CN207853474U - 一种吸收电网谐波的节能装置 - Google Patents

一种吸收电网谐波的节能装置 Download PDF

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王弢
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郭双利
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Abstract

本实用新型公开一种吸收电网谐波的节能装置,通过插座电连接至220V电网,电网中电连接有一个或多个负载电器,负载电器通过插座电连接至电网的火线和零线;节能装置包括一个谐波吸收单元,谐波吸收单元包括:LC滤波模块、第一和第二二极管并联模块,LC滤波模块中设有LC并联电路,一个电感L和一个电容C首尾相连,并在两个电连接处引出两个端子,两端子分别电连接第一、第二二极管并联模块;LC并联电路的固有频率与220V电网的工作频率同为50Hz;第一二极管并联模块和第二二极管并联模块结构相同,皆包括两个一正一反并联的二极管;第一二极管并联模块和第二二极管并联模块皆设有两个端子,一端子电连接至LC滤波模块,另一端子电连接至220V电网。

Description

一种吸收电网谐波的节能装置
技术领域
本实用新型涉及电力系统谐波抑制技术领域,尤其涉及一种吸收电网谐波的节能装置。
背景技术
在工厂的车间、居民的家中,都会有许多直流电机、开关电源及其它机器在运转过程中会产生比较强的电网谐波。这些电网谐波不仅会消耗一定的电能,造成电能的浪费,更严重的是影响电器的正常工作,降低电器的使用寿命,对其它的电器造成干扰,降低电网的运行质量。所以,有必要将产生的电网谐波的能量收集起来转变成有用的电能回送到电网中,这样既节约了电能,又提高了电网的运行质量,还保护了同车间或居民家中的各电器的安全运行。
目前电力系统使用最广泛的抑制谐波的无源滤波器的工作原理电路如图1所示。该无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧,由L、C、R元件构成无源网络,吸收负载产生的谐波电流。这种无源滤波器可对主要次谐波,例如5次、7次和11次,构成低阻抗旁路。由图1可知,电流中的5次谐波在电流通过支路a时,支路a对5次谐波呈现的阻抗很小,支路a将5次谐波滤除;电流中的7次谐波在通过支路b时,支路b对7次谐波呈现的阻抗很小,支路b将7次谐波滤除;电流中的11次谐波通过支路c时,支路c 对11次谐波呈现的阻抗很小,支路c将11次谐波滤除。以支路a为例,L1 和C1串联后对5次谐波产生谐振,5次谐波在经过支路a时在支路a两端的压降很小,但是L1和C1两端的电压值很大,且方向相反,相互抵消,因此对电感L1和电容C1的耐压值要求很高,增加成本,增大设备体积和占地面积。支路b对7次谐波所呈现特性和支路c对11次谐波呈现的特性与支路a对5次谐波呈现的特性相同。由此,现有技术的无源滤波器只能消除特定次谐波,在使用过程中有较多限制条件。该滤波器主要选择对电流中的5 次谐波、7次谐波、11次谐波进行过滤,但电网中有很多频率的谐波,这种无源滤波器对其他很多频率的谐波未加考虑。所以电网中很多其它频率的谐波仍然处于未过滤的状态,降低电网的运行质量,对其他设备产生危害。而且,部分谐波能量以热能的形式浪费在L、C、R网络中,不仅降低了电网的工作效率,而且极易对设备造成损坏。
实用新型内容
为了克服现有技术的缺陷,本实用新型所要解决的技术问题是:如何对电路中的3次谐波、5次谐波、7次谐波、……n次谐波均产生抑制作用。
为解决上述技术问题,本实用新型所采用的技术方案是:
一种吸收电网谐波的节能装置,通过二孔插座电连接至设有火线和零线的220V电网中,所述220V电网中电连接有一个或多个负载电器,所述负载电器通过二孔插座电连接至所述220V电网的火线和零线;所述吸收电网谐波的节能装置包括一个谐波吸收单元,所述谐波吸收单元包括:LC滤波模块、第一二极管并联模块和第二二极管并联模块,其中,所述LC滤波模块中设有LC并联电路,所述LC并联电路为一个电感L和一个电容C首尾相连,并在首尾相连的两个电连接处引出两个端子,两个端子分别电连接所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块;所述LC并联电路的固有频率与所述220V电网的工作频率相同,为50Hz;所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块结构相同,皆包括两个一正一反并联的二极管;所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块皆设有两个端子,其中一个端子电连接至所述LC滤波模块,另一个端子分别电连接至220V电网的火线和零线。
在上述技术方案的基础上,本实用新型还可以做如下改进。
可选地,所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块中的二极管皆替换为瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor,简称为TVS)。
优选地,所述节能装置还包括外壳和可插入单相二孔插座或插排的插头,所述外壳用于容纳所述谐波吸收单元,外壳上开设有供所述插头由内向外伸出的两个孔,所述插头的两个端子分别电连接至所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块用于电连接至火线和零线的端子。
优选地,所述节能装置还包括外壳和可插入单相二孔插座或插排的插头,所述外壳用于容纳所述谐波吸收单元,外壳上开设有供所述插头由内向外伸出的两个孔,所述插头的两个端子分别电连接所述瞬态电压抑制器用于连接至火线和零线的端子。
本实用新型还提供一种吸收电网谐波的节能装置,通过三相三孔插座电连接至设有A、B、C三相电的380V电网中,所述380V电网中电连接有一个或多个负载电器,所述负载电器通过二孔插座电连接至A、B、C三相电中的其中一相并接地,或通过二孔插座跨接于A、B、C三相电中的其中两相,或通过三相三孔插座电连接至所述380V电网;所述吸收电网谐波的节能装置包括三个谐波吸收单元,分别为第一谐波吸收单元、第二谐波吸收单元以及第三谐波吸收单元,所述第一谐波吸收单元跨接于所述380V电网中的A、B两相,所述第二谐波吸收单元跨接于所述380V电网中的B、C两相,所述第三谐波吸收单元跨接于所述380V电网中的A、C两相;三个谐波吸收单元结构相同,均包括:LC滤波模块、第一二极管并联模块和第二二极管并联模块,其中,所述LC滤波模块中设有LC并联电路,所述LC 并联电路为一个电感L和一个电容C首尾相连,并在首尾相连的两个电连接处引出两个端子,两个端子分别电连接所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块;所述LC并联电路的固有频率为50Hz;所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块结构相同,皆包括两个一正一反并联的二极管;所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块皆设有两个端子,其中一个端子电连接至所述LC滤波模块,另一个端子分别电连接至380V电网的A、B、 C三相电中的一相。
在上述技术方案的基础上,本实用新型还可以做如下改进。
可选地,所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块中的二极管皆替换为瞬态电压抑制器。
优选地,所述节能装置还包括外壳和可插入三相三孔插座或插排的插头,所述外壳用于容纳所述三个谐波吸收单元,外壳上开设有供所述插头由内向外伸出的三个孔,所述插头的三个端子分别与二极管并联模块用于电连接A、B、C三相电的端子电连接。
优选地,所述节能装置还包括外壳和可插入三相三孔插座或插排的插头,所述外壳用于容纳所述三个谐波吸收单元,外壳上开设有供所述插头由内向外伸出的三个孔,所述插头的三个端子分别与所述瞬态电压抑制器用于电连接A、B、C三相电的端子电连接。
与现有技术相比,本实用新型具有如下技术效果:
1、由于各负载电器产生的电网谐波的频率远远大于LC滤波模块的谐振频率(50Hz),所以电网谐波通过本装置中的LC滤波模块时,LC滤波模块对电网谐波呈现出容性,由此对电路中的3次谐波、5次谐波、7次谐波、…… n次谐波均有吸收作用,即抑制谐波的产生;装置吸收电网谐波,并伴随着 LC滤波模块的振荡转换成与电网的频率及相位相同的电能,回送到电网,产生节能效果;
2、保护了同一电网内其它负载电器的安全运行,提高了电网运行质量;
3、收集电网中的负载电器在工作过程中产生的电网谐波能量,转化为有用的电能,降低了负载电器工作过程中产生的电网谐波能量损耗,提高了电器的工作效率,延长了电器的使用寿命。
附图说明
图1为现有技术中抑制谐波的无源滤波器的工作原理电路图;
图2为本实用新型的吸收电网谐波的节能装置的第一实施例的电路图;
图3为本实用新型的吸收电网谐波的节能装置的第二实施例的电路图;
图4为未加入本实用新型的吸收电网谐波的节能装置的电网中电压(u) 与电流(i)的波形图;
图5为加入本实用新型的吸收电网谐波的节能装置后的电网中电压(u) 与电流(i)的波形图;
在附图中,各标号所表示的部件名称列表如下:
100 第一实施例的谐波吸收单元
101 第一实施例的LC滤波模块
102 第一实施例的第一二极管并联模块
103 第一实施例的第二二极管并联模块
200 第二实施例的第一谐波吸收单元
201 第二实施例的第一谐波吸收单元的LC滤波模块
202 第二实施例的第一谐波吸收单元的第一二极管并联模块
203 第二实施例的第一谐波吸收单元的第二二极管并联模块
300 第二实施例的第二谐波吸收单元
301 第二实施例的第二谐波吸收单元的LC滤波模块
302 第二实施例的第二谐波吸收单元的第一二极管并联模块
303 第二实施例的第二谐波吸收单元的第二二极管并联模块
400 第二实施例的第三谐波吸收单元
401 第二实施例的第三谐波吸收单元的LC滤波模块
402 第二实施例的第三谐波吸收单元的第一二极管并联模块
403 第二实施例的第三谐波吸收单元的第二二极管并联模块
601 第一负载电器
602 第二负载电器
60N 第N负载电器
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本实用新型,并非用于限定本实用新型的范围。
第一实施例:
请参照图2所示,其为本实用新型的吸收电网谐波的节能装置的第一实施例的电路结构图。第一实施例应用于220V电网中,图2中的l表示220V 电网的火线、n表示220V电网的零线,所述220V电网中电连接有第一负载电器601、第二负载电器602、……及第N负载电器60N,所述第一负载电器601、第二负载电器602、……及第N负载电器60N皆通过单相二孔插座电连接至所述220V电网。
本实用新型的第一实施例的吸收电网谐波的节能装置包括一个谐波吸收单元100,所述谐波吸收单元100包括:LC滤波模块101、第一二极管并联模块102和第二二极管并联模块103,其中,
所述LC滤波模块101中设有LC并联电路,即,一个电感L和一个电容C首尾相连,并在两个电连接处引出两个端子,两个端子分别电连接所述第一二极管并联模块102和第二二极管并联模块103;图2中电容C和电感L组成的并联电路的固有频率与220V电网的工作频率相同,即为50Hz;此外,为减小本实用新型的吸收电网谐波的节能装置自身的损耗,电感L的取值应很大,电容C的取值应很小,例如电感L可在100mH~10000mH之间取值,在电网上的谐波较多、较强的场合,如车间,可取L值小一些,在电网上的谐波较少、较弱的场合,如居民家中,可取L值大一些;电容C的取值可待L的取值确定后再确定,确保LC的固有谐振频率为50赫兹;且L、C的耐压值大于电网的电压220V;
所述第一二极管并联模块102和第二二极管并联模块103结构相同,皆包括两个一正一反并联的二极管,所述二极管可用小功率快恢复二极管,例如可为1N5819;由于负载电器的阻抗有可能为感性、也有可能为容性状态,为了使负载电器阻抗不影响本装置的LC滤波模块的谐振状态,电路中LC 滤波模块的两端分别串联一个并联的二极管组合电路,并联的二极管组合电路能够起到一定的隔离作用,使得LC滤波模块的固有谐振频率不受电网上其它负载电器阻抗的影响;可选地,两个二极管并联模块中的二极管皆可替换为瞬态电压抑制器,所述瞬态电压抑制器可使用击穿电压在2V左右的小功率双向瞬态电压抑制器,双向瞬态电压抑制器的两端施加的电压大于它的击穿电压时瞬间导通,外型与普通二极管相同。
本实用新型的吸收电网谐波的节能装置在进行产品的生产时,可为其设计一个小巧美观的外壳以及可插入单相二孔插座或插排的插头,外壳用于容纳谐波吸收单元,外壳上开设有供插头由内向外伸出的两个孔,插头的两个端子分别电连接两个二极管并联模块用于连接至火线和零线的端子;由此,用户在使用时,将本实用新型的吸收电网谐波的节能装置插入单相二孔插座或插排,由于各负载电器产生的电网谐波的频率远远大于LC滤波模块的谐振频率(50Hz),所以这些电网谐波通过本装置中的LC滤波模块时,LC滤波模块对电网谐波呈现出容性;即电容吸收这些电网谐波,并伴随着LC滤波模块的振荡转换成与电网的频率及相位相同的电能,回送到电网,由此产生节能效果。
第二实施例:
请参照图3所示,其为本实用新型的吸收电网谐波的节能装置的第二实施例的电路结构图。第二实施例应用于380V电网中,图3中的A、B、C 分别表示380V电网中的A、B、C三相电,所述380V电网中电连接有第一负载电器601、第二负载电器602、……及第N负载电器60N,所述第一负载电器601、第二负载电器602、……及第N负载电器60N或通过二孔插座电连接至A、B、C三相电中的其中一相并接地,或通过二孔插座跨接于A、 B、C三相电中的其中两相,或通过三相三孔插座电连接至所述380V电网;为了是附图简单、易懂,图3仅示出了跨接两相的接法,本领域技术人员应理解为多个负载电器可根据实际需求选择电连接至电网的方式。
本实用新型的第二实施例的吸收电网谐波的节能装置包括三个谐波吸收单元,分别为第一谐波吸收单元200、第二谐波吸收单元300以及第三谐波吸收单元400,三个谐波吸收单元结构相同,均包括:LC滤波模块、第一二极管并联模块和第二二极管并联模块,即,分别为图中所示LC滤波模块 201、301和401,第一二极管并联模块202、302和402,及第二二极管并联模块203、303和403;第二实施例中的谐波吸收单元的内部结构与连接关系和第一实施例中的谐波吸收单元的内部结构与连接关系完全一致,此处不多赘述;同样地,两个二极管并联模块中的二极管亦可替换为瞬态电压抑制器;
所述第一谐波吸收单元200跨接于所述380V电网中的A、B两相;
所述第二谐波吸收单元300跨接于所述380V电网中的B、C两相;
所述第三谐波吸收单元400跨接于所述380V电网中的A、C两相。
由此,本实用新型的第一、第二实施例中分别示出了吸收电网谐波的节能装置应用于220V电网和380V电网的情形,分别通过使用一个或三个谐波吸收单元来吸收火零线之间或A、B、C三相电中两相之间的电网谐波。
本实用新型的吸收电网谐波的节能装置的第二实施例在投入生产时,亦可设计外壳和插头,此处不多赘述。
为了验证本实用新型的吸收电网谐波的节能装置的抑制噪声、降低功耗的技术效果,对本实用新型的第一实施例进行了仿真;下面,请结合图4和图5所示,图4为未加入本实用新型的吸收电网谐波的节能装置的电网中电压(u)与电流(i)的波形图;图5为加入本实用新型的吸收电网谐波的节能装置后的电网中电压(u)与电流(i)的波形图;其中,图4中A为电网中未加入该装置时u的波形图,B为电网中未加入该装置时i的波形图,图 5中C为电网中加入该装置后u的波形图,D为电网中加入该装置后i的波形图;由图中可明显看出,加入本实用新型的吸收电网谐波且节能的装置后净化了电网谐波,提高了电网的运行质量,进而保护同车间或居民家中的各电器的安全运行。
从理论上来说,观测通过流过电路的总电流i和电路两端的电压u以及 i与u的相位差θ,通过公式
P=u*i*Cosθ ①
计算电路中未加入该装置时的功耗P1与加入该装置后的功耗P2,结果 P1大于P2,则可证明LC并联网络能够起到降低功耗的作用。
在具体的仿真实验中,当220V电网的电压为50Hz时,先确定电感L 的值,再根据公式
计算出电容C的值,然后通过示波器观察u与i的幅值及相位差θ。
设定电网谐波的电压值为30V,频率为5MHz,电源电压取值220V,在电路中加入不同幅值的电网谐波——
当电路中不加入LC滤波模块时,测得电压u1、通过的电流i1以及u1和i1的相位差余弦值Cosθ1,由公式①计算出此时电路中的功率P1
在电路中加入LC滤波模块后,测得电压u2、通过的电流i2以及u2和i2的相位差余弦值Cosθ2,由公式①计算出此时的电路中的功率P2
具体对比数据可见表1~4:
表1
表2
表3
表4
通过多组数据归纳整理分析后,得出结论为:P1明显大于P2,由此证明了这种吸收电网谐波且节能的装置可以起到降低功耗的作用。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种吸收电网谐波的节能装置,通过二孔插座电连接至设有火线和零线的220V电网中,所述220V电网中电连接有一个或多个负载电器,所述负载电器通过二孔插座电连接至所述220V电网的火线和零线;其特征在于,所述吸收电网谐波的节能装置包括一个谐波吸收单元,所述谐波吸收单元包括:LC滤波模块、第一二极管并联模块和第二二极管并联模块,其中,
所述LC滤波模块中设有LC并联电路,所述LC并联电路为一个电感L和一个电容C首尾相连,并在首尾相连的两个电连接处引出两个端子,两个端子分别电连接所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块;所述LC并联电路的固有频率与所述220V电网的工作频率相同,为50Hz;
所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块结构相同,皆包括两个一正一反并联的二极管;所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块皆设有两个端子,其中一个端子电连接至所述LC滤波模块,另一个端子分别电连接至220V电网的火线和零线。
2.根据权利要求1所述的吸收电网谐波的节能装置,其特征在于,所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块中的二极管皆替换为瞬态电压抑制器。
3.根据权利要求1所述的吸收电网谐波的节能装置,其特征在于,还包括外壳和可插入单相二孔插座或插排的插头,所述外壳用于容纳所述谐波吸收单元,外壳上开设有供所述插头由内向外伸出的两个孔,所述插头的两个端子分别电连接至所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块用于电连接至火线和零线的端子。
4.根据权利要求2所述的吸收电网谐波的节能装置,其特征在于,还包括外壳和可插入单相二孔插座或插排的插头,所述外壳用于容纳所述谐波吸收单元,外壳上开设有供所述插头由内向外伸出的两个孔,所述插头的两个端子分别电连接所述瞬态电压抑制器用于连接至火线和零线的端子。
5.一种吸收电网谐波的节能装置,通过三相三孔插座电连接至设有A、B、C三相电的380V电网中,所述380V电网中电连接有一个或多个负载电器,所述负载电器通过二孔插座电连接至A、B、C三相电中的其中一相并接地,或通过二孔插座跨接于A、B、C三相电中的其中两相,或通过三相三孔插座电连接至所述380V电网,其特征在于,
所述吸收电网谐波的节能装置包括三个谐波吸收单元,分别为第一谐波吸收单元、第二谐波吸收单元以及第三谐波吸收单元,所述第一谐波吸收单元跨接于所述380V电网中的A、B两相,所述第二谐波吸收单元跨接于所述380V电网中的B、C两相,所述第三谐波吸收单元跨接于所述380V电网中的A、C两相;
三个谐波吸收单元结构相同,均包括:LC滤波模块、第一二极管并联模块和第二二极管并联模块,其中,所述LC滤波模块中设有LC并联电路,所述LC并联电路为一个电感L和一个电容C首尾相连,并在首尾相连的两个电连接处引出两个端子,两个端子分别电连接所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块;所述LC并联电路的固有频率为50Hz;
所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块结构相同,皆包括两个一正一反并联的二极管;所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块皆设有两个端子,其中一个端子电连接至所述LC滤波模块,另一个端子分别电连接至380V电网的A、B、C三相电中的一相。
6.根据权利要求5所述的吸收电网谐波的节能装置,其特征在于,所述第一二极管并联模块和第二二极管并联模块中的二极管皆替换为瞬态电压抑制器。
7.根据权利要求5所述的吸收电网谐波的节能装置,其特征在于,还包括外壳和可插入三相三孔插座或插排的插头,所述外壳用于容纳所述三个谐波吸收单元,外壳上开设有供所述插头由内向外伸出的三个孔,所述插头的三个端子分别与二极管并联模块用于电连接A、B、C三相电的端子电连接。
8.根据权利要求6所述的吸收电网谐波的节能装置,其特征在于,还包括外壳和可插入三相三孔插座或插排的插头,所述外壳用于容纳所述三个谐波吸收单元,外壳上开设有供所述插头由内向外伸出的三个孔,所述插头的三个端子分别与所述瞬态电压抑制器用于电连接A、B、C三相电的端子电连接。
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