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TW201817150A - 共振阻尼器 - Google Patents

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TW201817150A
TW201817150A TW105133647A TW105133647A TW201817150A TW 201817150 A TW201817150 A TW 201817150A TW 105133647 A TW105133647 A TW 105133647A TW 105133647 A TW105133647 A TW 105133647A TW 201817150 A TW201817150 A TW 201817150A
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徐夫子
凃傑生
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Abstract

一種共振阻尼器，包括一接受一交流電源輸入的諧振電路、一阻尼電容及一電耦接在該諧振電路與該阻尼電容之間的維也納電橋電路，該維也納電橋電路接受一脈波訊號控制，而在該脈波訊號的一工作週期，令該諧振電路產生並聯諧振，使該諧振電路將耦合自該交流電源的電能儲存在其中及該阻尼電容中，並在該脈波訊號的一非工作週期，令該諧振電路產生串聯諧振，並於該諧振電路與該阻尼電容之間提供一放電路徑，使該諧振電路將儲存的電能經由該放電路徑輸出至該阻尼電容。

Description

共振阻尼器
本發明是有關於一種共振電路，特別是指一種能交替產生並聯諧振及串聯諧振的共振阻尼器。
一般共振電路主要包含並聯諧振電路及串聯諧振電路，以電容與電感為例，當電容與電感並聯時，兩者組成的並聯諧振電路將自然存在一共振頻率，該共振頻率會使電感的電抗與電容的電納大小相同，正負號相反，兩者並聯後剛好相消，使訊號能量被保存在電感及電容構成的一共振槽(L-C Tank)內，就像是共振腔，需有耦合電路才能把訊號能量導出；而當電容與電感串聯時，兩者組成的串聯諧振電路也會自然存在一與並聯諧振電路相同的共振頻率，但其與並聯諧振電路不同的是，該共振頻率會使電容與電感串聯而成的阻抗為零，使得存在其中的訊號能量將完全輸出至所電連接的一負載電路或接地端。
因此，本發明之目的，即在提供一種共振阻尼器，其能在運作期間不斷地交替產生並聯諧振及串聯諧振，以將耦合自一電源的訊號能量保存於並聯諧振電路中，再由串聯諧振電路將訊號能量輸出並儲存。
於是，本發明一種共振阻尼器，接受一交流電源輸入，並包括：一諧振電路，包含一阻尼電感及一電容，該阻尼電感的兩端與該交流電源電耦接，該電容的一端與該阻尼電感的一端電耦接；一阻尼電容；及一維也納電橋電路，其與該諧振電路的該阻尼電感的未與該電容電耦接的另一端、該電容的另一端及該阻尼電容電耦接，並接受一脈波訊號控制，而在該脈波訊號的一工作週期，令該阻尼電感的另一端與該電容的另一端導接形成一並聯諧振電路，以將耦合自該交流電源的電能儲存在該並聯諧振電路及該阻尼電容中，並在該脈波訊號的一非工作週期，令該阻尼電感的另一端與該電容的另一端不導接而形成一串聯諧振電路，並提供一放電路徑電耦接該串聯諧振電路與該阻尼電容，使該串聯諧振電路將儲存的電能經由該放電路徑輸出至該阻尼電容。
在本發明的一實施例中，該阻尼電容包含兩個串聯的無極性電容及一與該兩個無極性電容並聯的有極性電容；該維也納電橋電路包含兩個與該兩個無極性電容並聯的二極體電路、兩個電晶體開關及一個控制器，該控制器產生並輸出該脈波訊號至該兩個電晶體開關，以控制該兩個電晶體開關導通與否，各該電晶體開關具有一第一端、一第二端、一受控端及一電耦接在該第一端與該第二端之間的飛輪二極體，各該第一端分別與該兩個二極體電路對應電耦接，各該第二端與該兩個無極性電容的一接點電耦接，各該受控端與該控制器電耦接；當該兩個電晶體開關在該工作週期被該控制器控制而同時導通時，將使該阻尼電感與該電容構成該並聯諧振電路，而將該阻尼電感耦合自該交流電源的電能儲存於該並聯諧振電路以及經由該兩個二極體電路與該並聯諧振電路電耦接的該阻尼電容的其中一個無極性電容，而當該兩個電晶體開關在該非工作週期被該控制器控制而同時不導通時，將使該阻尼電感與該電容構成該串聯諧振電路，而將該阻尼電感與該電容儲存的電能透過由該兩個二極體電路及與該兩個電晶體開關對應電耦接的飛輪二極體構成的該放電路徑，對該阻尼電容的其中另一個無極性電容充電，並由該有極性電容將儲存於該兩個無極性電容中的電能轉換成直流電。
在本發明的一實施例中，上述各該二極體電路包含兩個順向串聯於一接點的二極體。
在本發明的一實施例中，上述該有極性電容與一可充電的直流電源並聯，以對該直流電源充電。
在本發明的一實施例中，上述該交流電源來自一直流/交流轉換器，該直流/交流轉換器包含一輸入端與該直流電源電連接的直流/交流轉換電路，及一與該直流/交流轉換電路的輸出端電連接的隔離變壓器，該直流/交流轉換電路將該直流電源轉換成該交流電源且輸出至該隔離變壓器，該隔離變壓器的輸出端與該阻尼電感電耦接，以將該交流電源提供給該阻尼電感。
在本發明的一實施例中，上述該阻尼電感與該隔離變壓器連接的一部分是變壓器構造，而其與該電容及該維也納電橋電路連接的一部分是電感器構造。
本發明之功效在於：藉由該維也納電橋電路控制該諧振電路根據該脈波訊號的控制，不斷地交替產生並聯諧振及串聯諧振，而藉由並聯諧振將耦合(感應)自交流電源的電能保存在共振槽(腔)及能接受交流電能輸入的阻尼電容中，再藉由串聯諧振將保存在共振槽的電能透過維也納電橋電路儲存至阻尼電容中，且藉由阻尼電容將交流電能轉換成直流電儲存，再由阻尼電容對與其並聯的直流電源充電，藉此以最低耗能的方式將交流電轉成直流電並回存至直流電源中。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，是本發明共振阻尼器的一實施例，該共振阻尼器1接受一交流電源Vac輸入，並包括一諧振電路11、一阻尼電容CD 及一維也納電橋(Vienna Bridge Rectifier 或 Vienna Rectifier)電路12；其中交流電源Vac是由一直流電源Vdc，例如可充電電池經由一直流/交流轉換器2轉換而產生，在本實施例中，交流電源Vac的電壓110V，頻率60Hz，但不以此為限。
諧振電路11包含一阻尼電感LD 及一電容Cr，阻尼電感LD 的兩端與交流電源Vac的兩端電耦接，電容Cr的一端與阻尼電感LD 的一端電耦接；維也納電橋電路12其與諧振電路11的阻尼電感LD 的未與電容Cr電耦接的另一端、電容Cr的另一端及阻尼電容CD 電耦接，並接受如圖2所示的一脈波訊號P控制，而如圖3所示，在脈波訊號P的一工作週期D，令阻尼電感LD 的另一端與電容Cr的另一端導接形成如圖4所示的一並聯諧振電路，並使阻尼電容CD 與並聯諧振電路電耦接，藉此將阻尼電感LD 耦合自交流電源Vac的電能儲存在並聯諧振電路及阻尼電感LD 中，並在脈波訊號P的一非工作週期U，令阻尼電感LD 的另一端與電容Cr的另一端不導接而形成如圖5所示的一串聯諧振電路，並提供一放電路徑電耦接該串聯諧振電路與阻尼電容CD ，使該串聯諧振電路將儲存於阻尼電感LD 與電容Cr的電能經由該放電路徑對阻尼電容CD 充電，而由阻尼電容CD 將交流之電能轉換成直流電並儲存；其中脈波訊號P的頻率是例如500KHz，但不以此為限。
具體而言，如圖6所示，本實施例的直流/交流轉換器2包含一輸入端與直流電源Vdc電連接的直流/交流轉換電路21，及一與直流/交流轉換電路21的輸出端電連接的隔離變壓器22，直流/交流轉換電路21接受直流電源Vdc輸入，並將其轉換成交流電源Vac且輸出至隔離變壓器22，再透過隔離變壓器22將交流電源Vac提供給阻尼電感LD 。上述直流/交流轉換電路21可以是能將直流電源轉換成交流電源輸出的任何習知電路。且本實施例的阻尼電感LD 是採用台灣第M470365U號專利之一種在系統電路中能夠產生阻尼功能的電感器，其構造相當於與隔離變壓器22連接的一部分是變壓器，而與電容Cr及維也納電橋電路12連接的一部分是電感器，因此阻尼電感LD 能夠感應(耦合)交流電源Vac的訊號，且會有頻率響應而能夠承受高頻訊號，例如脈波訊號P。有關阻尼電感LD 的細節及特性可參閱台灣第M470365U號專利。
又具體而言，本實施例的阻尼電容CD 包含兩個串聯於一接點n1並與直流電源Vdc並聯的無極性電容Cs1、Cs2及一與直流電源Vdc並聯的有極性電容Cp；且維也納電橋電路12包含兩個與該等無極性電容Cs1、Cs2並聯的二極體電路13、14，兩個電晶體開關Q1、Q2，以及一個控制該兩個電晶體開關Q1、Q2導通與否的控制器15，其中各該電晶體開關Q1、Q2具有一第一端(汲極)D、一第二端(源極)S、一受控端(閘極)G，以及一對應電耦接在第一端D與第二端S之間的飛輪二極體D1、D2；而二極體電路13包含兩個順向串聯於一接點n2的二極體D3、D4，二極體電路14包含兩個順向串聯於一接點n3的二極體D5、D6，且電晶體開關Q1的第一端D與二極體電路13的接點n2電耦接，電晶體開關Q2的第一端D與二極體電路14的接點n3電耦接，且電晶體開關Q1、Q2的第二端S與該兩個無極性電容Cs1、Cs2的接點n1電耦接，而其受控端G與控制器15電耦接。且上述之阻尼電容CD 是採用台灣第M477033U號專利之一種在系統電路中能夠產生阻尼功能的電容器，其相關細節及特性可參閱台灣第M477033U號專利。
藉此，當控制器15輸出脈波訊號P至該兩個電晶體開關Q1、Q2，使電晶體開關Q1、Q2在脈波訊號P(如圖3所示)的工作週期D同時導通時，如圖7所示，將使阻尼電感LD 與電容Cr構成並聯電路，且脈波訊號P的頻率已預先設計成該並聯電路的共振頻率，則該並聯電路將產生並聯諧振，而將阻尼電感LD 耦合自交流電源Vac的電能儲存(保存)於阻尼電感LD 和電容Cr構成的共振槽(腔)(L-C Tank)內，以及經由該兩個二極體電路13、14的二極體D4、D6與該並聯諧振電路電耦接的阻尼電容CD 的其中一個無極性電容Cs2中，亦即，當並聯諧振電路之與接點n1電耦接的端點n4的電位(電壓)大於接點n1，並聯諧振電路即會對無極性電容Cs2充電，此時儲存於並聯諧振電路中的電能是以一電流Ir的形式在阻尼電感LD 和電容Cr之間來回流動，並在端點n4的電位(電壓)大於接點n1時流向無極性電容Cs2(圖7中以實線及虛線表示阻尼電感LD 耦合過來的電流Ir為正或負時的流向)。
而當該兩個電晶體開關Q1、Q2在脈波訊號P(如圖3所示)的非工作週期U2同時不導通時，如圖8所示，將使阻尼電感CD 與電容Cr構成串聯電路，且脈波訊號P的頻率已預先設計成該串聯電路的共振頻率，故該串聯電路將產生串聯諧振，而將儲存於阻尼電感CD 與電容Cr的電能(即電流Ir)透過由該兩個二極體電路13、14的二極體D3、D5及與該兩個電晶體開關Q1、Q2對應電耦接的飛輪二極體D1、D2構成的放電路徑，對阻尼電容CD 的其中另一個無極性電容Cs1充電。
亦即如圖8所示，電流Ir可以由二極體電路14的接點n3經由二極體D5、無極性電容Cs1、飛輪二極體D2、阻尼電感CD 與電容Cr構成的迴路對無極性電容Cs1充電，以及由二極體電路14的接點n2經由二極體D3、無極性電容Cs1、飛輪二極體D1、阻尼電感CD 與電容Cr構成的迴路對無極性電容Cs1充電。而與無極性電容Cs1、Cs2並聯的有極性電容Cp會將儲存於該兩個無極性電容Cs1、Cs2中的交流電能轉換成直流電儲存。
藉此，如圖3所示，諧振電路11將會被脈波訊號P控制而交替產生500K(5萬)次並聯諧振及串聯諧振，而將每次並聯諧振時自交流電源Vac耦合的能量儲存於由阻尼電感CD 與電容Cr構成的共振槽及阻尼電容CD 的一無極性電容Cs2中，並藉由串聯諧振將儲存於共振槽中的能量輸出至阻尼電容CD 的另一無極性電容Cs1中儲存，藉此，如圖9所示，在脈波訊號P的工作週期D期間，從諧振電路11輸出至阻尼電容CD 的電流將被迅速累積(每秒5萬次)在阻尼電容CD 內，而使阻尼電容CD 的電壓(電位)迅速上升而高於直流電源Vdc。因此，如圖10所示，儲存於阻尼電容CD 的電能將透過有極性電容CP對直流電源Vdc充電而回充至直流電源Vdc。
再者，如圖11所示，本實施例的直流/交流轉換器2的輸出端也可視實際應用需求同時並聯多個共振阻尼器1，例如若直流/交流轉換器2的輸出端輸出相差120度的A、B、C三相交流訊號，則這三相交流訊號可分別輸出至三個共振阻尼器1。
綜上所述，上述實施例藉由維也納電橋電路12控制諧振電路11根據脈波訊號P的控制，不斷地交替產生並聯諧振及串聯諧振，而藉由並聯諧振將耦合(感應)自交流電源Vac的電能保存在共振槽(腔)及能接受交流電能輸入的阻尼電容CD 中，再藉由串聯諧振將保存在共振槽的電能透過維也納電橋電路12儲存至阻尼電容CD 中，且藉由阻尼電容CD 將交流電能轉換成直流電儲存，再由阻尼電容CD 對與其並聯的直流電源Vdc充電，而以最少耗能的方式將交流電轉成直流電，並將電能回存至直流電源Vdc，使直流電源Vdc的續航力獲得提升，確實達到本發明之功效與目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是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。
1‧‧‧共振阻尼器
2‧‧‧直流/交流轉換器
11‧‧‧共振電路
12‧‧‧維也納電橋電路
13、14‧‧‧二極體電路
15‧‧‧控制器
21‧‧‧直流/交流轉換電路
22‧‧‧隔離變壓器
Vdc‧‧‧直流電源
Vac‧‧‧交流電源
LD‧‧‧阻尼電感
Cr‧‧‧電容
CD‧‧‧阻尼電容
Q1、Q2‧‧‧電晶體開關
D1、D2‧‧‧飛輪二極體
D3、D4、D5、D6‧‧‧二極體
n1、n2、n3‧‧‧接點
n4‧‧‧端點
D‧‧‧第一端
S‧‧‧第二端
G‧‧‧受控端
Cs1、Cs2‧‧‧無極性電容
Cp‧‧‧有極性電容
Ir‧‧‧電流
P‧‧‧脈波訊號
D‧‧‧工作週期
U‧‧‧非工作週期
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顯示，其中： 圖1是本發明共振阻尼器的一實施例包含的主要元件及電路方塊示意圖； 圖2是本實施例使用的交流電源、第一脈波訊號及第二脈波訊號的波形示意圖； 圖3說明本實施例的第二脈波訊號的第二工作週期用以控制並聯諧振，第二非工作週期用以控制串聯諧振； 圖4是本實施例的共振電路形成並聯諧振電路的示意圖； 圖5是本實施例的共振電路形成串聯諧振電路的示意圖； 圖6是本實施例共振阻尼器的細部電路示意圖； 圖7是本實施例的共振電路形成並聯諧振的具體電路及電流流向示意圖； 圖8是本實施例的共振電路形成串聯諧振的具體電路及電流流向示意圖； 圖9說明本實施例交替產生並聯諧振及串聯諧振的過程中，輸出至阻尼電容的電流累積的示意圖； 圖10是本實施例的有極性電容對直流電源充電的示意圖；及 圖11說明本實施例採用的直流/交流轉換器的交流電源輸出端可並聯多個共振阻尼器。

Claims (6)

  1. 一種共振阻尼器，接受一交流電源輸入，並包括： 一諧振電路，包含一阻尼電感及一電容，該阻尼電感的兩端與該交流電源電耦接，該電容的一端與該阻尼電感的一端電耦接； 一阻尼電容；及 一維也納電橋電路，其與該諧振電路的該阻尼電感的未與該電容電耦接的另一端、該電容的另一端及該阻尼電容電耦接，並接受一脈波訊號控制，而在該脈波訊號的一工作週期，令該阻尼電感的另一端與該電容的另一端導接形成一並聯諧振電路，以將耦合自該交流電源的電能儲存在該並聯諧振電路及該阻尼電容中，並在該脈波訊號的一非工作週期，令該阻尼電感的另一端與該電容的另一端不導接而形成一串聯諧振電路，並提供一放電路徑電耦接該串聯諧振電路與該阻尼電容，使該串聯諧振電路將儲存的電能經由該放電路徑輸出至該阻尼電容。
  2. 如請求項1所述的共振阻尼器，其中該阻尼電容包含兩個串聯的無極性電容及一與該兩個無極性電容並聯的有極性電容；該維也納電橋電路包含兩個與該兩個無極性電容並聯的二極體電路、兩個電晶體開關及一個控制器，該控制器產生並輸出該脈波訊號至該兩個電晶體開關，以控制該兩個電晶體開關導通與否，各該電晶體開關具有一第一端、一第二端、一受控端及一電耦接在該第一端與該第二端之間的飛輪二極體，各該第一端分別與該兩個二極體電路對應電耦接，各該第二端與該兩個無極性電容的一接點電耦接，各該受控端與該控制器電耦接；當該兩個電晶體開關在該工作週期被該控制器控制而同時導通時，將使該阻尼電感與該電容構成該並聯諧振電路，而將該阻尼電感耦合自該交流電源的電能儲存於該並聯諧振電路以及經由該兩個二極體電路與該並聯諧振電路電耦接的該阻尼電容的其中一個無極性電容，而當該兩個電晶體開關在該非工作週期被該控制器控制而同時不導通時，將使該阻尼電感與該電容構成該串聯諧振電路，而將該阻尼電感與該電容儲存的電能透過由該兩個二極體電路及與該兩個電晶體開關對應電耦接的飛輪二極體構成的該放電路徑，對該阻尼電容的其中另一個無極性電容充電，並由該有極性電容將儲存於該兩個無極性電容中的電能轉換成直流電。
  3. 如請求項2所述的共振阻尼器，其中各該二極體電路包含兩個順向串聯於一接點的二極體。
  4. 如請求項2所述的共振阻尼器，其中該有極性電容與一可充電的直流電源並聯，以對該直流電源充電。
  5. 如請求項4所述的共振阻尼器，其中該交流電源來自一直流/交流轉換器，該直流/交流轉換器包含一輸入端與該直流電源電連接的直流/交流轉換電路，及一與該直流/交流轉換電路的輸出端電連接的隔離變壓器，該直流/交流轉換電路將該直流電源轉換成該交流電源且輸出至該隔離變壓器，該隔離變壓器的輸出端與該阻尼電感電耦接，以將該交流電源提供給該阻尼電感。
  6. 如請求項5所述的共振阻尼器，其中該阻尼電感與該隔離變壓器連接的一部分是變壓器構造，而其與該電容及該維也納電橋電路連接的一部分是電感器構造。
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