CN103733282B - 用于插入在电源与动力负载和/或照明电力负载之间的改进型高效节能设备 - Google Patents

用于插入在电源与动力负载和/或照明电力负载之间的改进型高效节能设备 Download PDF

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Abstract

插入在三相电源（A）和三相负载（L）之间的节能设备（1），包括三相电变压器（10），所述三相电变压器（10）中的每相包括包含初级绕组（2）的变换组件（11），所述初级绕组（2）在第一端（5）连接到所述电源（A）的一相并且电磁地耦接到次级绕组（3），所述次级绕组（3）在所述次级绕组（3）的第二端（S1）连接到所述负载（L）的一个相。所述设备包括每个变换组件（11）中的所述初级绕组（2）的位于所述第一端（5）对面的第二端（6）通过第一开关装置（4）彼此电连接。所述设备还包括所述次级绕组（3）中的每个次级绕组（3）并联连接到用于启用或禁用所述电源（A）和所述负载（L）之间的所述节能设备（1）的工作的第二开关装置（7）。

Description

用于插入在电源与动力负载和/或照明电力负载之间的改进型高效 节能设备
说明书
本发明涉及一种能够减小在从电源到负载的电能供应期间确定的能量消耗的节能设备。
众所周知，必须变换由主电源电力供应网供应的电能的值以便适当地给一个或更多个消耗动力和/或照明电力的负载供电。
为了实现所述变换，因此必须在电源和要供应的负载之间插入能够将输入电学量即输入电压Vi和输入电流Ii的值转换成合适的输出值VO和IO的静态电子仪器。
这样的仪器被称为电力变压器。
众所周知，变压器通常招致由于各种因素而导致的能量损耗，例如由于绕组中的焦耳效应而导致的电势损耗，或者由于流动的分散而导致的损耗。
这些不必要的损耗与变压器工作期间的高能耗和因此所减小的效率相一致。
被控制的电能的电力越高，上述缺点就越大。
为此，市场上已经提出了用于在三相电源和一个或更多个三相负载之间插入和启用节能设备以便削弱上述缺陷。
然而，即使使用这样的设备，仍然不可能获得所期望的最优能量节省。
本发明旨在克服上述缺陷。
特别地，本发明的主要目的是产生比根据现有技术的设备更高效的节能设备。
本发明的另一目的是产生能够削弱包含在所涉及的电学量的信号中的谐波的节能设备。
本发明的又一目的是产生能够削弱来自电力供应网的失真的节能设备。
本发明的又一目的是产生能够用对能量传输的平衡来削弱当变压器启动时的浪涌电流峰值的节能设备。
本发明的又一目的是产生能够削弱在额定频率波形中的电流峰值的节能设备。
本发明的又一却未必是最后的目的是产生能够优化对能量传输的调节的节能设备。
通过根据本发明的节能设备来实现上述目的，在独立权利要求中描述了该节能设备的特征。
特别地，根据本发明的节能设备被设计成插入在三相电源和三相负载之间，所述节能设备包括三相电力变压器，三相电力变压器中的每相包含电磁地耦接到次级绕组的初级绕组，其中，初级绕组包括至少两个相邻部分的被合适地确定尺寸的绕组。
特别地，参照建立在上述两个部分中的一个部分（被配置作为主部分）上确立的额定电压、在次级绕组上识别的额定电流以及与由初级绕组的所述主部分和次级绕组限定的配置有关的磁感应的值来给包括三相变压器中的每相的各种元件（在下文中，为了简单起见，称为“变换组件”）确定尺寸。
给所述参考值乘以下文将详细描述的使得能够给形成根据本发明的节能设备的部件的各种元件确定尺寸的特定比例系数，从而实现高水平的效率。
在从属权利要求中描述了根据本发明的节能设备的其他特征。
下文详细描述的优选实施方式中的根据本发明的节能设备最好包含第一开关装置和第二开关装置的事实使得能够在不引起会损坏设备的异常的瞬时工作状态的情况下从其中所述设备被启用的配置变换为其中所述设备被禁用的另一配置。
在以下参照附图作为非限制性示例给出的本发明的若干优选实施方式的描述中，进一步说明了上述目的和优点，在附图中：
-图1示意性地表示了根据本发明的节能设备的电配置；
-图2示意性地表示了在使用根据本发明的节能设备期间建立的反馈控制；
-图3示意性地表示了属于根据本发明的节能设备的三相变压器的单个变换组件的第一实施方式。
-图4示意性地表示了属于根据本发明的节能设备的三相变压器的单个变换组件的第二实施方式。
-图5示意性地表示了属于根据本发明的节能设备的三相变压器的单个变换组件的第三实施方式。
-图6示意性地表示了属于根据本发明的节能设备的三相变压器的单个变换组件的第四实施方式。
-图7示意性地表示了属于根据本发明的节能设备的三相变压器的单个变换组件的第五实施方式。
-图8示意性地表示了属于根据本发明的节能设备的三相变压器的单个变换组件的第六实施方式。
-图9示意性地表示了根据本发明的节能设备在电源和被供电的负载之间的插入和使用。
-图10示出了使得能够将分别使用（处于“节省”配置）或不使用（处于旁路配置）根据本发明的节能设备的综合商厦中的能量消耗进行比较的两个图。
在图1中总体示出了根据本发明的节能设备，由附图标记1来指示该设备。
如图9中的图所示出的那样，根据本发明的节能设备被设计成插入在三相电源A（如三相主电源）和一个或更多个三相负载L之间，三相负载L可以为动力和/或照明电力类型的。
特别地，根据本发明的节能设备1包括三相变压器10，其中，每相——称为变换组件11——包括电磁地耦接到次级绕组3的初级绕组2。
如图1所示，三相变压器10的每个变换组件11包含被连接到电源A的一相的初级绕组2的第一端5，而次级绕组3的第二端S1连接到三相负载L的各相中的一相。
根据本发明，每个初级绕组2的第一端5被短路到对应的次级绕组3的第一端S0，从而限定针对所述两个绕组2和3的公共参考。
再如图1所示，每个变换组件11的初级绕组2的第二端6借助于第一开关装置4具有公共连接，第一开关装置4使得能够启用或禁用被插入在电源A和要被供电的负载L之间的节能设备1。
因此，所述第一开关装置4的存在使得能够将根据本发明的节能设备1从其中节能设备1被启用的状态（技术行话中称为“节省”配置）切换到其中所述节能设备1被禁用并且被旁路并因此处于所谓的“旁路”配置的状态。
所述第一开关装置4可以优选地但不是必须地包括具有三个接触件的远程控制开关41，三个接触件中的每个接触件与所述三相变压器10的变换组件11关联。
为了能够在不招致可能干扰节能设备1的性能甚至引起损坏的节能设备1的瞬时工作状态的情况下从节省配置安全地切换到旁路配置并且从旁路配置安全地切换到节省配置，根据本发明的所述设备1包括与每个变换组件11的每个次级绕组3并联放置的第二开关装置7，如图1所示。
所述第二开关装置7可以优选地但不是必须地包括具有三个接触件的隔离器71，三个接触件中的每个接触件与每个变换组件11的对应的次级绕组3并联放置。
因此，可以在完全安全并且不引起根据本发明的节能设备1的异常的瞬时工作状态的情况下从节省配置切换到旁路配置并且从旁路配置切换到节省配置。
特别地，当节能设备1以节省配置来工作时，第一开关装置4处于“接通”状态，即第一开关装置4闭合在三个初级绕组2的第二端6之间的接触件，而第二开关装置7处于“断开”即打开状态，并且因此由每个初级绕组2感应的电流中的全部电流流过对应的次级绕组3。
因此，为了切换到根据本发明的节能设备1的旁路配置，要进行的第一步是将第一开关装置4切换到“断开”状态，并且由此打开接触件，并且仅随后将第二开关装置7切换到“接通”状态，从而短路每个次级绕组3。
然后为了从根据本发明的节能设备1的旁路配置返回到节省配置，必须首先进行将所述第二开关装置7切换到“断开”状态，即打开第二开关装置7的接触件，并且仅随后将第一开关装置4切换到“接通”状态，即通过恢复三个初级绕组2的各个第二端6之间的公共连接。
在如图3示出的根据本发明的节能设备1的第一实施方式中，每个变换组件11的初级绕组2包括串联电连接的绕组21和绕组22这两部分。
在所述实施方式中，特别地，存在有初级绕组2的在第一点P0（在这种情况下与第一端5相一致）和第二点P1之间延伸的主部分21，而绕组的第二部分22从所述第二点P1延伸到与第二端6相一致的在图3中标识为P2的第三点。
同样根据本发明，给包括根据本发明的节能设备1的初级绕组2和次级绕组3的每一对确定尺寸，以使得在初级绕组2的第一点P0和第三点P2之间建立的电压VP0-P2的值——以及因此在本实施方式中在整个初级绕组2中建立的电压值——处于由施用到主部分21的电压Vkvp乘以系数1.2043-2%和系数1.2043+2%限定的范围中。
特别地，建立的针对电压VP0-P2的值优选为但不是必须为Vkvp乘以系数1.2043的结果。
根据本发明，此外，每个变换组件11的尺寸确定必须使得次级绕组3的第一端S0和第二端S1之间的电压VS0-S1的值处于由所述电压Vkvp乘以系数0.1021-5%和系数0.1021+5%限定的范围中。
同样，优选地但不是必须地通过给电压Vkvp乘以系数0.1021来获得VS0-S1的值。
为了给根据本发明的节能设备1中的每个变换组件11的初级绕组2和次级绕组3二者适当地确定尺寸，还必须限定流过初级绕组2的主要部分21的电流IP0-P1的值。
特别地，所述电流值IP0-P1处于由在次级绕组3中流动的电流Ikas乘以系数0.1133-5%和系数0.1133+5%限定的范围中。
电流IP0-P1的值优选为但不是必须为电流Ikas乘以系数0.1133。
类似地，在第二部分22中流动的电流IP1-P2的值应该处于由所述电流Ikas乘以系数0.0940-5%和系数0.0940+5%限定的范围中。
更确切地，电流IP1-P2的值是电流Ikas乘以系数0.0940。
最后，给形成根据本发明的节能设备1的部件的每个变换组件11确定尺寸，以使得与由在第一点P0和第三点P2之间定界的初级绕组2限定的以及由次级绕组3限定的配置有关的磁感应的值处于与包括所述初级绕组2的主部分21和次级绕组3的配置有关的磁感应的系数Ckim乘以系数0.9965-0.03%和系数0.9965+0.03%限定的范围中。
所述磁感应的值优选为但不是必须为磁感应的系数Ckim乘以系数0.9965。
如图4所示，通过与图3中的所述第一实施方式相比较，根据本发明的节能设备1的第二实施方式包含具有添加到初级绕组2的从第三点P2延伸直到第四点P3的另一部分23的每个变换组件11，第四点P3在这种情况下与第二端6相一致。
同样，给所述部分23确定尺寸以使得在初级绕组2的第一点P0和第四点P3之间建立的电压VP0-P3的值处于所述电压Vkvp乘以系数1.5149-2%和系数1.5149+2%限定的范围中。
更确切地，所述实施方式包含要获得的电压值VP0-P3是电压Vkvp乘以系数1.5149的结果。
流过所述第三部分23的电流IP2-P3的值处于电流Ikas乘以系数0.0748-5%和系数0.0748+5%限定的范围中。
流过所述第三部分23的所述电流值IP2-P3优选为但不是必须为Ikas乘以0.0748。
如图5所示，节能设备1的第三实施方式包括下述每个变换组件11，该变换组件11与上述第二实施方式的区别是将从第四点P3延伸到第五点P4的第四部分24添加到初级绕组2，第五点P4在这种情况下与第二端6相一致。
同样，给所述第四部分24确定尺寸以使得在初级绕组2的第一点P0和所述第五点P4之间建立的电压VP0-P4的值处于电压Vkvp乘以系数2.0851-2%和系数2.0851+2%限定的范围中。
更确切地，所述电压值VP0-P4与电压Vkvp乘以系数2.0851相一致。
此外，所述第四部分24的尺寸确定使得流过所述部分的电流IP3-P4的值处于电流Ikas乘以系数0.0543-5%和系数0.0543+5%限定的范围中。
同样，所述电流IP3-P4优选为但不是必须为Ikas乘以0.0543的乘积。
图6至图8分别示出了属于根据本发明的节能设备1的另外的不同实施方式的第四类型、第五类型以及第六类型的变换组件11。
总体而言，所有这三个另外的实施方式具有共同的特征，即初级绕组2包括从第一点P0延伸直到定义为-P1的第六点的所谓的安全部分25这一事实，第六点-P1在这种情况下与上述第一端5相一致。
具体地，如图6所示，第四实施方式仅是添加有安全部分25的图3中示出的第一实施方式，以及如图7所示，第五实施方式与添加有所述安全部分25的图4中示出的根据本发明的变换组件11的第二实施方式相一致。
所述安全部分25是同样将图8中示出的形成根据本发明的节能设备1的部件的每个变换组件11的第六实施方式与图5中示出的类型的变换组件11相区别的部分。
在图6、图7以及图8的所有三种情况中，给安全部分25确定尺寸以使得在初级绕组2的第六点-P1和第一点P0之间建立的电压V-P1-P0的值处于电压Vkvp乘以系数0.6383-2%和系数0.6383+2%限定的范围中，特别地，所述电压V-P1-P0获取Vkvp乘以0.6383的电压值。
此外，所述尺寸确定使得能够获得在所述电流Ikas乘以系数0.0691-5%和系数0.0691+5%限定的范围中的流过安全部分25的电流I-P1-P0。
同样，流过安全部分25的电流值I-P1-P0优选为但不是必须为电流Ikas乘以系数0.0691。
至于给形成根据本发明的上述各种节能设备1的部件的每个变换组件11的各种元件确定尺寸以便获得所需的电压值和电流值的方法，这些方法包括对每个变换组件11的两个绕组2和3选择适合的匝数、和/或针对用于制作上述初级绕组2和次级绕组3的导体选择合适的横截面、和/或选择在其上缠绕所述初级绕组2和次级绕组3的铁磁材料的类型和尺寸。
至于针对根据本发明的节能设备1的各种实施方式用作每个变换组件11中的各种元件的尺寸确定的参考的电压Vkvp的值，该值可以优选地但不是必须地与主电源电力供应网的额定电压相一致。
在根据本发明的节能设备1的不同实施方式中，仍然有可能具有与主电源电力供应网的电压不同的电压Vkvp的值。
同样，对于磁感应的系数Ckim，该系数优选地但不是必须地处于0.9特斯拉至1.5特斯拉的范围内。
同样，然而，在本发明的不同实施方式中，值Ckim可以与0.9特斯拉至1.5特斯拉的所述范围不同。
至于电流Ikas，其明显取决于连接到形成根据本发明的节能设备1的部件的每个变换组件11上的每个次级绕组3的负载。
重要的是要注意到：通过节能设备1的所有前述配置来实现本发明的目的，因为这些配置有利地启用了对在作为到根据本发明的所述设备1的输入而供应的信号即Vi和Ii中包含的能量特征特别是谐波的反馈控制系统。
特别地，可以获得被设计成对干扰节能设备1的效率和负载L的效率的输入能量量Vi和输入能量量Ii的非功能性的能量特征进行减弱的衰减系统。
具体地，从图2中的图所示的功能的角度考虑，作为对初级绕组2中的输入能量量Vi和输入能量量Ii的上述非功能性的能量特征并且特别是谐波进行对抗和减少的磁感应的结果，在每个变换组件11的次级绕组3中流动的电流I2使得在每个初级绕组2上感应出反向电流。
因此，可以实现用于对到负载L的电能进行变换和供应的系统，该系统使得能够获得具有更有限的非功能性的电特征（谐波）的输出电学量，并且该系统在涌流阶段期间和当以额定频率工作时都在更平滑且更缓慢的稳定状态中工作。
根据由申请人进行的实验，如图10中的图所示，通过与使用根据现有技术的节能设备相比较，使用根据本发明的节能设备1使得能够获得不小于10%的能量节省。
特别地，在覆盖了约6000平方米的综合商厦中进行这些试验，并且将试验持续六天，在这六天中的三天期间启用根据本发明的节能设备1，而对于其他三天，旁路所述设备1。
上述综合商厦中的负载由约8%的用于电子设备的负载、约77%的用于照明的负载、约5%的用于自动扶梯的负载以及约10%的用于电梯的负载组成。
根据图10中示出的两个图表200和300，其中，左边的图表（200）表示启用根据本发明的节能设备1的试验的结果，而右边的图表（300）表示旁路所述设备1的试验的结果，明显的是，在两种情况下，能量消耗具有24小时时段期间的与白天时间相一致的三个峰值201和三个峰值301并且具有与夜晚时间有关的三个波谷202和三个波谷302，即在通过昼夜不停地工作的电子设备来唯一地确定能量消耗的情况下。
基本上，根据两个图表200和300之间的比较，明显的是，使用根据本发明的三相变压器10与7,107.8kWh的总消耗203和98,743.05W的所吸收的平均功率204相一致，而在不启用所述节能设备1的测量的日子里，总消耗303为7,919.6kWh以及所吸收的平均功率304为109,951.6W。
因此可以声称，使用根据本发明的节能设备1总共实现了811.8kWh（每天270.6kWh）的节省401，结果是基于意大利的能量成本的约81.18欧元（一天27.06欧元）的货币节省402。
因此，如此前所声称的，在该特定情况下，所实现的百分数能量节省403为10.25%。
基于上述，明显的是，根据本发明的节能设备1实现了前面提出的所有目的。
特别地，本发明实现了产生比根据现有技术的设备更高效的节能设备的目的。
更具体地，本发明实现了产生能够削弱包含在所涉及的电学量的信号中的谐波的节能设备的目的。
此外，本发明实现了产生能够削弱来自主电源电力供应的失真的节能设备的目的。
本发明实现的另一目的是本发明产生了能够用对能量传输的平衡来削弱启动阶段期间的浪涌电流峰值的节能设备。
本发明实现的又一目的是本发明产生了能够削弱在额定频率波形中的电流峰值的节能设备。
本发明实现的又一目的是本发明产生了能够优化对能量传输的控制的节能设备。
在执行阶段，可以开发根据本发明的节能设备的变体，虽然这里没有描述这些变体，但是如果这些变体落入所附权利要求的范围内，那么应该认为本专利涵盖了这些变体。
如果所附权利要求中借助于附图标记来指示技术特征，添加这些附图标记仅仅是为了利于对权利要求的阅读，并且因此上述附图标记应该对为说明目的而借助于附图标记标识的每个元件的保护范围没有限制作用。

Claims (6)

1.一种被设计成插入在三相电源(A)和三相负载(L)之间的节能设备(1)，所述节能设备(1)是如下类型的：包括三相电变压器(10)，所述三相电变压器(10)中的每相包括包含有初级绕组(2)的变换组件(11)，所述初级绕组(2)被设计成在第一端(5)连接到所述电源(A)的一相并且电磁地耦接到次级绕组(3)，所述次级绕组(3)在所述次级绕组(3)的第二端(S1)连接到所述负载(L)的相，其特征在于：
-所述变换组件(11)中的每个变换组件(11)中的所述初级绕组(2)的位于所述第一端(5)对面的第二端(6)通过第一开关装置(4)彼此电连接；
-所述次级绕组(3)中的每个次级绕组(3)与第二开关装置(7)并联地连接；
所述节能设备被配置成：
-当所述第一开关装置(4)处于“接通”状态，而所述第二开关装置(7)处于“断开”状态时，所述节能设备工作在节省配置，并且因此由每个初级绕组(2)感生的全部电流流过对应的次级绕组(3)；
-当所述第一开关装置(4)处于“断开”状态，而所述第二开关装置(7)处于“接通”状态时，所述节能设备工作在旁路配置使得能够禁用在所述电源(A)和所述负载(L)之间的所述节能设备(1)的工作。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述第一开关装置(4)包括具有三个接触件的远程控制开关(41)，所述三个接触件中的每个接触件与所述变换组件(11)中的一个相关联。
3.根据权利要求2所述的设备(1)，其特征在于，所述第二开关装置(7)包括具有三个接触件的隔离器(71)，所述隔离器的三个接触件中的每个接触件与所述变换组件(11)中的每个变换组件(11)的对应的次级绕组(3)并联地连接。
4.根据权利要求1或者2所述的设备(1)，其特征在于，所述初级绕组(2)中的每个初级绕组(2)的所述第一端(5)连接到所述对应的次级绕组(3)的第一端(S0)，以限定所述初级绕组(2)和所述次级绕组(3)之间的公共参考。
5.一种用于将根据前述权利要求中任一项所述的节能设备从节省配置切换到旁路配置以及从所述旁路配置切换到所述节省配置的方法，其特征在于：
-为了将所述节能设备从所述节省配置切换到所述旁路配置，所述方法顺序地包括下述步骤：
-将所述第一开关装置(4)切换到“断开”状态；
-当所述第一开关装置(4)处于“断开”状态时，将所述第二开关装置(7)切换到“接通”状态；
-为了将所述节能设备从所述旁路配置切换到所述节省配置，所述方法顺序地包括下述步骤：
-将所述第二开关装置(7)切换到“断开”状态；
-当所述第二开关装置(7)处于“断开”状态时，将所述第一开关装置(4)切换到“接通”状态。
6.根据权利要求5所述的用于将节能设备从所述节省配置切换到所述旁路配置以及从所述旁路配置切换到所述节省配置的方法，其中所述节能设备是根据权利要求3所述的节能设备，其特征在于：
-将所述第一开关装置(4)切换到“接通”状态的步骤包括闭合三个初级绕组(2)的所述第二端(6)之间的所述远程控制开关(41)的三个接触件的步骤；
-将所述第一开关装置(4)切换到“断开”状态的步骤包括打开三个初级绕组(2)的所述第二端(6)之间的所述远程控制开关(41)的所述三个接触件的步骤；
-将所述第二开关装置(7)切换到“接通”状态的步骤包括闭合所述隔离器(71)的三个接触件从而短路每个次级绕组(3)的步骤；
-将所述第二开关装置(7)切换到“断开”状态的步骤包括打开所述隔离器(71)的所述三个接触件的步骤。
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