專利名稱：一種電校正元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電氣系統(tǒng)中功率因數(shù)校正和電氣寬頻段濾波的裝置。
背景技術(shù)：
為了減少對有關(guān)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的損壞或不當(dāng)操作，在電力系統(tǒng)中過濾掉不需要的諧波頻率(harmonic frequencies)和降低當(dāng)前的高頻電壓是有幫助的。在像漁船這樣的封閉電氣系統(tǒng)中，顛簸會增加燃油消耗，從而產(chǎn)生所消耗量的能量，進(jìn)而在所有電氣系統(tǒng)中產(chǎn)生熱，熱量傳到系統(tǒng)本身和與系統(tǒng)相連的電氣設(shè)備上。美國專利文獻(xiàn)US 3，555，291披露了一種用于交流電源系統(tǒng)、為整流裝置 (converter installations)設(shè)計(jì)的諧波濾波器，該諧波濾波器具有多個調(diào)到所需諧波頻率的普通的LC并聯(lián)過濾器(LC shunt filters)。專利文獻(xiàn)US 3，555，291利用阻尼來減少并聯(lián)諧振的影響并且此系統(tǒng)還能包括用于功率因數(shù)校正的靜電電容器。此系統(tǒng)進(jìn)一步包括一種濾波器，該濾波器和與感應(yīng)器(inductance)并聯(lián)的電阻器一起作為LC濾波器，該濾波器在諧振頻率進(jìn)行調(diào)整以提供阻尼，從而可產(chǎn)生并聯(lián)諧振(parallel resonance).本體系中的電阻器提供阻尼以降低在并聯(lián)諧振條件下的振幅。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的客體是提供一種改進(jìn)的裝置及方法。本發(fā)明的客體是通過權(quán)利要求中的特征和/或下面描述的本發(fā)明的各方面來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明特別優(yōu)選的是提供一種能大大降低當(dāng)電力系統(tǒng)(power systems)的頻率高于IlOHz時的電壓和電流和/或提升功率因數(shù)的裝置，所述電力系統(tǒng)的額定頻率為IOHz到 60Hz。特別地，本發(fā)明的電校正元件及降低寄生頻率(undesired frequencies)的電壓和電流的方法是通過將無功功率輸入系統(tǒng)來提升功率因數(shù)。本發(fā)明所述裝置(下面也稱為電校正元件)的優(yōu)選實(shí)施例提供了包括感應(yīng)器和電容器的一個組合，在這種組合中，低通濾波器(low pass filter)與帶阻濾波器(band-stop filter)元件串聯(lián)連接，該帶阻濾波器也可用作功率因數(shù)校正元件，所述電校正元件以與負(fù)載并聯(lián)的方式接入系統(tǒng)。所述電校正元件可降低載波頻率上寄生頻率的電壓從而減少電力系統(tǒng)中熱的形成。由于所述帶阻濾波器是串聯(lián)連接在所述低通濾波器之后，高頻被弓I入所述低通濾波器并在此被消除，但低頻范圍的失真是在所述帶阻濾波器中被校正或消除的。將第五諧波頻率導(dǎo)向所述帶阻濾波器元件從而使寄生頻率的電壓施加到第五諧波。由于所述帶阻濾波器是串聯(lián)連接在所述低通濾波器之后，高頻被引入所述低通濾波器并在此被消除。本發(fā)明所述的帶阻濾波器元件被設(shè)計(jì)為電容器以三角形方式連接，而感應(yīng)器元件(反應(yīng)器)是以星型方式(或Y型)連接。所述帶阻濾波器最好是加載應(yīng)降低的調(diào)諧頻率(tuned frequency)，例如將250Hz加載到額定功率為50Hz的系統(tǒng)上。這樣250Hz的電流就成為更高頻率電壓的載體，例如從 IO3 Hz到101° Hz，這在低通濾波器中就大大降低了。本發(fā)明的第一個方面是為電氣系統(tǒng)提供電校正元件。所述電校正元件包括低通濾波器和帶阻濾波器元件，其中所述帶阻濾波器元件與所述低通濾波器串聯(lián)連接，并且所述電校正元件與系統(tǒng)上的負(fù)載為并聯(lián)連接。本發(fā)明的第二個方面是為降低寄生頻率的電壓和提升電力系統(tǒng)的功率因數(shù)而提供一種方法，所述方法包括緊鄰系統(tǒng)中的主負(fù)載設(shè)置電校正元件，所述電校正元件包括低通濾波器和帶阻濾波器元件。所述帶阻濾波器元件與所述低通濾波器串聯(lián)連接，并且所述元件與所述系統(tǒng)上的負(fù)載并聯(lián)連接。組合濾波器的工作頻率優(yōu)選為110 Hz到101° Hz，優(yōu)選為110到IO9Hz,或從 250到l(fHz，或從110到l(fHz，或從250到IO9Hz,或從110到l(fHz，其中無功功率元件的工作頻率根據(jù)電力系統(tǒng)的額定頻率的不同優(yōu)選范圍為從10 Hz到400 Hz0在本發(fā)明的實(shí)施例中的電校正元件也可用作帶阻濾波器元件，其失諧接近應(yīng)消除的頻率，例如在第五諧波接近250Hz (為額定功率是50Hz的系統(tǒng))。本發(fā)明實(shí)施例中所述低通濾波器組件的工作頻率優(yōu)選為從IO3到IOltlHz,優(yōu)選為從IO4到IO9Hz,或從IO4到IO8Hz,或從IO3到IO8Hz,或從IO4到IO9Hz,或從IO3到 IO7Hz0本發(fā)明實(shí)施例中所述帶阻濾波器元件的工作頻率優(yōu)選為從110到910 Hz,或從 110 到 810 Hz,或從 110 到 740，或從 310 到 710 Hz,從 410 到 610 Hz.或從 110 到 310Hz。在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，一個或多個帶阻濾波器元件的工作頻率是指在從180 到290Hz的范圍內(nèi)通過系統(tǒng)的頻率，例如對于工作頻率為50Hz的系統(tǒng)的范圍是180到 MOHz，對于工作頻率為60Hz的系統(tǒng)優(yōu)選為210 Hz或230到四0 Hz，優(yōu)選^OHz。本發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述電校正元件在10到800Hz頻率的電力系統(tǒng)中運(yùn)行， 例如在10到400Hz頻率的電力系統(tǒng)中，或者10到200Hz頻率的電力系統(tǒng)，或者10到60Hz 頻率的電力系統(tǒng)，例如50Hz頻率的電力系統(tǒng)或60Hz頻率的電力系統(tǒng)。本發(fā)明的實(shí)施例中額定電壓的范圍可從100 V到750 kV，且額定電流的范圍可從 1 A 至Ij 100 kA。本發(fā)明的具體實(shí)施例中的用在所述電校正元件組件中的所述低通濾波器是來自 EPCOS AG 的 Β8414!3Β* S020.... SOM 系列的三線 EMC 濾波器。本發(fā)明實(shí)施例中的所述電校正元件涉及一種電力系統(tǒng)的調(diào)整裝置。此處所稱的 “調(diào)整“是指過濾掉寄生頻率的電壓，提升系統(tǒng)的功率因數(shù)或校正功率因數(shù)。本發(fā)明實(shí)施例中所述的電校正元件是安裝在一個像漁船一樣的封閉電氣系統(tǒng)中。 像用于拖拉漁網(wǎng)的絞盤一樣的裝置需要使用大量的電能，由于燃油用于給船只發(fā)電，因而耗油量大。當(dāng)使用所述裝置時就會產(chǎn)生額外的用電需求，在系統(tǒng)中就產(chǎn)生了以低頻和高頻電壓形式波動的現(xiàn)象。為了防止降低寄生頻率的電壓和電流在整個系統(tǒng)的分布，所述電校正元件安裝在靠近用電裝置的地方，所述用電裝置可為絞盤。本文所稱“低通濾波器“或“低通濾波器元件“是指除了在所述濾波器的頻寬范圍內(nèi)用頻率來衰減或降低信號的振幅(除了用頻率衰減或降低信號的振幅)，也用來傳遞比所述濾波器清除掉的頻率高的低頻信號。每個頻率的實(shí)際衰減量因?yàn)V波器的不同而有變化。 更進(jìn)一步地，低通濾波器組件是指多個相同的低通濾波器，例如具有相同頻寬和相同下限與上限截止頻率。本文中所稱“帶阻濾波器元件“是指在三相系統(tǒng)(見圖3)中包括反應(yīng)器(感應(yīng)器元件)和電容器的組件，其中所述電容器以三角形方式連接，而感應(yīng)器元件(反應(yīng)器)是以星型方式(或Y型)連接。所述帶阻濾波器元件在所述濾波器的工作頻率范圍內(nèi)用頻率來衰減或降低信號的振幅。


附圖示出本發(fā)明的具體實(shí)施例，下面將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行披露。此處披露的具體實(shí)施例不應(yīng)視為對權(quán)利要求和說明書中所描述發(fā)明的限制。圖1為本發(fā)明實(shí)施例電力系統(tǒng)原理圖，其中，本系統(tǒng)電校正元件與系統(tǒng)上的負(fù)載并聯(lián)連接。圖2為本發(fā)明裝置中所使用的現(xiàn)有技術(shù)的低通濾波器的示意圖。圖3為本發(fā)明一個實(shí)施例的帶阻濾波器的示意圖。圖4為本發(fā)明電校正元件的示意圖。圖5顯示了在可變負(fù)載條件下有和沒有校正元件的電流負(fù)載。圖6顯示了在可變負(fù)載條件下有和沒有校正元件的實(shí)際功率。圖7顯示了在可變負(fù)載條件下有和沒有校正元件的電壓。圖8顯示了在可變負(fù)載條件下有和沒有校正元件的電流以百分比計(jì)的波動情況。圖9顯示了在可變負(fù)載條件下有和沒有校正元件的電壓以百分比計(jì)的波動情況。圖10顯示了在正常負(fù)載條件下有和沒有校正元件的電流、功率和頻率的波動情況。圖11顯示了在正常負(fù)載條件下有和沒有校正元件的無功功率、視在功率和功率及頻率波動的百分比。圖12顯示了在正常負(fù)載條件下有和沒有校正元件的波動的百分比。圖13顯示了在正常負(fù)載條件下有和沒有校正元件的波動的百分比。圖14顯示了在正常負(fù)載條件下有和沒有校正元件的系統(tǒng)頻率和功率。
具體實(shí)施例方式圖1顯示了船上電力系統(tǒng)原理圖1，該船具有發(fā)電機(jī)2、其他裝置5，6和12，所述發(fā)電機(jī)2以50 Hz或60 Hz的頻率為絞盤4提供電壓，而裝置12有賴于電力情況。圖1中所顯示的系統(tǒng)還包括AC/DC轉(zhuǎn)換器(converter) 7。所述電校正元件8包括低通濾波器組件9和帶阻濾波器元件10。所述低通濾波器9與圖1中所顯示的負(fù)載并聯(lián)連接。所述帶阻濾波器元件10也可作為功率因數(shù)校正元件，其與所述低通濾波器(9)串聯(lián)連接。圖2為很多可從商業(yè)途徑獲得的合適的高頻EMC濾波器元件中一個的示意圖。在本部分詳細(xì)介紹特別為了設(shè)立系統(tǒng)進(jìn)行測試而選自EPC0S 的合適的EMC濾波器元件。也可使用其他不同結(jié)構(gòu)的測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。圖3為本發(fā)明一個實(shí)施例中帶阻濾波器元件的示意圖，其中每個反應(yīng)器元件后面均連接有一個電容器。所述帶阻濾波器元件按應(yīng)降低的調(diào)諧頻率設(shè)計(jì)，例如額定頻率為50Hz系統(tǒng)上的250Hz。這樣所述的250Hz就是更高頻率電壓的載波頻率(carrier frequency)，從IO3 Hz到101° Hz的高頻率在所述低通濾波器中大為降低。如圖3所示， 所述電容器以三角形的方式連接，而感應(yīng)器元件(反應(yīng)器)是以星型的方式連接。所述反應(yīng)器元件的大小要根據(jù)系統(tǒng)的頻率和電壓來計(jì)算。圖4為優(yōu)選實(shí)施例的電校正元件的示意圖，該實(shí)施例具有三個低通濾波器元件 (9(1)，9(2), 9 (3))和六個帶阻濾波器元件(10 (I)-IO (6))。第三組低通濾波器元件9 (3) 和帶阻濾波器元件10 (5)-10 (6))作為備選實(shí)施例以虛線示出。如圖2和圖3所示，每個低通濾波器元件和帶阻濾波器元件都連接到三相電氣系統(tǒng)的所有相線上。不同條件下，基于系統(tǒng)上的負(fù)載情況，接通一個或多個低通濾波器元件9，同時也接通相應(yīng)的兩個帶阻濾波器元件10。電腦連接所有的元件，當(dāng)系統(tǒng)上的負(fù)載增加時，就接通另外的帶阻濾波器元件。在下面的例子中，會參考圖5-9討論可變高負(fù)載的情況。一般當(dāng)絞盤拖拉漁具時， 發(fā)電機(jī)負(fù)載的變化會很大。其中一個原因就是在海浪作用下船的垂直運(yùn)動。在這樣的條件下來測試所述電校正元件的性能，測試結(jié)果如下文。當(dāng)接通和斷開所述電校正元件時，分別由圖5-9中每條曲線(plot)的前半部分和后半部分可知電氣系統(tǒng)的運(yùn)行情況。圖5示出系統(tǒng)相電流，圖6示出電力負(fù)載(power load)。在前半部分，當(dāng)所述校正元件接通時，可以看出負(fù)載電流(ampere load)隨所述電力負(fù)載的波動在約400A波動。在后半部分，電流升到約700A時，電流不再隨電力負(fù)載的波動而波動。由事實(shí)可知，由于高頻率的干擾，發(fā)電機(jī)被超磁化(hyper magnetized)從而造成穩(wěn)壓器(voltage regulator)不能正常工作，如圖7所示。圖8示出電流正弦波形的總諧波失真(Total Harmonic Distortion) (THD)0當(dāng)接通所述校正元件時，電流波形總諧波失真(THD)的范圍為15-25%，并隨圖5中所示的電流負(fù)載的波動而不同。由于受到所述電流負(fù)載的波動限制，當(dāng)斷開所述校正元件時，所述波形的總諧波失真(THD)上升到約30%，并小有波動。圖9示出所述電壓正弦波形的總諧波失真(THD)。當(dāng)接通所述校正元件時，曲線的總諧波失真(THD)相對較小，例如約為6-7%，并且隨圖7中所示電壓的波動而不同。當(dāng)斷開所述校正元件時，所述電壓波形總諧波失真(THD)上升到約13%。相類似地，圖10-14示出相同船只在低負(fù)載下有和沒有接通所述電校正元件的系統(tǒng)。在所有所述附圖中，水平軸示出以10分鐘為間隔的時間。在圖10中，垂直軸示出電流 [A]、有功功率[KW]和功率因數(shù)。所述電校正元件在前20分鐘是接通的。在電力負(fù)載為 57KW時所述電流在約110A，相當(dāng)穩(wěn)定。功率因數(shù)也相當(dāng)不錯，約0.75左右。當(dāng)在7:38斷開所述電校正元件時，伴隨著很多干擾系統(tǒng)進(jìn)入不平衡狀態(tài)，同時功率因數(shù)下降到0. 3，這個數(shù)值相當(dāng)?shù)?。圖11示出無功功率、視在功率、相電流對稱(phase current symmetry)和相電壓對稱(phase voltage symmetry)。所述曲線(plot)示出所述校正元件是如何降低無功功率和穩(wěn)定系統(tǒng)的。圖12示出在相同的期間內(nèi)所述相電流的總諧波失真(THD)的百分比水平。接通校正元件，每個相電流的總諧波失真(THD)均約為5%，但當(dāng)斷開所述校正元件時，每個相電流的總諧波失真(THD)上升到14-16%。相類似地，圖13示出相電壓的總諧波失真(THD)的百分比水平。接通校正元件，相電壓的總諧波失真(THD)約為4%，但當(dāng)沒有所述校正元件時，相電壓的總諧波失真(THD) 約為10%。所述電氣系統(tǒng)的頻率顯示在圖14的第一條曲線。當(dāng)所述校正元件接通時，頻率很明顯的為50. 5Hz，很穩(wěn)定。當(dāng)斷開所述校正元件時，所述頻率開始波動。另兩條曲線示出在第五諧波頻率和第十一諧波頻率的有功功率。應(yīng)該注意的事實(shí)是當(dāng)接通所述校正元件時， 在諧波頻率幾乎沒有功率，但是當(dāng)斷開所述元件時就有功率；而且在這些諧波頻率頻段能清晰探測到功率。電氣系統(tǒng)(electrical systems)中的高頻失真(High frequency distortion)很大程度上是由AC/DC轉(zhuǎn)換器和很多其他裝置造成的。最常用的消除這些高頻失真的解決方法是將這些頻率過濾掉并將其轉(zhuǎn)化為熱量。本電校正元件設(shè)計(jì)的獨(dú)到之處不是將這些失真轉(zhuǎn)化為熱量，而是將其通過消除程序清除。所述電校正元件的一個主要優(yōu)點(diǎn)是其校正電氣系統(tǒng)的功率因數(shù)的效果顯著。通過校正功率因數(shù)，消除了電壓和電流之間的相位滯后(phase lag)。這可以通過下表1進(jìn)行說明，從圖10中也可以看出。下表反映出在斷開所述校正元件時的功率讀數(shù)相同，但是電流卻顯著上升，從270A升至640A，并且功率因數(shù)從約0. 87降到0. 35。
接通電校正元件斷開電校正元件發(fā)電機(jī)溫度35-45° C60-80° C實(shí)際功率(RealPower)160KW160KW電流270A640A功率因數(shù)(PowerFactor)0. 85-0. 90. 3-0. 4無功功率(ReactivePower )90KVAr380KVAr視在功率(ApparentPower)190KVA410KVA表 1
通過校正功率因數(shù)來消除高頻失真和諧波失真，所述電校正元件顯著降低了發(fā)電機(jī)負(fù)載從而節(jié)約了大量能源。這可以從表1看出，當(dāng)所述校正元件將視在功率降低220KVA(M%) 時，所述發(fā)電機(jī)溫度降低了 30° C (57%)。在本發(fā)明所提供裝置的一個功能示例披露了在一個遠(yuǎn)離主要電網(wǎng)的電氣系統(tǒng)中的電校正元件。所述示例示出具體系統(tǒng)中各參數(shù)值。其為400V，50Hz的系統(tǒng)，輸出電流為 217. 5A。不是遠(yuǎn)離主電網(wǎng)的本地系統(tǒng)的電擊迫使主系統(tǒng)進(jìn)入一些不平衡狀態(tài)，而是本地系統(tǒng)的失真輸入本地系統(tǒng)從而使所述系統(tǒng)的主頻率變?yōu)槭д娴妮d波頻率。發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)顯示，由于電網(wǎng)中的高阻抗、遠(yuǎn)離本地負(fù)載的系統(tǒng)上的負(fù)載，在較小的系統(tǒng)中，例如船里，導(dǎo)致相似的效果。這當(dāng)然能為下面所示的每個系統(tǒng)通過計(jì)算本發(fā)明帶阻濾波器元件所用的各元件的值計(jì)算出來。所述元件校正了系統(tǒng)中每相潛在電壓和電流之間的相移(phase shift)。這對于當(dāng)前的一般做法確實(shí)是革新。對帶阻濾波器元件的要求
電容器以三角形方式連接，而感應(yīng)器元件(反應(yīng)器)是以星型方式連接。
電容器大小996uF (microF)功率50Hz反應(yīng)器大小0，136mH電壓400
在50 Hz: Xc= 3，198 ohm (三角形連接方式) Xl= 0. 043 ohm (星型連接方式)重新計(jì)算的星型連接的電容器一在每個系統(tǒng)中(smt.4系統(tǒng))使用3個電容器 (MKK400-d-50-21 (3x332 uF))
權(quán)利要求
1.一種用于電氣負(fù)載系統(tǒng)的電校正元件(8)，所述元件包括至少一個低通濾波器(9)，至少一個帶阻濾波器元件(10)，并且其中所述帶阻濾波器元件(10)與所述低通濾波器(9)串聯(lián)連接，并且其中所述電校正元件與所述負(fù)載并聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電校正元件，其特征在于所述低通濾波器(9)的工作頻率為從IO3到IOiciHz,例如(優(yōu)選的)從IO4到IO9Hz,或從IO4到l(fHz，或從IO3到IO8Hz,或從 IO4 到 IO9Hz,或從 IO3 IlJ IO7Hz0
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中的任一項(xiàng)所述的電校正元件，其特征在于所述帶阻濾波器元件(10)的工作頻率為從110到910 Hz，例如從210到910 Hz，從110到810 Hz，或從 110 至Ij 740，或從 310 至Ij 710 Hz,從 410 至Ij 610 Hz.或從 110 至Ij 310 Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電校正元件，其特征在于所述帶阻濾波器元件(10)的工作頻率的范圍為從180到310 Hz，例如從180到260或210到310 Hz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的電校正元件，其特征在于在所述帶阻濾波器元件中電容器元件是以三角形方式連接，而感應(yīng)器元件(反應(yīng)器)是以星型方式連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的電校正元件，其特征在于所述元件在頻率為20到400Hz的電力系統(tǒng)中運(yùn)行，例如50到200 Hz的電力系統(tǒng)或60到100 Hz的電力系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的電校正元件，其特征在于所述元件適于在頻率為50Hz和/或60Hz的電力系統(tǒng)中運(yùn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的電校正元件，其特征在于所述低通濾波器 (9)包括多個適于單獨(dú)連接到負(fù)載的低通濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的電校正元件，其特征在于所述一個或多個帶阻濾波器元件適于單獨(dú)連接到所述負(fù)載。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的電校正元件，其特征在于所述負(fù)載為將頻率為250Hz的信號輸入所述電力系統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換器。
11.一種在電力系統(tǒng)中降低寄生頻率的電壓并且提高功率因數(shù)的方法，所述方法包括以與系統(tǒng)上主負(fù)載并聯(lián)的方式設(shè)置電校正元件(8)，該電校正元件特別是根據(jù)權(quán)利要求1-10項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的電校正元件，所述電校正元件包括低通濾波器(9)，和帶阻濾波器元件(10)，其特征在于所述帶阻濾波器元件(10)與所述低通濾波器(9)串聯(lián)連接，并且所述電校正元件(8)與所述系統(tǒng)上的負(fù)載并聯(lián)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電氣系統(tǒng)功率因數(shù)校正和電氣頻寬濾波的裝置，該裝置可大大降低額定頻率為10Hz到60Hz的電力系統(tǒng)上高于110Hz頻率的電壓，并且通過向系統(tǒng)輸入無功功率來提升功率因數(shù)。本發(fā)明所述的裝置提供包括感應(yīng)器和電容器的組合，該組合能有效地校正功率因數(shù)及過濾掉高頻電壓。
文檔編號H02J3/01GK102356529SQ201080007807
公開日2012年2月15日 申請日期2010年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者喬·馬·豪德森, 阿尼·伯格曼·帕特森 申請人:Raf·Ehf公司