節電的基本概念
騏成股份有限公司
一、節甚麼電？
如何節省電力已經受到世界各國政府與民間的重視並成為世界潮流，不過對於
所謂的節電常受到誤解。電力是以電功率為計算標準。以單相來說電功率與電
壓和電流的關係如下：
實功率(KW) P1 = V x I x Cosθ
虛功率(KVAR) Q1 = V x I x Sinθ
總功率(KVA) S1= V x I
Cosθ為所謂的功率因素(Power Factor)，θ為電流I 超前電壓V 的角度。
因為
Cosθ2 + Sinθ2 = 1
總功率2 = 實功率2 + 虛功率2
三相情形與單相雷同，只多一個√ 系數：
實功率(KW) P3 =√ V x I x Cosθ
虛功率(KVAR) Q3 =√ V x I x Sinθ
總功率(KVA) S3=√ V x I
電力公司所供應的電功率為總功率，而一般消費者所付的電費是以實功率乘以
時間計算，也就是千瓦時﹝KWH﹞。實功率為消費者實際消耗轉變成各種能量
的功率。電力公司發電成本是以總功率計算而回收的電費是以實功率計算。很
清楚的，如果消費者的設備能夠提高功率因素，則可以降低虛功率而減輕電力
公司總發電量。進年來世界各國對消費者虛功率的消耗漸趨重視並以各種規定
要求功率因素的提高。
在此我們強調功率因素的提高主要是為了降低虛功率由而降低總功率，主要的
是降低電力公司的發電成本，而對消費者的實功率並沒有直接的影響。對消費
者來說還是實功率的降低才是最重要。以馬達來說，對同樣的工作消耗越低的
實功率越好。
很明顯的：
1. 為了降低電力成本，電力公司要求消費者提高設備的功率因素。對消費者來
說因功率因素的提高而降低虛功率可以避免或減少因功率因素太低所受的
罰款。
2. 消費者為了降低電費，應設法提高設備的工作效率，也就是對同樣的工作盡
可能的降低實功率的消耗。
二、功率因數提高的簡便方法與其對實功率的可能影響
除了提高設備本身的功率因數，一般來說採用電容器為最簡便的提高功率因數
的方法。提高設備本身的功率因素常受到設備設計本身先天的限制。電感性阻
抗越小功率因素越高。就以馬達來說，低負載時電感性阻抗較高因而功率因素
較低，而負載越高電感性阻抗越低因而功率因素越高。不過在高負載時也不可
能完全除去電感性阻抗。事實上越降低電感性阻抗其成本的增加越大。
並聯電容器為最簡便而普遍被採用的提高功率因素的方法。不過以電容器提高
功率因素，並無法降低設備的實功率的消耗。
如前所列出的公式
實功率(KW) = V x I x Cosθ﹝功率因素﹞，
其中以電容器提高功率因素的結果是使電流降低但並不能降低實功率。市面上
常會以電容器冒稱為家電的省電器，並以當場顯示電流下降宣稱省電，實為對
消費者的誤導。如前所說，電容器的使用只是降低電流及虛功率但並不能降低
實功率，而實功率才是家庭用電的計費標準。
不過由於電流的降低也可以間接的降低電錶上的實功率。這主要的是因為電流
的降低而降低所謂的線耗。電線本身有電阻而電流流過電阻時電阻會發熱，其
發熱量與電阻及電流平方成正比。電線發熱就是電力的浪費。電阻與電線的長
度成正比。因此電錶與設備距離越遠線耗越大，而電流越小線耗越小。因此對
大電流而言，與電錶有相當距離的設備來說在其旁邊加裝電容器由於線耗的減
少而可以減少實功率的消耗。
坊間常常以電容器做為家庭用單相節電器，透過電視廣告和傳銷的方式行銷。
如上所說，電容器主要的是用來提高功率因數，降低虛功率，並無法降低實功
率。功率因數的提高相對的降低電容器之前的電流，因而降低了瓦時表與電容
器之間的電力線耗，對家庭用電來說以此方式節省用電對用以計算電費的實功
率實微不足道。推廣這類產品的商家常常以降低電流做為節電的佐證，並為詳
細說明是節省甚麼電：實功率或需功率，而家庭用電只以實功率計算電費，因
此讓家庭用戶有受騙的感覺，常與廠商發生爭執。奇怪的是這類產品在國內行
銷多年，卻不見專業人士或機構對這麼簡單的問題給與明確的說明，奇哉！
坊間所銷售的電容器常常是密封的，因此無法辨別是以電容器魚目混珠或者是
真正能夠節省實功率的節電器。
最簡單的辨別方法是看安裝的方法。如果是並聯，也就是把節電器插在插座
上，這種裝置就是電容器。如果是串聯，也就是把節電器串接在電源和電器設
備間，這種設備就不是電容器，而依設計的特性可能是可以節省實功率的節電
器。
三、實功率的節省
如第二節所述，以電容器加裝在設備之前可以降低設備與電錶間的線耗而降低
實功率以達到節省電費的目的。其線耗降低的多少端視設備與電錶間的距離，
電線電阻特性，及電流下降的多少而定。
對馬達來說，設法提高馬達效率可以更有效的達到節電的目的。Nola 於1977
年指出馬達實際所需電力往往比所消耗的電力低，也就是說馬達運轉時有部份
電力被浪費掉。負載越低所浪費的電力比例越大。以變壓器降低電壓或以SCR
控制電流都可以降低馬達電力的消耗。
用電設備不只是馬達控制的設備如機械設備、冷氣空調設備、冷凍冷藏設備
等。一般來說，用電設備可分為照明設備、電子設備、馬達設備。各類設備有
其用電特性。
1. 照明設備： 照明設備的設計以額定電壓為準，同時容許上下約10%的電
壓變化，也就是說電壓在比額定電壓高或低10%範圍內照明設備應該運作正
常，照明穩定，光度足夠要求。但照明設備有一通性：電壓高時用電量大而亮
度也高，電壓低時用電量低而亮度也低。就以日光燈來說，一支40W 額定電
壓的日光燈在不同電壓的用電如下：
電壓(V) 功率(W) 電流(AMP)
105 35.5 0.626
110 40.8 0.728
115 45.3 0.801
120 50.2 0.895
從上表可以看出電壓上升15V，用電量增加41%。因此降低電壓可以有效的節
省用電。
2. 電子設備：電子設備的電源電壓有最低限制，如果電源電壓低於最低電壓
則無法正常操作。
3. 馬達設備：馬達負載越低時浪費電力越大，因而節電的可能越大。在高負
載情況下如果強迫降低電壓，可能不但不能省電反而電流上升，耗電量增加，
甚至於電壓降低太多時因扭力不夠而使馬達停止運轉。
茲就不同設備的節電方法討論如下：
1. 照明設備：
如前所說，對照明設備來說，電壓高時用電量大而亮度也高，電壓低時用電量
低而亮度也低。所以對照明設備最有效的節電方式為降低電壓。但是電壓的降
低也降低了亮度。所幸一般照明設備的設計要求在下限電壓情況下其亮度還是
合乎要求，因此如果能夠維持輸入照明的電壓在容許亮度要求的下限，就可以
達到節電的效果。這是照明設備節電的基本觀念。有人說可以設計照明設備的
節電裝置節電達30~40%以上。他忽略了亮度的要求。如果只為了節省電力而
不在乎亮度的要求，則最簡單的方法為減少照明設備。
真正的照明設備節電裝置必需能夠節電而又能夠維持所需要的亮度。這樣的節
電裝置還可以附帶的延長照明設備的壽命。以日光燈的安定器來說，電壓升高
一伏特可使安定器溫度升高0.6 ℃，而溫度升高10 ℃可以縮短安定器的壽命
一半。所以把電壓維持在容許電壓的下限可以大幅延長照明設備的壽命。
不是所有照明設備都可以降壓節電，比如使用電子式安定器的日光燈就無法以
降壓來節電。
2. 電子設備：
電子設備有正常操作最低電壓的要求，同時用電不多，就算有節電的空間，所
能節省的電力不多，因此對電子設備的節電目前沒有探討的必要。
3. 馬達設備：
茲就坊間常用於馬達實功率節電方法做簡單的討論如下：
1) 以變壓器降低電壓：
過去以變壓器降低電壓以達到節電的目的曾經風行過一段時間。馬達扭力與電
壓平方成正比，因此低負載時可以降低電壓以達到節電的目的。而降低電壓最
簡單的就是利用變壓器。不過由於馬達負載不一，降低多少電壓才是最合適在
實際應用上有其困難。例如負載接近滿載時差不多沒有節電的空間，功率因數
已接近馬達額定值，如果強迫降壓，可能因為電壓太低而使電流上升，或因電
壓太低，扭力不夠而使馬達運轉不正常或停止。以變壓器強迫降壓控制馬達，
最大的問題就在於無法根據馬達的負載靈活的自動調整電壓降幅。
另外，變壓器除了本身隨著現場電源電壓調整輸出電壓不夠靈活外其製造成本
偏高，投資回收率不夠高。為了節省設備投資，往往把變壓器裝設於整個工廠、
辦公室或住家的電源。這樣的裝置常使需要穩定電源的電子設備因壓降太大而
無法正常運作，對不同負載的馬達設備更無法有效的做最有效的節電，而對照
明設備也無法有效的控制其亮度。
總的來說，以變壓器強迫降壓在實際應用上受到相當的局限。
2) 以矽控半導體降低電壓和電流：
前面所述實功率和電壓、電流及功率因素的關係如下：
實功率(KW) = V x I x Cosθ
如果可以降低電壓和電流而不影響馬達運轉同時維持功率因數Cosθ不做大幅
的變化，則可以使實功率降低而達到節電的目的。Nola 於1977 年提出這個構
想並以當時的類比電子科技提出設計芻議。其主要步驟是首先感測功率因數以
得到負載高低的資訊。根據負載高低關閉電源正弦波的部份而降低電流和電
壓。負載越低功率因數越低，電流和電壓降低容許度越大而正弦波關閉角度可
以越大。當然正弦波關閉角度太大，將使馬達扭力不夠而使馬達運轉不正常或
停止運轉。
如何感測負載並自動調整正弦波關閉角度的大小為Nola 構想如何實際應用的
關鍵科技。DIGITEK 科技在這方面的研發上得到關鍵性的突破而使馬達節電
科技往前推進一大步。
此一科技不但有效降低實功率也附帶的降低虛功率。從前面所提虛功率與電
壓、電流及功率因素的關係如下：
虛功率(KVAR) = V x I x Sinθ
從上式可以看出電壓、電流或Sinθ的降低都可以使虛功率降低。Sinθ的降低也
就是功率因素﹝Cosθ﹞的提高。正弦波的部份關閉可以降低電壓和電流。因此
實功率的降低也附帶的使虛功率降低。正弦波的部份關閉也常常使功率因素
﹝Cosθ﹞微幅上升，它的結果是使實功率上升而虛功率下降。因此實功率和虛
功率的變化要看電壓、電流和功率因素的綜合變化。
矽控半導體也可以用於柔起動、柔停止、過載保護、電壓過高和電壓過低保護
等，因此利用矽控半導體控制電力，不但有效的節省電力，更可以設計出具有
節電、柔起動、柔停止、過載保護、電壓過高和過低保護等多功能的馬達控制
器。對三相馬達更可以提供缺相保護功能。
馬達多功能綜合控制器可以針對各種特殊用途做不同特性的設計。對大型空壓
機，除了打氣時依空壓機的設計而做可能的節電外，間歇性洩壓時間夠長時可
以讓馬達完全停止，儲氣槽壓力不夠時再以柔起動起動馬達，恢復打氣。以柔
起動起動馬達可以避免過高的起動電流。高起動電流會影響周圍電網品質，如
果不用柔起動，則較大馬達不宜起動頻繁。很多帶動輸送帶的馬達大部分在輕
載狀況下運轉，只有偶爾會遇到較大負載，因此輕載時有較大的節電空間。其
它如塑膠射出機，每一射出的周期有輕載和重載，重載時無法省電，但輕載時
有較大的節電空間。設計良好，操作正常的塑膠射出機可以有10~15%的節電
空間。油井的抽油馬達，依抽油設備的不同，可以得到不同的節電效果，一般
來講，可以達到5~15%之間。雖然節電百分比不見得都很高，但油井抽油馬達
一天24 小時整年不休的運轉，總節電量相當可觀。
以矽控半導體控制電力除了可以對馬達提供有效的節電效果，更可以用來有效
節省照明設備的用電。如前所說，照明設備的用電量電壓高時較大，而電壓低
時較小。以額定電壓為110 伏特來說，一支日光燈在電壓120 伏特時的用電量
可以高於105 伏特時的40%。如果能夠維持電壓在日光燈正常運作也就是照明
穩定照明足夠的下限電壓，則在電源電壓在額定電壓之上時可以得以相當的節
電效果。電壓的降低不但可以省電，更可以延長照明設備的壽命，降低維修費
用。
3) 以變頻器降低馬達速度以降低實功率的消耗
變頻器主要的用來控制馬達的轉速，控制所帶動機械的動作快慢。例如電梯開
始升降或停止時改變馬達速度使電梯慢慢加速或減速，減少突然啟動或停止對
乘客造成的不適感覺。又如紡紗機器，為必免馬達起動時所造成的太大拉力，
可以用變頻器讓馬達慢慢起動。以變頻器控制馬達速度為變頻器原始目的。能
源問題受到重視後變頻器的應用也逐漸朝節電方面發展。
馬達的速度與電源的頻率成正比，變頻器的主要功能在於改變電源的頻率而改
變馬達的轉速，因此頻率越低馬達轉速越低，而馬達的耗電又與轉速成正比，
因此在很多馬達的應用上可以用變頻器改變馬達的轉速，以達到節電的目的。
例如，一個大飯店，傍晚用水量最大，白天用水量很小；用水量很大時馬達以
快速打水上樓頂水塔，而用水量少時則慢速打水，如此一來不但可以縮小水塔
的容積，而用水量小時馬達可以慢速轉動打水，節省耗電。化工廠有很多液體
輸送管。傳統的流量控制由閥門控制。如去掉閥門，以變頻器控制幫浦馬達的
速度，則不但可以效的控制流量，更可以達到節電的效果。
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