降低功率損耗裝置的製作方法
2023-06-09 20:23:51
本發明涉及降低供應至誘導負荷的功率損耗裝置，尤其，涉及一種為了在誘導負荷上減少因功率因數低下而造成的功率損耗，不變化電容器的容量並改善功率因數的降低功率損耗裝置。
背景技術：
誘導負荷在電機或變壓器等設備上產生無功功率。無功功率是指在交流電流至電感器或電容器時，因獲取由電源供應的電能每半個周期進行反覆，實際上不進行任何工作，也不存在熱量消耗的功率，是指在視在功率中實際未進行工作的功率。
當輸入的交流電壓與流經的電流的有效值分別為V、I，相位角為θ時，視在功率顯示為VI，有功功率及無功功率分別顯示為VIcosθ及VIsinθ。
並且，在將電壓的有效值設為V，電流的有效值設為I，且兩者間的相位差為θ時，有功功率被設為VIcosθ。其為在負荷中轉換為實際有效的工作的功率，與無功功率或視在功率等進行對比。
功率因數是指將有功功率分為表面功率的值，是指將電路電阻分為工作頻率的電路阻抗的值。電路電流全部為正弦波時，功率因數分別為電壓、電流的相位差角的餘弦。
由電力公司供應的功率經過電錶之後，通過配電線路而供應至電機或功率設備的功率根據其負荷的狀態而造成功率因數的變化。
該負荷產生因功率因數而造成的無功功率，該無功功率增加流經配電線路或該多個設備的電流而造成功率的損耗。
因此，在誘導負荷或包含誘導負荷的負荷中並聯連接電容器，以用於改善功率因數，將在誘導負荷中產生的滯後電流流動成超前電流。由此，因電壓與電流的相位差而產生的sinθ的值接近於0(功率因數:cosθ＝1)。
由此，為了改善功率因數，使用根據無功功率的動態控制方式、根據電壓的控制方式、根據功率因數繼電器的控制方式、根據電流檢測的控制、根據時間的控制等。
其各自的對應的特徵如下。
第一，根據無功功率的動態控制是指在用於檢測無功功率而使用無功功率繼電器且以在比校正值大時投入，並且，比校正值小時開啟的方式，而一直動態地與負荷保持對應的方式。
第二，以當母線電壓低於了校正值時，投入蓄電器，當母線電壓高於校正值時切斷的方法，如第一次變電所一樣，其目的為在調整母線電壓的情況下使用根據電壓的控制，未用於改善小規模的功率因數。
第三，根據功率因數繼電器的控制作為使用功率因數繼電器而控制的方法，為適用於功率因數改善幅度小的地方的系統。
第四，根據負荷狀態，在功率因數一定的情況下使用，由電流繼電器檢測而控制。
第五，根據時間的控制，在負荷變動成為依存時間的既定負荷或無負荷的情況下使用。
與所述第一與第三方法類似的功率因數改善型節電系統在下面專利文獻中予以公開。
在專利文獻的圖1中，在電纜30上將交流電源220V供應至白熾燈、螢光燈、電風扇等多個負荷31。
由變流部33a與變壓部33b構成的傳感器部33感應供應至電纜的電壓與電流並檢測。
變流部33a由具有規定匝數比(電流比的反數)的第一次線圈與第二次線圈構成，將電纜30與第一次線圈連接，並檢測包含被遺棄在第二次線圈的電流，即無功功率的變流電流，而輸出電流值。變壓部33b由具有規定匝數比的第一次線圈與第二次線圈構成，將第一次線圈與連接於電纜30的負荷31的兩端連接，並檢測被遺棄於第二次線圈的變壓電壓而輸出電壓值。
比較器34用於比較在變流部33a與變壓部33b上檢測的信號。將在變流部33a與變壓部33b上檢測的正弦波的信號定型為矩形波而獲取相位差。在比較器34檢測的電壓值具有比電流值靠前的相位的情況，輸出高信號A0，對於所檢測的電壓值具有晚於電流值的相位的情況，輸出低信號A1。
從比較器34輸出的信號A0、A1經過微型計算機135而輸入至電容器組37，並同時輸入至微型計算機238。
即，在微型計算機135中將在比較器34中比較的相位差保持為最合適值，由此，控制使得在配置於電容器組37的多個蓄電器中為所需的電容量，以使最大化改善負荷31的效率，微型計算機238控制通過電感器驅動39而使得電感器組40的電感器與通過微型計算機135設定的電容量值對應，以使在電容器組37產生的諧波最小化。
如上所述的功率因數改善型節電系統存在如下問題，在電容器組37中切斷蓄電器時，因產生滅弧電壓(extinction voltage)而造成蓄電器驅動36發生破損。
現有技術文獻
專利文獻
(專利文獻0001)韓國註冊專利公報10-0554263-00-00(2006.02.22.公告)
技術實現要素：
發明要解決的技術問題
因此，本發明的目的為用於解決所述現有問題而提供一種功率因數改善型降低功率損耗裝置，其未將功率因數的控制依存於電容器的電容量變化，並變化電感器的電感。
並且，本發明的另一目的為提供一種功率因數改善型降低功率損耗裝置，通過線性變化電感器的電感，因而，不會因電感變化而產生滅弧電壓或滅弧電流。
解決問題的技術方案
為了實現該目的，本發明的降低功率損耗裝置是一種誘導負荷的功率因數改善型降低功率損耗裝置，包括：第一電容器，並聯連接於所述誘導負荷，以用於將所述誘導負荷的最低功率因數改善為最優的功率因數；電感器，並聯連接於所述誘導負荷與第一電容器，以用於在變化所述誘導負荷的功率因數，而因所述誘導負荷與所述第一電容器而產生的合成功率因數為超前的情況下，將合成功率因數改善為最優的功率因數，其中，所述電感器在根據所述誘導負荷的變化而變化為最優的功率因數時，進行線性變化。
並且，本發明的降低功率損耗裝置特徵在於，所述電感器作為可變電感器，與線圈耦合的磁路的磁阻發生線性變化。
而且，本發明的降低功率損耗裝置特徵在於，所述線性變化的磁阻具有多個磁芯，並且，所述多個磁芯之間的空隙的長度發生變化。
並且，本發明的降低功率損耗裝置特徵在於，所述空隙的長度根據流至所述誘導負荷的電流的變化而控制。
而且，本發明的降低功率損耗裝置特徵在於，對於流至所述誘導負荷的電流的變化通過變流器進行檢測。
並且，本發明的降低功率損耗裝置特徵在於，所述變流器的磁芯為夾鉗形。
而且，本發明的降低功率損耗裝置特徵在於，所述第一電容器具有在滅弧室設置滅弧片的高速切斷裝置。
並且，本發明的降低功率損耗裝置特徵在於，所述誘導負荷為三相負荷，所述第一電容器與電感器分別與所述誘導負荷的各個相併聯連接。
另外，本發明的降低功率損耗裝置特徵在於，所述降低功率損耗裝置的用於控制第五諧波的第二電容器與所述電感器串聯連接。
發明的效果
本發明的降低功率損耗裝置具有如下效果，當負荷的功率因數發生變化時，未替換電容器，因而，在電容器中不會產生衝擊電壓。
並且，本發明的降低功率損耗裝置具有如下效果，即使變化電感器的電感，也不會產生滅弧電壓或滅弧電流，並降低功率損耗。
另外，本發明的降低功率損耗裝置也具有如下效果，能夠保護負荷絕緣。
附圖說明
圖1為現有節電系統的框圖；
圖2為本發明的功率因數改善型降低功率損耗裝置的概念圖；
圖3為本發明的可變型電感器的概念圖；
圖4為顯示本發明的可變型電感器的驅動概念的附圖；
圖5為將本發明的功率因數改善型降低功率損耗裝置適用於三相四線式負荷的電路圖；
圖6為本發明的三相用可變型電感器的概念圖。
附圖標記說明
50:電機 60、161、163、165:變流器
70、170:磁芯驅動部 80、L、L1、L2、L3:電感器
81:線圈 91、93:磁芯
100、130:電源 120:高速切斷裝置
C、C0、Cuv、Cvw、Cwu，:電容器 l1、l2:磁路的長度
具體實施方式
首先，對本發明的概念進行說明。
在本發明中「最優的功率因數」是指用戶作為目標的功率因數。例如，用戶將功率因數100％的值作為目標，且也能夠以韓國電力公司的電供應條款第43條的規定中公開的滯後功率因數90％、超前功率因數95％或該範圍作為目標。
下面，參照附圖對本發明的優選的實施例進行更具體地說明。
圖2為本發明的功率因數改善型降低功率損耗裝置的概念圖。
在圖2中，附圖標記100為單相220V的電源，50為與電源100連接的電機。因電機50為誘導負荷，由此，因功率因數降低而使滯後的電流流動。該功率因數根據經過電機50的機械負荷，即，低負荷、額定負荷、過負荷而改變功率因數。
在經過電機50的機械負荷為一定的情況下，並聯連接電容器C，由此改善流至電機50的滯後的電流為功率因數100％，即，最優的功率因數。
但在電機50或普通電負荷中，因功率因數變化，隨著功率因數的變化，必須變化電容器C的容量，才能將流至電機50或普通電負荷的滯後的低的功率因數改善為最優的功率因數。
在本發明中，如圖2顯示所示，固定使得不改變電容器C的容量，並將電容器C的容量與最優的功率因數相比而成為超前的電流，並聯連接可變電感器L，而使電感發生線性變化，由此，將通過電容器C而成為電容的功率因數逆轉為滯後的功率因數，由此，得到最優的功率因數。
如上所述，不替換電容器C，變化電感器L的電感，由此，獲得如下效果，在替換電容器C時，不會產生衝擊電壓，並且，即使變化電感，也不會因發生線性變化，而在電感器L產生任何過度電流。
下面，對於具有在本發明中使用的可變電感的可變型電感器80，參照圖3進行具體說明。
圖3為本發明的可變型電感器80的概念圖。
圖3所示的可變型電感器80為在圖2中說明的電感器L。
在圖3中，附圖標記91、93為磁芯，81為環繞磁芯91、93且纏繞於未顯示的繞線筒的線圈。該線圈81具有兩端子P1、P2。
磁芯91、93構成圓弧，磁芯91與磁芯93相互相對地旋轉移動。即，在圖3的(a)中，磁芯91與磁芯93重疊，在圖3的(b)中，磁芯93由磁芯91的位置以順時針旋轉方向移動90°左右，在圖3的(c)中，磁芯93由磁芯91的位置以順時針方向移動180°。
如上所示，因磁芯93旋轉，在因線圈81而發生的磁通經過的磁路(由虛線表示的部分)中，增加通過磁芯的長度l1，並縮減通過空隙的長度l2，從而，獲得改變電感器80的電感的可變型電感器L。該可變型電感器L與在滑線電阻調壓器分層變化電感不同，進行線形電感變化。即，在不替換電感器的情況下，不會隨著電感發生線性變化而發生衝擊電壓或滅弧電壓。
下面，對於誘導負荷即電機50或一般電負荷的功率因數變化的相應的可變型電感器80的驅動，參照圖4進行具體說明。
圖4為顯示本發明的可變型電感器的驅動概念的附圖。
在圖4中，附圖標記60是指檢測流至電機50的電流的變流器，70是指驅動磁芯93以用於改變電感器L的電感的磁芯驅動部，C0為用於去除在誘導負荷顯示的第五諧波的電容器。
磁芯驅動部70通過電源100電壓與變流器60而接收所輸入的流至電機50的電流，在未顯示的電子電路中通過電壓與電流的相位差而計算功率因數。旋轉移動電感器L的磁芯93，以根據所計算的功率因數而保持最優的功率因數，從而，控制電感的大小。
按照如上所述的方法，根據在電機50中發生細微變化的功率因數而細微調整電感器L的電感。
但因用戶所需的最優的功率因數保持在一定範圍內，由此，與通過電壓與電流的相位差而進行精密的控制相比，僅通過按照具有電機50的機械負荷而區分為低負荷(額定電流的40％)、額定負荷(額定電流)、過負荷(額定電流的120％)等的步驟的電流的大小，通過繼電器(電流繼電器(current relay))等簡單的電子電路也能夠調整電感器L1的電感。在如上所述情況下，不能細微調整功率因數，但能夠為在最優的功率因數範圍內驅動磁芯驅動部70的簡單的電路的結構。
下面為對使用檢測三步驟負荷的電流繼電器的本發明的降低功率損耗裝置而進行的功率因數變化的試驗結果。
表1
在所述表1中，無電流繼電器的情況為未使用電感器L並僅使用電容器C的情況。
第二電容器C0能夠在電介質內部等效串聯電阻(ESR:equal series resistance)利用極小的特殊電容器[一般為mΩ單位，但特殊電容器以μΩ為單位]而開閉電器電機等誘導負荷的電路時，快速吸收瞬間電壓及瞬間電流發生過度上升的現象，即脈衝(impulse)，從而，保護電路的開閉裝置或負荷，並且，也能夠減少過度時產生的能源損耗。
下面，參照圖5對適用於三相四線式負荷的本發明的功率因數改善型降低功率損耗裝置進行具體說明。
圖5為將本發明的功率因數改善型降低功率損耗裝置適用於三相四線式負荷的電路圖。
在圖5中，附圖標記130是指三相四線式的電源，150是指誘導負荷即電機或一般電器負荷。
附圖標記120為用於將電容器Cuv、電容器Cvw及電容器Cwu與負荷150並聯連接或切斷的高速切斷裝置120，並在滅弧室具有滅弧片。因具有滅弧片，而防止在開關之間產生電弧。
並且，附圖標記170是指三相四線式用磁芯驅動部。
本發明的適用於三相四線式負荷的功率因數改善型降低功率損耗裝置的基本結構及原理，與在圖4中說明的適用於單相負荷的降低功率損耗裝置相同，省略相同部分的說明。
例如，380V三相四線式電源為中性線N，各個相之間的電壓為220V。
因此，在負荷150的U相連接電感器L1，在V相上連接電感器L2，在W相連接電感器L3，各個電感器L1、L2、L3與第五諧波去除用電容器C01、C02、C03串聯連接，由此，與中性線N連接。在此，在未設置第五諧波去除用電容器C01、C02、C03的情況下，各個電感器L1、L2、L3分別與中性線N直接連接。
為了將誘導負荷150的滯後電流轉換為超前電流，電容器Cuv、電容器Cvw及電容器Cwu與各個相U、V、W連接。在圖5中，電容器Cuv、電容器Cvw及電容器Cwu構成為△結線，但也能構成為Y結線。
磁芯驅動部170接收所輸入的通過電源130的各個相U、V、W的電壓與變流器161、163、165而流至負荷150的電流，在未圖示各個相的電壓與電流的相位差的電子電路上，分別按各個相而計算功率因數。旋轉移動電感器L1、電感器L2及電感器L3的磁芯93，以根據計算的功率因數，而使各個相保持最優的功率因數，從而控制電感的大小。
通過如上所述的方法，根據在負荷150)中產生細微變化的各個相的功率因數，將電感器L1、L2、L3、的電感按各個相進行細微調整。
但因最優的功率因數一般平均地保持一定範圍的功率因數，由此，未按各個相細微調整電感器L1、L2、L3、的電感，並根據各個相的平均功率因數而形成一個磁路，且能夠改變按該磁路的磁阻。
圖6為本發明的三相用可變型電感器的概念圖。
如圖6中顯示所示，將電感器L1、L2、L3的線圈81纏繞於未顯示的一個繞線筒，並構成貫通未顯示的繞線筒的磁芯91及磁芯93。
在磁芯驅動部170中，根據負荷150的綜合功率因數，也能夠旋轉移動磁芯93。
並且，將負荷150的綜合功率因數也能夠僅根據低負荷(額定電流的40％)、額定負荷(額定電流)、過負荷(額定電流的120％)等步驟區分的電流的大小，而通過繼電器(電流繼電器(currentrelay))等簡單的電子電路調節電感器L1、L2、L3的電感。如上所述的三相用可變型電感器提供非常簡單的結構。
下面為使用本發明的三相用降低功率損耗裝置而通過改善三相電機的功率因數而改變電流及無功功率的試驗結果。
表2
*試驗電機的規格:380V 132kw渦輪電機
如所述表2中顯示所示，能夠了解到，各個相的電流減少率為減少了16～18％左右，無功功率也減少了31.7％。
即，能夠確認到根據改善各個相的功率因數，通過減少電流，而減少根據使用電機50或一般電器負荷而產生的功率損耗。
產業上可利用性
本發明的降低功率損耗裝置能夠有效應用於電力輸送配電領域。