TW201630295A - 動態磁電放大裝置 - Google Patents

Abstract

一種動態磁電放大裝置，包括一三相感應馬達，一受該三相感應馬達帶動運轉的發電機，一接受一直流電源並控制該三相感應馬達運轉的感應伺服控制器，及一與直流電源並聯的阻尼電容，且感應伺服控制器包括三個與該直流電源並聯的橋臂，且三相感應馬達的三相繞組分別對應電耦接在相鄰兩個橋臂之間，藉此，每當與相鄰兩個橋臂電耦接的該相繞組由與該直流電源導接狀態，瞬間切換至與該直流電源不導接狀態時，該相繞組瞬間產生的反電動勢會經由設在該相鄰兩個橋臂的飛輪二極體對該阻尼電容充電。

Description

動態磁電放大裝置

本發明是有關於一種電能放大裝置，特別是指一種動態磁電放大裝置。

參閱圖1所示，習知一種三相感應馬達1可直接被交流市電AC驅動，以輸出固定轉速的扭力帶動與其耦接的一磁阻式發電機2運轉，使磁阻式發電機2產生三相交流電力輸出。且為了讓磁阻式發電機2輸出1KW功率，交流市電亦必須相對輸入1KVA(視在功率)給三相感應馬達1。

然而由於三相感應馬達1中存在電感性負載(例如線圈繞組)，會在磁場換相過程中因激磁產生大量虛功率，使得交流市電的電流波形落後電壓波形，導致三相感應馬達1實際消耗的實功率下降，造成其功率因素差，而增加交流電源端的供電損失。

因此，本發明提供一種輸出能量大於輸入能量的動態磁電放大裝置。

於是，本發明一種動態磁電放大裝置，使用一 直流電源，並包括：一三相感應馬達，具有一定子與一轉子，且該定子具有三相繞組；一發電機，受該三相感應馬達帶動運轉以產生一電力訊號；一感應伺服控制器，接受該直流電源供電，並包括：三個與該直流電源並聯的橋臂，每一橋臂具有串接於一接點的一上開關及一下開關，以及兩個各別與該上開關及該下開關對應且反向並聯的飛輪二極體，該上開關的一端與該直流電源的一正端電耦接，該下開關的一端與該直流電源的一負端電耦接，且該三相繞組的兩端分別對應電耦接在相鄰兩個橋臂的該接點之間；及一阻尼電容，與該直流電源並聯，且每當相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關被導通，電耦接在該相鄰兩個橋臂之間的該相繞組會與該直流電源導接並受其激磁而驅動該轉子轉動，使帶動該發電機運轉而輸出該電力訊號，且每當該相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關被從導通切換至不導通時，電耦接在該相鄰兩個橋臂之間的該相繞組將瞬間產生一反電動勢，並經由與該相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關反向並聯的飛輪二極體以及與另一橋臂的下開關反向並聯的飛輪二極體對該阻尼電容充電。

在一實施例中，該直流電源是一可充電電池， 且當該直流電源的電壓低於該阻尼電容的電壓，該阻尼電容即對該直流電源充電。

在一實施例中，該阻尼電容是一工作頻率能配 合該感應伺服控制器的開關切換頻率的無極性中頻電容。

在一實施例中，該發電機為一磁阻式發電機、 一交流發電機(Alternator)或一直流發電機(Dynamo)。

在一實施例中，本發明動態磁電放大裝置還包 括一機械阻尼器，其設在該三相感應馬達的該轉子與該發電機的一轉子耦接處。

在一實施例中，該機械阻尼器是一飛輪。

本發明的感應伺服控制器藉由一與直流電源及開關橋臂並聯的阻尼電容，吸收三相感應馬達的三相繞組因開關切換而產生的反電動勢以儲能，並適時回充至直流電源，而提升直流電流的供電時間，並且藉由感應伺服控制器將直流電源提供的實功率轉換成視在功率輸出給三相感應馬達，以驅動三相感應馬達運轉，使直流電源僅需提供少量的實功率，即能使三相感應馬達產生大量虛功率而推動其轉子旋轉，達到本發明使輸出能量大於輸入能量的功效與目的。

3‧‧‧三相感應馬達

4‧‧‧磁阻式發電機

5‧‧‧感應伺服控制器

6‧‧‧機械阻尼器

31、41‧‧‧轉子

51~53‧‧‧橋臂

Vdc‧‧‧直流電源

R、S、T‧‧‧三相交流電

a、b、c‧‧‧繞組

A、B、C‧‧‧繞組

Cd‧‧‧阻尼電容

U、V、W‧‧‧接點

R、S、T‧‧‧接點

U+、V+、W+‧‧‧上開關

U-、V-、W-‧‧‧下開關

D‧‧‧飛輪二極體

e‧‧‧反電動勢

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是習知一種以交流市電直接驅動三相感應馬達的方法示意圖；圖2是本發明動態磁電放大裝置的一實施例的整體電路方塊示意圖；圖3是本實施例的三相感應馬達的三相繞組與轉子示意圖； 圖4是本實施例的磁阻式發電機的三相繞組與轉子示意圖；圖5是本實施例的感應伺服控制器的細部電路圖；圖6是本實施例的感應伺服控制器對三相感應馬達的其中一繞組激磁示意圖；及圖7是本實施例的感應伺服控制器使三相感應馬達的其中一繞組產生的反電動勢對阻尼電容充電示意圖。

參見圖2所示，本發明動態磁電放大裝置的一實施例主要包括一三相感應馬達3，一與三相感應馬達3耦接，以被三相感應馬達3帶動運轉而產生一電力訊號輸出的發電機4，以及一接受一直流電源Vdc供電，並用以控制三相感應馬達3運轉的感應伺服控制器5。且在本實施例中，發電機4是以一磁阻式發電機舉例說明，但不以此為限，亦即發電機4也可以是任何能被三相感應馬達3帶動運轉，而產生電力訊號輸出的交流發電機(Alternator)或直流發電機(Dynamo)。

參見圖3所示，三相感應馬達3具有一定子(圖未示)、一轉子31，以及繞設在該定子上的三相繞組a、b、c，且該三相繞組a、b、c是以Δ型接線連接，但也可以Y型接線連接，並不以此為限。參見圖4所示，磁阻式發電機4具有一定子(圖未示)，一與三相感應馬達3的轉子31耦接的轉子41，以及繞設在該定子(圖未示)上的三相繞組A、B、C，且該三相繞組A、B、C是以Δ型接線連接。

參見圖5所示，感應伺服控制器5接受一直流 電源Vdc，例如一蓄電池或可充電電池供電，並包括三個與直流電源Vdc並聯的橋臂51~53，以及一與直流電源Vdc並聯的阻尼電容Cd。其中每一橋臂51~53皆具有各別串接於一接點U、V、W的一上開關U+、V+、W+及一下開關U-、V-、W-，以及各別與上開關U+、V+、W+及下開關U-、V-、W-對應且反向並聯的飛輪二極體D，其中各該上開關U+、V+、W+的一端與直流電源Vdc的一正端電耦接，各該下開關U-、V-、W-的一端與直流電源Vdc的一負端電耦接，且該三相繞組a、b、c的兩端分別對應電耦接在兩兩相鄰橋臂的該接點之間，例如繞組a電耦接在接點U、V之間，繞組b電耦接在接點V、W之間，繞組c電耦接在接點W、U之間。此外，該等上開關U+、v+、W+和下開關U-、V-、W-是採用功率電晶體。

而且感應伺服控制器5是一切換(開關)式控制 器，它採分相激磁方式對三相感應馬達3的三相線圈a、b、c依序激磁，亦即在一基本周期內會控制相鄰兩個橋臂導通，例如圖6所示，令橋臂51的上開關U+與橋臂52的下開關V-導通，使直流電源Vdc與電耦接在上開關U+與下開關V-之間的線圈a導接，而輸出一直流電壓對線圈U1激磁，將電能轉換成磁能，然後讓上開關U+及下開關V-不導通，再接著令橋臂52的上開關V+及橋臂53的下開關W-導通，使直流電源Vdc對電耦接在上開關V+與下開關W-之間的線圈b激磁，然後再讓上開關V+及下開關W-不導通 ，再接著以相同方式對線圈c激磁，並持續重覆上述操作 方式，藉此使三相繞組a、b、c持續產生三相交變磁場(旋轉磁場)，使轉子31切割該等交變磁場的磁力線而產生感應電動勢，而驅使轉子31跟隨三相交變磁場旋轉。

同時，三相感應馬達3的轉子31將同步帶動磁 阻式發電機4的轉子41轉動，使磁阻式發電機4的三相繞組A、B、C因轉子41磁場不斷改變而分別產生感應電流，因此當轉子31以一固定轉速，例如50/60Hz帶動轉子41持續轉動時，三相繞組A、B、C將輸出相位各相差120°的三相交流電，等同於輸出正規的三相交流市電，而能直接供電給需要三相交流電源的負載使用。

且與此同時，如圖7所示，在感應伺服控制器5 中，每當電耦接在相鄰兩個橋臂，例如橋臂51、52之間的線圈a被激磁後，因為與直流電源Vdc不導接而瞬間消磁時，線圈a會因磁能突然消失而產生一反電動勢e，並經由與橋臂52的上開關V+反向並聯的飛輪二極體D以及與橋臂51的下開關U-反向並聯的飛輪二極體D對阻尼電容Cd充電。且本實施例之阻尼電容Cd是可配合感應伺服控制器5的開關切換頻率的無極性中頻電容。

藉此，當各相繞組a、b、c因為所連接的橋臂 51、52、53瞬間斷開，而產生之高壓反電動勢所形成的瞬間大電流將會流入阻尼電容Cd，而不會直接流經直流電源Vdc，可避免直流電源Vdc因為瞬間遭受過大電流衝擊而損壞，同時還可將各相繞組a、b、c產生的反電動勢能量儲 存在阻尼電容Cd中加以利用而不浪費。

因此，在三相感應馬達3持續運轉期間，各相 繞組a、b、c因反電動勢而產生的電流將會輪流且持續地對阻尼電容Cd充電，使阻尼電容Cd一直維持充滿電能的狀態。如此一來，當直流電源Vdc，例如蓄電池的電壓低於阻尼電容Cd的電位時，阻尼電容Cd即會適時地向直流電源Vdc充電，而能夠增加直流電源Vdc的供電時間。

而且由於各相繞組a、b、c所產生的交流型態 的反電動勢(電流)，可分別循與各相繞組a、b、c電耦接的橋臂51、52、53上的飛輪二極體D形成的放電路徑，分別對阻尼電容Cd充電而釋放能量，使感應伺服控制器5不致產生高溫，並使直流電源Vdc，例如蓄電池不致因遭受高溫而燒毀或影響其使用壽命。

再者，由於直流電源Vdc提供的是直流電壓， 電流和電壓同相位，只會輸出實功率給感應伺服控制器5，且由於直流電源Vdc(例如蓄電池或可充電電池)能夠蓄積大量的電能，具備大電容的特性，使得直流電源Vdc、感應伺服控制器5及三相感應馬達3三者構成的整體電路的功率因數將降至非常的低，例如只有0.1或甚至更低，因此，直流電源Vdc只需輸出少量實功率，例如100W給感應伺服控制器5，三相感應馬達3就會產生900W的虛功率，而相當於感應伺服控制器5輸出1KVA的視在功率給三相感應馬達3。因此，直流電源Vdc只需輸出少量的實功率，就會讓三相感應馬達3產生大量的虛功率，並藉此帶動 磁阻式發電機4發電，使得本發明動態磁電放大裝置的輸出能量大於輸入能量，而達到本發明的功效與目的。

而且當感應伺服控制器5藉由控制該等橋臂 51~53的開關切換頻率及脈波寬度調變，而輸出例如1KVA(視在功率)給三相感應馬達3時，即使三相感應馬達3在磁場換相過程中產生大量虛功率(對線圈激磁)，例如900W，但這並不會對直流電源Vdc造成影響，亦即直流電源Vdc提供的電力(實功率)仍會全部消耗在三相感應馬達3上，而不會造成實功率下降，因此不會造成直流電源Vdc的供電損失。

此外，本實施例在三相感應馬達3的轉子31與 磁阻式發電機4的轉子41耦接(軸接)處還設有一機械阻尼器，例如飛輪(flywheel)做為緩衝器，其能消除三相感應馬達3在加、減速過程的刹車期間產生的反作用力，而有助於提高系統的穩定性及降低三相感應馬達3的耗電量。

綜上所述，上述實施例的感應伺服控制器5藉 由一與直流電源Vdc及開關橋臂51~53並聯的阻尼電容Cd，吸收三相感應馬達1的三相繞組a、b、c因開關切換而產生的反電動勢以儲能，並適時回充至直流電源Vdc，而提升直流電流Vdc的供電時間，並且藉由感應伺服控制器5將直流電源Vdc提供的實功率轉換成視在功率，並驅動三相感應馬達3運轉，使直流電源Vdc僅提供少量的實功率，即能使三相感應馬達3在磁場換相過程中產生大量虛功率而推動轉子31旋轉，達到本發明使輸出能量大於輸入 能量的功效與目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

5‧‧‧感應伺服控制器

51~53‧‧‧橋臂

Vdc‧‧‧直流電源

a、b、c‧‧‧繞組

Cd‧‧‧阻尼電容

U、V、W‧‧‧接點

U+、V+、W+‧‧‧上開關

U-、V-、W-‧‧‧下開關

D‧‧‧飛輪二極體

Claims (6)

1. 一種動態磁電放大裝置，使用一直流電源，並包括：一三相感應馬達，具有一定子與一轉子，且該定子具有三相繞組；一發電機，受該三相感應馬達帶動運轉以輸出一電力訊號；一感應伺服控制器，接受該直流電源供電，並包括：三個與該直流電源並聯的橋臂，每一橋臂具有串接於一接點的一上開關及一下開關，以及兩個各別與該上開關及該下開關對應且反向並聯的飛輪二極體，該上開關的一端與該直流電源的一正端電耦接，該下開關的一端與該直流電源的一負端電耦接，且該三相繞組的兩端分別對應電耦接在相鄰兩個橋臂的該接點之間；及一阻尼電容，與該直流電源並聯，且每當相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關被導通，電耦接在該相鄰兩個橋臂之間的該相繞組會與該直流電源導接並受其激磁而驅動該轉子轉動，使帶動該發電機運轉而輸出該電力訊號，且每當該相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關被從導通切換至不導通時，電耦接在該相鄰兩個橋臂之間的該相繞組將瞬間產生一反電動勢，並經由與該相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關反向 並聯的飛輪二極體以及與另一橋臂的下開關反向並聯的飛輪二極體對該阻尼電容充電。
2. 如請求項1所述的動態磁電放大裝置，其中該直流電源是一可充電電池，且當該直流電源的電壓低於該阻尼電容的電壓，該阻尼電容即對該直流電源充電。
3. 如請求項1所述的動態磁電放大裝置，其中該阻尼電容是一工作頻率能配合該感應伺服控制器的開關切換頻率的無極性中頻電容。
4. 如請求項1所述的動態磁電放大裝置，其中該發電機為一磁阻式發電機、一交流發電機(Alternator)或一直流發電機(Dynamo)。
5. 如請求項1所述的動態磁電放大裝置，還包括一機械阻尼器，其設在該三相感應馬達的該轉子與該發電機的一轉子耦接處。
6. 如請求項5所述的動態磁電放大裝置，其中該機械阻尼器是一飛輪。