TWI355795B - - Google Patents

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1355795 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種利用峰值電流模式控制驰返式轉 .換器充電之磁化機，尤指一種使該磁化機之一線圈組件 -與該充電裝i電賴，用則吏該線圈組件與一磁性組件 互感產生一磁力而對一待磁化件進行磁化作用，該充電 #裝置包括，該充電裝置包括一整流電路、一馳返式轉換 益、一電流控制模組及一控制元件，俾使該控制元件控 制電源輪出迴路與該線圈組件之間的電源通路者。 【先前技術】 永久磁鐵經常被廣泛使用許多需要產生磁場之設 備，例如永磁式馬達。其需求量日益增加。磁化永久磁 φ的激磁系統有四種方式：永久磁鐵來磁化、直流電源來 磁化、半波磁化以及電容放電磁化等。 欲將一材料磁化使其有相當大之殘磁，必須在磁化 ««又施上產生足夠大之磁場強度使其飽和，而根據經驗法 則大約為材料本身磁場強度的五倍以上，這需要相當大 的電壓及電流。對於激磁系統而言，間歇性產生高電壓 大電流將會產生許多問題。 利用電容放電脈衝磁化有較多優點，它所需的電壓 1355795 及電流相對較低，目前在工業界被廣泛使用。它的電路、 磁場以及磁化設施的熱流等都曾被探討。 然而傳統電容放電脈衝磁化系仍有下列兩項缺點： • I它需要一高電壓大容量之變壓器以及大容量之整流二 ' 極體’而變壓器往往在3KVA以上，它暨昂貴又笨重 2.閘流體之開關動作將產生諧波，而電容充電時亦產生瞬 φ 間電流突波都會影響鄰近電力系統。 本發明使用一交直流驰返式轉換器來取代前述之變壓器， 它對電容的充電速度雖不如使用變壓器，但仍足夠應付一般之 需求。它降低整個系統之體積、重量以及功率需求及損耗。同 時這馳返式轉換器使用電流控制模式（current m〇de control )，它對電容充電以一波接一波方式進行，如此將可抑 制突波產生。 典型之電今放電脈衝磁化系統線路如第一圖所示。其激 磁動作乃藉由一繞於軛鐵上之線圈來產生磁場並將軛鐵内之材 “料磁化。而這部分稱為磁化設施（magnetizing fixture)，它 .在電路上以一負載電阻（RL)及串聯一線圈組件（L1)來表示。並 可用三個階段來描述其運作： 1、電容器（C2)充電階段：當scri導通時，電容器（C2)首 先經由整流電路（41)整流後之直流予以充電，其極性如第一圖 1355795 所示，這過程大概需數秒鐘，當充電完成後SCR1關閉。 2、 磁化階段：這階段開始必須先觸發SCR2導通，於是儲 存於電容器（C2)之能量將轉換至負載電阻（RL)-線圈組件（L1) 負載亦即磁化設施，藉以磁化軛鐵内之材料。這時恢復二極體 (D3)是不導通的，當電感電流到達最大值後開始減少時這階段 就結束。 3、 電感放電階段：當電感電流開始減小時電感電壓反向 而使得恢復二極體（D3)開始導通，而恢復二極體（D3)導通後， 電容電壓降為零而SCR2關閉。這階段線圈組件（L1)之電感能 量消耗在負載電阻（RL)上面，一直到電流降為零。 上述習用磁化機於實施時會產生下列缺失： (1) 電容充電階段，初期由於電容幾近短路，它將於變壓器 一次侧造成電流突波影響週遭之電氣設備，同時這也使變壓器 以及整流用之二極體容量必須相當大以免燒毁。 (2) 導通瞬間電流大，所以需要限流電阻（R2)，而且 效率低、成本較高，且隔離變壓器額定容量大，加上其 輸出電壓高達約數千伏特左右，因此，該習用結構必須 使用體積大、重量笨重的隔離變壓器。 (3)因為利用相位角觸發SCR (其觸發電流高達約數 安培），所以控制輸出電壓時會產生大量高諧波，因而造 1355795 成電磁干擾。 (4)此外，大量諧波較容易注入電力系統，進而影響 鄰近地區用戶之供電品質，且高諧波電流所形成之磁場 - 對同步或感應電動機或磁化機，不但無法提供實值轉矩 Torque，即扭力或驅動力，反而產生反效果的逆向轉矩， 進而減低電動機或磁化機之機械運轉效能；同時亦會增 _加變壓器的鐵損（渦流損及磁滯損）及銅損，造成溫度 異常上昇或引起鐵心與繞組之共振，並且發出噪音的響 聲等諸多的缺失。 參考文獻： (1) Ravell，GH,” An Over.view of Magnet Process” .Electrical Electronics Insulation Conference, 1 995,and Electrical Manufacturing& Coil Winding Conference. Proceeding,Sep.,1 995.

(2) Pill-Soo Kim and Yong Kim, “Part I Circuit, Thermal and Cost Modeling of Impuse Magnetizer” , IEEE 1999 Internal Conference on Power Electronics and Driver Systems,. PEDS' 99, July, Hong Kong, pp. 371-376. (3) Pi 11-Soo Kim, et al," An investigation of General Characteristics Impulse of Magnetizer(Π )-Field Modeling and Thermal Modeling of Magnetizing Fixture” , Proceedings of the industry application Society Annual Meeting 1999(IAS Annual Meeting **99), pp-1715-1721, USA, 1999. (4) Pill-Soo Kim, Field and thermal modeling for impulse Magnetizing fixture based on exact parameter estimation” Industrial Electronics,2001 Proceedings IS1E 2001.Proceedings.2001.IEEE International Symposium on,pp531-536 vol. 1,2001. (5) Mohan,et, al," Powerelectronics:converters,application ,and design" , John Wi1ey&Sons,1999. (6) Uni trode Corporation,” application handbook” Uni trode Corporation,1997. (7) Shen-yaur Chen; Kunsong Huang; Fuhshang Juang;，” Improvement of a capacitor discharge impulse magnetizer circuit” IEEE Power 8 1355795

Eiectronics_and Drive Systems. 2003. PEPS 2003. The Fifth Internet| Conference on Volume 2, 17-20 Nov. 2003 Page(s):1162 - 1163 Vol.2 有鑑於上述各種習用技術的缺失，本發明人等乃積 極努力研發，在經過不斷地努力研發及試驗下，終於有 • 本發明的研發成果產出。 • 【發明内容】 本發明之主要目的，在於提供一種包括有以切換式 _電源之驰返式轉換器作為充電裝置之磁化機，且採用峰 值電流模式控制馳返式轉换器（Peak Current M〇de Control Flyback Converter)作為電容充電方法，並以 pulse-by-pulse方法對電容充電，而可限制最大電流及 降低電源的諧波和瞬時電流，因為作動在高頻所以隔離 變壓器較輕，加上所需零件少，因而具有大幅降低成本、 鲁電源轉換效率佳以及降低機器重量與體積等特點。 本發明為達成上述功效所採用的技術手段在於，其 係以該磁化機之一線圈組件與該充電裝置電連接，用以 •使該線圈組件與一磁性組件互感產生一磁力而對一待磁 ，化件進行磁化作用，該充電裝置包括一整流電路、一馳 返式轉換H、-電流控制模組及_控制元件，並由該變 壓器之一初級繞組與該整流電路形成一電源輸入迴路， 以將該電源感應傳遞至該次級繞組中，且該電源輸入迴 1355795 路串設一開關元件，再由該變壓器之一次級繞組與該整 流濾波電路形成一可供輸出直流電源的電源輸出迴路， 該電流控制模組分別與該開關元件之一觸發部及該電源 •輸入迴路電連接，用以偵測流經該電源輸入迴路之一輸 .入電流及一輸出電壓以做為調變一脈波寬度的依據，使 遠觸發部得以該脈波來控制該開關元件的導通與戴止時 #間，以調節該輸入電流的大小，再以一控制元件控制該 電源輸出迴路與該線圈組件之間的電源通路者。 【實施方式】 壹.本發明之基本技術特徵 請參看第二、三圖所示，本發明主要係將切換式電 源架構運用於磁化機（1 〇)上，使切換式電源得以輸往磁 籲化機（10)的線圈組件（1〇中，為達上述功效，其係以該 磁化機（10)之一線圈組件（11)與該充電裝置（2〇)電連 接，用以使該線圈組件（11)與一磁性組件（12)互感產生 * 一磁力而對一待磁化件（圖中未示）產生磁化作用，其 - 中，該充電裝置（20)包括： 一整流電路（21),其包含二個與一交流電源電連接 的輸入部（210) ’及二個用以輸出脈動直流之電源的輸出 部（211)，在本圖不例中，該整流電路（21)係為一橋式整 1355795 流電路； 一驰返式轉換器（22)，其包含： 一變壓器（T1)，其包含一初級繞組（220)及一次級 繞組（221)’該初級繞組（220)二端分別與該整流電路（21) • 之其一該輸出部（211)及另一該輸出部（211)電連接，用 以形成一電源輸入迴路’而可將該電源感應傳遞至該次 鲁級繞組（221)中； 一串聯於該電源輸入迴路上的開關元件（23)，其包 含一用以控制該電源輸入迴路通、斷的觸發部（23〇)，在 本圖示例中，該開關元件（23)係選自電晶體以及m〇SFET 電晶體之其中一種；及 一整流遽波電路（2 4 )，其包含一用以整流的二極體 鲁 （D1)及一用以濾波及儲能的電容器（C1)，該二極體（D1) 一端與該次級繞組（2 21) —端電連接，該二極體（j) 1)另端 與該電容器（C1)之一端電連接，該電容器（C1)另端與該 * 次級繞組（221)另端電連接，用以形成一可供輸出直流電 ， 源的電源輸出迴路； 一電流控制模組（25)，其分別與該開關元件（23)之 該觸發部（230)及該電源輸入迴路電連接，用以偵測流經 該電源輸入迴路之一輸入電流及一輸出電壓以做為調變 1355795 一脈波寬度的依據，使該觸發 货。丨U30)得以該脈波來控 該開關元件（23)的導通與截止時 的大… 調即该輸入電流 控制兀件（30)，其串聯於該電源輸出迴路之負载 端’用以控制該電源輸出迴路與該線圈組件⑴）之間的 導通。 • 貳.驰返式轉換器之具體實施 2. 1驰返式轉換器之運作 本發明之馳返式轉換（22)器主要係運用在功率i〇〇w 以下輸出的電源供給上，由於該變壓器（τι)兼具輸出及 儲能電感作用’因而具有構件較為精簡及成本較為低廉 等諸多優點，因此，於電源轉換器之應用上日益受到重 視。 請參看第二、三圖所示，當開關元件（23)切入時， 使该電源輸入迴路得以導通，該二極體（D1)則截止，此 -時，5亥電源經該初級繞組（2 2 0 )儲存在該變壓器（τ 1)中， ’並由5亥電谷器（C1)放電以供應電源輸出迴路負載端的直 流電源，使該線圈組件（丨丨）得以獲得較佳化之穩壓效果 的電源供給，而不受負載電流變化影響磁化機（1 〇)的運 轉。 12 明 5795 €開關元件（23)開路時，使電源輸入迴路截止該 二極體（D1)則導通，此時，即可將儲存在該變壓器（τι) 中之該電源由該次級繞組（221)對該電容器（C1)充電，同 時供應電源輸出迴路負载端的直流電源，使該線圈組件 (11)得以獲得較佳化之穩壓效果的電源供給。 2. 2開關元件之具體實施 春 咕參看第一、二圖所示，該開關元件（2 3 )係選自電 ㈤體以及MOSFET電晶體之其中一種。該開關元件(23)係 為一電晶體，該電晶體包含有一作為該觸發部（23〇)的基 極，及分別串聯在該電源輸入迴路上的一射極及一集 極’而可藉由該基極的觸發來控制該電源輪人迴路的通 或斷。 • 請參看第二圖所示，上述具體實施例中，該電晶體 之集極與該電源輸入迴路之間電連接有一用以感測該輸 入電流的感測電阻（R1)。 參·電流控制模組之具體實施 3. 1功率因素調整電路之具體實施 人明參看第二、三圖所示，該電流控制模組（25)更包 含-功率因素調整電路（250)，用以調整所輸出之該直流 電源的功率因素。 13 1355795 3. 2脈波調變控制電路pWM之具體實施 睛參看第二、三圖所示，其令，為達調變脈波寬度， 以求輸出電壓穩定之目的，本發明於一種具體實施例， 係採用PWM模式，並採取輸出電壓以及另一電流訊號作 為回授之狀態變數作為電流模式控制，電流取自電晶體 開關電流’因而本發明之該電流控制模組（25)更包含： 一脈波調變控制電路PWM(251)，其與該開關元件（23) 之該觸發部（230)電連接’其可依據所偵測該輸入電流及 該輸出電壓來調變該脈波之寬度；及 一與該脈波調變控制電路？^^(251)電連接的驅動電 路（252)，其受該脈波調變控制電路pwM(251)之控制來驅 動該開關元件（23)的啟、閉，並藉由該開關元件（23)的 啟閉’使该初級繞組（2 2 〇)之該電源傳遞給該次級繞組 (221) 〇 請參看第三、四圖所示，上述具體實施例中，該電 流控制模組（25)更包含一回授控制電路（253)，其先將位 於該電源輸出迴路上之輸出電壓與基準電壓比較，再將 该輸出電壓與一基準電壓之誤差值經一誤差放大器（254) 處理後得到一控制電壓，再將該控制電壓與該輸入電流 所轉換的電壓訊號經一比較器（255)進行比較而可產生 1355795 一比較訊號，並且將該比較訊號傳送至一脈波調變控制 電路PWM(251)中，使該脈波調變控制電路pwM(251)調變 輸往該開關元件（23)之該觸發部（230)的該脈波寬度，藉 由調變該脈波寬度來控制該開關元件（23)之導通與截止 時間’以限制該輸入電流的大小。 肆·控制元件之具體實施 請參看第二、四圖所示，該控制元件（3〇)為一石夕控 整流器SCR，並於該電源輸出迴路位於該矽控整流器SCR 之後端並聯有一反向的二極體（D2)，以作為線圈組件（丨j) 放電階段時的導通回復之用。 請參看第二、四圖所示，當該矽控整流器SCR被觸發 導通後即進入磁化機之磁化階段，於是儲存於電容器（Ci)之 能量轉換至線圈組件（11)及RL中，藉以磁化待磁化件。此時， 二極體（D2)不導通，當線圈組件（11)之電感電流到達最大值 後開始減少時這階段就結束。 當線圈組件（11)之電感電流開始減小時，線圈組件（11) 之電壓反向使得二極體（D2)開始導通，而二極體（D2)導通後， 電容器（C1)電壓降為零而該矽控整流器s c R關閉。此階段線圈 組件（11)之電感能量消耗在RL上面，一直到電流降為零為止。 伍·結論 15 1355795 因此，藉由馳返式轉換器的設置，使本發明確實可 以作為磁化機的充電裝置，且採用以以Current Control Flyback C〇nverte作為電容充電方法，並以 PHPulse方法對電容充電’進而限制最大電流及 降低電源的諧波和瞬時電流，因為作動在高頻所以隔離 變壓器較輕，加上所需零件少，因而具有大幅降低成本、 電源轉換效率佳以及降低機器重量與體積等特點。 以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以 限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列中請專利範圍所 述之内I、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實 施，皆應包含於本發明之專利範圍内。本發明所具體界 定於申請專利範圍之結構特徵’未見於同類物品且具 實用性與進步性’ 6符合發明專利要件，爰依法具文提 出申凊’謹請制依法核予專利，以維護本申請人合 法之權益。 【圖式簡單說明】 第一圖係習用充電裝置之電路示意圖。 第二圖係本發明基本架構之示意圖。 第三圖係本發明充電裝置之電路示意圖。 第四圖係本發明充電裝置之詳細電路示意圖 1355795 【主要元件符號說明】 (AC)交流電源 (11)(L1)線圈組件 * (20)(40)充電裝置 -(210)輸入部 (22) 驰返式轉換器 Φ (220)初級繞組 (23) 開關元件 (R1)感測電阻 (RL)負載電阻 (D1)(D2)二極體 (C1)(C2)電容器 I (250)功率因素調整電路 PWM(252)驅動電路 (254)誤差放大器 .(30)控制元件 (10)磁化機 (12)磁性組件 (21)(41)整流電路 (211)輸出部 (T1)(T2)變壓器 (2 21)次級繞組 (230)觸發部 (R2)限流電阻 (24) 整流濾波電路 (D3)恢復二極體 (25) 電流控制模組 (251)脈波調變控制電路 (253)回授控制電路 (255)比較器 17 .

Claims (1)

1. 十、專利範圍 1 · 一種利用峰值 、土 電机模式控制馳返式轉換器充電之磁 二Γ及括有一充電裝置，一與該充電裝置電連接的 用 、、牛，以對一待磁化件產生磁化作 用，該充電裴置包括： Α “電路’其包含二個與一交流電源電連接的輸 I5及一個用以輪出脈動直流之電源的輪出部： 一馳返式轉換器，其包含： 變壓1 ’其包含—初級繞組及—次級繞組，該 切級繞組二端分別與該整流電路之其一該輪出部及另一 遠輪出部電連接1以形成—電源輸人迴路，而可將該 電源感應傳遞至該次級繞組中； 一串聯於該電繆輸入迴路上的開關元件，其包含一 用以控制該電源輸入迴路通、斷的觸發部；及 一整流濾波電路’其包含一用以整流的二極體及一 用以濾波及儲能的電容器’該二極體一端與該次級繞組 一端電連接，該二極體另端與該電容器之一端電連接， 該電容器另端與該次級繞組另端電連接，用以形成一可 供輸出直流電源的電源輸出迴路； 一電流控制模組，其分別與該開關元件之該觸發部 及"亥電源輸入迴路電連接，用以偵測流經該電源輸入迴 路之輪入電流及一輸出電壓以做為調變一脈波寬度的 依據使該觸發部得以該脈波來控制該開關元件的導通 與截止時間’以調節該輸入電流的大小；及 一控制元件，其事聯於該電源輸出迴路之輸出端， 用以控制該的電源輸出迴路與線圈組件之間的導通。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之磁化機，其中，該整 流電路係為一橋式整流電路。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之磁化機，其中，當該 電源輸入迴路導通時，該二極體則截止，該電源經該I 級繞組儲存在該變壓器中，並由該電容器放電以供應該 直流電源，當該電源輸入迴路截止時，該二極體則導通， 並將儲存在該變壓器中之該電源由該次級繞組對該電容 器充電，同時供應該直流電源。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之磁化機，其中，該開 關兀件係選自電晶體以及M〇SFET電晶體之其中—稂。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之磁化機，其中，該開 關元件係為一電晶體，該電晶體包含有一作為該觸發部 的基極，及分別串聯在該電源輸入迴路上的一射極及一 集極，而可藉由該基極的觸發來控制該電源輸入迴路的 1355795 通或斷。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之磁化機，其中，該開 關元件單元係為一電晶體該電晶體之集極與該電源輪 入迴路之間電連接有一用以感測該輸入電流的感測電 * 阻。 7 ·如申請專利範圍第i項所述之磁化機，其中，該電 籲机控制模組更包含一功率因素調整電路，用以調整所輪 出之5亥直流電源的功率因素。 8如申请專利範圍第1項所述之磁化機，其中，該電 流控制模組更包含： 一脈波調變控制電路PWM，其與該開關元件之該觸發 4電連接，其可依據所偵測該輸入電流及該輸出電壓來 調變該脈波之寬度；及 一與該脈波調變控制電路PWM電連接的驅動電路， 其受該脈波調變控制電路簡之控制來驅動該開關元件 、的啟、閉，並藉由該開關元件的啟閉’使該初級繞組之 * 該電源傳遞給該次級繞組。 9 ·如中請專利範圍第丄項所述之磁化機，其中，該電 流控制模組更包含—回授控制電路，其用以將位於該電 源輸出迴路上之該輪出電壓與—基準電壓之誤差值經一