电力调节和节省装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般地涉及电力的供给。更具体地，本发明涉及在电力输送系统中减少功 率消耗。
【背景技术】
[0002] 电力公司和电力公司的用户对降低配电系统中浪费的电量有共同的兴趣。电力公 司工程师输电线路、变压器和发电机来提供用户将拉走的电力。即使用户不使用用户拉走 的一些电力，但是电力公司仍使得工程师输电线路、变压器和发电机提供这个额外浪费的 电力。另外，传输给用户的一些电力没有被用户使用或者浪费掉，而是被"反射"回电力发 电机。由此，输电线路不得不携带被传输的电力和被反射回的电力。这不仅意味着传输线 路必须被设计为携带被传输的和被反射回的电力，还意味着因为在穿过电力系统中的被传 输的电力和被反射回的电力中存在损耗，所以还增大了输电线路、变压器和负载中的损耗。
[0003] 功率因数是提供给用户的有功功率与提供给用户的电力和反射回电力公司的电 力的总和的比例，被称为功率因数。功率因数1被认为是理想的。电力公司通常向住宅用 户仅仅索要有功功率。然而，可以向工业用户索要具有额外电荷的真实功率用于功率因数。 通常地，电力公司可能不应用额外的电荷用于阈值以上的功率因数，，但是可以向工业用户 索要与阈值以下的功率因数成比例的功率因数。对于每个电力公司，这个阈值是变化的，但 是通常在0. 85至0. 95之间。由此，如果电力公司设置0. 95的阈值，并且用户的功率因数 是0.85,则电力公司可以对使用的所有实际功率索要固定的资费。对于较差功率因数的典 型资费可以是大约10%。
[0004] 校正功率因数具有除了电力成本的优势。因为需要较少的电流来传输相同的电 力，所以用户系统的内部电力能力增大。结果是，无需提供增大的容量电线、开关箱和变压 器来为额定的设备供电。在使用点处的电压可以下降，并且欠压减小了电动机可以携带的 负载，而不过热或熄火。
[0005] 可以通过多种机制来引起降低的功率因数。第一个机制是由电容器、电感器、或电 容器和电容器的一些组合而引起的电抗负载。这些负载将供应给用户的电流的相位转换为 电压。相移意味着在交流（AC)周期的一些部分中，除了消耗的实际功率，过剩电力被传送 给用户，并且在AC周期的其他部分，过剩电力反射回至电力公司。通过将合适的取消电感 器或电容器添加至用户电力电路，可以通过这个机制来校正功率因数减小。添加取消电感 器或电容器的一个问题是所述电感器或电容器可以取决于如何使用用户的装备而变化。一 些系统通过切换进或切换出额外的电容器或电感器来适应变化的使用。
[0006] 尼古拉?特斯拉提出了感应电动机。依赖于负载，感应电动机呈现出对电力线滞 后的功率因数。大负载的感应电动机可以具有高达0.90的功率因数。对于小的低速电动 机，功率因数可以低至〇. 5。在启动期间的感应电动机可以具有范围为0. 10到0. 25的功率 因数，当转子旋转更快时其上升。
[0007] 作为第二个减小功率因数机制，客户不能得到来自AC周期所有部分的电力。例 如，开关模式电源取得在电压周期峰值处的大部分电力。这往往会使电力信号的正弦波的 形状"变平"，引起谐波。谐波在被反射回电力公司和其他用户的电力线上产生不需要的信 号。由此，就用户而言，谐波是浪费的电力。使用过滤器可以去除不需要的谐波。
[0008] 第三个减小功率因数机制是在用户的处所外部产生的被传输给用户的尖峰和谐 波形式的能量。虽然尖峰和谐波穿过功率仪表，但是这些尖峰和谐波不能被用户有用地使 用，并且可能会损害设备。
【发明内容】
[0009] 本文公开的示例性实施例尝试克服上述讨论的传统系统的缺点。特别地，本文的 一些实施例尝试减小负载所消耗的功率，增大负载的功率因数，减少产生的或发送给用户 的谐波和尖峰，并且减少产生的或发送给用户的电磁干扰（EMI)。
[0010] 在一个实施例中，功率因数调节器包括：功率因数测量单元，被配置为测量连接至 负载的输入线路上的功率因数并且基于测量到的功率因数产生功率因数校正信号；以及功 率因数调节单元，被连接至所述功率因数测量单元，包括：固定电容器，被串联连接至第一 开关装置；以及可调元件，具有被并联连接至所述固定电容器且被串联连接至第二开关装 置的可变电容，其中响应于所述功率因数校正信号，通过调节所述可调元件的电容或者通 过切换第一开关装置和第二开关装置，来调节功率因数调节单元的总电容。
[0011] 在另一个实施例中，可调元件包括：包括不导电材料的容器；第一电极，在容器的 第一端处被放置在容器中，其中第一电极在容器内是可移动的；第二电极，在容器的第二端 处被放置在容器中；压缩材料，放置在第一电极与第二电极之间的容器中；被连接至第一 电极的第一连接和被连接至第二电极的第二连接，用于连接至电路；以及连接到第一电极 的压缩装置，将第一电极朝向第二电极移动以施加压缩至压缩材料并从而改变可调元件的 电气特性。
[0012] 在又一实施例中，可调元件包括：容器，由不导电材料组成；第一电极，在容器的 第一端处被放置在容器中；第二电极，在容器的第二端处被放置在容器中；压缩材料，被放 置在第一电极与第二电极的容器中；被连接至第一电极的第一连接和被连接至第二电极的 第二连接，用于连接至电路；以及绕在容器周围的线圈以在压缩材料内产生磁场从而改变 可调元件的电气特性。
[0013] 在再一实施例中，电路包括：电容器；第一可调元件，被连接至电容器的第一端子 且被配置为通过压缩第一可调元件内部的压缩材料来调节第一可调元件的电气特性；以及 第二可调元件，被连接至电容器的第二端子且被配置为通过压缩第二可调元件内部的压缩 材料来调节第二可调元件的电气特性，其中第一可调元件和第二可调元件调节它们的电气 特性以控制从电容器到负载放电的电荷。
[0014] 在另一实施例中，滤波器包括：谐波检测器，被配置为检测负载产生的谐波并且如 果检测到谐波则发送信号；以及可调元件，与负载并联连接且被配置为响应于从谐波检测 器发送的信号，调节可调元件的品质因数Q以抑制谐波。
[0015] 在又一实施例中，功率因数调节的方法包括：由功率因数测量单元测量在连接至 负载的输入线路上的功率因数；基于测量到的功率因数产生功率因数校正信号；由具有并 联连接至可调节元件的固定电容器的功率因数调节单元接收功率因数校正信号；响应于功 率因数校正信号，切换串联连接至固定电容器的第一开关装置以调节功率因数调节单元的 电容；以及响应于功率因数校正信号，调节具有可变电容的可调元件的电气特性以进一步 调节功率因数调节单元的电容。
[0016] 在再一实施例中，功率因数调节单元包括：固定电容器，被串联连接至开关装置； 以及可调元件，具有可变电容且被连接至固定电容器，其中通过调节可调元件的电气特性 来调节功率因数调节单元的总电容。
[0017] 在另一实施例中，一种储能装置，包括：容器，由不导电材料组成；压缩材料，位于 所述容器中；第一端子，用于将外电路连接至所述压缩材料；第二端子，用于将所述压缩材 料连接至所述外电路；以及压缩装置，位于所述容器中，施加固定力以压缩所述压缩材料。
[0018] 在又一实施例中，一种储能装置，包括：容器，由不导电材料组成并且具有内腔； 压缩材料，在所述容器的所述内腔中；第一端子，用于将外电路连接至所述压缩材料；第二 端子，用于将所述压缩材料连接至所述外电路；压缩装置，位于所述容器中且在第一位置与 第二位置之间移动，其中所述第一位置施加压缩至所述内腔中的所述压缩材料，并且所述 第二位置减轻所述内腔中所述压缩材料上的压缩；以及基于温度移动装置，基于所述储能 装置的温度在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述压缩装置。
[0019] -种储能装置，包括：容器，由不导电材料组成；粉末状磁铁矿混合物，放置在所 述容器中；第一端子，用于将外电路连接至所述粉末状磁铁矿混合物；第二端子，用于将所 述粉末状磁铁矿混合物连接至所述外电路；以及压缩装置，位于所述容器中，施加固定力以 压缩所述粉末状磁铁矿混合物。
[0020] 在再一实施例中，一种用于为包括两个端子和压缩材料的储能装置再充电的方 法，所述压缩材料包括磁铁矿且由压缩装置压缩，在所述储能装置运行期间所述压缩装置 施加固定力至所述压缩材料，所述方法包括：施加磁场至所述储能装置；使用磁场传感器 确定所述磁场的北极和南极；以及定向所述储能装置，使得所述储能装置的端子分别指向 由所述磁场传感器确定的磁场的所述北极和南极。
[0021] 在另一实施例中，一种防止储能装置过热的方法，包括：由温度测量装置测量储能 装置的内部温度；确定所述储能装置的所述内部温度是否高于温度阈值；以及如果所述储 能装置的内部温度低于所述温度阈值，则使用压缩装置施加力至压缩材料。
[0022] 在又一实施例中，一种使用储能装置的方法，包括：使用压缩装置压缩包含在所 述储能装置中的压缩材料；将第一端子连接至外电路；通过第一端子接收来自所述外电路 的电流；将来自所述第一端子的所述电流传输至所述压缩材料；在所述压缩材料中存储电 荷；将第二端子连接至所述外电路；以及通过传递存储在所述压缩材料中的电荷由所述第 二端子将电流驱动至所述外电路。
[0023] 在再一实施例中，一种使用储能装置的方法，包括：将第一端子连接至外电路；在 所述第一端子处接收来自所述外电路的电流；将来自所述第一端子的所述电流传输至包含 在所述储能装置内的电荷存储材料，其中所述电荷存储材料包括磁铁矿；在所述电荷存储 材料中存储电荷；将第二端子连接至所述外电路；以及通过传递存储在所述电荷存储材料 中的电荷由第二端子将电流驱动至所述外电路。
[0024] 实施例的另外的特征和优点将在下面的说明书中阐述，部分地根据说明书是显而 易见的。可以由在书面说明书中的示例性实施例和其权利要求书以及附图中特别指出的结 构实现和得到本发明的目的和其它优点。
[0025] 应该理解的是，本发明的前述总体说明和随后的详细说明是示例性的和说明性 的，并且旨在提供对请求保护的本发明的进一步说明。
【附图说明】
[0026] 附图构成本说明书的一部分且示出发明的实施例，并且和说明书一起用于解释本 发明。
[0027] 图1示出根据示例性实施例的电力系统。
[0028] 图2示出根据示例性实施例的电力系统。
[0029] 图3示出根据示例性实施例自动地调节功率因数的系统。
[0030] 图4示出根据示例性实施例的功率因数调节单元。
[0031] 图5示出根据示例性实施例的功率因数调节单元的外壳。
[0032] 图6示出根据示例性实施例的不包含功率因数测量单元的功率因数调节单元的 外壳。
[0033] 图7示出根据示例性实施例的几个功率因数调节器的示例性安装。
[0034] 图8示出根据示例性实施例用于多个负载的单个功率因数调节器的示例性使用。
[0035] 图9示出根据示例性实施例的可调元件。
[0036] 图10示出根据另一示例性实施例的可调元件。
[0037] 图11示出根据又一示例性实施例的可调元件。
[0038] 图12示出根据又一示例性实施例的可调元件。
[0039] 图13示出根据示例性实施例用于可调元件的等效电路。
[0040] 图14示出根据示例性实施例使用可调元件来提高功率因数的系统。
[0041] 图15示出根据示例性实施例使用可调元件作为过电压吸收器（surge arrester) 的系统。
[0042] 图16示出根据示例性实施例包含可调元件的变压器。
[0043] 图17示出根据示例性实施例包含可调元件的电动机（electric motor)。
[0044] 图18A示出根据示例性实施例使用可调元件作为可变电阻器以限制电容器放电 的系统。
[0045] 图18B示出根据示例性实施例使用可调元件的系统。
[0046] 图18C示出根据示例性实施例的可调元件。
[0047] 图18D示出根据示例性实施例使用可调元件的系统。
[0048] 图18E示出根据示例性实施例使用可调元件的系统。
[0049] 图18F示出根据示例性实施例使用可调元件的系统。
[0050] 图18G示出根据示例性实施例使用可调元件的系统。
[0051] 图18H示出根据示例性实施例使用可调元件的系统。
[0052] 图19示出根据另一示例性实施例的可调元件。
[0053] 图20示出根据示例性实施例用于感应电动机和功率因数调节单元组合的相对于 调节单元设置的功率因数。
[0054] 图21示出根据示例性实施例由于使用功率因数调节单元的百分比节省。
[0055] 图22示出根据示例性实施例的储能装置。
[0056] 图23示出根据示例性实施例的储能装置。
[0057] 图24示出根据示例性实施例的储能装置。
【具体实施方式】
[0058] 将参照如下讨论的细节来描述本发明的各个实施例和方案，并且附图将示出各个 实施例。以下说明和附图解释了本发明且不应被解释为限制本发明。描述了各种具体细节 以提供对本发明各个实施例的彻底理解。然而，在某些示例中，没有描述公知的或常规的细 节以便提供本发明实施例的简明讨论。
[0059] 图1示出示例性电力系统100。电力公司提供电力至电力网105。通过电力网105 将电力作为电能传输给用户110。用户110具有由电力公司提供的仪表115来测量用户110 消耗的电力。电力被用户110操作的一个或多个负载120消耗。理想地，由电力网105提 供的且由仪表115计量的所有电力被负载120消耗。然而，实际上，一些电力通过仪表115 从负载反射回至电力网105,一些电力从电线125福射，一些电力作为电线125中的热量浪 费了。在到负载的途中和在任何电力被反射回时，被传输至负载和反射回电力网105的电 力引起电线125的加热。
[0060] 图2示出根据示例性实施例的电力系统200。电力公司经由电力网205将电力供 应给用户210。由仪表215来计量用户。在仪表215与负载220之间的是功率因数调节器 230。功率因数调节器230执行几个功能，包括将从负载反射的电力回收回至负载，以及减 小负载的总功耗。在来自电力网的尖峰和谐波到达负载之前，功率因数调节器还可以过滤 它们，从而防止谐波和尖峰在负载中的损耗。另外，功率因数调节器过滤由负载产生的尖峰 和谐波。由于过滤了引起EMI的尖峰和谐波，所以功率因数调节器还减小了 EMI。
[0061] 当被供应交流电（AC)时，电阻性负载例如电阻器使用供应至负载的所有电力。然 而，包括电