CN100350710C - 节电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节电装置，该节电装置包括：铁芯，它包括三个柱状结构；三个主励磁线圈，它们分别绕制在所述铁芯的三个柱状结构上并且呈星形连接；三个电压调整线圈，各电压调整线圈与所述各主励磁线圈分别绕制在同一个所述铁芯的柱状结构上，各电压调整线圈的其中一端分别连接在与它绕制在同一个所述铁芯的柱状结构上的相应的主励电线圈的输出端，其中另一端分别连接在各个可调档位的短接片上；和，三个谐波消除线圈，各谐波消除线圈与所述各主励磁线圈和电压调整线圈分别绕制在同一个所述铁芯的柱状结构上，各谐波消除线圈连接成三角形，并且各谐波消除线圈连接有一个电容器。

Description

节电装置
技术领域
本发明涉及一种节电装置，该装置对于220V-280V，50HZ-60HZ的三相交流电来说具有抑制高频谐波、平衡三相电压、调整进电电压、抑制闪变、降低线损的功能。
背景技术
经济和技术发达的国家均非常重视节约电能。日本和美国已开发了一系列不同类型的节电系统。此类系统的构造均以电子组件为主，用于调节和平衡用电系统的三相电压，并且采用变频技术以提高功率因数等。但这些节电装置的使用条件要求较高，如果因电网电压波动较大而且用电环境等因素不相配合的话，就会使这些装置的应用范围受到限制。
发明内容
为了克服上述缺点，本发明的目的是为了提供一种节电装置，该装置能够调节低压供电系统的三相电压、平衡三相电流、削减各种电感性用电器的起动冲击电流、并且吸收串扰在供电网络中的三、五、七次谐波。
本发明的节电装置采用类似干式变压器的构造，其过载能力强、耐冲击、适用范围广，与现有的同类装置相比较，其使用条件不高。
为了达到本发明的目的，根据本发明的一种节电装置，其特征在于，包括：
铁芯，它包括三个柱状结构；
三个主励磁线圈，它们分别绕制在所述铁芯的三个柱状结构上并且呈星形连接；
三个电压调整线圈，各电压调整线圈与所述各主励磁线圈分别绕制在同一个所述铁芯的柱状结构上，各电压调整线圈的其中一端分别连接在与它绕制在同一个所述铁芯的柱状结构上的相应的主励磁线圈的输出端，其中另一端分别连接在各个可调档位的短接片上；和
三个谐波消除线圈，各谐波消除线圈与所述各主励磁线圈和电压调整线圈分别绕制在同一个所述铁芯的柱状结构上，各谐波消除线圈连接成三角形，并且各谐波消除线圈分别连接有一个电容器。
根据本发明的节电装置采用优质硅钢片制造铁芯，以柱状结构配以特别设计的尺寸，使得铁芯在磁通中呈现的磁阻最小，以降低铁芯损耗。
根据本发明的节电装置，主励磁线圈的匝数较少并且串联在变压器的低压输出端和负载之间，用于调节设定的输出电压值，并且相当于在系统中串联了一个可变电感器，其电感值随负载电流的性质而变化。
电压调整线圈与主励磁线圈同绕在一个铁芯柱上，其一端连接在主励电线圈的输出端，其另一端接在可调档位的短接片上，由于一端与负载间并联在主励磁线圈输出端上，电压调整线圈能同步感受到负载的冲击电流及负荷变化率，会引起电压调整线圈的磁场变化，由于与主励磁线圈同绕在一个铁芯柱上，两线圈的合成磁场按矢量原则进行矢量加减，此合成磁场同时又调整节电装置的阻抗值，从而使冲击电流受到削减，减少电能损耗。
本发明的节电装置的另一特征技术是单独设计了谐波消除线圈，并与主励磁线圈，电压调整线圈同绕在一个铁芯柱上。因为三相交流电源上如有高次谐波，既会增加线路损耗，也会对用电设备的安全性带来极大的危害，此线圈既能吸收来自电网的高次谐波又能抑制负载产生的高次谐波对电网影响，使电源变得清洁。
根据本发明，当电网负载减少时电网电压升高，本发明的节电装置的输入电压也升高，此时输出电压升高，而电压调整线圈的电压升高，励磁电流将增加，与主励磁线圈的合成磁场共同调节节电装置的输出阻抗，使得输出电压得升幅小于电网电压的升幅，从而降低了负载线路的损耗，以达到节电的效果。
本发明的节电装置采用类似于干式变压器的构造，在三柱式铁芯上绕有相应的功能线圈，即主励磁线圈，电压调整线圈和谐波消除线圈。通过根据本发明的特殊的接线方式，利用电磁平衡原理，可有效地降低各种感性负载的起动电流，使得由任意接线方式的负载和用电器所引起的三相电流不平衡而产生的负序、零序分量的电压和电流得到明显的改善，相应减少低压供电线路的附加损耗。电磁平衡技术可有效地调节用电设备起额定值电压，使用电设备在一个较经济的区间内运行，从而达到节电的目的。
本发明的节电装置用于串联连接在配电变压器的低压输出端和负载之间，适用于单相、三相电源的各类负载。本发明的装置具有抑制高次谐波、稳定输出电压、降低突变电流的冲击和线损的功能，是一种综合性的节电装置。
附图说明
图1是根据本发明的节电装置的主励磁线圈和电压调整线圈的结构原理图；
图2是根据本发明的节电装置的谐波消除线圈的等效电路图；
图3A和3B是根据本发明的节电装置的铁芯结构示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明的节电装置的主励磁线圈和电压调整线圈的结构原理图。图1中，R-r、S-s和T-t是主励磁线圈，采用3-2.7×12mm的铜线，匝数为20匝。主励磁线圈的匝数较少，其连接是串联在变压器低压输出端与负载之间，用于调节设定的输出电压值，并在系统中相当于串联了一个可变电感器，其电感值随负载电流的性质而变化，从而对冲击电流具有明显的削减作用。
电压调整线圈与主励电线圈同绕在一个铁芯柱上。电压调整线圈的一端接在主励电线圈的输出端，另一端接在可调档位(0％、2％，4％和6％的电压调整)的短接片上。对于不同的可调档位，其线圈的材料规格和匝数是不同的。对于6％的电压调整，采用3.8×2.2mm的铜线，匝数为220匝；对于4％的电压调整，采用直径2.6mm的铜线，匝数为80匝；对于2％的电压调整，采用直径2.2mm的铜线，匝数为160匝；对于0％的电压调整，采用直径1.5mm的铜线，匝数为460匝。由于电压调整线圈的一端与负载并联连接在主励磁线圈的输出端上，所以电压调整线圈能同步感受到负载的冲击电流及负荷变化率，从而引起电压调整线圈中的磁场变化。由于电压调整线圈与主励磁线圈同绕在一个铁芯柱上，两线圈的合成磁场按矢量原则进行矢量加减，此合成磁场将调整节电装置的阻抗值，从而使冲击电流受到削减，以达到减少电能损耗的目的。
图2是根据本发明的节电装置的谐波消除线圈的等效电路图。在本发明中，根据电磁感应的基本原理，结合节电装置的整体设计，特别地将谐波消除线圈连接成三角形并且和一定容量的电容器串联连接，形成谐波消除电路，用于消除来自负载侧以及因节电装置本身的星形连接而产生的高次谐波，特别是消除三次谐波分量。谐波消除线圈L1、L2和L3采用直径1.5mm的铜线，其匝数均为400匝。
1.消除节电装置自身产生的三次谐波
当节电装置三相绕组接到三相正弦波电网上时，电压是正弦波。因磁路的非线性特性，磁通成为平顶波，其中含有三次谐波分量Φ3，它在绕组中感应出落后于磁通90度的三次谐波电势，并叠加在基波上，使输出的正弦波电压发生畸变。本发明的节电装置中，引入三个独立的谐波消除线圈并接成三角形时，三次谐波磁通在该三个谐波消除线圈中感应出三次谐波电势，在三角形回路中产生三次谐波电流，此电流产生的反向三次谐波磁通，削减了原三次谐波的磁通，使磁通波形及感应电势波形都接近于正弦波，从而改善了输出电压，使负载得到非畸变的电压波形。
在三相电流中的三次谐波电流可用下式表示
I03A＝I03mSin3ωt
I03B＝I03mSin3(ωt-120)＝I03mSin3ωt
I03C＝I03mSin3(ωt-240)＝I03mSin3ωt
这样的三相三次谐波电流在时间上都是相同的，而节电装置的主励磁线圈和电压调整线圈都呈星形接法，并有中心线，所述三次谐波电流I03A、I03B、I03C的方向在同一瞬间都流向中心点或都从中心点向外流出，即无论那一个绕组都无法形成回路，从而无法使三次谐波电流通过。
2.产生串联谐振，削减高次谐波
参见图2，当谐波消除线圈接入适当的电容时，在其相应的等效电路中：
线路阻抗Z＝U/I＝R+j(ωL-1/ωC)
对于某个频率f3谐振时，ω3L-1/ω3C＝0
产生谐振时，f3频率的谐波电流最大，产生反向的f3频率的谐波磁通也最大，削减了原来f3谐波磁通，使得f3频率谐波对总磁通及感应电势的干扰显著降低，从而削减了谐波产生的损耗，使输出电压波形得到改善，且提高了节电效率。
3.谐波消除线圈的元件参数的选择
(1)线圈匝数选择
电压选择越高时，三次谐波电流越大，因而削减原边三次谐波效果越好；但电压越高时，要求线圈用铜量增加，相应地对绝缘性能要求增强，会为组件选择带来因难。
(2)电容选择
根据(1)选择工作电压，则有ω3L-1/ω3C＝0，所以C＝1/ω2 3L。
图3A和3B是根据本发明的节电装置的铁芯结构示意图，其中，图3A是铁芯结构的立体示意图，图3B是平面示意图。铁芯采用优质硅钢片。从图3A的正面看去，铁芯结构整体的高×宽×厚的尺寸为480×405×104mm，铁芯的各柱状结构的宽度的尺寸为65mm，中空的尺寸为350×105mm。图3B中，各角处的圆孔直径均为15mm。
根据本发明的节电装置的节电率可按下式计算：
n＝(P1-P2)/P1
其中，n是节电率；P1是不接入节电装置时电网供出的有功功率；P2是接入节电装置时电网供出的有功功率。
以上已参照附图对本发明的实施例的各个方面进行了说明。本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神的范畴的条件下，可以对本发明的部件施以多种改进和变化，以适应具体的设计和使用要求。本发明的保护范围由所附的权利要求书所限定，而非局限于实施例所述的内容。
表1列出有关本发明的节电装置的各种线圈的数据。
表2列出根据本发明的不同规格的节电装置的材料清单。
表3列出受控关键零部件和材料。
表1线圈数据：
  名称   线径(mm)   匝数   备注
  R-r S-sT-t   3-2.7×12   20   主励磁线圈
  6％   3.8×2.2   220   电压调整线圈
  4％   2.6   80
  2％   2.2   160
  0％   1.5   460
  L1、L2、L3   1.5   400   谐波消除线圈
表2材料清单：
  产品型号规格材料名称规格 PPS-50 PPS-200 PPS-1000 PPS-2000
  硅钢片   DQ140-30   DQ140-30   DQ140-30   DQ140-30
  ZBN-0.5NOMEX纸绕包铜线   Φ1.3   Φ1.3   1.5×2.2mm   2×2.5mm
  ZBN-0.5NOMEX纸绕包铜线   1.5×2.2mm   2×2.5mm   3.2×7.5mm   6×16mm
  ZBN-0.5NOMEX纸绕包铜线   4×9.8mm   2.65×4.5mm   3.15×16mm   3.15×16mm
  ZBN-0.5NOMEX纸绕包铜线   2.5×10mm
  铜排   3×30mm   4×40mm   10×80mm   15×100mm
  9334双马板   1.5mm   1.5mm   1.5mm   1.5mm
  341环氧玻璃布板   10mm   10mm   10mm   10mm
  6650复合膜   0.3mm   0.3mm   0.3mm   0.3mm
  温度表   WTQ-2800～200℃   WTQ-2800～200℃   WTQ-2800～200℃   WTQ-2800～200℃
  阻燃导线   ZR-BVR，Φ25   ZR-BVR，Φ25   ZR-BVR，Φ25   ZR-BVR，Φ25
  端子   UK-6N   UK-6N   UK-16N   UK-35
  机柜   465×435×720   686×600×1068   1106×690×1480   1206×716×1689
表3受控关键零部件和材料：
  序号   名称   牌号及规格型号
  1   硅钢片   DQ140-30
  2   ZBN-0.5 NOMEX纸绕包铜线   1.5×2.2mm
  3   ZBN-0.5 NOMEX纸绕包铜线   2×2.5mm
  4   ZBN-0.5 NOMEX纸绕包铜线   2.5×10mm
  5   ZBN-0.5 NOMEX纸绕包铜线   2.65×4.5mm
  6   ZBN-0.5 NOMEX纸绕包铜线   3.15×16mm
  7   ZBN-0.5 NOMEX纸绕包铜线   3.2×7.5mm
  8   ZBN-0.5 NOMEX纸绕包铜线   4×9.8mm
  9   ZBN-0.5 NOMEX纸绕包铜线   6×16mm

Claims (6)

1.一种节电装置，其特征在于，包括：
铁芯，它包括三个柱状结构；
三个主励磁线圈，它们分别绕制在所述铁芯的三个柱状结构上并且呈星形连接；
三个电压调整线圈，各电压调整线圈与所述各主励磁线圈分别绕制在同一个所述铁芯的柱状结构上，各电压调整线圈的其中一端分别连接在与它绕制在同一个所述铁芯的柱状结构上的相应的主励磁线圈的输出端，其中另一端分别连接在各个可调档位短接片上；和
三个谐波消除线圈，各谐波消除线圈与所述各主励磁线圈和电压调整线圈分别绕制在同一个所述铁芯的柱状结构上，各谐波消除线圈连接成三角形，并且各谐波消除线圈分别连接有一个电容器。
2.根据权利要求1所述的节电装置，其特征在于，所述铁芯结构的高×宽×厚的尺寸为480×405×104mm，所述铁芯的各柱状结构的宽度的尺寸为65mm，中空的尺寸为350×105mm，所述铁芯的各角处的圆孔直径为15mm。
3.根据权利要求1或2所述的节电装置，其特征在于，所述各主励磁线圈由直径为2.7-3mm、长度为12mm的纸绕包铜线构成，其匝数均为20匝。
4.根据权利要求1或2所述的节电装置，其特征在于，所述各可调档位短接片包括对输出电压进行0％、2％，4％和6％调整的档位短接片。
5.根据权利要求4所述的节电装置，其特征在于，对于6％的电压调整，所述各电压调整线圈采用3.8×2.2mm的纸绕包铜线，匝数为220匝；对于4％的电压调整，所述各电压调整线圈采用直径2.6mm的纸绕包铜线，匝数为80匝；对于2％的电压调整，所述各电压调整线圈采用直径2.2mm的纸绕包铜线，匝数为160匝；对于0％的电压调整，所述各电压调整线圈采用直径1.5mm的纸绕包铜线，匝数为460匝。
6.根据权利要求1或2所述的节电装置，其特征在于，所述各谐波消除线圈所连接的电容器的电容值为C＝1/ω2 3L，其中ω3为三次谐波电流的角频率，L是各对应谐波消除线圈的电感量。
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