專利名稱：功率因數(shù)自動修正系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力控制電路，更具體而言涉及一種用于監(jiān)控及修正一電力設備的功率因數(shù)的改進系統(tǒng)。
背景技術：
電力是一種非常通用且便利的能源。然而，在發(fā)電及配電中存在各種成本，當電力需求增加時，該些成本也趨于增加。因此，始終存在一種提高電力傳輸及利用效率及相反地，降低電力傳輸及使用中的損耗及浪費的動力。
交流電的特征為電流與電壓之間存在一相位關系。電流滯后于電壓起因于感性負載占優(yōu)勢，而電流超前于電壓則起因于容性負載。同相關系起因于電阻性負載或感性負載與容性負載之間相平衡。由于電路中感性電抗或容性電抗的影響，同相電流產(chǎn)生“有效”或電阻性功率，而不同相電流產(chǎn)生“視在”或無功功率。一電流與電壓之間相位關系的常用量度是功率因數(shù)，其等于電流與電壓之間相角的余弦。當相位關系呈有效阻性時，功率因數(shù)達到最大值1；當相位關系呈有效感性時，功率因數(shù)為正且小于1；當相位關系呈有效容性時，功率因數(shù)為負且小于1。
目前存在的趨勢是連接至電源線路的感性負載類型多于容性負載類型，例如，電動機、變壓器等等。通常，當工業(yè)電力用戶的負載驅使功率因數(shù)降至小于一選擇值時，電力公司對其加收額外費用。為避免此情況，工業(yè)用戶通常將功率因數(shù)修正電容器連同其感性負載一起連接至電源線路，以補償功率因數(shù)并使功率因數(shù)保持在一經(jīng)濟水平。
在家用電力設備中，電冰箱、通風設備、空調、照明及(在某些情形下)供暖設備消耗了大部分的電能。通信設備、計算機、娛樂裝置等也使用相對少量的電能。通常家用設備及小型企業(yè)設備使用的電度表不區(qū)分有效功率與視在功率。因此，即使視在功率未實際“消耗”于對用戶有用的任何目的，用戶也須支付有效功率與視在功率二者的費用。
雖然已存在可用于大型工業(yè)電力用戶的功率因數(shù)修正系統(tǒng)，但尚未出現(xiàn)用于家用及小型企業(yè)用戶的實用或經(jīng)濟的功率因數(shù)修正裝置。一般而言，工業(yè)用功率因數(shù)修正系統(tǒng)是與其擬定補償?shù)脑O備配套的，并且與此設備協(xié)調啟動。在過去，從未考慮過家用財產(chǎn)所有者為每一可能的感性負載安裝功率因數(shù)修正裝置是實用的或經(jīng)濟的。此外，家用感性設備通常會在(例如)恒溫調節(jié)器的控制下隨機啟動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于修正小型電力設備(例如，家庭、公寓、小型企業(yè)等使用的電力設備)功率因數(shù)的系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)通常包括復數(shù)個選擇性耦合至一電源線路的電抗單元或電容器及一用于確定連接至電源線路的電容器是否已對功率因數(shù)產(chǎn)生有利影響的傳感器單元。
一般而言，本發(fā)明測量一電力設備負載所吸取的功率的一電氣參數(shù)(其能夠指示該負載所吸取的無功功率值)并將一電抗元件組合耦合至電源線路以大體補償由所測量電氣參數(shù)指示的無功功率值。本發(fā)明針對一完全基于一所測量電流值及補償電抗對該所測量電流值的影響的第一實施例及一基于一所吸取功率的相角測量值的第二實施例。
更具體而言，本發(fā)明功率因數(shù)修正系統(tǒng)的第一實施例連續(xù)測量由設備吸取的電流值。當檢測到電流增大時，即假定一電力負載已啟動。將一電容器單元連接至電源線路后，再次測量電流。若電流值增大，則可確定電容器未對功率因數(shù)產(chǎn)生有利影響，并斷開電容器。反之，若所連接電容器使測量電流減小，則再在電源線路連接其他電容。重復此過程直到電流再次上升，在此刻，斷開最后連接的電容器。
在測量電力設備內(nèi)的負載所吸取的電流中，本發(fā)明將一定的電流測次數(shù)平均在時間上且直到在小于一所選擇時間間隔內(nèi)測量到一所選電流差變化時才采取補償措施。因此，該方法通過使系統(tǒng)相對而言免受所吸取電流微小變化的影響來減小開關瞬態(tài)量。在一較佳實施例中，本發(fā)明基于按一基本電容的倍數(shù)增加的補償電容，該基本電容在標稱電源線路頻率及電壓下將產(chǎn)生一吸取約1安培電流的電抗。對于線路頻率為60赫茲且標稱電壓為110伏特的電力設備而言，該基本電容為22微法。
本發(fā)明通過提供一組其電容值為2的不同次冪乘以基本電容的電容器來最大限度提高達到一補償電容器組合之速度。該組電容器包括1倍、2倍、4倍、8倍...128倍基本電容。通過此種方式，通過使補償電容值加倍直至所測量電流值增加而使功率因數(shù)修正快速達到一初始修正值。在二進制術語中，此初始修正值代表一“最高數(shù)位”。通過遞增(但非倍增)來繼續(xù)該過程直至確定出一亦填充“較低數(shù)位”的最佳組合值。
本發(fā)明的一典型設備包括一組八個補償電容器，其電容為22微法基本電容的2的不同次冪倍(自1至128倍)。該些補償電容器通過閉鎖開關連接于電源線路兩端。該些閉鎖開關連接至一控制器(例如微處理器或微控制器)的一八位輸出端口。通過此種方式，控制器可通過向輸出端口寫入一適當?shù)钠鋽?shù)位內(nèi)容對應于欲連接或斷開的電容器組合的二進制字而在電源線路兩端連接256種電容器組合中的任一組合或從電源線路斷開任一或所有電容器。
在基于相位的本發(fā)明第二實施例中，連續(xù)測量電流及電壓及二者間的相位關系。計算將相角減小至接近零所需的補償電容值大小。然后，將一大致等于補償電容值的電容器組合耦合至電源線路，以補償所感測到的感性負載。本發(fā)明的第二實施例與第一實施例使用相同的一組電容器且一般而言使用相同的裝置。因此，第二實施例使用一組其電容值為一基本電容的倍數(shù)的電容器，該基本電容在標稱線路頻率及電壓下將產(chǎn)生一吸取1安培電流的電抗。該組電容器的電容值同樣是2的不同次冪乘以基本電容。
結合附圖閱讀下文說明將清楚了解本發(fā)明的其它目的及優(yōu)點，其中該些附圖以圖解及舉例方式闡述本發(fā)明特定實施例。
該些附圖構成本說明書的一部分，其包括本發(fā)明的實例性實施例并例示說明本發(fā)明的各種目的及特征。
附圖簡單說明

圖1是一方塊圖，其展示一體現(xiàn)本發(fā)明的自動功率因數(shù)修正系統(tǒng)的主要組件。
圖2是一方塊圖，其展示自動功率因數(shù)修正系統(tǒng)的一電容器組。
圖3是一流程圖，其展示自動功率因數(shù)修正系統(tǒng)的一基于電流的主例程的方法步驟。
圖4是一流程圖，其展示一用于測量一電力設備所吸取電流的本發(fā)明例程的方法步驟。
圖5是一流程圖，其展示一種本發(fā)明用于修正功率因數(shù)的基于遞增電流的例程的方法步驟。
圖6是一展示本發(fā)明自動功率因數(shù)修正系統(tǒng)另一實施例的流程圖，該實施例基于對電力設備所吸取功率的直接相位測量。
圖7是一流程圖，其展示一種在基于相位的本發(fā)明替代實施例中用于進行相位測量的例程的步驟。
具體實施例方式
根據(jù)需要，本文揭示本發(fā)明的具體實施例；然而，應理解，所揭示實施例僅為本發(fā)明的實例性實施例，且本發(fā)明可實施為多種形式。因此，本文所揭示的特定結構及功能詳情不應被解釋為限定性說明，而是僅用作權利要求的基礎及教示所屬技術領域的技術人員如何以多種方式將本發(fā)明用于實質上任一適當?shù)木唧w結構的代表性基礎。
更詳細地參照附圖，參考數(shù)字1通常表示一種裝置，參考數(shù)字2通常表示一種用于自動修正一電力設備3(圖2)的功率因數(shù)的方法，其中電力設備3在隨機時刻自一電源線路4吸取的無功功率值可變。一般而言，本發(fā)明測量由電力設備3的負載5(圖2)所吸取的功率的一電氣參數(shù)(該電氣參數(shù)能夠指示由負載所吸取的無功功率值)，并將一電抗元件組合6耦合至電源線路4以大體補償由所測量電氣參數(shù)指示的無功功率值。
參照圖1，功率因數(shù)修正裝置1包括電流感測電路10，該電流感測電路10的輸出由電流換算電路11處理以供輸入至一電流模擬-數(shù)字轉換器(ADC)12。電流感測電路10可為(例如)一常規(guī)類型的夾線式電流傳感器，其可電磁耦合至一組交流電導體以測量流過該導體的電流。電流換算電路11可為一分壓器網(wǎng)絡或分流器網(wǎng)絡，其將測量值減小至一便于輸入至電流ADC 12的范圍。電流ADC 12的輸出是一數(shù)字字，該數(shù)字字的二進制值與流經(jīng)電源線路4中的電流測量值成正比。
所示裝置1還可包括電壓感測電路14、電壓換算電路15及一電壓模擬-數(shù)字轉換器(ADC)16。電壓感測電路14較佳直接連接于電源線路4兩端并包含電壓換算電路15，例如一分壓器網(wǎng)絡，電壓換算電路15將所感測電壓換算至所需值以供電壓ADC 16處理。電流感測電路10與電壓感測電路14的連接方式構成測量流經(jīng)電源線路4中的功率相位的基礎。電流感測電路10電磁耦合至電源線路4，且因此，其讀數(shù)可追蹤流經(jīng)電源線路4中的電流值。另一方面，電壓感測器14導電連接至電源線路4，且因此受電源線路兩端電壓的影響。在裝置1的第一實施例中，無需設置電壓感測元件14、15及16。由于夾線式電流傳感器10的性質為感性，因而會增加一其自身的微小相移，此可在相位確定中引入一定誤差。然而，如下文所將祥述，該等相移是恒定的且可通過測量校準步驟遮蔽。另一選擇為，亦可使用無需感性耦合的其它類型電流感測元件，例如，基于霍爾效應的電流傳感器。電流傳感器10及電壓傳感器14也較佳包含半波整流器。
電流ADC 12及(若有)電壓ADC 16連接至一控制器20的端口，控制器20可為一微處理器、微控制器、或類似控制器等。所示控制器20包括用于存儲程序及固定數(shù)據(jù)的快閃可編程ROM(只讀存儲器)22及用于存儲臨時數(shù)據(jù)的RAM(讀/寫存儲器)24?？刂破?0可由眾多已知類型嵌入式微處理器、微控制器等類似裝置中的任一類型構建而成。例如，控制器20可為由微芯片技術公司(Microchip Technology，Inc.網(wǎng)址為www.microchip.com)制造的PIC16F87X系列微控制器之一。控制器20包括一并行端口26，該并行端口26通過一組驅動器28及固態(tài)繼電器或閉鎖開關30連接至一電容器組6中的復數(shù)個電容器32。
圖2詳細展示電容器組6及電容器組6中的電容器32與控制器20的端口26的連接方式。端口26展示為具有被標為P0至P7的八個位36。每一位36均通過一閉鎖開關30連接至一特定電容器32。所展示電容器32的值為(1×C)至(128×C)，其以2的冪的形式變化或倍增。值“C”選擇為該電容值在電源線路4的標稱線路頻率及標稱線路電壓下將形成一可吸取約1安培電流的容性電抗。在60赫茲線路頻率及110伏特標稱交流線路電壓下，“C”值為22微法。另一選擇為，視所需的修正分辨度而定，亦可將“C”值確定為吸取其它電流值，例如二分之一安培、四分之一安培或類似數(shù)值等。在此情形中，仍較佳使電容器組6中電容器32的值以倍數(shù)2改變，以便于對電容器32實施二進制開關控制。
通過使用這樣一組電容器32，裝置1的補償分辨率為1安培修正值。以如圖2所示方式啟動的所示電容器組6中的該組電容器32可以增量“C”提供自零至255倍“C”的任一電容值?？刂破?0僅需向端口26寫入一二進制字，其中該字之二進制內(nèi)容對應于已確定的需耦合至電源線路4的電容器32。驅動器28提供絕緣及用于操作固態(tài)繼電器30(例如，三端雙向可控硅開關、SCR或類似繼電器等)的驅動電流。繼電器或開關30或驅動器28均較佳具有閉鎖能力，以保持寫入至端口26的最新啟動狀態(tài)，直到由一來自控制器20的新字改變該狀態(tài)為止。裝置1既可設置為使用一正邏輯，亦可設置為使用一負邏輯，其中在正邏輯中由一邏輯1啟動開關30，而在負邏輯中由邏輯0啟動開關30。
每一由一電容器32及其閉鎖開關30組成的組均連接于電源線路4兩端。在所示電容器組6的一實體性實施例中，可并聯(lián)連接各組帶有閉鎖開關30的電容器32且僅需將其插入電力設備3的一便捷插座內(nèi)即可，該插座較佳位于該設備3的一配電盒(未圖示)附近。圖2展示通過相應的設備開關38連接至電源線路4的裝置5。
圖3展示一本發(fā)明功率因數(shù)修正方法2的一基于電流值的實施例44的主例程。該電流方法44為一用于補償電力設備3的負載5所吸取的無功功率的連續(xù)逼近方法。一般而言，方法44測量電流并將該電流與先前所測電流值相比較。若差值較大，則啟動電容器32直至電流增大。在此刻，方法44將電容值恢復至剛好引起所吸取電流增大的值之前的電容值。方法44基于如下事實在電源線路4兩端連接一定數(shù)值的電容可補償由負載5所吸取的感性功率，且因此降低所吸取的總電流。而當超過最佳電容值時，相角會變?yōu)槿菪?，致使電流值減小。因此，方法44恢復至最佳電容值。
參照圖3，在步驟48中，初始化所有變量，在步驟50中，根據(jù)需要換算先前測量的高電流值及低電流值(H及L)。例如，在步驟50中，設定先前的高電流值及低電流值以定義一欲考慮的最小增量。在步驟52中，如下文將參照圖4所祥述，對電流ADC 12進行采樣。在判斷步驟54中，將所得到的平均電流值ADC與先前的低電流值(L)相比較。若ADC小于先前換算的低電流值，則在步驟55中，將先前的低電流值L設定至當前平均值ADC，并且該過程返回來重復步驟50、52及54。在判斷步驟56中，若平均值ADC超過先前的高電流值(H)，則在步驟58中，可觀察到一穩(wěn)定的延遲間隔，并在步驟60中，再次對電流ADC 12進行采樣。若判斷步驟62確定出當前存在任一已啟動的電容器32，則在步驟64中，通過向端口26寫入一空字(00000000)來斷開此等電容器32，然后，在查找最小電流的步驟66(圖5)中，依次使各電容器32恢復與電源線路4并聯(lián)，直至所測量電流升高。
參照圖4，其展示采樣ADC例程52/60。在步驟70中，對一與負載5通過電源線路4所吸取的電流成正比的電流值采樣一選定次數(shù)。該電流采樣次數(shù)依賴于控制器20的速度及方法44的總體處理需求。在步驟72中，從在步驟70中所產(chǎn)生的樣本組中選擇一最高峰值H和一最低峰值L。峰值是指電源線路4中電流波形的正弦峰值。另外，在步驟74中，計算樣本組的平均值并將其存儲作為“ADC”。在步驟76中，例程52/60帶著變量H、L及ADC返回至調用方法44。下文中，所有標有“采樣ADC”的方法步驟均將以參照步驟52/60所述的方式執(zhí)行。
圖5展示例程66，該例程66用于實際修正受裝置5所吸取電流影響的電源線路4的功率因數(shù)。在步驟80中，初始化例程66的變量，隨后執(zhí)行一初始電流最小化循環(huán)82。在判斷步驟84中，確定是否已試用每一電容器32。不可能循環(huán)試遍具有如圖2所示電容值的所有電容器32。電容器組6中最高值電容器32的值為128乘22微法，此代表一128安培的無功電流修正量。而絕大部分家用電力設備的工作電流不超過100安培。若在步驟84中尚未超出循環(huán)計數(shù)，則在步驟86中，經(jīng)歷一設定延遲，隨后執(zhí)行一如上文參照步驟52及60所述的“采樣ADC”步驟88。在判斷步驟90中，確定所測量電流是否已減小。若電流已減小，則在步驟92中將電容加倍并重復循環(huán)82。應注意，在執(zhí)行第一次循82時，在步驟92中應在電源線路4兩端連接最小值(1倍C)電容。
若在判斷步驟90中電流未減小，即若電流增大，則在判斷步驟96中，確定是否僅已試用第一電容器增量(1倍C)。若是，則在步驟98中，斷開電容值為(1×C)的電容器，在步驟100中對電流ADC12進行采樣，然后，在步驟102中，例程66返回至調用方法44。若已連接除(1×C)電容器外的任一電容器32，則在步驟106中，將該電容值減半以恢復至在判斷步驟90中電流增大前的電容值，并保存值C1(等于電容減半前的值)，然后進入最終電流最小化循環(huán)108。
在每次循環(huán)108中，均在步驟112中執(zhí)行一判斷來確定當前電容值是否小于由循環(huán)82得到的電容值。若是，則等待至一設定延遲114結束，在步驟116中對電流ADC 12進行采樣，并在步驟118中執(zhí)行一電流減小步驟。若在判斷118中所測量電流減小，則在步驟120中，將電容值遞增一“C”值。若在判斷步驟118中電流值未減小，則在步驟122中遞減該電容值，在步驟124中對電流值進行采樣，然后在步驟126中，例程66返回至調用方法44。若循環(huán)108一直重復直至判斷步驟112返回一“偽”值，則例程66也會在步驟126處返回，其原因在于已在循環(huán)108中試用了最大補償電容值但仍未增大所測量電流。
圖6展示本發(fā)明功率因數(shù)修正方法的一基于相位的替代實施例130。方法130能夠測量由隨機啟動的電力設備3的裝置5在電源線路4中引起的相移變化程度、確定一用于補償功率的無功相位關系的電容器32的組合，并將該電容器組合耦合至電源線路4，以使電源線路4的相位關系恢復至一大體電阻性或至少最小化的相角。
方法130通常通過檢測電壓波形與電流波形的過零點順序及測量電壓波形及電流波形過零點之間的時間間隔(若有)來測量相位。此為一種眾所周知的相位測量技術，相關技術領域的技術人員可設想出眾多用于此種過零檢測器(未圖示)的電路構造。此過零檢測器電路可在裝置1中與電壓及電流感測電路10-16(圖1)組合使用。然而，亦可使用單獨的電流及電壓感測電路10-16來執(zhí)行方法130。
與方法44相似，基于相位的功率因數(shù)修正方法130首先在步驟134中初始化各變量，在步驟136中，換算先前確定的電流測量值H及L，然后，在步驟138中對電流ADC 12進行采樣。步驟138實質上與方法44中所述的采樣ADC步驟52相同。判斷步驟140及142與方法44中的判斷步驟54及56相似，其確定當前所測電流值是否明顯不同于先前所測電流值。在判斷步驟140中，若當前所測電流值小于先前的低峰值L，則在步驟141中使用新的ADC電流值取代值L，然后重復步驟136及138。若在步驟142中，ADC值不大于先前所測高峰值H，則重復步驟136及步驟138。在所示方法130中，僅在判斷步驟140及142檢測到所測電流值出現(xiàn)一選定變化時，方法130才試圖修正功率因數(shù)。
若判斷步驟142之結果為肯定結果，則在步驟144中經(jīng)歷一設定延遲之后，在步驟146中對電流ADC 12進行采樣，然后進入一如下文將參照圖7所祥述的“查找相位”例程150。若如判斷步驟150所判斷，查找相位例程150確定相位呈容性，則方法130在步驟156中計算電容器32的組合以最大限度減小所測相角，然后，在步驟158中，根據(jù)需要斷開電容器以修正相位。在實際中，當一裝置5斷開，使得電容器組6過修正電力設備3時，需使用步驟156及158。若如判斷160所示，例程150確定相位呈感性，則在步驟162中，方法130計算用于修正相位所需的電容器32組合，并在步驟164中，接通由步驟162確定的電容器32組合。
參照圖7，在步驟170中，查找相位例程150等待傳感器14及10所測電壓及電流過零，然后，在步驟172中使用ADC 16及ADC 12對電壓及電流進行采樣。在判斷步驟174、176及178中，方法150在判斷步驟174中確定電壓及電流是否同時過零，在判斷步驟176中確定是否是電壓首先過零伏特，及在步驟178中確定是否是電流首先過零安培。若在一所選時間窗口內(nèi)電壓及電流基本同時過零，則可在步驟180中確定出電源線路4的相位關系呈電阻性，且在步驟180中，該方法返回并向判斷步驟154及160作出答復“否”。
若判斷步驟176確定出電壓首先過零，則在步驟186中，確定相位關系呈感性并啟動一相位計時器。在一相位計時循環(huán)188期間，在步驟190中通過電流ADC 12對電流進行重復采樣，直至判斷步驟192確定電流已過零。此時，即可獲得相位計時器值并在步驟194中將該相位計時器值換算至一相位因數(shù)。該相位因數(shù)指示所需相位修正是感性修正還是容性修正。該相位因數(shù)還與步驟196換算出的所需修正值成正比。此后，在步驟198中，例程150返回方法130。
類似地，若判斷步驟178確定電流首先過零，則在步驟200中確定相位關系呈容性并啟動相位計時器。在步驟204中，一相位計時器循環(huán)202通過電壓ADC 16對電壓進行重復采樣，直至判斷步驟206指示電壓已過零。在步驟208中，將最終計時器值換算至一相位因數(shù)，而該相位因數(shù)又在步驟196中被換算至一修正電容值。然后，在步驟198中，例程150返回至方法130。
方法44及方法130，連同支持例程52、66及150均為連續(xù)方法，其連續(xù)測量電源線路4的電流或電流及相位關系并將電容器32組合耦合至電源線路4，以在所使用硬件及軟件的分辨率范圍內(nèi)補償所檢測到的任一非電阻性功率因數(shù)。若裝置1斷電或以其它方式中斷，則方法44及方法130自啟動且無需輸入初始設定值。裝置1不需后備電池，而是可使用一電源(未圖示)自電源線路4獲得其工作電源。固態(tài)繼電器/閉鎖開關30較佳配置為若與其相連的工作電源中斷，則繼電器30分斷，以便僅當提供給裝置1其余部分的電源能夠操作裝置1時才耦合修正電容器32。因此，裝置1實質為故障安全裝置。
應理解，雖然本文已例示并闡述了本發(fā)明的特定形式，但本發(fā)明并不限于所闡述及展示的特定形式或部件布置。
權利要求
1.一種用于對一包括一電源線路的電力設備進行功率因數(shù)修正的功率因數(shù)修正裝置，所述電源線路具有一與其耦合的吸取交流電功率的負載，所述交流電功率包括一潛在可變無功功率值，所述裝置包括(a)一功率傳感器，其耦合至所述電源線路并用于測量由所述負載吸取的電功率的一電氣參數(shù)，所述參數(shù)能夠指示一由所述負載吸取的無功功率值；(b)復數(shù)個電抗元件；(c)開關電路，其可控制用于將所述電抗元件單獨或以所選組合方式耦合至所述電源線路；及(d)一控制器，其連接至所述傳感器及所述開關電路，并可響應一由所述電氣參數(shù)指示的無功功率值致使所述開關電路將一適當?shù)乃鲭娍乖M合耦合至所述電源線路，以大體補償所述電氣參數(shù)指示的所述無功功率值。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述電氣參數(shù)包括(a)一與由所述負載吸取的一電流值成正比的值。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述電氣參數(shù)包括(a)一與由所述負載吸取的所述電功率的一電相角成正比的值。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述電抗元件包括(a)復數(shù)個電容器。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述電抗元件包括(a)一組電容器，其所具有的電容值以2的冪自一最小電容值變化至一最大電容值。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述電抗元件包括(a)復數(shù)個電容器，每一電容器的電容值均為一基本電容值的倍數(shù)；及(b)所述基本電容值為可在所述電源線路的一標稱線路頻率及線路電壓下產(chǎn)生一吸取大體1安培電流的電抗的電容值。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中(a)所述控制器包括一由一特定復數(shù)個端口端構成的數(shù)字端口；(b)所述開關電路包括閉鎖元件，該閉鎖元件將每一所述電抗元件耦合至所述端口端中的特定端口；及(c)所述控制器通過向所述端口寫入一具有一對應于所述電抗元件中選定電抗元件的位內(nèi)容的多位二進制字而使所述電抗元件中的所述選定電抗元件耦合至所述電源線路。
8.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其包括(a)所述電氣參數(shù)包括一由所述負載吸取的電流值；(b)所述電抗元件包括復數(shù)個電容器，每一電容器的電容值均為一基本電容值的倍數(shù)；(c)所述基本電容值為可在所述電源線路的一選定標稱線路頻率及一選定標稱線路電壓下產(chǎn)生一吸取大體1安培電流的電抗的電容值；及(d)所述該組電容器所具有的電容值以2的冪自所述基本電容值變化至一最大電容值。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中所述電氣參數(shù)進一步包括(a)一大體與由所述負載吸取的所述電功率的一電相角成正比的第二值。
10.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中(a)所述控制器包括一由特定復數(shù)個端口端構成的數(shù)字端口；(b)所述開關電路包括將每一所述電容器耦合至所述端口端中特定端口的閉鎖元件；及(c)所述控制器通過向所述端口寫入一具有一對應于所述電容器中選定電容器的位內(nèi)容的多位二進制字而使所述電容器中的所述選定電容器耦合至所述電源線路。
11.一種用于對一包括一電源線路的電力設備進行功率因數(shù)修正的方法，所述電源線路具有一與其耦合的吸取交流電功率的負載，所述交流電功率包括一潛在可變無功功率值，所述方法使用電抗元件并包含如下步驟(a)自動測量由所述負載吸取的電功率的一電氣參數(shù)，所述電氣參數(shù)能夠指示一由所述負載吸取的無功功率值；及(b)自動將所述電抗元件的一適當組合耦合至所述電源線路，以由此大體補償由所述電氣參數(shù)指示的所述無功功率值。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述測量一電氣參數(shù)的步驟包括如下步驟(a)測量一大體上與所述負載所吸取的一電流值成正比的值。
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其包括如下步驟(a)測量一大體上與所述負載所吸取的一電流值成正比的值；(b)將一電抗元件耦合至所述電源線路；(c)重復所述測量及耦合步驟，以由此將一漸增的電容值耦合至所述電源線路直至所述電流值增大；及(d)此后，恢復至剛好在所述電流值增大之前耦合至所述電源線路的電抗值。
14.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述耦合步驟包括(a)將一或多個電容器耦合至所述電源線路。
15.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，所述電容器組所具有的電容值以2的冪自一最小電容值變化至一最大電容值。
16.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，其中每一電容器的電容值均為一基本電容值的倍數(shù)，且所述基本電容值為可在所述電源線路的一選定標稱線路頻率及一選定標稱線路電壓下產(chǎn)生一吸取大體1安培電流的電抗的電容值。
17.根據(jù)權利要求11所述的方法，其包括如下步驟(a)提供一包括一由一特定復數(shù)個端口端構成的數(shù)字端口的控制器及一包括將每一電抗元件耦合至所述端口端中特定端口的閉鎖元件的開關電路；及(b)所述控制器通過向所述端口寫入一具有一對應于所述電抗元件適當組合的位內(nèi)容的多位二進制字而將所述電抗元件適當組合耦合至所述電源線路。
18.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述測量一電氣參數(shù)的步驟包括如下步驟(a)測量一大體上與所述負載所吸取的所述電功率的一電相角成正比的值。
19.根據(jù)權利要求11所述的方法，其包括如下步驟(a)測量一大體上與所述負載吸取的所述電功率的一電相角成正比的值；(b)自動計算一補償電抗值以最大限度減小所述電功率的所述電相角；及(c)自動控制將大體相當于所述補償電抗值的所述電抗元件適當組合耦合至所述電源線路。
20.一種用于對一包括一電源線路的電力設備進行功率因數(shù)修正的方法，所述電源線路具有一與其耦合的吸取交流電功率的負載，所述交流電功率包括一潛在可變無功功率值，所述方法包含如下步驟(a)自動測量一大體上與所述負載所吸取的一電流值成正比的電流值；(b)將一具有一所選電容的電容器耦合至所述電源線路；(c)重復所述測量及耦合步驟，以由此將一漸增的電容值耦合至所述電源線路直至所述電流值增大；及(d)此后，恢復至剛好在所述電流值增大之前耦合至所述電源線路的電容值。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，所述該電容器所具有的電容值以2的冪自一最小電容值變化至一最大電容值。
22.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，其中每一電容器的電容值均為一基本電容值的倍數(shù)，且所述基本電容值為可在所述電源線路的一選定標稱線路頻率及一選定標稱線路電壓下產(chǎn)生一吸取大體1安培電流的電抗的電容值。
23.一種用于對一包括一電源線路的電力設備進行功率因數(shù)修正的方法，該電源線路具有一與其耦合的吸取交流電功率的負載，所述交流電功率包括一潛在可變無功功率值，所述方法包含如下步驟(a)測量一大體上與所述負載吸取的所述電功率的一電相角成正比的相位值；(b)自動計算一補償電抗值以最大限度減小所述電功率的所述電相角；及(c)自動控制將一電容器組合耦合至所述電源線路，以產(chǎn)生一大體相當于所述補償電抗值的電抗值。
24.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，所述該組電容器所具有的電容值以2的冪自一最小電容值變化至一最大電容值。
25.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，其中每一電容器的電容值均為一基本電容值的倍數(shù)，且所述基本電容值為在所述電源線路的一選定標稱線路頻率及一選定標稱線路電壓下產(chǎn)生一吸取大體1安培電流的電抗的電容值。
26.一種用于對一包括一電源線路的電氣設備進行功率因數(shù)修正的功率因數(shù)修正裝置，該電源線路具有一與其耦合的吸取交流電功率的負載，所述交流電功率包括一潛在可變無功功率值，所述裝置包括(a)功率傳感器電路，其耦合至所述電源線路并可用于檢測由所述負載吸取的電功率的一電氣參數(shù)，所述電氣參數(shù)指示一所述電源的電壓與電流的相位關系；(b)復數(shù)個電抗元件；(c)開關電路，其可控制用于將所述電抗元件單獨或以所選組合方式耦合至所述電源線路；及(d)一控制器，其連接至所述功率傳感器電路及所述開關電路，并可響應一由所述電氣參數(shù)指示的所述相位關系的值而致使所述開關電路將一所述電抗元件的適當組合耦合至所述電源線路，以由此最大限度減小由所述電氣參數(shù)指示的所述相位關系。
27.根據(jù)權利要求26所述的裝置，其中(a)所述功率傳感器檢測所述電源的所述電壓及電流的各自的過零點；及(b)所述控制器檢測一系列所述各自的過零點，并測量其間的一時間間隔以由此確定所述相位關系。
28.根據(jù)權利要求26所述的裝置，其中所述電抗元件包括(a)復數(shù)個電容器。
29.根據(jù)權利要求26所述的裝置，其中所述電抗元件包括(a)一組電容器，其所具有的電容值以2的冪自一最小電容值變化至一最大電容值。
30.根據(jù)權利要求26所述的裝置，其中所述電抗元件包括(a)復數(shù)個電容器，其中每一電容器的電容值均為一基本電容值的倍數(shù)；及(b)所述基本電容值為可在所述電源線路的一標稱線路頻率及線路電壓下產(chǎn)生一吸取大體1安培電流的電抗的電容值。
31.根據(jù)權利要求26所述的裝置，其中(a)所述控制器包括一由一特定復數(shù)個端口端構成的數(shù)字端口；(b)所述開關電路包括閉鎖元件，所述閉鎖元件將每一所述電抗元件耦合至所述端口端中的特定端口；及(c)所述控制器通過向所述端口寫入一具有一對應于所述電抗元件中選定電抗元件的位內(nèi)容的多位二進制字而使所述電抗元件中的所述選定電抗元件耦合至所述電源線路。
32.一種用于對一包括一電源線路的電力設備進行功率因數(shù)修正的方法，該電源線路具有一與其耦合的吸取交流電功率的負載，所述交流電功率包括一潛在可變無功功率值，所述方法包含如下步驟(a)通過下列方式測量一大體上與所述負載所吸取的所述電功率的電壓與電流之間的電相角成正比的相位值檢測所述電壓及電流的一系列相應的過零點，測量所述過零點之間的一時間間隔，并將所述時間間隔換算至所述相角；(b)自動計算一補償電抗值以最大限度減小所述電功率的所述電相角；及(c)自動控制將一電容器組合耦合至所述電源線路以產(chǎn)生一大體相當于所述補償電抗值的電抗值。
33.根據(jù)權利要求32所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，所述該組電容器所具有的電容值以2的冪自一最小電容值變化至一最大電容值。
34.根據(jù)權利要求32所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，其中每一電容器的電容值均一基本電容值的倍數(shù)，且所述基本電容值為可在所述電源線路的一選定標稱線路頻率及一選定標稱線路電壓下產(chǎn)生一吸取大體1安培電流的電抗的電容值。
35.根據(jù)權利要求32所述的方法，其包括如下步驟(a)提供一包括一由一特定復數(shù)個端口端構成的數(shù)字端口的控制器及一包括用于將每一所述電容器耦合至所述端口端中特定端口端的閉鎖元件的開關電路；及(b)所述控制器通過向所述端口寫入一具有一對應于所述電容器適當組合的位內(nèi)容的多位二進制字而將所述電容器適當組合耦合至所述電源線路。
36.一種用于對一包括一電源線路的電力設備進行功率因數(shù)修正的方法，該電源線路具有一與其耦合的吸取交流電功率的負載，所述交流電功率包括一潛在可變無功功率值，所述方法包含如下步驟(a)通過如下步驟，測量一大體上與所述負載吸取的所述電功率的電壓與電流之間的一電相角成正比的相位值(1)檢測所述電壓及電流的一系列相應的過零點；(2)測量所述過零點之間的一時間間隔；及(3)將所述時間間隔換算至所述相角；(b)自動計算一補償電抗值以最大限度減小所述電功率的所述電相角；(c)提供復數(shù)個電容器；(d)提供一包括一由一特定復數(shù)個端口端構成的數(shù)字端口的控制器及一包括用于將所述電容器耦合至所述端口端中特定端口端的閉鎖元件的開關電路；及(e)所述控制器通過向所述端口寫入一具有一對應于所述電容器適當組合的位內(nèi)容的多位二進制字而自動控制將一電容器組合耦合至所述電源線路，以產(chǎn)生一大體相當于所述補償電抗值的電抗值。
37.根據(jù)權利要求36所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，所述該組電容器所具有的電容值以2的冪自一最小電容值變化至一最大電容值。
38.根據(jù)權利要求36所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，其中每一電容器的電容值均為一基本電容值的倍數(shù)，且所述基本電容值為可在所述電源線路的一選定標稱線路頻率及一選定標稱線路電壓下產(chǎn)生一吸取一所選單位的電流的電抗的電容值。
39.根據(jù)權利要求36所述的方法，其中所述耦合步驟包括如下步驟(a)將一組電容器中的一或多個電容器耦合至所述電源線路，其中每一電容器的電容值均為一基本電容值的倍數(shù)，且所述基本電容值為可在所述電源線路的一選定標稱線路頻率及一選定標稱線路電壓下產(chǎn)生一吸取大體1安培電流的電抗的電容值。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于一吸取變化的無功功率值的電力設備的自動功率因數(shù)修正系統(tǒng)，該自動功率因數(shù)修正系統(tǒng)測量一由電力設備的一負載吸取的功率的電氣參數(shù)(該電氣參數(shù)能夠指示由負載所吸取的無功功率值)，并將一電容器組合耦合至電源線路以補償由所測電氣參數(shù)指示的無功功率值。在實際中，系統(tǒng)測量所吸取功率的相角并計算一用于連接至電源線路以補償所測無功功率值的電容器組合。
文檔編號H02J3/18GK1533524SQ02814364
公開日2004年9月29日 申請日期2002年6月4日 優(yōu)先權日2001年6月5日
發(fā)明者威廉姆·D·麥克丹尼爾, 蓋爾·A·麥克丹尼爾, 蒂莫西·J·麥克丹尼爾, J 麥克丹尼爾, A 麥克丹尼爾, 威廉姆 D 麥克丹尼爾 申請人:威廉姆·D·麥克丹尼爾, 蓋爾·A·麥克丹尼爾, 蒂莫西·J·麥克丹尼爾, 威廉姆 D 麥克丹尼爾