電力調(diào)節(jié)和節(jié)省裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般地涉及電力的供給。更具體地，本發(fā)明涉及在電力輸送系統(tǒng)中減少功 率消耗。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力公司和電力公司的用戶對降低配電系統(tǒng)中浪費的電量有共同的興趣。電力公 司工程師輸電線路、變壓器和發(fā)電機來提供用戶將拉走的電力。即使用戶不使用用戶拉走 的一些電力，但是電力公司仍使得工程師輸電線路、變壓器和發(fā)電機提供這個額外浪費的 電力。另外，傳輸給用戶的一些電力沒有被用戶使用或者浪費掉，而是被"反射"回電力發(fā) 電機。由此，輸電線路不得不攜帶被傳輸?shù)碾娏捅环瓷浠氐碾娏Α＿@不僅意味著傳輸線 路必須被設(shè)計為攜帶被傳輸?shù)暮捅环瓷浠氐碾娏?，還意味著因為在穿過電力系統(tǒng)中的被傳 輸?shù)碾娏捅环瓷浠氐碾娏χ写嬖趽p耗，所以還增大了輸電線路、變壓器和負載中的損耗。
[0003] 功率因數(shù)是提供給用戶的有功功率與提供給用戶的電力和反射回電力公司的電 力的總和的比例，被稱為功率因數(shù)。功率因數(shù)1被認(rèn)為是理想的。電力公司通常向住宅用 戶僅僅索要有功功率。然而，可以向工業(yè)用戶索要具有額外電荷的真實功率用于功率因數(shù)。 通常地，電力公司可能不應(yīng)用額外的電荷用于閾值以上的功率因數(shù)，，但是可以向工業(yè)用戶 索要與閾值以下的功率因數(shù)成比例的功率因數(shù)。對于每個電力公司，這個閾值是變化的，但 是通常在0. 85至0. 95之間。由此，如果電力公司設(shè)置0. 95的閾值，并且用戶的功率因數(shù) 是0.85,則電力公司可以對使用的所有實際功率索要固定的資費。對于較差功率因數(shù)的典 型資費可以是大約10%。
[0004] 校正功率因數(shù)具有除了電力成本的優(yōu)勢。因為需要較少的電流來傳輸相同的電 力，所以用戶系統(tǒng)的內(nèi)部電力能力增大。結(jié)果是，無需提供增大的容量電線、開關(guān)箱和變壓 器來為額定的設(shè)備供電。在使用點處的電壓可以下降，并且欠壓減小了電動機可以攜帶的 負載，而不過熱或熄火。
[0005] 可以通過多種機制來引起降低的功率因數(shù)。第一個機制是由電容器、電感器、或電 容器和電容器的一些組合而引起的電抗負載。這些負載將供應(yīng)給用戶的電流的相位轉(zhuǎn)換為 電壓。相移意味著在交流（AC)周期的一些部分中，除了消耗的實際功率，過剩電力被傳送 給用戶，并且在AC周期的其他部分，過剩電力反射回至電力公司。通過將合適的取消電感 器或電容器添加至用戶電力電路，可以通過這個機制來校正功率因數(shù)減小。添加取消電感 器或電容器的一個問題是所述電感器或電容器可以取決于如何使用用戶的裝備而變化。一 些系統(tǒng)通過切換進或切換出額外的電容器或電感器來適應(yīng)變化的使用。
[0006] 尼古拉?特斯拉提出了感應(yīng)電動機。依賴于負載，感應(yīng)電動機呈現(xiàn)出對電力線滯 后的功率因數(shù)。大負載的感應(yīng)電動機可以具有高達0.90的功率因數(shù)。對于小的低速電動 機，功率因數(shù)可以低至〇. 5。在啟動期間的感應(yīng)電動機可以具有范圍為0. 10到0. 25的功率 因數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)更快時其上升。
[0007] 作為第二個減小功率因數(shù)機制，客戶不能得到來自AC周期所有部分的電力。例 如，開關(guān)模式電源取得在電壓周期峰值處的大部分電力。這往往會使電力信號的正弦波的 形狀"變平"，引起諧波。諧波在被反射回電力公司和其他用戶的電力線上產(chǎn)生不需要的信 號。由此，就用戶而言，諧波是浪費的電力。使用過濾器可以去除不需要的諧波。
[0008] 第三個減小功率因數(shù)機制是在用戶的處所外部產(chǎn)生的被傳輸給用戶的尖峰和諧 波形式的能量。雖然尖峰和諧波穿過功率儀表，但是這些尖峰和諧波不能被用戶有用地使 用，并且可能會損害設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本文公開的示例性實施例嘗試克服上述討論的傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺點。特別地，本文的 一些實施例嘗試減小負載所消耗的功率，增大負載的功率因數(shù)，減少產(chǎn)生的或發(fā)送給用戶 的諧波和尖峰，并且減少產(chǎn)生的或發(fā)送給用戶的電磁干擾（EMI)。
[0010] 在一個實施例中，功率因數(shù)調(diào)節(jié)器包括：功率因數(shù)測量單元，被配置為測量連接至 負載的輸入線路上的功率因數(shù)并且基于測量到的功率因數(shù)產(chǎn)生功率因數(shù)校正信號；以及功 率因數(shù)調(diào)節(jié)單元，被連接至所述功率因數(shù)測量單元，包括：固定電容器，被串聯(lián)連接至第一 開關(guān)裝置；以及可調(diào)元件，具有被并聯(lián)連接至所述固定電容器且被串聯(lián)連接至第二開關(guān)裝 置的可變電容，其中響應(yīng)于所述功率因數(shù)校正信號，通過調(diào)節(jié)所述可調(diào)元件的電容或者通 過切換第一開關(guān)裝置和第二開關(guān)裝置，來調(diào)節(jié)功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元的總電容。
[0011] 在另一個實施例中，可調(diào)元件包括：包括不導(dǎo)電材料的容器；第一電極，在容器的 第一端處被放置在容器中，其中第一電極在容器內(nèi)是可移動的；第二電極，在容器的第二端 處被放置在容器中；壓縮材料，放置在第一電極與第二電極之間的容器中；被連接至第一 電極的第一連接和被連接至第二電極的第二連接，用于連接至電路；以及連接到第一電極 的壓縮裝置，將第一電極朝向第二電極移動以施加壓縮至壓縮材料并從而改變可調(diào)元件的 電氣特性。
[0012] 在又一實施例中，可調(diào)元件包括：容器，由不導(dǎo)電材料組成；第一電極，在容器的 第一端處被放置在容器中；第二電極，在容器的第二端處被放置在容器中；壓縮材料，被放 置在第一電極與第二電極的容器中；被連接至第一電極的第一連接和被連接至第二電極的 第二連接，用于連接至電路；以及繞在容器周圍的線圈以在壓縮材料內(nèi)產(chǎn)生磁場從而改變 可調(diào)元件的電氣特性。
[0013] 在再一實施例中，電路包括：電容器；第一可調(diào)元件，被連接至電容器的第一端子 且被配置為通過壓縮第一可調(diào)元件內(nèi)部的壓縮材料來調(diào)節(jié)第一可調(diào)元件的電氣特性；以及 第二可調(diào)元件，被連接至電容器的第二端子且被配置為通過壓縮第二可調(diào)元件內(nèi)部的壓縮 材料來調(diào)節(jié)第二可調(diào)元件的電氣特性，其中第一可調(diào)元件和第二可調(diào)元件調(diào)節(jié)它們的電氣 特性以控制從電容器到負載放電的電荷。
[0014] 在另一實施例中，濾波器包括：諧波檢測器，被配置為檢測負載產(chǎn)生的諧波并且如 果檢測到諧波則發(fā)送信號；以及可調(diào)元件，與負載并聯(lián)連接且被配置為響應(yīng)于從諧波檢測 器發(fā)送的信號，調(diào)節(jié)可調(diào)元件的品質(zhì)因數(shù)Q以抑制諧波。
[0015] 在又一實施例中，功率因數(shù)調(diào)節(jié)的方法包括：由功率因數(shù)測量單元測量在連接至 負載的輸入線路上的功率因數(shù)；基于測量到的功率因數(shù)產(chǎn)生功率因數(shù)校正信號；由具有并 聯(lián)連接至可調(diào)節(jié)元件的固定電容器的功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元接收功率因數(shù)校正信號；響應(yīng)于功 率因數(shù)校正信號，切換串聯(lián)連接至固定電容器的第一開關(guān)裝置以調(diào)節(jié)功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元的 電容；以及響應(yīng)于功率因數(shù)校正信號，調(diào)節(jié)具有可變電容的可調(diào)元件的電氣特性以進一步 調(diào)節(jié)功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元的電容。
[0016] 在再一實施例中，功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元包括：固定電容器，被串聯(lián)連接至開關(guān)裝置； 以及可調(diào)元件，具有可變電容且被連接至固定電容器，其中通過調(diào)節(jié)可調(diào)元件的電氣特性 來調(diào)節(jié)功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元的總電容。
[0017] 在另一實施例中，一種儲能裝置，包括：容器，由不導(dǎo)電材料組成；壓縮材料，位于 所述容器中；第一端子，用于將外電路連接至所述壓縮材料；第二端子，用于將所述壓縮材 料連接至所述外電路；以及壓縮裝置，位于所述容器中，施加固定力以壓縮所述壓縮材料。
[0018] 在又一實施例中，一種儲能裝置，包括：容器，由不導(dǎo)電材料組成并且具有內(nèi)腔； 壓縮材料，在所述容器的所述內(nèi)腔中；第一端子，用于將外電路連接至所述壓縮材料；第二 端子，用于將所述壓縮材料連接至所述外電路；壓縮裝置，位于所述容器中且在第一位置與 第二位置之間移動，其中所述第一位置施加壓縮至所述內(nèi)腔中的所述壓縮材料，并且所述 第二位置減輕所述內(nèi)腔中所述壓縮材料上的壓縮；以及基于溫度移動裝置，基于所述儲能 裝置的溫度在所述第一位置與所述第二位置之間移動所述壓縮裝置。
[0019] -種儲能裝置，包括：容器，由不導(dǎo)電材料組成；粉末狀磁鐵礦混合物，放置在所 述容器中；第一端子，用于將外電路連接至所述粉末狀磁鐵礦混合物；第二端子，用于將所 述粉末狀磁鐵礦混合物連接至所述外電路；以及壓縮裝置，位于所述容器中，施加固定力以 壓縮所述粉末狀磁鐵礦混合物。
[0020] 在再一實施例中，一種用于為包括兩個端子和壓縮材料的儲能裝置再充電的方 法，所述壓縮材料包括磁鐵礦且由壓縮裝置壓縮，在所述儲能裝置運行期間所述壓縮裝置 施加固定力至所述壓縮材料，所述方法包括：施加磁場至所述儲能裝置；使用磁場傳感器 確定所述磁場的北極和南極；以及定向所述儲能裝置，使得所述儲能裝置的端子分別指向 由所述磁場傳感器確定的磁場的所述北極和南極。
[0021] 在另一實施例中，一種防止儲能裝置過熱的方法，包括：由溫度測量裝置測量儲能 裝置的內(nèi)部溫度；確定所述儲能裝置的所述內(nèi)部溫度是否高于溫度閾值；以及如果所述儲 能裝置的內(nèi)部溫度低于所述溫度閾值，則使用壓縮裝置施加力至壓縮材料。
[0022] 在又一實施例中，一種使用儲能裝置的方法，包括：使用壓縮裝置壓縮包含在所 述儲能裝置中的壓縮材料；將第一端子連接至外電路；通過第一端子接收來自所述外電路 的電流；將來自所述第一端子的所述電流傳輸至所述壓縮材料；在所述壓縮材料中存儲電 荷；將第二端子連接至所述外電路；以及通過傳遞存儲在所述壓縮材料中的電荷由所述第 二端子將電流驅(qū)動至所述外電路。
[0023] 在再一實施例中，一種使用儲能裝置的方法，包括：將第一端子連接至外電路；在 所述第一端子處接收來自所述外電路的電流；將來自所述第一端子的所述電流傳輸至包含 在所述儲能裝置內(nèi)的電荷存儲材料，其中所述電荷存儲材料包括磁鐵礦；在所述電荷存儲 材料中存儲電荷；將第二端子連接至所述外電路；以及通過傳遞存儲在所述電荷存儲材料 中的電荷由第二端子將電流驅(qū)動至所述外電路。
[0024] 實施例的另外的特征和優(yōu)點將在下面的說明書中闡述，部分地根據(jù)說明書是顯而 易見的?？梢杂稍跁嬲f明書中的示例性實施例和其權(quán)利要求書以及附圖中特別指出的結(jié) 構(gòu)實現(xiàn)和得到本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點。
[0025] 應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的前述總體說明和隨后的詳細說明是示例性的和說明性 的，并且旨在提供對請求保護的本發(fā)明的進一步說明。
【附圖說明】
[0026] 附圖構(gòu)成本說明書的一部分且示出發(fā)明的實施例，并且和說明書一起用于解釋本 發(fā)明。
[0027] 圖1示出根據(jù)示例性實施例的電力系統(tǒng)。
[0028] 圖2示出根據(jù)示例性實施例的電力系統(tǒng)。
[0029] 圖3示出根據(jù)示例性實施例自動地調(diào)節(jié)功率因數(shù)的系統(tǒng)。
[0030] 圖4示出根據(jù)示例性實施例的功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元。
[0031] 圖5示出根據(jù)示例性實施例的功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元的外殼。
[0032] 圖6示出根據(jù)示例性實施例的不包含功率因數(shù)測量單元的功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元的 外殼。
[0033] 圖7示出根據(jù)示例性實施例的幾個功率因數(shù)調(diào)節(jié)器的示例性安裝。
[0034] 圖8示出根據(jù)示例性實施例用于多個負載的單個功率因數(shù)調(diào)節(jié)器的示例性使用。
[0035] 圖9示出根據(jù)示例性實施例的可調(diào)元件。
[0036] 圖10示出根據(jù)另一示例性實施例的可調(diào)元件。
[0037] 圖11示出根據(jù)又一示例性實施例的可調(diào)元件。
[0038] 圖12示出根據(jù)又一示例性實施例的可調(diào)元件。
[0039] 圖13示出根據(jù)示例性實施例用于可調(diào)元件的等效電路。
[0040] 圖14示出根據(jù)示例性實施例使用可調(diào)元件來提高功率因數(shù)的系統(tǒng)。
[0041] 圖15示出根據(jù)示例性實施例使用可調(diào)元件作為過電壓吸收器（surge arrester) 的系統(tǒng)。
[0042] 圖16示出根據(jù)示例性實施例包含可調(diào)元件的變壓器。
[0043] 圖17示出根據(jù)示例性實施例包含可調(diào)元件的電動機（electric motor)。
[0044] 圖18A示出根據(jù)示例性實施例使用可調(diào)元件作為可變電阻器以限制電容器放電 的系統(tǒng)。
[0045] 圖18B示出根據(jù)示例性實施例使用可調(diào)元件的系統(tǒng)。
[0046] 圖18C示出根據(jù)示例性實施例的可調(diào)元件。
[0047] 圖18D示出根據(jù)示例性實施例使用可調(diào)元件的系統(tǒng)。
[0048] 圖18E示出根據(jù)示例性實施例使用可調(diào)元件的系統(tǒng)。
[0049] 圖18F示出根據(jù)示例性實施例使用可調(diào)元件的系統(tǒng)。
[0050] 圖18G示出根據(jù)示例性實施例使用可調(diào)元件的系統(tǒng)。
[0051] 圖18H示出根據(jù)示例性實施例使用可調(diào)元件的系統(tǒng)。
[0052] 圖19示出根據(jù)另一示例性實施例的可調(diào)元件。
[0053] 圖20示出根據(jù)示例性實施例用于感應(yīng)電動機和功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元組合的相對于 調(diào)節(jié)單元設(shè)置的功率因數(shù)。
[0054] 圖21示出根據(jù)示例性實施例由于使用功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元的百分比節(jié)省。
[0055] 圖22示出根據(jù)示例性實施例的儲能裝置。
[0056] 圖23示出根據(jù)示例性實施例的儲能裝置。
[0057] 圖24示出根據(jù)示例性實施例的儲能裝置。
【具體實施方式】
[0058] 將參照如下討論的細節(jié)來描述本發(fā)明的各個實施例和方案，并且附圖將示出各個 實施例。以下說明和附圖解釋了本發(fā)明且不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明。描述了各種具體細節(jié) 以提供對本發(fā)明各個實施例的徹底理解。然而，在某些示例中，沒有描述公知的或常規(guī)的細 節(jié)以便提供本發(fā)明實施例的簡明討論。
[0059] 圖1示出示例性電力系統(tǒng)100。電力公司提供電力至電力網(wǎng)105。通過電力網(wǎng)105 將電力作為電能傳輸給用戶110。用戶110具有由電力公司提供的儀表115來測量用戶110 消耗的電力。電力被用戶110操作的一個或多個負載120消耗。理想地，由電力網(wǎng)105提 供的且由儀表115計量的所有電力被負載120消耗。然而，實際上，一些電力通過儀表115 從負載反射回至電力網(wǎng)105,一些電力從電線125福射，一些電力作為電線125中的熱量浪 費了。在到負載的途中和在任何電力被反射回時，被傳輸至負載和反射回電力網(wǎng)105的電 力引起電線125的加熱。
[0060] 圖2示出根據(jù)示例性實施例的電力系統(tǒng)200。電力公司經(jīng)由電力網(wǎng)205將電力供 應(yīng)給用戶210。由儀表215來計量用戶。在儀表215與負載220之間的是功率因數(shù)調(diào)節(jié)器 230。功率因數(shù)調(diào)節(jié)器230執(zhí)行幾個功能，包括將從負載反射的電力回收回至負載，以及減 小負載的總功耗。在來自電力網(wǎng)的尖峰和諧波到達負載之前，功率因數(shù)調(diào)節(jié)器還可以過濾 它們，從而防止諧波和尖峰在負載中的損耗。另外，功率因數(shù)調(diào)節(jié)器過濾由負載產(chǎn)生的尖峰 和諧波。由于過濾了引起EMI的尖峰和諧波，所以功率因數(shù)調(diào)節(jié)器還減小了 EMI。
[0061] 當(dāng)被供應(yīng)交流電（AC)時，電阻性負載例如電阻器使用供應(yīng)至負載的所有電力。然 而，包括電