音響理論基礎入門 - 交流電源與RPS
交流電源與RPS NO.1陳運雙
近十年來臺灣經濟快速發展及生活品質的高度提昇，工業用電及民生用電大幅成長。為電合供電品質，必須在適當地點大量增設發電廠及輸變電設備。 但由於環保意識的高漲及泛政治化的結果，發變電廠所用地難覓，使電力公司對提高供電品質的計劃無法按期推展。爾來供電品質更亮起了紅燈，尤其炎夏尖峰用電時刻，幾乎已經面臨隨時限電的危機，在電力調度已百般困難之際，焉能兼顧供電品質。
為提高產品品質或工作效率，大多數工廠或辦公室之機器設備，已採用動化設施。這些自動化設備，絕大多數係採用靜態控制元件（SCR），操作運轉之際將產生大量諧波注入電力系統，影響鄰近地區用戶之供電品質。此外，臺灣地區迄今未制定「高諧波干擾管制辦法」，以致無法針對產生高諧波干擾之業主予以強制取締，使得交流電品質每況愈下，以致許多金耳族經常抱怨其昂貴音響器材能發出好聲的時間愈來愈短，通常只有在深夜才能聽到美妙的音樂。基於上述原因，近來市面上許多交流電源穩壓器，濾波器及隔離變壓等補救器材因應而生，儼然成為音響界的熱門話題。
替交流電源把脈
有鑑於此，筆者根據多年研究電力與電磁原理的心得，歷得各種實驗，設計成RPS NO.1電源處理器。設計初衷原本是業餘創作自娛之物，卻意外獲得音響同好們的喜愛，復蒙Desiger Audio公司選為創業面市的第一部產品，上市之後再次獲得劉總編的肯定，並囑為文介紹PRS NO.1的設計原理。由於PRSNO.1的設計理念係針對交流電的工作原理，傳輸特性及電力系統負載特性所引起的缺陷提供補救拱施。為方便大多數非理工科讀者閱讀起見，本文擬先概述基本電工原理及其相關術語，接著再述說交流電源品質劣化的原因，最後介紹PRS NO.1對交流電源的整治方法。換言之，本文要先替交流電源把脈，查出病因，再提出根治的藥方，筆者認為唯有如此才能對症下藥，避免濫用廣效抗生素導致不必要的副作用。
直流電與交流電的特性：
所謂「直流」電，就是方向不變的電流。在直流電路中，其極性不變，電子永遠依一個方向，由負向正作等量的流動。所謂「交流」，就是方向常在變換的電流。在交流電路中，電源的極性常在變動。在此瞬間為負極者，稍後就變為負極；在此瞬間為負極者，稍後就變為正極。交流電路中之電流不但經常變換方向，而且其電流之量也時時在變。即由零點沿一定方向（正極）漸漸增加至最大值，然後逐漸下降至零點，再繼續往另一方向（負極）遞增至最大值，然後返回至零點。圖一所示即為交流電壓或電流之「波形」，稱為「正弦波」，橫軸代表時間，縱軸代表電壓或電流之幅度。此波形有一半在橫軸之上（稱為正交變或正半週），一半在橫軸之下（稱為負交變或負半週），交流電壓（流）每秒所生的週數叫做「頻率」，其單位為「赫茲」（Hertz簡寫Hz），電力公司送往用戶之交流電，其頻率為60Hz，即每秒有60週。圖二所示，完成一週（0°～360°）所需的時間稱為「週期」（Period），故60Hz每週佔1/60，其週期即為1/60秒。交流電優於交流電之處，在於我們可以很容易的利用變壓器將電壓升高或降低，以適應各種需要。雖然有些電器設備可直接使用交流電源，但某些設備則非用直流不可，例如蓄電池之充電、電鍍及電子電路的電源，均需採用直流電源。音響設備屬於電子電路之應用產品，因此必須使直流電。採用直流電源的設備，除了輕便攜帶式或耗電量較小者採用電池外，其餘均利用變壓器，先將交流電壓升高或降低至適當的電壓，再經整流與濾波而得直流電源。較高級或精密的電子設備，為了獲得更穩定與純淨的直流電源，會再經穩壓與電子濾波電路處理。但無論如何，交流電源的品質壞將直接影響整流後交流電源品質，進而影響電子設備的性能。
正弦波有二點重要特性，若不合乎下列二項原理則即非正弦波。
一、單一頻率。若數個不同頻率的正弦波合併，其合成波形就不再為正弦波。
二、正負兩半週互為鏡中之影像，兩半週的起落變化速率完全相同。交流電的三要素
（一）、頻率
有關頻率的定義，前面已經討論過，頻率若不準，將導致控制電路的失常。例如，同步馬達的轉速依頻率而變，頻率高則轉速變快；頻率低則轉速變慢。又許多控制電路之時間常數係依頻率而變，頻率高則時間縮短，頻率低則動作時間延長，因此，頻率不準將導致控制電路異常。
（二）、電壓
通常我們說某交流電壓為若干伏特或某交流電流為若干安培，都是指「有效值」（Effective value）而言。在交流中，有無數的瞬時值，電流和電壓都隨時在變，為了能將交流的效果與直流的效果相比較，我們找到一值，經試驗結果（負載為純電阻），其所產生的熱（功率）與等值的直流電相等，此值稱為「有效值」，又稱為「均方根值」（Root Mean Square，簡稱RMS）。
若將電熱爐接到110V交流電壓，其發熱量與接到110V直流電壓所發之熱量完全相等，此時直流電路與交流電路之電力表示公式均為P=I2RI，R為電阻R所消耗的電力，E及I稱為交流電壓／電流之有效值或直流電之電壓／電流值。
（三）、相位
兩種不同直流電源，若欲併聯使用，只需調整兩者之電壓一致即可。但交流電則複雜得多，必須先調電壓及頻率一致，然後再調整相位，使趨於一致（通常在相角差在±5度以內）才能併聯（稱為同步併聯），否則將導致電震等嚴重災害。
所謂「相位」，即是交流電壓（或電流）的時間關係，可能指電壓與電流之間的時間關係，可能指此一電壓與彼一電壓的時間關係，也可能指此一電壓與彼一電流的時間關係。換句話說，當電壓（或電流）彼此的波形變化之步調一致時，我們稱之為同相。亦即兩波同時開始，同時到達最大值，且同時通過零點，同時完成正半週與負半週。在直流電路中，電流與電壓同時發生，步調永遠一致，因此我們用不著注意其時間關係，故無「相位」可言，所以直流電路的電力為電壓（E）和電流（I）的乘積，只有單純的「有效電力」而已。但在交流電路中情況就不同了，除了此電壓與彼電壓，或此電流與彼電流之間步調有差異外，即使是同得一致，當兩者步調完全一致時，我們稱之為「同相」（in phase），反之則稱之為「異相」（out of phase），或說它們之間有「相位差」。相位差是用角度表示，所以又稱為「相角」。
由電力公司各發電廠送出來的交流電係60Hz正弦波，且電流與電壓均為同步的理想交流電源，但由於輸電線的電容、電感效應及負載的特性，而導致電流與電壓之間有相位差存在。若電容抗大於電感抗，則電流相位將導前於電壓相位，反之則電流相位將落後電壓相位。
因此實際應用時，交流電力公式之表示應該為P=E×I×cosinθ（θ為相位角），cosineθ即為電路中的「功率因數」，當θ為0°時，則cosine 0°=1，即θ為90°時，則cosine 90°=0，即P=E×I×0=0，由此可知，電流與電壓必須步調一致（同相）才能同心協力以盡全功。若電流與電壓有相位差存在，則必定會損失一部份電力，所喪失的能量就稱為「無效電力」，相角差愈大，無效電力亦愈大，功率因數就愈差。
由此可知，交流電力的計算，必須同時兼顧電壓、電流、電壓／電流之間的相位差，以及電力系統的負載特性。由表一可以很清楚看出彼此之間的「相量」關係。
P：有效電力
Q：無效電力
R：電阻元件，消耗有效電力
L：電感元件，消耗無效電力
C：電容元件，產生無效電力
電力的傳輸與控制
臺灣現有電力系統，北、中、南部都有大型發電廠，但北部用電需求遠大於其它地區，且北部發電量不足，因此所需電力無法完全由北部電廠供給，其不足之電力須從其他地區支援，形成南電北送的情況。這種情況除了增加輸電損失外，大量的「電力潮流」也易引起系統低頻振盪的現象。
電力的傳輸特性猶如海洋、江河等之潮流變化，受季節轉移、日月萬有引力或潮汐溫差的影響；又如交通流量的變化，魚貫而行的車隊忽快忽慢，我們稱之為車潮，車潮的變化與隨道路狀況與交通管制的情形有密切的關係。車潮的疏導，可藉高速公路、快速道路、高架橋、紅綠燈號誌及臨時調撥車道等措施為之。電力的傳輸與調度也是如此，必須在呇適當地點設立發電廠、高、低壓變電所，以及在超高壓變電所裝設並聯電感等；
一、二次變電所裝設靜態電容器（SC）等，以配合無效電力情況調度使用。由表一可看出大部份負載不僅消耗有效功率，也需無效功率，因此兩者都要由電力公司提供。電力公司通常都是利用自動發電控制（AGC，Automatic Generation Control）來調度有效電力，以維持頻率的穩定，使發電量和負載維持平衡。但對於無效電力的控制則不然，必須同時利用多種方法，例如：
（一）調整發電機的激磁電流。
（二）調整發電廠升壓變壓器的分接頭。
（三）調整超高壓變電所併聯電感器。
（四）調整一、二次變電所靜態電容器。
雖然有上述各種方法可供應用，但比較起來，無效電力較有效電力難控制的多，其原因歸納如下：
（一）無效電力比有效電力更具非線性，也就是變化多端，無一定的形態與模型等規則可循，因此檢知，分析與監控有困難，故其調整控制的靈敏度遠低於有效電力之控制。
（二）無效電力之傳輸性較差，因此無效電力控制裝置須散佈於全系統。在發電廠、變電所興建受阻的情況下，電力公司擬依實際需要在最適當地點裝設無效電力控制裝置百般困難。
（三）電壓大幅偏高所能容忍之間時要求極短，且系統加入更多的電壓及無效電力控制裝置後，將導致模型化處理及電腦分析變得更困難。
電力系統受干擾的因素
交流電源的干擾現象大致可分為電暫態（瞬時壓降）與高諧波兩大類，引起電暫態的原因包括：
（一）雷電交流、
（二）開關突破、
（三）短路或接地事故、
（四）工廠內大電力馬達、電焊機及電氣體爐等啟閉所引起的突波、
（五）大樓昇降梯、空調機啟閉所引起之突波。
引起高諧波的原因包括：
（一）變壓器過激磁造成鐵心飽和，形成畸變波，
（二）煉鋼廠電弧爐熔解時將引起大量的諧波，
（三）大型開流體應用機器，例如：換流器（Inverter）、馬達調速器、電爐控溫器、調光器、電磁爐、微波爐等。上述困擾因素，日常生活中隨處可見，對供電品質的影響非常大，輕者影響音質或映像，重者將傷及電器設備或縮短電氣設備之使用壽命，其影響程度與下列因素有關：
（一）干擾源（設備）的容量愈大，所引起的突波電流或電流亦愈大，對鄰近用戶之干擾程度愈嚴重。
（二）距離干擾源愈近，受干擾影響愈嚴重，反之前干擾愈小。
（三）愈往輸電線路末端，受高諧波干擾的機率與成份愈大。
（四）輸電線路線徑愈細或線路較長時，由於電源阻抗增加，供電系統的高諧波電壓將升高，其干擾亦變得較嚴重。
當正弦波交流電源受到高諧波干擾時，供電壓及電流波形將受影響而變形（諧波失真），這種變形後的波形稱為畸變波（Distorted Wave）。任何畸變波均含有高諧波成份，經仔細分析，這些畸變波均由許多不同頻率的正弦波相加而成，（a）的波形曲線係由基本波（b）與（c）（d）正弦波之混合波形。（c）（d）即代表干擾波，實際上之干擾波形則更複雜，其混合波形對電氣設備的影響或危害將更嚴重。
