界的青睐，为了进一步证实自己的判断，于是设法取得Hubbell公司的有关资料，并在此与各位分享。

Harrey Hubbell先生与爱迪生是同一年代的人，1888年创立Hubbell公司，他的祖先是在1640年代从英国移民到美国，Hubbell先生曾经在制造船舶引擎的工厂及另一家制造印刷机的工厂工作过，但他最大的兴趣是发明，他随时都有好点子发明一些产品，目的在使工作更有效率，让生活过得更舒适，为了实现他的梦想，于是辞去原来的工作创立了Hubbell公司，迄今已有100多年历史。Hubbell是多产的发明家，例如从1896年至1909年就获得45项电气产品的专利，现在各位家中所使用的电灯开关、电源插头与插座就是那时期的产品。

说到电源插头与插座的发明，那是一个很偶然的机会，有一天，他走在纽约市区街头，看见路边有一长廊商场，在那里设有一些电动的游乐设施，这些游乐设施非常卖座，那天他经过的时候刚好碰到打烊，正在做地板清洁与设备维护保养工作，管理员必须从墙上的接线端子把游乐设施的电源线拆除，才能进行清洁及相关保养工作。当上述工作完成之后，又得重新把电源线接回去，而且这次更麻烦，必须一一辨认每一根线是否接对了？极性有没有搞错？完成之后还得再仔细核对一遍，以避免导致短路的情形。Hubbell先生看到管理员很不耐烦的进行这些拆装过程，认为既麻烦又没有效率，而且容易出错，因而激发了他发明的鬼点子，想设计出一种产品，能够分别装在墙上及电线上，只要第一次安装的时候确认好配线的次序及极性，以后便可以既「方便」又「安全」的从墙上插上、板下。他回家后立刻利用金属与电木材料，以手工打造了三种型式的插头与插座送去给那