TWI554018B - Locomotive intelligent rectifier regulator - Google Patents

Description

機車智慧型整流穩壓器

本發明係為一種與機車電源電路相關的技術，尤指一種利用一相位偵測電路來控制發電機所生成之電流及電壓輸出到負載及電瓶的整流穩壓器。

一般機車係藉由引擎同步帶動發電機持續運轉來產生電力，發電機所生成的電力可以對電瓶充電以及供應其他負載所需，藉此確保機車能夠持續正常運作。

如圖1所示，機車在傳統的電路設計上，因發電機 1所生成之電源為交流電，該交流電如圖2A所示為一包含正半週波與負半週波的正弦波，因此必須要經過一全波整流器2(例如橋式整流器)，把交流波形的正半週波與負半週波轉成同一極性(如圖2B所示之正半週波)而成為直流電後輸出，方能使發電機1所生成之電源能夠供應給機車的電瓶/負載3使用。

然而，一般機車發電機1所輸出之電壓約0~50V，在最高輸出電壓時，遠比機車之電瓶/負載3所需的12V電壓來得高，因此在必須在上述全波整流器2與電瓶/負載3之間設置一電壓偵測電路4，當電壓偵測電路4偵測到整流後的電壓高於設額定電壓時，該電壓偵測電路4即輸出一信號令控制晶體將全波整流器2的輸出電壓旁通接地，以避免電壓過高造成電子零件的損壞。

如圖2C所示，上述電壓偵測電路4輸出一信號令控制晶體將全波整流器2的輸出電壓旁通接地時，是對每一個經過全波整流器2整流後的正半周波予以切割，以避免輸出到電瓶/ 負載3的電壓過大，形成如圖2D所示之脈波；然而，這種經過切割輸出的脈波無法對電瓶活化或延長電瓶之壽命，而且過高的電壓旁通接地時，會持續地在發電機之充磁線圈上產生反電動勢的突波電壓輸出，這種因反電動勢所產生的突波電壓可高達60V以上，亦會造成機車上精密電子零件，例如：造成電子式碼表總成、ECU等重要電子零件的誤判或損壞。

有鑑於上述先前技術之缺失，本發明人乃據其多年從事機車電裝技術之經驗，特研發出一種智慧型整流穩壓器，以期能克服先前技術之諸多缺失。

本發明之目的在於提供一種機車智慧型整流穩壓器，主要是在輸出電壓過高時，利用一相位偵測電路(Zero cross circuit)將發電機輸出的交流電正弦波於零交越(Zero crossing)時接地短路，降低突波電壓的產生，能避免突波電壓對機車電子零件造成誤判或損壞。而且對電瓶充電時提供了完整的正半週波，還可以對電瓶內的極群(鉛板)有效去極化，增加電瓶的使用壽命。

為達成上述目的，本發明機車智慧型整流穩壓器包含：一電連接於發電機輸出端能將交流電整流為直流電輸出到電瓶/負載之全波整流器、一電連接於全波整流器輸出端與電瓶/負載之間的電壓偵測電路、一組旁接於發電機輸出端的控制晶體、以及一電連接於電壓偵測電路與控制晶體之間的相位偵測電路(Zero cross circuit)；該控制晶體在電瓶/負載電壓值未達到設定電壓時為關閉狀態，使全波整流器整流後的直流電可以全部輸出到電瓶/負載；當電壓偵測電路測得電瓶/負載電壓值已達到設定電壓時，相位偵測電路能在發電機輸出的交流電正弦波於零交越(Zero crossing)時觸發(GET)控制晶體導通，將發電機輸出信號接地短路而使全波整流器停止整流工作以避免輸出電壓過高，讓通過全波整流器整流後的直流電正半週波可以完整地輸入到電瓶/負載端。

藉由上述特徵，本發明在利用相位偵測電路將發電機輸出的交流電正弦波於零交越(Zero crossing)時觸發控制晶體導通將輸入信號接地短路，此處發電機線圈上的能量最低，所造成的反電動勢也最小，也不會產生突波電壓，有別於傳統整流穩壓電路在電壓過大時，將每一個經過全波整流器2整流後的正半周波予以切割而容易產生突波的情形，因此能有效避免該突波電壓對機車電子零件造成誤判或損壞。

此外，由於本發明在達到設定電壓時，利用零交越(Zero crossing)時觸發(GET)控制晶體導通接地的方式來限制電壓過高，而非傳統技術利用切割方式控制電壓，因此讓通過全波整流器整流後的每一個直流電正半週波可以完整地輸入到電瓶/負載端，此輸入到電瓶/負載端的電流遠比傳統經過切割之脈波波形大，因此可以對電瓶內的極群有效去極化，增加電瓶的使用壽命。

實施時，所述之發電機為單相發電機，該單相發電機輸出端具有二條輸出線連接於全波整流器；所述控制晶體由二個分別電連接於該二條輸出線的矽控整流器(SCR)、電晶體、或場效電晶體所組成，使該相位偵測電路能通過該二個矽控整流器(SCR)、電晶體、或場效電晶體與該二條輸出線電連接，進而偵測發電機輸出端之交流電正弦波。

實施時，所述之發電機為三相發電機，該三相發電機輸出端具有三條輸出線連接於全波整流器；所述控制晶體由三個分別電連接於該三條輸出線的矽控整流器(SCR)、電晶體、或場效電晶體所組成，使該相位偵測電路能通過該三個矽控整流器(SCR)、電晶體、或場效電晶體分別與該三條輸出線電連接，進而偵測發電機輸出端之交流電正弦波。

以下依據本發明之技術手段，列舉出適於本發明之實施方式，並配合圖式說明如後：

10‧‧‧發電機

11‧‧‧輸出端

20‧‧‧電瓶/負載

30‧‧‧全波整流器

40‧‧‧電壓偵測電路

50‧‧‧控制晶體

60‧‧‧相位偵測電路

圖1：傳統整流穩壓器之電路圖。

圖2A：發電機輸出交流電之正弦波示意圖。

圖2B：交流電經整流後輸出之正半週波示意圖。

圖2C：傳統電路對電壓過大之正半周波予以接地切割之示意圖。

圖2D：傳統電路切割正半周波後所形成之脈波示意圖。

圖3：本發明機車智慧型整流穩壓器之電路圖，其發電機為單相發電機。

圖4A：發電機輸出交流電之正弦波示意圖。

圖4B：交流電經整流後輸出之正半週波示意圖。

圖4C：本發明達到設定電壓後輸出之正半週波示意圖(1)。

圖4D：本發明達到設定電壓後輸出之正半週波示意圖(2)。

圖4E：本發明達到設定電壓後輸出之正半週波示意圖(3)。

圖5：本發明另一實施例電路圖，其發電機為三相發電機。

如圖3所示本發明機車智慧型整流穩壓器之電路圖，本發明之整流穩壓器設置在發電機10與電瓶/負載20之間，包含一設置在發電機10交流電輸出端11與電瓶/負載20之間的全波整流器30、一電連接於全波整流器30與電瓶/負載20之間的電壓偵測電路40、一組旁接於發電機10輸出端11的控制晶體50、以及一電連接於電壓偵測電路40與控制晶體50之間的相位偵測電路(Zero cross circuit)60。

圖3中，所述發電機10為一單相發電機，其輸出端11具有二條輸出線，該控制晶體50為二個分別電連接於該二條輸出線的矽控整流器(SCR)所組成；實施時亦可以如圖5所示，發電機10可以為一三相發電機，而其輸出端11具有三條輸出線，該控制晶體50則可以為三個分別電連接於該三條輸出線的矽控整流器(SCR)所組成。此外，實施時，該控制晶體50除了矽控整流器(SCR)以外，亦可以為電晶體、或場效電晶體等能夠觸發開/關的電子零件替代，使前述相位偵測電路60能通過該兩個或三個矽控整流器、電晶體、或場效電晶體分別與圖3單相發電 機10輸出端11的二條輸出線、或圖5三相發電機10輸出端11的三條輸出線電連接，進而偵測單相或三相發電機10輸出端11之交流電正弦波。

請參閱圖3及圖4A發電機輸出交流電之正弦波示意圖(以單相發電機為例)，以及圖4B交流電經整流後輸出之正半週波示意圖。圖中揭示，在電壓未超過設定值的一般狀態下，前述的控制晶體50為關閉狀態，發電機10輸出的交流電為包含正半週波與負半週波的正弦波(圖4A)，且該正弦波為連續輸出，經過全波整流器30整流後，形成正半週波直流電，此直流電在供應至電瓶/負載20之前，可由電壓偵測電路40測得其輸出電壓；如前所述，若全波整流器30整流後輸出的電壓未超過設定值時，控制晶體50為關閉狀態，因此全波整流器30輸出之正半週波亦為連續波形(圖4B)，全部而且完整地輸出到電瓶/負載20；此完整的正半週波輸入電流遠比傳統經切割之波形大，因此可以對電瓶內的極群有效去極化，增加電瓶的使用壽命。

如圖3及圖4C所示，若電壓偵測電路40測得電瓶/負載電壓值已達到設定電壓時，能回饋一信號至相位偵測電路60，由於此相位偵測電路60是通過控制晶體50電連接於發電機10交流電輸出端11，即全波整流器30的上游輸入端，因此可以在發電機10所輸出的交流電正弦波於零交越(Zero crossing)時觸發(GET)控制晶體50，使交流電正弦波在零交越點接地短路；電壓偵測電路40測得電瓶/負載電壓值未達到設定電壓時停止觸發控制晶體50。

上述控制晶體50在電壓過高被觸發、以及電壓正常停止觸發的交替過程中，發電機10所輸出的交流電雖仍然是如圖4A所示的正弦波，但其中一部分波形因相位偵測電路60觸發(GET)控制晶體50接地，使全波整流器30僅能夠間續性地接收到發電機10所輸出的交流電正弦波，則經過全波整流器30整流後的直流電，其正半週波如圖4C所示，亦呈間續性地輸出到電瓶/負載20，藉此即能夠讓電瓶/負載20所接收到的輸出電壓不 超過設定值，達成整流及穩壓的作用。

圖4C中，每一個呈突出波形的部分即為全波整流器30整流後的直流電正半週波，而正半週波之間的直線部分，即為前述觸發控制晶體50接地時的狀態；相較於圖4B，圖4C的的直流電正半週波為間續狀態，但二者的每一個正半週波都仍然是未經切割的完整波形。

藉由上述電壓偵測電路40及相位偵測電路60的作用，本發明在能夠在電瓶/負載20所接收到的輸出電壓不超過設定值的前提下，由於全波整流器30整流後未經切割的正半週波可以完整地輸入到電瓶/負載20端，如前所述，對於電瓶而言，此完整的正半週波輸入電流遠比傳統經切割之波形大，因此可以對電瓶內的極群有效去極化，增加電瓶的使用壽命。

另一方面對於負載(電子零件)而言，若相位偵測電路60在交流電正弦波零交越(Zero crossing)時觸發控制晶體50導通將發電機10輸出信號接地短路，此處發電機10線圈上的能量最低、所造成的反電動勢最小，也不會產生突波電壓，因此可以有效克服傳統技術採用切割正半週波方式容易產生突波電壓，且突波電壓對機車電子零件造成誤判或損壞的問題。

如圖3及圖4D、圖4E所示，上述相位偵測電路60將發電機10所輸出的交流電正弦波於零交越時接地短路的時機，可能因發電機10運轉情形或者是電瓶/負載20耗電使用情形而有所不同，使整流後間續性輸出到電瓶/負載20的正半週波時序亦有所不同。例如機車在慢速行駛與高速行駛狀態時，引擎及發電機轉速不同，所生成之電壓也不同，因此相位偵測電路60令發電機10輸出的交流電接地時間點亦有所不同，使全波整流器30整流後的正半週波如圖4D、圖4E所示，會產生不同的間隔。

綜上所述，本發明利用相位偵測電路60在全波整流器30整流後輸出的電壓達到設定值時，令發電機10輸出的交流電正弦波於零交越時接地短路，讓全波整流器30間續性的接收交流電正弦波後，轉換成正半週波直流電輸出來控制電壓，不但可 以避免傳統技術切割正半周波而容易產生突波電壓對機車電子零件造成誤判或損壞的問題，由於輸入到電瓶/負載20端的正半週波皆未經切割，因此對電瓶而言，此時輸入電流亦遠比傳統經切割之波形大，可以對電瓶內的極群有效去極化，增加電瓶的使用壽命。

以上之實施說明及圖式所示，係舉例說明本發明之較佳實施例者，並非以此侷限本發明；舉凡與本發明之方法及特徵等近似或相雷同者，均應屬本發明之創設目的及申請專利範圍之內。

10‧‧‧發電機

11‧‧‧輸出端

20‧‧‧電瓶/負載

30‧‧‧全波整流器

40‧‧‧電壓偵測電路

50‧‧‧控制晶體

60‧‧‧相位偵測電路

Claims (3)

1. 一種機車智慧型整流穩壓器，包含：一電連接於發電機輸出端能將交流電整流為直流電輸出到電瓶/負載之全波整流器、一電連接於全波整流器輸出端與電瓶/負載之間的電壓偵測電路、一組旁接於發電機輸出端的控制晶體、以及一電連接於電壓偵測電路與控制晶體之間的相位偵測電路；該控制晶體在電瓶/負載電壓值未達到設定電壓時為關閉狀態，使全波整流器整流後的直流電正半週波全部輸出到電瓶/負載；當電壓偵測電路測得電瓶/負載電壓值已達到設定電壓時，相位偵測電路能在發電機輸出的交流電正弦波於零交越時觸發控制晶體導通，將發電機輸出信號接地短路而使全波整流器停止整流工作以避免輸出電壓過高，讓通過全波整流器整流後的直流電正半週波可以完整地輸入到電瓶/負載端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機車智慧型整流穩壓器，其中，所述之發電機為單相發電機，該單相發電機輸出端具有二條輸出線連接於全波整流器；所述控制晶體由二個分別電連接於該二條輸出線的矽控整流器(SCR)、電晶體、或場效電晶體所組成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機車智慧型整流穩壓器，其中，所述之發電機為三相發電機，該三相發電機輸出端具有三條輸出線連接於全波整流器；所述控制晶體由三個分別電連接於該三條輸出線的矽控整流器(SCR)、電晶體、或場效電晶體所組成。