在自動化系統中維持電力品質

先前，在 DigiKey 一篇有關低品質巿電細節的文章中，曾經提到六種電力品質問題 (包括電壓突波、斷電、頻率不穩定和雜訊)，而這些問題都源自於當地市電電網的波動。這些變動問題也可能源自於各個電力驅動式自動化設備的內部，進而讓問題變得更加複雜。幸運的是，目前已有許多元件能因應這類電力一致性的問題。這些電源供應器和其他電源元件能讓機器發揮最佳效能，同時避免機器對當地市電電網造成負面影響。

圖 1：PULS 的 CP 系列單相電源供應器安裝在工業自動化應用常用的 DIN 軌道上。特點包括對暫態和電力突波的高耐受性及較低的電磁幅射、DC-OK 繼電器觸點、20% 輸出功率儲備 (本文稍後會介紹)，以及最小湧入電流突波。此電源供應器經特殊塗層處理，也能執行有功功率因數校正或 PFC 功能。(圖片來源：EE World)

源自於設備內部的電力品質問題主要有兩種類型，即雜訊和諧波干擾。

電力中的電氣雜訊指的是高頻電壓變動。高頻是相對概念，但只要頻率高於系統 AC 頻率許多，即視為高頻。就時間域來看，AC 電流應呈現平滑的正弦波形。雜訊會使波形參差不齊。

機器的電源供應器中，總會有一些導線阻抗造成的雜訊。此類雜訊稱為熱雜訊，通常是可忽略的干擾。影響較大的是焊機和電動馬達等本地負載造成的潛在有害雜訊。此類元件和系統所產生的雜訊通常很難量化，而且最有可能導致受影響的設備子元件過熱、磨損，甚至是故障。

電力諧波係指在系統 AC 頻率之整數倍頻率下的電壓或電流干擾。這些干擾是由非線性負載所造成，例如整流器、電腦的電源供應器、日光燈照明及特定類型的變速電動馬達。電流諧波通常會大於電壓諧波，而且實際上通常會驅動後者。

圖 2：諧波波形是某些基本波形的整數倍頻率，可在電力系統中與基本波形相結合而造成問題。諧波通常源自於某些電力負載或機器的連接件內部。(圖片來源：Design World)

這些電力諧波由於其感應發熱的方式，會大幅降低電動馬達的效率，並縮短馬達壽命。也有可能在電動馬達的機械輸出中引起振動和扭力脈動，進而縮短馬達內建傳動子元件的壽命，特別是支撐軸心的軸承。

重要的電力系統參數

電源供應器有兩個重要規格，包括功率因素和維持時間。

功率因素是一種無量綱比值，用於描述 AC 系統中實際功率和視在功率的差異。視在功率為實際功率加上無功功率。無功功率則是從網路汲取、短暫儲存，然後在不消耗的情況下返回。這通常是由電感式或電容式負載造成，會導致電流和電壓異相。無功功率會增加配電系統的負載、降低電力品質，因此導致電費更高。

在理想狀況下，系統的功率因素值為 1，即表示系統沒有無功功率。功率因數低於 0.95 的設計，會增加配電系統上的負載，可能會產生無功功率的電費。

圖 3：此為 Traco Power 的 TML 100C 系列 85 至 100 W AC-DC 電源模組。有功功率因數校正 (PFC) 能確保功率因素高於 0.95 (在 230 V_AC 時) 及高於 0.99 (在 115 V_AC 時)。(圖片來源：Traco Power)

維持時間是指斷電後，電源供應器能在指定電壓下持續供電的時間長度。以不斷電系統 (UPS) 和發電機為例，這些備用電源類型可在斷電和暫時低壓期間，確保自動化設備持續運作。本文最後一節將提供更多細節，說明 UPS 必須在任何重大時段供應電力。然而，從巿電斷電到 UPS 開始輸送電力之間，會有一段長達 25 ms 的延遲，視 UPS 的設計而定。

電源供應器的維持時間能在這段空檔時間發揮作用，主要是利用儲存在電容中的電力。事實上，由於切換式電源供應器具有電壓更高的電容，因此，其維持時間通常比線性電源供應器更長。

因應機器引發之電力問題的其他特點

接地、隔離及濾波式電力轉換器可作為高品質電源供應器的基礎。

接地：正確接地是電源供應器正常運作的基本條件。接地可提供參考電壓 (這是測量其他所有電壓的基準) 以及電流返回的路徑。如需進一步瞭解此主題，請閱讀 DigiKey 的文章《接地故障之感測與保護須知》。

隔離：儘管非隔離式電源供應器的能源效率較高，尺寸也較小，不過輸入和輸出電壓之間若有隔離，即可在元件故障時避免危險電壓傳遞到輸出。為了保護操作人員免受危險電壓傷害，或保護設備不受暫態和驟升影響，也可能需要隔離。

隔離形式包括：

• 元件間物理性隔離
• 透過變壓器的電感式耦合 — 可改變電源系統電壓的電源轉換器
• 光學耦合 — 最適合在電源系統中的不同部分之間傳輸訊號，而且還能確保超高水準的隔離效果

圖 4：電源供應器經常作為電源轉換器使用，可用來 1) 改變 AC 電源的電壓或頻率，或 2) 以整流或其他方法將 AC 電力轉換成 DC。範例：Vicor Corp. 的 48 V 400 W AC-DC 脈衝頻率調變 (PFM) 轉換器內建濾波和暫態突波保護功能。唯須注意：Vicor 整合式配接器 (VIA) 轉換器僅接受經過外部整流的正弦 AC 電源，且功率因素由此模組維護。諧波符合 IEC 61000-3-2 標準，並具有內部濾波，可符合適用的突波和 EMI 要求。(圖片來源：Vicor Corp.)

電氣濾波器與突波抑制：突波抑制可避免暫態和驟升，保護電氣設備不受這些過電壓情況的影響。相較之下，電氣濾波器則能讓系統電壓達到平滑，以去除雜訊和諧波。若要進一步瞭解用於大型飛行器 (使用 400 Hz 電源) 的工業電源供應器濾波器，請閱讀 Digikey 的《電源供應器使用 400 Hz 電力操作》文章。或者考慮另一種電氣濾波器類型：LC 濾波器，特別常用於自動化設備中的使用點附近，藉此讓馬達驅動器更加完備。LC 濾波器是一種槽狀電路或諧振電路 (亦稱調諧電路)，其中配置有電感器 L 和電容器 C，以產生設定頻率的輸出。馬達用的 LC 濾波器通常會用於將驅動器的矩形 PWM 輸出電壓，轉換成平滑的正弦波且僅有低殘留漣波。其優點包括可避免高 dv/dt、過電壓、過熱及渦流損耗，藉此延長馬達壽命。

圖 5：Schaffner EMC Inc. 的 LC 正弦波濾波器，有助於馬達驅動器提供平滑的正弦波至其附掛的馬達繞組，且不會產生電壓峰值。此濾波器還可安裝較長的馬達纜線。(圖片來源：Schaffner EMC Inc.)

突波保護器可阻斷電流或使電流短路，或者結合突波阻斷和短路措施。

藉由阻斷提供突波保護：可使用電感抑制突發電流變化，藉此阻斷電流。不過，多數的突波保護器會在過電壓時短路，引導電流返回配電線路，然後透過此電路電線的電阻來耗散電流。

藉由短路提供突波保護：迅速短路 (電壓超過設定位準時觸發) 可藉由火花間隙、放電管或半導體元件達成。僅在少數情況下 (大突波或長時間突波)，突波才會導致突波保護器的電源線或內部元件融化。電容器也能抑制電壓突然變化。

突波保護器的重要規格包括箝位電壓、反應時間及能量額定值。箝位電壓亦稱允通電壓，即允許通過突波保護器的最大電壓。一般而言，120 V 裝置的箝位電壓為 220 V。能量額定值 (單位通常是焦爾) 是指突波保護器內的元件在燒壞且斷失效前可吸收的最大功率。

突波保護器失效後的結果，是一項經常被忽略但很重要的規格。如果突波超過保護器的能量額定值且內部子元件發生故障，此保護器將無法再提供突波保護。但這不表示電源會中斷：某些突波保護器會在失效後持續提供電源，例如專為保護伺服器或其他電子記憶體的一些保護器。若不能再提供突波保護，可能必須透過警示燈才能得知。其他突波保護器確實會在失效時將電源切斷或減少電力傳輸。

UPS 能讓重要應用中的發電機更加完備

UPS 和發電機可提供備用電力，確保在斷電和暫時低壓時持續運作。UPS 使用電池，而且通常經過特別設計，可提供數分鐘到數小時的電力。發電機使用引擎進行長時間發電，直到燃料耗盡為止。

UPS 則可在斷電時即時反應，確保電源供應不中斷。而發電機至少需要數秒鐘的啟動時間。對於需要持續供電的應用，必須將 UPS 和發電機相結合，以便在發電機啟動時供電。

圖 6：此款 24 V_DC 5 A 不斷電系統 (UPS) 安裝在 DIN 軌道上，滿載時可提供長達 25 分鐘的備用電力。(圖片來源：Phoenix Contact)

UPS 可在斷電時保護設備。離線型 UPS 或電壓和頻率相關型 UPS 最符合成本效益，但有兩大缺點：

• 在一般情況下，離線型 UPS 會讓電流直接經過電池傳送至輸出。當 UPS 電路偵測到斷電時，開關就會透過逆變器將電池連接至輸出。這表示，電力可能會中斷最長 25 ms。
• 此外，離線型 UPS 對突波和雜訊等其他電力品質問題的保護有限，甚至完全沒有提供保護。

相比之下，線性互動式或電壓無關型 (VI) UPS 的運作方式基本上與電壓和頻率相關型 UPS 相同，差別在於前者額外配置電壓穩定器，能改善一般操作下的電力輸出品質。電力中斷時，此類系統仍需要時間進行切換，但通常僅需 5 ms 左右，對多數電源供應器而言，這是可以接受的維持時間。

若想提供最大的保護，可以進一步採用更複雜的在線式 UPS，或稱電壓和頻率無關型 UPS。在 UPS 中，負載不直接與主電源連接，而一律取用系統電池的電力，電池則由主電源持續充電。主電源的 AC 電源轉換成電池電壓，然後整流成 DC，即可對電池充電。接著，電池的電力可逆變成 AC，再由另一個變壓器升壓至主電壓。這表示，供應器的電力品質問題不會對輸出造成影響，並可提供非常高水準的電力品質和保護。但這也會導致明顯較低的能效，以及較高的 UPS 前置成本。

除了最敏感和最關鍵的負載，離線式 UPS 搭配維持時間充裕的電源供應器仍是更好的選擇。

結論

為了避免低品質巿電、電子雜訊和諧波所產生的停機和維護成本，首先就要判定設計對電力品質的需求。這些需求會因機器的設計及功能而有明顯差異。然而，只要這些參數指定後，設計工程師就能正確挑選電源供應器及其搭配的濾波器、突波抑制、備用電源及電源調節功能。如此即可大幅提高自動化設備的可靠性。