CN116937610A - 一种功率因数校正系统 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种功率因数校正系统，用于一个或多个多相电感性负载的局部功率因数校正，所述功率因数校正系统包括：主电容性单元，所述主电容性单元包括至少一个电容性模块，其中每一电容性模块包括：接触器；以及多相电容性负载，其被设置为连接到所述接触器，使得在使用中所述多相电容性负载能够与多相电感性负载并联；以及一个或多个从电容性单元，每一所述从电容性单元包括至少一个电容性模块，其中每一电容性模块包括：接触器；以及多相电容性负载，其被设置为连接到所述接触器，使得在使用中所述多相电容性负载能够与多相电感性负载并联；其中所述主电容性单元进一步包括中央控制单元，所述中央控制单元被配置成控制所有所述电容性模块的每个接触器，以控制由所述主电容性单元和所述一个或多个从电容性单元将一个或多个多相电容性负载施加到一个或多个所述多相电感性负载。

Description

一种功率因数校正系统

技术领域

本发明涉及一种包括多个电容性单元的局部功率因数校正系统。

背景技术

电感性负载广泛用于住宅、商业和工业环境中，例如以电动马达和变压器的形式用于压缩机和制冷系统、通风和空调、工业机器的马达驱动器等。运行这种电感性负载的成本和环境影响与其功耗直接相关。因此，需要提高电力传输的效率和电感性负载的消耗。

交流(AC)电力系统的功率因数通常被认为是衡量系统效率的指标。功率因数被定义为负载使用的实际功率或有功功率与传输至负载的视在功率之比。包括总电感性负载的AC电力系统通常具有大于实际功率的视在功率。这是由于能量以运行电感性负载所需的磁场的形式存储在电感性负载中，并返回到源。这种系统的功率因数小于1或1。为激励电感性负载的磁场而损失的“浪费的”或无用的功率也被称为无功功率。这种电感性负载中的AC电流波形与AC电压波形异相，并且滞后于AC电压波形。无功功率对电感性负载的有用功率输出没有贡献，但是增加了传输到电感性负载的功率，从而增加了运行电感性负载的环境影响和成本。

功率因数校正单元能用于改善功率因数并降低AC电力系统的无功功率。这种功率因数校正单元通过产生超前电流，例如通过使用电容性负载，来补偿由电感性负载感应的滞后电流。电容性负载产生负无功功率，有效地抵消了电感性负载的正无功功率。然而，传统的功率因数校正单元和系统不具备在一系列电感性负载条件下实现优化功率因数校正所需的灵活性和能定制性，并且不容易操作。在实践中，电感性负载能能关闭、失效或损坏、产生电感变化或被其他负载代替。此外，电感性负载的配置在现有电力系统之间差异很大，使得现成的单元能能无法最佳地校正功率因数。多个电容性单元的维护和监测需要操作者单独地访问每一电容性单元，从而使得此类任务复杂且耗时。

通常需要改进现有的功率因数校正系统。

发明内容

在所附独立权利要求中阐述了本发明的各方面。在从属权利要求中阐述了能选方面。

附图说明

下面参考附图仅通过示例的方式描述本发明，其中：

图1是示出电容性单元能如何连接到AC电力系统的示例的示意图；

图2示意性地示出了具有三个电容性模块的电容性单元；

图3示意性地示出了根据实施例的功率因数校正系统；以及

图4示意性地示出了根据实施例的功率因数校正系统。

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制由权利要求限定的本发明的范围。应当理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

具体实施方式

本发明的实施例能够用于AC电力系统中的电感性负载的功率因数校正，其中电力由AC电源供应给电感性负载。

公开为WO 2020/039207 A1的国际专利申请PCT/GB2019/052374公开了一种在多相AC电力系统中使用的功率因数校正系统。该多相AC电力系统包括三相电感性负载和三相AC电源。

图1示出了PCT/GB2019/052374中公开的AC电力系统。该AC电力系统包括电源300和电感性负载200。电感性负载200经由相电缆201a、b、c连接到电源300。具体地，图1示出了三相AC电力系统，其包括三相AC电源300和经由三相电缆201a、b、c与其连接的三相电感性负载200。电容性单元100，在图1中具体示出为三相电容性单元100，与电感性负载200并联。这确保电容性单元100能够容易地安装在现有电力系统中，而不需要将电感性负载200与电源300断开。电容性单元100经由连接线101a、b、c并联到电感性负载200。

电容性单元100能位于外壳中，例如玻璃增强塑料(GRP)外壳。电容性单元100的所有组件都能由外壳封闭。电容性单元100能够是独立单元。电容性单元100因此能作为单个单元交付和安装。

图2示出了包括三个电容性模块105、105’、105”的电容性单元100的实施方式。三个电容性模块105、105’、105”并联连接。电容性模块105’、105’、105”中的每一个包括电容性负载110、110’、110”和接触器120、120’、120”电容性单元100进一步包括中央控制单元130。中央控制单元130控制接触器120、120’、120”，以便断开和闭合接触器120、120’、120”。

接触器120用于切换电容性负载，例如电容性负载110。接触器120能够包括两个开关端子。能够将保持电压或控制电压施加到开关端子。当施加到接触器120的开关端子的保持电压超过预设最小电压时，接触器120能够闭合，以便将电容性负载110连接到电感性负载200。当施加到开关端子的保持电压低于预设最小电压时，接触器120能够断开，以便将电容性负载110与电感性负载200断开。接触器120能够是在线圈触点上实现最小电弧放电的机械类型。例如，接触器120能够是的AF30-30-30。

电容性模块105、105’、105”中的每一个能够是相同的。或者，能够使用不同的电容性模块105、105’、105”，例如包括具有不同电容的电容性负载110、110’、110”。电容性模块105、105’、105”中的每一个能够选自一组标准的电容性模块。还能够定制该组标准的电容性模块中的每一个。这允许电容性单元100高度能定制以匹配电感性负载200。使用三个电容性模块105、105’、105”确保了电容性单元100的高灵活性，同时保持简单的构造。

如PCT/GB2019/052374中所描述，电容性单元100能包括更多组件，所述PCT/GB2019/052374的全部内容以引用的方式并入本文中。

PCT/GB2019/052374中公开的功率因数校正系统的问题是难以缩放实施功率因数校正系统。期望能够增加功率因数校正系统能够应用的无功功率的量。这是因为正确补偿电感性负载的无功功率要求能够增加。例如，电感性负载能够改变，电感性负载能够被更大的电感性负载取代，或者电感性负载的设置能够改变。

特别地，电容性单元100在外壳中与三个电容性模块105、105’、105”一起制造并交付。外壳可能不能容纳更多的电容性模块。为了增加电容性单元100中的电容性模块的数量，可能需要至少改变外壳，这是一个复杂且昂贵的过程。

如果PCT/GB2019/052374中所公开的多于一个的电容性单元100用于相同安装中，那么每一电容性单元100将具有其自身的中央控制单元130。由于不同的中央控制单元130之间需要进行通信，以同步单独的电容性单元中接触器的切换，使用多于一个中央控制单元130在技术上是复杂的。使用多于一个中央控制单元130也是昂贵的。

PCT/GB2019/052374中公开的功率因数校正系统的另一个问题是功率因数校正系统不能与多个单独的电感性负载200一起运行。

实施例提供了一种功率因数校正系统，其解决了能够用PCT/GB2019/052374中公开的功率因数校正系统识别的至少一些问题。下面参考图3和图4描述实施例。

实施例提供第一电容性单元100a和第二电容性单元100b。第一电容性单元100a和第二电容性单元100b具有不同设计。第一电容性单元100a是主单元，且第二电容性单元100b是从单元。第一电容性单元100a被设置成控制第二电容性单元100b。

第一电容性单元100a能基本上如图2所示并且在PCT/GB2019/052374中公开。因此，第一电容性单元100a能包括例如三个电容性模块105、105’、105”。三个电容性模块105、105’、105”能够并联连接。电容性模块105、105’、105”中的每一个能够包括电容性负载110、110’、110”和接触器120、120’、120”。第一电容性单元100a能进一步包括中央控制单元130。中央控制单元130能够控制接触器120、120’、120”，以便断开和闭合接触器120、120’、120”。第一电容性单元100a的中央控制单元130能直接控制第二电容性单元100b中的电容性模块。第一电容性单元100a能包括通信模块，例如调制解调器，和/或用于将控制信号发送到第二电容性单元100b的通信接口。能存在用于在第一电容性单元100a与第二电容性单元100b之间传送数据的通信信道301。通信信道301能够是有线通信信道和/或无线通信信道。通信信道301能够使用许多公知的通信技术中的任何一种。

类似地，第二电容性单元100b能包括例如三个电容性模块105、105’、105”。三个电容性模块105、105’、105”能够并联连接。电容性模块105、105’、105”中的每一个能够包括电容性负载110、110’、110”和接触器120、120’、120”。第二电容性单元100b与第一电容性单元100a的不同之处在于不包括中央控制单元。第二电容性单元100b包括用于从第一电容性单元100a接收控制指令的通信模块，例如调制解调器和/或通信接口。

在实施例中，第一电容性单元100a的中央控制单元130能直接控制第二电容性单元100b中的电容性模块。直接控制的优点是易于控制每个接触器120、120’、120”的切换定时。控制指令和任何其它数据能基本上瞬时地在第一电容性单元100a与第二电容性单元100b之间传输。中央控制单元130能因此将切换指令直接发送到第一电容性单元100a以及第二电容性单元100b两者的每一接触器120、120’、120”，而在每一接触器120、120’、120”接收指令之间不存在实质时间滞后。

由单个中央控制单元130进行的上述控制是根据实施例的第一电容性单元100a和第二电容性单元100b与PCT/GB2019/052374中公开的电容性单元100之间的重要差异。PCT/GB2019/052374中所公开的所有电容性单元100包括中央控制单元130。在PCT/GB2019/052374中，中央控制单元130不能直接控制不同电容性单元100中的电容性模块。在PCT/GB2019/052374中，不同电容性单元100的中央控制单元130能彼此通信。然而，该通信过程比实施例的通信过程更复杂且更慢。如PCT/GB2019/052374中所公开的包括多个电容性单元100的系统也是昂贵的，因为每一电容性单元100都包括中央控制单元130。

图3展示根据实施例的包括第一电容性单元100a和第二电容性单元100b的功率因数校正系统的实施方式。

图3示出了包括电源300和电感性负载200的AC电力系统。电感性负载200经由相电缆201a、b、c连接到电源300。具体地，图3示出了三相AC电力系统，其包括三相AC电源300和经由三相电缆201a、b、c与其连接的三相电感性负载200。

作为三相电容性单元的第一电容性单元100a能并联到电感性负载200。这确保第一电容性单元100a能容易地安装在现有电力系统中，而不需要将电感性负载200与电源300断开。第一电容性单元100a经由连接线101a、b、c并联到电感性负载200。第一电容性单元100a包括将功率因数校正应用于电感性负载200的电容性模块，如PCT/GB2019/052374中所公开的电容性单元100所述。

作为三相电容性单元的第二电容性单元100b也能并联到电感性负载200。这确保第二电容性单元100b能容易地安装在现有电力系统中，而不需要将电感性负载200与电源300断开。第二电容性单元100b经由连接线101d、e、f并联到电感性负载200。因此，第一电容性单元100a和第二电容性单元100b经由单独的连接线组连接到相电缆201a、b、c。第二电容性单元100b包括也将功率因数校正应用于电感性负载200的电容性模块。因此，能从第一电容性单元100a和第二电容性单元100b两者中的电容性模块产生对电感性负载200施加的功率因数校正。

在第一电容性单元100a与第二电容性单元100b之间存在用于传输数据的通信信道301。所传输的数据能包含已由第一电容性单元100a的中央控制单元130产生的用于切换第二电容性单元100b中的接触器120、120’、120”的控制指令。所传输的数据能包含从第二电容性单元100b传输到第一电容性单元100a的电流和/或电压测量值。传输的数据能够包括用于功率因数系统的运行的任何其他数据。通信信道301能够是有线通信信道和/或无线通信信道。通信信道301能够使用许多公知的通信技术中的任何一种。

图3所示的功率因数校正系统能够有利地以多种不同的方式实现和运行。第二电容性单元100b仅用单个电容性单元升级功率因数校正系统的能力。特别地，第二电容性单元100b允许功率因数校正系统在电感性负载200已经改变时继续有效地运行，允许在第一电容性单元100a中的电容性模块中的任一个发生故障之后的正确运行，和/或在第一电容性单元100a中的电容性模块中的任一个发生故障的情况下提供冗余。功率因数校正系统的初始安装能仅包括第一电容性单元100a但不包括第二电容性单元100b。第二电容性单元100b能稍后在改装过程中安装。或者，第一电容性单元100a和第二电容性单元100b能彼此同时安装。

图4展示根据另一实施例的包括第一电容性单元100a和第二电容性单元100b的功率因数校正系统的实施方式。

图4示出了AC电力系统，其包括单个电源400、第一电感性负载200a和第二电感性负载200b。电源400是用于多个单独的电感性负载200a、200b的单个电源。例如，冷却系统能够包括两个马达，每个马达驱动冷却系统的不同压缩机。在这种情况下，每个马达是单独的电感性负载200a、200b。两个马达的电力能够由相同的电源400经由单独的相电缆组供应。

第一电感性负载200a经由相电缆201a、b、c连接到电源400。第一电感性负载200a是三相电感性负载200。电源400经由三相电缆201a、b、c向第一电感性负载200a提供三相AC电源。

第二电感性负载200b通过相电缆201d、e、f连接到电源400。第二电感性负载200b是三相电感性负载200。电源400经由三相电缆201d、e、f向第二电感性负载200b提供三相AC电源。

作为三相电容性单元的第一电容性单元100a能并联到第一电感性负载200a。第一电容性单元100a经由连接线101a、b、c并联到第一电感性负载200a。第一电容性单元100a包括将功率因数校正应用于电感性负载200a的电容性模块，如PCT/GB2019/052374中所公开的电容性单元100所述。

作为三相电容性单元的第二电容性单元100b能并联到第二电感性负载200b。第二电容性单元100b经由连接线101d、e、f并联到第二电感性负载200b。第二电容性单元100b包括将功率因数校正施加到电感性负载200b的电容性模块。

存在用于在第一电容性单元100a与第二电容性单元100b之间传输数据的通信信道301。所传输的数据能包含已由第一电容性单元100a的中央控制单元130产生的用于切换第二电容性单元100b中的接触器120、120’、120”的控制指令。所传输数据能包含从第二电容性单元100b传输到第一电容性单元100a的电流和/或电压测量值。发送的数据能够包括用于功率因数系统运行的任何其他数据。通信信道301能够是有线通信信道和/或无线通信信道。通信信道301能够使用许多公知的通信技术中的任何一种。

有利地，本实施例提供了一种功率因数校正系统，其能够容易地在多个电感性负载上实现。整个功率因数系统仅由第一电容性单元的中央控制单元130容易地控制。本实施例的特别有利的应用是当两个电感性负载用于为一个冷却系统供电时。在这种设置中，电感性负载中的一个能够是前电感性负载，而另一个能够是后电感性负载。本实施例允许单个功率因数校正系统提供并容易地控制用于将无功功率施加到前电感性负载和后电感性负载两者的电容性单元。

实施例包括对上述技术的许多修改和变化。

实施例不限于第一电容性单元100a仅控制单个第二电容性单元100b。实施例包含的第一电容性单元100a是控制多个从电容性单元的主电容性单元。每一从电容性单元能为上文所描述的第二电容性单元100b的单独实施方式。例如，主电容性单元，即，第一电容性单元100a，能控制三个、四个或更多个从电容性单元。从电容性单元能跨越主电容性单元与每一从电容性单元之间的单独直接通信信道与主电容性单元直接通信。或者，从电容性单元与主电容性单元之间的通信路径能经由其它从电容性单元中的一或多个(即，能使用多跳通信)。

图3所示的实施例能够进行调整，以便为电感性负载200安装一个或多个从电容性单元。有利地，这进一步提升了功率因数校正系统的能力。

图4中所展示的实施例能够进行调整，以便为电感性负载200a和200b中的每一者安装一或多个从电容性单元。然后，每个电感性负载200a、200b还具有存在用于电感性负载的两个或更多个单独的电容性单元的优点。

实施例还包括图4中的电源400，为两个以上的电感性负载供电。每个电感性负载能够具有一个、两个或更多个电容性单元，所述电容性单元被设置为对其进行功率因数校正。

实施例还包括在两个或更多个电感性负载上运行的功率因数校正系统，其中每个电感性负载从单独的电源接收功率。

在实施例中，每一电容性单元能具有其自身的外壳，所述外壳与其它电容性单元的外壳分离。这有助于将更多的电容性单元改装到现有的功率因数校正系统。使用单独的模块还有助于更换电容性单元。或者，外壳能包括一个以上的电容性单元。

以上对优选实施例的描述是为了说明和描述的目的。特定实施例的各个元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下能够与其他特征组合互换使用以限定另一个实施例，即使未具体示出或描述。因此，该描述不旨在限制由权利要求限定的本发明的范围。

Claims (12)

1.一种功率因数校正系统，用于一个或多个多相电感性负载的局部功率因数校正，所述功率因数校正系统包括：

主电容性单元，所述主电容性单元包括至少一个电容性模块，其中每一电容性模块包括：接触器；以及多相电容性负载，其被设置为连接到所述接触器，使得在使用中所述多相电容性负载能够与多相电感性负载并联；以及

一个或多个从电容性单元，每一所述从电容性单元包括至少一个电容性模块，其中每一电容性模块包括：接触器；以及多相电容性负载，其被设置为连接到所述接触器，使得在使用中所述多相电容性负载能够与多相电感性负载并联；

其中所述主电容性单元进一步包括中央控制单元，所述中央控制单元被配置成控制所有所述电容性模块的每个接触器，以控制由所述主电容性单元和所述一个或多个从电容性单元将一个或多个多相电容性负载施加到一个或多个所述多相电感性负载。

2.根据权利要求1所述的功率因数校正系统，其中所述从电容性单元均不包括中央控制单元。

3.根据权利要求1或2所述的功率因数校正系统，其中所述主电容性单元被配置成经由一组连接线连接到电感性负载；以及

每一从电容性单元被配置成经由一组连接线连接到电感性负载，用于每一从电容性单元的连接线与用于所述主电容性单元的连接线分离且与用于任何其它从电容性单元的连接线分离。

4.根据前述权利要求中任一项所述的功率因数校正系统，其中所述中央控制单元被配置成直接控制每个所述从电容性单元中的所述接触器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的功率因数校正系统，其中每个所述接触器为机械接触器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的功率因数校正系统，其中所述主电容性单元和所述一个或多个从电容性单元被配置成使得它们都将功率因数校正应用于相同的电感性负载。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的功率因数校正系统，其中所述功率因数校正系统被配置成将功率因数校正应用于多个单独的电感性负载。

8.根据权利要求7所述的功率因数校正系统，其中所述功率因数校正系统被配置成，对于至少一个电感性负载，设置有用于将功率因数校正应用于此电感性负载的多个电容性单元。

9.根据前述权利要求中任一项所述的功率因数校正系统，其中所述功率因数校正系统被配置成在单个三相交流(AC)电源向一个或多个电感性负载供电的系统中使用。

10.根据前述权利要求中任一项所述的功率因数校正系统，其中所述一个或多个从电容性单元是用于改装到现有功率因数校正系统的单独模块。

11.根据前述权利要求中任一项所述的功率因数校正系统，其中所述功率因数校正系统被配置成在其中每个电感性负载是被设置成驱动冷却系统的压缩机的马达的系统中使用。

12.一种冷却系统装置，包括：

根据前述权利要求中任一项所述的功率因数校正系统；以及

一个或多个马达，其中每个马达被设置成驱动所述冷却系统装置的单独的压缩机。