專利名稱：在交流應(yīng)用中使用極化裝置的方法及電路的制作方法
本說明書要求申請?zhí)枮?0/174,433的(名稱為“交流應(yīng)用中使用極性裝置的方法及電路”，于2000年1月4日申請)的臨時(shí)申請和申請?zhí)枮?-/--，--的美國專利申請(2000年11月9日申請)的利益。
在暫態(tài)狀態(tài)期間，網(wǎng)絡(luò)效率隨著功率因數(shù)的改善而增加。串聯(lián)電容器的暫態(tài)應(yīng)用包含電壓涌浪保護(hù)、馬達(dá)啟動(dòng)、電流限制、切換操作等。串聯(lián)電容器可以緩和交流網(wǎng)絡(luò)故障及其它暫態(tài)狀態(tài)的效應(yīng)。例如，由于馬達(dá)啟動(dòng)、變壓器啟動(dòng)以及故障電流，低功率因數(shù)暫態(tài)電流與磁沖擊(inrush)電流相關(guān)。在這些暫態(tài)狀態(tài)期間，串聯(lián)電容改善總功率因數(shù)和網(wǎng)絡(luò)電壓調(diào)節(jié)。由于電容器的串聯(lián)阻抗，串聯(lián)電容器組也表現(xiàn)出了電流限程度。這減少了故障電流，由此減少了對發(fā)電機(jī)、變壓器、切換傳動(dòng)裝置、匯流排和輸電線路尺寸的要求。與故障串聯(lián)的電容器充當(dāng)電流限制裝置。由電感器和電容器(LC電路)組成的調(diào)諧電路用于濾波。通過故意使電容器組短路，高感應(yīng)串聯(lián)的型式就可以極大地增加網(wǎng)絡(luò)故障阻抗。串聯(lián)的電容器組通常耦合至變壓器。和瞬間電流改變相反的變壓器與和瞬間電壓改變相反的電容器結(jié)合。由于串聯(lián)電容器組的使用增加的結(jié)果，這些特征導(dǎo)致更大的瞬間網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定性。次級(jí)效應(yīng)包括電壓涌浪保護(hù)、需求因數(shù)改進(jìn)和電壓調(diào)節(jié)。瞬間功率傳送效率可以通過正確使用電容器而改進(jìn)。雖然很多這些串聯(lián)電容器的優(yōu)點(diǎn)是眾人皆知的并在實(shí)驗(yàn)室得到了證明，但單位成本和尺寸需求已阻礙它們的普遍實(shí)施。
通過并入電容器也可以改善交流網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)的特性。高電容、串聯(lián)應(yīng)用改進(jìn)電容器的低穩(wěn)態(tài)交流電壓。電傳送裝置與串聯(lián)電容器組一起使用時(shí)這比較有用。電波的失真隨著電容的增加而類似地減少。穩(wěn)態(tài)串聯(lián)電容器應(yīng)用包括馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)、濾波、功率因數(shù)校正、有效功率傳送、電壓升壓等。通過給感應(yīng)發(fā)電機(jī)和感應(yīng)馬達(dá)提供所需要的磁化[VAR]，串聯(lián)電容器組允許感應(yīng)發(fā)電機(jī)給感應(yīng)馬達(dá)供電。這也能夠改善電力品質(zhì)，并減少電柵極替代源、緊急電力供應(yīng)、移動(dòng)裝備與便攜式發(fā)電機(jī)的成本。通過串聯(lián)電容耦合可以緩和與在線上提供給同步操作的額外產(chǎn)生容量關(guān)聯(lián)的機(jī)械應(yīng)力。
兩種主要的電容器為極性電容器和非極性電容器。每一種電容器有很多實(shí)現(xiàn)方式。由于它們的單向、向前偏壓需求，極化電容器大部分使用在直流和小交流信號(hào)的應(yīng)用。極性電容器廣泛使用于直流濾波應(yīng)用，例如直流電源的輸出級(jí)?？陕狀l率(音樂)放大器使用直流偏壓極性電容器，以耦合信號(hào)。相反地，非極性電容器通常用于直流和一般交流應(yīng)用的兩種應(yīng)用中。然而不幸的是，由于尺寸、電容、重量、效率、能量密度以及成本的限制，非極性電容器——特別是串聯(lián)應(yīng)用——不大適合于很多交流和直流用途。使用尺寸過小的非極性電容器組導(dǎo)致在電容器上較大的電壓降和顯著的電流波形失真，這造成了能量損失，并且在交流負(fù)載上交流電壓調(diào)節(jié)較差。
相反地，與非極性電容器相比，極化電容器及其它的極化電荷儲(chǔ)存(PEC)裝置每單位電容的成本低，且質(zhì)量和尺寸較小。這些特征對于它們在非極化電容器上使用比較有利。在功率頻率上它們也具有相對較低的串聯(lián)交流電阻。然而，相對于它們的正和負(fù)極而言，它們只能以正的“前向”電壓進(jìn)行有效操作。任何大的反向電壓都能夠促使電容器短路，這通常導(dǎo)致類似于手榴彈的爆炸。實(shí)際上，就固體鉭電容器而言，這種短路故障模式包括自發(fā)性燃燒。于是，在大多數(shù)情況下，極化電容器尚未能用于一般交流應(yīng)用。


圖1是一極化鋁電解質(zhì)電容器的正常操作以及過電壓和反向偏壓電壓模式的電路操作模型。模型由串聯(lián)電感器101、串聯(lián)電阻器102、并聯(lián)電阻器103、齊納二極管104和極化電容器105組成。齊納二極管104模擬當(dāng)施加的電壓超過1.5伏特的反向偏壓電壓或超越電容器額定工作直流電壓(WVDC)約50伏特的正向偏壓時(shí)所呈現(xiàn)的正向和反向短路狀態(tài)。電感器101適合于模擬電容器的自共振頻率。串聯(lián)電容器102模擬在電容器操作時(shí)所測量的(小，毫歐姆)等效串聯(lián)電阻(ESR)。并聯(lián)電容器103模擬在電容器直流漏電電流現(xiàn)象時(shí)所測量的(大，百萬歐姆)等效并聯(lián)電阻(ESR)。在低頻操作中，在裝置工作電壓狀態(tài)內(nèi)的正向偏壓電壓允許信號(hào)電流通過定向電容器105。反向偏壓狀態(tài)將導(dǎo)致通過二極管104短路。
電容器可以在零伏特和額定工作直流電壓之間適當(dāng)?shù)剡B續(xù)操作。額定正向偏壓涌浪電壓的約達(dá)1.5伏特直流的反向偏壓電壓確定了電容器的適當(dāng)暫態(tài)使用的外部限制。在此更寬的電壓包線外部的電容器操作將導(dǎo)致短路狀態(tài)。通常有一第三、更高的脈沖電壓參數(shù)。電容器上的過多的正向電壓將導(dǎo)致通過齊納二極管104的反向電流。這種電特性是通過將齊納二極管104并聯(lián)但與極性電容器校準(zhǔn)為相反極性而示意性地模擬。在任一方向上通過二極管104的短路，允許過多的電流、最終導(dǎo)致電容器故障的熱累積。這是單一極化電容器在正常交流操作時(shí)失敗的原因。
圖2描述了簡單電路的實(shí)例250，其顯示了一直流偏壓極化電容器較小的交流信號(hào)耦合應(yīng)用中的典型的已有技術(shù)的使用。這個(gè)電路通常充當(dāng)大學(xué)生的類比電子實(shí)驗(yàn)習(xí)題，且使用于多級(jí)放大器中。電路250包含一疊加于直流偏壓電壓源260上的交流信號(hào)源255，這是實(shí)驗(yàn)室電源之容量。交流信號(hào)耦合至負(fù)載266，而直流偏壓電壓受阻隔且對極化電容器262進(jìn)行正向偏壓。電容器與直流偏壓電壓選擇為使疊加的交流和直流電壓總是在正確的電壓窗內(nèi)。交流源輸出部分引導(dǎo)整個(gè)直流電源的輸出，反之亦然。當(dāng)交流信號(hào)的大小相對于電容器額定直流工作電壓而增加時(shí)，發(fā)生截波形式的波形失真。因此，對于較小的交流信號(hào)發(fā)生最低的波形失真。偏壓電壓的幅值通常為額定電容器直流工作電壓的一半左右。交流波形傳送的真度隨著交流電壓信號(hào)的幅值而改善，且交流電流減少。
所示的非極化電容器264和極化電容器262并聯(lián)以便“拋光”。非極化拋光電容器可以用于微調(diào)共振、調(diào)整電容電流比、減少等效串聯(lián)電阻、調(diào)整頻寬、改進(jìn)波形傳送、使頻率響應(yīng)平坦化以及改進(jìn)其它此類特定應(yīng)用。極性電容器262的電容通?？梢猿^拋光電容器264的電容約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。非極化拋光電容器的作用可以減少信號(hào)失真。
圖3顯示了電路300，其包含交流源305、總稱為310之反串聯(lián)極化電容器312、314及交流負(fù)載320。在虛線框之上的極性符號(hào)顯示電容器312的瞬間正向偏壓狀態(tài)及電容器314的同時(shí)反向偏壓狀態(tài)，其發(fā)生在交流源305的正相期間(當(dāng)然，在負(fù)相期間，極性將相反)。
極化電容器的反串聯(lián)構(gòu)造將暫態(tài)地操作，或在電流限制的應(yīng)用中操作。這種常規(guī)的實(shí)施方式的反串聯(lián)構(gòu)造利用了前述的內(nèi)部齊納二極管狀的特性。其通常使用于單相馬達(dá)啟動(dòng)應(yīng)用，但受過熱的困擾，并且由于反向偏壓短路而造成壽命短暫。當(dāng)電容器312由交流源正向偏壓時(shí)，電容器314反向偏壓，且將半波電流短路至負(fù)載320。在下一半波上，電容器314正向偏壓，而電容器312短路。這種常規(guī)的反串聯(lián)構(gòu)造以直流偏壓狀態(tài)而聞名，它基于子循環(huán)(半循環(huán))振蕩。
參考圖4，授予Ghosh的美國專利4,672,289和4,672,290教導(dǎo)了一種在交流環(huán)境中實(shí)施反串聯(lián)、極化電容器改良的方案。在附圖4中示出了電路460。電路460包含極化電容器462、464和二極管466、468，其與用于驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載470的交流源461串聯(lián)。反串聯(lián)對稱的極化電容器462、464和反向校準(zhǔn)的反串聯(lián)二極管466、468并聯(lián)。在操作時(shí)，一并聯(lián)的“分流”二極管(466，468)使每一電容器的最大瞬間負(fù)電壓固定，其保護(hù)每一極性電容器，以防過度反向偏壓。Ghosh電路提供外部分立的二極管以使反向電流自每一電容器分出。降低了內(nèi)部齊納二極管狀的特性。這減少了電容器中的熱累積，并延長了它們的預(yù)期壽命。
然而，不幸的是，這種分流二極管解決方案具有一定的材料性缺點(diǎn)。對于交流波形的一半來說，在整個(gè)總成上每個(gè)電容器極性受到全交流電壓的影響。于是，就一短路的電路、馬達(dá)啟動(dòng)、變壓器沖擊或類似狀態(tài)而言，整個(gè)交流源張力以50％的占空度施加于每一反串聯(lián)電容器的端子和二極管總成。沒有分壓器。因此，就一給定的交流信號(hào)失真等級(jí)而言，可實(shí)現(xiàn)的交流紋波電壓限于可用的二極管電壓額定值。此外，每一極化電容器約有50％的時(shí)間承受低電壓、反向偏壓狀態(tài)。二極管使交流網(wǎng)絡(luò)電壓波形失真。此外，自偏壓電路不遵守二極管電流的限制。由于熱損失、電流波形失真和二極管失真及二極管尺寸的要求，在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)這些都會(huì)成為問題。對于暫態(tài)、故障、磁化啟動(dòng)、共振和/或啟動(dòng)應(yīng)用的半導(dǎo)體而言，這個(gè)問題更顯著。整個(gè)電路電流以50％的占空度在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況中通過每個(gè)二極管。這導(dǎo)致通過二極管的顯著的熱損失。而且，自偏壓直流電壓振蕩擾亂了系統(tǒng)的接地參考，且增加了熱散失。由于相對于交流信號(hào)大小不適當(dāng)直流偏壓電壓所導(dǎo)致的截波的緣故，仍然存在交流信號(hào)失真。每半循環(huán)的電容器電荷再形成所需要的能量是一種進(jìn)一步的能量損失。此外，此已有技術(shù)中的解決方案不適用于其它極化電荷儲(chǔ)存裝置，諸如很多電化學(xué)電池。
再者，由于電流需求增加，電路缺乏經(jīng)濟(jì)性。如果電容器組安培額定值加倍，則二極管、散熱器等也必須加倍。在高電流交流應(yīng)用中，這構(gòu)成了主要的資金消耗。如果需要附加的串聯(lián)二極管來增加可實(shí)現(xiàn)的電壓等級(jí)，附加的二極管必需具有和現(xiàn)有的二極管相同的安流量。每一現(xiàn)有的二極管的正向電壓降與由每一附加的單元的正向電壓降匹配。于是，功率損失和熱的產(chǎn)生成比例地增加。而且，每個(gè)二極管的約為零的死區(qū)以串聯(lián)二極管的數(shù)目成倍地增加。
由于反向串聯(lián)二極管的設(shè)置(例如在Ghosh電路中)，這種波形失真以及在傳統(tǒng)反串聯(lián)配置中的內(nèi)部齊納二極管的特性難以控制。此外，Ghosh和傳統(tǒng)的電路對于系統(tǒng)直流接地參考具有不斷振蕩的效應(yīng)。這些問題使得傳統(tǒng)的和Ghosh的裝置不適用于一般交流應(yīng)用。這兩種技術(shù)在小信號(hào)體系之外操作，在這其中可以使交流電壓失真最小。
參考圖5，授予Norbert的德國專利DE4401955公開了一種電路500，其用于使用極化的電容器于暫態(tài)交流應(yīng)用中。如Norbert所教導(dǎo)，電路500基本上設(shè)計(jì)成一移相器，以啟動(dòng)單相非同步馬達(dá)。電路500由交流源501、反串聯(lián)對502電阻器503、二極管504、感應(yīng)負(fù)載505和開關(guān)506組成。二極管504和電阻器503恒連接到交流電壓源501，或者連接至不同的負(fù)電壓源。在開關(guān)506開啟的潛伏期之后，二極管/電阻器組合逐漸地對電容器對進(jìn)行正向偏壓。在馬達(dá)啟動(dòng)以前，當(dāng)一適當(dāng)?shù)臐摲诳捎脮r(shí)，Norbert電路對電容器進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)以正確啟動(dòng)交流負(fù)載，且使預(yù)期壽命超過Ghosh電路的預(yù)期壽命。Norbert允許使用比Ghosh小的二極管安流量。Norbert也提出了在一經(jīng)濟(jì)的單一罐體構(gòu)造中到反串聯(lián)電容器中心節(jié)點(diǎn)的高阻抗連接。只需要外部二極管、電阻器和交流源連接以使電路備用。
不幸的是，Norbert電路需要相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，以用于電容器偏壓。電容器充電至恰低于交流電壓的大小(尖峰至零)。因此，Norbert電路和在高交流系統(tǒng)電壓應(yīng)用中的低工作電壓極化電容器的使用不符。此外，電路不適用于其它極化載體裝置比如電化學(xué)電池。再者，Norbert電路不適于連續(xù)使用，其中如果單相馬達(dá)或其它負(fù)載在啟動(dòng)以后保持連接，則再形成電荷傾向于隨著時(shí)間而退化。然后電路的特性將和傳統(tǒng)的、未充電的反相結(jié)構(gòu)相同。由于在穩(wěn)態(tài)情況中超過小交流信號(hào)的需求，Norbert電路將具有使交流波形信號(hào)固定的缺點(diǎn)。
因此，需要一種改良的方法及電路，這種方法和電路在包括穩(wěn)態(tài)交流應(yīng)用的交流應(yīng)用中使用諸如極化電容器的極化電荷儲(chǔ)存裝置。

發(fā)明內(nèi)容
極化電荷儲(chǔ)存裝置經(jīng)濟(jì)性地提供高可用性的電容。本發(fā)明以新穎的電路拓?fù)渲苯邮褂迷谝话憬涣鲬?yīng)用中的極化電荷儲(chǔ)存(PECS)裝置諸如極化電容器或電化學(xué)電池。在一實(shí)施例中，在交流網(wǎng)絡(luò)中使用第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置的反串聯(lián)構(gòu)造以加強(qiáng)交流網(wǎng)絡(luò)的操作。在極化電荷儲(chǔ)存裝置接受交流信號(hào)時(shí)提供至少一直流源用于保持極化電荷儲(chǔ)存裝置正向偏壓。驅(qū)動(dòng)一交流負(fù)載的交流信號(hào)施加至反串聯(lián)裝置。通過至少一直流電壓源充分地偏壓該裝置以使它們在耦合于交流信號(hào)時(shí)保持正向偏壓。
前面已經(jīng)相當(dāng)廣泛地略述了本發(fā)明的特性和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，以便更好地了解隨后的本發(fā)明的詳細(xì)說明。以下將說明本發(fā)明的其它的特征和優(yōu)點(diǎn)，這些構(gòu)成了本發(fā)明的權(quán)利要求的主題。本領(lǐng)域的熟練的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，所公開的概念和特定的實(shí)施例容易用于修改或設(shè)計(jì)實(shí)施本發(fā)明的相同目的的其它結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員也應(yīng)了解，這些等效的構(gòu)造并不偏離所附加的權(quán)利要求中所闡述的本發(fā)明的精神和范圍。
圖2所示為在模擬聲頻放大器中通常所使用的在小信號(hào)耦合應(yīng)用中利用極化和非極化電容器的已有技術(shù)的電路。
圖3所示為在商業(yè)上可用的傳統(tǒng)反串聯(lián)極化電容器對，該電容器對將交流信號(hào)耦合至在馬達(dá)啟動(dòng)應(yīng)用中常規(guī)應(yīng)用的交流負(fù)載中。
圖4所示為圖3的電路的已有技術(shù)的一種改良方式。
圖5也描述了圖3的電路的一種改良方式。
圖6A所示為忽略了直流偏壓電路的細(xì)節(jié)的本發(fā)明的交流電路，其由正向偏壓、反串聯(lián)極化電容器組成。
圖6B所示為省略了偏壓細(xì)節(jié)的本發(fā)明的正向偏壓、反串聯(lián)極化電容器的構(gòu)造，其具有將正直流接合節(jié)點(diǎn)分離的交流裝置。
圖7所示為在本發(fā)明的有限交流應(yīng)用中的直流偏壓極化電容器的反串聯(lián)的一種對稱實(shí)施方式。
圖8所示為本發(fā)明的一種電路。
圖9所示為本發(fā)明的另一種電路實(shí)施例。
圖10所示為用于實(shí)施本發(fā)明的電路的一種實(shí)施例。
圖11所示為使用本發(fā)明的另一實(shí)施例的電容性功率耦合配置。
圖12所示為忽略直流偏壓電路細(xì)節(jié)的本發(fā)明的三相、三線交流系統(tǒng)串聯(lián)圖，其并入了正向偏壓、反串聯(lián)極化電容器。
圖13所示為并入了本發(fā)明的一實(shí)施例的三相、四線交流系統(tǒng)。
圖14所示為并入了本發(fā)明的另一實(shí)施例的三相、四線交流系統(tǒng)。
圖15所示為并入了本發(fā)明的一實(shí)施例的附加的三相、四線交流系統(tǒng)。
圖16所示為本發(fā)明的4n十實(shí)例的高電流電路，省略直流電壓源的細(xì)節(jié)。
圖17所示為本發(fā)明的4n十極化電容器和偏壓系統(tǒng)的高電壓實(shí)例的簡單表示。
圖18所示為本發(fā)明的一種變型實(shí)現(xiàn)方式。
圖19所示為分相交流感應(yīng)馬達(dá)的兩個(gè)繞組，其適用于使用本發(fā)明的一實(shí)施例的單相交流源的連續(xù)操作。
圖20所示為具有去諧裝置的帶通LC濾波器，其用于限制本發(fā)明的另一實(shí)施例的下游故障所引起的電流。
圖21所示為電觸式安全、熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用于調(diào)整本發(fā)明的另一實(shí)施例的電容器溫度和電參數(shù)。
圖22所示為用于建立正向偏壓小信號(hào)傳送狀態(tài)的方法，其適用于暫態(tài)應(yīng)用以及適合于在本發(fā)明另一實(shí)施例中的連續(xù)操作。
圖23所示為在本發(fā)明另一實(shí)施例中適用于連續(xù)操作的簡單控制偏壓電路。
圖23A是圖23的充電機(jī)構(gòu)的簡化示意圖。
圖24所示為具有類似于圖23的被動(dòng)偏壓電路的本發(fā)明另一實(shí)施例。
圖25所示為本發(fā)明的一反串聯(lián)構(gòu)造，其中交流源使負(fù)電容器端子分離，而交流負(fù)載使正電容器端子分離。
圖26所示為在本發(fā)明另一實(shí)施例中使用單一低電壓直流電壓源以偏壓彼此串聯(lián)的二反串聯(lián)極化電容器對。
圖27所示為在本發(fā)明另一實(shí)施例中的直流電源，其中整流橋經(jīng)由反串聯(lián)電容器耦合至交流電源，反串聯(lián)電容器則通過一部分直流輸出偏壓。
圖28所示為在本發(fā)明另一實(shí)施例中的三相反串聯(lián)極化電荷裝置構(gòu)造，其中每一交流熱接腳有單一極化電容器。
圖29所示為本發(fā)明的120240伏特單相系統(tǒng)，其中每一接腳中的單一極化電荷儲(chǔ)存裝置充當(dāng)一反串聯(lián)電容器構(gòu)造的一部分。
圖30所示為一直流偏壓源，該直流偏壓源在連續(xù)操作的本發(fā)明的反串聯(lián)極化電荷裝置構(gòu)造中使用單一整流器。
每一直流偏壓電壓足夠大地與每一電容器的操作交流電壓部分連接以補(bǔ)償負(fù)交流擺動(dòng)的惡劣狀態(tài)。疊加于直流偏壓電壓的交流電壓的正擺動(dòng)類似地小于電容器的額定工作電壓。強(qiáng)制的、連續(xù)的直流偏壓狀態(tài)消除了已有技術(shù)中的棘手的熱損失、壽命短、信號(hào)失真和/或振蕩直流偏壓狀態(tài)的缺點(diǎn)。于是，當(dāng)保持正確的直流偏壓狀態(tài)且相對于裝置的公差交流電壓和電流為較小的時(shí)候，這種電路適合于穩(wěn)態(tài)和/或暫態(tài)交流操作。為了簡便起見，圖中省略了直流偏壓疊加電路的細(xì)節(jié)，但將在以下更詳細(xì)解釋。有很多適用于建立并保持正確的直流電容器偏壓狀態(tài)的電路實(shí)現(xiàn)方式。用于偏壓反串聯(lián)、極化電容器的直流源可以由包括調(diào)節(jié)和未調(diào)節(jié)的源的任何適當(dāng)?shù)姆桨笇?dǎo)出。作為變型，應(yīng)該注意的是，瞬間有源偏壓具有實(shí)用性，并且可以增加極化電容器的壽命。
電路600利用電容器612、614的直流阻礙特性。直流電壓616、618施加于兩個(gè)極化電容器的端子。為了討論，假設(shè)施加一對稱的直流偏壓電壓。為了簡化起見，也假設(shè)電容器612、614的電容相等。然而，這些狀態(tài)在本發(fā)明中是不需要的。在此實(shí)施例中，每一直流偏壓電壓的值至少是反串聯(lián)電容器對的絕對最大(非均方根)尖峰至零交流電壓之一半。這是所施加的尖峰至尖峰電壓大小的四分之一。為了考慮部件的變化并且保持小信號(hào)體系，所施加的直流偏壓電壓將稍微增加。直流偏壓電壓對于電路的交流操作沒有不利的影響。這提供了正確的正向偏壓，并且允許連續(xù)操作而無已有技術(shù)應(yīng)用中的交流電壓失真、電容器反向偏壓、二極管正向?qū)?、元件熱累積、直流參考電壓振蕩以及過早的故障特征。
在理想的結(jié)構(gòu)中，直流偏壓源和交流源電隔離(或獨(dú)立)。因此，在這種理想的狀況下，沒有瞬間直流偏壓電壓或電流會(huì)干擾連接的交流網(wǎng)絡(luò)。此外，沒有諧波或次諧波失真會(huì)通過由電容交流電流通路或偏壓源而施加至交流網(wǎng)絡(luò)。此外，這種直流偏壓源具有無限的雙向交流阻抗及零直流電阻。類似地，通過極化電容器的交流電流通路具有零雙向交流電阻和無限的直流電阻。根據(jù)疊加的原理提供交流和直流電壓。因此交流/直流接口沒有造成相互的電磁干擾，或不干擾鄰近的電子裝置。在交流暫態(tài)和交流穩(wěn)態(tài)狀況二者中，極化電容器可以視為用于直流電源的直流負(fù)載。
簡單的電路600是說明性的。它主要用于實(shí)例性地說明極化電容器可以直接用于交流網(wǎng)絡(luò)中以及充當(dāng)交流電壓分壓器。這構(gòu)成了在交流網(wǎng)絡(luò)中的極性電容器使用的簡單實(shí)例，且提供至今為止未知的結(jié)果。除了經(jīng)由電容器以外，沒有可能的交流電通路。因?yàn)橹行墓?jié)點(diǎn)相對于固定的接地參考而偏壓，故兩個(gè)替代的反串聯(lián)實(shí)例能以適當(dāng)偏壓電壓而互相并聯(lián)操作。
圖6B描述了電路650。電路650由交流源652、極化電容器662、664、電感器668以及交流負(fù)載670構(gòu)成。電感器668使反串聯(lián)極化電容器對662、664在物理上分離。需注意的是，電容器662、664的極性方向和直流偏壓電壓和圖6A所示的極性方向相反。在電容器上方的極性符號(hào)指示電容器的連續(xù)正向偏壓?？梢则?yàn)證的是，在穩(wěn)態(tài)中，直流和交流電壓在電路的周圍的增加為零。在電感器上的穩(wěn)態(tài)直流電壓可以忽略，于是，電容器的正節(jié)點(diǎn)具有差不多相同的直流電位。因此直流接合節(jié)點(diǎn)通過電感器保持連續(xù)。注意，交流源652和交流負(fù)載670類似地使電容器的負(fù)極在物理上分離，同時(shí)保持在相同的直流電位。交流源652通過LC電路耦合至交流負(fù)載670，該LC電路通過由電容器662、664和電感器668組成。LC電路通常用作濾波器。電路交流參數(shù)(諸如功率因數(shù)、阻抗等)可以通過由可調(diào)整地控制電感器的電感而改變。這可通過安置在分路中的低電阻以抽頭改變或使電感器短路而完成。為了簡便起見，省去了圖中的直流偏壓源細(xì)節(jié)。這個(gè)圖用于說明在交流應(yīng)用中交流電路元件可以使正向偏壓反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置分離。
電路實(shí)施圖7所示為電路750，該電路使用兩外在相同的直流電壓源774和786。每一未接地的直流電壓源通過直流接地參考(交流阻礙)電阻器788分別正向偏壓極化電容器778和782。非極性拋光電容器776，784分別并聯(lián)于極性電容器778、782；以形成對應(yīng)的電容器組776/778和782/784。交流信號(hào)從交流源772經(jīng)過電容器組傳送至電感/電阻性負(fù)載790，并經(jīng)過直流電壓源輸出部分而導(dǎo)電。極性電容器的反串聯(lián)放置連同偏壓允許它們使用在交流信號(hào)應(yīng)用設(shè)備中。交流源772輸出部分和負(fù)載790二者充當(dāng)穩(wěn)態(tài)直流短路電路，其允許直流源774、786對電容器組進(jìn)行偏壓。在這種對稱的未接地的直流偏壓方案中阻隔電阻器788給負(fù)極參考電壓電平提供了一種直流電流通路。電阻器相對于電容器具有足夠高的交流阻抗以實(shí)質(zhì)成為交流信號(hào)的斷開電路。這種電路實(shí)施例主要用于說明應(yīng)用對稱的偏壓的反串聯(lián)極化電容器來傳送交流信號(hào)。圖中簡要描述了疊加的原理。注意，自交流源772至負(fù)載790的單一的非偏壓的非極化的電容器可以取代電容器776和784以使交流信號(hào)傳輸拋光更有效。應(yīng)注意的是，整個(gè)交流信號(hào)通過兩直流電源的輸出部分。直流電壓分配于電容器和電阻器788之間。注意，系統(tǒng)可以在任何單一節(jié)點(diǎn)處任意接地。直流偏壓電壓電平可以設(shè)定為遠(yuǎn)高于交流信號(hào)的大小以提供良好的信號(hào)傳送保真度(低諧波失真)。
圖8所示為電路800，它為用于實(shí)施本發(fā)明的電路的一種實(shí)施例。電路800包括交流源805、反串聯(lián)極化電容器812、814、二極管816、電阻器817、直流電壓源818和三位置開關(guān)819。反串聯(lián)電容器812、814的二翼(wing)開始可以順序地適當(dāng)偏壓。通過所描述的電路構(gòu)造和在中心位置(開啟)的開關(guān)，仍然可實(shí)現(xiàn)持久的直流偏壓電壓，且極趨近于無限交流阻抗(開路)。然而，由于電暈效應(yīng)及通過電容器的漏電，最初的充電的直流偏壓電壓將弱化。需注意的是，兩翼保持相同的偏壓電壓和充電衰變率。因此，通過前后扳動(dòng)開關(guān)819，電容器812、814可以保持它們的電荷。注意，典型的交流源由變壓器繞組饋送至負(fù)載。當(dāng)電路接合且電池開關(guān)扳動(dòng)至任一翼時(shí)，兩翼的偏壓電壓相對于中心節(jié)點(diǎn)上升。兩電壓的改變率不同，但兩者都增加。不久，兩翼具有相同的直流偏壓電壓。本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員易于驗(yàn)證，變壓器繞組(交流源805)和負(fù)載充當(dāng)直流偏壓電壓差的穩(wěn)態(tài)短路電路。當(dāng)開關(guān)在側(cè)向位置時(shí)，某些交流電流流動(dòng)通過直流源818(例如，電池)。這種不理想性是單向、暫時(shí)，且依電阻器817的大小、電容器、交流負(fù)載和交流源參數(shù)而定。在這種情況下，理想的電路結(jié)構(gòu)作用至任意程度。對于電路操作開關(guān)并非必需的，但它對于說明操作的原理有用，并且可用于直流電壓源維修的目的。
在反向流動(dòng)的情況下一般的二極管(具體地說是二極管816)是高交流阻抗的良好實(shí)例，并允許正向直流電流自由流動(dòng)。二極管816不會(huì)阻隔正向交流電流半波。替代地，開關(guān)819可由固態(tài)開關(guān)或電子機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)。開關(guān)819可以在給定的半波上將直流電壓源818連續(xù)鏈接到適當(dāng)?shù)碾娙萜?12或814，或可只間歇性地連接到任一側(cè)。相對大的電阻器817(或電感器)將直流電壓源818有效地連接到電容器812、814，同時(shí)阻隔交流信號(hào)。然而，可以使用其它的高交流阻抗電路元件。因此，直流偏壓源由電開關(guān)819、直流電壓源818、電阻器817和二極管816組成。電容器的極低交流電阻和相對低交流阻抗將交流電流有效地分流。當(dāng)電開關(guān)開啟時(shí)，直流偏壓源的正極和電容器的正端子電隔離。在典型交流網(wǎng)絡(luò)中，中性線連接到系統(tǒng)的接地線。直流偏壓源的負(fù)端子連接到極化電容器812、814的負(fù)端子。直流偏壓源和兩個(gè)極化電容器處于彼此直流分流，且在它們的負(fù)端子上保持不同于電路800的熱、中性和(若有的話)接地端的直流電壓電平。注意，由于在典型交流源中存在變壓器繞組，熱中性和地線基本在相同的直流電位。電容器的負(fù)端子與交流電的這種電隔離是由以下的事實(shí)所強(qiáng)化，即在交流源和/或交流負(fù)載中的斷開電路或完全短路對于施加在電容器上的直流偏壓電壓無任何影響。類似地，直到電容器電荷消失為止，完全短路可以取代直流電壓源而對于交流線的直流參考電壓電平或電路操作沒有影響。
圖9所示為本發(fā)明的另一電路實(shí)施例900。電路900包括交流源905、反串聯(lián)極化電容器912、914、直流電壓源926、交流阻隔二極管932、交流阻隔電阻器934、935和交流負(fù)載940。為了簡便起見，將交流中性和/或接地通路自此圖中省略。從交流的觀點(diǎn)，電阻器934、935大致上并聯(lián)于極化電容器912和914，并且由于電容器部件的變化，小的且相等的電阻值可以校正交流伏特分配。應(yīng)用直流電壓源926通過二極管932和交流阻隔電阻器934和935在每一極性電容器上保持正的直流偏壓，二極管932和交流阻隔電阻器934和935一起充當(dāng)直流偏壓源。直流偏壓源和電容器基本分流。注意，交流阻隔電阻器934和935實(shí)質(zhì)上交流串聯(lián)，且就大的電阻值而言，防止任何顯著的交流電流旁通于反串聯(lián)電容器912、914通路。與二極管932串聯(lián)的阻隔電阻器934和935防止顯著的交流電流通過直流源926。任何適當(dāng)大小的電阻器(例如，自小于40歐姆但大于100千歐姆)都適合于電阻器934和935。因此，用于電路900的直流偏壓源由直流電壓源926、二極管932和電阻器934、935組成。額外的電阻可以安置成與直流電壓源926、二極管932串聯(lián)以減少通過電壓源的交流電流。在穩(wěn)態(tài)中，就典型的元件值而言，直流電壓源926相對于直流與電容器912、914分流。所選擇的電容器可能需要一額定電壓，該額定電壓至少是直流電壓源926的值的二倍，以允許在電容器上疊加一相同大小的交流波。
如果需要附加的交流電流，則附加的電容器可以并聯(lián)添加至電容器912、914。也可以添加附加的偏壓反串聯(lián)電容器組或以反串聯(lián)方式連接的串聯(lián)極化電容器以分別地增加交流電流或電壓電容。最終將限制這種方案的最大額定電流的一個(gè)因素是偏壓電流需求，即直流電源的功率限制。然而，在這種情況下無固有的限制，因?yàn)橹绷麟娫纯梢詷?gòu)建為任意大小。而且，直流功率需求通常是本發(fā)明的額定交流功率的一小部分。如果直流電壓源926是電壓調(diào)節(jié)源，則反串聯(lián)配置中的電化學(xué)電池可以取代電容器912、914。每翼將需要串聯(lián)的若干電池，并且須考慮充電/放電直流偏壓電壓窗，但可以實(shí)現(xiàn)的電容增益是巨大的。因此，通過簡單地應(yīng)用特定設(shè)計(jì)步驟，任何極化電荷儲(chǔ)存裝置都可以用于這種電路中。
實(shí)際上，組獨(dú)立地熔凝電容器組是在電器制造領(lǐng)域范圍中的常規(guī)技術(shù)。這種常規(guī)技術(shù)可以延伸以將電容器組獨(dú)立偏壓及熔凝。
圖10所示為電路1000，它說明了偏壓極化容器在交流網(wǎng)絡(luò)中的另一種使用方式。作為圖7的電路的改編的電路1000提供了用于一般交流功率的產(chǎn)生、傳送合分布的更實(shí)際的解決方案。電路1000包括交流源1005、反串聯(lián)極化電容器1009、1023、非極化拋光電容器1011、直流電壓源1013、1027、交流阻隔電阻器1015、1025、1017和交流負(fù)載1031。由直流電壓源1013和電阻器1015組成的直流偏壓源實(shí)質(zhì)上與極化電容器1009分流。類似地，由直流電壓源1027和電阻器1025組成的直流偏壓源實(shí)質(zhì)上與極化電容器1023分流。除了冗余直流偏壓源直接并聯(lián)于極化電容器以外，這種電路類似于前述的電路。這種電路可用于一般交流應(yīng)用中。大阻抗(歐姆至千歐姆)偏壓(交流阻隔)電阻器1015、1025允許直流偏壓發(fā)生，同時(shí)為了交流的目的呈現(xiàn)為開路。電感器(或其它交流開路裝置)可以取代偏壓電阻器1015、1025。大(千歐姆至百萬歐姆)阻隔電阻器1017可以由一開路取代。類似地，阻隔電阻器1017可以重新安置于直流源的中心節(jié)點(diǎn)和極化電荷儲(chǔ)存裝置的中心節(jié)點(diǎn)之間。
圖11所示為電容功率耦合結(jié)構(gòu)1100，該電容功率耦合結(jié)構(gòu)1100應(yīng)用單一的電隔離直流電源1115 提供在一般交流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中用于極化電容器的連續(xù)操作所需要的對稱有源直流偏壓電壓。電路1100一般包括交流源1105、反串聯(lián)極化電容器1112、1114、直流電壓源1115、阻隔二極管1117、偏壓電阻器1119、1121和交流負(fù)載1130。電隔離的非調(diào)節(jié)直流電壓源1115由隔離變壓器、全波二極管橋和兩個(gè)電感器的輸出部分以及極化電容器1124組成。直流偏壓源由直流電壓源1115、二極管1117和電阻器1119、1121組成。在直流偏壓源負(fù)接腳上示出了可選擇的和未編號(hào)的電阻器。偏壓電阻器1119、1121和二極管1117提供高交流阻抗，同時(shí)允許令人滿意的直流充電電流到達(dá)極化電容器1112、1114。在直流電源的二極管橋失效的情況下，二極管1117進(jìn)一步可防止直流電流回流。由電感器1122、1123、電容器1124以及二極管1117組成的直流電源輸出部分可以省略，而不會(huì)危及其功能。電容器1112和1114構(gòu)成穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)直流負(fù)載，且相對于直流而分流，但是與交流反串聯(lián)。直流電源中的隔離變壓器的匝數(shù)比可以設(shè)定直流偏壓電壓電平，并且可操作地連接到交流源1105。注意，節(jié)點(diǎn)A和B的直流參考電壓電平實(shí)質(zhì)上處于交流系統(tǒng)接地端，而節(jié)點(diǎn)D由直流偏壓源保持低于接地端。直流電壓源和交流源的電隔離允許電容器1112、1114任一定向均可使用。即，電容器正極可在節(jié)點(diǎn)D連接，只要偏壓電源極性反向即可。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)D的參考直流電壓可以在交流系統(tǒng)接地電平之上。
傳送到交流負(fù)載的功率的大小可以比偏壓電源的功率需求大很多數(shù)量級(jí)。假設(shè)交流源1105包括一個(gè)或多個(gè)例如來自發(fā)電機(jī)或變壓器的感應(yīng)繞組。這提供了一種穩(wěn)態(tài)的直流短路電路。疊加的交流波和直流偏壓電壓必須小于電容器額定直流電壓，而在交流電壓波形中的全部點(diǎn)仍然保持在正偏壓。直流偏壓電壓的大小顯著地超過所施加的交流電壓波形大小以減少交流信號(hào)的諧波失真。代表電容器負(fù)極的在點(diǎn)D的參考電壓電平是保持在所示單相交流系統(tǒng)的接地端之下。應(yīng)注意的是，通過電容器的直流泄漏電流的大小是微小的。交流源和交流負(fù)載的直流電壓電平是設(shè)定為實(shí)際上等于交流系統(tǒng)接地端。因此，在這種實(shí)例中，極性電容器負(fù)連接是在系統(tǒng)接地端之下。此外，電容器和直流偏壓源的極性可以同時(shí)反向。這種反向?qū)⑹箻O性電容器的正極上升至接地參考之上，但對于交流功率傳送沒有顯著的第一階效應(yīng)。此外，可以使用具有唯一的(或作為變型，共同偏壓電壓)多重并聯(lián)電路。這說明產(chǎn)生了交流電路的可忽略穩(wěn)態(tài)直流偏壓。反串聯(lián)定向選擇之選擇可能涉及電容器外罩接地、安全、協(xié)定、冷卻、傳送函數(shù)以及其它次要的考慮和問題。
連接至節(jié)點(diǎn)C的電阻器1119、負(fù)直流接腳中的電阻器和電阻器1121提供電容器的瞬間對稱的直流偏壓。應(yīng)該注意的是，典型的電感和電阻交流負(fù)載以及電源提供到系統(tǒng)接地端的直流短路。在物理上可以將交流負(fù)載(或可替換的是，交流源)安置于極化電容器之間。比較可取的是，在這種實(shí)例中，負(fù)載開/閉開關(guān)(未顯示)的兩側(cè)是電阻性地連接至直流偏壓源。這種構(gòu)造提供在不同的直流接地參考點(diǎn)操作交流源和交流負(fù)載的方法。注意，直到電阻器連接到節(jié)點(diǎn)A，D，C為止，直流偏壓電壓源完全獨(dú)立于在節(jié)點(diǎn)B的交流系統(tǒng)接地端。這是由于交流隔離變壓器和全波整流器橋的緣故。連續(xù)直流偏壓的所需狀況能夠以半波整流提供，但1/2的基本頻率諧波則注入交流網(wǎng)絡(luò)中。
在所需要之處可使用一具有或不具有電池的電隔離調(diào)節(jié)直流電源。類似地，偏壓電壓可耦合至具有電感器的承載極化的交流信號(hào)的電容器或其它的低直流電阻、高交流阻抗電路元件。直流電壓源1115的輸出部分和二極管1117可除去，以允許電阻器1121、1119和電容器1112、1114充當(dāng)簡化的輸出部分。
圖12所示為電路1200，其一般性地示出了并入了本發(fā)明的一種實(shí)施例的三相、三線交流系統(tǒng)，并且省略了直流偏壓細(xì)節(jié)。電路1200包括三相源1201(以德耳塔結(jié)構(gòu)顯示)正向偏壓反串聯(lián)極化電容器對1209 A-1209 C及三相交流負(fù)載1211，該三相交流負(fù)載1211包括負(fù)載1211A-1211C。對于適當(dāng)偏壓的高交流阻抗偏壓系統(tǒng)而言，存在適當(dāng)?shù)墓こ腾吔绞健Ｆ珘簶O性電容器總成的交流參數(shù)足以用于交流電路分析。顯然，為此不需要顯示交流電路模型中的直流細(xì)節(jié)。因此，圖12是圖6A的三相方式，同時(shí)偏壓電壓指示省略。在電容器中的直流電壓阻隔的公知的特征使得交流電路分析不需要偏壓細(xì)節(jié)。然而，如果需要的話，為安全和維修的目的則可指明系統(tǒng)的直流偏壓電壓電平。注意，所示為串聯(lián)應(yīng)用。如果所示的交流負(fù)載是電流限制裝置，比如3□個(gè)電阻器，則這種綜合負(fù)載成為用于電源變壓器的另一側(cè)上的其它交流負(fù)載的分流功率因數(shù)校正裝置。這種裝置可以是固線式或可控制的。如果所指示的負(fù)載執(zhí)行有用的工作，則功率因數(shù)校正可以不使系統(tǒng)瓦特?cái)?shù)增加而完成。依據(jù)在此所述過程而構(gòu)建的任何電路電容將基本上具有非極性電容器的端子特征，如從交流源可看到。因此，示意圖將設(shè)計(jì)、分析和故障排除中不需要的細(xì)節(jié)省略。極化電容器實(shí)例的細(xì)節(jié)可以認(rèn)為是需要的。如果需要的話，具有反向的曲線和線的可替代的示意圖可用于顯示相反的電容器校準(zhǔn)。其它多相結(jié)構(gòu)(包括九相等)可以類似方式表示。注意，在網(wǎng)絡(luò)操作參數(shù)需要它的時(shí)候，可以省略電容器反串聯(lián)對比如1209B。電容器1209A、1209C的負(fù)極可以仍然偏壓在交流源和負(fù)載的電平之下。
圖13所示為3相四線交流系統(tǒng)，它具有用于電容器偏壓的3相電隔離的未調(diào)節(jié)的直流電源。三相直流電源(直流電壓源)1301用于正向偏壓根據(jù)本發(fā)明的極化電容器對1309。電源1301實(shí)質(zhì)上包括初級(jí)變壓器1302A、次級(jí)變壓器1302B、二極管橋1303、扼流圈1304和1305以及極化電容器1306和二極管1307。直流電源連同電阻器1308、關(guān)聯(lián)于節(jié)點(diǎn)4-10的二極管以及關(guān)聯(lián)于節(jié)點(diǎn)1-3的二極管、電阻器組合包括直流偏壓源。二極管橋1303是一種三相六脈沖的全波裝置。二極管/電阻器串聯(lián)元件將直流電源負(fù)接腳分別地連接到如圖所示的極化電容器的中心節(jié)點(diǎn)1、2和3。直流電源正接腳通過電阻器1308和二極管1310(二極管#s4-10)連接至極化電容器節(jié)點(diǎn)4-9和系統(tǒng)中性線10。反串聯(lián)二極管4和7阻隔來自A接腳的交流電流，同時(shí)通過上述的中心節(jié)點(diǎn)1對反串聯(lián)電容器進(jìn)行直流偏壓。B接腳與C接腳系類似地直流偏壓。從電源將交流電流通過A、B和C接腳中的直流偏壓反串聯(lián)電容器輸送負(fù)載。如圖所示，交流電源的A、B和C接腳同時(shí)給電容器和初級(jí)變壓器輸電。絕大多數(shù)的交流功率傳送至交流負(fù)載。其它的多相交流系統(tǒng)電容器耦合電路可以以類似的方式實(shí)施。如前述，偏壓直流電源的所示的實(shí)施方式是任意的。具體的應(yīng)用可能需要替代的直流電源實(shí)施方式以實(shí)現(xiàn)最佳的長期的性能。一般地，在交流系統(tǒng)中，中性節(jié)點(diǎn)10將通過硬接地、接地電阻器、電感器或電容器而單點(diǎn)接地。注意，當(dāng)連接至交流源、極化電容器、交流負(fù)載以及系統(tǒng)接地(若有的話)時(shí)，以直流電壓源1301為特征的設(shè)計(jì)電隔離失去某些效果。
初級(jí)側(cè)的德爾塔變壓器繞組1302A和交流源(Wye，Scott Tee)繞組提供冗余路徑，且管理在節(jié)點(diǎn)4-10上的統(tǒng)一系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)直流參考電壓。電感器1304、1305、二極管1307和電阻器1308防止系統(tǒng)(阻隔)交流電流經(jīng)由直流電源的導(dǎo)通。極化電荷儲(chǔ)存裝置的中心節(jié)點(diǎn)1、2、3由直流源1301保持在較低的直流電位以提供基本均勻的極化電荷儲(chǔ)存裝置直流偏壓電壓。這種直流偏壓電壓的大小不被交流系統(tǒng)接地連接所改變。注意，單一直流源正對在1309所示的三個(gè)極化電荷儲(chǔ)存裝置對進(jìn)行偏壓。這些電容器對實(shí)質(zhì)上是直流分流，仍然處于三個(gè)分離的交流接腳中。實(shí)際上，每一電容器對的每一繞組實(shí)質(zhì)上與直流源1301是直流分流。
圖14所示為一種變型的三相四線交流系統(tǒng)，它具有一個(gè)對極化電容器1409進(jìn)行偏壓的三相未接地的未調(diào)節(jié)的直流電源1401。為了取代二極管歧管(1310)，在所示的實(shí)施例中使用電阻性歧管1410。在標(biāo)準(zhǔn)的工程趨近方式中，阻抗的大小的差的數(shù)量級(jí)在功能上類似于先前的電路。電容性交流阻抗較低以使在120208[VAC]的60赫茲系統(tǒng)中500[歐姆]的交流電阻器具有基本與先前的電路的交流電流阻隔二極管相同的端子特性。這種電路利用與500[歐姆]電阻器連接節(jié)點(diǎn)1-10分流的電容器的毫歐姆(mΩ)ESR以在電符合最小的電阻路徑的常規(guī)下能夠有效地引導(dǎo)交流電流通過電容器而非直流電路。在本例中，除了1409以外所示的全部部件組成直流偏壓源。偏壓的一種變型方法是用于說明可以構(gòu)建很多此類高交流阻抗偏壓方案來完成本發(fā)明的目標(biāo)。
圖15所示為一種變型的感應(yīng)方法，用于對圖13和14所示的極化電容器進(jìn)行偏壓。圖15由串聯(lián)交流源、負(fù)載和標(biāo)示為1509的反串聯(lián)電容器、三分立的三相電感器線圈以及直流電壓源1501組成。直流電壓源正接腳連接至輸出二極管P1和P2，同時(shí)負(fù)接腳連接至具有輸出NI的電流限制二極管。沿著這些線路，本領(lǐng)域熟練的人員應(yīng)該明白，此處建議很多附加的偏壓方案。注意，在標(biāo)示為1509的這種三相三線(德爾塔)交流系統(tǒng)中，輸出NI通過在節(jié)點(diǎn)1-3上的電感器連接到電感器負(fù)極，同時(shí)P1和P2連接至電感器正極4-9?？商砑又绷魍分械拇?lián)電阻元件以進(jìn)一步減少通過直流源的交流電流。還應(yīng)該注意的是，為了簡便起見，將整流器隔離變壓器從該示意圖中省略了。因此，可以正確地選擇高阻抗電感器或變壓器線圈以用于耦合直流電壓源至極化電容器，并提供交流阻隔用途。
這種現(xiàn)象導(dǎo)致了需要小心謹(jǐn)慎。安置在直流偏壓電壓上的磁線圈或小電阻產(chǎn)生了短路。如果不小心的話，這可能在極化電容器上造成毀滅性的反向電壓。反向極性的危險(xiǎn)是本領(lǐng)域熟練的人員所熟知的。由于這些原因，正常的過程應(yīng)該是使極化電容器總成作為單元使用。由于這些相同的原因，連接至中心節(jié)點(diǎn)的高通、低通、帶通阻隔濾波器必須也非常小心地處理。
記得馬達(dá)和變壓器具有成為一體的線圈。還記得能量轉(zhuǎn)換裝置通常包括隔離變壓器?？紤]通過本發(fā)明操作并聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)和其它的設(shè)備的分布電平變壓器。在這種普遍的情況下，電感器線圈和電阻器通路是在電容器組的源極和負(fù)載側(cè)二者中。這只對于用在Wye、Scott Tee、高接腳德爾塔、敞開德爾塔和德爾塔型連接的熱線以及在最先的三種情況中的中性線而言是正確的。還應(yīng)該注意的是，在交流功率系統(tǒng)中一般接地端是固體、電阻或電感型。因此，在正常穩(wěn)態(tài)操作模式中，我們具有以典型的單相和多相的電網(wǎng)絡(luò)到達(dá)導(dǎo)體的冗余直流偏壓通路。電容器組的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可以冗余連接；然而，由于上述的情況，對于外部節(jié)點(diǎn)而言，很少認(rèn)為這是需要的。
圖16所示為電路1600，它提供了適用于120240[vAC]的單相系統(tǒng)的本發(fā)明的一種實(shí)施方式。這是美國所使用的最常用的家用交流電力分布方案。注意，雖然可以包括一中性總成，但是反串聯(lián)電容器總成1609是在每個(gè)熱接腳中。電容器總成直流結(jié)合節(jié)點(diǎn)被偏壓在系統(tǒng)接地端之下。為了簡便起見，直流電源和交流電流阻隔的細(xì)節(jié)從示意圖中省略。交流系統(tǒng)接地、中性和熱接腳相對于穩(wěn)態(tài)直流是等電位表面。極化電容器可用于分立的交流紋波額定電流。可能需要并聯(lián)的電容器或電容器總成以實(shí)現(xiàn)任意額定交流電流。暫態(tài)(脈動(dòng)&涌浪)和/或穩(wěn)態(tài)電流參數(shù)可以用于確定在一給定的應(yīng)用中所需要的極性電容器的數(shù)目和設(shè)計(jì)。圖16所示為并聯(lián)的電容器總成，它是構(gòu)建成為使每一個(gè)內(nèi)部元件分流。并聯(lián)連接可以是固線式或可控制的。用于這種應(yīng)用的交流負(fù)載可以由兩線或三線240VAC供電。變壓器和負(fù)載中性線的中心繞組在本電路中牢固地接地。
網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和目的(比如共振)可以通過在電容器組中的切換而完成。這種切換可以人工、電機(jī)機(jī)械式或通過固態(tài)裝置而完成。在很多情況下(包含-無限制性鋁電解質(zhì)電容器)，電容、串聯(lián)電阻、交流阻抗、使用壽命、損耗因數(shù)等可以通過周圍和核心溫度調(diào)節(jié)而控制。這些電容器參數(shù)和電容器預(yù)期壽命隨著核心溫度而變化，并且可通過精細(xì)的溫度變化而略為調(diào)節(jié)。
理想的是，保持并聯(lián)單元的正確直流偏壓。還比較有利的是在可控制的切換單元的情況下在切換機(jī)構(gòu)的周圍提供高交流阻抗和低直流電阻連接。也應(yīng)該注意的是，電源變壓器提供冗余直流偏壓通路至電路1600的每一分支，但直流接合節(jié)點(diǎn)除外。通過將直流偏壓通路獨(dú)立于熔凝至翼和中心節(jié)點(diǎn)以及將每一極化電荷儲(chǔ)存裝置的交流路徑熔凝于240120[V]輸出的120[V]接腳中，可使圖16的電路更不會(huì)發(fā)生梯級(jí)故障。通過使輸出和中心節(jié)點(diǎn)(如果需要的話)分離，可進(jìn)一步使圖16的電路轉(zhuǎn)換為交流電流分配電路。
圖17所示為4n十極化電容器和偏壓電路1700的高電壓實(shí)例。電路1700一般包括交流源1701、反串聯(lián)極化電容器1702-1705和交流負(fù)載1716以及直流偏壓電路。直流偏壓源由電阻器1706、1707、1708、1713、1714和直流電壓源1709-1712組成。電容器1702、1703串聯(lián)，如同電容器1704、1705一樣。電容器對1702、1703和1704、1705連接于反串聯(lián)交流結(jié)構(gòu)中。它們也實(shí)質(zhì)是互相直流分流。因此，直流充電電流、泄漏電流和偏壓電壓成為并聯(lián)的2-電容器結(jié)構(gòu)。然而，交流信號(hào)實(shí)際上通過4個(gè)電容器的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。在考慮部件公差或誤差慮時(shí)，著個(gè)點(diǎn)在確定最大電容器電壓時(shí)是非常重要的。這個(gè)系統(tǒng)可以延伸以允許使用極化電容器的6n+、8n+和較高電壓交流電容器的結(jié)構(gòu)。注意，保持整體對稱性。在這種具體的實(shí)施例中，偏壓電壓是顯然地外部分配。這并非必要的，但只是示出了一種偏壓方法。如同其它電容器等級(jí)和型式的情況一樣，電容器實(shí)質(zhì)上是在部件誤差內(nèi)充當(dāng)交流和直流二者的分壓器。單一直流電壓源或兩個(gè)直流電壓源可以以適當(dāng)?shù)慕涣髯韪粞b置和偏壓方式取代。分布電阻器可以構(gòu)建成為，在電容器1702-1705上提供適當(dāng)?shù)闹绷髌珘弘妷悍峙浜透倪M(jìn)交流電壓分配。這種電阻性偏壓網(wǎng)絡(luò)可以減少電容器部件公差差異的影響。交流網(wǎng)絡(luò)阻抗、電容、等效串聯(lián)電阻等可以通過一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的電容器改變。在鋁電解質(zhì)電容器的情況下，如同為了散熱的緣故通常所構(gòu)建者一樣，可以是在負(fù)極的電壓上而不是系統(tǒng)接地的電壓，這需要加以一定的小心。所感興趣的另一區(qū)域在于可利用的非對稱性是關(guān)于交流和直流的電壓分配而存在。自頂至底掃描，存在三正向偏壓情況。自底至頂，存在相同數(shù)目的偏壓情況。注意，交流電壓的相同端的共用可以通過極化電荷儲(chǔ)存裝置的兩獨(dú)立的反串聯(lián)構(gòu)造而完成。這種替代的方法提供了較低的直流偏壓電壓源，并且包括交流串聯(lián)拓?fù)浜椭绷鞣至魍負(fù)鋮f(xié)同的原則的更多的例子。以上觀察的可利用性的一個(gè)實(shí)例是施加于電容器組之上的交流電壓的百分之25存在于任何給定的電容器中。在部件公差和/誤差之內(nèi)，能以降低的電壓監(jiān)視所施加的交流電壓，并且可以直接使用需要偏壓的任何電子裝置。
在傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)中可以避免將電容器串聯(lián)。主要的理由為，兩個(gè)相同的電容器串聯(lián)的電容為單一電容器的一半。由于經(jīng)濟(jì)上可實(shí)現(xiàn)的低階電容，就目前可用的交流電容器技術(shù)而言，這是比較糟糕的情況。然而，就本發(fā)明而言，此現(xiàn)象并不顯著。交流紋波電流(而不是電容)通常是本發(fā)明的限制參數(shù)。此處，本發(fā)明通過使用極化電荷儲(chǔ)存裝置提供過多的電容。
圖18所示為本發(fā)明的電路1800的又另一實(shí)例。電路1800使用可變的直流電壓源1801，其值和在反串聯(lián)電容器對1809上的交流電壓成比例以用于正向直流偏壓電容器對1809。這確保了反串聯(lián)電容器對1809能夠基于所施加的交流信號(hào)的大小保持足夠的正向偏壓。所示的小隔離變壓器的初級(jí)側(cè)是由機(jī)械式反串聯(lián)電容器總成1809的電壓激勵(lì)。注意，變壓器的初級(jí)側(cè)充當(dāng)?shù)离娙萜髡龢O的直流短路。如其它地方所討論的一樣，任何電感器具有這種物理特性。在1∶1和2∶1之間的變壓器初級(jí)和次級(jí)比適合于所描述的電路1□或3□的實(shí)施方式。具有濾波器的全波二極管橋耦合到變壓器的次級(jí)側(cè)。然后，電隔離的濾波的輸出如同直流電壓源一樣地進(jìn)入反串聯(lián)電容器。電阻器1803和二極管1802充當(dāng)交流阻隔裝置和從電容器直流接合節(jié)點(diǎn)m到直流電壓源負(fù)極的直流偏壓連接。隨著電容器交流電壓降(所施加的電壓)增加，直流偏壓電壓將增加。如果電容器的交流電壓降減少，則偏壓電壓將開始慢慢衰減。因此，這種構(gòu)造具有反饋的特性，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)所增加的直流偏壓電壓的需求。所示的負(fù)載電阻器1804與交流負(fù)載分流。這是預(yù)裝載的電阻器，并且本領(lǐng)域熟悉的技術(shù)人員廣泛地用于改進(jìn)電壓調(diào)節(jié)。圖18的這種偏壓可以用于提供連續(xù)正向偏壓以用于兩個(gè)電容器翼。如果部件的額定值適當(dāng)，則適合于處理暫態(tài)交流系統(tǒng)共振偏壓需求。各種實(shí)例可以包括在正直流偏壓接腳中的電阻。應(yīng)該注意的是，在很多應(yīng)用中，冗余直流偏壓源可能是理想的。減少部件數(shù)目的努力是圖18的電子設(shè)計(jì)的一個(gè)目的?？梢越⑦@樣的模擬系統(tǒng)其中直流電隔離由電容器提供。
圖19所示為電容器交流感應(yīng)(或分相)馬達(dá)，其使用本發(fā)明的極化電荷儲(chǔ)存裝置的實(shí)例。所示為交流源1904、開關(guān)1902、極化電荷儲(chǔ)存裝置對1903、和馬達(dá)(定子)繞組1900、1901。省略了交流偏壓電路和轉(zhuǎn)子的細(xì)節(jié)。馬達(dá)繞組1900連接到正向直流偏壓反串聯(lián)電容器總成1903。馬達(dá)(定子)繞組1901和1900、1903總成分流。開關(guān)1902關(guān)閉以連接交流源1904。分相(和/或電容器交流感應(yīng))馬達(dá)提供啟動(dòng)扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)場。1900、1903的串聯(lián)組合產(chǎn)生統(tǒng)一的或略超前的功率因數(shù)。這將促使通過線圈(馬達(dá)繞組)1900和1901的電流以約90度異相。不需要使馬達(dá)繞組1900脫離，其原因在于本發(fā)明適用于連續(xù)的任務(wù)。這種90度相移可以消除或減少單相馬達(dá)的120赫茲機(jī)械振動(dòng)(脈動(dòng))特征。可替換的是，馬達(dá)繞組1901可以在啟動(dòng)以后斷開。在穩(wěn)態(tài)和/或啟動(dòng)期間，任一方法可以用于構(gòu)建任意接近共振的電路。
圖20所示為調(diào)諧的共振串聯(lián)LC電路2000，其由本發(fā)明的電感器2001和極化電荷儲(chǔ)存裝置對2002組成。在這個(gè)圖中由反并聯(lián)間流體(SCR)組成的固態(tài)(單側(cè)靜止的)開關(guān)2003與2002分流。電阻器2004描述的是穩(wěn)態(tài)負(fù)載。串聯(lián)和/或并聯(lián)的電感器和電容器在業(yè)界中稱為LC電路，并且廣泛地用于濾波的目的。為了簡便起見，省去了直流偏壓細(xì)節(jié)。當(dāng)通過關(guān)閉開關(guān)2005建立電路故障狀態(tài)時(shí)，電流偵測器(環(huán)形線圈)2006檢測快速增加的電流。作為一種變型，可使用電壓感測機(jī)構(gòu)、接地故障檢測或替代的方法以檢測網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)。這種信號(hào)通過商用電路可操作地連接到固態(tài)開關(guān)。當(dāng)靜止開關(guān)使本發(fā)明的極化電荷儲(chǔ)存裝置2002短路時(shí)，2002的共振帶通電路變成極度感應(yīng)性并且具有電流限制性。商用固態(tài)開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間是次周期。注意，類似于2003的開關(guān)可大致上安置成為與電感器2001分流。通過使多余的電感短路，這提供了調(diào)諧穩(wěn)態(tài)交流網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的能力?？梢越㈩愃频恼{(diào)諧和去諧機(jī)構(gòu)以用于分流LC電路和混合的設(shè)計(jì)。
圖21所示為總成2100，它包含四個(gè)極性電容器2101至2104，電容器2101至2104由不導(dǎo)電的垂直條2111和2112懸承，且連接至2107、2108。電容器2101和2102通過負(fù)極導(dǎo)體2105而分流，且使熱交換器2107導(dǎo)電，如同由導(dǎo)體2106和2108連接的電容器2103和2104一樣。為了簡便起見，省去了正極電容器套管和偏壓電路細(xì)節(jié)。就本實(shí)例而言，選擇具有成為一體的基部螺栓的極化電容器是因?yàn)樗鼈兊臒醾鲗?dǎo)能力。導(dǎo)體2107基本上與導(dǎo)體2105和罐體2101、2102的電位相同。類似地，在商業(yè)上在最常用的大形罐體電解質(zhì)電容器中2108和2106以及罐體2103、2104實(shí)際上是短路。液體電介質(zhì)(油)液面是在導(dǎo)體2107和2108之上以便散熱而不需要考慮電連接。如果保持干燥連接和清潔的壓力通孔，則油的液面上升至電容器外罩之上以使觸電的安全性最大化。所示為簡化的外部熱交換器2109的機(jī)械管路。簡單的設(shè)計(jì)顯示了一種提供電隔離和調(diào)節(jié)的用于極化電荷儲(chǔ)存裝置的穩(wěn)態(tài)操作的方法。通過調(diào)整油溫，可改變極化電荷儲(chǔ)存裝置和電容參數(shù)的預(yù)期壽命。電的安全性是由液體電介質(zhì)和絕緣連接件的絕緣特征提供。術(shù)語“液體電介質(zhì)”并不意味著排除了經(jīng)由氣體或固體電介質(zhì)而具有的溫度傳導(dǎo)、對流、輻射和/或聲子傳送能力的絕緣和熱調(diào)節(jié)，并且它是說明性的而非限制性。在油中保持良好電接觸的各種絕緣連接機(jī)構(gòu)和方法是業(yè)界所熟悉者。例如，絕緣蓋、靴、密封、套筒或通氣排放管和/或干燥連接方法和產(chǎn)品，例如‘chico’和硅。增加冷卻和電安全性的這種相同的目標(biāo)可以通過增加在接觸安全封閉件(比如在技術(shù)規(guī)格內(nèi)的進(jìn)入保護(hù)IP-20)中的空氣流來實(shí)現(xiàn)。一體的熱交換器設(shè)計(jì)可以使用在2107、2108和封閉件中以進(jìn)一步提高熱傳遞效率。應(yīng)該注意的是，外部熱交換器2109可以連接到各種加熱和/或冷卻機(jī)構(gòu)，比如水浴或熱泵。優(yōu)選的實(shí)施方式隨著裝置的功率電平、周圍溫度、最佳的電容器參數(shù)、接觸安全性和類似的考慮而改變。此外，極化電荷儲(chǔ)存裝置和極化電荷儲(chǔ)存裝置的組合可由多個(gè)電極建立，為了熱傳導(dǎo)的緣故通過罐體或通過熱交換加強(qiáng)件將其暴露在人的接觸之中。這些設(shè)計(jì)有助于接觸安全性的問題，而且進(jìn)一步增加了與電接觸安全考慮設(shè)施相關(guān)的溫度調(diào)節(jié)的實(shí)用性。使用“罐體中的罐體”設(shè)計(jì)的各種制造技術(shù)、各種物質(zhì)的狀態(tài)、物質(zhì)運(yùn)輸?shù)仍谟糜趯?shí)施本發(fā)明的熱調(diào)節(jié)中預(yù)期具有重要的應(yīng)用。類似地，在使用電絕緣設(shè)計(jì)考慮措施時(shí)，直接將熱交換元件插入到電容器外殼中是可行的。
圖22所示為電路2200，該電路2200由交流源2201、自動(dòng)變壓器2202、電阻器2203、整流器 2204、開關(guān)2205、極化電容器2206、2207和交流負(fù)載2208組成。自動(dòng)變壓器2202將系統(tǒng)交流電壓調(diào)整到由與系統(tǒng)交流電壓不同的電阻器2203和二極管2204組成的充電電路中?？蛇x擇的負(fù)載電阻器2208將電容器2206連接至充電電路。充電電路使極化電容器保持在任意直流偏壓電壓下，直到結(jié)合負(fù)載為止。利用半波或全波整流器橋以及其它此類的方法，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的操作能力?？梢允褂脤?shí)現(xiàn)電隔離的替代方法，這種方法適合于保持極化電容器的連續(xù)直流偏壓電壓?？梢詫@種系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以通過由兩個(gè)電容器將自動(dòng)變壓器連接至交流電源來提高直流電隔離。還進(jìn)一步需注意的是，兩個(gè)電容器可以是極化電荷儲(chǔ)存裝置的反并聯(lián)組。這種方法具有在能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用(諸如整流器和反相器)中應(yīng)用的能力。電路可以自行偏壓，即，不需要控制電路。這種電路基本說明了在偏壓電路中使用自動(dòng)變壓器以實(shí)現(xiàn)選擇的偏壓電壓電平。電路可以包括分接頭變換器、受控制的整流器等以調(diào)節(jié)直流偏壓電壓電平。
圖23所示為交流源2301、極化電容器2302、2303、可控制的整流器2304、電流限制電阻器2305、負(fù)載電阻器2306、開關(guān)2307和負(fù)載2308。諸如IGBT的可控制的整流器2304、晶體管、截止SCR等可以選通或關(guān)閉以控制直流偏壓電壓的電平。當(dāng)交流電流流動(dòng)通過電容器2302、整流器2304、電流限制電阻器2305時(shí)，形成半波整流。高阻抗的預(yù)負(fù)載電阻器2306可以省略。這種電路具有累積并保持調(diào)節(jié)的電容器偏壓電荷的能力，并且不會(huì)對電容器過度充電。省去了整流器控制電路的細(xì)節(jié)，其原因?yàn)檫@種控制電路是商用，并且設(shè)計(jì)技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的。應(yīng)該注意的是，這種構(gòu)造在小信號(hào)體系中運(yùn)行，并且在暫態(tài)和/或穩(wěn)態(tài)操作中可以使用。還應(yīng)該注意的是，未受控制的整流器(二極管)可以取代2304。電路在電容器2302、2303上建立并保持直流偏壓電壓，該偏壓電壓基本等于交流源2301的尖峰至零電壓的大小。通過電阻器2305的穩(wěn)態(tài)直流電流實(shí)質(zhì)等于電容器2302、2303的直流泄漏電流。
圖23A所示為更清楚地顯示充電機(jī)構(gòu)的簡化電路23。重新對電路元件進(jìn)行排序以符合需要。當(dāng)選通可控制的整流器2304時(shí)，半波或其一部分形成整流電流，并且電荷累積在電容器2302中。電阻器2305或類似裝置用于減少暫態(tài)(直流偏壓充電、半波)電流，并且使負(fù)載(未顯示)保持接合。沒有顯著的穩(wěn)態(tài)交流電流流經(jīng)電阻器2305。
圖24所示為交流源2401、齊納二極管2402、二極管2403、極化電容器2404、2405、阻隔二極管2406、阻隔電阻器2407、選擇性電阻器2408、開關(guān)2409、交流負(fù)載2410和電感器2411。這是圖23的電路的未控制型。與二極管2403反串聯(lián)的齊納二極管2402和電感器2411限制了電容器偏壓電壓而不使用控制電路。一部分多余的直流偏壓電壓通過齊納二極管2402、二極管2403和電感器2411導(dǎo)電并耗散。應(yīng)該注意的是，根據(jù)選擇的元件值的不同，這種構(gòu)造可能犧牲在小信號(hào)體系中的操作能力。還應(yīng)該注意的是，電感器2411也能以電阻器或其它適當(dāng)?shù)慕涣髯韪?、直流損耗部件取代。
圖25所示為電路2500，該電路由交流源2502、極化電容器2512、2514和交流負(fù)載2520組成。還示出了直流偏壓源，該直流偏壓源由電阻器2503、2505、2507、2509、二極管2521和直流電壓源2522組成，即使在交流源或負(fù)載自電路切斷時(shí)該直流電壓源也可操作。直流偏壓源在電容器2512、2514上建立并保持正向偏壓電壓。電阻器2503、2505、2507、2509、二極管2521使直流電壓均勻分布在電容器上，并且防止任何顯著的交流電流旁通于電容器。注意，這種電流的任何單一節(jié)點(diǎn)可操作性連接到系統(tǒng)接地端。在本圖中，交流負(fù)載和交流源在不同的直流參考電壓下工作。
這個(gè)電路尤其說明了反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置(在圖中的極化電容器2512和2514)的構(gòu)造可以具有多于一個(gè)的直流接合節(jié)點(diǎn)。包括電容器負(fù)極連接處的交流裝置2507、2509的第一直流結(jié)合節(jié)點(diǎn)耦合至交流負(fù)載，而包括電容器負(fù)極連接處的交流裝置2503、2505的第二直流結(jié)合節(jié)點(diǎn)耦合至交流源。該電路還進(jìn)一步顯示電容器的定向可以任意配置成正對正、負(fù)對負(fù)或具有獨(dú)立的交流裝置，而對于在未接地的應(yīng)用中對交流功率傳送沒有第一級(jí)的影響，其中直流方案與交流功率傳送的關(guān)系很小。
圖26所示為電路2600，電路2600由交流源2602、交流負(fù)載2622和極化電容器對2604、2606和2608、2610組成。相關(guān)的直流偏壓電路由直流電壓源2618供電，并且通過串聯(lián)二極管2621和串聯(lián)電阻器2619以及相關(guān)的分布電阻器2605、2609、2611、2613和2617導(dǎo)電。注意，電阻器2605、2615使電容器2604、2606和2608、2610的正直流節(jié)點(diǎn)保持均勻直流電壓。類似地，電容器的負(fù)直流節(jié)點(diǎn)由電阻器2603、2607、2609、2611、2613、2617保持在共同直流參考電壓。二極管2621和電阻器2619用于阻隔交流電流以免其通過直流電壓源2618。點(diǎn)A顯示了到達(dá)上偏壓電路的連接點(diǎn)。正確選擇的電阻值可用于減少交流電壓分布的電容器部件變化的影響。電路2600所示為使用單一低直流電壓源來偏壓以串聯(lián)方式配置的兩個(gè)反串聯(lián)極化電容器對。每一電容器基本上配置成與直流電壓源和其它的電容器成直流分流。顯然，在串聯(lián)構(gòu)造中，三個(gè)或更多個(gè)的反串聯(lián)電容器對可由具有適當(dāng)偏壓電壓分布網(wǎng)絡(luò)的單一低電壓源類似地進(jìn)行偏壓。
圖27所示為電路2700，電路2700包含交流源2702、隔離變壓器2704和反串聯(lián)極化電容器2706、2708。也包括直流偏壓源，該直流偏壓源由半導(dǎo)體閘流管橋2709-2715、線圈2717、2719、偏壓電阻器2723-2729和通過節(jié)點(diǎn)X連接至電容器2706、2708的正電壓極的濾波電容器2721組成。沒有示出的是到電容器2706、2708的負(fù)極的直流負(fù)輸出的類似的交流阻隔連接。通過電感器2717、2719和極化電容器2721對整流輸出波進(jìn)行濾波，且傳導(dǎo)到直流負(fù)載2730。當(dāng)適當(dāng)?shù)慕涣髯韪粞b置將電容器負(fù)極連接至電壓源負(fù)極時(shí)，一小部分可用的直流功率用于正向偏壓電容器2706、2708。這種結(jié)構(gòu)說明了在交流應(yīng)用中極化電容器的直流阻隔特性。還示出了一種將所產(chǎn)生的直流電壓使用于常見的應(yīng)用設(shè)備(諸如電池充電器或直流電源)中的方法。使用反串聯(lián)電容器以提供用于一般用途的直流電壓源。可替換的是，可以使用獨(dú)立的直流偏壓源來對電容器進(jìn)行正向偏壓。
圖28所示為電路2800。電路2800是由三相隔離變壓器2802、2814、極化電容器2804、2806、2808、直流源2810和電阻器2811組成。極化電容器2804、2806、2808處于類似于圖25、27的單相電路的反串聯(lián)構(gòu)造。通過并入電感器2802、2814的直流接合節(jié)點(diǎn)在電容器2804、2806、2808上施加適當(dāng)?shù)恼蚱珘弘妷骸Ｖ绷髌珘涸从呻姼綦x直流電壓源2810和串聯(lián)電阻器2811組成。直流偏壓源和電容器2808直接分流，并且和電容器2804、2806實(shí)質(zhì)上為直流分流。在2802初級(jí)側(cè)的電感器(變壓器繞組)上施加正直流偏壓參考電壓至電容器2804、2806的正極。類似地，2814A的變壓器繞組(非初級(jí)側(cè))連接電容器負(fù)極至直流偏壓源的負(fù)極?？梢允褂萌哂嗟闹绷髌珘涸磥碓黾釉O(shè)計(jì)強(qiáng)度。這個(gè)圖教導(dǎo)了一種在多相交流系統(tǒng)的每一熱接腳中使用單一極化電容器的直流分流配置。如圖所示，這種系統(tǒng)與單一點(diǎn)接地相容(但不是必須的)以用于操作。在馬達(dá)發(fā)電機(jī)組合中可以使用類似的繞組配置。這個(gè)電路還進(jìn)一步教導(dǎo)了多相交流反串聯(lián)結(jié)構(gòu)和用于連續(xù)的正向直流偏壓的方法。
圖29所示為電路2900，電路2900是美國居民常用的單相240120VAC的單相網(wǎng)絡(luò)。電路2900由交流源2902、交流源變壓器2904、極化電容器2906、2908、2910、直流源2913、交流阻隔電阻器2911和交流負(fù)載2912、2914、2916、2918組成。在電路2900中的電容器反串聯(lián)結(jié)構(gòu)由每一接腳中的單一極化電容器組成。由直流電壓源2913和交流阻隔電阻器2911組成的直流偏壓源和極化電容器2910分流，并且通過變壓器繞組和交流負(fù)載實(shí)質(zhì)上與極化電容器2906、2908分流。注意，交流負(fù)載2912、2914由120VAC供電，負(fù)載2916由三線120240VAC供電，而2918由兩線240VAC供電。這個(gè)電路所示為圖16所示的變型反串聯(lián)電容器構(gòu)造。注意，連接到電容器2908正極的電源變壓器次級(jí)或中性節(jié)點(diǎn)和負(fù)載2912、2914、2916可以接地。注意，在這種結(jié)構(gòu)中，兩側(cè)不可以同時(shí)接地。接地回路會(huì)使直流偏壓電壓短路。注意，交流電路元件使這種反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置結(jié)構(gòu)中的極化電容器分離，并且充當(dāng)穩(wěn)態(tài)直流短路電路。這個(gè)電路教導(dǎo)了將交流電路元件并入在直流電容器耦合中的直流接合節(jié)點(diǎn)的另一實(shí)例。
圖30所示為電路3000，電路3000是單相交流電路，它使用單一二極管以建立并保持施加在反串聯(lián)電容器對上的直流偏壓電壓。電路3000由交流源3001、電源變壓器3003、反串聯(lián)電容器對3013、3015、交流負(fù)載3020和直流偏壓電路組成，直流偏壓電路包括極化電容器3005、整流器3007和電阻器3009、3011。整流器3007和電阻器3009、3011對電容器3005、3013、3015充電，并將交流電流基本阻隔在穩(wěn)態(tài)。為了簡便起見，省略了電阻器3011和交流負(fù)載3020之間連接的細(xì)節(jié)。直流電源適用于連續(xù)操作，但不提供全波整流。極化電容器的小穩(wěn)態(tài)直流功率需求使得此成為很有用并且經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。交流源變壓器3003的初級(jí)側(cè)和交流源3001當(dāng)然沒有來自次級(jí)側(cè)的直流電。由于相對于交流負(fù)載的小穩(wěn)態(tài)偏壓功率負(fù)載，半波整流產(chǎn)生的反射諧波導(dǎo)致的交流源困難度很小。圖30教導(dǎo)了一種適用于連續(xù)操作的簡單電路實(shí)例。
設(shè)計(jì)考慮因素基本的設(shè)計(jì)考慮因素是極化電荷儲(chǔ)存(PECS)裝置技術(shù)和配置的選擇。直流電壓范圍限制必須詳細(xì)考慮。例如，工業(yè)用鎳鎘(Nicad)電化學(xué)電池具有每個(gè)電池1.2伏特的公稱電壓。電池能均衡充電地運(yùn)行，并且每個(gè)電池的最后放電電壓分別為1.7和1.0伏特。設(shè)計(jì)電壓范圍通常為每個(gè)電池1.05-1.5伏特。然后，所選擇的電池?cái)?shù)目符合適當(dāng)?shù)牟考?或系統(tǒng)交流電壓和/或共振交流電壓?？梢詰?yīng)用電池所允許的交流紋波電流來決定在交流應(yīng)用中所需要的并聯(lián)電池和/或電池組的數(shù)目。然后，選擇調(diào)節(jié)過的電池充電裝置以將電化學(xué)電池適當(dāng)?shù)乇３衷诔潆姞顟B(tài)。每一極化電荷儲(chǔ)存裝置或裝置的組合需要本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的類似的直流系統(tǒng)電壓設(shè)計(jì)步驟，在此提供用于鋁電解質(zhì)電容器的設(shè)計(jì)步驟的更詳細(xì)說明。
波形傳送保真度是重要的，通過保持在小交流信號(hào)體系中可以顯著地增加?？梢詫⒈景l(fā)明構(gòu)造成在任意程度上都保持在這種體系中。
本發(fā)明的在電路應(yīng)用中的典型限制設(shè)計(jì)參數(shù)是可允許的交流紋波電流。穩(wěn)態(tài)電流和暫態(tài)負(fù)載電流二者都必須考慮。在本發(fā)明中，對于用于大多數(shù)目的，紋波電流可以被認(rèn)為為所允許的位移電流。計(jì)算機(jī)等級(jí)、電容器公稱數(shù)據(jù)是根據(jù)120赫茲。用于典型計(jì)算機(jī)等級(jí)電容器但在60[赫茲]下運(yùn)行的頻率響應(yīng)、紋波電流、降低額定因數(shù)為0.8。本發(fā)明節(jié)余了充裕的電容。因此，可以經(jīng)由一給定的電容器，將交流電流減少至任意值。通過簡單方便地增加并聯(lián)極性電容器總成的數(shù)目可以實(shí)現(xiàn)這些。當(dāng)實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)，分流電容器將進(jìn)一步減少交流阻抗，并且可充當(dāng)負(fù)載電壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
所考慮的一個(gè)電路設(shè)計(jì)參數(shù)是交流電流承載能力。應(yīng)用的暫態(tài)需求應(yīng)視為本發(fā)明的成功應(yīng)用的關(guān)鍵。變壓器沖擊電流和馬達(dá)啟動(dòng)電流是本發(fā)明的偏壓極性電容器規(guī)格選擇的一個(gè)主要考慮因素。其次，相關(guān)的考慮因素是電容器組的串聯(lián)阻抗。由I2R損失所產(chǎn)生的熱是電容器壽命的最重要原因。過多的熱累積對于極化電容器和/或其它極化電荷儲(chǔ)存裝置具有破壞性。通常不需要將裝置的電容視為規(guī)格參數(shù)。
很多應(yīng)用系統(tǒng)是三相或單相3線系統(tǒng)。因此，某些不確定性隨著適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)步驟接踵而來。每一接腳的單一電容器是相當(dāng)明確，但就每一接腳中的反串聯(lián)對或構(gòu)造而言，具有不同的裝置間和裝置內(nèi)電壓。例如，在120208VAC方案中，由于兩接腳的串聯(lián)組合，裝置間接腳到接腳(LL)故障將達(dá)104[VAC]。另一方面，裝置內(nèi)故障將達(dá)208[VAC]。在本發(fā)明中的接腳到中性故障將達(dá)120VAC]。應(yīng)用細(xì)節(jié)、電和糾錯(cuò)循環(huán)碼將決定是否應(yīng)使用最壞狀況的設(shè)計(jì)參數(shù)。在共振的情況下，裝置內(nèi)的電壓需求約為312[VACRMS]，其對應(yīng)于442伏特尖峰至零。這將需要221[VDC]的最小直流偏壓電壓以及超過442[VDC]的電容器額定電壓，而忽略電容器部件故障和交流系統(tǒng)電壓變化。
注意，電路故障保護(hù)和涌浪保護(hù)是在所有應(yīng)用中的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。基本考慮因素也包括網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用的對稱和非對稱故障電流。必須提供適當(dāng)?shù)难b置以允許消除下游故障而不會(huì)對本發(fā)明造成不必要的損壞。對于這種任務(wù)，保險(xiǎn)絲、電路斷路器、開關(guān)、接地故障電路中斷器、電流限制裝置和固態(tài)裝置都需要考慮。應(yīng)用細(xì)節(jié)將決定保護(hù)元件的適當(dāng)組合。MOVS和其它的涌浪避雷器可以安置成為中性和接地以減少電壓涌浪和波峰。類似地，它們可安置成為與本發(fā)明分流。在高電壓狀態(tài)下這可以類似地減少對于裝置部件的損傷。
允許兩端口電路傳輸分析技術(shù)和大多數(shù)兩端口互聯(lián)。當(dāng)本發(fā)明的交流端子視同黑箱時(shí)，這些工具可以用于本發(fā)明，如同任何其它交流電容器實(shí)例一樣。注意，在使用這種技術(shù)時(shí)，通常發(fā)表一組工程趨近聲明。在工程趨近中，這些包含第一階趨近、簡單模型等。
沖擊、啟動(dòng)以及故障電流具有百分之五十(0.5，滯后)級(jí)的、極低的、滯后的功率因數(shù)。在某些情況下，這些電流的大小可以通過由串聯(lián)電容而減少。在電路分析和導(dǎo)體選擇時(shí)，最大電流是重要的設(shè)計(jì)考慮因素。在網(wǎng)絡(luò)分析和串聯(lián)電容器的大小方面，必須類似地考慮馬達(dá)啟動(dòng)、馬達(dá)鎖定、沖擊電流、全負(fù)載電流和故障電流的持續(xù)時(shí)間。本發(fā)明適用于使用序列方法的故障分析和其它的標(biāo)準(zhǔn)故障計(jì)算。
本發(fā)明適于與交流負(fù)載和/或電源分流。交流電路表現(xiàn)出共振電流現(xiàn)象，其與關(guān)聯(lián)于串聯(lián)應(yīng)用中的電壓所詳述的現(xiàn)象類似。通常通過在交流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的循環(huán)控制，使分流電容器受到電流限制或時(shí)間限制。本發(fā)明所提供的高電容可改進(jìn)分流構(gòu)造和在串聯(lián)應(yīng)用中的可用的通用用途。分流構(gòu)造的極化電荷儲(chǔ)存裝置設(shè)計(jì)考慮因素包含交流電流，其達(dá)到交流源所提供電流的150％。如果忽略電流限制方法，則本發(fā)明的低交流阻抗可能產(chǎn)生虛擬短路。在交流分流應(yīng)用中，諸如電阻器的電流限制負(fù)載可以安置成為與反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置構(gòu)造串聯(lián)。如果電阻器正在做有用功，則能量不會(huì)損失。
共振已經(jīng)良好地界定，并且為本領(lǐng)域熟練的人員所了解。這種現(xiàn)象的兩個(gè)最基本表現(xiàn)是串聯(lián)和并聯(lián)共振。有時(shí)候，電路共振是設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在其它時(shí)候，共振是未計(jì)劃的且具有破壞性。具有共振現(xiàn)象的電路將呈現(xiàn)遠(yuǎn)超過非共振操作可見的電流和/或電壓。當(dāng)預(yù)期有共振狀況時(shí)，通常是使電路電流容量以和/或額定電壓增加多于百分之五十。由于高電壓和/或電流的狀態(tài)，共振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須包含額外散熱措施。在這種狀況下，損失角(德爾塔)和所測得的熱產(chǎn)生成為重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在某些應(yīng)用中，可以調(diào)諧電路成為只在低系統(tǒng)電壓情況期間共振。這就使得與串聯(lián)共振電壓相關(guān)的上升可補(bǔ)償?shù)碗妷合到y(tǒng)狀況。類似的設(shè)計(jì)可以用于分流或混合共振設(shè)計(jì)的電流保持。
在本發(fā)明中也必須考慮暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)電壓涌浪和尖峰。由于雷電、切換操作和類似的事件導(dǎo)致電壓上升主要依靠所有的裝置。在保護(hù)本發(fā)明和其它的相連接裝置免受損傷的電路中，電感器、MOV、雪崩二極管以及其它涌浪避雷器具有某些用途。本發(fā)明通過與瞬間電壓改變相反的電容，對于相連接的負(fù)載提供某些暫態(tài)保護(hù)。如果傳輸時(shí)間常數(shù)比到地端的MOV的時(shí)間常數(shù)更長，則負(fù)載可以略去。而且，必須使用與電流限制和電流保護(hù)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)約束條件。例如，以正弦波形為例。尖峰至零電壓大小要比均方根值大根號(hào)2的因數(shù)。因此，就120[VAC]電源而言，實(shí)際尖峰至零電壓值是169.71伏特。在(120208)[VAC]的三相的情況下，后者的圖形是線至線均方根電壓，且與線至中性電壓之差異是根號(hào)3的因數(shù)。因此，等效線至線尖峰到零電壓是293.94[VAC]。
大部分有用的交流電負(fù)載具有滯后的功率因數(shù)。本發(fā)明可以添加穩(wěn)定的超前功率因數(shù)裝置至公共設(shè)施中。當(dāng)與電阻性和/或滯后的功率因數(shù)負(fù)載串聯(lián)時(shí)，改進(jìn)的統(tǒng)一或超前功率因數(shù)可以由交流源實(shí)現(xiàn)，如圖所示。根據(jù)需要，電容性電路和/或感應(yīng)元件可以在網(wǎng)絡(luò)切換。可以獨(dú)立地控制反串聯(lián)電容器，并且當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)綜合電路參數(shù)改變。凈結(jié)果是增加的功率傳送的效率、控制和穩(wěn)定性。此外，根據(jù)需要可以增加信號(hào)傳送保真度和能量儲(chǔ)存。對于公用設(shè)施而言，這些是有價(jià)值的增加。
沖擊電流在電柵極電壓調(diào)節(jié)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。串聯(lián)電容器具有改進(jìn)沖擊電流功率因數(shù)的能力。改進(jìn)的瞬間功率因數(shù)使得對于連接的電源或電子設(shè)施的瞬間電流大小的需求減少。可以觀察到，極化電容器交流阻抗隨著導(dǎo)通的電流而增加，這是本發(fā)明的另一電流限制特性。減少的瞬間電流需求使瞬間功率傳輸和分布損失減少。減少的傳輸和分布損失使得對于電源或所連接的設(shè)施之需求減少。因此，我們看到，減少的沖擊和啟動(dòng)需求增加了網(wǎng)絡(luò)瞬間保留功率容量和穩(wěn)定性。在此公開和/或在此間接提到了其它的電流限制方法并要求保護(hù)。
穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)是本發(fā)明的類似應(yīng)用。可以再分配串聯(lián)電容器組。當(dāng)交流負(fù)載增加時(shí)，額外電容器可以通過靜止開關(guān)、電機(jī)機(jī)械接觸器或其它機(jī)構(gòu)而上線。通過這種方法，電容器組的串聯(lián)電容減少。類似地，在共振應(yīng)用中，電容的增加或減少對于網(wǎng)絡(luò)交流電壓具有深遠(yuǎn)的影響。因此，交流電壓調(diào)節(jié)可以是本發(fā)明的用途之一。在某些情況下，兩個(gè)交流系統(tǒng)具有不同的直流偏壓狀態(tài)。如果它們具有共同的大小并且相鎖定，則本發(fā)明可以將它們耦合在一起。本發(fā)明可以提供替代的隔離交流耦合方法。所預(yù)期的是，由此用途可以產(chǎn)生很多應(yīng)用。
本裝置可以使用于連續(xù)任務(wù)的單相的分相馬達(dá)和/或電容性交流感應(yīng)馬達(dá)中。因此，當(dāng)為了此任務(wù)進(jìn)行卷繞時(shí)，兩個(gè)繞組可以連續(xù)使用。這種垂直電流操縱界定了單相馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。它又進(jìn)一步用于消除120赫茲振動(dòng)(hum)，這種振動(dòng)存在于單相馬達(dá)中。這種實(shí)施方式允許消除斷開電路。可替換的是，在啟動(dòng)以后消除滯后繞組，可以使分相馬達(dá)設(shè)計(jì)反向。精密調(diào)節(jié)的向量電流的靈巧運(yùn)用可以用于經(jīng)濟(jì)性改進(jìn)來自單向電源的三相電的合成。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)可能需要與極化電容器并聯(lián)的泄放電阻器等。在維修操作期間，這使人員的安全性增加。當(dāng)單位電源已斷開或卸下時(shí)，泄放電阻器可為全時(shí)裝置，或可替換地，可以接入電路中。很多電力規(guī)格明確要求泄放電阻器。雖然某些響應(yīng)、效率和穩(wěn)定性隨著泄放電阻器的添加而消失，但它們并未對于本發(fā)明造成顯著的操作問題。此電阻器用于減少由于電容器部件公差和/或部件誤差導(dǎo)致施加在電容器的交流和直流電壓變化的附加目的。注意，電容、阻抗、泄漏電流等隨著溫度、使用時(shí)間和其它使用狀況而改變。在使用多個(gè)串聯(lián)和/或反串聯(lián)總成之處，這些因數(shù)變得重要。
在碰到串聯(lián)共振狀態(tài)的時(shí)候，理想的是增加電容器額定電壓和直流偏壓電壓的大小。在交流網(wǎng)絡(luò)中的暫態(tài)共振狀態(tài)可能需要受控制的(調(diào)節(jié)的)直流偏壓電源，否則由未受控制的電源所作用在設(shè)備中。在此討論并要求保護(hù)一種選擇性的、未受控制的浮動(dòng)直流偏壓方案，它仍然提供用于各種操作模式的適當(dāng)?shù)碾娢弧４?lián)負(fù)載電阻和內(nèi)部電容器電阻通常阻尼某些共振現(xiàn)象。在交流網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中的電容器規(guī)格通常不需要這種高額定電壓。隨著在交流網(wǎng)絡(luò)中的極化電容器的廣泛使用，這可能變成更普遍的設(shè)計(jì)需求。
此外，感應(yīng)發(fā)電機(jī)在供電感應(yīng)馬達(dá)方面具有重要的困難。磁化VAR實(shí)質(zhì)上缺乏。本發(fā)明提供了很多電容性電抗，因此實(shí)質(zhì)上改進(jìn)了這種應(yīng)用。由于感應(yīng)發(fā)電機(jī)基本比同步發(fā)電機(jī)便宜，因此預(yù)期可獲得較大的經(jīng)濟(jì)利益。
可以考慮共振和非共振應(yīng)用(就低于極化電荷儲(chǔ)存裝置的自共振頻率的任何頻率而言)，并且可以計(jì)算和/或測量。類似地，可以選擇其它任意的波形應(yīng)用以用于計(jì)算和/或測量。在下列例子中，考慮使用計(jì)算機(jī)等級(jí)、較大的鋁罐體、在非共振中的電解質(zhì)電容器、正弦、六十60[赫茲]的實(shí)例的應(yīng)用。在本例中，可以執(zhí)行簡單的第一階計(jì)算。
考慮一種簡單的分布負(fù)載應(yīng)用，在其中最大穩(wěn)態(tài)的電流是10安培，并且最大的暫態(tài)狀態(tài)為90安培。暫態(tài)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間假設(shè)為熱顯著。系統(tǒng)電壓是120[VACRMS]，加或減10％。所選擇的周圍操作溫度是45度。本發(fā)明的正向偏壓、反串聯(lián)電容器對安置成為與單一電源和負(fù)載串聯(lián)。(反串聯(lián)對將安置在熱導(dǎo)線中)。假設(shè)電容為公稱值的+/-20％。將應(yīng)用10％的設(shè)計(jì)系數(shù)。簡單的、一階計(jì)算假設(shè)移動(dòng)空氣狀態(tài)而無散熱器或其它熱容器設(shè)計(jì)或應(yīng)用增熱方式。在本例中忽略溫度和頻率校正以及電容器制造公差。類似地，忽略用于減少的失真和壽命延伸的電壓界限。
令Vrms＝交流電壓的均方根值Vpp＝交流電壓波的大小，尖峰至尖峰Vpo＝交流電壓波的大小，尖峰至零Vhalf＝一串聯(lián)反串聯(lián)對的單一電容器的交流電壓Vsurge＝電容器額定的最大直流涌浪電壓WVDC＝電容器的額定直流電壓Vbias＝電容器直流偏壓電壓Dfac＝10％的設(shè)計(jì)系數(shù)Cfac＝20％的電容變化注意Vpp＝2Vpo＝2Vhalf＝2Vrms(根號(hào)2)可以觀察到的是，Vbias加上Vhalf的瞬時(shí)疊加必須保持在低于WVDC。還應(yīng)該注意到，Vbias的大小必須等于或超過Vhalf以在極化電容器上保持連續(xù)的正直流偏壓電壓狀態(tài)。進(jìn)一步還可以觀察到，當(dāng)直流偏壓電壓是WVDC的大小的1/2時(shí)，交流電壓穩(wěn)態(tài)的大小最大化。當(dāng)直流偏壓電壓是電容器的最大直流涌浪電壓范圍的1/2時(shí)，交流涌浪的大小最大化。因此，我們觀察到，(Vbias+Vhalf)必須等于或大于(GE)，即，系統(tǒng)交流電壓的大小。交流電壓分配受到電容器的實(shí)際電容變化的影響。所以，就電容變化的20％的公差和10％的系統(tǒng)電壓大小的變化而言，我們可得(Vpp)×Dfac×Cfac＝169.71×2)×1.10×1.20＝448.03伏特。
以每一電容器為基準(zhǔn)，這變?yōu)?Vpo)×Dfac×Cfac＝(169.71)×1.10×1.20＝224.02伏特。
在本發(fā)明的兩反串聯(lián)翼上對交流電壓進(jìn)行分壓。因此，我們可以從這些信息中做第一階裝置選擇。
最近的Cornell Dubilier Catalog列出了型號(hào)DCMC123T450FG2D。所列出的這種電容器的公稱電容器值為12,000微法拉，ESR為13.3毫歐姆，以及最大額定交流紋波電流為24.0安培。WVDC和Vsurge分別為450VDC和500VDC。對于這種情況，Vbias應(yīng)選擇為WVDC/2或225伏特直流。這對應(yīng)于如下的公稱疊加電壓Vhalf+WVDC/2＝449.02伏特選擇總共8個(gè)電容器(每側(cè)四個(gè))將提供96安培的額定電流。
裝置的總公稱電容是12,000×4/2＝24,000微法拉。公稱ESR是6.65毫歐姆，電容器阻抗是在12毫歐姆左右，并且暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的負(fù)載阻抗大小分別為1.33歐姆和12.0歐姆。電容器總成的穩(wěn)態(tài)交流電壓降是在0.12伏特左右，而在更嚴(yán)酷的暫態(tài)狀態(tài)中的每一電容性翼的電壓降是1.1伏特。在本例中，我們看到，除了共振和故障狀態(tài)以外，電容器額定電壓遠(yuǎn)高于所需的電壓?？紤]低額定電壓電容器的優(yōu)點(diǎn)是尺寸、重量、電容和成本。缺點(diǎn)是裝置在故障或共振狀況時(shí)毀壞?？傊?，應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和安全考慮通常決定有爭議的問題?？梢栽O(shè)計(jì)這種裝置使用快速保險(xiǎn)絲、涌浪避雷器、泄放電阻器、計(jì)量和拋光電容器以進(jìn)行更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。
在依此處的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建處理電路時(shí)，技術(shù)人員必須高度小心。最普遍的電機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“鎖定、標(biāo)定(Lock Out，Tag Out)”對安全性而言不夠。在本發(fā)明中可以使用的大電容器可以保持充電很多天，除非提供適當(dāng)?shù)男狗烹娮杵鞯取Ｋ嬖诘母唠妷籂顟B(tài)清楚地對于使用壽命造成威脅。所以，建議任何處理本發(fā)明的充電裝置者要極端小心。本領(lǐng)域熟練的人員必須避免接觸電路和電路元件。例如，放置在與極化電容器分流的達(dá)森瓦爾尺儀表(d’A rsonval meter)可能使直流偏壓電壓和交流源短路。這將使整個(gè)過程中斷，并且可能燒掉安培計(jì)。隨著短路的發(fā)生以及隨后的破裂，可能導(dǎo)致電容器反向偏壓。在添加電路元件的時(shí)候，在這種電路設(shè)計(jì)方面不熟練的人必須非常小心謹(jǐn)慎。放置成與極化電容器分流的線圈或小電阻器將重復(fù)上述儀表錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，正常的過程應(yīng)是將極化電容器總成作為一個(gè)單元使用。
極化電荷儲(chǔ)存裝置自共振現(xiàn)象能通過適當(dāng)?shù)腞FI濾波器分流至地，或者是阻尼(如果發(fā)生的話)。
極化電荷儲(chǔ)存裝置的頻率響應(yīng)在此有助于特定的可變頻率裝置。隨著頻率的增加電路有效電容的減小可部份地補(bǔ)償隨著頻率的增加的阻抗下降。例如，在可變速率驅(qū)動(dòng)中的功率傳送效率可以增加，而同時(shí)提供低頻電流限制。因此，在延伸的頻率范圍上驅(qū)動(dòng)以改進(jìn)的功率因數(shù)操作。
全波整流器可以如同在反串聯(lián)構(gòu)造中一樣通過將單一極化電荷儲(chǔ)存裝置耦合至交流電源的每一端子來構(gòu)建。然后，中心節(jié)點(diǎn)斷開。然后，整流橋和直流輸出部分連接到極化電荷儲(chǔ)存裝置的自由端，該自由端是直流節(jié)點(diǎn)所在之處。然后，直流輸出使用于浮動(dòng)的直流應(yīng)用中。直流輸出的伏特分配部分退回極化電荷儲(chǔ)存裝置進(jìn)行偏壓。這種設(shè)計(jì)消除了隔離變壓器給電池充電器或直流電源供電的需求。此外，相對于隔離變壓器供電的裝置的滯后的功率因數(shù)來校正整流器的功率因數(shù)。這種電路能以單相或多相應(yīng)用而構(gòu)建。此處預(yù)見到其它類似的能量轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。
有些應(yīng)用是利用分立部件的端子特性。存在一分壓器，并且可以使用正確設(shè)計(jì)的濾波器。連接到中心節(jié)點(diǎn)的高通、低通、帶通和阻隔濾波器必須小心處理，且將人員隔開。我們認(rèn)為，對于熟悉本領(lǐng)域的人，包括磁飽和、共振、波德(Bode)圖、奈奎斯特(Nyquist)圖等的電路設(shè)計(jì)考慮是熟悉的。
據(jù)此，有適于建立并保持正確的直流電容器偏壓狀態(tài)的許多電路實(shí)現(xiàn)方式。從包括調(diào)節(jié)的和未調(diào)節(jié)的電源的任何適合的方案中可以導(dǎo)出直流電。必需仔細(xì)以避免交流電源的接地環(huán)和直流偏壓；通常是通過變壓器利用電隔離和未接地的次級(jí)(浮動(dòng)的直流電源)。此外，在該系統(tǒng)中使用電池以增加可靠性。電池電源提供了冗余電源以用于它們的設(shè)計(jì)備用時(shí)期?；跇O化電容器的電荷的緩慢衰減，較小的電化學(xué)電池可提供很多天足夠的有源直流偏壓電源。電池技術(shù)的選擇隨著特定的應(yīng)用而定。包括價(jià)格、周圍溫度、地震狀況、交流功率可靠度、通氣性、預(yù)期壽命等的因素支配著電池的選擇。電池最大充電電壓和最后放電電壓或直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須使極化電容器保持在交流信號(hào)固定范圍之外。
在共振、故障、馬達(dá)啟動(dòng)、變壓器沖擊、切換操作、系統(tǒng)電壓波峰等狀態(tài)中需要最高的直流偏壓電壓電平。較低的偏壓電壓可以用于其它操作狀態(tài)以延長電容器的壽命。通過適當(dāng)?shù)姆答佅到y(tǒng)可以自動(dòng)地調(diào)節(jié)這種電壓。根據(jù)需要，可以添加附加的電路元件，比如泄放電阻器、負(fù)載電阻器、諧波濾波、電壓涌浪避雷器、非極化拋光電容器、過電流保護(hù)、接地故障保護(hù)、切換機(jī)構(gòu)、診斷器等，以用于電安全的考慮和特殊的應(yīng)用。其它的實(shí)施方式可以包括接觸器、直流預(yù)充電、軟啟動(dòng)機(jī)構(gòu)等。這些性質(zhì)的改變和調(diào)節(jié)不會(huì)顯著地偏離在此所給出的過程。
有很多方法可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。兩個(gè)最廣的領(lǐng)域是偏壓源和交流/直流接口。這些主題的范圍視為在此并入。在本發(fā)明的制造和實(shí)施時(shí)，預(yù)期將采用各種經(jīng)濟(jì)的方案。例如，分立的二極管顯示在此處的圖中。今天，市場上有各種二極管的組合。兩種這樣的常用的組合是橋式整流器和共陰極雙重二極管。這樣的裝置減少了分立部件的數(shù)目，因此減少了制造成本。多極電容器是減少總成連接步驟的另一方法。Wheatstone電橋是一種類似的電阻性組合。實(shí)際上，微電路設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)的主題是逐步減少分立部件。這種節(jié)省勞力的措施明確地并入本發(fā)明。我們進(jìn)一步斷言，各種電容器冷卻策略和震蕩危險(xiǎn)保護(hù)系統(tǒng)將使用于本發(fā)明的實(shí)施例中。這種熱調(diào)節(jié)和電絕緣方法和設(shè)計(jì)明確地并入本發(fā)明。
此外，在某些應(yīng)用中，明確的界面最具經(jīng)濟(jì)性地包括在其中，而其它的應(yīng)用可以利用現(xiàn)存的外部電路拓?fù)洹Ｋ械难b置容量等級(jí)(以安培、伏特和/或頻率響應(yīng)測量)包括在本發(fā)明中。類似地，所有的適用的極化電荷儲(chǔ)存裝置也包含在本發(fā)明中。在不偏離本發(fā)明的精神或基本特征的前提下本發(fā)明可以以其它特定的形式實(shí)施。重要的是應(yīng)該注意，在以上實(shí)施例的每一實(shí)施例中，部件的尺寸可上下調(diào)整。此處概述了代表性電路設(shè)計(jì)及其制造方法。最具經(jīng)濟(jì)性的實(shí)例依應(yīng)用變數(shù)而改變，包括但不限于系統(tǒng)電壓、穩(wěn)態(tài)電流需求、暫態(tài)電流需求、共振機(jī)率、所選擇的電容器模型特性、偏壓電源選擇、環(huán)境、冗余需求、外部故障考慮、內(nèi)部故障考慮等。
在此闡述了本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎的特征，或者根據(jù)在此所公開的內(nèi)容對于本領(lǐng)域熟練的人員是顯然的，或者可通過由實(shí)施本發(fā)明而得知。本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)可以通過在此特別指明或隱含的設(shè)備和組合和/或熟悉此業(yè)界人士實(shí)施而實(shí)現(xiàn)。此處說明的本發(fā)明的實(shí)施例是實(shí)例性的而非限制性的。在不偏離在此所界定的本發(fā)明的范疇的前提下本領(lǐng)域熟練的人員可以對這些實(shí)施例做各種改變、修改、變更及添加。因此，希望在此涵蓋落在權(quán)利要求及其等效范圍和意義和在此的其它公開范圍內(nèi)的全部改變。在交流網(wǎng)絡(luò)中的很多連續(xù)和/或暫態(tài)用途和/或應(yīng)用是本領(lǐng)域熟練的人員所熟悉的，包括但不限于共振、整流、減振、鐵磁共振、涌浪保護(hù)、補(bǔ)償、能量儲(chǔ)存、故障控制，電壓調(diào)節(jié)、電流限制、控制信號(hào)傳輸?shù)?。進(jìn)一步還希望將權(quán)利要求和說明書詮釋為涵蓋落于本發(fā)明的真實(shí)精神、范疇和意義內(nèi)之全部此類應(yīng)用、改變和修改。
附錄A術(shù)語索引術(shù)語“反串聯(lián)”意指兩個(gè)或更多的極化電荷儲(chǔ)存裝置在它們的陽極和/或它們的陰極上耦合在一起。即，反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置在它們的陽極、陰極或它們的陽極和陰極二者上有一直流接合節(jié)點(diǎn)。這是就廣義而言，不排除例如較大數(shù)目的部件的歧管構(gòu)造，諸如在電流分配器設(shè)計(jì)中實(shí)質(zhì)上連接在直流接合節(jié)點(diǎn)的多個(gè)極化電荷儲(chǔ)存裝置的陽極(或陰極)。例如，在具有陽極連接在一起的星形構(gòu)造中，五個(gè)極化電荷儲(chǔ)存裝置的每一裝置互相處于反串聯(lián)構(gòu)造。注意，多相交流系統(tǒng)的各接腳中的極化電荷儲(chǔ)存裝置也可以互相為反串聯(lián)構(gòu)造。類似地，在識(shí)別反串聯(lián)構(gòu)造中的極化電荷儲(chǔ)存裝置時(shí)，任何給定的裝置可以實(shí)際上包含多個(gè)分流構(gòu)造裝置以便例如增加安培數(shù)。此外，若干串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置能以反串聯(lián)方式結(jié)合在一起以增加有效交流額定電壓。同樣地，若干反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置對本身能以串聯(lián)方式結(jié)合以增加有效額定電壓。最后，注意交流系統(tǒng)部件(諸如交流源或負(fù)載)可以實(shí)際上連接在直流接合節(jié)點(diǎn)上的反串聯(lián)裝置之間。
術(shù)語“交流”和“交流源”是廣義地使用。術(shù)語“交流”和“交流源”應(yīng)包括(但不限于)固定頻率、可變頻率、固定振幅、可變振幅、調(diào)諧頻率、調(diào)諧振幅和/或脈波寬度調(diào)諧交流電。包括側(cè)帶和疊加以及其它的線性、非線性、模擬或數(shù)字信號(hào)等的其它的信號(hào)和/或通信技術(shù)也明確地包括在內(nèi)。交流和交流源視為意指時(shí)間變化信號(hào)。這些信號(hào)可含有資料和/或功率。以多種方法和/或模式改變的混合交流源也類似地包括在內(nèi)。單個(gè)交流源的參考不應(yīng)理解為排除多個(gè)交流源。
術(shù)語“交流阻隔裝置”應(yīng)包括任何裝置、方法、設(shè)計(jì)或技術(shù)，與相關(guān)的反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置相比這些技術(shù)提供更大的交流阻抗，同時(shí)，可以將其構(gòu)造為提供直流電流路徑以對這種極化電荷儲(chǔ)存裝置進(jìn)行偏壓。例如，交流阻隔裝置可以包括(但不限于)電阻器、電感器、整流器、電開關(guān)等。
此處所使用的術(shù)語“連續(xù)和穩(wěn)態(tài)”并不意圖指示比如啟動(dòng)等的暫態(tài)應(yīng)用的任何不適應(yīng)性。
術(shù)語“直流”、“直流電”以及“直流電流”可以是任何技術(shù)、設(shè)計(jì)、狀況、物理狀況或裝置，它產(chǎn)生、造成、促成、支援或便利于單向或主要為單向的一種或多種電荷載體的通量、位移、傳輸和/或流動(dòng)，電荷載體包括(但不限于)電子、離子和空穴。在此不應(yīng)理解為排除以相反極性充電的粒子的雙向行進(jìn)。直流應(yīng)當(dāng)廣泛地意指基本不隨著時(shí)間改變的穩(wěn)態(tài)電壓。
術(shù)語“直流源”、“直流電壓源”或“直流電源”是廣義地使用。這些術(shù)語一般涵蓋并包括在發(fā)電、生產(chǎn)或交流整流中用于產(chǎn)生直流電的任何方法和裝置。直流電源明確地包括(但不限于)直流發(fā)電機(jī)、電化學(xué)電池、光電伏特裝置、整流器、燃料電池、直流量子裝置、特定管裝置等。它們應(yīng)包含調(diào)節(jié)的、未調(diào)節(jié)的、濾波的以及未濾波的形式。直流源應(yīng)明確地包括但不限于通過非電隔離源供電的整流器、自動(dòng)變壓器、隔離變壓器、鐵磁共振變壓器。直流至直流供應(yīng)、切換式直流電源、脈波充電器等也類似地包括在內(nèi)。單一術(shù)語不應(yīng)理解為排除在分流、串聯(lián)和/或反串聯(lián)構(gòu)造中的多個(gè)和/或冗余直流源。單相和多相直流源和/或充電器包括在內(nèi)。實(shí)時(shí)地調(diào)整直流偏壓電平的能力類似地包括在內(nèi)?！岸O管降壓裝置”和精密調(diào)節(jié)的浮動(dòng)直流電源電壓可以提供操作和設(shè)計(jì)利益，特別是在包括電化學(xué)電池以用于電源冗余或使用反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置之處。
術(shù)語“直流偏壓源”是廣義地使用。此術(shù)語一般涵蓋并包括任何方法、設(shè)計(jì)及操或裝置，其使用于直流電壓和電流的產(chǎn)生和分布至極化電荷儲(chǔ)存裝置，并限制、約束和/或阻隔交流電流的流動(dòng)。術(shù)語直流偏壓源可包括(但不限于)實(shí)質(zhì)至少一個(gè)交流阻隔裝置串聯(lián)的至少一個(gè)直流偏壓源。在本發(fā)明中，一個(gè)或多個(gè)直流偏壓源跨接在極化電荷儲(chǔ)存裝置上以在所說的極化電荷儲(chǔ)存裝置上建立并保持正向直流偏壓電壓。直流偏壓源可避免交流源反向偏壓或過度地正向偏壓所連接的極化電荷儲(chǔ)存裝置。單一直流電壓源可以構(gòu)造為通過適當(dāng)?shù)倪B接的直流導(dǎo)電、交流阻隔裝置作為對很多極化電荷儲(chǔ)存裝置的直流偏壓源。類似地，在交流應(yīng)用中，多個(gè)直流電壓源和和/或直流偏壓源可以被構(gòu)造為給反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置提供冗余偏壓電壓源。
術(shù)語“直流接合節(jié)點(diǎn)”對應(yīng)于兩個(gè)或更多個(gè)反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中相同極性裝置的節(jié)點(diǎn)耦合在一起。應(yīng)注意，一個(gè)直流接合節(jié)點(diǎn)可附設(shè)(或可不附設(shè))一個(gè)或多個(gè)交流裝置(諸如電感器)，而交流裝置的直流電壓可以忽略。即，在直流接合節(jié)點(diǎn)中實(shí)質(zhì)上沒有直流電壓差異。類似地，直流偏壓電路、儀表、指示器、警示器等可以連接到直流接合節(jié)點(diǎn)。
術(shù)語“電隔離”是廣義地使用。此術(shù)語一般包括(但不限于)隔離變壓器，鐵磁共振變壓器和在交流狀態(tài)時(shí)獨(dú)立地創(chuàng)造、反向和/或產(chǎn)生的電源。通過使用電容器可以實(shí)現(xiàn)直流隔離。術(shù)語“電隔離”應(yīng)當(dāng)包括直流電源，該直流電源獨(dú)立地創(chuàng)造、整流或產(chǎn)生。電隔離是指傳送無固定接地參考、選擇共用中性、接地、參考電壓或替代地選擇不同的中性、接地或參考電壓的能力。選擇是發(fā)生在連接或可操作連接的時(shí)候，并且不必是電源的設(shè)計(jì)、構(gòu)造、材料或特性所固有的。
術(shù)語“極化電荷儲(chǔ)存”(“PBCS”)裝置是廣義地使用。此術(shù)語意圖涵蓋任何適當(dāng)?shù)臉O性電荷儲(chǔ)存裝置和/或包括(但不限于)電解質(zhì)電容器、電化學(xué)電池、特定電管裝置、半導(dǎo)體電容裝置、光電伏特裝置、燃料電池、量子電荷儲(chǔ)存裝置等的設(shè)備。就本文獻(xiàn)的目的而言，極化電荷儲(chǔ)存裝置可以是支援電荷的靜止分離、便利的電荷儲(chǔ)存極性的任何技術(shù)或裝置以及引導(dǎo)、移位和/或傳送電流的能力。在本文獻(xiàn)的很多部分中，極化電容器(描述并實(shí)例性示出)用于說明本發(fā)明的各種特色。然而，應(yīng)該知道，任何適當(dāng)?shù)臉O化電荷儲(chǔ)存裝置可以用于取代所代表的極化電容器或與其結(jié)合。即，不希望排除所提到的或說明的其它極化電荷儲(chǔ)存裝置。
術(shù)語“整流器”是廣義地使用。便于或構(gòu)造便于電荷載體的單向流動(dòng)的任何主動(dòng)或被動(dòng)裝置和/或設(shè)備都應(yīng)當(dāng)視為整流器。以相反極性充電的粒子的雙向流動(dòng)明確地被包括在整流器的定義中。整流器包括(但不限于)一個(gè)或多個(gè)二極管、電晶體、矽控整流器、截止SCR、閘流體、IGBT、場效應(yīng)晶體管、分環(huán)、特定管裝置等。整流電路構(gòu)造包括(但不限于)半波、全波、分波和多相整流器。在單或多相的狀況，整流脈波可以移相以對立于、匹配于或補(bǔ)償交流電流或電壓波形。這可以通過隔離變壓器點(diǎn)常規(guī)(dot convention)、相移繞組方法、I/O滯后或電子式命名若干常用方法而實(shí)現(xiàn)。
術(shù)語“充分地正向直流偏壓”是指在此所概述或暗示的方法、裝置和/或設(shè)備在極化電荷儲(chǔ)存裝置上保持直流偏壓電壓，從而基本防止裝置通過交流信號(hào)不利地反向偏壓。直流偏壓電壓可以在穩(wěn)態(tài)中任意程度地固定。此對比于已有技術(shù)的振蕩偏壓方案，相對于直流偏壓電壓強(qiáng)度，由于過度信號(hào)尺寸，已有技術(shù)的振蕩偏壓方案以一次循環(huán)為基準(zhǔn)在正向和反向直流偏壓電壓之間變化，和/或造成交流信號(hào)失真。直流偏壓考慮措施包括在可應(yīng)用的極化電荷儲(chǔ)存裝置正向電壓限值中的操作。類似地，也包括偏壓狀態(tài)，在偏壓狀態(tài)中每一極化電荷儲(chǔ)存裝置的直流偏壓電壓強(qiáng)度基本上超過所施加的交流信號(hào)強(qiáng)度。
術(shù)語“開關(guān)”和/或“電開關(guān)”是指通過電流可以啟動(dòng)或關(guān)閉的方法、裝置和/或設(shè)備。開關(guān)應(yīng)包含機(jī)械式導(dǎo)體接觸設(shè)計(jì)、電機(jī)機(jī)械裝置、半導(dǎo)體裝置、繼電器以及諸如水銀開關(guān)、分子開關(guān)、離子化裝置、閥、冷卻器、選通門、量子裝置等的液體接觸裝置。此外，包括差動(dòng)裝置諸如變阻器、可用作調(diào)光器和/或調(diào)節(jié)器的電位計(jì)以及開啟/關(guān)閉裝置等。用于實(shí)現(xiàn)電流動(dòng)、通量、電流或?qū)щ?、位移等的控制的任何狀態(tài)的物體和/或物體狀態(tài)的改變都是視為包括在術(shù)語“開關(guān)”中。類似地，與各種技術(shù)開關(guān)相關(guān)的感測器、引動(dòng)器、控制器、繼電器、電路板、晶片等也都包括在內(nèi)。此文中所使用的電開關(guān)和開關(guān)應(yīng)廣義地理解。在此所概述的裝置和方法是實(shí)例性的而不是限制性的。
術(shù)語“直流阻隔裝置”應(yīng)當(dāng)包括對于直流電流的流動(dòng)提供相對較大的直流電阻和/或?qū)沟娜魏窝b置、方法、設(shè)計(jì)、設(shè)備和/或技術(shù)。例如，直流阻隔裝置可能包括(但不限于)極化電容器、非極化電容器、電化學(xué)電池、其它的極化電荷儲(chǔ)存裝置、電阻器、整流器等。類似地，隔離變壓器充當(dāng)直流阻隔裝置，在該直流阻隔裝置中直流電并非磁耦合。注意，整流器橋提供比單一整流器或半波橋更高階的直流阻隔。
術(shù)語“溫度調(diào)節(jié)”是指通過自然或人工供電裝置對極化電荷儲(chǔ)存裝置溫度的控制以改變裝置的表面或核心溫度。溫度調(diào)節(jié)的典型方法包括水浴、油浴、冷凍劑、具有散熱器的循環(huán)系統(tǒng)以及使用加熱元件和熱交換器。熱泵、固態(tài)冷卻以及其它的此類方法都適用于裝置溫度的保持和/或改變。
此處所使用的術(shù)語“暫態(tài)”并不希望指穩(wěn)態(tài)或連續(xù)應(yīng)用的不適合性。
權(quán)利要求
1.一種用于在交流網(wǎng)絡(luò)中操作的極化電荷儲(chǔ)存(“PECS”)裝置，該交流網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)交流源和至少一個(gè)耦合至交流源以接收交流信號(hào)的負(fù)載，該極化電荷儲(chǔ)存裝置包括互相反串聯(lián)構(gòu)造的至少第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置，該反串聯(lián)的極化電荷儲(chǔ)存裝置適合于可操作地連接到交流網(wǎng)絡(luò)并承接交流信號(hào)，以及至少一個(gè)耦合至第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置的直流源，該交流源用于對該裝置進(jìn)行充分地正向直流偏壓以基本防止它們受交流信號(hào)不利地反向偏壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)直流源可操作地耦合至第一和第二裝置以使交流信號(hào)基本不通過該至少一個(gè)直流源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中反串聯(lián)的極化電荷儲(chǔ)存裝置構(gòu)造適合于實(shí)質(zhì)上與交流負(fù)載分流連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中反串聯(lián)的極化電荷儲(chǔ)存裝置構(gòu)造適合于實(shí)質(zhì)上串聯(lián)連接在交流源和交流負(fù)載之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)直流源的至少一個(gè)輸出端子適合于與至少一個(gè)交流源電隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)直流源不接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)直流源的至少一個(gè)輸出端子可操作性連接到交流系統(tǒng)接地端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置互相對稱性直流偏壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置互相連接于一直流接合節(jié)點(diǎn)，其中該置進(jìn)一步包括連接在直流接合節(jié)點(diǎn)和直流參考節(jié)點(diǎn)之間的至少一個(gè)交流阻隔裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中至少一交流阻隔裝置包括電阻器，該電阻器具有與第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置相比是充分高的阻抗以阻隔交流信號(hào)，以使它實(shí)質(zhì)上通過極化電荷儲(chǔ)存裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中直流接合節(jié)點(diǎn)將至少一個(gè)交流裝置并入在第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，進(jìn)一步包括在直流接合節(jié)點(diǎn)和來自第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置的另一節(jié)點(diǎn)之間的交流阻隔裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中至少一個(gè)直流源包括第一和第二直流源，該電流源用于獨(dú)立地偏壓第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中第一直流源實(shí)質(zhì)上與第一極化電荷儲(chǔ)存裝置分流。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，進(jìn)一步包括可操作地連接在第一直流源和第一極化電荷儲(chǔ)存裝置之間的交流阻隔裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中第二直流源實(shí)質(zhì)上與第二極化電荷儲(chǔ)存裝置并聯(lián)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中第二直流源通過至少一個(gè)交流阻隔裝置實(shí)質(zhì)上與至少該第二極化電荷儲(chǔ)存裝置并聯(lián)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中第一直流源的至少一個(gè)端子和第二直流源的至少一個(gè)輸出端子未接地。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中第一直流源的至少一個(gè)端子與第二直流源的至少一個(gè)輸出端子相對于交流源是電隔離。
20.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中至少一個(gè)直流源包括第一直流源，該第一交流源其具有第一和第二輸出端子以用于提供直流電位，該第一輸出端子耦合至直流接合節(jié)點(diǎn)，而第二輸出端子耦合至來自第一和第二裝置的另一節(jié)點(diǎn)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，進(jìn)一步包括串聯(lián)在直流接合節(jié)點(diǎn)和第一輸出端子之間的至少一個(gè)交流阻隔裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中又包括至少一個(gè)交流阻隔裝置，其串聯(lián)于第一和第二裝置的另一節(jié)點(diǎn)及第三輸出端子之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中交流網(wǎng)絡(luò)是用于在網(wǎng)絡(luò)的每一相中具有一交流接腳的多相交流網(wǎng)絡(luò)，該第一極化電荷儲(chǔ)存裝置可以是第一交流接腳的一部分，并且第二極化電荷儲(chǔ)存裝置可以是第二交流接腳的一部分。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中交流網(wǎng)絡(luò)是用于在網(wǎng)絡(luò)的每一相中具有一交流接腳的多相交流網(wǎng)絡(luò)，其中第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置可以是第一交流接腳的一部分。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中極化電荷儲(chǔ)存構(gòu)造適合于可操作地安裝在交流網(wǎng)絡(luò)中以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)操作。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置安裝在一共同封閉件中。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置懸承在電介質(zhì)流體中，并且以絕緣連接件安裝到封閉件，該封閉件界定了電接觸安全容器。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中負(fù)載是分相交流感應(yīng)馬達(dá)，并且極化電荷儲(chǔ)存裝置適合于串聯(lián)在交流源和該分相馬達(dá)的一個(gè)繞組之間，并且保持接合以用于馬達(dá)的連續(xù)操作。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所說的極化電荷儲(chǔ)存裝置是具有電感器的LC濾波器電路的一部分，該LC濾波器電路調(diào)諧在一功率基本頻率并且附加地具有開關(guān)，以便在檢測到下游發(fā)生故障時(shí)對極化電荷儲(chǔ)存裝置分流。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，該交流源是第一交流源，其中不同于第一交流源具有不同的交流電壓的第二交流源通過電流限制整流器可操作地連接到第一極化電荷儲(chǔ)存裝置。
31.一種在交流應(yīng)用中使用的極化電荷儲(chǔ)存裝置，包括第一極化電荷儲(chǔ)存裝置；至少一個(gè)第二極化電荷儲(chǔ)存裝置，其反串聯(lián)于第一極化電荷儲(chǔ)存裝置；以及至少一個(gè)直流偏壓源，其可操作地連接到所說的第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置以在交流應(yīng)用中使用時(shí)將所說的第一和第二裝置充分地保持正向壓。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中對第一和第二裝置進(jìn)行正向偏壓的直流電壓在交流應(yīng)用中實(shí)質(zhì)上互相抵消。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，進(jìn)一步包括在反串聯(lián)的極化電荷儲(chǔ)存裝置之間的交流電裝置，其中該交流裝置以與所連接的交流應(yīng)用設(shè)備不同的直流電壓電平運(yùn)行。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其中交流裝置包括直流電源。
35.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中直流電源的一部分可操作地連接在反串聯(lián)的極化電荷儲(chǔ)存裝置之間以正向直流偏壓所說的第一和第二裝置。
36.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中反串聯(lián)的極化電荷儲(chǔ)存裝置用于將在交流應(yīng)用中的交流中性節(jié)點(diǎn)耦合至接地節(jié)點(diǎn)。
37.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置分別具有正和負(fù)節(jié)點(diǎn)，來自第一和第二裝置的至少正或負(fù)節(jié)點(diǎn)從直流駐留點(diǎn)起實(shí)質(zhì)上連接在一起。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的裝置，其中來自第一和第二裝置的正節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)上連接在一起，并且來自第一和第二裝置的負(fù)節(jié)點(diǎn)自直流駐留點(diǎn)起實(shí)質(zhì)上連接在一起。
39.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)極化電荷儲(chǔ)存裝置，其實(shí)質(zhì)上與第二極化電荷儲(chǔ)存裝置分流連接，由此使得一個(gè)或多個(gè)極化電荷儲(chǔ)存裝置與第一極化電荷儲(chǔ)存裝置是反串聯(lián)構(gòu)造。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的裝置，其中一個(gè)或多個(gè)極化電荷儲(chǔ)存裝置與第二極化電荷儲(chǔ)存裝置也是反串聯(lián)構(gòu)造，由此使得第一、第二以及一個(gè)或多個(gè)極化電荷儲(chǔ)存裝置互相是反串聯(lián)構(gòu)造。
41.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，進(jìn)一步包括一組或多組可操作地正向偏壓的反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置，其互相連接在一起并且在直流接合節(jié)點(diǎn)上連接至第一和第二反串聯(lián)裝置結(jié)構(gòu)以形成交流電流分配器歧管。
42.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，進(jìn)一步包括非極性電容器，其與至少第一極化電荷儲(chǔ)存裝置基本并聯(lián)。
43.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置用于增強(qiáng)穩(wěn)態(tài)交流應(yīng)用
44.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中至少一個(gè)直流源可操作地連接到第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置，以使來自交流應(yīng)用設(shè)備的交流信號(hào)基本不通過至少一個(gè)直流源導(dǎo)通。
45.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中反串聯(lián)的第一和第二裝置懸承于電介質(zhì)流體中，并且安裝在具有絕緣連接件的封閉件中，該封閉件界定了電接觸安全容器且提供電接觸以用于連接。
46.一種交流網(wǎng)絡(luò)，包括交流源；可操作地耦合至該交流源的交流負(fù)載；第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置，其互相反串聯(lián)構(gòu)造并且可操作地耦合至所說的交流源和負(fù)載；至少一個(gè)直流源，用于正向偏壓所說的第一和第二裝置以防止它們受所說的交流信號(hào)不利地反向偏壓。
47.一種在交流網(wǎng)絡(luò)中使用極化電荷儲(chǔ)存裝置的方法，該交流網(wǎng)絡(luò)具有交流源和可操作地耦合的交流負(fù)載，包括在交流網(wǎng)絡(luò)中以反串聯(lián)構(gòu)造實(shí)施至少第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置以增強(qiáng)交流網(wǎng)絡(luò)的操作，其中將交流信號(hào)施加到該反串聯(lián)裝置；以及通過至少一個(gè)直流電壓源充分地偏壓每一極化電荷儲(chǔ)存裝置以使在交流網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間裝置實(shí)質(zhì)上保持正向偏壓。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中至少第一和第二裝置的直流電壓在交流網(wǎng)絡(luò)上基本互相抵消。
49.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中實(shí)施反串聯(lián)極化電荷儲(chǔ)存裝置的動(dòng)作包括實(shí)施第一和第二極化電容器。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的方法，其中第一和第二極化電容器在直流接合節(jié)點(diǎn)上互相耦合，該方法進(jìn)一步包括在直流接合節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)直流源的直流參考之間提供交流阻隔裝置。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中在交流網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施反串聯(lián)裝置的動(dòng)作包括在交流源和交流負(fù)載之間串聯(lián)地使用反串聯(lián)極化電容器以改進(jìn)交流源的功率因數(shù)。
52.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，進(jìn)一步包括通過將反串聯(lián)裝置可調(diào)整地接合于網(wǎng)絡(luò)中來如同由交流源所見者地調(diào)整交流網(wǎng)絡(luò)阻抗。
53.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中反串聯(lián)裝置是可調(diào)整地與電開關(guān)接合。
54.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中通過可控制地改變極化電荷儲(chǔ)存裝置的溫度來改變交流網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其中以熱交換裝置執(zhí)行可控制地改變極化電荷儲(chǔ)存裝置的溫度的動(dòng)作。
56.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，進(jìn)一步包括提供基本與每一第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置分流的電阻性裝置以在分壓器應(yīng)用中正向地偏壓和平衡該裝置。
57.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，進(jìn)一步包括提供可操作地連接到第一和第二極化電荷儲(chǔ)存裝置的至少一個(gè)泄放電阻器以使在極化電荷儲(chǔ)存裝置上的偏壓電壓放電以用于安全停機(jī)和維修的目的。
58.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中施加每一極化電荷儲(chǔ)存裝置上的交流電壓強(qiáng)度小于每一極化電荷儲(chǔ)存裝置的直流偏壓電壓強(qiáng)度。
59.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中施加在每一極化電荷儲(chǔ)存裝置上的直流偏壓電壓和交流電壓的穩(wěn)態(tài)疊加保持在每一極化電荷儲(chǔ)存裝置的額定電壓內(nèi)。
60.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中至少一個(gè)電隔離的直流偏壓源實(shí)質(zhì)與第一極化電荷儲(chǔ)存裝置分流連接以用于穩(wěn)態(tài)交流應(yīng)用。
61.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中至少一個(gè)電隔離的直流偏壓源實(shí)質(zhì)與第一極化電荷儲(chǔ)存裝置分流連接以用于暫態(tài)交流應(yīng)用。
62.根據(jù)權(quán)利要求60所述的方法，其中使用整流器橋以提供整流直流電的電隔離以用于第一極化電荷儲(chǔ)存裝置的連續(xù)充電。
63.根據(jù)權(quán)利要求62所述的方法，其中直流偏壓源的至少一個(gè)直流極和至少一個(gè)交流電源電隔離以對第一極化電荷儲(chǔ)存裝置進(jìn)行連續(xù)正向偏壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及在交流應(yīng)用中使用極化裝置的方法及電路，極化電荷儲(chǔ)存裝置經(jīng)濟(jì)地提供較高的可用電容。本發(fā)明直接將極化電荷儲(chǔ)存(PECS)裝置(諸如極化電容器或電化學(xué)電池)應(yīng)用于具有新穎電路拓?fù)涞囊话憬涣髟O(shè)備中。在一實(shí)施例中，在交流網(wǎng)絡(luò)中使用第一(612)和第二(614)極化電荷儲(chǔ)存裝置的反串聯(lián)構(gòu)造以增強(qiáng)交流網(wǎng)絡(luò)的操作。提供至少一個(gè)直流源(616，618)以在極化電荷儲(chǔ)存裝置接收交流信號(hào)的時(shí)候使它們保持正向偏壓。將驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載(620)的交流信號(hào)施加至反串聯(lián)裝置(610)。通過至少一個(gè)直流電壓源充分地偏壓該裝置以致于在它們耦合交流信號(hào)時(shí)保持正向偏壓。
文檔編號(hào)H02J3/02GK1415131SQ00818162
公開日2003年4月30日 申請日期2000年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月4日
發(fā)明者威廉B·朵夫二世 申請人:威廉B·朵夫二世