專利名稱：增頻式低能耗脈沖充磁機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型技術(shù)屬于電學(xué)-基本電氣元件-磁性材料-磁化或去磁的設(shè)備或方法技術(shù)領(lǐng)域，具體為增頻式低能耗脈沖充磁機(jī)，背景技術(shù)電容儲能脈沖充磁機(jī)，是目前廣泛采用的永磁材料充磁技木，相比較早的直流充磁機(jī)，其耗電已大幅下降，效率也有所提高。但這只是與落后技術(shù)的直流充磁機(jī)相比有些進(jìn)步，以現(xiàn)有專利技術(shù)參考，如專利CN200810093729，2中，就是用可控硅調(diào)壓，再用エ頻變壓器隔離升壓后整流，對儲能電容充電，最后對充磁夾具線圈脈沖放電充磁。公開的專業(yè)技術(shù)雜志《微特電機(jī)》:2009年第十期第68頁《一種高效充磁機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)》一文中，圖3 :《充磁電路圖》上，也是先以可控硅調(diào)壓，再用エ頻變壓器隔離升壓后還由電阻限流，再整流，對儲能電容充電，最后對充磁夾具線圈脈沖放電充磁。 這ー技術(shù)并不完善，主要有以下的幾個問題I.可控硅導(dǎo)通瞬間，陡升電壓加到儲能電容充電時沖擊電流太大，要加入電阻限流，又帶來發(fā)熱大、效率低的問題，這樣限流電阻阻值不能足夠大，故限流效果有限。按電子技術(shù)常識，可控硅調(diào)壓是不便接電容性負(fù)載的，而充磁機(jī)里儲能電容偏偏是大容量電容性負(fù)載，因此帶來嚴(yán)重的沖擊電流問題，加入電阻限流只能略作緩解，不能改變問題的根本。2.エ頻變壓器體積大、繞組匝數(shù)多電阻值較高，又工作在低功率因素、強(qiáng)脈動電流或エ頻的諧波下，損耗大、效率低。3.可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，實際輸出電壓還受電網(wǎng)電壓影響，精度低，而且可控硅調(diào)壓電路反饋遲緩，本次觸發(fā)導(dǎo)通后如檢測到電壓偏高或偏低，最快也需待エ頻下半周波才能調(diào)節(jié)，而這遲緩的半周波時間在正常充電狀況要充電提高4V (按充電時間5秒充電到2000V計算)，也就是說在下半周波調(diào)節(jié)時電壓已提高了 4V，所以反饋調(diào)節(jié)就不準(zhǔn)確，重復(fù)電壓精度只能做到±2V左右，甚至更差。4.可控硅的移相觸發(fā)導(dǎo)通調(diào)壓方式，使負(fù)載電流的相位和供電電壓的相位錯開了，因此功率因素低且無法校正，需電網(wǎng)供電電流大，視在功率大，而實際有功功率不到ー半，充電到儲能電容中的電能更是少部分。特別是每一充電周期的零伏開始充電或低壓充電時，因可控硅導(dǎo)通角小，需很大的供電電流峰值，才能提供充電電流平均值，而此時因充電電壓低而有效充電功率很低，故效率極低，功率因素極低，增加電網(wǎng)損耗和成本。也因此其電壓調(diào)節(jié)不便較低，5.儲能電容是電容性負(fù)載，可控硅調(diào)壓接電容性負(fù)載后，必然對電網(wǎng)帶來嚴(yán)重諧波電流和電壓畸變，會污染電網(wǎng)，對電網(wǎng)和電網(wǎng)其他用戶造成騷擾，所以電磁兼容性差。需大功率低阻抗電網(wǎng)供電，否則會超過國家電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制。6. 一般這類充磁機(jī)上，都因能耗大、發(fā)熱大，裝有散熱風(fēng)扇，有的甚至裝有多個散熱風(fēng)扇，造成室內(nèi)工作環(huán)境溫度升高，并帶進(jìn)灰塵影響高壓充磁機(jī)的絕緣。7.整套電路技術(shù)落后，在通訊電源行業(yè)已遭淘汰。以上問題，在很多實例中都有反映，目前這ー技術(shù)總體能耗過高，僅按電能轉(zhuǎn)換的能耗估算，就有大部分被消耗。[0014]有ー 實例某廠一臺商品化脈沖充磁機(jī)，就是用可控硅調(diào)壓、電阻限流、再用エ頻變壓器隔離升壓后整流，對儲能電容充電，其銘牌上標(biāo)明需要AC220V/40A供電，儲能電容1000UF/1000V，充電周期3秒，其視在功率估算高達(dá)8. OKff,計入50%功率因素，其有功功率為8. 0X50% = 4. 0KW，3秒需要電能量為3秒X 4. OKff = 12000J,而儲能電容1000uF/1000V，3 秒充滿后只能存有能量 0. 5X 1000uF/1000V2 = 5000J,顯然、大部分電能量12000J-5000J = 7000J都被損失掉。該實例只是估算，實際供電電流有波動、功率因素小于50%也有變動，能量損失也可能沒有這么高。但該充磁機(jī)內(nèi)，裝有多個大功率發(fā)熱電阻、多個冷卻風(fēng)扇，也足以說明其能耗大，而且功率因素太低、諧波含量高，也會將能耗轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)，實際連續(xù)使用時就有時發(fā)生供電插頭座燒毀或發(fā)熱變形接觸不好、供電線路溫升較高等問題。如現(xiàn)有專利CN201020128034，6中，就要求使用三相脈沖電源柜，是因為其能耗大的緣故，必須設(shè)計成三相供電，以分擔(dān)供電電流。也有些廉價充磁機(jī)不裝限流電阻，靠變壓器繞組和供電線路阻抗限流，號稱低能耗，該充磁機(jī)雖無限流電阻的發(fā)熱，但其功率因素更低、諧波含量奇高，因此將能耗都轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)和升壓變壓器上，還使儲能電容處于脈沖充電狀態(tài)，對儲能電容壽命造成影響，并引起電網(wǎng)電壓畸變和波動。顯然不符合國家電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。大功率充磁時，問題更加嚴(yán)重?，F(xiàn)有高能耗的可控硅調(diào)壓、エ頻變壓器升壓充磁機(jī)，在全球氣候變暖的今天，已越來越不適應(yīng)當(dāng)今世界的低碳環(huán)保潮流。實用新型內(nèi)容本實用新型技術(shù)涉及增頻式低能耗脈沖充磁機(jī)，按國際專利分類表(IPC)劃分，屬于電學(xué)-基本電氣元件-磁性材料-磁化或去磁的設(shè)備或方法技術(shù)領(lǐng)域。其目的是解決目前該領(lǐng)域充磁設(shè)備能耗過高、精度太低、可靠性不夠、電磁兼容性差的問題。本實用新型技術(shù)解決上述技術(shù)問題的方案是主回路對エ頻交流供電先整流濾波、高速電子開關(guān)逆變增頻，再進(jìn)入中/高頻低能耗限流、中/高頻低能耗變壓器隔離升壓及中/高頻整流濾波，后對儲能電容充電，最后脈沖放電給充磁夾具線圈對永磁材料充磁。本實用新型技術(shù)具體為增頻低能耗式電容儲能脈沖充磁機(jī)，由整流濾波(I)、逆變增頻(2)、中/高頻低能耗限流升壓(3)、中/高頻整流濾波(4)、儲能電容(5)、脈沖放電
(6)、充磁夾具(7)、逆變控制保護(hù)(8)、協(xié)調(diào)控制監(jiān)測(9)組成。本實用新型技術(shù)的有益效果是多方面的，相比原來技術(shù)的可控硅調(diào)壓+エ頻變壓器+限流電阻電路，本技術(shù)不僅徹底解決了原來技術(shù)的多個缺陷，而且還帶來多項有益效果，具體如下I.限流無能耗或低能耗中高頻率交流電可用小體積小電感量電抗器限流，或電抗器電容串聯(lián)諧振限流，它們是無能耗元件。2.限流平穩(wěn)逆變增頻時進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)調(diào)節(jié)脈寬，或逆變增頻時進(jìn)行脈沖頻率調(diào)制方式(PFM)調(diào)節(jié)頻率，等多種限流調(diào)節(jié)方式之一，或兩種配合，并可配合快速充電電流反饋閉環(huán)控制，實現(xiàn)從零伏開始充電到最大儲能電壓的寬范圍平穩(wěn)限流。3.采用低損耗中/高頻變壓器升壓它具有體積小、繞組匝數(shù)少、電阻值低，損耗低，效率高的優(yōu)點。[0027]4.對電能進(jìn)行中高頻細(xì)分如將エ頻50Hz逆變增頻到20kHz，則交流電周期從20ms細(xì)分到了 50us，也就實現(xiàn)對電能時間值上的細(xì)分，再引入快速電壓反饋控制，因此可以提高控制精度和穩(wěn)定性。重復(fù)電壓精度可做到±1V內(nèi)(2000V最大值時)。5.零伏開始充電或低壓充電時具有續(xù)流增流或諧振增流效果，此時進(jìn)ー步降低輸入電能需求和損耗，加快充電速度，改善低壓充電時的性能，擴(kuò)大電壓調(diào)節(jié)范圍。6.逆變增頻部分可采用軟開關(guān)、諧振、零電壓開關(guān)等先進(jìn)電カ電子技術(shù)，控制逆變損耗。 7.功率元件工作平穩(wěn)、無沖擊，電路無觸點磨損，能長期可靠工作。8.可加入加入功率因素校正電路(PFC)和電磁兼容濾波電路(EMI)，進(jìn)ー步提高功率因素和改善電磁兼容性。經(jīng)實測，采用本專利技術(shù)的HVM-2000A增頻式低能耗脈沖充磁機(jī)，可達(dá)到85%以上的電能轉(zhuǎn)換效率，充足8000J儲能電容，只需要AC220V供電、平均IOA電流，平均有功功率不到2KW，需時5秒充滿，電能只需要不到10000J，損失電能只有不到10000J-8000J =2000J。整機(jī)無大功率或高溫發(fā)熱零件，無風(fēng)扇，溫升低、而且精度高、可靠性高、功率因素高、電磁兼容性好。


圖I是本實用新型技術(shù)增頻式低能耗脈沖充磁機(jī)的原理框圖，由于具體電路比較復(fù)雜并依實際需要多變，這里僅給出了通用的原理框圖。該圖為了敘述方便，將各部分按功能分開來畫，實際可能因為要縮小體積，或エ藝需要或?qū)⒛偿藗€或幾個部分集成到一塊電路板或一個組件內(nèi)或一體化、或?qū)⒛骋徊糠植痖_來，比如控制電路和主回路可以做到一塊電路板、限流電感和高頻變壓器也可以一體化，但變化后還是符合ー個特征，即エ頻交流供電要經(jīng)過高速電子開關(guān)逆變增頻，再由高頻變壓器升壓，而不再使用可控硅調(diào)壓和エ頻變壓器升壓具體實施方式
本實用新型技術(shù)具體實施方式
可以比較靈活，具體增頻頻率、電路形式、控制方式可多種，應(yīng)根據(jù)實際整體性能要求、設(shè)計制造技術(shù)水平、元器件性能、成本預(yù)算等條件來優(yōu)選，且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，還會有不斷改進(jìn)，以達(dá)到更高的性能，但只要采用先逆變增頻，后經(jīng)中/高頻變壓器隔離升壓的電路，就相對原來技術(shù)有明顯的節(jié)能效果，也自然落于本實用新型技術(shù)保護(hù)的范圍。I.圖中整流濾波(I)部分一般采用全橋整流+電解電容電路，如要得到高功率因素，則需加入功率因素校正電路(PFC)，如要得到好的電磁兼容性，還需加入電磁兼容濾波電路(EMI)。功率因素校正(PFC)部分可采用有源式或無源式，但鑒于エ業(yè)設(shè)備的可靠性要求和充磁設(shè)備的使用量不大，采用無源(PFC)電路即可。2.圖中逆變增頻⑵部分按照充電功率大小和充電電壓高低，可采用反激式、半橋式或全橋式等電路結(jié)構(gòu)，調(diào)制方式可選擇工作在PWM脈寬調(diào)制方式、也可可選擇工作在PFM頻率調(diào)制方式、或用LLC諧振方式。所用高速電子開關(guān)器件也依功率不同可采用功率場效應(yīng)管(VMOS)或絕緣柵型晶體管(IGBT)，智能功率模塊(IPM)，某些情況下也可以用可控硅(SCR)或其他電子器件。再盡量加入軟開關(guān)技術(shù)、諧振開關(guān)技木、ZVS零電壓開關(guān)技木、ZCS零電流開關(guān)技術(shù)等先進(jìn)電カ電子技木，進(jìn)ー步減少開關(guān)沖擊、降低逆變損耗。3.中/高頻低能耗限流升壓(3)部分可采用小電感量電抗器限流、小電感量電抗器/電容諧振限流、或PWM調(diào)制限流等無能耗方式，可達(dá)到無能量消耗(能量消耗很低，可忽略)，而且限流平穩(wěn)，還能通過改變逆變開關(guān)頻率來調(diào)整電感阻抗、或調(diào)整電感/電容諧振阻抗，結(jié)果就可調(diào)整充電電流，實現(xiàn)從零伏到最高電壓的寬范圍都基本恒流充電。注意電感和電容都必須是高頻電感和高頻電容。也可使逆變部分工作在PWM脈寬調(diào)制方式，則無需電感限流，只需在高頻整流后用電感續(xù)流也可達(dá)到限流平穩(wěn)。中/高頻升壓部分，可使用較小鐵氧體或非晶態(tài)鐵芯，鐵損就很輕微。由于頻率高，繞組匝數(shù)少、每匝長度短，其電阻值小，銅損耗也很輕微。4.中/高頻整流濾波(4)部分可采用全橋整流或倍壓整流，應(yīng)依椐充磁機(jī)額定最高充電電壓而選擇，注意整流ニ級管一般為快恢復(fù)ニ級管。5.儲能電容(5)部分最好采用充磁機(jī)專用脈沖電容器，它可承受較大脈沖電流，以獲得較穩(wěn)定儲能容量和較長使用壽命。 6.脈沖放電(6)部分一般選用大電流平板式可控娃，7.充磁夾具(7)部分要按被充磁永磁材料設(shè)計，如設(shè)計不當(dāng)，則充磁夾具會成為高能耗部件，需要加倍的脈沖電能充磁，也會帶來加倍的能耗，且必須水冷來冷卻充磁夾具。如設(shè)計合理，雖然充磁夾具成本高些，但它不僅充磁效果好，而且可降低對脈沖放電能量需求，充磁機(jī)能耗會更低，充磁機(jī)整體建造成本和使用成本均可顯著降低，達(dá)到優(yōu)良的性價比。8.逆變控制保護(hù)(8)部分一般采用控制IC和分離元件配合，具體IC型號有多種，要結(jié)合主回路工作方式選擇，逆變控制部分工作時要根據(jù)程控給定電壓和反饋電壓、電流雙回路信號來調(diào)整逆變脈沖寬度或頻率9.協(xié)調(diào)控制監(jiān)測(9)部分優(yōu)選的采用單片機(jī)為核心、專門開發(fā)的數(shù)字化控制電路，可達(dá)到較高的性價比。要求低的，也可采用數(shù)字邏輯IC+模擬1C、或程控器控制，要求高的可采用DSP數(shù)字信號處理器控制。控制軟件和控制模式也有很多種，主要功能是協(xié)調(diào)必需在充電完成關(guān)閉充電后才能脈沖放電充磁，同時監(jiān)視各個過程是否正常，并給予顯示和報警，還要協(xié)調(diào)外部人工操作或聯(lián)機(jī)自動操作，還可加入其他輔助功能。10.供電輸入端還可串聯(lián)限流電阻，限制開機(jī)時濾波電容沖擊電流；開機(jī)后延遲1-2秒再由一組繼電器觸頭短接限流電阻。11.具體實施時，還需要符合相應(yīng)安全標(biāo)準(zhǔn)要求的安全防護(hù)機(jī)柜/機(jī)箱和內(nèi)部絕緣支撐結(jié)構(gòu)，機(jī)拒/機(jī)箱上不用裝風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)，以免引來灰塵，開百葉窗自然通風(fēng)即可。
權(quán)利要求1.一種增頻式低能耗脈沖充磁機(jī)，由整流濾波(I)、逆變增頻(2)、中/高頻低能耗限流升壓(3)、中/高頻整流濾波(4)、儲能電容(5)、脈沖放電￠)、充磁夾具(7)、逆變控制保護(hù)(8)、協(xié)調(diào)控制監(jiān)測(9)組成，其特征是主回路エ頻交流供電先經(jīng)整流濾波、電子開關(guān)逆變增頻，再經(jīng)中/高頻低能耗限流、升壓及中/高頻整流濾波。
2.如權(quán)利要求I所敘的充磁機(jī)，其特征是增頻時還進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)調(diào)節(jié)脈寬，或增頻時進(jìn)行脈沖頻率調(diào)制方式(PFM)調(diào)節(jié)頻率，使充電電流、電壓能夠按需要調(diào)節(jié)控制。
3.如權(quán)利要求I所敘的充磁機(jī)，其特征是對エ頻交流電增頻后由電抗器限流，或由電抗器與電容諧振限流，或PWM調(diào)制限流，使其限流變得容易，限流平穩(wěn)。
專利摘要本實用新型涉及一種增頻式低能耗脈沖充磁機(jī)，屬于電學(xué)-基本電氣元件-磁性材料-磁化或去磁的設(shè)備或方法技術(shù)領(lǐng)域。其目的是解決目前該領(lǐng)域充磁設(shè)備能耗過高、精度太低、可靠性不夠等問題。其結(jié)構(gòu)由整流濾波(1)、逆變增頻(2)、中/高頻限流升壓(3)、中/高頻整流濾波(4)、儲能電容(5)、脈沖放電(6)、充磁夾具(7)、逆變控制保護(hù)(8)、協(xié)調(diào)控制監(jiān)測(9)組成。其特征是主回路對工頻交流供電先逆變增頻至中/高頻，再由中/高頻低能耗限流和變壓器隔離升壓及整流濾波，后對儲能電容充電，最后脈沖放電給充磁夾具線圈對永磁材料充磁。本實用新型可顯著減小充磁機(jī)能耗，提高控制精度、可靠性、功率因素和電磁兼容性。
文檔編號H01F13/00GK202394635SQ201120389938
公開日2012年8月22日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者吳家寶 申請人:吳家寶, 武漢市硚口區(qū)精誠電器設(shè)備廠