利用电力系统无功分量做功的技术方法和技术方案

(一)技术领域

本项发明属于电力系统综合性节能技术。本项技术可应用于提高电力系 统的功率因数，制造节能电源和节能用电设备。

(二)技术背景

目前，针对电力系统存在的无功分量，采取的是无功补偿的方法，因现 有技术的局限，电力系统存在的无功分量未能得到比较彻底的平衡和有效利 用，由此造成的能源损失占电力系统能源总量的10％以上。

目前，还没有专门利用电力系统的无功分量做功的用电设备。

目前，还没有新的技术可以取代现行的无功补偿的方法。

(三)发明内容

本项发明要解决的技术问题是为以下方面提供新的技术方法和技术方 案：

(1)提高电力系统的功率因数。

(2)改善由感性负载用电特性造成的发电、输变电系统电压与电流的非线 性输出。

(3)提高发电、输变电系统的设备利用率。

(4)制造节能电源和节能用电设备。

提高电力系统功率因数的技术方法：

用利用无功分量做功的技术方法取代无功补偿地技术方法。用利用无功 分量做功的用电设备取代无功补偿设备。

提高电力系统功率因数的技术方案：

当电力系统利用无功分量做功的用电设备总的用电量大于或等于电力系 统的无功分量值时，电力系统的无功分量被用电设备全部吸收利用，电力系 统的功率因数为1。因利用无功分量做功的用电设备以吸收无功分量做功为 主，当无功分量不足时，由电源补偿能量，所以不存在“过补偿”问题。在 实际应用当中，采取利用无功分量做功的用电设备的总用电量大于电力系统 向电源返回的无功分量值1倍至1.5倍的方案是科学实用的。

利用无功分量做功的技术方法：

通过改变用电设备的用电方式，达到充分利用电力系统无功分量做功的 目的。令用电设备的用电角与电力系统的无功分量角相吻合时，用电设备做 功所消耗的能量是电力系统的无功分量。把用电设备的用电角限定在每半个 周期的前90°范围，即0°至90°从电力系统吸收能量，90°至180°截止，180° 至270°吸收能量，270°至360°截止。使用电设备做功所消耗的电能来源于每 半个周期的前90°范围，并与感性负载超前的电压相对应，达到充分利用无 功分量做功的目的。当电力系统的无功分量不能满足用电设备做功的需要量 时，由电源补充。

本项技术方法的优点

本项技术方法是针对目前电力系统的运行状态而设计的，用利用每半个 周期前90°电能做功的用电设备去对应于感性负载的特性，形成互补。因感 性负载的无功分量是维持运行的必须条件，无功分量不可避免，感性负载建 立自感电动势，需要电源提供能量，当感性负载将储存的能量送还给电源 时，电源还需要付出等量的电能去抵消这一来自感性负载的无功分量。本项 技术方法的优点是能使用电设备充分利用这些向电源返回的无功分量做功。 等于：电源发出的电能由感性负载储存起来，当感性负载释放储存的能量 时，由用电设备吸收做功。当用电设备有能力完全吸收感性负载向电源返回 的无功分量时，发电机发出的电能被全部有效利用(不计其它损耗，如线损 等)，电力系统的功率因数为1。

利用无功分量做功的技术方案：

1、用电源设备将电力系统交流电源的每1/2周期前90°的电能转变为适 合各种用电设备使用的电源向负载供电，达到高效节能的目的。可根据不同 的用电设备设计制造各种不同的节能电源。

2、用节能电源和用电设备组合成一体化用电设备。这种一体化用电设 备在设计和制造时可根据用电部分设计供电部分的特性，也可以根据供电部 分的特性设计用电部分或两者的特性结合起来进行综合设计和制造。

发明的优点

1、本人发明的节能电源和一体化用电设备超越了单纯做功用途的用电 设备功能。这些设备在电力系统既是用电设备，又是电力系统的功率因数调 整设备和调整非线性输出的设备。这些用电设备在完成自身做功任务的同 时，起到了改善电力系统运行状态的作用。

(四)附图说明

图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11所示是控制用电设备使用电力系 统每半个周期前90°范围电能做功的主电路原理图。因服务于主电路的附属 电路可以根据负载的性质、功率等不同条件，采用现有技术和理论，通过各 种方式均可达到目的，实施者可采取多样性的任意选择，因此发明人只对附 图所示的主电路原理图做简单的介绍。

图1所示电路的工作原理：

将控制电路与负载串联，控制端由整流器将交流电变为脉动直流，晶体 管作为开关元件去控制电路的导通角，晶体管根据给定的基极控制信号，把 用电设备的用电角限定在每半个周期的前90°范围。并可根据需要，使用电 设备的用电角在0°至90°范围任意调整。负载端为交流电压，占空系数为0至 0.5范围可调，此电路可适用于感性负载和阻性负载。

图2所示电路的工作原理：

图2与图1的电路基本相同只是在输出端增加一个并联电容器，使输出电 压接近于正弦波、输出电压接近于电源电压，电容器容量根据负载用电量确 定。此电路适用于感性和阻性负载。

图3所示电路的工作原理：

图3与图1电路原理相同，不同的是将输出端放在直流侧，输出电压为直 流脉动电压，占空系数可调整，适用于阻性和感性负载。

图4所示电路的工作原理：

图4与图3工作原理基本相同，只是在输出端增加一个并联电容器，该电 容器容量由负载用电量决定。该电源输出电流(电压)为直流脉动，输出电 压接近于电源电压。输出电压可调整，适用于阻性负载。

图5所示电路的工作原理：

用整流器把交流转变为直流，在每半个周期的前90°，交流电源在向负 载供电的同时，向电容器充电，在后90°时由于电源电压下降，电容器向负 载提供电能做功。本电路不同于一般的整流滤波电路，本电路的电容与负载 电阻的RC放电时间设定为5毫秒，使电容器里的电能在电源电压下降为零时 向负载释放完毕，下一个周期重新充电，在后90°时向负载提供电能。这种 运行方式能够使负载消耗的电能全部由前90°提供。此电路比较简单，不需 要其它控制电路。该电源的输出是直流脉动电压(电流)输出电压约等于电 源电压，没有电压调整功能，适合阻性负载。

图6、7、8、9所示电路原理：

图6、7、8、9与图1、2、3、4功能相同，只是电路和所用元器件有变 化，不再详述。

图10、11所示电路原理：

图10、11电路用于三相负载供电，因图10、11的工作原理和控制原理与 图11至图9的工作原理和控制原理基本相同，在此不再详述。

实施案例

单相220V交流异步电动机一台，按附图三制做的节能电源和阻性用电设 备组成的一体化节能用电设备一台，将上述两台用电设备共同使用一条母线 接入220V交流电源进行实验，实验步骤和结果如下：

实验(1)：先投入异步电机，测得母线总电流为8.5A。交流异步电机支 路用电电流为8.5A。投入节能用电设备后，测得节能用电设备支路用电电流 为4.7A，(用电角约为0°至90°)测量母线电流为9.4A。实验结果表明： 交流异步电机支路用电电流与节能用电设备支路用电电流之和并不等于母线 总输出电流。节能用电设备所消耗的电能80％是异步电机产生的无功分量。 20％由电源提供。

实验(2)：实验(2)与实验(1)所用设备和条件相同。只改变了节 能用电设备的用电角，将节能用电设备的用电角设定在约0°至75°实验结果 如下：母线总电流为8.2A，异步电机支路用电电流为8.2A，节能用电设备支 路用电电流为4A。实验结果表明：在异步电机用电电流为8.2A的基础之上， 投入节能用电设备后，母线电流并没有增加，节能用电设备做功所消耗的能 量100％来源于异步电机产生的无功分量。

实验(3)：

在实验(1)和实验(2)的基础上，将节能用电设备的用电角设定在约0 °至45°。实验结果如下：异步电机用电电流为8.6A，节能用电设备用电电流 为2.6A，母线总电流为7.6A。实验结果表明：投入节能用电设备后，母线 总电流在异步电机用电电流为8.6A的状态下，下降为7.6A。节能用电设备在 完成自身做功任务的同时还为电力系统节约了1A的电能。