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線性負載的功率因數修正

桐人控 | 2023-04-21 12:17:45 | 巴幣 0 | 人氣 239


在多數的交流電環境之下:用戶(負載)通常並非純電阻性,而是存在感抗(inductive reactance)或容抗(capacitive reactance)合稱為電抗(reactance)負載特性,因其磁場或電場的儲能特性而造成能量會在負載與電源之間往復流動,此時就會造成實功率(real power,active power)下降。例如:若為電阻性負載者其功率因數為1,因此可將視在功率(apparent power)1kVA完全消耗於實功率1kW。若存在電抗負載特性且功率因數為0.5,此時視在功率就要提高到2kVA才能夠提供實功率1kW,因而增加發電與線路電流,進而提高發電與維護成本。因此對於容量較大(採三相電者)的工商用電來說功率因數的修正是相當重要的,電力公司也可依法加收無功功率(reactive power)費用來投資在電力系統的建設、營運與維護上。

因為現代工商業相當依賴電動機(馬達),例如:電力水源、交通設施、管線輸送、工商服務、空調甚至昇降設備等都能見其身影,因此多數屬於感抗特性。而無論電阻、感抗或容抗都是屬於線性負載,因此不會改變電壓與電流的波形而只會改變相位產生相位差。以下簡單介紹常見且具經濟效益的線性負載其功率因數修正解決方案。


電容器(capacitor)
如同上文第二段提及到現代工商業相當依賴電動機等感抗性器具與零件,因此造成電流落後電壓產生一定的相位差,此時靠近感抗負載並聯一定電容器容量就可以達到功率因數修正的效果。

雖然理想上要修正功率因數為1,但實務上考慮到電壓變動、諧波雜訊、空載損失甚至共振等可能導致系統不穩定的可能性,可設計多組電容器且搭配接觸器以多段控制容抗,而功率因數修正至0.8~0.9時已具相當的經濟效益。


同步電動機(synchronous condenser)
若該同步電動機無載且應用於功率因數修正用途者又稱為「同步調相機」或「同步電容器」。當同步電動機轉子的電流大於正常場激時即為過激(over-excitation),而過激的電樞電流超前電壓進而變成容抗特性,此時靠近感抗負載並聯也可以達到功率因數修正的效果,且額定容量比電容器更大而特別適合高壓用戶。


不過無論是搭配接觸器的電容器組或是同步電動機,其功率因數修正控制與操作過程將會花費一些時間(數百週波以上)且造成電壓一定程度變化,因此難以應付功率因數劇烈波動且對電壓敏感的高科技半導體設備負載,因此「半導體的問題就要用半導體來解決」而衍生出靜態無功功率補償裝置(static var compensator,SVC)與靜態同步補償裝置(static synchronous compensator,STATCOM)。

SVC利用閘流電晶體的導通與截止特性即時控制交流電的導通角度,再運用並聯電路控制電抗反應時間在2~3週波以內。而STATCOM則為一種電壓源換流器,可在電流與電壓產生相位差時,透過電容器放電提供電流即時補償達到功率因數修正的效果,因此除了反應時間更快可在1~2週波以內之外,對欠壓容忍度的電壓補償能力更強可低至標么值0.2~0.3。不過換流器專用的功率半導體成本因素而較為昂貴,因此兩者目前共存兼用,應依產業特性、負載特性、電力管理與法規等要求選擇適合的功率因數修正解決方案為宜。

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