CN108878139B - 大功率电容器 - Google Patents

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Abstract

一种AC电容器，包括具有从第一电极的表面突出的导电杆的第一电极、包括开口的第二电极、位于第一电极和第二电极之间的线圈架，线圈架包括中空中心区段。从第一电极的表面突出的导电杆的轴线与中空线圈架的轴线是同轴的，并且导电杆穿过线圈架的中空中心区段并穿过第二电极中的开口，允许电流流动。

Description

大功率电容器
技术领域
本电容器涉及AC功率电容器，并且具体涉及在高电压下以高频传导高电流的AC功率电容器。
背景技术
高电压交流(AC)功率电容器被设计为满足高电压高频AC电路的机械、电气和性能要求。这种通常用于携带例如1400V峰值的峰值电压和3000Arms的电流的电路中的电容器易于由三个主要机构加热。
电容器的第一个加热原因是介电损耗，介电损耗源自用作电容器中的绝缘体的介电材料的物理和化学性质。
第二热源是欧姆损失。这些损耗是由在电容器的不同电阻(通常称为ESR、ESL)上流动的电流产生的。例如，在普通的高频和中频(例如1kHz至1MHz)功率电容器中，每个500kVAr的无功功率可从介电产生500至1000瓦的损耗并且以热的形式产生欧姆损耗。
最后一个热源是感应损耗。根据安装方法，电容器易于感应加热。从电容器流向集电极或消耗器和/或电感器的高电流产生可通过感应加热电容器的磁场。
上述三种机构对电容器的加热限制了可用于高电压交流(AC)电路中的电容器的数量以及电容器可排列的配置。例如，将多于一个的电容器安装到总线上的某些诸如并联的配置可能会使一个或多个电容器(例如系列中的第一个或最后一个)过热。由于电容器过热，在系统中可能需要降低电容器的容量，因此需要使用更多数量的电容器。
目前实施用于冷却电容器的解决方案包括使液体冷却剂流过单独的电容器或将电容器安装在经由传导耗散热量的冷却总线上。
尽管如上所述的所有措施，感应加热电容器由于它们必须承载的巨大AC电流以及由这些电流产生的磁场而仍然表现出显著的功率耗散。因此，它们设计中的一个重要因素是以这样的方式引导电流，使得杂散效应最小化，例如通过电容器本身的感应加热并允许从电容器内部高效去除热量并因此延长电容器的寿命。
以下美国专利和专利申请公开描述了不同的功率电容器以及使用该电容器的方法：US 1,599,853、US 4,315,299、US 4,317,159、US 4,454,653、US 4,719,539、US 5,953,201、US 6,894,886、US 8,416,556、US 2007/0242413、US 2009/0273916，欧洲专利EP0214788、EP1263007、EP和专利合作条约公开WO 2008/092073、WO 2009/116046和WO2016/000786。
定义
如在本公开中所使用的，术语“无功电流”是交流电流的相量，电流的分量垂直于不贡献功率的电压。在存在欧姆阻抗或介电材料的情况下，无功电流的一部分将与由电源的有功电流补偿的材料产生损耗相互作用。实际上，电压和电流之间的角度将小于90度。当电流和电压不同相时，AC电路中存在无功功率。无功功率以千伏安单位测量。
发明内容
描述了构造成与AC电流供应总线一起使用的AC电容器。当AC电容器连接到AC电流供应总线时，AC电容器的结构便于防止在AC电容器上产生的磁场的有害影响。AC电容器使用由其产生的磁场来提高电容器的性能。AC电容器包括具有从第一电极的表面突出的杆的第一电极，包括开口的第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的线圈架。线圈架的两端与电极接触。线圈架包括延伸线圈架长度的中空中心区段。从第一电极的表面突出的杆的轴线与中空线圈架的轴线同轴，并且杆穿过线圈架的中空中心区段并且穿过第二电极中的开口。
AC电容器还包括锁定结构，该锁定结构构造成根据请求与汇流条形成接触。当AC电容器连接到AC电流供应总线时，AC电流流过线圈架。流过线圈架的AC电流产生磁场，该磁场进而沿着与产生场的线圈架中的电流相反的方向在杆中感应AC电流。杆中流动的电流也会感应出磁场。由流过线圈架的AC电流产生的磁场和由杆中流动的电流产生的磁场形成同轴系统，该同轴系统实际上彼此抵消、避免了对AC电容器的加热，使电容器中的电流平滑分布。
根据本发明的一个方面，提供一种AC电容器，其包括：
第一电极，第一电极包括从第一电极的表面突出的导电杆；
包括开口的第二电极；
位于第一电极和第二电极之间的线圈架，线圈架包括中空中心区段；
并且
其中，从第一电极的表面突出的导电杆的轴线与中空线圈架的轴线是同轴的，并且其中，导电杆穿过线圈架的中空中心区段并穿过第二电极中的开口，允许电流流动。
优选地，导电杆是包括附接到第一电极或与第一电极成一体(整体)的杆的一组导电杆中的一个。
优选地，从第一电极的表面突出的导电杆的端部由锁定结构端接，锁定结构构造成根据请求与汇流条形成接触。
优选地，导电杆的横截面是包括实心或空心的圆形、椭圆形、多股(绞合线)和多边形横截面的一组横截面中的一个。
优选地，AC电容器还包括锁定元件，锁定元件构造成接合导电杆的锁定结构。
优选地，锁定元件和导电杆的锁定结构是螺纹。
优选地，导电杆和锁定元件的长度支持在电极和锁定元件之间引入附加元件，并且其中附加元件是电源总线。
优选地，中空中心区段延伸线圈架的长度。
根据本发明的另一个方面.提供一种AC电容器，其包括：
第一电极，第一电极包括从第一电极突出的杆的第一元件，并且其中杆的第一元件包括第一锁定结构；
与第一电极相对定位并包括开口的第二电极；
具有中空中心区段的绕组，绕组在第一电极和第二电极之间延伸；
固定元件，固定元件包括第二锁定结构，第二锁定结构构造成与端接所述杆的锁定结构接合，并且
其中，从第一电极的表面突出的杆的轴线、固定元件的轴线和绕组的轴线是同轴的；并且
其中，固定元件至少部分地位于绕组的中空中心区段中。
优选地，从第一电极的表面突出的第一杆元件包括锁定结构，锁定结构构造成接收第二杆元件的锁定结构。
优选地，杆的第一元件和第二元件的锁定结构是螺纹。
优选地，至少第二杆元件被构造成根据请求与汇流条形成接触。
优选地，杆的横截面是包括实心圆形、多股(绞合线)、椭圆形和多边形横截面的一组横截面中的一个。
优选地，AC电容器还包括将杆元件和固定元件与至少一个电极电隔离的元件。
根据本发明的另一个方面.提供一种连接和操作AC电容器的方法，所述方法包括：
提供AC电容器，AC电容器包括：
第一电极和第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的线圈架，线圈架包括延伸线圈架的长度的中空通道和穿过线圈架的中空通道的电流导电杆，并且其中，至少电流导电杆的轴线和线圈架的轴线是同轴的；
向第一电极和第二电极提供AC电压，并且其中，AC电压在线圈架中产生沿第一方向流动并且感应磁场的电流，同时在杆中产生的AC电流沿第二、相反的方向流动，形成相反的磁场。
优选地，AC电容器的净磁场以均匀的方式分布并因此使电容器中的电流分布一致。
优选地，所述的方法最小化由彼此影响的磁场产生的热量。
根据本发明的另一个方面，提供一种AC电容器，其包括：
第一电极，第一电极包括从第一电极的表面突出的导电杆；
包括开口的第二电极；以及
线圈架，线圈架位于第一电极与第二电极之间且具有延伸到开口中的部分，线圈架包括中空中心区段；
其中，从第一电极的表面突出的导电杆的轴线与线圈架的中空中心区段的轴线同轴，并且其中，当AC电压被供应到第一电极和第二电极时，线圈架被构造并布置成允许电流沿着产生电磁场的第一方向流动，并且导电杆被构造和布置成允许电流沿第二、相反的方向流动，从而形成相反的磁场。
优选地，导电杆是包括附接到第一电极或与第一电极成一体(整体)的杆的一组导电杆中的一个。
优选地，从第一电极的表面突出的导电杆的一端部由构造成与汇流条形成接触的锁定结构端接。
优选地，导电杆的横截面是包括实心或空心的圆形、椭圆形、多股(绞合线)和多边形横截面的一组横截面中的一个。
优选地，AC电容器还包括锁定元件，锁定元件构造成接合导电杆的锁定结构。
优选地，锁定元件和导电杆的锁定结构是螺纹。
优选地，导电杆和锁定元件的长度支持在电极和锁定元件之间引入附加元件，并且其中，附加元件是电源总线。
优选地，中空中心区段延伸线圈架的长度。
根据本发明的另一个方面，提供一种AC电容器，其包括：
第一电极，第一电极包括从第一电极突出的第一元件，并且其中第一元件包括第一锁定结构；
与第一电极相对定位并包括开口的第二电极；
具有中空中心区段的绕组，绕组在第一电极和第二电极之间延伸；以及
包括第二锁定结构的固定元件，第二锁定结构构造成经由开口接合第一锁定结构；
其中，第一电极的第一元件的轴线、固定元件的轴线以及绕组的轴线是同轴的；并且
其中，当第一锁定结构与第二锁定结构接合从而将第一电极与第二电极固定在一起时，第一锁定结构和第二锁定结构限定允许电流流过杆的电流导电杆。
优选地，第一元件和固定元件的锁定结构是螺纹。
优选地，至少固定元件构造成与汇流条形成接触。
优选地，杆的横截面是包括实心圆形、多股(绞合线)、椭圆形和多边形横截面的一组横截面中的一个。
优选地，AC电容器还包括将第一元件和固定元件与至少一个电极电隔离的元件。
根据本发明的另一个方面，提供一种连接和操作AC电容器的方法，所述方法包括：
提供AC电容器，AC电容器包括：
第一电极和第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的线圈架，线圈架包括延伸线圈架的长度的中空通道和穿过线圈架的中空通道的电流导电杆，并且其中，至少电流导电杆的轴线和线圈架的轴线是同轴的；
向第一电极和第二电极供应AC电压，并且其中AC电压在线圈架中产生沿第一方向流动并且感应磁场的电流，同时在杆中产生的AC电流沿第二、相反的方向流动，形成相反的磁场。
优选地，AC电容器的净磁场以均匀的方式分布并因此使电容器中的电流分布一致。
优选地，方法还包括使由彼此影响的磁场产生的热量最小化。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本方法和系统将被更全面地理解和认识，在附图中相同的附图标记标记为相同的部件：
图1A是现有的功率AC电容器的示意图；
图1B是图1A的功率AC电容器的俯视平面图；
图2A是功率AC电容器的示例的示意图；
图2B是功率AC电容器的另一个示例的示意图；
图3A是连接到电源总线的本功率AC电容器的示例的示意图；
图3B是在电源总线的元件之间感应的磁场的示意图，其中本功率AC电容器安装到电源总线；
图3C是安装到常规电源总线的现有的功率AC电容器的示例的示意图；
图3D是在电源总线的元件之间感应的磁场的示意图，其中现有的功率AC电容器安装到常规电源总线；和
图4是本功率AC电容器所配备的感应加热装置的示例的示意图。
具体实施方式
由于电容器受到作为电容器最弱点的最热点的限制，本电容器将允许较好、较高效地使用电容器。本电容器强制电流以形成电容器的均匀加热的方式流动，从而消除热点。电容器将支持将多个电容器快速且简单地安装到电源总线，并且将同时降低安装在电源总线上的所有组件的热负载。这些电容器将使每个电容器的散热效率更高，消除电容器电源总线安装配置的限制。此外，它们将减少劳动力，并允许更高效地使用功率和电容器。
参考图1A，其是现有技术的功率AC电容器的示意图。高功率电容器100通常包括交错介电(例如聚丙烯)膜和金属或金属化膜电极。介电和电极通常缠绕以形成也称为绕组的多层线圈架104。线圈架104通常位于两个电极108和112之间。电极108和112通过焊接或者如图1A和图1B所示通过由一个或多个螺栓116或被构造成向电极施加压力的其他结构形成的压力电连接到金属或金属化膜的相对端部。不同的分接头(tapping)配置支持功率电容器100连接到不同的负载。该负载可以是变压器、电机或感应加热线圈。电极108和112由通过连接管120供应的冷却流体的流或通过当将电容器安装在冷却的汇流条上时的传导冷却。
为了利用给定尺寸的电容器单元的较高的无功功率(kVar)容量，有必要提供用于冷却该单元以去除介电中产生的热量的器具，并且可以给予该单元的无功功率(kVar)额定值取决于冷却器具在去除该热量以及将介电的温度保持在安全限度内的有效性。
图2A是本功率AC电容器的示例的示意图。功率AC电容器200包括具有从第一电极204的表面212突出的导电杆208的第一电极204、包括开口220的第二电极216以及位于第一电极204和第二电极216之间的线圈架224，线圈架包括延伸线圈架的长度的中空中心区段228。从第一电极204的表面212突出的导电杆208的轴线232与中空线圈架224的轴线236同轴，并且杆208穿过延伸线圈架224的长度的中空中心区段228并且穿过第二电极216中的开口220。
从第一电极204的表面212突出的导电杆208被锁定结构端接，锁定结构被构造成接合锁定元件240并且根据需求与汇流条(未示出)形成接触，汇流条可以是冷却总线或电总线或以上两者。锁定元件240和杆208的锁定结构可以是螺纹或其他紧固器具。导电杆208和锁定元件240可以由例如黄铜或铜的任何导电材料制成，并且杆可以附接到第一电极204或与第一电极成一体(整体)。尽管例如绞合线、椭圆形、正方形、三角形和多边形横截面的其他横截面也可以使用，杆208的横截面通常将是实心或管状的圆形横截面。
AC电容器200还包括将导电杆208和锁定元件240与第二电极216电隔离的元件244。当锁定元件240不与汇流条(300，图3A)形成接触时，第一电极204和汇流条之间不存在连接，因此没有电流可以流过电容器。
图2B是功率AC电容器的另一个示例的示意图。电容器254的电流导电杆250被实施为双元件杆。电流导电杆250的第一元件250-1可附接到第一电极204或与第一电极成一体(整体)。第二元件250-2是固定或锁定元件。杆250的元件250-1和元件252-2可由任何导电材料制成并且具有实心横截面，尽管可以使用管状横截面。导电杆250元件250-1和元件250-2的轴线与线圈架或绕组224的中空中心区段228的轴线236同轴。导电杆元件250-2至少部分地位于线圈架224的中空中心区段228中，并且穿过第二电极216中的开口220。电极212和电极216的表面可以被处理以改进与线圈架的导电层的电接触。
图3A是连接到功率或电流传导总线的功率AC电容器的示例的示意图。电流传导总线300包括两个电极304和308以及将电极304与电极308隔离的电绝缘材料层312。电流传导总线300可具有足以容纳四个、十个或任意数量的AC电容器的相对较大的尺寸。由箭头316示出并且沿第一方向流过电容器绕组或线圈架224的交流电流产生导致功率耗散和能量损耗的电磁场。当导电杆208或(250)位于线圈架224的中空中心区段228内部并且杆208的轴线232与中空中心区段228的轴线236同轴时，由线圈架224中流动的电流316产生的磁场与由杆208中的电流320所产生的磁场抵消。杆208中由箭头320所示的电流在与线圈架224中流动的电流316相反的相反方向上。
图3B示出了通过同心圆线324的磁场。集中在中心并朝向线圈架的周边衰减的虚线表示由导电杆208中的电流感应的磁场，其在杆208附近具有最大强度并且朝向线圈架的周边衰减。图3D通过同心圆线348示出了磁场。在线圈架的中心处稀疏并且朝向周边变得密集的虚线同心圆线表示由线圈架224中的电流感应的磁场(其与杆208中的电流方向相反)。由于导电杆208的轴线和线圈架224的轴线之间的同轴关系，由导电杆208中的电流产生的磁场与由线圈架224中的电流产生的磁场方向相反。由线324和348所示的两个磁场的叠加是重新分配的均衡磁场，其使得线圈架中的电流在线圈架224上更均匀地分布。
具有杆208的AC电容器200可以安全地处理具有比市售的类似电容器高两倍或更多倍量级的电流。
材料的感应加热是高功率AC电容器的应用之一。感应加热装置包括感应电源，该感应电源将交流电输送到在线圈内产生电磁场的工作线圈。工件被放置在线圈中，在该线圈中，该场在工件中感应出电流，电流在工件中产生热量。
用于大功率感应加热的电容器的要求对任何类型的电容器都是相当苛刻的。高操作频率和巨大的电流由于介电加热、欧姆损耗和在电容器附近产生的磁场而导致显著的损耗。
因此，其设计中的重要因素是以这样的方式引导电流，使得通过电容器本身的感应引起的加热最小化并且允许从电容器内部高效地移除热量并因此延长电容器的寿命。本电容器比任何市售类似电容器都能更好地满足所有这些要求。
图4是本功率AC电容器所配备的感应加热装置的示例的示意图。感应加热装置400包括电流传导总线。电流传导总线包括两个电极404和408以及将电极404与电极408隔离的电隔离材料层412。虽然两个功率AC电容器200安装在电流传导总线上，但是电流传导总线的尺寸足够大以接受四个、十个或任意数量的AC电容器。通过它们的安装孔416示意性地示出的四个紧固件将AC电容器的电极216附接到感应加热装置400并且具体地附接到电极404。很清楚，可以使用支持电容器200的机械安装的任何其他数量的紧固件。将电容器200安装到电极404还有助于电容器200的电极216与装置400的电极404之间的电接触。
如上所述，由于杆208的轴线与线圈架224的轴线之间的同轴关系(图2和3)，净磁场被重新分配，从而降低电容器的整体温度并消除热点。因此，与具有不是本电容器200的类似电容器的装置相比，装置400可以安全地处理更高倍的电流。
本领域技术人员将意识到，本电容器不限于上文已经特别示出和描述的内容。相反，电容器及其使用的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及其对本领域技术人员在阅读前述描述时将会想到的并且不是现有技术的电容器的变型。

Claims (16)

1.一种AC电容器，其包括：
第一电极，第一电极包括从第一电极的表面突出的导电杆；
包括开口的第二电极；以及
线圈架，线圈架位于第一电极与第二电极之间且具有延伸到开口中的部分，线圈架包括中空中心区段；
其中，从第一电极的表面突出的导电杆的轴线与线圈架的中空中心区段的轴线同轴，并且其中，当AC电压被供应到第一电极和第二电极时，线圈架被构造并布置成允许电流沿着产生电磁场的第一方向流动，并且导电杆被构造和布置成允许电流沿第二、相反的方向流动，从而形成相反的磁场。
2.根据权利要求1所述的AC电容器，其中，导电杆是包括附接到第一电极或与第一电极成一体的杆的一组导电杆中的一个。
3.根据权利要求1所述的AC电容器，其中，从第一电极的表面突出的导电杆的一端部由构造成与汇流条形成接触的锁定结构端接。
4.根据权利要求1所述的AC电容器，其中，导电杆的横截面是包括实心或空心的圆形、椭圆形、多股线和多边形横截面的一组横截面中的一个。
5.根据权利要求1所述的AC电容器，其还包括锁定元件，锁定元件构造成接合导电杆的锁定结构。
6.根据权利要求5所述的AC电容器，其中，锁定元件和导电杆的锁定结构是螺纹。
7.根据权利要求1所述的AC电容器，其中，导电杆和锁定元件的长度支持在电极和锁定元件之间引入附加元件，并且其中，附加元件是电源总线。
8.根据权利要求1所述的AC电容器，其中，中空中心区段延伸线圈架的长度。
9.一种AC电容器，其包括：
第一电极，第一电极包括从第一电极突出的第一元件，并且其中第一元件包括第一锁定结构；
与第一电极相对定位并包括开口的第二电极；
具有中空中心区段的绕组，绕组在第一电极和第二电极之间延伸；以及
包括第二锁定结构的固定元件，第二锁定结构构造成经由开口接合第一锁定结构；
其中，第一电极的第一元件的轴线、固定元件的轴线以及绕组的轴线是同轴的；并且
其中，当第一锁定结构与第二锁定结构接合从而将第一电极与第二电极固定在一起时，第一锁定结构和第二锁定结构限定允许电流流过杆的电流导电杆。
10.根据权利要求9所述的AC电容器，其中，第一元件和固定元件的锁定结构是螺纹。
11.根据权利要求9所述的AC电容器，其中，至少固定元件构造成与汇流条形成接触。
12.根据权利要求9所述的AC电容器，其中，杆的横截面是包括实心圆形、多股线、椭圆形和多边形横截面的一组横截面中的一个。
13.根据权利要求9所述的AC电容器，其还包括将第一元件和固定元件与至少一个电极电隔离的元件。
14.一种连接和操作AC电容器的方法，所述方法包括：
提供AC电容器，AC电容器包括：
第一电极和第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的线圈架，线圈架包括延伸线圈架的长度的中空通道和穿过线圈架的中空通道的电流导电杆，并且其中，至少电流导电杆的轴线和线圈架的轴线是同轴的；
向第一电极和第二电极供应AC电压，并且其中AC电压在线圈架中产生沿第一方向流动并且感应磁场的电流，同时在杆中产生的AC电流沿第二、相反的方向流动，形成相反的磁场。
15.如权利要求14所述的方法，其中，AC电容器的净磁场以均匀的方式分布并因此使电容器中的电流分布一致。
16.根据权利要求14所述的方法，其还包括使由彼此影响的磁场产生的热量最小化。
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