CN101247074B

CN101247074B - 一种交流用电器的节电装置和制作方法

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Publication number: CN101247074B
Application number: CN2008100524533A
Authority: CN
Inventors: 王尺
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2028-03-17
Also published as: CN101247074A; WO2009115024A1

Abstract

本发明公开了一种交流用电器的节电装置，包括：开关电源电路、高频斩波电路，还包括阻抗匹配电路，市电电源输入开关电源电路，开关电源电路的输出给高频斩波电路，高频斩波电路的输出与阻抗匹配电路电连接，高频斩波电路为并联在高频斩波电路输出的阻抗匹配电路提供用电电源。有益效果是：本发明由于采用高频开关电源、高频斩波电路和串联电抗进行补偿，可以稳定电压、修整电流和电压的相位差，可以平畅电流，防范电流凸波，消除因杂波而导致的浪费，在保证用电器正常工作的情况下，有效的利用无功电流，提高功率因数，减少功率损耗，从而达到节能的效果。

Description

一种交流用电器的节电装置和制作方法

技术领域

本发明涉及节约能源技术领域，特别是涉及一种交流用电器的节电装置和制作方法。

背景技术

正弦交流电在理想状态下，随时间按正弦规律变化的电压或电流统称为正弦交流电。在实际应用中，由于供电和使用环境等诸多因素的影响，用户实际使用的交流电就不太洁净了。在用户用电回路中，电流或电压又存在相位差，习惯称为功率角

，用户用电回路中，用户用电的

有功功率＝电压×电流×功率因数(COS

)，单位为W，(1)

电度数＝总有功功率×时间，单位KW.h， (2)

在(1)中，当电压一定时，如果COS

＝1，那么电流最小。当COS值从1减到0.4时电流在不断地增大。这样将导致线路发热，用电器件的过分发热，会造成大量电能转变为热能被白白地消耗掉。由于电网中杂质(瞬变等)和干扰(谐波等)的存在，用户的电表会产生误差，出现过度计量，最高误差高达18％；杂质和干扰还会使用电设备的温度升高，效率下降，增加2-8％的用电附加消耗；用电设备在开启、关闭时产生大量的电火花，日积月累在开关处和用电线路形成一种阻碍正常供电的氧化性碳膜层(如开关上黑色的痕迹)，每一欧姆阻抗的氧化性碳膜层存在，会使用电设备效率下降13％，增加8％以上的电能损耗，由于用电电器效率的下降，使得一部分的电能未能得到有效的使用，造成浪费高达2-7％。由此可见，要省电，必须降低用户用电回路中总的有功功率，要降低总的有功功率，必先改善用电环境。

现有技术中，由于大部分常用交流用电器对电能的利用率低，造成了宝贵能源的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能在保证用电器正常工作的情况下，有效的利用无功电流，提高功率因数，减少功率损耗，并且节能的交流用电器的节电装置和方法。

本发明所采用的技术方案是：一种交流用电器的节电装置的制作方法，该节电装置包括开关电源电路、高频斩波电路和阻抗匹配电路，市电电源输入所述开关电源电路，所述开关电源电路的输出连接所述高频斩波电路，所述高频斩波电路的输出与阻抗匹配电路电连接，所述高频斩波电路为并联在所述高频斩波电路的输出的多个阻抗匹配电路提供用电电源；所述阻抗匹配电路包括进行匹配的串联谐振电抗、以及负载用电器，串联谐振电抗与负载用电器形成串联谐振电路，并且每个阻抗匹配电路的谐振频率各不相同，每个串联谐振电路并联成为一个整体负载后的谐振频率与所述高频斩波电路的工作频率相同。

所述高频斩波电路的工作频率范围为40-120KC。

所述高频斩波电路的最佳工作频率为80KC。

本发明的有益效果是：本发明由于采用高频开关电源、高频斩波电路和串联电抗进行补偿，可以稳定电压、修整电流和电压的相位差，可以平畅电流，防范电流凸波，消除因杂波而导致的浪费，在保证用电器正常工作的情况下，有效的利用无功电流，提高功率因数，减少功率损耗，从而达到节能的效果。

附图说明

图1是本发明的组成方框示意图；

图2是本发明串联谐振电抗与交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；

图3是本发明串联谐振电感与容性负载交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；

图4是本发明串联谐振电容与感性负载交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；

图5是本发明串联谐振电感与电阻性负载交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；

图6是本发明串联谐振电抗单元分别与多组不同性质负载交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；

图7是本发明不同性质电抗分别与多组不同性质负载交流用电器组成的阻抗匹配电路并联的总阻抗匹配电路示意图。

图中：

1：开关电源电路 2：高频斩波电路

3：阻抗匹配电路 4：串联谐振电抗单元

5：交流负载用电器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

传统的用电器(如电光源)是用电器(如电灯线路)来匹配市电的。由于市电的局限性、电压、频率等因素，使得用电器不能达到较好的转换效率(如光电转换、电热转换等)。本发明是通过一个开关电源电路1、高频斩波电路2，并根据负载用电器5本身的物理特性来对用电器(或光源)进行匹配，使其能获得较佳的转换效率。该开关电源不但能够从市电获得较小的输入功率，同时还能满足负载用电器5的正常工作，并满足电网和市电对用电器的各项要求，通过本发明将负载用电器5工作中不能被利用的电流部分捕捉回来，有效的利用无功电流。

电流与电压的乘积VICOS

称为有功功率(单位为W)，电流与电压的乘积VI称为视在功率(单位为VA)。有功功率对视在功率的比值称为功率因数PF(Power Factor)。

PF＝W/VA＝VACOSθ/VA＝COSθ

不论有功功率或无功功率，都是由发电机经输电网及配电线来供给，但电度表所计算的用电量仅为有功功率部分。有功功率还包括无功电流在线路中的压降及线路损失。总电流I＝有功电流I1+无功电流I2，如果能有效降低负载的功率因数，有效利用无功电流I2来供给用电器使用即可达到节能的目的。电容性负载可以提供电感性负载所需的无功功率，因为电感性负载的电流落后端电压，即功率因数为滞后，而电容性负载的电流超前端电压，即功率因数超前，两者间存在互补特性。在用户用电回路中，当电压超前于电流角度时，电路呈电感性，称为感性负载回路，当电流超前于电压角度

时，电路呈电容性，称为容性负载回路。

图1是本发明的组成方框示意图，如图1所示，本发明工作原理如下：220V50Hz或110V60Hz的交流电，经过整流后用高品质开关电源电路1、高频斩波电路2，将因用户负载回路工作而改变的电流波形得到有效改善，基本达到正弦波，同时将功率因数提高到0.98以上，并通过高频斩波电路2将直流电压升压，达到用户负载回路的每只负载用电器工作所需要的电压。在市电输入电压±30％的波动下，开关电源电路1的直流输出电压基本保持不变。经过高频整流、滤波后的直流电压，通过高频斩波电路2斩波后得到一个高频正负对称的交流电压，基本的高频斩波电路2，可以是半桥、全桥、谐振电路等。无论采用那种电路形式，在用户负载回路的用电器工作时均为正负半周对称的高频交流电。高频斩波电路2的输出端，可同时输出给多组阻抗匹配电路供电。多组交流负载用电器的数量取决于高频斩波电路2的输出功率和交流负载用电器的功率。其计算方法：

高频斩波电路2的输出功率W＝1.2Wd。

Wd是交流用负载电器的功率总和。

图2是本发明由串联谐振电抗与交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；图5是本发明由串联谐振电感与电阻性负载交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；如图2、图5所示，每组阻抗匹配电路中的交流负载用电器5可以是1至4只，每组阻抗匹配电路中的串联谐振电抗单元、交流用电器之间相互串联连接，其数量主要取决于高频斩波电路2输出的高频电压的峰、峰值，其计算方法：

每组中的交流负载用电器数n＝0.6Vpp/VD

Vpp：高频斩波电路的输出电压峰、峰值

VD：每组串联连接中的交流负载用电器额定电压

每组串联连接的阻抗匹配电路3加入进行匹配的串联谐振电抗与交流负载用电器5形成串联谐振电路，交流负载用电器5在功率、额定电压、工作电流应大致相同。每组串联连接的交流负载用电器5在与高频斩波电路2输出端并联连接时，加入进行匹配的串联谐振电抗单元4，串联谐振电抗单元4的作用是，限流、移相、谐振。即，阻抗匹配电路3由串联谐振电感与容性负载的用电器相串联组成，或由串联谐振电容与感性负载的用电器相串联组成，或由串联谐振电感与阻性负载的用电器相串联组成。

本发明采用加入进行匹配的串联谐振电抗单元4与交流负载用电器5形成串联谐振电路进行限流，由于是高频开关电源，其高频斩波输出的频率高达数十千周至上百千周，可以有效的利用无功电流，从而达到节能的目的。

本发明电路结构简单，改变了传统的使用交流负载用电器5的方式，传统的使用交流负载用电器5的方式是，用市电直接使用交流负载用电器5，为了不影响电网降低线路损耗，大都尽可能的提高功率因数，减少无功电流；而本发明，在交流负载用电器5的电压确定的情况下，交流负载用电器5的功率，也就取决于流过交流负载用电器5本身的电流，也就是说，流过交流负载用电器5本身的电流越大，交流负载用电器5的功率也越大，基于这个原理，本发明采用加入进行匹配的串联谐振电抗单元4，将交流交流负载用电器5的电流增大，即，在不增大交流负载用电器5现有功率的情况下，增大了流过交流负载用电器5的电流。

WD＝VD*ID*COSΦ。

WD＝交流负载用电器有功功率；

VD＝交流负载用电器电压；

ID＝交流负载用电器电流；

COSΦ＝交流负载用电器线路功率因数。

从公式中可以得出，降低COSΦ从0.8降到0.5时，在WD、VD都不变的情况下ID可以提高0.3，即，无功电流增加0.3，交流负载用电器5在功率不变的情况下可提高0.3即30％。串联谐振电抗单元4的另一个作用是，改变流过交流负载用电器5的电流与高频斩波电路2的输出电压之间的相位，可以最大限度使得相位差减小，即功率因数尽可能大，使流过并联的各支路交流负载用电器5电流相位不同，高频斩波电路2的输出电流就会减少，在功率因数等于0.98时，功率损耗将随着功率因数的提高而减小，市电输入高频开关电源的电流也相应减少，而并联的各支路中的交流负载用电器5流过的电流不变，从而达到节能目的。

进一步说，每组并联在高频斩波电路2输出端中的阻抗匹配电路3由进行匹配的串联谐振电抗单元4与交流负载用电器5组成串联谐振电路，其谐振频率各不相同，每组串联谐振电路并联成为一个整体负载后的谐振频率与所述高频斩波电路2的频率相同，在相同的时间内，市电的输出电流将会减少，其结果是，在保证交流负载用电器5电流不变的情况下，降低了开关电源电路1和高频斩波电路2的输出电流，从而达到节能的目的。

本发明是利用开关电源电路1、高频斩波电路2及其它电路组成一个高频开关电源。开关频率为40KC至120KC，最佳选择为80KC，给交流负载用电器5提供电源。

市电电源与开关电源电路1输入端相连接，开关电源电路1输出的正负端分别与高频斩波电路2的功率输出端相连接，高频斩波电路2的功率输出端与所有的阻抗匹配电路3的输入端相并联连接，加入阻抗匹配的串联谐振电抗单元4与所对应的交流负载用电器5串联连接，每一组交流负载用电器5，也可以1至4只串联后与加入阻抗匹配的串联谐振电抗单元4串联形式与高频斩波电路2的输出端相并联连接，高频斩波电路2的所有负载，即，阻抗匹配电路3，即，串联谐振电抗单元4所连接的交流负载用电器5都与高频斩波电路2输出端是并联连接的，每个串联谐振电抗单元4连接一组相互串联连接的交流负载用电器5，串联连接交流负载用电器5的数量为1至4只。

串联谐振电抗单元4与交流负载用电器5形成串联谐振电路，其每个串联谐振电路谐振频率各不相同，每个串联谐振电路并联成为一个整体负载后的谐振频率与高频斩波电路2的工作频率相同。

高频斩波电路2、阻抗匹配电路3的整体工作频率的确定方法，包括以下步骤：确定高频斩波电路2的工作频率；根据确定的高频斩波电路2的工作频率，调整每个阻抗匹配电路3加入进行匹配的串联谐振电抗单元4的数值，或调整电路负载电抗的数值；当每个交流负载用电器5在正常工作的情况下，监测交流输入电流的数值，调整每个阻抗匹配电路3加入进行匹配的串联谐振电抗单元4的数值，当测量交流输入电流的数值最小时，高频斩波电路2的工作频率与阻抗匹配电路3的整体工作频率相同。

高频斩波电路2、阻抗匹配电路3的整体工作频率的另一种确定方法，包括以下步骤：通过负载电抗的计算确定每个阻抗匹配电路3加入进行匹配的串联谐振电抗单元4的数值；根据确定的每个阻抗匹配电路3加入进行匹配的串联谐振电抗单元4的数值，调整高频斩波电路2的工作频率；当每个交流负载用电器5在正常工作的情况下，监测交流输入电流的数值，调整高频斩波电路2的工作频率，当测量交流输入电流的数值最小时，高频斩波电路2的工作频率与阻抗匹配电路3的整体工作频率相同。

高频斩波电路2的工作频率与用电器匹配的几种实例：

图3是本发明串联谐振电感与容性负载交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；如图3所示，交流负载用电器5(容性负载)确定的情况下，加入进行匹配的串联谐振限流电感，调整高频斩波电路2的工作频率，使其匹配。可充电电池(容性负载)确定的情况下，加入进行匹配的串联谐振限流电感，调整高频斩波电路2的工作频率，使其匹配。

图4是本发明串联谐振电容与感性负载交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；如图4所示，电吹风(感性负载)确定的情况下，加入进行匹配的串联谐振电容，调整高频斩波电路2的工作频率，使其匹配。电动剃须刀(感性负载)确定的情况下，加入进行匹配的串联谐振电容，调整高频斩波电路2的工作频率，使其匹配。

图5是本发明串联谐振电感与电阻性负载交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；如图5所示，白炽灯(电阻性负载)确定的情况下，调整高频斩波电路2的工作频率，在回路中加入进行匹配的串联谐振电容，将原电阻性负载变为感性负载，使其匹配。加热器，(电阻性负载)确定的情况下，调整高频斩波电路2的工作频率，在回路中加入进行匹配的串联谐振电感，将原电阻性负载变为容性负载，使其匹配。

图6是本发明串联谐振电抗单元分别与多组不同性质负载交流用电器组成的阻抗匹配电路示意图；如图6所示，串联谐振电抗单元4采用串联谐振电感与感性负载用电器、容性负载用电器和电阻性负载用电器组成的阻抗匹配电路，即，串联谐振电路；感性负载用电器采用电风扇，容性负载用电器采用可充电电池，电阻性负载用电器采用电熨斗，所选用的负载用电器额定电压、额定功率大致相同，在上述负载确定的情况下，调整高频斩波电路2的工作频率，使其匹配。

上述各实施例中也可以在高频斩波电路2的工作频率确定的情况下，调整加入进行匹配的串联谐振电抗单元4的数值，或者调整交流负载用电器5的功率，同样能达到有效利用无功电流的目的，从而节约电能。

值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，图7是本发明由不同性质电抗分别与多组不同性质负载交流用电器组成的阻抗匹配电路并联的总阻抗匹配电路示意图；如图7所示，交流负载用电器5可以是容性负载、感性负载、电阻性负载的不同组合串联连接构成，其等效阻抗可以是容性、感性、电阻性，在回路中加入进行匹配的串联谐振电抗，能使阻抗匹配电路形成串联谐振电路即可；根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种交流用电器的节电装置的制作方法，该节电装置包括开关电源电路(1)、高频斩波电路(2)和阻抗匹配电路(3)，市电电源输入所述开关电源电路，所述开关电源电路(1)的输出连接所述高频斩波电路(2)，所述高频斩波电路(2)的输出与阻抗匹配电路电连接，所述高频斩波电路(2)为并联在所述高频斩波电路的输出的多个阻抗匹配电路提供用电电源；

其特征在于：所述阻抗匹配电路包括进行匹配的串联谐振电抗、以及负载用电器，串联谐振电抗与负载用电器形成串联谐振电路，并且每个阻抗匹配电路的谐振频率各不相同，每个串联谐振电路并联成为一个整体负载后的谐振频率与所述高频斩波电路的工作频率相同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高频斩波电路的工作频率范围为40-120KC。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述高频斩波电路的最佳工作频率为80KC。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高频斩波电路的工作频率和阻抗匹配电路的整体工作频率的确定，包括以下步骤：

(1)确定所述高频斩波电路的工作频率；

(2)根据确定的所述高频斩波电路的工作频率，调整所述每个阻抗匹配电路的进行匹配的串联谐振电抗的数值；

(3)当所述每个负载用电器在正常工作的情况下，监测交流输入电流的数值，调整所述每个阻抗匹配电路的进行匹配的串联谐振电抗的数值，当所述监测交流输入电流的数值最小时，所述高频斩波电路的工作频率与所述阻抗匹配电路的整体工作频率相同。