解決壓降的新選擇 - 淺談動態壓降校正器

前言

對於電力網路高度發展的區域而言，斷電已經不是廠房需要面對的主要困擾，電壓驟降反而是難以預防卻又經常發生的問題。由於業界累積已久的習慣，通常使用UPS作為備援電力和抗壓降等電力品質的保護設備，但看似完美無缺的UPS卻有著電池所帶來的高額維修成本，平時運轉也需要空調冷卻和擺設電池組的空間，著實成為藏在UPS優點之下的痛處。本篇文章是以考慮產線設備的特性，以對於斷電或對壓降敏感等不同的需求，合理各自搭配UPS以及單純防範電壓驟降的設備來探討更具效率及經濟性的配置，並參考國外其他電子廠或競爭對手使用的狀況，以作為建廠或現地改良的新思考方向。

為什麼需要DySC

電力系統上的任一線路發生自然意外或人為疏失時，電力網路上的用戶都會受到不同深淺幅度壓降的影響。

表一、表二 取自台灣新竹科學園區某電子廠2002-2011年度的電力品質事件統計數據，可以看到累計十年的紀錄中僅有一次停電，但壓降次數卻高達166次，可以瞭解在台灣這樣供電穩定，電力系統高度網狀發展的地區，電力品質的問題是來自於壓降而並非來自於斷電。

為了確保產線的穩定性和解決電力品質的問題，以往多採用UPS作為全方面的解決方案，不僅能夠防範壓降還能依容量提供備援電力，但看似完善的選擇卻承受UPS電池所帶來的缺點，初設時需要考慮電池擺放的空間，長期運轉時更有電池組固定維護的費用和冷卻通風的空調成本。

目前市面上也逐漸出現專門用於防範壓降的設備，以美國Softswitching公司生產的DySC (DynamicSagCorrector，動態壓降校正器) 為例，就是一種不需要電池組，針對突發性壓降的設備，相較於UPS，由於沒有電池，因此有體積小的優點，不論在新建或是現地改善的應用上，都擁有較高的靈活性，長期操作也可以節省電池維護與空調的成本，適合應用在台灣這樣供電穩定的地區，如果能夠針對產線的特性，個別對壓降及備援電力的需求搭配DySC與UPS，相信會是產線穩定性與運轉成本的平衡點。

什麼是DySC

以下圖說明DySC的運作原理，DySC的配置與離線式UPS十分近似，所以在沒有壓降發生的時候，DySC可視為線路，電流直接經過靜態開關對負載供電，沒有交直流二次轉換的能量耗損，因此效能可優於UPS達到約99%，當市電電壓低於正常值的88%時，DySC需要約2ms的反應時間將電流線路從靜態開關切換至變頻器並補償壓降，待市電壓降回復後，重新切換回復正常狀態的模式。

DySC補償壓降的方式主要是應用IGBT變頻器與三階段的防護技術，第一及第二階段可在不使用機載電解電容的能量下，從電網上擷取額外的電流或從其他相補充欠缺的電壓，使輸出波形回復至準確的正弦波，當電力系統發生二相或三相100%的壓降故障時(殘餘電壓0%)，第三階段的技術可釋放機載式電解電容所儲存的能量將系統輸出補償至正常的狀態，與UPS相較，DySC必須在仍然有市電供應的情況下才能正常運作，並不具備UPS在市電瞬斷或斷電時仍能補償電壓及提供備援電力的功能。

DySC的選擇從單相250VA到三相2MVA, 可以根據需求提供設備的控制迴路到整組設備甚至整條產線的壓降保護。

以台積的電力系統配置而言，自22.8kV以下主要分為480V以及208V/120V的系統，以集中式的規劃來說，MEGA系列的產品就相當適合安裝在22.8kV轉480V的變壓器低壓側，用以保護下游整個製程，可在建廠初期將對電壓敏感度高的設備和不能忍受斷電的設備分別合理配置DySC以及UPS，就能夠減少保護設備和電池所延伸出的保養成本和空間的浪費，甚至能夠降低空調運轉的成本，以Samsung位於南韓及美國的廠房來說，採用Mega DySC為產線提供全面性防護的安裝容量就已經超過30MVA，另外Infineon在馬來西亞的廠區也於去年安裝20台Mega等級的DySC，顯示同類型的電子廠以及競爭對手為了降低操作成本，已經逐漸更新壓降防護設備的使用概念。

DySC也適合應用在現地改善的用途，既設廠房常因為產線設備已經完成配置而難以移動，在增加設備時常會因為空間有限，沒有合適的放置地點而需要複雜的接線工程導致安裝的困難，DySC除了集中式規劃的方式外，PRO與MINI系列能夠因應容量以單機式或壁掛式的設備，提供分散規劃的選擇，以PRO系列來說，就可用於單一機台或獨立線路上多台機組的壓降防護。

除了三相用電的壓降防護外，DySC也有專門用於單相電的MINI系列，適合應用在控制迴路的保護，以馬達類的設備為例，由於旋轉慣性，突發性壓降並不會讓馬達馬上停止，造成設備跳脫的原因主要是因為控制迴路沒有辦法承受壓降，而MINI系列就適合用於控制迴路的保護。

DySC的壓降保護可分為標準型(SR)及延長型(ER)兩種，標準型可視壓降的程度與持續時間提供50ms-5000ms的防護區域，延長型則可支援200ms-5000ms的保護時間， 圖六以MEGA及PRO系列的保護範圍說明壓降程度與相數與壓降保護時間的相互關係。

保護區(1):

三相壓降保護區域，當三相壓降50%(剩餘電壓50%)，DySC可有5000ms的保護時間，當三相壓降100%(剩餘電壓0%)，標準型的DySC可提供50ms的保護時間。

保護區(1+2):

二相壓降保護區域，當二相壓降70%(剩餘電壓30%)，DySC可有5000ms的保護時間，當二相壓降100%(剩餘電壓0%)，標準型的DySC可提供50ms的保護時間。

保護區(1+2+3):

單相壓降保護區域，提供5000ms的全區壓降保護時間。

針對突發性壓降的防護，DySC具備以下優點:

節能

DySC的配置近似於離線式的UPS，在正常的運轉狀態下(市電無壓降發生時)，DySC可視為導線，由於沒有交直流二次轉換的能量損失，效能達99%,也能節省冷卻通風的空調的費用，能降低設備的操作成本。

低維修需求與成本

DySC除了風扇並無任何其他機械轉動件，幾乎沒有維修與庫存零件的需求或購買昂貴的的監控軟體。

反應與校正時間

2ms內完成偵測及校正壓降，能夠保護高敏感度半導體設備(如RF Generator)的壓降防護裝置。

環保

運轉不會產生震動及噪音，沒有電池散熱及排放化學氣體的問題，因此不需要強化地板及空調等輔助設施和擔心有毒廢棄物的處理。

DySC與UPS最根本的不同在於沒有電池組，所以DySC只能防護突發性壓降，無法像UPS提供備援電力以及濾波穩流等全方面性的保護，以壓降防護的時間來說，DySC也有其極限，可提供5000ms的最大保護範圍，同時也因為不使用電池，所以設備在市電斷電時並不能像UPS使用電池電力持續防護等功能，之所以使用UPS作為比較對象，是因為UPS也具備抗壓降的功能與業界承襲已久的使用習慣，UPS有其存在的必要性，而像DySC這樣針對特定問題的防護設備只是提供一個新的思考方向，重點在於怎麼靈活搭配設備的特性做出最具效益的配置和活用UPS與DySC這類型的產品，使系統能夠兼具穩定性與長久操作的經濟性。

DySC及UPS優缺點比較

使用UPS與DySC比較的原因是因為目前業界承襲已久的習慣和抗壓降也是UPS的功能之一，承前所述，DySC是專門針對突發性壓降的防護設備，並不具備UPS其他部分的功能，下表以UPS為比較基準來顯示產品間的差異性，也藉此說明釐清DySC為用於防護壓降的選擇，並非全面性替代UPS的設備。

透過上表可以歸納UPS具備穩壓(壓降及過電壓)，濾波整流以及提供備援電力等多項優點，而DySC僅具備防範壓降的功能，在防護時間上也受到限制，主要是因為DySC不是利用電池組儲備的電力來補償壓降，但也因為沒有二次轉換與偵測切換的時間，DySC擁有優於UPS的反應速度，能夠達到半導體精密設備的敏感需求，同時也節省了電池擺放的空間和平時冷卻通風的空調成本，雖然DySC的初設成本略高，但考慮UPS兩到三年一期的維修合約，DySC的綜合成本屆時將會低於UPS，長期的操作成本更遠優於UPS，反映出DySC與UPS不同的適用範圍，UPS適合使用在供電環境或供電品質不穩定的地方，而在電網高度發展，供電穩定的地區，DySC則能提供足夠的保護及節省相當的操作成本。

結論

DySC並不是用來替代UPS的產品，在供電不穩或電力品質有問題的區域，UPS有其存在的必要性，但以台灣地區而言，由於電力網路的高度發展，已非常罕見發生停電，大部分電力品質的問題來自於非斷電的狀況，而突發性壓降佔其中的絕大多數，雖然UPS能夠提供全方位的保護方案，但其電池組所帶來的問題與高額維護費用始終為人詬病，令人不得不思考為了鮮少發生的事故，是否還需要投資操作成本如此高額的設備，反觀DySC等專門針對壓降防護的產品，雖然僅具備UPS其中的一項功能，但在長期運轉上，能夠節省可觀的成本，且近年環保意識的抬頭，耗能已經不是單純的成本考量，更牽扯到排碳量以及其他污染等重大議題，因此端視產線設備的特性合理搭配DySC或UPS，使產線兼顧穩定性與經濟性的靈活配置已經成為未來的趨勢。