CN103050220A - 增频式低能耗脉冲充磁机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁性材料充磁设备，属于电学-基本电气元件-磁性材料-磁化或去磁的设备或方法技术领域。其目的是解决目前该领域充磁设备能耗过高、精度太低、可靠性不够等问题。其结构由工频整流滤波(1)、逆变增频(2)、限流升压(3)、高频整流滤波(4)、储能电容(5)、脉冲放电(6)、充磁夹具(7)、逆变控制(8)、协调控制监视(9)组成。其特征是：主回路对工频交流供电先逆变增频至中频或高频，再由低能耗限流和变压器隔离升压及整流滤波，后对储能电容充电，最后脉冲放电给充磁夹具线圈对永磁材料充磁。本发明可显著减小充磁机能耗，提高控制精度、可靠性、功率因素和电磁兼容性。

Description

增频式低能耗脉冲充磁机

技术领域：本发明技术属于电学-基本电气元件-磁性材料-磁化或去磁的设备或方法技术领域，具体为增频式低能耗脉冲充磁机，

背景技术状态：电容储能脉冲充磁机，是目前广泛采用的永磁材料充磁技术，相比较早的直流充磁机，其耗电已大幅下降，效率也有所提高。但这只是与落后技术的直流充磁机相比有些进步，

以现有专利技术参考，如：专利CN200810093729,2中，就是用可控硅调压，再用工频变压器隔离升压后整流，对储能电容充电，最后对充磁夹具线圈脉冲放电充磁。

公开的专业技术杂志《微特电机》：2009年第十期第68页《一种高效充磁机的设计与实现》一文中，图3：《充磁电路图》上，也是先以可控硅调压，再用工频变压器隔离升压后还由电阻限流，再整流，对储能电容充电，最后对充磁夹具线圈脉冲放电充磁。

这一技术并不完善，主要有以下的几个问题：

1.可控硅导通瞬间，陡升电压加到储能电容充电时冲击电流太大，要加入电阻限流，又带来发热大、效率低的问题，且限流电阻阻值不能足够大，限流效果有限。按电子技术常识，可控硅调压是不便接电容性负载的，而充磁机里储能电容偏偏是大容量电容性负载，因此带来严重的冲击电流问题，加入电阻限流只能略作缓解，不能改变问题的根本。

2.工频变压器体积大、绕组匝数多电阻值较高，又工作在低功率因素、强脉动电流或工频的谐波下，损耗大、效率低。

3.可控硅触发导通后，实际输出电压还受电网电压影响，精度低，而且可控硅调压电路反馈迟缓，本次触发导通后如检测到电压偏高或偏低，可能需待工频下半周波才能调节，而这迟缓的半周波时间在正常充电状况要充电提高4V(按充电时间5秒充电到2000V计算)，也就是说在下半周波调节时电压已提高了4V，所以反馈调节就不准确，重复电压精度只能做到±2V左右，甚至更差。

4.可控硅的移相触发导通调压方式，使负载电流的相位和供电电压的相位错开了，因此功率因素低且无法校正，需电网供电电流大，视在功率大，而实际有功功率不到一半，充电到储能电容中的电能更是少部分。特别是每一充电周期的零伏开始充电或低压充电时，因可控硅导通角小，需很大的供电电流峰值，才能提供充电电流平均值，而此时因充电电压低而有效充电功率很低，故效率极低，功率因素极低，增加电网损耗和成本。也因此其电压调节不便较低，

5.可控硅调压接电容性负载后，必然对电网带来严重谐波电流和电压畸变，会污染电网，对电网和电网其他用户造成骚扰，所以电磁兼容性差。需大功率低阻抗电网供电，否则会超过国家电磁兼容相关标准限制。

6.一般这类充磁机上，都因能耗大、发热大，装有散热风扇，有的甚至装有多个散热风扇，造成室内工作环境温度升高，并带进灰尘影响高压充磁机的绝缘。

7.整套技术落后，在通讯电源行业已遭淘汰。

以上问题，在很多实例中都有反映，目前这一技术总体能耗过高，仅按电能转换的能耗估算，就有大部分被消耗。

有一实例：某厂一台商品化脉冲充磁机，就是用可控硅调压、电阻限流、再用工频变压器隔离升压后整流，对储能电容充电，其铭牌上标明需要AC220V/40A供电，储能电容1000uF/1000V，充电周期3秒，其视在功率估算高达8.0KW，计入50％功率因素，其有功功率为8.0×50％＝4.0KW，3秒需要电能量为3秒×4.0KW＝12000J，而储能电容1000uF/1000V，3秒充满后只能存有能量0.5×1000uF/1000V²＝5000J，

显然、大部分电能量12000J-5000J＝7000J都被损失掉。

该实例只是估算，实际供电电流有波动、功率因素小于50％也有变动，能量损失也可能没有这么高。但该充磁机内，装有多个大功率发热电阻、多个冷却风扇，也足以说明其能耗大，而且功率因素太低、谐波含量高，也会将能耗转移到电网，实际连续使用时就有时发生供电插头座烧毁或发热变形接触不好、供电线路温升较高等问题。

如现有专利CN201020128034,6中，就要求使用三相脉冲电源柜，是因为其能耗大的缘故，必须设计成三相供电，以分担供电电流。

也有些廉价充磁机不装限流电阻，靠变压器绕组和供电线路阻抗限流，号称低能耗，该充磁机虽无限流电阻的发热，但其功率因素更低、谐波含量奇高，因此将能耗都转移到电网和升压变压器上，还使储能电容处于脉冲充电状态，对储能电容寿命造成影响，并引起电网电压畸变和波动。显然不符合国家电磁兼容相关标准。大功率充磁时，问题更加严重。

现有高能耗的可控硅调压、工频变压器升压充磁机，在全球气候变暖的今天，已越来越不适应当今世界的低碳环保潮流。

发明内容：本发明技术涉及增频式低能耗脉冲充磁机，按国际专利分类表(IPC)划分，属于电学-基本电气元件-磁性材料-磁化或去磁的设备或方法技术领域。其目的是解决目前该领域充磁设备能耗过高、精度太低、可靠性不够、电磁兼容性差的问题。

本发明技术解决上述技术问题的方案是：采用主回路对工频交流供电先整流滤波、高速电子开关逆变增频，再进入无能耗中/高频限流、低能耗中/高频变压器隔离升压及中/高频整流滤波，后对储能电容充电，最后脉冲放电给充磁夹具线圈对永磁材料充磁。

本发明技术具体为增频低能耗式电容储能脉冲充磁机，由工频整流滤波(1)、逆变增频(2)、中/高频低能耗限流升压(3)、高频整流滤波(4)、储能电容(5)、脉冲放电(6)、充磁夹具(7)、逆变控制(8)、协调控制监视(9)组成。

本发明技术的有益效果是多方面的，相比原来技术的可控硅调压+工频变压器+限流电阻电路，本技术不仅彻底解决了原来技术的多个缺陷，而且还带来多项有益效果，具体如下：

1.限流无能耗或低能耗：中高频率交流电可用小体积电抗器限流，或电抗器电容串联谐振限流，它们是无能耗元件。

2.限流平稳：逆变增频时进行脉冲宽度调制方式(PWM)调节脉宽，或逆变增频时进行脉冲频率调制方式(PFM)调节频率，等多种限流调节方式之一，或两种配合，并可配合快速充电电流反馈闭环控制，实现从零伏开始充电到最大储能电压的宽范围平稳限流。

3.采用低损耗中/高频变压器升压：它具有体积小、绕组匝数少、电阻值低，损耗低，效率高的优点。

4.对电能进行中高频细分：如将工频50Hz逆变增频到20kHz，则交流电周期从20ms细分到了50us，也就实现对电能时间值上的细分，再引入快速电压反馈控制，因此可以提高控制精度和稳定性。重复电压精度可做到±1V内(2000V最大值时)。

5.零伏开始充电或低压充电时具有续流增流或谐振增流效果，此时进一步降低输入电能需求和损耗，加快充电速度，改善低压充电时的性能，扩大电压调节范围。

6.逆变增频部分可采用软开关、谐振、零电压开关等先进电力电子技术，控制逆变损耗。

7.功率元件工作平稳、无冲击，电路无触点磨损，能长期可靠工作。

8.可加入加入功率因素校正电路(PFC)和电磁兼容滤波电路(EMI)，进一步提高功率因素和电磁兼容性。

经实测，采用本专利技术的HVM-2000A增频式低能耗脉冲充磁机，可达到85％以上的电能转换效率，充足8000J储能电容，只需要AC220V供电、平均10A电流，平均有功功率不到2KW，需时5秒充满，电能只需要不到10000J，损失电能只有不到10000J-8000J＝2000J。整机无大功率发热零件，无风扇，温升低、而且精度高、可靠性高、功率因素高、电磁兼容性好。

附图说明：图1是本发明技术：增频式低能耗脉冲充磁机的原理框图，由于具体电路比较复杂并依实际需要多变，这里仅给出了通用的原理框图。该图为了叙述方便，将各部分按功能分开来画，实际可能因为要缩小体积，或工艺需要或将某二个或几个部分集成到一块电路板或一个组件内或一体化、或将某一部分拆开来，比如控制电路和主回路可以做到一块电路板、限流电感和高频变压器也可以一体化，但变化后还是符合一个特征，即：工频交流要经过高速电子开关逆变增频，再由高频变压器升压，而不再使用可控硅调压和工频变压器升压

具体实施方式：本发明技术具体实施方式可以比较灵活，具体增频频率、电路形式、控制方式可多种，应根据实际整体性能要求、设计制造技术水平、元器件性能、成本预算等条件来优选，且随着电子技术的发展，还会有不断改进，以达到更高的性能，但只要采用先逆变增频，后经中/高频变压器隔离升压的电路，就相对原来技术有明显的节能效果，也自然落于本发明技术保护的范围。

1.图中整流滤波(1)部分：一般采用全桥+电解电容电路，如要得到高功率因素，则需加入功率因素校正电路(PFC)，如要得到好的电磁兼容性，还需加入电磁兼容滤波电路(EMI)。功率因素校正(PFC)部分可采用有源式或无源式，但鉴于工业设备的可靠性要求和充磁设备的使用量不大，采用无源(PFC)电路即可。

2.图中逆变增频(2)部分：按照充电功率大小和充电电压高低，可采用反激式、半桥式或全桥式等电路结构，调制方式可选择工作在PWM脉宽调制方式、也可可选择工作在PFM频率调制方式、或用LLC谐振方式。所用高速电子开关器件也依功率不同可采用功率场效应管(VMOS)或绝缘栅型晶体管(IGBT)，智能功率模块(IPM)，某些情况下也可以用可控硅(SCR)或其他电子器件。再尽量加入软开关技术、谐振开关技术、ZVS零电压开关技术、ZCS零电流开关技术等先进电力电子技术，进一步减少开关冲击、降低逆变损耗。

3.中/高频限流(3)部分：可采用电感限流、电感/电容谐振限流等无能耗方式，可达到无能量消耗(能量消耗很低，可忽略)，而且限流平稳，还能通过改变逆变开关频率来调整电感阻抗、或调整电感/电容谐振阻抗，结果就可调整充电电流，实现从零到最高电压都基本恒流充电。注意电感和电容都必须是高频电感和高频电容。也可使逆变部分工作在PWM脉宽调制方式，则无需电感限流，只需在高频整流后用电感续流也可达到限流平稳。中/高频升压部分，可使用较小铁氧体或非晶态铁芯，铁损就很轻微。由于频率高，绕组匝数少、每匝长度短，其电阻值小，铜损耗也很轻微。

4.高频整流滤波(4)部分：可采用全桥整流或倍压整流，应依椐充磁机额定最高充电电压而选择，注意整流二级管一般为快恢复二级管。

5.储能电容(5)部分：最好采用充磁机专用脉冲电容器，它可承受较大脉冲电流，以获得较稳定储能容量和较长使用寿命。

6.脉冲放电(6)部分：一般选用大电流平板式可控硅，

7.充磁夹具(7)部分：要按被充磁永磁材料设计，如设计不当，则充磁夹具会成为高能耗部件，需要加倍的脉冲电能充磁，也会带来加倍的能耗，且必须水冷来冷却充磁夹具。如设计合理，虽然充磁夹具成本高些，但它不仅充磁效果好，而且可降低对脉冲放电能量需求，充磁机能耗会更低，充磁机整体建造成本和使用成本均可显著降低，达到优良的性价比。

8.逆变控制(8)部分：一般采用控制IC和分离元件配合，具体IC型号有多种，要结合主回路工作方式选择，控制部分工作时要根据程控给定电压和反馈电压、电流双回路信号来调整逆变脉冲宽度或频率

9.系统协调控制(9)部分：优选的采用单片机为核心、专门开发的数字化控制电路，可达到较高的性价比。要求低的，也可采用数字逻辑IC+模拟IC、或程控器控制，要求高的可采用DSP数字信号处理器控制。控制软件和控制模式也有很多种，主要功能是协调必需在充电完成关闭充电后才能脉冲放电充磁，同时监视各个过程是否正常，并给予显示和报警，还要协调外部人工操作或联机自动操作，还可加入其他辅助功能。

10.供电输入端还可串联限流电阻，限制开机时滤波电容冲击电流；开机后延迟1-2秒再由一组继电器触头短接限流电阻。

11.具体实施时，还需要符合相应安全标准要求的安全防护机柜/机箱和内部绝缘支撑结构，机柜/机箱上不用装风扇强制通风，以免引来灰尘，开百叶窗自然通风即可。

Claims (4)

1.一种增频式低能耗脉冲充磁机，由工频整流滤波(1)、逆变增频(2)、中/高频限流升压(3)、中/高频整流滤波(4)、储能电容(5)、脉冲放电(6)、充磁夹具(7)、逆变控制(8)、协调控制监视(9)组成，其特征是：主回路工频交流供电先经整流滤波、电子开关逆变增频，后经低能耗中/高频限流、升压及高频整流滤波，使整机具有较低的电能损耗。

2.如权利要求1所叙的充磁机，其特征是：增频时还进行脉冲宽度调制方式(PWM)调节脉宽，或增频时进行脉冲频率调制方式(PFM)调节频率，使充电电流、电压能够精细、稳定、宽范围、快速调节控制。

3.如权利要求1所叙的充磁机，其特征是：对工频交流电增频后由小电感量电抗器限流，或由小电感量电抗器与电容谐振限流，或PWM调制限流，使其限流变得容易，限流平稳，消除了对充磁机多个环节的电流冲击，使各器件工作可靠性显著提高。

4.如权利要求1所叙的充磁机，其特征是：不采用可控硅调压对容性负载的充电电路，提高了功率因素，消除了对工频供电的电流冲击，减少了对供电系统的谐波电流，另加入功率因素校正单元(PFC)和电磁兼容滤波单元(EMI)，使充磁机实现高功率因素和电磁兼容。

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