交流电源与RPS NO教材.docx

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交流电源与RPSNO教材

交流电源与RPSNO.1

近十年来台湾经济快速发展及生活质量的高度提升，工业用电及民生用电大幅成长。

为电合供电质量，必须在适当地点大量增设发电厂及输变电设备。

但由于环保意识的高涨及泛政治化的结果，发变电厂所用地难觅，使电力公司对提高供电质量的计划无法按期推展。

尔来供电质量更亮起了红灯，尤其炎夏尖峰用电时刻，几乎已经面临随时限电的危机，在电力调度已百般困难之际，焉能兼顾供电质量。

　　为提高产品质量或工作效率，大多数工厂或办公室之机器设备，已采用动化设施。

这些自动化设备，绝大多数系采用静态控制组件（SCR），操作运转之际将产生大量谐波注入电力系统，影响邻近地区用户之供电质量。

此外，台湾地区迄今未制定「高谐波干扰管制办法」，以致无法针对产生高谐波干扰之业主予以强制取谛，使得交流电质量每况愈下，以致许多金耳族经常抱怨其昂贵音响器材能发出好声的时间愈来愈短，通常只有在深夜才能听到美妙的音乐。

基于上述原因，近来市面上许多交流电源稳压器，滤波器及隔离变压等补救器材因应而生，俨然成为音响界的热门话题。

替交流电源把脉

　　有鉴于此，笔者根据多年研究电力与电磁原理的心得，历得各种实验，设计成RPSNO.1电源处理器。

设计初衷原本是业余创作自娱之物，却意外获得音响同好们的喜爱，复蒙DesigerAudio公司选为创业面市的第一部产品，上市之后再次获得刘总编的肯定，并嘱为文介绍PRSNO.1的设计原理。

由于PRSNO.1的设计理念系针对交流电的工作原理，传输特性及电力系统负载特性所引起的缺陷提供补救拱施。

为方便大多数非理工科读者阅读起见，本文拟先概述基本电工原理及其相关术语，接着再述说交流电源质量劣化的原因，最后介绍PRSNO.1对交流电源的整治方法。

换言之，本文要先替交流电源把脉，查出病因，再提出根治的药方，笔者认为唯有如此才能对症下药，避免滥用广效抗生素导致不必要的副作用。

直流电与交流电的特性：

　　所谓「直流」电，就是方向不变的电流。

在直流电路中，其极性不变，电子永远依一个方向，由负向正作等量的流动。

所谓「交流」，就是方向常在变换的电流。

在交流电路中，电源的极性常在变动。

在此瞬间为负极者，稍后就变为负极；在此瞬间为负极者，稍后就变为正极。

交流电路中之电流不但经常变换方向，而且其电流之量也时时在变。

即由零点沿一定方向（正极）渐渐增加至最大值，然后逐渐下降至零点，再继续往另一方向（负极）递增至最大值，然后返回至零点。

图一所示即为交流电压或电流之「波形」，称为「正弦波」，横轴代表时间，纵轴代表电压或电流之幅度。

此波形有一半在横轴之上（称为正交变或正半周），一半在横轴之下（称为负交变或负半周），交流电压（流）每秒所生的周数叫做「频率」，其单位为「赫兹」（Hertz简写Hz），电力公司送往用户之交流电，其频率为60Hz，即每秒有60周。

图二所示，完成一周（0°～360°）所需的时间称为「周期」（Period），故60Hz每周占1/60，其周期即为1/60秒。

交流电优于交流电之处，在于我们可以很容易的利用变压器将电压升高或降低，以适应各种需要。

虽然有些电器设备可直接使用交流电源，但某些设备则非用直流不可，例如蓄电池之充电、电镀及电子电路的电源，均需采用直流电源。

音响设备属于电子电路之应用产品，因此必须使直流电。

采用直流电源的设备，除了轻便携带式或耗电量较小者采用电池外，其余均利用变压器，先将交流电压升高或降低至适当的电压，再经整流与滤波而得直流电源。

较高级或精密的电子设备，为了获得更稳定与纯净的直流电源，会再经稳压与电子滤波电路处理。

但无论如何，交流电源的质量坏将直接影响整流后交流电源质量，进而影响电子设备的性能。

正弦波有二点重要特性，若不合乎下列二项原理则即非正弦波。

一、单一频率。

若数个不同频率的正弦波合并，其合成波形就不再为正弦波。

二、正负两半周互为镜中之影像，两半周的起落变化速率完全相同。

交流电的三要素

（一）、频率

　　有关频率的定义，前面已经讨论过，频率若不准，将导致控制电路的失常。

例如，同步马达的转速依频率而变，频率高则转速变快；频率低则转速变慢。

又许多控制电路之时间常数系依频率而变，频率高则时间缩短，频率低则动作时间延长，因此，频率不准将导致控制电路异常。

（二）、电压

　　通常我们说某交流电压为若干伏特或某交流电流为若干安培，都是指「有效值」（Effectivevalue）而言。

在交流中，有无数的瞬时值，电流和电压都随时在变，为了能将交流的效果与直流的效果相比较，我们找到一值，经试验结果（负载为纯电阻），其所产生的热（功率）与等值的直流电相等，此值称为「有效值」，又称为「均方根值」（RootMeanSquare，简称RMS）。

若将电热炉接到110V交流电压，其发热量与接到110V直流电压所发之热量完全相等，此时直流电路与交流电路之电力表示公式均为P=I2RI，R为电阻R所消耗的电力，E及I称为交流电压／电流之有效值或直流电之电压／电流值。

（三）、相位

　　两种不同直流电源，若欲并联使用，只需调整两者之电压一致即可。

但交流电则复杂得多，必须先调电压及频率一致，然后再调整相位，使趋于一致（通常在相角差在±5度以内）才能并联（称为同步并联），否则将导致电震等严重灾害。

　　所谓「相位」，即是交流电压（或电流）的时间关系，可能指电压与电流之间的时间关系，可能指此一电压与彼一电压的时间关系，也可能指此一电压与彼一电流的时间关系。

换句话说，当电压（或电流）彼此的波形变化之步调一致时，我们称之为同相。

亦即两波同时开始，同时到达最大值，且同时通过零点，同时完成正半周与负半周。

在直流电路中，电流与电压同时发生，步调永远一致，因此我们用不着注意其时间关系，故无「相位」可言，所以直流电路的电力为电压（E）和电流（I）的乘积，只有单纯的「有效电力」而已。

但在交流电路中情况就不同了，除了此电压与彼电压，或此电流与彼电流之间步调有差异外，即使是同得一致，当两者步调完全一致时，我们称之为「同相」（inphase），反之则称之为「异相」（outofphase），或说它们之间有「相位差」。

相位差是用角度表示，所以又称为「相角」。

　　由电力公司各发电厂送出来的交流电系60Hz正弦波，且电流与电压均为同步的理想交流电源，但由于输电线的电容、电感效应及负载的特性，而导致电流与电压之间有相位差存在。

若电容抗大于电感抗，则电流相位将导前于电压相位，反之则电流相位将落后电压相位。

　因此实际应用时，交流电力公式之表示应该为P=E×I×cosinθ（θ为相位角），cosineθ即为电路中的「功率因子」，当θ为0°时，则cosine0°=1，即θ为90°时，则cosine90°=0，即P=E×I×0=0，由此可知，电流与电压必须步调一致（同相）才能同心协力以尽全功。

若电流与电压有相位差存在，则必定会损失一部份电力，所丧失的能量就称为「无效电力」，相角差愈大，无效电力亦愈大，功率因子就愈差。

　　由此可知，交流电力的计算，必须同时兼顾电压、电流、电压／电流之间的相位差，以及电力系统的负载特性。

由表一可以很清楚看出彼此之间的「相量」关系。

P：

有效电力

Q：

无效电力

R：

电阻组件，消耗有效电力

L：

电感组件，消耗无效电力

C：

电容组件，产生无效电力

电力的传输与控制

　　台湾现有电力系统，北、中、南部都有大型发电厂，但北部用电需求远大于其它地区，且北部发电量不足，因此所需电力无法完全由北部电厂供给，其不足之电力须从其他地区支持，形成南电北送的情况。

这种情况除了增加输电损失外，大量的「电力潮流」也易引起系统低频振荡的现象。

　　电力的传输特性犹如海洋、江河等之潮流变化，受季节转移、日月万有引力或潮汐温差的影响；又如交通流量的变化，鱼贯而行的车队忽快忽慢，我们称之为车潮，车潮的变化与随道路状况与交通管制的情形有密切的关系。

车潮的疏导，可藉高速公路、快速道路、高架桥、红绿灯号志及临时调拨车道等措施为之。

电力的传输与调度也是如此，必须在呇适当地点设立发电厂、高、低压变电所，以及在超高压变电所装设并联电感等；

一、二次变电所装设静态电容器（SC）等，以配合无效电力情况调度使用。

由表一可看出大部份负载不仅消耗有效功率，也需无效功率，因此两者都要由电力公司提供。

电力公司通常都是利用自动发电控制（AGC，AutomaticGenerationControl）来调度有效电力，以维持频率的稳定，使发电量和负载维持平衡。

但对于无效电力的控制则不然，必须同时利用多种方法，例如：

（一）调整发电机的激磁电流。

（二）调整发电厂升压变压器的分接头。

（三）调整超高压变电所并联电感器。

（四）调整一、二次变电所静态电容器。

虽然有上述各种方法可供应用，但比较起来，无效电力较有效电力难控制的多，其原因归纳如下：

（一）无效电力比有效电力更具非线性，也就是变化多端，无一定的形态与模型等规则可循，因此检知，分析与监控有困难，故其调整控制的灵敏度远低于有效电力之控制。

（二）无效电力之传输性较差，因此无效电力控制装置须散布于全系统。

在发电厂、变电所兴建受阻的情况下，电力公司拟依实际需要在最适当地点装设无效电力控制装置百般困难。

（三）电压大幅偏高所能容忍之间时要求极短，且系统加入更多的电压及无效电力控制装置后，将导致模型化处理及计算机分析变得更困难。

电力系统受干扰的因素

交流电源的干扰现象大致可分为电瞬时（瞬时压降）与高谐波两大类，引起电瞬时的原因包括：

（一）雷电交流、

（二）开关突破、

（三）短路或接地事故、

（四）工厂内大电力马达、电焊机及电气体炉等启闭所引起的突波、

（五）大楼升降梯、空调机启闭所引起之突波。

引起高谐波的原因包括：

（一）变压器过激磁造成铁心饱和，形成畸变波，

（二）炼钢厂电弧炉熔解时将引起大量的谐波，

（三）大型开流体应用机器，例如：

换流器（Inverter）、马达调速器、电炉控温器、调光器、电磁炉、微波炉等。

上述困扰因素，日常生活中随处可见，对供电质量的影响非常大，轻者影响音质或映像，重者将伤及电器设备或缩短电气设备之使用寿命，其影响程度与下列因素有关：

（一）干扰源（设备）的容量愈大，所引起的突波电流或电流亦愈大，对邻近用户之干扰程度愈严重。

（二）距离干扰源愈近，受干扰影响愈严重，反之前干扰愈小。

（三）愈往输电线路末端，受高谐波干扰的机率与成份愈大。

（四）输电线路线径愈细或线路较长时，由于电源阻抗增加，供电系统的高谐波电压将升高，其干扰亦变得较严重。

当正弦波交流电源受到高谐波干扰时，供电压及电流波形将受影响而变形（谐波失真），这种变形后的波形称为畸变波（DistortedWave）。

任何畸变波均含有高谐波成份，经仔细分析，这些畸变波均由许多不同频率的正弦波相加而成，（a）的波形曲线系由基本波（b）与（c）（d）正弦波之混合波形。

（c）（d）即代表干扰波，实际上之干扰波形则更复杂，其混合波形对电气设备的影响或危害将更严重。

电源谐波的危害

　　一般电力设备或电气用品之设计，其额定值（Rating，即耐压、耐电流、耐热及输出功率）、保护（Protection，即超过额定值之跳脱电路）及控制（control，即逻辑控制电路）等规范皆以正弦波交流电之运用为设计基础，若有谐波重迭在正弦波上，即可能导致下列危害：

（一）使电力设备或电气用品过热、过电压、过电流而导致损壤或缩短使用寿命。

（二）对保护装置与控制系统引起误动作。

例如：

超过保护设定值之上限（Upper-Limit），该动作而未动作跳脱（Trip）或未达设定值而提前跳脱等误动作情形。

（三）对通讯、信息及影视讯等造成干扰。

例如：

产生不必要的杂波，造成错误的信息、或使视听设备产生杂音，使映像错乱或闪烁等。

（四）高谐波电流所形成之磁场，对同步或感应电动机（马达）不但无法提供实值转矩（Torque，即扭力、驱动力），反而产生反效果的逆向转矩，减低电动机机械效率。

（五）增加变压器的铁损（涡流损及磁滞损）及铜损，造成温度异常上升或引起铁心与绕组之共振，发出响声（哼声）。

例如：

一部扩大机之变压器在甲地使用几乎无哼声，但换到乙地使用则哼声变大，其原因为乙地的交流电源含有高谐波成份的关系，是谐波电压／电流在作怪，而非所谓供电不足的关系。

不单是变压器如此，电容器用在含有高谐波的电源也会发出异常噪音，发热或莫明其妙的故障失效，各位读者不可不察，否则恐将吃尽苦头且让许多善良器材含冤莫白！

有失公允。

　　为防止过多谐波电流注入电力系统造成用户电器设备损坏，欧、美、日等先进国家早已制订「电力系统谐波管制标准」以管制工业大电力用户之谐波电压、电流，使勿超过管制标准。

若超过管制标准则应限期改善，否则处予罚款或停电处份，而国内则迟至81年才订定完成「电力系统谐波管制执行标准」，并公布于81年11月26日起试办。

依笔者估计，距强制执行恐尚有相当时日，在此之前您得委屈继续忍受较高的谐波干扰，除非您已下定决心购置一台够水平的电源处理器。

PRSNO.1的设计理念

　　电源对于电子装置之重要性，犹如吾人体内所流动的血液。

电力系统有效电力与无效电力之不平衡，就如同血液的红血球与白血球数量的不平衡，电力系统注入高谐波成份，就如同血液循环系统受到各种病毒的入侵一样，除非人体（电子装置）的免疫系统（电源干扰排斥率）够强否则一定会发病，对于电子装置则能造成功能不正常，产生杂音或无法发挥应有的效果。

电源处理器应具备的条件

　尔来市面上的出现各种电源滤波器产品，优格差异极大，较高价者甚至超过一套中价位音响组合，他们均宣称对音响音质有大改善，笔者亦相继接获不少读者同好的来电询问有关此一方面的问题，由于笔者不了解各种厂牌的设计原理，也未一一试听过各种产品，因此无法作答，不过笔者认为一部理想的电源处理器应该具备下列条件：

一、能消除同相（共模）及异相（差模）杂波。

二、可改善功率因子。

三、无交流哼声。

四、温升不宜太高。

五、不需接地处理。

六、不影响音质及无其他副作用。

　　PRSNO.1系依据上述设计准则而设计，目标确定后随即展开各类数据搜集、研究、分析并进行各项实验，最后证实产业界传统惯用的滤波处理方式，均无法符合上述设计准则要求，于是放弃传统方法，再进一步研究，希望能有所突破。

在一个很偶然的机会，顿悟到「电磁镜像原理」，这几乎就是我所要追求的答案！

所谓「电磁镜像原理」即是「电磁差动原理」，类似于晶体管的差动放大器。

PRSNO.1内设有二组独立电感绕组（L1及L2）呈镜像对称，即一正一反，而交流电源60Hz正弦波波形也是镜像对称，使正半周波（A）与负半周波（B）分别通过L1及L2电感绕组，当单一正弦波通过时，则因镜像对称之关系，两组电感磁动势之作用力完全相等（FA=FB），因此相互抵销（即FA-FB=0），若正弦波含有其他瞬时杂波或高谐波成波，将导致正弦波波形扭曲变形，形成非对称性，而产生差动信号（FA-FB=FC），由于铁心的磁滞作用，对差动信号能量有阻尼、吸收作用，至于60Hz正弦波则可畅行无阻。

此外PRSNO.1又装置有改善功率因子之无极性交流电容器，设计时将该电容（C）与电感（L）安排为LC滤波电路，故电磁镜像成为杂波前处理器，而LC滤波电路则为后处理器，兼具改善功率因子之功率，故具有多重滤波效果与高电源使用效率。

超静音的设计

　　凡交流电通过电感器均会产生交流共振哼声，尤其是具有铁心的高磁通密度电感器，其恼人的哼声是笔者设计本电源处理器感到最棘手的问题，经试用各种传统抑制共振的方法均无效，只有在电磁镜像原理以振制振的方法获得圆满解决，巧的是这个方法与最近新闻报导日本人防治噪音发生器的方法有异曲同工之妙。

即设计一套噪音发生器，使与工厂噪音的频率、波形、振幅一致，但相位刚好相反，如此波峰与波谷的能量完全抵销而达到无噪音的目的。

这项发明是今年12月份公布的，但笔者约在两年前就应用在PRSNO.1电源处理器上，可见英雄所见略同，只是应用不同罢了！

既然是超静音电源处理器，则直接置于音响系统使用，不但无二次噪音污染之虞，尚可降低电源阻抗以提高电源改善效果。

　　差动放大原理是共模噪声的最大克星，故PRSNO.1不需经过接地处理即可达成这项任务，盖因台湾地区地小人稠，高楼林立，欲埋设专用接地线确实困难重重，若与避雷针接地或动力设备接地共享接地线，则无异引狼入室，必将导致更大的灾害。

　　PRSNO.1属于智能型的电源处理器，具有办识电源好坏的能力，对纯净无污染的交流电，等于只通过一条直线，一旦有瞬时、杂波出现或电压与电流步调不一致时，才开始发挥作用，而非好人坏人一网打尽的笨拙方法。

根据试用经验，只要负载不超过额定功率，使用均无不良副作用。

　　差动放大器之共模信号排斥率视两颗配对晶体是否对称，工作点愈稳定及电路常数愈对称，则共模信号排斥率愈为优良，但要达到绝对对称是非常困难的一件事。

同理，欲使电磁差动滤波器两组电感常数绝对对称也有困难，除了线圈绕组必须完全对称外，铁心的材质及几何形状也应完全对称。

就几何形状而言，虽然铁心刚出厂是对称的，但后续的热处理及绕线工作亦可能造成变形，甚至在任一加工过程受到撞击都有可能变形而影响其对称性。

所谓铁心材质包括：

合金成分及比例、导磁率、饱和磁通密度及质量密度等。

就因为影响电感常数之参数如此多，制造的每一过程均须谨慎控制才能维持适当的质量。

第一部产品之试用时，笔者是以纯手工绕制，仅绕制线圈部份就得花上好几个小时之久，由于市面上现有绕线机均无法胜任，为了量产还得另行设计特制绕线机才能进行量产工作，待电磁差动线圈绕制及调整完妥后，再以符合UL规格之绝缘胶予以封装，以为保护并防止特性飘移或劣化。

结语

　　影响交流电源质量的因素繁多，包括电压与电流的相位关系、电力系统的负载特性及高谐波干扰等。

交流电力所能作的工与其电压与电流之相位有直接关系，应以向量式来计算，因此「有效电力」为电压与电流之向量和。

　　正弦波一旦受到外来杂波干扰，将变形失真，失真的交流电源是造成音质恶化，电子设备容易故障的罪魁祸首，一般人通常均以三用电表来测量电源电压，若电源波形有谐波失真，其测量值将有极大差异，如图五所示，（a）为基波与谐波反相，测量值将偏低；（b）为基波与谐波同相，测量值将偏高，因此用一般电表来推测电源质量，就如同瞎子摸象般不切实际，甚至使用示波器，如只观察其电压波形亦无法判断电源质量之好坏，必须再利用电流波形转换器，以便可以同时观察电压及电流之波形暨相位关系。

最简单又可靠的方法当然是采用「综合电力分析仪」，它是电力诊断分析专家，可以将被测试电源的相关数据同时打印在报表纸上，成为该电源的总体检表，因此任何隐疾将无所遁形！

至于何种厂牌的电源处理器才是真正的救命仙丹，各位读者的金耳朵才是最精密的分析，请善加利用并提供宝贵意见赐教是幸！