在交流应用中使用极化装置的方法及电路的制作方法

专利名称：在交流应用中使用极化装置的方法及电路的制作方法
本说明书要求申请号为60/174,433的(名称为“交流应用中使用极性装置的方法及电路”，于2000年1月4日申请)的临时申请和申请号为--/--，--的美国专利申请(2000年11月9日申请)的利益。
在暂态状态期间，网络效率随着功率因数的改善而增加。串联电容器的暂态应用包含电压涌浪保护、马达启动、电流限制、切换操作等。串联电容器可以缓和交流网络故障及其它暂态状态的效应。例如，由于马达启动、变压器启动以及故障电流，低功率因数暂态电流与磁冲击(inrush)电流相关。在这些暂态状态期间，串联电容改善总功率因数和网络电压调节。由于电容器的串联阻抗，串联电容器组也表现出了电流限程度。这减少了故障电流，由此减少了对发电机、变压器、切换传动装置、汇流排和输电线路尺寸的要求。与故障串联的电容器充当电流限制装置。由电感器和电容器(LC电路)组成的调谐电路用于滤波。通过故意使电容器组短路，高感应串联的型式就可以极大地增加网络故障阻抗。串联的电容器组通常耦合至变压器。和瞬间电流改变相反的变压器与和瞬间电压改变相反的电容器结合。由于串联电容器组的使用增加的结果，这些特征导致更大的瞬间网络电压稳定性。次级效应包括电压涌浪保护、需求因数改进和电压调节。瞬间功率传送效率可以通过正确使用电容器而改进。虽然很多这些串联电容器的优点是众人皆知的并在实验室得到了证明，但单位成本和尺寸需求已阻碍它们的普遍实施。
通过并入电容器也可以改善交流网络稳态的特性。高电容、串联应用改进电容器的低稳态交流电压。电传送装置与串联电容器组一起使用时这比较有用。电波的失真随着电容的增加而类似地减少。稳态串联电容器应用包括马达运转、滤波、功率因数校正、有效功率传送、电压升压等。通过给感应发电机和感应马达提供所需要的磁化[VAR]，串联电容器组允许感应发电机给感应马达供电。这也能够改善电力品质，并减少电栅极替代源、紧急电力供应、移动装备与便携式发电机的成本。通过串联电容耦合可以缓和与在线上提供给同步操作的额外产生容量关联的机械应力。
两种主要的电容器为极性电容器和非极性电容器。每一种电容器有很多实现方式。由于它们的单向、向前偏压需求，极化电容器大部分使用在直流和小交流信号的应用。极性电容器广泛使用于直流滤波应用，例如直流电源的输出级。可听频率(音乐)放大器使用直流偏压极性电容器，以耦合信号。相反地，非极性电容器通常用于直流和一般交流应用的两种应用中。然而不幸的是，由于尺寸、电容、重量、效率、能量密度以及成本的限制，非极性电容器——特别是串联应用——不大适合于很多交流和直流用途。使用尺寸过小的非极性电容器组导致在电容器上较大的电压降和显著的电流波形失真，这造成了能量损失，并且在交流负载上交流电压调节较差。
相反地，与非极性电容器相比，极化电容器及其它的极化电荷储存(PEC)装置每单位电容的成本低，且质量和尺寸较小。这些特征对于它们在非极化电容器上使用比较有利。在功率频率上它们也具有相对较低的串联交流电阻。然而，相对于它们的正和负极而言，它们只能以正的“前向”电压进行有效操作。任何大的反向电压都能够促使电容器短路，这通常导致类似于手榴弹的爆炸。实际上，就固体钽电容器而言，这种短路故障模式包括自发性燃烧。于是，在大多数情况下，极化电容器尚未能用于一般交流应用。


图1是一极化铝电解质电容器的正常操作以及过电压和反向偏压电压模式的电路操作模型。模型由串联电感器101、串联电阻器102、并联电阻器103、齐纳二极管104和极化电容器105组成。齐纳二极管104模拟当施加的电压超过1.5伏特的反向偏压电压或超越电容器额定工作直流电压(WVDC)约50伏特的正向偏压时所呈现的正向和反向短路状态。电感器101适合于模拟电容器的自共振频率。串联电容器102模拟在电容器操作时所测量的(小，毫欧姆)等效串联电阻(ESR)。并联电容器103模拟在电容器直流漏电电流现象时所测量的(大，百万欧姆)等效并联电阻(ESR)。在低频操作中，在装置工作电压状态内的正向偏压电压允许信号电流通过定向电容器105。反向偏压状态将导致通过二极管104短路。
电容器可以在零伏特和额定工作直流电压之间适当地连续操作。额定正向偏压涌浪电压的约达1.5伏特直流的反向偏压电压确定了电容器的适当暂态使用的外部限制。在此更宽的电压包线外部的电容器操作将导致短路状态。通常有一第三、更高的脉冲电压参数。电容器上的过多的正向电压将导致通过齐纳二极管104的反向电流。这种电特性是通过将齐纳二极管104并联但与极性电容器校准为相反极性而示意性地模拟。在任一方向上通过二极管104的短路，允许过多的电流、最终导致电容器故障的热累积。这是单一极化电容器在正常交流操作时失败的原因。
图2描述了简单电路的实例250，其显示了一直流偏压极化电容器较小的交流信号耦合应用中的典型的已有技术的使用。这个电路通常充当大学生的类比电子实验习题，且使用于多级放大器中。电路250包含一叠加于直流偏压电压源260上的交流信号源255，这是实验室电源之容量。交流信号耦合至负载266，而直流偏压电压受阻隔且对极化电容器262进行正向偏压。电容器与直流偏压电压选择为使叠加的交流和直流电压总是在正确的电压窗内。交流源输出部分引导整个直流电源的输出，反之亦然。当交流信号的大小相对于电容器额定直流工作电压而增加时，发生截波形式的波形失真。因此，对于较小的交流信号发生最低的波形失真。偏压电压的幅值通常为额定电容器直流工作电压的一半左右。交流波形传送的真度随着交流电压信号的幅值而改善，且交流电流减少。
所示的非极化电容器264和极化电容器262并联以便“抛光”。非极化抛光电容器可以用于微调共振、调整电容电流比、减少等效串联电阻、调整频宽、改进波形传送、使频率响应平坦化以及改进其它此类特定应用。极性电容器262的电容通常可以超过抛光电容器264的电容约两个数量级。非极化抛光电容器的作用可以减少信号失真。
图3显示了电路300，其包含交流源305、总称为310之反串联极化电容器312、314及交流负载320。在虚线框之上的极性符号显示电容器312的瞬间正向偏压状态及电容器314的同时反向偏压状态，其发生在交流源305的正相期间(当然，在负相期间，极性将相反)。
极化电容器的反串联构造将暂态地操作，或在电流限制的应用中操作。这种常规的实施方式的反串联构造利用了前述的内部齐纳二极管状的特性。其通常使用于单相马达启动应用，但受过热的困扰，并且由于反向偏压短路而造成寿命短暂。当电容器312由交流源正向偏压时，电容器314反向偏压，且将半波电流短路至负载320。在下一半波上，电容器314正向偏压，而电容器312短路。这种常规的反串联构造以直流偏压状态而闻名，它基于子循环(半循环)振荡。
参考图4，授予Ghosh的美国专利4,672,289和4,672,290教导了一种在交流环境中实施反串联、极化电容器改良的方案。在附图4中示出了电路460。电路460包含极化电容器462、464和二极管466、468，其与用于驱动交流负载470的交流源461串联。反串联对称的极化电容器462、464和反向校准的反串联二极管466、468并联。在操作时，一并联的“分流”二极管(466，468)使每一电容器的最大瞬间负电压固定，其保护每一极性电容器，以防过度反向偏压。Ghosh电路提供外部分立的二极管以使反向电流自每一电容器分出。降低了内部齐纳二极管状的特性。这减少了电容器中的热累积，并延长了它们的预期寿命。
然而，不幸的是，这种分流二极管解决方案具有一定的材料性缺点。对于交流波形的一半来说，在整个总成上每个电容器极性受到全交流电压的影响。于是，就一短路的电路、马达启动、变压器冲击或类似状态而言，整个交流源张力以50％的占空度施加于每一反串联电容器的端子和二极管总成。没有分压器。因此，就一给定的交流信号失真等级而言，可实现的交流纹波电压限于可用的二极管电压额定值。此外，每一极化电容器约有50％的时间承受低电压、反向偏压状态。二极管使交流网络电压波形失真。此外，自偏压电路不遵守二极管电流的限制。由于热损失、电流波形失真和二极管失真及二极管尺寸的要求，在稳态状态时这些都会成为问题。对于暂态、故障、磁化启动、共振和/或启动应用的半导体而言，这个问题更显著。整个电路电流以50％的占空度在稳态和暂态情况中通过每个二极管。这导致通过二极管的显著的热损失。而且，自偏压直流电压振荡扰乱了系统的接地参考，且增加了热散失。由于相对于交流信号大小不适当直流偏压电压所导致的截波的缘故，仍然存在交流信号失真。每半循环的电容器电荷再形成所需要的能量是一种进一步的能量损失。此外，此已有技术中的解决方案不适用于其它极化电荷储存装置，诸如很多电化学电池。
再者，由于电流需求增加，电路缺乏经济性。如果电容器组安培额定值加倍，则二极管、散热器等也必须加倍。在高电流交流应用中，这构成了主要的资金消耗。如果需要附加的串联二极管来增加可实现的电压等级，附加的二极管必需具有和现有的二极管相同的安流量。每一现有的二极管的正向电压降与由每一附加的单元的正向电压降匹配。于是，功率损失和热的产生成比例地增加。而且，每个二极管的约为零的死区以串联二极管的数目成倍地增加。
由于反向串联二极管的设置(例如在Ghosh电路中)，这种波形失真以及在传统反串联配置中的内部齐纳二极管的特性难以控制。此外，Ghosh和传统的电路对于系统直流接地参考具有不断振荡的效应。这些问题使得传统的和Ghosh的装置不适用于一般交流应用。这两种技术在小信号体系之外操作，在这其中可以使交流电压失真最小。
参考图5，授予Norbert的德国专利DE4401955公开了一种电路500，其用于使用极化的电容器于暂态交流应用中。如Norbert所教导，电路500基本上设计成一移相器，以启动单相非同步马达。电路500由交流源501、反串联对502电阻器503、二极管504、感应负载505和开关506组成。二极管504和电阻器503恒连接到交流电压源501，或者连接至不同的负电压源。在开关506开启的潜伏期之后，二极管/电阻器组合逐渐地对电容器对进行正向偏压。在马达启动以前，当一适当的潜伏期可用时，Norbert电路对电容器进行预调节以正确启动交流负载，且使预期寿命超过Ghosh电路的预期寿命。Norbert允许使用比Ghosh小的二极管安流量。Norbert也提出了在一经济的单一罐体构造中到反串联电容器中心节点的高阻抗连接。只需要外部二极管、电阻器和交流源连接以使电路备用。
不幸的是，Norbert电路需要相当的时间，以用于电容器偏压。电容器充电至恰低于交流电压的大小(尖峰至零)。因此，Norbert电路和在高交流系统电压应用中的低工作电压极化电容器的使用不符。此外，电路不适用于其它极化载体装置比如电化学电池。再者，Norbert电路不适于连续使用，其中如果单相马达或其它负载在启动以后保持连接，则再形成电荷倾向于随着时间而退化。然后电路的特性将和传统的、未充电的反相结构相同。由于在稳态情况中超过小交流信号的需求，Norbert电路将具有使交流波形信号固定的缺点。
因此，需要一种改良的方法及电路，这种方法和电路在包括稳态交流应用的交流应用中使用诸如极化电容器的极化电荷储存装置。

发明内容
极化电荷储存装置经济性地提供高可用性的电容。本发明以新颖的电路拓扑直接使用在一般交流应用中的极化电荷储存(PECS)装置诸如极化电容器或电化学电池。在一实施例中，在交流网络中使用第一和第二极化电荷储存装置的反串联构造以加强交流网络的操作。在极化电荷储存装置接受交流信号时提供至少一直流源用于保持极化电荷储存装置正向偏压。驱动一交流负载的交流信号施加至反串联装置。通过至少一直流电压源充分地偏压该装置以使它们在耦合于交流信号时保持正向偏压。
前面已经相当广泛地略述了本发明的特性和技术优点，以便更好地了解随后的本发明的详细说明。以下将说明本发明的其它的特征和优点，这些构成了本发明的权利要求的主题。本领域的熟练的技术人员应该理解的是，所公开的概念和特定的实施例容易用于修改或设计实施本发明的相同目的的其它结构的基准。本领域的熟练技术人员也应了解，这些等效的构造并不偏离所附加的权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。
图2所示为在模拟声频放大器中通常所使用的在小信号耦合应用中利用极化和非极化电容器的已有技术的电路。
图3所示为在商业上可用的传统反串联极化电容器对，该电容器对将交流信号耦合至在马达启动应用中常规应用的交流负载中。
图4所示为图3的电路的已有技术的一种改良方式。
图5也描述了图3的电路的一种改良方式。
图6A所示为忽略了直流偏压电路的细节的本发明的交流电路，其由正向偏压、反串联极化电容器组成。
图6B所示为省略了偏压细节的本发明的正向偏压、反串联极化电容器的构造，其具有将正直流接合节点分离的交流装置。
图7所示为在本发明的有限交流应用中的直流偏压极化电容器的反串联的一种对称实施方式。
图8所示为本发明的一种电路。
图9所示为本发明的另一种电路实施例。
图10所示为用于实施本发明的电路的一种实施例。
图11所示为使用本发明的另一实施例的电容性功率耦合配置。
图12所示为忽略直流偏压电路细节的本发明的三相、三线交流系统串联图，其并入了正向偏压、反串联极化电容器。
图13所示为并入了本发明的一实施例的三相、四线交流系统。
图14所示为并入了本发明的另一实施例的三相、四线交流系统。
图15所示为并入了本发明的一实施例的附加的三相、四线交流系统。
图16所示为本发明的4n十实例的高电流电路，省略直流电压源的细节。
图17所示为本发明的4n十极化电容器和偏压系统的高电压实例的简单表示。
图18所示为本发明的一种变型实现方式。
图19所示为分相交流感应马达的两个绕组，其适用于使用本发明的一实施例的单相交流源的连续操作。
图20所示为具有去谐装置的带通LC滤波器，其用于限制本发明的另一实施例的下游故障所引起的电流。
图21所示为电触式安全、热传导结构，用于调整本发明的另一实施例的电容器温度和电参数。
图22所示为用于建立正向偏压小信号传送状态的方法，其适用于暂态应用以及适合于在本发明另一实施例中的连续操作。
图23所示为在本发明另一实施例中适用于连续操作的简单控制偏压电路。
图23A是图23的充电机构的简化示意图。
图24所示为具有类似于图23的被动偏压电路的本发明另一实施例。
图25所示为本发明的一反串联构造，其中交流源使负电容器端子分离，而交流负载使正电容器端子分离。
图26所示为在本发明另一实施例中使用单一低电压直流电压源以偏压彼此串联的二反串联极化电容器对。
图27所示为在本发明另一实施例中的直流电源，其中整流桥经由反串联电容器耦合至交流电源，反串联电容器则通过一部分直流输出偏压。
图28所示为在本发明另一实施例中的三相反串联极化电荷装置构造，其中每一交流热接脚有单一极化电容器。
图29所示为本发明的120240伏特单相系统，其中每一接脚中的单一极化电荷储存装置充当一反串联电容器构造的一部分。
图30所示为一直流偏压源，该直流偏压源在连续操作的本发明的反串联极化电荷装置构造中使用单一整流器。
每一直流偏压电压足够大地与每一电容器的操作交流电压部分连接以补偿负交流摆动的恶劣状态。叠加于直流偏压电压的交流电压的正摆动类似地小于电容器的额定工作电压。强制的、连续的直流偏压状态消除了已有技术中的棘手的热损失、寿命短、信号失真和/或振荡直流偏压状态的缺点。于是，当保持正确的直流偏压状态且相对于装置的公差交流电压和电流为较小的时候，这种电路适合于稳态和/或暂态交流操作。为了简便起见，图中省略了直流偏压叠加电路的细节，但将在以下更详细解释。有很多适用于建立并保持正确的直流电容器偏压状态的电路实现方式。用于偏压反串联、极化电容器的直流源可以由包括调节和未调节的源的任何适当的方案导出。作为变型，应该注意的是，瞬间有源偏压具有实用性，并且可以增加极化电容器的寿命。
电路600利用电容器612、614的直流阻碍特性。直流电压616、618施加于两个极化电容器的端子。为了讨论，假设施加一对称的直流偏压电压。为了简化起见，也假设电容器612、614的电容相等。然而，这些状态在本发明中是不需要的。在此实施例中，每一直流偏压电压的值至少是反串联电容器对的绝对最大(非均方根)尖峰至零交流电压之一半。这是所施加的尖峰至尖峰电压大小的四分之一。为了考虑部件的变化并且保持小信号体系，所施加的直流偏压电压将稍微增加。直流偏压电压对于电路的交流操作没有不利的影响。这提供了正确的正向偏压，并且允许连续操作而无已有技术应用中的交流电压失真、电容器反向偏压、二极管正向导通、元件热累积、直流参考电压振荡以及过早的故障特征。
在理想的结构中，直流偏压源和交流源电隔离(或独立)。因此，在这种理想的状况下，没有瞬间直流偏压电压或电流会干扰连接的交流网络。此外，没有谐波或次谐波失真会通过由电容交流电流通路或偏压源而施加至交流网络。此外，这种直流偏压源具有无限的双向交流阻抗及零直流电阻。类似地，通过极化电容器的交流电流通路具有零双向交流电阻和无限的直流电阻。根据叠加的原理提供交流和直流电压。因此交流/直流接口没有造成相互的电磁干扰，或不干扰邻近的电子装置。在交流暂态和交流稳态状况二者中，极化电容器可以视为用于直流电源的直流负载。
简单的电路600是说明性的。它主要用于实例性地说明极化电容器可以直接用于交流网络中以及充当交流电压分压器。这构成了在交流网络中的极性电容器使用的简单实例，且提供至今为止未知的结果。除了经由电容器以外，没有可能的交流电通路。因为中心节点相对于固定的接地参考而偏压，故两个替代的反串联实例能以适当偏压电压而互相并联操作。
图6B描述了电路650。电路650由交流源652、极化电容器662、664、电感器668以及交流负载670构成。电感器668使反串联极化电容器对662、664在物理上分离。需注意的是，电容器662、664的极性方向和直流偏压电压和图6A所示的极性方向相反。在电容器上方的极性符号指示电容器的连续正向偏压。可以验证的是，在稳态中，直流和交流电压在电路的周围的增加为零。在电感器上的稳态直流电压可以忽略，于是，电容器的正节点具有差不多相同的直流电位。因此直流接合节点通过电感器保持连续。注意，交流源652和交流负载670类似地使电容器的负极在物理上分离，同时保持在相同的直流电位。交流源652通过LC电路耦合至交流负载670，该LC电路通过由电容器662、664和电感器668组成。LC电路通常用作滤波器。电路交流参数(诸如功率因数、阻抗等)可以通过由可调整地控制电感器的电感而改变。这可通过安置在分路中的低电阻以抽头改变或使电感器短路而完成。为了简便起见，省去了图中的直流偏压源细节。这个图用于说明在交流应用中交流电路元件可以使正向偏压反串联极化电荷储存装置分离。
电路实施图7所示为电路750，该电路使用两外在相同的直流电压源774和786。每一未接地的直流电压源通过直流接地参考(交流阻碍)电阻器788分别正向偏压极化电容器778和782。非极性抛光电容器776，784分别并联于极性电容器778、782；以形成对应的电容器组776/778和782/784。交流信号从交流源772经过电容器组传送至电感/电阻性负载790，并经过直流电压源输出部分而导电。极性电容器的反串联放置连同偏压允许它们使用在交流信号应用设备中。交流源772输出部分和负载790二者充当稳态直流短路电路，其允许直流源774、786对电容器组进行偏压。在这种对称的未接地的直流偏压方案中阻隔电阻器788给负极参考电压电平提供了一种直流电流通路。电阻器相对于电容器具有足够高的交流阻抗以实质成为交流信号的断开电路。这种电路实施例主要用于说明应用对称的偏压的反串联极化电容器来传送交流信号。图中简要描述了叠加的原理。注意，自交流源772至负载790的单一的非偏压的非极化的电容器可以取代电容器776和784以使交流信号传输抛光更有效。应注意的是，整个交流信号通过两直流电源的输出部分。直流电压分配于电容器和电阻器788之间。注意，系统可以在任何单一节点处任意接地。直流偏压电压电平可以设定为远高于交流信号的大小以提供良好的信号传送保真度(低谐波失真)。
图8所示为电路800，它为用于实施本发明的电路的一种实施例。电路800包括交流源805、反串联极化电容器812、814、二极管816、电阻器817、直流电压源818和三位置开关819。反串联电容器812、814的二翼(wing)开始可以顺序地适当偏压。通过所描述的电路构造和在中心位置(开启)的开关，仍然可实现持久的直流偏压电压，且极趋近于无限交流阻抗(开路)。然而，由于电晕效应及通过电容器的漏电，最初的充电的直流偏压电压将弱化。需注意的是，两翼保持相同的偏压电压和充电衰变率。因此，通过前后扳动开关819，电容器812、814可以保持它们的电荷。注意，典型的交流源由变压器绕组馈送至负载。当电路接合且电池开关扳动至任一翼时，两翼的偏压电压相对于中心节点上升。两电压的改变率不同，但两者都增加。不久，两翼具有相同的直流偏压电压。本领域熟练的技术人员易于验证，变压器绕组(交流源805)和负载充当直流偏压电压差的稳态短路电路。当开关在侧向位置时，某些交流电流流动通过直流源818(例如，电池)。这种不理想性是单向、暂时，且依电阻器817的大小、电容器、交流负载和交流源参数而定。在这种情况下，理想的电路结构作用至任意程度。对于电路操作开关并非必需的，但它对于说明操作的原理有用，并且可用于直流电压源维修的目的。
在反向流动的情况下一般的二极管(具体地说是二极管816)是高交流阻抗的良好实例，并允许正向直流电流自由流动。二极管816不会阻隔正向交流电流半波。替代地，开关819可由固态开关或电子机械装置实现。开关819可以在给定的半波上将直流电压源818连续链接到适当的电容器812或814，或可只间歇性地连接到任一侧。相对大的电阻器817(或电感器)将直流电压源818有效地连接到电容器812、814，同时阻隔交流信号。然而，可以使用其它的高交流阻抗电路元件。因此，直流偏压源由电开关819、直流电压源818、电阻器817和二极管816组成。电容器的极低交流电阻和相对低交流阻抗将交流电流有效地分流。当电开关开启时，直流偏压源的正极和电容器的正端子电隔离。在典型交流网络中，中性线连接到系统的接地线。直流偏压源的负端子连接到极化电容器812、814的负端子。直流偏压源和两个极化电容器处于彼此直流分流，且在它们的负端子上保持不同于电路800的热、中性和(若有的话)接地端的直流电压电平。注意，由于在典型交流源中存在变压器绕组，热中性和地线基本在相同的直流电位。电容器的负端子与交流电的这种电隔离是由以下的事实所强化，即在交流源和/或交流负载中的断开电路或完全短路对于施加在电容器上的直流偏压电压无任何影响。类似地，直到电容器电荷消失为止，完全短路可以取代直流电压源而对于交流线的直流参考电压电平或电路操作没有影响。
图9所示为本发明的另一电路实施例900。电路900包括交流源905、反串联极化电容器912、914、直流电压源926、交流阻隔二极管932、交流阻隔电阻器934、935和交流负载940。为了简便起见，将交流中性和/或接地通路自此图中省略。从交流的观点，电阻器934、935大致上并联于极化电容器912和914，并且由于电容器部件的变化，小的且相等的电阻值可以校正交流伏特分配。应用直流电压源926通过二极管932和交流阻隔电阻器934和935在每一极性电容器上保持正的直流偏压，二极管932和交流阻隔电阻器934和935一起充当直流偏压源。直流偏压源和电容器基本分流。注意，交流阻隔电阻器934和935实质上交流串联，且就大的电阻值而言，防止任何显著的交流电流旁通于反串联电容器912、914通路。与二极管932串联的阻隔电阻器934和935防止显著的交流电流通过直流源926。任何适当大小的电阻器(例如，自小于40欧姆但大于100千欧姆)都适合于电阻器934和935。因此，用于电路900的直流偏压源由直流电压源926、二极管932和电阻器934、935组成。额外的电阻可以安置成与直流电压源926、二极管932串联以减少通过电压源的交流电流。在稳态中，就典型的元件值而言，直流电压源926相对于直流与电容器912、914分流。所选择的电容器可能需要一额定电压，该额定电压至少是直流电压源926的值的二倍，以允许在电容器上叠加一相同大小的交流波。
如果需要附加的交流电流，则附加的电容器可以并联添加至电容器912、914。也可以添加附加的偏压反串联电容器组或以反串联方式连接的串联极化电容器以分别地增加交流电流或电压电容。最终将限制这种方案的最大额定电流的一个因素是偏压电流需求，即直流电源的功率限制。然而，在这种情况下无固有的限制，因为直流电源可以构建为任意大小。而且，直流功率需求通常是本发明的额定交流功率的一小部分。如果直流电压源926是电压调节源，则反串联配置中的电化学电池可以取代电容器912、914。每翼将需要串联的若干电池，并且须考虑充电/放电直流偏压电压窗，但可以实现的电容增益是巨大的。因此，通过简单地应用特定设计步骤，任何极化电荷储存装置都可以用于这种电路中。
实际上，组独立地熔凝电容器组是在电器制造领域范围中的常规技术。这种常规技术可以延伸以将电容器组独立偏压及熔凝。
图10所示为电路1000，它说明了偏压极化容器在交流网络中的另一种使用方式。作为图7的电路的改编的电路1000提供了用于一般交流功率的产生、传送合分布的更实际的解决方案。电路1000包括交流源1005、反串联极化电容器1009、1023、非极化抛光电容器1011、直流电压源1013、1027、交流阻隔电阻器1015、1025、1017和交流负载1031。由直流电压源1013和电阻器1015组成的直流偏压源实质上与极化电容器1009分流。类似地，由直流电压源1027和电阻器1025组成的直流偏压源实质上与极化电容器1023分流。除了冗余直流偏压源直接并联于极化电容器以外，这种电路类似于前述的电路。这种电路可用于一般交流应用中。大阻抗(欧姆至千欧姆)偏压(交流阻隔)电阻器1015、1025允许直流偏压发生，同时为了交流的目的呈现为开路。电感器(或其它交流开路装置)可以取代偏压电阻器1015、1025。大(千欧姆至百万欧姆)阻隔电阻器1017可以由一开路取代。类似地，阻隔电阻器1017可以重新安置于直流源的中心节点和极化电荷储存装置的中心节点之间。
图11所示为电容功率耦合结构1100，该电容功率耦合结构1100应用单一的电隔离直流电源1115 提供在一般交流网络应用中用于极化电容器的连续操作所需要的对称有源直流偏压电压。电路1100一般包括交流源1105、反串联极化电容器1112、1114、直流电压源1115、阻隔二极管1117、偏压电阻器1119、1121和交流负载1130。电隔离的非调节直流电压源1115由隔离变压器、全波二极管桥和两个电感器的输出部分以及极化电容器1124组成。直流偏压源由直流电压源1115、二极管1117和电阻器1119、1121组成。在直流偏压源负接脚上示出了可选择的和未编号的电阻器。偏压电阻器1119、1121和二极管1117提供高交流阻抗，同时允许令人满意的直流充电电流到达极化电容器1112、1114。在直流电源的二极管桥失效的情况下，二极管1117进一步可防止直流电流回流。由电感器1122、1123、电容器1124以及二极管1117组成的直流电源输出部分可以省略，而不会危及其功能。电容器1112和1114构成稳态系统直流负载，且相对于直流而分流，但是与交流反串联。直流电源中的隔离变压器的匝数比可以设定直流偏压电压电平，并且可操作地连接到交流源1105。注意，节点A和B的直流参考电压电平实质上处于交流系统接地端，而节点D由直流偏压源保持低于接地端。直流电压源和交流源的电隔离允许电容器1112、1114任一定向均可使用。即，电容器正极可在节点D连接，只要偏压电源极性反向即可。在这种情况下，节点D的参考直流电压可以在交流系统接地电平之上。
传送到交流负载的功率的大小可以比偏压电源的功率需求大很多数量级。假设交流源1105包括一个或多个例如来自发电机或变压器的感应绕组。这提供了一种稳态的直流短路电路。叠加的交流波和直流偏压电压必须小于电容器额定直流电压，而在交流电压波形中的全部点仍然保持在正偏压。直流偏压电压的大小显著地超过所施加的交流电压波形大小以减少交流信号的谐波失真。代表电容器负极的在点D的参考电压电平是保持在所示单相交流系统的接地端之下。应注意的是，通过电容器的直流泄漏电流的大小是微小的。交流源和交流负载的直流电压电平是设定为实际上等于交流系统接地端。因此，在这种实例中，极性电容器负连接是在系统接地端之下。此外，电容器和直流偏压源的极性可以同时反向。这种反向将使极性电容器的正极上升至接地参考之上，但对于交流功率传送没有显著的第一阶效应。此外，可以使用具有唯一的(或作为变型，共同偏压电压)多重并联电路。这说明产生了交流电路的可忽略稳态直流偏压。反串联定向选择之选择可能涉及电容器外罩接地、安全、协定、冷却、传送函数以及其它次要的考虑和问题。
连接至节点C的电阻器1119、负直流接脚中的电阻器和电阻器1121提供电容器的瞬间对称的直流偏压。应该注意的是，典型的电感和电阻交流负载以及电源提供到系统接地端的直流短路。在物理上可以将交流负载(或可替换的是，交流源)安置于极化电容器之间。比较可取的是，在这种实例中，负载开/闭开关(未显示)的两侧是电阻性地连接至直流偏压源。这种构造提供在不同的直流接地参考点操作交流源和交流负载的方法。注意，直到电阻器连接到节点A，D，C为止，直流偏压电压源完全独立于在节点B的交流系统接地端。这是由于交流隔离变压器和全波整流器桥的缘故。连续直流偏压的所需状况能够以半波整流提供，但1/2的基本频率谐波则注入交流网络中。
在所需要之处可使用一具有或不具有电池的电隔离调节直流电源。类似地，偏压电压可耦合至具有电感器的承载极化的交流信号的电容器或其它的低直流电阻、高交流阻抗电路元件。直流电压源1115的输出部分和二极管1117可除去，以允许电阻器1121、1119和电容器1112、1114充当简化的输出部分。
图12所示为电路1200，其一般性地示出了并入了本发明的一种实施例的三相、三线交流系统，并且省略了直流偏压细节。电路1200包括三相源1201(以德耳塔结构显示)正向偏压反串联极化电容器对1209 A-1209 C及三相交流负载1211，该三相交流负载1211包括负载1211A-1211C。对于适当偏压的高交流阻抗偏压系统而言，存在适当的工程趋近方式。偏压极性电容器总成的交流参数足以用于交流电路分析。显然，为此不需要显示交流电路模型中的直流细节。因此，图12是图6A的三相方式，同时偏压电压指示省略。在电容器中的直流电压阻隔的公知的特征使得交流电路分析不需要偏压细节。然而，如果需要的话，为安全和维修的目的则可指明系统的直流偏压电压电平。注意，所示为串联应用。如果所示的交流负载是电流限制装置，比如3□个电阻器，则这种综合负载成为用于电源变压器的另一侧上的其它交流负载的分流功率因数校正装置。这种装置可以是固线式或可控制的。如果所指示的负载执行有用的工作，则功率因数校正可以不使系统瓦特数增加而完成。依据在此所述过程而构建的任何电路电容将基本上具有非极性电容器的端子特征，如从交流源可看到。因此，示意图将设计、分析和故障排除中不需要的细节省略。极化电容器实例的细节可以认为是需要的。如果需要的话，具有反向的曲线和线的可替代的示意图可用于显示相反的电容器校准。其它多相结构(包括九相等)可以类似方式表示。注意，在网络操作参数需要它的时候，可以省略电容器反串联对比如1209B。电容器1209A、1209C的负极可以仍然偏压在交流源和负载的电平之下。
图13所示为3相四线交流系统，它具有用于电容器偏压的3相电隔离的未调节的直流电源。三相直流电源(直流电压源)1301用于正向偏压根据本发明的极化电容器对1309。电源1301实质上包括初级变压器1302A、次级变压器1302B、二极管桥1303、扼流圈1304和1305以及极化电容器1306和二极管1307。直流电源连同电阻器1308、关联于节点4-10的二极管以及关联于节点1-3的二极管、电阻器组合包括直流偏压源。二极管桥1303是一种三相六脉冲的全波装置。二极管/电阻器串联元件将直流电源负接脚分别地连接到如图所示的极化电容器的中心节点1、2和3。直流电源正接脚通过电阻器1308和二极管1310(二极管#s4-10)连接至极化电容器节点4-9和系统中性线10。反串联二极管4和7阻隔来自A接脚的交流电流，同时通过上述的中心节点1对反串联电容器进行直流偏压。B接脚与C接脚系类似地直流偏压。从电源将交流电流通过A、B和C接脚中的直流偏压反串联电容器输送负载。如图所示，交流电源的A、B和C接脚同时给电容器和初级变压器输电。绝大多数的交流功率传送至交流负载。其它的多相交流系统电容器耦合电路可以以类似的方式实施。如前述，偏压直流电源的所示的实施方式是任意的。具体的应用可能需要替代的直流电源实施方式以实现最佳的长期的性能。一般地，在交流系统中，中性节点10将通过硬接地、接地电阻器、电感器或电容器而单点接地。注意，当连接至交流源、极化电容器、交流负载以及系统接地(若有的话)时，以直流电压源1301为特征的设计电隔离失去某些效果。
初级侧的德尔塔变压器绕组1302A和交流源(Wye，Scott Tee)绕组提供冗余路径，且管理在节点4-10上的统一系统稳态直流参考电压。电感器1304、1305、二极管1307和电阻器1308防止系统(阻隔)交流电流经由直流电源的导通。极化电荷储存装置的中心节点1、2、3由直流源1301保持在较低的直流电位以提供基本均匀的极化电荷储存装置直流偏压电压。这种直流偏压电压的大小不被交流系统接地连接所改变。注意，单一直流源正对在1309所示的三个极化电荷储存装置对进行偏压。这些电容器对实质上是直流分流，仍然处于三个分离的交流接脚中。实际上，每一电容器对的每一绕组实质上与直流源1301是直流分流。
图14所示为一种变型的三相四线交流系统，它具有一个对极化电容器1409进行偏压的三相未接地的未调节的直流电源1401。为了取代二极管歧管(1310)，在所示的实施例中使用电阻性歧管1410。在标准的工程趋近方式中，阻抗的大小的差的数量级在功能上类似于先前的电路。电容性交流阻抗较低以使在120208[VAC]的60赫兹系统中500[欧姆]的交流电阻器具有基本与先前的电路的交流电流阻隔二极管相同的端子特性。这种电路利用与500[欧姆]电阻器连接节点1-10分流的电容器的毫欧姆(mΩ)ESR以在电符合最小的电阻路径的常规下能够有效地引导交流电流通过电容器而非直流电路。在本例中，除了1409以外所示的全部部件组成直流偏压源。偏压的一种变型方法是用于说明可以构建很多此类高交流阻抗偏压方案来完成本发明的目标。
图15所示为一种变型的感应方法，用于对图13和14所示的极化电容器进行偏压。图15由串联交流源、负载和标示为1509的反串联电容器、三分立的三相电感器线圈以及直流电压源1501组成。直流电压源正接脚连接至输出二极管P1和P2，同时负接脚连接至具有输出NI的电流限制二极管。沿着这些线路，本领域熟练的人员应该明白，此处建议很多附加的偏压方案。注意，在标示为1509的这种三相三线(德尔塔)交流系统中，输出NI通过在节点1-3上的电感器连接到电感器负极，同时P1和P2连接至电感器正极4-9。可添加直流通路中的串联电阻元件以进一步减少通过直流源的交流电流。还应该注意的是，为了简便起见，将整流器隔离变压器从该示意图中省略了。因此，可以正确地选择高阻抗电感器或变压器线圈以用于耦合直流电压源至极化电容器，并提供交流阻隔用途。
这种现象导致了需要小心谨慎。安置在直流偏压电压上的磁线圈或小电阻产生了短路。如果不小心的话，这可能在极化电容器上造成毁灭性的反向电压。反向极性的危险是本领域熟练的人员所熟知的。由于这些原因，正常的过程应该是使极化电容器总成作为单元使用。由于这些相同的原因，连接至中心节点的高通、低通、带通阻隔滤波器必须也非常小心地处理。
记得马达和变压器具有成为一体的线圈。还记得能量转换装置通常包括隔离变压器。考虑通过本发明操作并联的一个或多个马达和其它的设备的分布电平变压器。在这种普遍的情况下，电感器线圈和电阻器通路是在电容器组的源极和负载侧二者中。这只对于用在Wye、Scott Tee、高接脚德尔塔、敞开德尔塔和德尔塔型连接的热线以及在最先的三种情况中的中性线而言是正确的。还应该注意的是，在交流功率系统中一般接地端是固体、电阻或电感型。因此，在正常稳态操作模式中，我们具有以典型的单相和多相的电网络到达导体的冗余直流偏压通路。电容器组的内部节点可以冗余连接；然而，由于上述的情况，对于外部节点而言，很少认为这是需要的。
图16所示为电路1600，它提供了适用于120240[vAC]的单相系统的本发明的一种实施方式。这是美国所使用的最常用的家用交流电力分布方案。注意，虽然可以包括一中性总成，但是反串联电容器总成1609是在每个热接脚中。电容器总成直流结合节点被偏压在系统接地端之下。为了简便起见，直流电源和交流电流阻隔的细节从示意图中省略。交流系统接地、中性和热接脚相对于稳态直流是等电位表面。极化电容器可用于分立的交流纹波额定电流。可能需要并联的电容器或电容器总成以实现任意额定交流电流。暂态(脉动&涌浪)和/或稳态电流参数可以用于确定在一给定的应用中所需要的极性电容器的数目和设计。图16所示为并联的电容器总成，它是构建成为使每一个内部元件分流。并联连接可以是固线式或可控制的。用于这种应用的交流负载可以由两线或三线240VAC供电。变压器和负载中性线的中心绕组在本电路中牢固地接地。
网络参数和目的(比如共振)可以通过在电容器组中的切换而完成。这种切换可以人工、电机机械式或通过固态装置而完成。在很多情况下(包含-无限制性铝电解质电容器)，电容、串联电阻、交流阻抗、使用寿命、损耗因数等可以通过周围和核心温度调节而控制。这些电容器参数和电容器预期寿命随着核心温度而变化，并且可通过精细的温度变化而略为调节。
理想的是，保持并联单元的正确直流偏压。还比较有利的是在可控制的切换单元的情况下在切换机构的周围提供高交流阻抗和低直流电阻连接。也应该注意的是，电源变压器提供冗余直流偏压通路至电路1600的每一分支，但直流接合节点除外。通过将直流偏压通路独立于熔凝至翼和中心节点以及将每一极化电荷储存装置的交流路径熔凝于240120[V]输出的120[V]接脚中，可使图16的电路更不会发生梯级故障。通过使输出和中心节点(如果需要的话)分离，可进一步使图16的电路转换为交流电流分配电路。
图17所示为4n十极化电容器和偏压电路1700的高电压实例。电路1700一般包括交流源1701、反串联极化电容器1702-1705和交流负载1716以及直流偏压电路。直流偏压源由电阻器1706、1707、1708、1713、1714和直流电压源1709-1712组成。电容器1702、1703串联，如同电容器1704、1705一样。电容器对1702、1703和1704、1705连接于反串联交流结构中。它们也实质是互相直流分流。因此，直流充电电流、泄漏电流和偏压电压成为并联的2-电容器结构。然而，交流信号实际上通过4个电容器的串联结构。在考虑部件公差或误差虑时，着个点在确定最大电容器电压时是非常重要的。这个系统可以延伸以允许使用极化电容器的6n+、8n+和较高电压交流电容器的结构。注意，保持整体对称性。在这种具体的实施例中，偏压电压是显然地外部分配。这并非必要的，但只是示出了一种偏压方法。如同其它电容器等级和型式的情况一样，电容器实质上是在部件误差内充当交流和直流二者的分压器。单一直流电压源或两个直流电压源可以以适当的交流阻隔装置和偏压方式取代。分布电阻器可以构建成为，在电容器1702-1705上提供适当的直流偏压电压分配和改进交流电压分配。这种电阻性偏压网络可以减少电容器部件公差差异的影响。交流网络阻抗、电容、等效串联电阻等可以通过一个或多个串联或并联的电容器改变。在铝电解质电容器的情况下，如同为了散热的缘故通常所构建者一样，可以是在负极的电压上而不是系统接地的电压，这需要加以一定的小心。所感兴趣的另一区域在于可利用的非对称性是关于交流和直流的电压分配而存在。自顶至底扫描，存在三正向偏压情况。自底至顶，存在相同数目的偏压情况。注意，交流电压的相同端的共用可以通过极化电荷储存装置的两独立的反串联构造而完成。这种替代的方法提供了较低的直流偏压电压源，并且包括交流串联拓扑和直流分流拓扑协同的原则的更多的例子。以上观察的可利用性的一个实例是施加于电容器组之上的交流电压的百分之25存在于任何给定的电容器中。在部件公差和/误差之内，能以降低的电压监视所施加的交流电压，并且可以直接使用需要偏压的任何电子装置。
在传统电子设计中可以避免将电容器串联。主要的理由为，两个相同的电容器串联的电容为单一电容器的一半。由于经济上可实现的低阶电容，就目前可用的交流电容器技术而言，这是比较糟糕的情况。然而，就本发明而言，此现象并不显著。交流纹波电流(而不是电容)通常是本发明的限制参数。此处，本发明通过使用极化电荷储存装置提供过多的电容。
图18所示为本发明的电路1800的又另一实例。电路1800使用可变的直流电压源1801，其值和在反串联电容器对1809上的交流电压成比例以用于正向直流偏压电容器对1809。这确保了反串联电容器对1809能够基于所施加的交流信号的大小保持足够的正向偏压。所示的小隔离变压器的初级侧是由机械式反串联电容器总成1809的电压激励。注意，变压器的初级侧充当道电容器正极的直流短路。如其它地方所讨论的一样，任何电感器具有这种物理特性。在1∶1和2∶1之间的变压器初级和次级比适合于所描述的电路1□或3□的实施方式。具有滤波器的全波二极管桥耦合到变压器的次级侧。然后，电隔离的滤波的输出如同直流电压源一样地进入反串联电容器。电阻器1803和二极管1802充当交流阻隔装置和从电容器直流接合节点m到直流电压源负极的直流偏压连接。随着电容器交流电压降(所施加的电压)增加，直流偏压电压将增加。如果电容器的交流电压降减少，则偏压电压将开始慢慢衰减。因此，这种构造具有反馈的特性，并且动态响应所增加的直流偏压电压的需求。所示的负载电阻器1804与交流负载分流。这是预装载的电阻器，并且本领域熟悉的技术人员广泛地用于改进电压调节。图18的这种偏压可以用于提供连续正向偏压以用于两个电容器翼。如果部件的额定值适当，则适合于处理暂态交流系统共振偏压需求。各种实例可以包括在正直流偏压接脚中的电阻。应该注意的是，在很多应用中，冗余直流偏压源可能是理想的。减少部件数目的努力是图18的电子设计的一个目的。可以建立这样的模拟系统其中直流电隔离由电容器提供。
图19所示为电容器交流感应(或分相)马达，其使用本发明的极化电荷储存装置的实例。所示为交流源1904、开关1902、极化电荷储存装置对1903、和马达(定子)绕组1900、1901。省略了交流偏压电路和转子的细节。马达绕组1900连接到正向直流偏压反串联电容器总成1903。马达(定子)绕组1901和1900、1903总成分流。开关1902关闭以连接交流源1904。分相(和/或电容器交流感应)马达提供启动扭矩和转动场。1900、1903的串联组合产生统一的或略超前的功率因数。这将促使通过线圈(马达绕组)1900和1901的电流以约90度异相。不需要使马达绕组1900脱离，其原因在于本发明适用于连续的任务。这种90度相移可以消除或减少单相马达的120赫兹机械振动(脉动)特征。可替换的是，马达绕组1901可以在启动以后断开。在稳态和/或启动期间，任一方法可以用于构建任意接近共振的电路。
图20所示为调谐的共振串联LC电路2000，其由本发明的电感器2001和极化电荷储存装置对2002组成。在这个图中由反并联间流体(SCR)组成的固态(单侧静止的)开关2003与2002分流。电阻器2004描述的是稳态负载。串联和/或并联的电感器和电容器在业界中称为LC电路，并且广泛地用于滤波的目的。为了简便起见，省去了直流偏压细节。当通过关闭开关2005建立电路故障状态时，电流侦测器(环形线圈)2006检测快速增加的电流。作为一种变型，可使用电压感测机构、接地故障检测或替代的方法以检测网络故障状态。这种信号通过商用电路可操作地连接到固态开关。当静止开关使本发明的极化电荷储存装置2002短路时，2002的共振带通电路变成极度感应性并且具有电流限制性。商用固态开关的响应时间是次周期。注意，类似于2003的开关可大致上安置成为与电感器2001分流。通过使多余的电感短路，这提供了调谐稳态交流网络参数的能力。可以建立类似的调谐和去谐机构以用于分流LC电路和混合的设计。
图21所示为总成2100，它包含四个极性电容器2101至2104，电容器2101至2104由不导电的垂直条2111和2112悬承，且连接至2107、2108。电容器2101和2102通过负极导体2105而分流，且使热交换器2107导电，如同由导体2106和2108连接的电容器2103和2104一样。为了简便起见，省去了正极电容器套管和偏压电路细节。就本实例而言，选择具有成为一体的基部螺栓的极化电容器是因为它们的热传导能力。导体2107基本上与导体2105和罐体2101、2102的电位相同。类似地，在商业上在最常用的大形罐体电解质电容器中2108和2106以及罐体2103、2104实际上是短路。液体电介质(油)液面是在导体2107和2108之上以便散热而不需要考虑电连接。如果保持干燥连接和清洁的压力通孔，则油的液面上升至电容器外罩之上以使触电的安全性最大化。所示为简化的外部热交换器2109的机械管路。简单的设计显示了一种提供电隔离和调节的用于极化电荷储存装置的稳态操作的方法。通过调整油温，可改变极化电荷储存装置和电容参数的预期寿命。电的安全性是由液体电介质和绝缘连接件的绝缘特征提供。术语“液体电介质”并不意味着排除了经由气体或固体电介质而具有的温度传导、对流、辐射和/或声子传送能力的绝缘和热调节，并且它是说明性的而非限制性。在油中保持良好电接触的各种绝缘连接机构和方法是业界所熟悉者。例如，绝缘盖、靴、密封、套筒或通气排放管和/或干燥连接方法和产品，例如‘chico’和硅。增加冷却和电安全性的这种相同的目标可以通过增加在接触安全封闭件(比如在技术规格内的进入保护IP-20)中的空气流来实现。一体的热交换器设计可以使用在2107、2108和封闭件中以进一步提高热传递效率。应该注意的是，外部热交换器2109可以连接到各种加热和/或冷却机构，比如水浴或热泵。优选的实施方式随着装置的功率电平、周围温度、最佳的电容器参数、接触安全性和类似的考虑而改变。此外，极化电荷储存装置和极化电荷储存装置的组合可由多个电极建立，为了热传导的缘故通过罐体或通过热交换加强件将其暴露在人的接触之中。这些设计有助于接触安全性的问题，而且进一步增加了与电接触安全考虑设施相关的温度调节的实用性。使用“罐体中的罐体”设计的各种制造技术、各种物质的状态、物质运输等在用于实施本发明的热调节中预期具有重要的应用。类似地，在使用电绝缘设计考虑措施时，直接将热交换元件插入到电容器外壳中是可行的。
图22所示为电路2200，该电路2200由交流源2201、自动变压器2202、电阻器2203、整流器 2204、开关2205、极化电容器2206、2207和交流负载2208组成。自动变压器2202将系统交流电压调整到由与系统交流电压不同的电阻器2203和二极管2204组成的充电电路中。可选择的负载电阻器2208将电容器2206连接至充电电路。充电电路使极化电容器保持在任意直流偏压电压下，直到结合负载为止。利用半波或全波整流器桥以及其它此类的方法，也可以实现连续的操作能力。可以使用实现电隔离的替代方法，这种方法适合于保持极化电容器的连续直流偏压电压。可以对这种系统进行重新设计以通过由两个电容器将自动变压器连接至交流电源来提高直流电隔离。还进一步需注意的是，两个电容器可以是极化电荷储存装置的反并联组。这种方法具有在能量转换应用(诸如整流器和反相器)中应用的能力。电路可以自行偏压，即，不需要控制电路。这种电路基本说明了在偏压电路中使用自动变压器以实现选择的偏压电压电平。电路可以包括分接头变换器、受控制的整流器等以调节直流偏压电压电平。
图23所示为交流源2301、极化电容器2302、2303、可控制的整流器2304、电流限制电阻器2305、负载电阻器2306、开关2307和负载2308。诸如IGBT的可控制的整流器2304、晶体管、截止SCR等可以选通或关闭以控制直流偏压电压的电平。当交流电流流动通过电容器2302、整流器2304、电流限制电阻器2305时，形成半波整流。高阻抗的预负载电阻器2306可以省略。这种电路具有累积并保持调节的电容器偏压电荷的能力，并且不会对电容器过度充电。省去了整流器控制电路的细节，其原因为这种控制电路是商用，并且设计技术是本领域技术人员所熟悉的。应该注意的是，这种构造在小信号体系中运行，并且在暂态和/或稳态操作中可以使用。还应该注意的是，未受控制的整流器(二极管)可以取代2304。电路在电容器2302、2303上建立并保持直流偏压电压，该偏压电压基本等于交流源2301的尖峰至零电压的大小。通过电阻器2305的稳态直流电流实质等于电容器2302、2303的直流泄漏电流。
图23A所示为更清楚地显示充电机构的简化电路23。重新对电路元件进行排序以符合需要。当选通可控制的整流器2304时，半波或其一部分形成整流电流，并且电荷累积在电容器2302中。电阻器2305或类似装置用于减少暂态(直流偏压充电、半波)电流，并且使负载(未显示)保持接合。没有显著的稳态交流电流流经电阻器2305。
图24所示为交流源2401、齐纳二极管2402、二极管2403、极化电容器2404、2405、阻隔二极管2406、阻隔电阻器2407、选择性电阻器2408、开关2409、交流负载2410和电感器2411。这是图23的电路的未控制型。与二极管2403反串联的齐纳二极管2402和电感器2411限制了电容器偏压电压而不使用控制电路。一部分多余的直流偏压电压通过齐纳二极管2402、二极管2403和电感器2411导电并耗散。应该注意的是，根据选择的元件值的不同，这种构造可能牺牲在小信号体系中的操作能力。还应该注意的是，电感器2411也能以电阻器或其它适当的交流阻隔、直流损耗部件取代。
图25所示为电路2500，该电路由交流源2502、极化电容器2512、2514和交流负载2520组成。还示出了直流偏压源，该直流偏压源由电阻器2503、2505、2507、2509、二极管2521和直流电压源2522组成，即使在交流源或负载自电路切断时该直流电压源也可操作。直流偏压源在电容器2512、2514上建立并保持正向偏压电压。电阻器2503、2505、2507、2509、二极管2521使直流电压均匀分布在电容器上，并且防止任何显著的交流电流旁通于电容器。注意，这种电流的任何单一节点可操作性连接到系统接地端。在本图中，交流负载和交流源在不同的直流参考电压下工作。
这个电路尤其说明了反串联极化电荷储存装置(在图中的极化电容器2512和2514)的构造可以具有多于一个的直流接合节点。包括电容器负极连接处的交流装置2507、2509的第一直流结合节点耦合至交流负载，而包括电容器负极连接处的交流装置2503、2505的第二直流结合节点耦合至交流源。该电路还进一步显示电容器的定向可以任意配置成正对正、负对负或具有独立的交流装置，而对于在未接地的应用中对交流功率传送没有第一级的影响，其中直流方案与交流功率传送的关系很小。
图26所示为电路2600，电路2600由交流源2602、交流负载2622和极化电容器对2604、2606和2608、2610组成。相关的直流偏压电路由直流电压源2618供电，并且通过串联二极管2621和串联电阻器2619以及相关的分布电阻器2605、2609、2611、2613和2617导电。注意，电阻器2605、2615使电容器2604、2606和2608、2610的正直流节点保持均匀直流电压。类似地，电容器的负直流节点由电阻器2603、2607、2609、2611、2613、2617保持在共同直流参考电压。二极管2621和电阻器2619用于阻隔交流电流以免其通过直流电压源2618。点A显示了到达上偏压电路的连接点。正确选择的电阻值可用于减少交流电压分布的电容器部件变化的影响。电路2600所示为使用单一低直流电压源来偏压以串联方式配置的两个反串联极化电容器对。每一电容器基本上配置成与直流电压源和其它的电容器成直流分流。显然，在串联构造中，三个或更多个的反串联电容器对可由具有适当偏压电压分布网络的单一低电压源类似地进行偏压。
图27所示为电路2700，电路2700包含交流源2702、隔离变压器2704和反串联极化电容器2706、2708。也包括直流偏压源，该直流偏压源由半导体闸流管桥2709-2715、线圈2717、2719、偏压电阻器2723-2729和通过节点X连接至电容器2706、2708的正电压极的滤波电容器2721组成。没有示出的是到电容器2706、2708的负极的直流负输出的类似的交流阻隔连接。通过电感器2717、2719和极化电容器2721对整流输出波进行滤波，且传导到直流负载2730。当适当的交流阻隔装置将电容器负极连接至电压源负极时，一小部分可用的直流功率用于正向偏压电容器2706、2708。这种结构说明了在交流应用中极化电容器的直流阻隔特性。还示出了一种将所产生的直流电压使用于常见的应用设备(诸如电池充电器或直流电源)中的方法。使用反串联电容器以提供用于一般用途的直流电压源。可替换的是，可以使用独立的直流偏压源来对电容器进行正向偏压。
图28所示为电路2800。电路2800是由三相隔离变压器2802、2814、极化电容器2804、2806、2808、直流源2810和电阻器2811组成。极化电容器2804、2806、2808处于类似于图25、27的单相电路的反串联构造。通过并入电感器2802、2814的直流接合节点在电容器2804、2806、2808上施加适当的正向偏压电压。直流偏压源由电隔离直流电压源2810和串联电阻器2811组成。直流偏压源和电容器2808直接分流，并且和电容器2804、2806实质上为直流分流。在2802初级侧的电感器(变压器绕组)上施加正直流偏压参考电压至电容器2804、2806的正极。类似地，2814A的变压器绕组(非初级侧)连接电容器负极至直流偏压源的负极。可以使用冗余的直流偏压源来增加设计强度。这个图教导了一种在多相交流系统的每一热接脚中使用单一极化电容器的直流分流配置。如图所示，这种系统与单一点接地相容(但不是必须的)以用于操作。在马达发电机组合中可以使用类似的绕组配置。这个电路还进一步教导了多相交流反串联结构和用于连续的正向直流偏压的方法。
图29所示为电路2900，电路2900是美国居民常用的单相240120VAC的单相网络。电路2900由交流源2902、交流源变压器2904、极化电容器2906、2908、2910、直流源2913、交流阻隔电阻器2911和交流负载2912、2914、2916、2918组成。在电路2900中的电容器反串联结构由每一接脚中的单一极化电容器组成。由直流电压源2913和交流阻隔电阻器2911组成的直流偏压源和极化电容器2910分流，并且通过变压器绕组和交流负载实质上与极化电容器2906、2908分流。注意，交流负载2912、2914由120VAC供电，负载2916由三线120240VAC供电，而2918由两线240VAC供电。这个电路所示为图16所示的变型反串联电容器构造。注意，连接到电容器2908正极的电源变压器次级或中性节点和负载2912、2914、2916可以接地。注意，在这种结构中，两侧不可以同时接地。接地回路会使直流偏压电压短路。注意，交流电路元件使这种反串联极化电荷储存装置结构中的极化电容器分离，并且充当稳态直流短路电路。这个电路教导了将交流电路元件并入在直流电容器耦合中的直流接合节点的另一实例。
图30所示为电路3000，电路3000是单相交流电路，它使用单一二极管以建立并保持施加在反串联电容器对上的直流偏压电压。电路3000由交流源3001、电源变压器3003、反串联电容器对3013、3015、交流负载3020和直流偏压电路组成，直流偏压电路包括极化电容器3005、整流器3007和电阻器3009、3011。整流器3007和电阻器3009、3011对电容器3005、3013、3015充电，并将交流电流基本阻隔在稳态。为了简便起见，省略了电阻器3011和交流负载3020之间连接的细节。直流电源适用于连续操作，但不提供全波整流。极化电容器的小稳态直流功率需求使得此成为很有用并且经济的设计。交流源变压器3003的初级侧和交流源3001当然没有来自次级侧的直流电。由于相对于交流负载的小稳态偏压功率负载，半波整流产生的反射谐波导致的交流源困难度很小。图30教导了一种适用于连续操作的简单电路实例。
设计考虑因素基本的设计考虑因素是极化电荷储存(PECS)装置技术和配置的选择。直流电压范围限制必须详细考虑。例如，工业用镍镉(Nicad)电化学电池具有每个电池1.2伏特的公称电压。电池能均衡充电地运行，并且每个电池的最后放电电压分别为1.7和1.0伏特。设计电压范围通常为每个电池1.05-1.5伏特。然后，所选择的电池数目符合适当的部件和/或系统交流电压和/或共振交流电压。可以应用电池所允许的交流纹波电流来决定在交流应用中所需要的并联电池和/或电池组的数目。然后，选择调节过的电池充电装置以将电化学电池适当地保持在充电状态。每一极化电荷储存装置或装置的组合需要本领域技术人员所熟悉的类似的直流系统电压设计步骤，在此提供用于铝电解质电容器的设计步骤的更详细说明。
波形传送保真度是重要的，通过保持在小交流信号体系中可以显著地增加。可以将本发明构造成在任意程度上都保持在这种体系中。
本发明的在电路应用中的典型限制设计参数是可允许的交流纹波电流。稳态电流和暂态负载电流二者都必须考虑。在本发明中，对于用于大多数目的，纹波电流可以被认为为所允许的位移电流。计算机等级、电容器公称数据是根据120赫兹。用于典型计算机等级电容器但在60[赫兹]下运行的频率响应、纹波电流、降低额定因数为0.8。本发明节余了充裕的电容。因此，可以经由一给定的电容器，将交流电流减少至任意值。通过简单方便地增加并联极性电容器总成的数目可以实现这些。当实时调整时，分流电容器将进一步减少交流阻抗，并且可充当负载电压调节机构。
所考虑的一个电路设计参数是交流电流承载能力。应用的暂态需求应视为本发明的成功应用的关键。变压器冲击电流和马达启动电流是本发明的偏压极性电容器规格选择的一个主要考虑因素。其次，相关的考虑因素是电容器组的串联阻抗。由I2R损失所产生的热是电容器寿命的最重要原因。过多的热累积对于极化电容器和/或其它极化电荷储存装置具有破坏性。通常不需要将装置的电容视为规格参数。
很多应用系统是三相或单相3线系统。因此，某些不确定性随着适当的设计步骤接踵而来。每一接脚的单一电容器是相当明确，但就每一接脚中的反串联对或构造而言，具有不同的装置间和装置内电压。例如，在120208VAC方案中，由于两接脚的串联组合，装置间接脚到接脚(LL)故障将达104[VAC]。另一方面，装置内故障将达208[VAC]。在本发明中的接脚到中性故障将达120VAC]。应用细节、电和纠错循环码将决定是否应使用最坏状况的设计参数。在共振的情况下，装置内的电压需求约为312[VACRMS]，其对应于442伏特尖峰至零。这将需要221[VDC]的最小直流偏压电压以及超过442[VDC]的电容器额定电压，而忽略电容器部件故障和交流系统电压变化。
注意，电路故障保护和涌浪保护是在所有应用中的重要设计参数。基本考虑因素也包括网络可应用的对称和非对称故障电流。必须提供适当的装置以允许消除下游故障而不会对本发明造成不必要的损坏。对于这种任务，保险丝、电路断路器、开关、接地故障电路中断器、电流限制装置和固态装置都需要考虑。应用细节将决定保护元件的适当组合。MOVS和其它的涌浪避雷器可以安置成为中性和接地以减少电压涌浪和波峰。类似地，它们可安置成为与本发明分流。在高电压状态下这可以类似地减少对于装置部件的损伤。
允许两端口电路传输分析技术和大多数两端口互联。当本发明的交流端子视同黑箱时，这些工具可以用于本发明，如同任何其它交流电容器实例一样。注意，在使用这种技术时，通常发表一组工程趋近声明。在工程趋近中，这些包含第一阶趋近、简单模型等。
冲击、启动以及故障电流具有百分之五十(0.5，滞后)级的、极低的、滞后的功率因数。在某些情况下，这些电流的大小可以通过由串联电容而减少。在电路分析和导体选择时，最大电流是重要的设计考虑因素。在网络分析和串联电容器的大小方面，必须类似地考虑马达启动、马达锁定、冲击电流、全负载电流和故障电流的持续时间。本发明适用于使用序列方法的故障分析和其它的标准故障计算。
本发明适于与交流负载和/或电源分流。交流电路表现出共振电流现象，其与关联于串联应用中的电压所详述的现象类似。通常通过在交流网络应用中的循环控制，使分流电容器受到电流限制或时间限制。本发明所提供的高电容可改进分流构造和在串联应用中的可用的通用用途。分流构造的极化电荷储存装置设计考虑因素包含交流电流，其达到交流源所提供电流的150％。如果忽略电流限制方法，则本发明的低交流阻抗可能产生虚拟短路。在交流分流应用中，诸如电阻器的电流限制负载可以安置成为与反串联极化电荷储存装置构造串联。如果电阻器正在做有用功，则能量不会损失。
共振已经良好地界定，并且为本领域熟练的人员所了解。这种现象的两个最基本表现是串联和并联共振。有时候，电路共振是设计的目标。在其它时候，共振是未计划的且具有破坏性。具有共振现象的电路将呈现远超过非共振操作可见的电流和/或电压。当预期有共振状况时，通常是使电路电流容量以和/或额定电压增加多于百分之五十。由于高电压和/或电流的状态，共振系统的设计必须包含额外散热措施。在这种状况下，损失角(德尔塔)和所测得的热产生成为重要的设计标准。在某些应用中，可以调谐电路成为只在低系统电压情况期间共振。这就使得与串联共振电压相关的上升可补偿低电压系统状况。类似的设计可以用于分流或混合共振设计的电流保持。
在本发明中也必须考虑暂态网络电压涌浪和尖峰。由于雷电、切换操作和类似的事件导致电压上升主要依靠所有的装置。在保护本发明和其它的相连接装置免受损伤的电路中，电感器、MOV、雪崩二极管以及其它涌浪避雷器具有某些用途。本发明通过与瞬间电压改变相反的电容，对于相连接的负载提供某些暂态保护。如果传输时间常数比到地端的MOV的时间常数更长，则负载可以略去。而且，必须使用与电流限制和电流保护有关的标准设计约束条件。例如，以正弦波形为例。尖峰至零电压大小要比均方根值大根号2的因数。因此，就120[VAC]电源而言，实际尖峰至零电压值是169.71伏特。在(120208)[VAC]的三相的情况下，后者的图形是线至线均方根电压，且与线至中性电压之差异是根号3的因数。因此，等效线至线尖峰到零电压是293.94[VAC]。
大部分有用的交流电负载具有滞后的功率因数。本发明可以添加稳定的超前功率因数装置至公共设施中。当与电阻性和/或滞后的功率因数负载串联时，改进的统一或超前功率因数可以由交流源实现，如图所示。根据需要，电容性电路和/或感应元件可以在网络切换。可以独立地控制反串联电容器，并且当在网络切换时综合电路参数改变。净结果是增加的功率传送的效率、控制和稳定性。此外，根据需要可以增加信号传送保真度和能量储存。对于公用设施而言，这些是有价值的增加。
冲击电流在电栅极电压调节时产生严重的问题。串联电容器具有改进冲击电流功率因数的能力。改进的瞬间功率因数使得对于连接的电源或电子设施的瞬间电流大小的需求减少。可以观察到，极化电容器交流阻抗随着导通的电流而增加，这是本发明的另一电流限制特性。减少的瞬间电流需求使瞬间功率传输和分布损失减少。减少的传输和分布损失使得对于电源或所连接的设施之需求减少。因此，我们看到，减少的冲击和启动需求增加了网络瞬间保留功率容量和稳定性。在此公开和/或在此间接提到了其它的电流限制方法并要求保护。
稳态电压调节是本发明的类似应用。可以再分配串联电容器组。当交流负载增加时，额外电容器可以通过静止开关、电机机械接触器或其它机构而上线。通过这种方法，电容器组的串联电容减少。类似地，在共振应用中，电容的增加或减少对于网络交流电压具有深远的影响。因此，交流电压调节可以是本发明的用途之一。在某些情况下，两个交流系统具有不同的直流偏压状态。如果它们具有共同的大小并且相锁定，则本发明可以将它们耦合在一起。本发明可以提供替代的隔离交流耦合方法。所预期的是，由此用途可以产生很多应用。
本装置可以使用于连续任务的单相的分相马达和/或电容性交流感应马达中。因此，当为了此任务进行卷绕时，两个绕组可以连续使用。这种垂直电流操纵界定了单相马达转动方向。它又进一步用于消除120赫兹振动(hum)，这种振动存在于单相马达中。这种实施方式允许消除断开电路。可替换的是，在启动以后消除滞后绕组，可以使分相马达设计反向。精密调节的向量电流的灵巧运用可以用于经济性改进来自单向电源的三相电的合成。
本发明的实现可能需要与极化电容器并联的泄放电阻器等。在维修操作期间，这使人员的安全性增加。当单位电源已断开或卸下时，泄放电阻器可为全时装置，或可替换地，可以接入电路中。很多电力规格明确要求泄放电阻器。虽然某些响应、效率和稳定性随着泄放电阻器的添加而消失，但它们并未对于本发明造成显著的操作问题。此电阻器用于减少由于电容器部件公差和/或部件误差导致施加在电容器的交流和直流电压变化的附加目的。注意，电容、阻抗、泄漏电流等随着温度、使用时间和其它使用状况而改变。在使用多个串联和/或反串联总成之处，这些因数变得重要。
在碰到串联共振状态的时候，理想的是增加电容器额定电压和直流偏压电压的大小。在交流网络中的暂态共振状态可能需要受控制的(调节的)直流偏压电源，否则由未受控制的电源所作用在设备中。在此讨论并要求保护一种选择性的、未受控制的浮动直流偏压方案，它仍然提供用于各种操作模式的适当的电位。串联负载电阻和内部电容器电阻通常阻尼某些共振现象。在交流网络状态中的电容器规格通常不需要这种高额定电压。随着在交流网络中的极化电容器的广泛使用，这可能变成更普遍的设计需求。
此外，感应发电机在供电感应马达方面具有重要的困难。磁化VAR实质上缺乏。本发明提供了很多电容性电抗，因此实质上改进了这种应用。由于感应发电机基本比同步发电机便宜，因此预期可获得较大的经济利益。
可以考虑共振和非共振应用(就低于极化电荷储存装置的自共振频率的任何频率而言)，并且可以计算和/或测量。类似地，可以选择其它任意的波形应用以用于计算和/或测量。在下列例子中，考虑使用计算机等级、较大的铝罐体、在非共振中的电解质电容器、正弦、六十60[赫兹]的实例的应用。在本例中，可以执行简单的第一阶计算。
考虑一种简单的分布负载应用，在其中最大稳态的电流是10安培，并且最大的暂态状态为90安培。暂态状态的持续时间假设为热显著。系统电压是120[VACRMS]，加或减10％。所选择的周围操作温度是45度。本发明的正向偏压、反串联电容器对安置成为与单一电源和负载串联。(反串联对将安置在热导线中)。假设电容为公称值的+/-20％。将应用10％的设计系数。简单的、一阶计算假设移动空气状态而无散热器或其它热容器设计或应用增热方式。在本例中忽略温度和频率校正以及电容器制造公差。类似地，忽略用于减少的失真和寿命延伸的电压界限。
令Vrms＝交流电压的均方根值Vpp＝交流电压波的大小，尖峰至尖峰Vpo＝交流电压波的大小，尖峰至零Vhalf＝一串联反串联对的单一电容器的交流电压Vsurge＝电容器额定的最大直流涌浪电压WVDC＝电容器的额定直流电压Vbias＝电容器直流偏压电压Dfac＝10％的设计系数Cfac＝20％的电容变化注意Vpp＝2Vpo＝2Vhalf＝2Vrms(根号2)可以观察到的是，Vbias加上Vhalf的瞬时叠加必须保持在低于WVDC。还应该注意到，Vbias的大小必须等于或超过Vhalf以在极化电容器上保持连续的正直流偏压电压状态。进一步还可以观察到，当直流偏压电压是WVDC的大小的1/2时，交流电压稳态的大小最大化。当直流偏压电压是电容器的最大直流涌浪电压范围的1/2时，交流涌浪的大小最大化。因此，我们观察到，(Vbias+Vhalf)必须等于或大于(GE)，即，系统交流电压的大小。交流电压分配受到电容器的实际电容变化的影响。所以，就电容变化的20％的公差和10％的系统电压大小的变化而言，我们可得(Vpp)×Dfac×Cfac＝169.71×2)×1.10×1.20＝448.03伏特。
以每一电容器为基准，这变为(Vpo)×Dfac×Cfac＝(169.71)×1.10×1.20＝224.02伏特。
在本发明的两反串联翼上对交流电压进行分压。因此，我们可以从这些信息中做第一阶装置选择。
最近的Cornell Dubilier Catalog列出了型号DCMC123T450FG2D。所列出的这种电容器的公称电容器值为12,000微法拉，ESR为13.3毫欧姆，以及最大额定交流纹波电流为24.0安培。WVDC和Vsurge分别为450VDC和500VDC。对于这种情况，Vbias应选择为WVDC/2或225伏特直流。这对应于如下的公称叠加电压Vhalf+WVDC/2＝449.02伏特选择总共8个电容器(每侧四个)将提供96安培的额定电流。
装置的总公称电容是12,000×4/2＝24,000微法拉。公称ESR是6.65毫欧姆，电容器阻抗是在12毫欧姆左右，并且暂态和稳态状态的负载阻抗大小分别为1.33欧姆和12.0欧姆。电容器总成的稳态交流电压降是在0.12伏特左右，而在更严酷的暂态状态中的每一电容性翼的电压降是1.1伏特。在本例中，我们看到，除了共振和故障状态以外，电容器额定电压远高于所需的电压。考虑低额定电压电容器的优点是尺寸、重量、电容和成本。缺点是装置在故障或共振状况时毁坏。总之，应用的经济性和安全考虑通常决定有争议的问题。可以设计这种装置使用快速保险丝、涌浪避雷器、泄放电阻器、计量和抛光电容器以进行更坚固的设计。
在依此处的设计标准构建处理电路时，技术人员必须高度小心。最普遍的电机工业标准“锁定、标定(Lock Out，Tag Out)”对安全性而言不够。在本发明中可以使用的大电容器可以保持充电很多天，除非提供适当的泄放电阻器等。所存在的高电压状态清楚地对于使用寿命造成威胁。所以，建议任何处理本发明的充电装置者要极端小心。本领域熟练的人员必须避免接触电路和电路元件。例如，放置在与极化电容器分流的达森瓦尔尺仪表(d’A rsonval meter)可能使直流偏压电压和交流源短路。这将使整个过程中断，并且可能烧掉安培计。随着短路的发生以及随后的破裂，可能导致电容器反向偏压。在添加电路元件的时候，在这种电路设计方面不熟练的人必须非常小心谨慎。放置成与极化电容器分流的线圈或小电阻器将重复上述仪表错误的结果。因此，正常的过程应是将极化电容器总成作为一个单元使用。
极化电荷储存装置自共振现象能通过适当的RFI滤波器分流至地，或者是阻尼(如果发生的话)。
极化电荷储存装置的频率响应在此有助于特定的可变频率装置。随着频率的增加电路有效电容的减小可部份地补偿随着频率的增加的阻抗下降。例如，在可变速率驱动中的功率传送效率可以增加，而同时提供低频电流限制。因此，在延伸的频率范围上驱动以改进的功率因数操作。
全波整流器可以如同在反串联构造中一样通过将单一极化电荷储存装置耦合至交流电源的每一端子来构建。然后，中心节点断开。然后，整流桥和直流输出部分连接到极化电荷储存装置的自由端，该自由端是直流节点所在之处。然后，直流输出使用于浮动的直流应用中。直流输出的伏特分配部分退回极化电荷储存装置进行偏压。这种设计消除了隔离变压器给电池充电器或直流电源供电的需求。此外，相对于隔离变压器供电的装置的滞后的功率因数来校正整流器的功率因数。这种电路能以单相或多相应用而构建。此处预见到其它类似的能量转换设计。
有些应用是利用分立部件的端子特性。存在一分压器，并且可以使用正确设计的滤波器。连接到中心节点的高通、低通、带通和阻隔滤波器必须小心处理，且将人员隔开。我们认为，对于熟悉本领域的人，包括磁饱和、共振、波德(Bode)图、奈奎斯特(Nyquist)图等的电路设计考虑是熟悉的。
据此，有适于建立并保持正确的直流电容器偏压状态的许多电路实现方式。从包括调节的和未调节的电源的任何适合的方案中可以导出直流电。必需仔细以避免交流电源的接地环和直流偏压；通常是通过变压器利用电隔离和未接地的次级(浮动的直流电源)。此外，在该系统中使用电池以增加可靠性。电池电源提供了冗余电源以用于它们的设计备用时期。基于极化电容器的电荷的缓慢衰减，较小的电化学电池可提供很多天足够的有源直流偏压电源。电池技术的选择随着特定的应用而定。包括价格、周围温度、地震状况、交流功率可靠度、通气性、预期寿命等的因素支配着电池的选择。电池最大充电电压和最后放电电压或直流系统设计必须使极化电容器保持在交流信号固定范围之外。
在共振、故障、马达启动、变压器冲击、切换操作、系统电压波峰等状态中需要最高的直流偏压电压电平。较低的偏压电压可以用于其它操作状态以延长电容器的寿命。通过适当的反馈系统可以自动地调节这种电压。根据需要，可以添加附加的电路元件，比如泄放电阻器、负载电阻器、谐波滤波、电压涌浪避雷器、非极化抛光电容器、过电流保护、接地故障保护、切换机构、诊断器等，以用于电安全的考虑和特殊的应用。其它的实施方式可以包括接触器、直流预充电、软启动机构等。这些性质的改变和调节不会显著地偏离在此所给出的过程。
有很多方法可以实现本发明。两个最广的领域是偏压源和交流/直流接口。这些主题的范围视为在此并入。在本发明的制造和实施时，预期将采用各种经济的方案。例如，分立的二极管显示在此处的图中。今天，市场上有各种二极管的组合。两种这样的常用的组合是桥式整流器和共阴极双重二极管。这样的装置减少了分立部件的数目，因此减少了制造成本。多极电容器是减少总成连接步骤的另一方法。Wheatstone电桥是一种类似的电阻性组合。实际上，微电路设计经济的主题是逐步减少分立部件。这种节省劳力的措施明确地并入本发明。我们进一步断言，各种电容器冷却策略和震荡危险保护系统将使用于本发明的实施例中。这种热调节和电绝缘方法和设计明确地并入本发明。
此外，在某些应用中，明确的界面最具经济性地包括在其中，而其它的应用可以利用现存的外部电路拓扑。所有的装置容量等级(以安培、伏特和/或频率响应测量)包括在本发明中。类似地，所有的适用的极化电荷储存装置也包含在本发明中。在不偏离本发明的精神或基本特征的前提下本发明可以以其它特定的形式实施。重要的是应该注意，在以上实施例的每一实施例中，部件的尺寸可上下调整。此处概述了代表性电路设计及其制造方法。最具经济性的实例依应用变数而改变，包括但不限于系统电压、稳态电流需求、暂态电流需求、共振机率、所选择的电容器模型特性、偏压电源选择、环境、冗余需求、外部故障考虑、内部故障考虑等。
在此阐述了本发明的其它目的、优点和新颖的特征，或者根据在此所公开的内容对于本领域熟练的人员是显然的，或者可通过由实施本发明而得知。本发明的目的和优点可以通过在此特别指明或隐含的设备和组合和/或熟悉此业界人士实施而实现。此处说明的本发明的实施例是实例性的而非限制性的。在不偏离在此所界定的本发明的范畴的前提下本领域熟练的人员可以对这些实施例做各种改变、修改、变更及添加。因此，希望在此涵盖落在权利要求及其等效范围和意义和在此的其它公开范围内的全部改变。在交流网络中的很多连续和/或暂态用途和/或应用是本领域熟练的人员所熟悉的，包括但不限于共振、整流、减振、铁磁共振、涌浪保护、补偿、能量储存、故障控制，电压调节、电流限制、控制信号传输等。进一步还希望将权利要求和说明书诠释为涵盖落于本发明的真实精神、范畴和意义内之全部此类应用、改变和修改。
附录A术语索引术语“反串联”意指两个或更多的极化电荷储存装置在它们的阳极和/或它们的阴极上耦合在一起。即，反串联极化电荷储存装置在它们的阳极、阴极或它们的阳极和阴极二者上有一直流接合节点。这是就广义而言，不排除例如较大数目的部件的歧管构造，诸如在电流分配器设计中实质上连接在直流接合节点的多个极化电荷储存装置的阳极(或阴极)。例如，在具有阳极连接在一起的星形构造中，五个极化电荷储存装置的每一装置互相处于反串联构造。注意，多相交流系统的各接脚中的极化电荷储存装置也可以互相为反串联构造。类似地，在识别反串联构造中的极化电荷储存装置时，任何给定的装置可以实际上包含多个分流构造装置以便例如增加安培数。此外，若干串联极化电荷储存装置能以反串联方式结合在一起以增加有效交流额定电压。同样地，若干反串联极化电荷储存装置对本身能以串联方式结合以增加有效额定电压。最后，注意交流系统部件(诸如交流源或负载)可以实际上连接在直流接合节点上的反串联装置之间。
术语“交流”和“交流源”是广义地使用。术语“交流”和“交流源”应包括(但不限于)固定频率、可变频率、固定振幅、可变振幅、调谐频率、调谐振幅和/或脉波宽度调谐交流电。包括侧带和叠加以及其它的线性、非线性、模拟或数字信号等的其它的信号和/或通信技术也明确地包括在内。交流和交流源视为意指时间变化信号。这些信号可含有资料和/或功率。以多种方法和/或模式改变的混合交流源也类似地包括在内。单个交流源的参考不应理解为排除多个交流源。
术语“交流阻隔装置”应包括任何装置、方法、设计或技术，与相关的反串联极化电荷储存装置相比这些技术提供更大的交流阻抗，同时，可以将其构造为提供直流电流路径以对这种极化电荷储存装置进行偏压。例如，交流阻隔装置可以包括(但不限于)电阻器、电感器、整流器、电开关等。
此处所使用的术语“连续和稳态”并不意图指示比如启动等的暂态应用的任何不适应性。
术语“直流”、“直流电”以及“直流电流”可以是任何技术、设计、状况、物理状况或装置，它产生、造成、促成、支援或便利于单向或主要为单向的一种或多种电荷载体的通量、位移、传输和/或流动，电荷载体包括(但不限于)电子、离子和空穴。在此不应理解为排除以相反极性充电的粒子的双向行进。直流应当广泛地意指基本不随着时间改变的稳态电压。
术语“直流源”、“直流电压源”或“直流电源”是广义地使用。这些术语一般涵盖并包括在发电、生产或交流整流中用于产生直流电的任何方法和装置。直流电源明确地包括(但不限于)直流发电机、电化学电池、光电伏特装置、整流器、燃料电池、直流量子装置、特定管装置等。它们应包含调节的、未调节的、滤波的以及未滤波的形式。直流源应明确地包括但不限于通过非电隔离源供电的整流器、自动变压器、隔离变压器、铁磁共振变压器。直流至直流供应、切换式直流电源、脉波充电器等也类似地包括在内。单一术语不应理解为排除在分流、串联和/或反串联构造中的多个和/或冗余直流源。单相和多相直流源和/或充电器包括在内。实时地调整直流偏压电平的能力类似地包括在内。“二极管降压装置”和精密调节的浮动直流电源电压可以提供操作和设计利益，特别是在包括电化学电池以用于电源冗余或使用反串联极化电荷储存装置之处。
术语“直流偏压源”是广义地使用。此术语一般涵盖并包括任何方法、设计及操或装置，其使用于直流电压和电流的产生和分布至极化电荷储存装置，并限制、约束和/或阻隔交流电流的流动。术语直流偏压源可包括(但不限于)实质至少一个交流阻隔装置串联的至少一个直流偏压源。在本发明中，一个或多个直流偏压源跨接在极化电荷储存装置上以在所说的极化电荷储存装置上建立并保持正向直流偏压电压。直流偏压源可避免交流源反向偏压或过度地正向偏压所连接的极化电荷储存装置。单一直流电压源可以构造为通过适当的连接的直流导电、交流阻隔装置作为对很多极化电荷储存装置的直流偏压源。类似地，在交流应用中，多个直流电压源和和/或直流偏压源可以被构造为给反串联极化电荷储存装置提供冗余偏压电压源。
术语“直流接合节点”对应于两个或更多个反串联极化电荷储存装置中的一个节点，其中相同极性装置的节点耦合在一起。应注意，一个直流接合节点可附设(或可不附设)一个或多个交流装置(诸如电感器)，而交流装置的直流电压可以忽略。即，在直流接合节点中实质上没有直流电压差异。类似地，直流偏压电路、仪表、指示器、警示器等可以连接到直流接合节点。
术语“电隔离”是广义地使用。此术语一般包括(但不限于)隔离变压器，铁磁共振变压器和在交流状态时独立地创造、反向和/或产生的电源。通过使用电容器可以实现直流隔离。术语“电隔离”应当包括直流电源，该直流电源独立地创造、整流或产生。电隔离是指传送无固定接地参考、选择共用中性、接地、参考电压或替代地选择不同的中性、接地或参考电压的能力。选择是发生在连接或可操作连接的时候，并且不必是电源的设计、构造、材料或特性所固有的。
术语“极化电荷储存”(“PBCS”)装置是广义地使用。此术语意图涵盖任何适当的极性电荷储存装置和/或包括(但不限于)电解质电容器、电化学电池、特定电管装置、半导体电容装置、光电伏特装置、燃料电池、量子电荷储存装置等的设备。就本文献的目的而言，极化电荷储存装置可以是支援电荷的静止分离、便利的电荷储存极性的任何技术或装置以及引导、移位和/或传送电流的能力。在本文献的很多部分中，极化电容器(描述并实例性示出)用于说明本发明的各种特色。然而，应该知道，任何适当的极化电荷储存装置可以用于取代所代表的极化电容器或与其结合。即，不希望排除所提到的或说明的其它极化电荷储存装置。
术语“整流器”是广义地使用。便于或构造便于电荷载体的单向流动的任何主动或被动装置和/或设备都应当视为整流器。以相反极性充电的粒子的双向流动明确地被包括在整流器的定义中。整流器包括(但不限于)一个或多个二极管、电晶体、矽控整流器、截止SCR、闸流体、IGBT、场效应晶体管、分环、特定管装置等。整流电路构造包括(但不限于)半波、全波、分波和多相整流器。在单或多相的状况，整流脉波可以移相以对立于、匹配于或补偿交流电流或电压波形。这可以通过隔离变压器点常规(dot convention)、相移绕组方法、I/O滞后或电子式命名若干常用方法而实现。
术语“充分地正向直流偏压”是指在此所概述或暗示的方法、装置和/或设备在极化电荷储存装置上保持直流偏压电压，从而基本防止装置通过交流信号不利地反向偏压。直流偏压电压可以在稳态中任意程度地固定。此对比于已有技术的振荡偏压方案，相对于直流偏压电压强度，由于过度信号尺寸，已有技术的振荡偏压方案以一次循环为基准在正向和反向直流偏压电压之间变化，和/或造成交流信号失真。直流偏压考虑措施包括在可应用的极化电荷储存装置正向电压限值中的操作。类似地，也包括偏压状态，在偏压状态中每一极化电荷储存装置的直流偏压电压强度基本上超过所施加的交流信号强度。
术语“开关”和/或“电开关”是指通过电流可以启动或关闭的方法、装置和/或设备。开关应包含机械式导体接触设计、电机机械装置、半导体装置、继电器以及诸如水银开关、分子开关、离子化装置、阀、冷却器、选通门、量子装置等的液体接触装置。此外，包括差动装置诸如变阻器、可用作调光器和/或调节器的电位计以及开启/关闭装置等。用于实现电流动、通量、电流或导电、位移等的控制的任何状态的物体和/或物体状态的改变都是视为包括在术语“开关”中。类似地，与各种技术开关相关的感测器、引动器、控制器、继电器、电路板、晶片等也都包括在内。此文中所使用的电开关和开关应广义地理解。在此所概述的装置和方法是实例性的而不是限制性的。
术语“直流阻隔装置”应当包括对于直流电流的流动提供相对较大的直流电阻和/或对抗的任何装置、方法、设计、设备和/或技术。例如，直流阻隔装置可能包括(但不限于)极化电容器、非极化电容器、电化学电池、其它的极化电荷储存装置、电阻器、整流器等。类似地，隔离变压器充当直流阻隔装置，在该直流阻隔装置中直流电并非磁耦合。注意，整流器桥提供比单一整流器或半波桥更高阶的直流阻隔。
术语“温度调节”是指通过自然或人工供电装置对极化电荷储存装置温度的控制以改变装置的表面或核心温度。温度调节的典型方法包括水浴、油浴、冷冻剂、具有散热器的循环系统以及使用加热元件和热交换器。热泵、固态冷却以及其它的此类方法都适用于装置温度的保持和/或改变。
此处所使用的术语“暂态”并不希望指稳态或连续应用的不适合性。
权利要求
1.一种用于在交流网络中操作的极化电荷储存(“PECS”)装置，该交流网络具有一个交流源和至少一个耦合至交流源以接收交流信号的负载，该极化电荷储存装置包括互相反串联构造的至少第一和第二极化电荷储存装置，该反串联的极化电荷储存装置适合于可操作地连接到交流网络并承接交流信号，以及至少一个耦合至第一和第二极化电荷储存装置的直流源，该交流源用于对该装置进行充分地正向直流偏压以基本防止它们受交流信号不利地反向偏压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个直流源可操作地耦合至第一和第二装置以使交流信号基本不通过该至少一个直流源。
3.根据权利要求1所述的装置，其中反串联的极化电荷储存装置构造适合于实质上与交流负载分流连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其中反串联的极化电荷储存装置构造适合于实质上串联连接在交流源和交流负载之间。
5.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个直流源的至少一个输出端子适合于与至少一个交流源电隔离。
6.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个直流源不接地。
7.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个直流源的至少一个输出端子可操作性连接到交流系统接地端。
8.根据权利要求1所述的装置，其中第一和第二极化电荷储存装置互相对称性直流偏压。
9.根据权利要求1所述的装置，其中第一和第二极化电荷储存装置互相连接于一直流接合节点，其中该置进一步包括连接在直流接合节点和直流参考节点之间的至少一个交流阻隔装置。
10.根据权利要求9所述的装置，其中至少一交流阻隔装置包括电阻器，该电阻器具有与第一和第二极化电荷储存装置相比是充分高的阻抗以阻隔交流信号，以使它实质上通过极化电荷储存装置。
11.根据权利要求9所述的装置，其中直流接合节点将至少一个交流装置并入在第一和第二极化电荷储存装置之间。
12.根据权利要求9所述的装置，进一步包括在直流接合节点和来自第一和第二极化电荷储存装置的另一节点之间的交流阻隔装置。
13.根据权利要求9所述的装置，其中至少一个直流源包括第一和第二直流源，该电流源用于独立地偏压第一和第二极化电荷储存装置。
14.根据权利要求13所述的装置，其中第一直流源实质上与第一极化电荷储存装置分流。
15.根据权利要求14所述的装置，进一步包括可操作地连接在第一直流源和第一极化电荷储存装置之间的交流阻隔装置。
16.根据权利要求15所述的装置，其中第二直流源实质上与第二极化电荷储存装置并联。
17.根据权利要求16所述的装置，其中第二直流源通过至少一个交流阻隔装置实质上与至少该第二极化电荷储存装置并联。
18.根据权利要求17所述的装置，其中第一直流源的至少一个端子和第二直流源的至少一个输出端子未接地。
19.根据权利要求17所述的装置，其中第一直流源的至少一个端子与第二直流源的至少一个输出端子相对于交流源是电隔离。
20.根据权利要求9所述的装置，其中至少一个直流源包括第一直流源，该第一交流源其具有第一和第二输出端子以用于提供直流电位，该第一输出端子耦合至直流接合节点，而第二输出端子耦合至来自第一和第二装置的另一节点。
21.根据权利要求20所述的装置，进一步包括串联在直流接合节点和第一输出端子之间的至少一个交流阻隔装置。
22.根据权利要求20所述的装置，其中又包括至少一个交流阻隔装置，其串联于第一和第二装置的另一节点及第三输出端子之间。
23.根据权利要求1所述的装置，其中交流网络是用于在网络的每一相中具有一交流接脚的多相交流网络，该第一极化电荷储存装置可以是第一交流接脚的一部分，并且第二极化电荷储存装置可以是第二交流接脚的一部分。
24.根据权利要求1所述的装置，其中交流网络是用于在网络的每一相中具有一交流接脚的多相交流网络，其中第一和第二极化电荷储存装置可以是第一交流接脚的一部分。
25.根据权利要求1所述的装置，其中极化电荷储存构造适合于可操作地安装在交流网络中以进行稳态操作。
26.根据权利要求1所述的装置，其中第一和第二极化电荷储存装置安装在一共同封闭件中。
27.根据权利要求26所述的装置，其中第一和第二极化电荷储存装置悬承在电介质流体中，并且以绝缘连接件安装到封闭件，该封闭件界定了电接触安全容器。
28.根据权利要求1所述的装置，其中负载是分相交流感应马达，并且极化电荷储存装置适合于串联在交流源和该分相马达的一个绕组之间，并且保持接合以用于马达的连续操作。
29.根据权利要求1所述的装置，其中所说的极化电荷储存装置是具有电感器的LC滤波器电路的一部分，该LC滤波器电路调谐在一功率基本频率并且附加地具有开关，以便在检测到下游发生故障时对极化电荷储存装置分流。
30.根据权利要求1所述的装置，该交流源是第一交流源，其中不同于第一交流源具有不同的交流电压的第二交流源通过电流限制整流器可操作地连接到第一极化电荷储存装置。
31.一种在交流应用中使用的极化电荷储存装置，包括第一极化电荷储存装置；至少一个第二极化电荷储存装置，其反串联于第一极化电荷储存装置；以及至少一个直流偏压源，其可操作地连接到所说的第一和第二极化电荷储存装置以在交流应用中使用时将所说的第一和第二装置充分地保持正向压。
32.根据权利要求31所述的装置，其中对第一和第二装置进行正向偏压的直流电压在交流应用中实质上互相抵消。
33.根据权利要求31所述的装置，进一步包括在反串联的极化电荷储存装置之间的交流电装置，其中该交流装置以与所连接的交流应用设备不同的直流电压电平运行。
34.根据权利要求33所述的装置，其中交流装置包括直流电源。
35.根据权利要求35所述的装置，其中直流电源的一部分可操作地连接在反串联的极化电荷储存装置之间以正向直流偏压所说的第一和第二装置。
36.根据权利要求31所述的装置，其中反串联的极化电荷储存装置用于将在交流应用中的交流中性节点耦合至接地节点。
37.根据权利要求31所述的装置，其中第一和第二极化电荷储存装置分别具有正和负节点，来自第一和第二装置的至少正或负节点从直流驻留点起实质上连接在一起。
38.根据权利要求37所述的装置，其中来自第一和第二装置的正节点实质上连接在一起，并且来自第一和第二装置的负节点自直流驻留点起实质上连接在一起。
39.根据权利要求31所述的装置，进一步包括一个或多个极化电荷储存装置，其实质上与第二极化电荷储存装置分流连接，由此使得一个或多个极化电荷储存装置与第一极化电荷储存装置是反串联构造。
40.根据权利要求39所述的装置，其中一个或多个极化电荷储存装置与第二极化电荷储存装置也是反串联构造，由此使得第一、第二以及一个或多个极化电荷储存装置互相是反串联构造。
41.根据权利要求31所述的装置，进一步包括一组或多组可操作地正向偏压的反串联极化电荷储存装置，其互相连接在一起并且在直流接合节点上连接至第一和第二反串联装置结构以形成交流电流分配器歧管。
42.根据权利要求31所述的装置，进一步包括非极性电容器，其与至少第一极化电荷储存装置基本并联。
43.根据权利要求31所述的装置，其中反串联极化电荷储存装置用于增强稳态交流应用
44.根据权利要求31所述的装置，其中至少一个直流源可操作地连接到第一和第二极化电荷储存装置，以使来自交流应用设备的交流信号基本不通过至少一个直流源导通。
45.根据权利要求31所述的装置，其中反串联的第一和第二装置悬承于电介质流体中，并且安装在具有绝缘连接件的封闭件中，该封闭件界定了电接触安全容器且提供电接触以用于连接。
46.一种交流网络，包括交流源；可操作地耦合至该交流源的交流负载；第一和第二极化电荷储存装置，其互相反串联构造并且可操作地耦合至所说的交流源和负载；至少一个直流源，用于正向偏压所说的第一和第二装置以防止它们受所说的交流信号不利地反向偏压。
47.一种在交流网络中使用极化电荷储存装置的方法，该交流网络具有交流源和可操作地耦合的交流负载，包括在交流网络中以反串联构造实施至少第一和第二极化电荷储存装置以增强交流网络的操作，其中将交流信号施加到该反串联装置；以及通过至少一个直流电压源充分地偏压每一极化电荷储存装置以使在交流网络运行期间装置实质上保持正向偏压。
48.根据权利要求47所述的方法，其中至少第一和第二装置的直流电压在交流网络上基本互相抵消。
49.根据权利要求47所述的方法，其中实施反串联极化电荷储存装置的动作包括实施第一和第二极化电容器。
50.根据权利要求49所述的方法，其中第一和第二极化电容器在直流接合节点上互相耦合，该方法进一步包括在直流接合节点和至少一个直流源的直流参考之间提供交流阻隔装置。
51.根据权利要求50所述的方法，其中在交流网络中实施反串联装置的动作包括在交流源和交流负载之间串联地使用反串联极化电容器以改进交流源的功率因数。
52.根据权利要求47所述的方法，进一步包括通过将反串联装置可调整地接合于网络中来如同由交流源所见者地调整交流网络阻抗。
53.根据权利要求47所述的方法，其中反串联装置是可调整地与电开关接合。
54.根据权利要求47所述的方法，其中通过可控制地改变极化电荷储存装置的温度来改变交流网络参数。
55.根据权利要求54所述的方法，其中以热交换装置执行可控制地改变极化电荷储存装置的温度的动作。
56.根据权利要求47所述的方法，进一步包括提供基本与每一第一和第二极化电荷储存装置分流的电阻性装置以在分压器应用中正向地偏压和平衡该装置。
57.根据权利要求47所述的方法，进一步包括提供可操作地连接到第一和第二极化电荷储存装置的至少一个泄放电阻器以使在极化电荷储存装置上的偏压电压放电以用于安全停机和维修的目的。
58.根据权利要求47所述的方法，其中施加每一极化电荷储存装置上的交流电压强度小于每一极化电荷储存装置的直流偏压电压强度。
59.根据权利要求47所述的方法，其中施加在每一极化电荷储存装置上的直流偏压电压和交流电压的稳态叠加保持在每一极化电荷储存装置的额定电压内。
60.根据权利要求47所述的方法，其中至少一个电隔离的直流偏压源实质与第一极化电荷储存装置分流连接以用于稳态交流应用。
61.根据权利要求47所述的方法，其中至少一个电隔离的直流偏压源实质与第一极化电荷储存装置分流连接以用于暂态交流应用。
62.根据权利要求60所述的方法，其中使用整流器桥以提供整流直流电的电隔离以用于第一极化电荷储存装置的连续充电。
63.根据权利要求62所述的方法，其中直流偏压源的至少一个直流极和至少一个交流电源电隔离以对第一极化电荷储存装置进行连续正向偏压。
全文摘要
本发明涉及在交流应用中使用极化装置的方法及电路，极化电荷储存装置经济地提供较高的可用电容。本发明直接将极化电荷储存(PECS)装置(诸如极化电容器或电化学电池)应用于具有新颖电路拓扑的一般交流设备中。在一实施例中，在交流网络中使用第一(612)和第二(614)极化电荷储存装置的反串联构造以增强交流网络的操作。提供至少一个直流源(616，618)以在极化电荷储存装置接收交流信号的时候使它们保持正向偏压。将驱动交流负载(620)的交流信号施加至反串联装置(610)。通过至少一个直流电压源充分地偏压该装置以致于在它们耦合交流信号时保持正向偏压。
文档编号H02J3/02GK1415131SQ00818162
公开日2003年4月30日 申请日期2000年12月6日 优先权日2000年1月4日
发明者威廉B·朵夫二世 申请人:威廉B·朵夫二世