CN106208617A - 动态磁电放大装置 - Google Patents

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Abstract

一种动态磁电放大装置，包括一三相感应马达，一受该三相感应马达带动运转的发电机，一接受一直流电源并控制该三相感应马达运转的感应伺服控制器，及一与直流电源并联的阻尼电容，且感应伺服控制器包括三个与该直流电源并联的桥臂，且三相感应马达的三相绕组分别对应电耦接在相邻两个桥臂之间，借此，每当与相邻两个桥臂电耦接的该相绕组由与该直流电源导接状态，瞬间切换至与该直流电源不导接状态时，该相绕组瞬间产生的反电动势会经由设在该相邻两个桥臂的飞轮二极管对该阻尼电容充电。

Description

动态磁电放大装置
技术领域
本发明涉及一种电能放大装置，特别是涉及一种动态磁电放大装置。
背景技术
参阅图1，现有一种三相感应马达1可直接被交流市电AC驱动，以输出固定转速的扭力带动与其耦接的一磁阻式发电机2运转，使磁阻式发电机2产生三相交流电力输出。且为了让磁阻式发电机2输出1KW功率，交流市电亦必须相对输入1KVA(视在功率)给三相感应马达1。
然而由于三相感应马达1中存在电感性负载(例如线圈绕组)，会在磁场换相过程中因激磁产生大量虚功率，使得交流市电的电流波形落后电压波形，导致三相感应马达1实际消耗的实功率下降，造成其功率因素差，而增加交流电源端的供电损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输出能量大于输入能量的动态磁电放大装置。
本发明动态磁电放大装置，使用一直流电源，并包括：一三相感应马达，具有一定子与一转子，且该定子具有三相绕组；一发电机，受该三相感应马达带动运转以输出一电力讯号；一感应伺服控制器，接受该直流电源供电，并包括：三个与该直流电源并联的桥臂，每一桥臂具有串接于一接点的一上开关及一下开关，以及两个各别与该上开关及该下开关对应且反向并联的飞轮二极管，该上开关的一端与该直流电源的一正端电耦接，该下开关的一端与该直流电源的一负端电耦接，且该三相绕组的两端分别对应电耦接在相邻两个桥臂的该接点之间；及一阻尼电容，与该直流电源并联，且每当相邻两个桥臂其中一桥臂的上开关与另一桥臂的下开关被导通，电耦接在该相邻两个桥臂之间的该相绕组会与该直流电源导接并受其激磁而驱动该转子转动，使带动该发电机运转而输出该电力讯号，且每当该相邻两个桥臂其中一桥臂的上开关与另一桥臂的下开关被从导通切换至不导通时，电耦接在该相邻两个桥臂之间的该相绕组将瞬间产生一反电动势，并经由与该相邻两个桥臂其中一桥臂的上开关反向并联的飞轮二极管以及与另一桥臂的下开关反向并联的飞轮二极管对该阻尼电容充电。
在一实施例中，该直流电源是一可充电电池，且当该直流电源的电压低于该阻尼电容的电压，该阻尼电容即对该直流电源充电。
在一实施例中，该阻尼电容是一工作频率能配合该感应伺服控制器的开关切换频率的无极性中频电容。
在一实施例中，该发电机为一磁阻式发电机、一交流发电机(Alternator)或一直流发电机(Dynamo)。
在一实施例中，本发明动态磁电放大装置还包括一机械阻尼器，其设在该三相感应马达的该转子与该发电机的一转子耦接处。
在一实施例中，该机械阻尼器是一飞轮。
在一实施例中，该动态磁电放大装置还包括一无级变速器，其包含一与该三相感应马达的该转子轴接且可改变直径的主动滑轮，一与该发电机的一转子轴接且可改变直径的被动滑轮，以及一套设在该主动滑轮与该被动滑轮以传递动力的皮带，该三相感应马达刚启动时，该主动滑轮的直径变小，该被动滑轮的直径变大，以带动该发电机运转，当该发电机的转速上升，该被动滑轮的直径变小，该主动滑轮的直径变大，使该三相感应马达与该发电机的转速维持一定值。
在一实施例中，本发明动态磁电放大装置还包括一机械阻尼器，其设在该三相感应马达的该转子上。
在一实施例中，该机械阻尼器是一飞轮。本发明的有益效果在于：本发明的感应伺服控制器借由一与直流电源及开关桥臂并联的阻尼电容，吸收三相感应马达的三相绕组因开关切换而产生的反电动势以储能，并适时回充至直流电源，而提升直流电流的供电时间，并且借由感应伺服控制器将直流电源提供的实功率转换成视在功率输出给三相感应马达，以驱动三相感应马达运转，使直流电源仅需提供少量的实功率，即能使三相感应马达产生大量虚功率而推动其转子旋转，达到本发明使输出能量大于输入能量的功效与目的。
附图说明
图1是现有一种以交流市电直接驱动三相感应马达的方法示意图。
图2是本发明动态磁电放大装置的一实施例的整体电路方块示意图。
图3是本实施例的三相感应马达的三相绕组与转子示意图。
图4是本实施例的磁阻式发电机的三相绕组与转子示意图。
图5是本实施例的感应伺服控制器的细部电路图。
图6是本实施例的感应伺服控制器对三相感应马达的其中一绕组激磁示意图。
图7是本实施例的感应伺服控制器使三相感应马达的其中一绕组产生的反电动势对阻尼电容充电示意图。
图8是本发明动态磁电放大装置的另一实施例，其中显示一无级变速器设置在三相感应马达与发电机之间以传递动力。
图9是本发明另一实施例之无级变速器使三相感应马达与发电机的转速维持在一定值的作动示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参见图2，本发明动态磁电放大装置的一实施例主要包括一三相感应马达3，一与三相感应马达3耦接，以被三相感应马达3带动运转而产生一电力讯号输出的发电机4，以及一接受一直流电源Vdc供电，并用以控制三相感应马达3运转的感应伺服控制器5。且在本实施例中，发电机4是以一磁阻式发电机举例说明，但不以此为限，亦即发电机4也可以是任何能被三相感应马达3带动运转，而产生电力讯号输出的交流发电机(Alternator)或直流发电机(Dynamo)。
参见图3，三相感应马达3具有一定子(图未示)、一转子31，以及绕设在该定子上的三相绕组a、b、c，且该三相绕组a、b、c是以Δ型接线连接，但也可以Y型接线连接，并不以此为限。参见图4，磁阻式发电机4具有一定子(图未示)，一与三相感应马达3的转子31耦接的转子41，以及绕设在该定子(图未示)上的三相绕组A、B、C，且该三相绕组A、B、C是以Δ型接线连接。
参见图5，感应伺服控制器5接受一直流电源Vdc，例如一蓄电池或可充电电池供电，并包括三个与直流电源Vdc并联的桥臂51～53，以及一与直流电源Vdc并联的阻尼电容Cd。其中每一桥臂51～53皆具有各别串接于一接点U、V、W的一上开关U+、V+、W+及一下开关U-、V-、W-，以及各别与上开关U+、V+、W+及下开关U-、V-、W-对应且反向并联的飞轮二极管D，其中各该上开关U+、V+、W+的一端与直流电源Vdc的一正端电耦接，各该下开关U-、V-、W-的一端与直流电源Vdc的一负端电耦接，且该三相绕组a、b、c的两端分别对应电耦接在两两相邻桥臂的该接点之间，例如绕组a电耦接在接点U、V之间，绕组b电耦接在接点V、W之间，绕组c电耦接在接点W、U之间。此外，所述上开关U+、V+、W+和下开关U-、V-、W-是采用功率晶体管。
而且感应伺服控制器5是一切换(开关)式控制器，它采用分相激磁方式对三相感应马达3的三相线圈a、b、c依序激磁，亦即在一基本周期内会控制相邻两个桥臂导通，例如图6所示，令桥臂51的上开关U+与桥臂52的下开关V-导通，使直流电源Vdc与电耦接在上开关U+与下开关V-之间的线圈a导接，而输出一直流电压对线圈a激磁，将电能转换成磁能，然后让上开关U+及下开关V-不导通，再接着令桥臂52的上开关V+及桥臂53的下开关W-导通，使直流电源Vdc对电耦接在上开关V+与下开关W-之间的线圈b激磁，然后再让上开关V+及下开关W-不导通，再接着以相同方式对线圈c激磁，并持续重复上述操作方式，借此使三相绕组a、b、c持续产生三相交变磁场(旋转磁场)，使转子31切割所述交变磁场的磁力线而产生感应电动势，而驱使转子31跟随三相交变磁场旋转。
同时，三相感应马达3的转子31将同步带动磁阻式发电机4的转子41转动，使磁阻式发电机4的三相绕组A、B、C因转子41磁场不断改变而分别产生感应电流，因此当转子31以一固定转速，例如50/60Hz带动转子41持续转动时，三相绕组A、B、C将输出相位各相差120°的三相交流电，等同于输出正规的三相交流市电，而能直接供电给需要三相交流电源的负载使用。
且与此同时，如图7所示，在感应伺服控制器5中，每当电耦接在相邻两个桥臂，例如桥臂51、52之间的线圈a被激磁后，因为与直流电源Vdc不导接而瞬间消磁时，线圈a会因磁能突然消失而产生一反电动势e，并经由与桥臂52的上开关V+反向并联的飞轮二极管D以及与桥臂51的下开关U-反向并联的飞轮二极管D对阻尼电容Cd充电。且本实施例的阻尼电容Cd是可配合感应伺服控制器5的开关切换频率的无极性中频电容。
借此，当各相绕组a、b、c因为所连接的桥臂51、52、53瞬间断开，而产生的高压反电动势所形成的瞬间大电流将会流入阻尼电容Cd，而不会直接流经直流电源Vdc，可避免直流电源Vdc因为瞬间遭受过大电流冲击而损坏，同时还可将各相绕组a、b、c产生的反电动势能量储存在阻尼电容Cd中加以利用而不浪费。
因此，在三相感应马达3持续运转期间，各相绕组a、b、c因反电动势而产生的电流将会轮流且持续地对阻尼电容Cd充电，使阻尼电容Cd一直维持充满电能的状态。如此一来，当直流电源Vdc，例如蓄电池的电压低于阻尼电容Cd的电位时，阻尼电容Cd即会适时地向直流电源Vdc充电，而能够增加直流电源Vdc的供电时间。
而且由于各相绕组a、b、c所产生的交流型态的反电动势(电流)，可分别循与各相绕组a、b、c电耦接的桥臂51、52、53上的飞轮二极管D形成的放电路径，分别对阻尼电容Cd充电而释放能量，使感应伺服控制器5不致产生高温，并使直流电源Vdc，例如蓄电池不致因遭受高温而烧毁或影响其使用寿命。
再者，由于直流电源Vdc提供的是直流电压，电流和电压同相位，只会输出实功率给感应伺服控制器5，且由于直流电源Vdc(例如蓄电池或可充电电池)能够蓄积大量的电能，具备大电容的特性，使得直流电源Vdc、感应伺服控制器5及三相感应马达3三者构成的整体电路的功率因子将降至非常的低，例如只有0.1或甚至更低，因此，直流电源Vdc只需输出少量实功率，例如100W给感应伺服控制器5，三相感应马达3就会产生900W的虚功率，而相当于感应伺服控制器5输出1KVA的视在功率给三相感应马达3。因此，直流电源Vdc只需输出少量的实功率，就会让三相感应马达3产生大量的虚功率，并借此带动磁阻式发电机4发电，使得本发明动态磁电放大装置的输出能量大于输入能量，而达到本发明的功效与目的。
而且当感应伺服控制器5借由控制所述桥臂51～53的开关切换频率及脉波宽度调变，而输出例如1KVA(视在功率)给三相感应马达3时，即使三相感应马达3在磁场换相过程中产生大量虚功率(对线圈激磁)，例如900W，但这并不会对直流电源Vdc造成影响，亦即直流电源Vdc提供的电力(实功率)仍会全部消耗在三相感应马达3上，而不会造成实功率下降，因此不会造成直流电源Vdc的供电损失。
此外，本实施例在三相感应马达3的转子31与磁阻式发电机4的转子41耦接(轴接)处还设有一机械阻尼器6(见图2)，例如飞轮(flywheel)做为缓冲器，其能消除三相感应马达3在加、减速过程的刹车期间产生的反作用力，而有助于提高系统的稳定性及降低三相感应马达3的耗电量。
再者，如图8所示，本发明动态磁电放大装置的另一实施例还包括一无级变速器(Continuously Variable Transmission，缩写CVT)7，其主要包含一与三相感应马达3的转子31轴接且可改变直径的主动滑轮71，一与发电机4的转子41轴接且可改变直径的被动滑轮72，以及一套设在主动滑轮71与被动滑轮72上以传递动力的皮带73，借此，当三相感应马达3刚启动时，如图8所示，无级变速器7的主动滑轮71的直径变小，被动滑轮72的直径变大，以将马达转速转换成足够动力(力矩)带动发电机4运转，当发电机4的转速上升后，如图9所示，无级变速器7的被动滑轮72的直径变小，主动滑轮71的直径变大，使发电机4能与三相感应马达3的转速维持在一定值，例如1800转等，此时发电机4与三相感应马达3处于共振状态。因此，借由无级变速器7的作动，能使马达3运转时更省电，并使发电机4产生更佳的发电效能。而无级变速器7将马达转速适当转换成力量(力矩)的机械作用即为阻尼效应，故无级变速器7又可称之为阻尼变速器。
此外，如图8所示，本实施例还包含一与三相感应马达3的转子31轴接的为飞轮的机械阻尼器6，其能消除三相感应马达3在加、减速过程的刹车期间产生的反作用力，而有助于提高系统的稳定性并进一步降低三相感应马达3的耗电量。
综上所述，上述实施例的感应伺服控制器5借由一与直流电源Vdc及开关桥臂51～53并联的阻尼电容Cd，吸收三相感应马达1的三相绕组a、b、c因开关切换而产生的反电动势以储能，并适时回充至直流电源Vdc，而提升直流电流Vdc的供电时间，并且借由感应伺服控制器5将直流电源Vdc提供的实功率转换成视在功率，并驱动三相感应马达3运转，使直流电源Vdc仅提供少量的实功率，即能使三相感应马达3在磁场换相过程中产生大量虚功率而推动转子31旋转，达到本发明使输出能量大于输入能量的功效与目的。

Claims (9)

1.一种动态磁电放大装置，使用一直流电源，其特征在于：
该动态磁电放大装置包括：
一三相感应马达，具有一定子与一转子，且该定子具有三相绕组；
一发电机，受该三相感应马达带动运转以输出一电力讯号；及
一感应伺服控制器，接受该直流电源供电，并包括：
三个与该直流电源并联的桥臂，每一桥臂具有串接于一接点的一上开关及一下开关，以及两个各别与该上开关及该下开关对应且反向并联的飞轮二极管，该上开关的一端与该直流电源的一正端电耦接，该下开关的一端与该直流电源的一负端电耦接，且该三相绕组的两端分别对应电耦接在相邻两个桥臂的该接点之间；以及
一阻尼电容，与该直流电源并联，且每当相邻两个桥臂其中一桥臂的上开关与另一桥臂的下开关被导通，电耦接在该相邻两个桥臂之间的该相绕组会与该直流电源导接并受其激磁而驱动该转子转动，使带动该发电机运转而输出该电力讯号，且每当该相邻两个桥臂其中一桥臂的上开关与另一桥臂的下开关被从导通切换至不导通时，电耦接在该相邻两个桥臂之间的该相绕组将瞬间产生一反电动势，并经由与该相邻两个桥臂其中一桥臂的上开关反向并联的飞轮二极管以及与另一桥臂的下开关反向并联的飞轮二极管对该阻尼电容充电。
2.根据权利要求1所述的动态磁电放大装置，其特征在于：该直流电源是一可充电电池，且当该直流电源的电压低于该阻尼电容的电压，该阻尼电容即对该直流电源充电。
3.根据权利要求1所述的动态磁电放大装置，其特征在于：该阻尼电容是一工作频率能配合该感应伺服控制器的开关切换频率的无极性中频电容。
4.根据权利要求1所述的动态磁电放大装置，其特征在于：该发电机为一磁阻式发电机、一交流发电机或一直流发电机。
5.根据权利要求1所述的动态磁电放大装置，其特征在于：该动态磁电放大装置还包括一机械阻尼器，其设在该三相感应马达的该转子与该发电机的一转子耦接处。
6.根据权利要求5所述的动态磁电放大装置，其特征在于：该机械阻尼器是一飞轮。
7.根据权利要求1所述的动态磁电放大装置，其特征在于：该动态磁电放大装置还包括一无级变速器，其包含一与该三相感应马达的该转子轴接且可改变直径的主动滑轮，一与该发电机的一转子轴接且可改变直径的被动滑轮，以及一套设在该主动滑轮与该被动滑轮以传递动力的皮带，该三相感应马达刚启动时，该主动滑轮的直径变小，该被动滑轮的直径变大，以带动该发电机运转，当该发电机的转速上升，该被动滑轮的直径变小，该主动滑轮的直径变大，使该三相感应马达与该发电机的转速维持一定值。
8.根据权利要求7所述的动态磁电放大装置，其特征在于：该动态磁电放大装置还包括一机械阻尼器，其设在该三相感应马达的该转子上。
9.根据权利要求8所述的动态磁电放大装置，其特征在于：该机械阻尼器是一飞轮。
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