具有阻尼功能的驱动电路及飞轮能量储存系统的制作方法

本发明涉及一种驱动电路，特别是涉及一种用以驱动飞轮能量储存装置的具有阻尼功能的驱动电路，以及具有该驱动电路的具有阻尼功能的飞轮能量储存系统。

背景技术：

参见图1，现有飞轮储能系统(Flywheel Energy Storage,简称FES)主要包括一飞轮储能装置100及一驱动电路200。飞轮储能装置100主要包括一电机1(既是电动机也是发电机)及一飞轮2，其中电机1的定子(图未示)上绕设有如图2所示的三相线圈R、S、T，该三相线圈R、S、T彼此相连接而形成具有三个接点U、V、W的Y型绕线。且如图3所示驱动电路200接受一直流电源Vdc供电，并用以驱动电机1运转，其具有三个与直流电源Vdc并联的桥臂21、22、23，所述桥臂21、22、23与三相线圈R、S、T的接点U、V、W对应电耦接，以控制直流电源Vdc适时对三相线圈R、S、T激磁，而驱动电机1以电动机型式运转，使带动飞轮2加速旋转并储能(电能转机械能)。而当直流电源Vdc停止供电时，飞轮2将减速并带动电机1以发电机型式运转，使产生电力输出(机械能转电能)。

此外，当驱动电路200驱动电机1运转(电动机型式)，而控制三相线圈R、S、T其中两相轮流与直流电源Vdc导接，例如图2所示，线圈R、S与直流电源Vdc导接而被激磁，使驱动电机1的转子(图未示)带动飞轮2旋转，然后，驱动电路200令直流电源Vdc与线圈R、S不导接，并接着换线圈S、T与直流电源Vdc导接，以对线圈S、T激磁，此时，如图4所示，线圈R、S将因瞬间不导接而产生反电动势e1、e2。因此，为使反电动势e1、e2不直接冲击直流电源Vdc，驱动电路200中通常会设置一与直流电源Vdc并联的缓冲电容(阻尼电容)Cd，使反电动势e1、e2能经由驱动电路200中上开关U+、V+、W+、下开关U-、V-、W-的飞轮二极管D暂存在缓冲电容Cd中。

但是反电动势e1、e2经由驱动电路200对缓冲电容Cd充电，不但会造成驱动电路200升温，且由于反电动势e1、e2的电压通常比直流电源Vdc的电压高，会阻挡直流电源Vdc进入驱动电路200，将使驱动电路200因直流电源Vdc与反电动势e1、e2相冲突而升温。因此，为避免驱动电路200因温度过高而损坏，现有飞轮储能系统通常还需设置一冷却系统(图未示)对驱动电路200进行散热。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用以驱动飞轮能量储存装置且兼具省电及高效能的具有阻尼功能的驱动电路以及具有该驱动电路之具有阻尼功能的飞轮能量储存系统。

本发明具有阻尼功能的驱动电路，接受一直流电源供电，以驱动飞轮能量储存装置，该飞轮能量储存装置包括一做为电动机与发电机的电机及一被该电机带动的飞轮，其中该电机具有一定子，该定子设置有三相线圈，该三相线圈彼此相连接形成具有一个中性点及三个接点的Y型绕线；该驱动电路包括：三个与该直流电源并联的桥臂，每一桥臂具有串接于一第一接点的一上开关及一下开关，以及两个分别与该上开关及该下开关对应且反向并联的飞轮二极管，该上开关的一端与该直流电源的一正端电耦接，该下开关的一端与该直流电源的一负端电耦接，且每一相线圈的该接点与每一桥臂的该第一接点对应电耦接；三个与该直流电源并联的飞轮二极管组，每一飞轮二极管组具有串接于一第二接点的一第一飞轮二极管及一第二飞轮二极管，且每一相线圈的该接点与每一飞轮二极管组的该第二接点对应电耦接；两个第一直流支撑电容，与该直流电源并联；及两个第二直流支撑电容，其一端串接于一第三接点，另一端分别与该直流电源的两端对应电耦接，且该第三接点与该三相线圈的该中性点电耦接。

在一实施例中，所述第一直流支撑电容是一有极性电容，所述第二直流支撑电容是一无极性高频电容，且两者共同构成一阻尼电容。

在一实施例中，该驱动电路还包括一与该直流电源并联且能被重复充放电的阻尼电池，且所述第二直流支撑电容会对该阻尼电池放电，而将电能储存于该阻尼电池。

在一实施例中，该阻尼电池是一电容电池或酸碱共振电池。

此外，本发明一种具有阻尼功能的飞轮能量储存系统包括上述的该飞轮能量储存装置及该驱动电路。

本发明的有益效果在于：借由驱动电路的第一直流支撑电容对直流电压进行稳压，使电机不致遭受直流电压太大的电压波动影响，且借由所述飞轮二极管组与第二直流支撑电容的设计，让三相线圈产生的反电动势不会直接影响直流电源，且不会经由驱动电路的桥臂放电，不会与输入桥臂的直流电源产生冲突，故不会造成桥臂发热而升温。而三相线圈产生的反电动势经由第二直流支撑电容转换成直流电能后，能优先提供电力给被驱动的电机，而增加直流电源的续航力，并使驱动电路达到兼具节能省电及高效能的功效与目的。

附图说明

图1是现有飞轮能量储存系统的电路方块示意图。

图2是现有飞轮能量储存系统的电机使用的三相线圈绕线示意图。

图3是现有飞轮能量储存系统的驱动电路图。

图4是三相线圈其中两相线圈上产生反电动势示意图。

图5是本发明具有阻尼功能的飞轮能量储存系统的一实施例中的驱动电路图。

图6是本实施例中电机的三相线圈其中两相线圈被激磁示意图。

图7说明本实施例中电机的两个线圈R、S上产生的反电动势的放电路径。

图8说明本实施例中电机的两个线圈R、S上产生的反电动势的放电路径及其等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明具有阻尼功能的飞轮能量储存系统的一实施例主要包括如图1所示的一飞轮能量储存装置(Flywheel Energy Storage,简称FES)100，以及一用以驱动飞轮能量储存装置100的驱动电路300，如图5所示。且如图1所示，飞轮能量储存装置100主要包括一既是电动机也是发电机的电机1以及一被电机(电动机)1带动的飞轮2，且电机1的结构类似马达，其具有一定子及一转子(图未示)，且该定子上设置有如图6所示的三相线圈R、S、T，该三相线圈R、S、T彼此相连接而形成具有一个中性点Np及三个接点U、V、W的Y型绕线。

再如图5所示，驱动电路300包括三个与直流电源Vdc并联的桥臂21、22、23，三个与该直流电源Vdc并联的飞轮二极管组24、25、26，两个与直流电源Vdc并联的第一直流支撑电容C1，以及两个第二直流支撑电容C2、C3。其中每一桥臂21、22、23具有串接于一第一接点211、221、231的一上开关U+、V+、W+及一下开关U-、V-、W-，以及两个分别与该上开关U+、V+、W+及该下开关U-、V-、W-对应且反向并联的飞轮二极管D，且所述上开关U+、V+、W+的一端与直流电源Vdc的一正端电耦接，所述下开关U-、V-、W-的一端与直流电源Vdc的一负端电耦接，而每一相线圈R、S、T的接点U、V、W与每一桥臂21、22、23的第一接点211、221、231对应电耦接。

每一飞轮二极管组24、25、26具有串接于一第二接点241、251、261的一第一飞轮二极管D1及一第二飞轮二极管D2，且每一相线圈R、S、T的接点U、V、W与每一飞轮二极管组24、25、26的第二接点241、251、261对应电耦接。

该两个第二直流支撑电容C2、C3的一端串接于一第三接点27，另一端分别与直流电源Vdc的两端对应电耦接，且该第三接点27与三相线圈R、S、T的该中性点Np电耦接。而且第一及第二直流支撑电容C1、C2、C3皆为薄膜电容，且第二直流支撑电容C2、C3的电容值相同，而第一直流支撑电容C1与第二直流支撑电容C2、C3的电容值可以相同或不同。且值得一提的是，在本实施例中，该第一直流支撑电容C1是做为一有极性电容(不过其本身无极性限制)，且第二直流支撑电容C2、C3是一无极性高频(或中频)电容，而且第一直流支撑电容C1与第二直流支撑电容C2、C3共同构成一阻尼电容，而有关阻尼电容的特性及细节可参见台湾第M477033号「在系统电路中用于阻尼功能的电容器」专利。

此外，本实施例还包括一与直流电源Vdc并联的阻尼电池Db，它是一个可以被重复充放电且具有阻尼功能的可充电电池，例如电容电池或酸碱共振电池。

借此，当驱动电路300控制三相线圈R、S、T的接点U、V、接点V、W、接点W、U轮流与直流电源Vdc电耦接，以借由轮流对三相线圈R、S、T的其中两相线圈激磁，驱动电机1以电动机型式运转，并带动飞轮2加速旋转而储能(将电能转成机械能)，同时，第一直流支撑电容C1能够稳定直流电源Vdc的输出电压，使其电压波动保持在允许的范围内而能够稳定地供给电机1。

再者，当电机1以电动机型式运转时，例如图5及图6所示，驱动电路300透过桥臂21的上开关U+及桥臂22的下开关V-导接线圈R、S及直流电源Vdc时，线圈R、S将被激磁而驱使电机1的转子相对定子旋转。接着，驱动电路300令直流电源Vdc与线圈R、S不导接，并换线圈S、T与直流电源Vdc导接，以对线圈S、T激磁。此时，如图7与图8所示，线圈R、S将因瞬间不导通而产生反电动势e1、e2，其中，在线圈R上的反电动势e1将循中性点Np、第二支撑电容C3、飞轮二极管组24的第二飞轮二极管D2构成的放电回路(最短路径)，对第二支撑电容C3放电，同时，在线圈S上的反电动势e2将循飞轮二极管25的第一飞轮二极管D1、第二支撑电容C2、中性点Np构成的放电回路(最短路径)，对第二支撑电容C2放电。因此，上述第二支撑电容C2、C3分别接受交流的反电动势e2、e1，并将反电动势e2、e1转换成直流电能，而产生阻尼效应(亦即将交流转直流，以完全吸收反电动势e2、e1，而具有最大功率转移)，再由第二支撑电容C2、C3对阻尼电池Db释放电能(即对阻尼电池Db充电)，使反电动势e2、e1以直流的形态回收储存于阻尼电池Db中。

同理，当线圈S、T被激磁后，从与直流电源Vdc导接状态变成不导接状态时，线圈S、T上瞬间产生的反电动势亦将以上述方式经由相对应的飞轮二极管组对第二支撑电容C2、C3放电，再由第二支撑电容C2、C3对阻尼电池Db释放电能(即对阻尼电池Db充电)，而将线圈S、T上瞬间产生的反电动势回收储存于阻尼电池Db中。借此，除了可避免三相线圈R、S、T瞬间产生的高压反电动势直接对直流电源Vdc造成冲击外，将三相线圈R、S、T上产生的反电动势经由飞轮二极管组24、25、26回收至第二支撑电容C2、C3，再储存于阻尼电池Db中，使反电动势不会流经驱动电路300的桥臂21、22、23(之上、下开关的飞轮二极管D)，使驱动电路300的桥臂21、22、23不致因反电动势而发热升温，而且还可避免反电动势由桥臂21、22、23输出时与输入桥臂21、22、23的直流电源Vdc发生冲突，而导致电能无端损耗生热并造成驱动电路300升温的问题。

而且，回收储存在阻尼电池Db中的反电动势(电压)通常其电位比直流电源Vdc高，因此阻尼电池Db能优先提供电力给被驱动电路300驱动的电机1，而增加直流电源Vdc的续航力，并使驱动电路300具有节能省电的功效。

因此，上述实施例的驱动电路300借由第一直流支撑电容C1对直流电压Vdc进行稳压，使电机1不致遭受直流电压Vdc太大的电压波动的影响，且借由所述飞轮二极管组24、25、26与第二直流支撑电容C2、C3的设计，让三相线圈R、S、T产生的反电动势不会直接影响直流电源Vdc，且不会流经驱动电路300的桥臂21、22、23，而不会与输入桥臂21、22、23的直流电源Vdc产生冲突，故不会造成桥臂21、22、23发热而升温，因而不需再设置一冷却系统对驱动电路300进行散热。而且三相线圈R、S、T产生的交流反电动势经由第二直流支撑电容C2、C3转换成直流电能(阻尼效应)并储存于阻尼电池Db中，且能优先提供电力给被驱动的电机1，而增加直流电源Vdc的续航力，并使驱动电路300达到兼具节能省电及高效能的功效与目的。