一种电校正元件

摘要

本发明涉及一种用于电气系统功率因数校正和电气频宽滤波的装置，该装置可大大降低额定频率为10Hz到60Hz的电力系统上高于110Hz频率的电压，并且通过向系统输入无功功率来提升功率因数。本发明所述的装置提供包括感应器和电容器的组合，该组合能有效地校正功率因数及过滤掉高频电压。

权利要求

1.一种用于电气负载系统的电校正元件（8），所述元件包括：至少一个低通滤波器（9），

至少一个带阻滤波器元件（10），并且

其中所述带阻滤波器元件（10）与所述低通滤波器（9）串联连接，并且其中所述电校正元件与所述负载并联连接。

2.根据权利要求1所述的电校正元件，其特征在于：所述低通滤波器（9）的工作频率为

3 10 4 9 4 8 3 8

从10 到 10 Hz，例如（优选的）从10 到 10Hz，或从10 到 10Hz，或从10 到 10Hz，或

4 9 3 7

从10 到 10Hz，或从10 到10Hz。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的电校正元件，其特征在于：所述带阻滤波器元件（10）的工作频率为从110 到 910 Hz，例如从210 到 910 Hz，从110 到 810 Hz，或从

110 到 740，或从310 到 710 Hz, 从 410 到 610 Hz. 或 从 110 到 310 Hz。

4.根据权利要求3所述的电校正元件，其特征在于：所述带阻滤波器元件（10）的工作频率的范围为从180 到310 Hz，例如从180 到 260 或 210 到 310 Hz。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的电校正元件，其特征在于：在所述带阻滤波器元件中电容器元件是以三角形方式连接，而感应器元件（反应器）是以星型方式连接。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的电校正元件，其特征在于：所述元件在频率为20到400Hz的电力系统中运行，例如50 到 200 Hz的电力系统或60 到 100 Hz的电力系统。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的电校正元件，其特征在于：所述元件适于在频率为50Hz和/或60Hz的电力系统中运行。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的电校正元件，其特征在于：所述低通滤波器（9）包括多个适于单独连接到负载的低通滤波器。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的电校正元件，其特征在于：所述一个或多个带阻滤波器元件适于单独连接到所述负载。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的电校正元件，其特征在于：所述负载为将频率为250Hz的信号输入所述电力系统的AC/DC转换器。

11.一种在电力系统中降低寄生频率的电压并且提高功率因数的方法，所述方法包括：以与系统上主负载并联的方式设置电校正元件（8），该电校正元件特别是根据权利要求1-10项中任一项所述的电校正元件，所述电校正元件包括： 低通滤波器（9），和 带阻滤波器元件（10），

其特征在于：所述带阻滤波器元件（10）与所述低通滤波器（9）串联连接，并且所述电校正元件（8）与所述系统上的负载并联连接。

说明书

一种电校正元件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电气系统中功率因数校正和电气宽频段滤波的装置。

背景技术

[0002] 为了减少对有关电力系统中电气设备的损坏或不当操作，在电力系统中过滤掉不需要的谐波频率（harmonic frequencies）和降低当前的高频电压是有帮助的。在像渔船
这样的封闭电气系统中，颠簸会增加燃油消耗，从而产生所消耗量的能量，进而在所有电气
系统中产生热，热量传到系统本身和与系统相连的电气设备上。

[0003] 美国专利文献US 3,555,291披露了一种用于交流电源系统、为整流装置（converter installations）设计的谐波滤波器，该谐波滤波器具有多个调到所需谐波频
率的普通的LC并联过滤器（LC shunt filters）。专利文献US 3,555,291利用阻尼来减少
并联谐振的影响并且此系统还能包括用于功率因数校正的静电电容器。此系统进一步包括
一种滤波器，该滤波器和与感应器（inductance）并联的电阻器一起作为LC滤波器，该滤波
器在谐振频率进行调整以提供阻尼，从而可产生并联谐振（parallel resonance）。本体系
中的电阻器提供阻尼以降低在并联谐振条件下的振幅。

发明内容

[0004] 本发明的客体是提供一种改进的装置及方法。

[0005] 本发明的客体是通过权利要求中的特征和/或下面描述的本发明的各方面来实现的。

[0006] 本发明特别优选的是提供一种能大大降低当电力系统（power systems）的频率高于110Hz时的电压和电流和/或提升功率因数的装置，所述电力系统的额定频率为10Hz到
60Hz。

[0007] 特别地，本发明的电校正元件及降低寄生频率（undesired frequencies）的电压和电流的方法是通过将无功功率输入系统来提升功率因数。本发明所述装置（下面也称为
电校正元件）的优选实施例提供了包括感应器和电容器的一个组合，在这种组合中，低通滤
波器（low pass filter）与带阻滤波器（band-stop filter）元件串联连接，该带阻滤波器
也可用作功率因数校正元件，所述电校正元件以与负载并联的方式接入系统。

[0008] 所述电校正元件可降低载波频率上寄生频率的电压从而减少电力系统中热的形成。由于所述带阻滤波器是串联连接在所述低通滤波器之后，高频被引入所述低通滤波器
并在此被消除，但低频范围的失真是在所述带阻滤波器中被校正或消除的。将第五谐波频
率导向所述带阻滤波器元件从而使寄生频率的电压施加到第五谐波。由于所述带阻滤波器
是串联连接在所述低通滤波器之后，高频被引入所述低通滤波器并在此被消除。本发明所
述的带阻滤波器元件被设计为电容器以三角形方式连接，而感应器元件（反应器）是以星型
方式（或Y型）连接。

[0009] 所述带阻滤波器最好是加载应降低的调谐频率（tuned frequency），例如将250Hz加载到额定功率为50Hz的系统上。这样250Hz的电流就成为更高频率电压的载体，例如从
3 10
10 Hz 到 10 Hz，这在低通滤波器中就大大降低了。

[0010] 本发明的第一个方面是为电气系统提供电校正元件。所述电校正元件包括低通滤波器和带阻滤波器元件，其中所述带阻滤波器元件与所述低通滤波器串联连接，并且所述
电校正元件与系统上的负载为并联连接。

[0011] 本发明的第二个方面是为降低寄生频率的电压和提升电力系统的功率因数而提供一种方法，所述方法包括紧邻系统中的主负载设置电校正元件，所述电校正元件包括低
通滤波器和带阻滤波器元件。所述带阻滤波器元件与所述低通滤波器串联连接，并且所述
元件与所述系统上的负载并联连接。

[0012] 组合滤波器的工作频率优选为110 Hz 到 1010 Hz，优选为110 到 109Hz, 或 从8 8 9 7
250 到10Hz, 或从 110 到 10Hz, 或从250 到 10Hz, 或从110 到10Hz,其中无功功
率元件的工作频率根据电力系统的额定频率的不同优选范围为从10 Hz到400 Hz。

[0013] 在本发明的实施例中的电校正元件也可用作带阻滤波器元件，其失谐接近应消除的频率，例如在第五谐波接近250Hz（为额定功率是50Hz的系统）。

[0014] 本发明实施例中所述低通滤波器组件的工作频率优选为从103 到 1010Hz, 优选4 9 4 8 3 8 4 9 3
为从 10 到10Hz, 或从 10 到10Hz, 或从10 到10Hz, 或从10 到10Hz, 或从10 到
7
10Hz。

[0015] 本发明实施例中所述带阻滤波器元件的工作频率优选为从110到910 Hz, 或从110到810 Hz, 或从110到740, 或从310到710 Hz, 从410到610 Hz. 或从110到310
Hz。

[0016] 在本发明的具体实施例中，一个或多个带阻滤波器元件的工作频率是指在从180到290Hz的范围内通过系统的频率，例如对于工作频率为50Hz的系统的范围是180到
240Hz，对于工作频率为60Hz的系统优选为210 Hz 或 230 到 290 Hz，优选260Hz。

[0017] 本发明的具体实施例中，所述电校正元件在10到800Hz频率的电力系统中运行，例如在10到400Hz频率的电力系统中，或者10到200Hz频率的电力系统，或者10到60Hz
频率的电力系统，例如50Hz频率的电力系统或60Hz频率的电力系统。

[0018] 本发明的实施例中额定电压的范围可从100 V 到 750 kV，且额定电流的范围可从1 A 到 100 kA。

[0019] 本发明的具体实施例中的用在所述电校正元件组件中的所述低通滤波器是来自EPCOS AG的 B84143B* S020….S024系列的三线EMC滤波器。

[0020] 本发明实施例中的所述电校正元件涉及一种电力系统的调整装置。此处所称的“调整“是指过滤掉寄生频率的电压，提升系统的功率因数或校正功率因数。

[0021] 本发明实施例中所述的电校正元件是安装在一个像渔船一样的封闭电气系统中。像用于拖拉渔网的绞盘一样的装置需要使用大量的电能，由于燃油用于给船只发电，因而
耗油量大。当使用所述装置时就会产生额外的用电需求，在系统中就产生了以低频和高频
电压形式波动的现象。为了防止降低寄生频率的电压和电流在整个系统的分布，所述电校
正元件安装在靠近用电装置的地方，所述用电装置可为绞盘。

[0022] 本文所称“低通滤波器“或“低通滤波器元件“是指除了在所述滤波器的频宽范围内用频率来衰减或降低信号的振幅（除了用频率衰减或降低信号的振幅），也用来传递比所
述滤波器清除掉的频率高的低频信号。每个频率的实际衰减量因滤波器的不同而有变化。
更进一步地，低通滤波器组件是指多个相同的低通滤波器，例如具有相同频宽和相同下限
与上限截止频率。

[0023] 本文中所称“带阻滤波器元件“是指在三相系统（见图3）中包括反应器（感应器元件）和电容器的组件，其中所述电容器以三角形方式连接，而感应器元件（反应器）是以星型
方式（或Y型）连接。所述带阻滤波器元件在所述滤波器的工作频率范围内用频率来衰减或
降低信号的振幅。

附图说明

[0024] 附图示出本发明的具体实施例，下面将参照附图对本发明进行披露。此处披露的具体实施例不应视为对权利要求和说明书中所描述发明的限制。

[0025] 图1为本发明实施例电力系统原理图，其中，本系统电校正元件与系统上的负载并联连接。

[0026] 图2为本发明装置中所使用的现有技术的低通滤波器的示意图。

[0027] 图3为本发明一个实施例的带阻滤波器的示意图。

[0028] 图4为本发明电校正元件的示意图。

[0029] 图5显示了在可变负载条件下有和没有校正元件的电流负载。

[0030] 图6显示了在可变负载条件下有和没有校正元件的实际功率。

[0031] 图7显示了在可变负载条件下有和没有校正元件的电压。

[0032] 图8显示了在可变负载条件下有和没有校正元件的电流以百分比计的波动情况。

[0033] 图9显示了在可变负载条件下有和没有校正元件的电压以百分比计的波动情况。

[0034] 图10显示了在正常负载条件下有和没有校正元件的电流、功率和频率的波动情况。

[0035] 图11显示了在正常负载条件下有和没有校正元件的无功功率、视在功率和功率及频率波动的百分比。

[0036] 图12显示了在正常负载条件下有和没有校正元件的波动的百分比。

[0037] 图13显示了在正常负载条件下有和没有校正元件的波动的百分比。

[0038] 图14显示了在正常负载条件下有和没有校正元件的系统频率和功率。

具体实施方式

[0039] 图1显示了船上电力系统原理图1，该船具有发电机2、其他装置5,6和12，所述发电机2以50 Hz 或 60 Hz的频率为绞盘4提供电压，而装置12有赖于电力情况。图1中
所显示的系统还包括AC/DC转换器（converter）7。所述电校正元件8包括低通滤波器组
件9和带阻滤波器元件10。所述低通滤波器9与图1中所显示的负载并联连接。所述带阻
滤波器元件10也可作为功率因数校正元件，其与所述低通滤波器（9）串联连接。

[0040] 图2为很多可从商业途径获得的合适的高频EMC滤波器元件中一个的示意图。在本部分详细介绍特别为了设立系统进行测试而选自EPCOS©的合适的EMC滤波器元件。也
可使用其他不同结构的测试系统进行测试。

[0041] 图3为本发明一个实施例中带阻滤波器元件的示意图，其中每个反应器元件后面均连接有一个电容器。所述带阻滤波器元件按应降低的调谐频率设计，例如额定频
率为50Hz系统上的250Hz。这样所述的250Hz就是更高频率电压的载波频率（carrier
3 10
frequency），从10 Hz 到 10 Hz的高频率在所述低通滤波器中大为降低。如图3所示，
所述电容器以三角形的方式连接，而感应器元件（反应器）是以星型的方式连接。所述反应
器元件的大小要根据系统的频率和电压来计算。

[0042] 图4为优选实施例的电校正元件的示意图,该实施例具有三个低通滤波器元件(9(1), 9(2), 9(3))和六个带阻滤波器元件(10(1)-10(6))。第三组低通滤波器元件9(3)
和带阻滤波器元件10(5)-10(6))作为备选实施例以虚线示出。如图2和图3所示，每个低
通滤波器元件和带阻滤波器元件都连接到三相电气系统的所有相线上。不同条件下，基于
系统上的负载情况，接通一个或多个低通滤波器元件9，同时也接通相应的两个带阻滤波器
元件10。电脑连接所有的元件，当系统上的负载增加时，就接通另外的带阻滤波器元件。

[0043] 在下面的例子中，会参考图5-9讨论可变高负载的情况。一般当绞盘拖拉渔具时，发电机负载的变化会很大。其中一个原因就是在海浪作用下船的垂直运动。在这样的条件
下来测试所述电校正元件的性能，测试结果如下文。当接通和断开所述电校正元件时，分别
由图5-9中每条曲线（plot）的前半部分和后半部分可知电气系统的运行情况。

[0044] 图5示出系统相电流，图6示出电力负载（power load）。在前半部分，当所述校正元件接通时，可以看出负载电流（ampere load）随所述电力负载的波动在约400A波动。在
后半部分，电流升到约700A时，电流不再随电力负载的波动而波动。由事实可知，由于高频
率的干扰，发电机被超磁化（hyper magnetized）从而造成稳压器（voltage regulator）不
能正常工作，如图7所示。

[0045] 图8示出电流正弦波形的总谐波失真（Total Harmonic Distortion）（THD）。当接通所述校正元件时，电流波形总谐波失真（THD）的范围为15-25%，并随图5中所示的电流
负载的波动而不同。由于受到所述电流负载的波动限制，当断开所述校正元件时，所述波形
的总谐波失真（THD）上升到约30%，并小有波动。

[0046] 图9示出所述电压正弦波形的总谐波失真（THD）。当接通所述校正元件时，曲线的总谐波失真（THD）相对较小，例如约为6-7%，并且随图7中所示电压的波动而不同。当断开
所述校正元件时，所述电压波形总谐波失真（THD）上升到约13%。

[0047] 相类似地，图10-14示出相同船只在低负载下有和没有接通所述电校正元件的系统。在所有所述附图中，水平轴示出以10分钟为间隔的时间。在图10中，垂直轴示出电流
[A]、有功功率[KW]和功率因数。所述电校正元件在前20分钟是接通的。在电力负载为
57KW时所述电流在约110A，相当稳定。功率因数也相当不错，约0.75左右。当在7:38断
开所述电校正元件时，伴随着很多干扰系统进入不平衡状态，同时功率因数下降到0.3，这
个数值相当低。图11示出无功功率、视在功率、相电流对称（phase current symmetry）和
相电压对称（phase voltage symmetry）。所述曲线（plot）示出所述校正元件是如何降低
无功功率和稳定系统的。

[0048] 图12示出在相同的期间内所述相电流的总谐波失真（THD）的百分比水平。接通校正元件，每个相电流的总谐波失真（THD）均约为5%，但当断开所述校正元件时，每个相电
流的总谐波失真（THD）上升到14-16%。

[0049] 相类似地，图13示出相电压的总谐波失真（THD）的百分比水平。接通校正元件，相电压的总谐波失真（THD）约为4%，但当没有所述校正元件时，相电压的总谐波失真（THD）
约为10%。

[0050] 所述电气系统的频率显示在图14的第一条曲线。当所述校正元件接通时，频率很明显的为50.5Hz，很稳定。当断开所述校正元件时，所述频率开始波动。另两条曲线示出在
第五谐波频率和第十一谐波频率的有功功率。应该注意的事实是当接通所述校正元件时，
在谐波频率几乎没有功率，但是当断开所述元件时就有功率；而且在这些谐波频率频段能
清晰探测到功率。

[0051] 电气系统（electrical systems）中的高频失真（High frequency distortion）很大程度上是由AC/DC转换器和很多其他装置造成的。最常用的消除这些高频失真的解决方
法是将这些频率过滤掉并将其转化为热量。本电校正元件设计的独到之处不是将这些失真
转化为热量，而是将其通过消除程序清除。

[0052] 所述电校正元件的一个主要优点是其校正电气系统的功率因数的效果显著。通过校正功率因数，消除了电压和电流之间的相位滞后（phase lag）。这可以通过下表1进行说
明，从图10中也可以看出。下表反映出在断开所述校正元件时的功率读数相同，但是电流
却显著上升，从270A升至640A，并且功率因数从约0.87降到0.35。
接通电校正元件 断开电校正元件
发电机温度 35-45°C 60-80°C
实际功率（RealPower） 160KW 160KW
电流 270A 640A
功率因数（PowerFactor） 0.85-0.9 0.3-0.4
无功功率（ReactivePower） 90KVAr 380KVAr
视在功率（ApparentPower） 190KVA 410KVA

[0053] 表 1通过校正功率因数来消除高频失真和谐波失真，所述电校正元件显著降低了发电机负
载从而节约了大量能源。这可以从表1看出，当所述校正元件将视在功率降低220KVA（54%）
时，所述发电机温度降低了30°C (57%)。

[0054] 在本发明所提供装置的一个功能示例披露了在一个远离主要电网的电气系统中的电校正元件。所述示例示出具体系统中各参数值。其为400V，50Hz的系统，输出电流为
217.5A。

[0055] 不是远离主电网的本地系统的电击迫使主系统进入一些不平衡状态，而是本地系统的失真输入本地系统从而使所述系统的主频率变为失真的载波频率。发明人的实验显
示，由于电网中的高阻抗、远离本地负载的系统上的负载，在较小的系统中，例如船里，导致
相似的效果。这当然能为下面所示的每个系统通过计算本发明带阻滤波器元件所用的各元
件的值计算出来。所述元件校正了系统中每相潜在电压和电流之间的相移（phase shift）。

[0056] 这对于当前的一般做法确实是革新。

[0057] 对带阻滤波器元件的要求：电容器以三角形方式连接，而感应器元件（反应器）是以星型方式连接。 电容器大小 996uF（microF） 功率50Hz
反应器大小 0,136mH 电压400
在 50 Hz: Xc= 3,198 ohm (三角形连接方式)
Xl= 0.043 ohm (星型连接方式)
重新计算的星型连接的电容器—在每个系统中(smt.4系统)使用3个电容器
(MKK400-d-50-21 (3x332 uF))
在50Hz: Xc = 1.066ohm
Xl = 0.043ohm
Ztot = 1,023ohm 3相功率:150,5kVAr
相电流: 217,5A
电容器大小：2988 uF
反应器大小：0,136 mH
虽然对本发明结合附图及前述描述进行了图示和详细的说明，但是此图示及描述应认
为是图示性或示例性的和非限制性的；因此本发明不限于所披露的实施例。本技术领域的
普通技术人员通过附图、披露内容及所附权利要求应能理解并实现所披露实施例的各种变
化，从而实施所要求权利的本发明。在权利要求中，“包括“不排除其他的元件或步骤，未指
定数量不排除多个。单独的程序或其他元件也可实现权利要求中几个特征所能实现的功
能。在各从属权利要求中所提到的某种相互不同的措施这一事实并不表示这些措施的组
合不能被使用以产生有益效果。在权利要求中的任何标记标号都不应被认为是对范围的限
制。