專利名稱:計算虛擬調(diào)諧電容器以控制用于驅(qū)動線性發(fā)電機的自由活塞斯特林發(fā)動機的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明總地涉及用于驅(qū)動線性發(fā)電機以產(chǎn)生電能的自由活塞斯特林(Stirling) 發(fā)動機,更具體地涉及對用于這種電功率產(chǎn)生源的一種閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)的改進。本發(fā)明針對用于控制自由活塞斯特林發(fā)動機的控制系統(tǒng)的改進,所述自由活塞斯特林發(fā)動機用于驅(qū)動線性發(fā)電機以將熱能轉(zhuǎn)換為電能。這些改進包括一個用于控制活塞沖程的新穎的控制環(huán),以維持由發(fā)動機產(chǎn)生的機械功率等于從發(fā)動機轉(zhuǎn)移到線性發(fā)電機的功率,并且還包括一個用于控制另一個變量例如直流輸出電壓或頭部溫度的控制環(huán)。發(fā)明的實施例還可以應(yīng)用于控制多個這樣的發(fā)動機/發(fā)電機對和使它們保持同步。
背景技術(shù):
控制電路如在控制系統(tǒng)領(lǐng)域中眾所周知的,一個閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)具有一個前向環(huán)路和至少一個反饋環(huán)路。所述前向環(huán)路具有一個指令輸入,它被施加到一個求和點(或求和結(jié)點)。該指令輸入是表示一個受控的工作輸出變量參數(shù)的期望(指令)值的信號,并提供一個參考信號。前向環(huán)路也具有至少一個且可能有一系列前向控制元件(也稱為“動態(tài)單元”), 它們對沿前向環(huán)路通過的信號執(zhí)行數(shù)學(xué)運算。每個前向控制元件都有一個前向傳遞函數(shù), 它是將輸入信號與輸出信號相關(guān)聯(lián)的一個數(shù)學(xué)表達式。一個閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)的反饋環(huán)路具有一個測量所述受控的變量參數(shù)的實際值的傳感器,并將表示該實際值的一個信號施加到所述求和點。在將其施加到所述求和點之前,反饋環(huán)路也可以對測得的信號執(zhí)行一個或多個數(shù)學(xué)運算,如縮放。該求和點的輸出提供了一個誤差信號,表示上述受控參數(shù)的期望值和測量值之間的差異。該誤差信號被施加到一個前向控制元件。閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)不僅限于單個的反饋環(huán)路、單個求和點或單個前向控制元件。閉環(huán)控制系統(tǒng)可以具有在沿前向環(huán)路串聯(lián)連接的多個前向控制元件之間插入的多個求和點。多個反饋環(huán)路連接到這些求和點,每個反饋環(huán)路檢測和反饋表示一個不同的檢測變量參數(shù)的信號。因此,每個求和點都具有一個表示輸入指令的輸入、一個表示反饋信號的輸入和一個表示求和點的各輸入之間的差異的輸出,所述反饋信號表示一個檢測的變量參數(shù)。每一個求和點還可以具有表示例如干擾或外力或轉(zhuǎn)矩負載的輸入。雖然所述差異常常表示一個輸出變量的指令值和該相同變量的測量值之間的差異(“誤差”),所述差異也可以是對由另一信號數(shù)學(xué)描述的一個信號的簡單修改。另外還有其它類型的電路連接,如前饋環(huán)路??刂齐娐返脑ǔT诳刂齐娐穲D中表示為它們對輸入信號所執(zhí)行的運算的數(shù)學(xué)表達式。所述數(shù)學(xué)表達式優(yōu)選地為拉普拉斯變換表達式,并告訴本領(lǐng)域的工程師該控制系統(tǒng)中的元件的工作特性,以及因此如何建構(gòu)它們的硬件實施方案。通常,本領(lǐng)域技術(shù)人員已知有多個計算電路來實現(xiàn)控制系統(tǒng)中的每個電路元件,只要它們執(zhí)行由其數(shù)學(xué)表達式所描述的傳遞函數(shù)??刂葡到y(tǒng)領(lǐng)域中的技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)認識到,這種控制系統(tǒng)可以用模擬或數(shù)字計算電路以及它們的組合實施。在控制系統(tǒng)圖中所描述的數(shù)學(xué)運算最好是由各種商用微處理器、微控制器或其它計算電路中的任意一種來實施。如本領(lǐng)域目前已知的,模擬電路和數(shù)學(xué)運算可以由軟件編程的數(shù)字電路經(jīng)濟地實施,所述數(shù)字電路中具有可以仿真模擬電路運算和執(zhí)行計算數(shù)學(xué)運算的軟件算法。很多這些運算可以由離散邏輯、可編程邏輯陣列(PLA)、 可編程門陣列(PGA)或數(shù)字信號處理器(DSP)以及微處理器或微控制器來執(zhí)行。因此,術(shù)語“控制電路”和“控制器電路”通常包括已知類型的模擬和數(shù)字邏輯控制的實施方案,其可以用來實現(xiàn)在控制電路圖上所顯示的控制電路。術(shù)語“計算電路”是指利用這種用于根據(jù)數(shù)學(xué)運算或算法變換電子信號的電路的電路實施例。自由活塞斯特林發(fā)動機和發(fā)電機用于驅(qū)動線性發(fā)電機的自由活塞斯特林發(fā)動機(FPSE)是一個有吸引力的電功率源,因為這些電功率源有效率、結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕,能夠從由各種燃料所供給的熱能產(chǎn)生電能。自由活塞斯特林發(fā)動機是一個閉環(huán)、可逆的熱力發(fā)動機,它通過在較暖的熱量接受器和較涼的熱量抑制器(heat rejector)之間移動受限體積的工作氣體而將熱轉(zhuǎn)換為功。由此產(chǎn)生的內(nèi)部工作氣體的交替地、周期地膨脹和壓縮提供了一個振蕩的壓力波,其驅(qū)動一個適當(dāng)?shù)膹椥曰钊诰€性往復(fù)運動中基本正弦地進行振蕩。該活塞被機械連接到一個永磁體環(huán),它在線性發(fā)電機的繞組或線圈中被往復(fù)地驅(qū)動,從而感應(yīng)產(chǎn)生繞組端子兩端的電壓。通常,發(fā)動機的活塞由活塞背后的法蘭直接連接到軸對稱排列的磁體陣列,例如環(huán)形的排列, 且發(fā)動機和發(fā)電機被集成到一個共同的密封殼體中。許多現(xiàn)有技術(shù)的這種類型的電功率源,包括一個將發(fā)電機輸出端連接至電負載的整流器電路,也包括一個控制器,它是控制斯特林發(fā)動機和發(fā)電機的工作參數(shù)以及輸出電參數(shù)的控制系統(tǒng)。自由活塞斯特林發(fā)動機的操作及其與線性發(fā)電機的連接描述在許多出版物中,其中包括美國專利US 6 871 495,該專利在此引入作為參考。驅(qū)動FPSE的能量由外部熱源提供,如燃料燃燒、太陽能或從放射性同位素能量源產(chǎn)生的熱,將熱量施加到發(fā)動機的熱接受器(“熱端”)。熱能由發(fā)動機轉(zhuǎn)換為機械功能量, 其驅(qū)動線性發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。非常期望的是,F(xiàn)PSE產(chǎn)生的機械功率恰好等于從 FPSE轉(zhuǎn)移到線性發(fā)電機的功率,其中大多數(shù)最終轉(zhuǎn)移到負載。這種平衡的功率條件下避免了發(fā)動機運行的重大問題。如果轉(zhuǎn)移給發(fā)電機的功率超出了 FPSE所產(chǎn)生的功率,發(fā)動機將熄火。如果轉(zhuǎn)移給發(fā)電機的功率小于FPSE所產(chǎn)生的功率,活塞沖程的增加將會失控,并可能導(dǎo)致破壞性的內(nèi)部沖突且發(fā)動機的溫度會慢慢隨著時間而增加?;钊麤_程是活塞在它的往復(fù)運動的邊界之間所行過的距離。作為時間函數(shù)的活塞運動可以表示為一個具有活塞振幅、的相量,或者有時替換地用于描述活塞位移?;钊穹?、的幅值是活塞沖程的一半, 且在定性描述操作時,這兩個術(shù)語有時互換使用。用在這種類型的電功率產(chǎn)生系統(tǒng)中的燃料燃燒系統(tǒng)通常具有溫度控制系統(tǒng),以控制發(fā)動機的熱接受器的溫度。因此,對于相對長期的控制,從發(fā)動機轉(zhuǎn)移到發(fā)電機的機械功率可以通過增加或減少提供給發(fā)動機頭部的熱輸入功率造成其溫度變化來調(diào)整。然而,由于至少兩個原因,這是不足夠的控制。首先,可實現(xiàn)的溫度變化的速度比較緩慢,過于緩慢以致于不能及時響應(yīng)以防止發(fā)動機熄火或活塞過沖程。第二,發(fā)動機的效率在很大程度上取決于熱接受器的溫度。發(fā)動機頭部的熱接受器溫度越熱,發(fā)動機效率越高。因此,調(diào)整熱輸入功率和溫度不僅速度太慢,還降低了發(fā)動機的效率,因為它沒有維持最高可能的輸入頭部溫度。因此,希望提供一個控制發(fā)動機的輸出功率的方式,以維持發(fā)動機和發(fā)電機之間的功率傳輸平衡,但希望它的實現(xiàn)方式允許FPSE的熱端溫度保持在恒定的最高溫度,以使發(fā)動機的效率最大。雖然該發(fā)明的實施例有利地包括燃料燃燒控制系統(tǒng),它保持發(fā)動機材料能夠承受的最熱的恒定溫度,其本身不是控制發(fā)動機的功率輸出和活塞沖程且保持上述的功率平衡的可行選擇?,F(xiàn)有技術(shù)范例圖1是一個說明現(xiàn)有技術(shù)的電功率產(chǎn)生源的電路的簡化示意圖,具有一個由自由活塞斯特林發(fā)動機驅(qū)動的線性發(fā)電機10和將發(fā)電機的交流輸出施加到負載12。發(fā)電機顯示為它的集總元件的等效電路。這個等效電路具有串聯(lián)連接的具有表示發(fā)電機繞組電感的電感Lalt的一個電感器14、一個表示發(fā)電機的交流電阻的集總電阻Ra。和一個具有感應(yīng)或反電動勢Vg的AC電壓源16。電壓Vg是磁體在被自由活塞斯特林發(fā)動機驅(qū)動進行往復(fù)運動時在發(fā)電機繞組中感應(yīng)的開路電壓。調(diào)諧電容器18經(jīng)常與發(fā)電機繞組串聯(lián)連接,以使繞組電感失調(diào)。調(diào)諧電容的電容量選擇為,在發(fā)電機和發(fā)動機的工作頻率,繞組的感抗和調(diào)諧電容器的容抗形成一個串聯(lián)諧振電路。該串聯(lián)諧振電路具有零阻抗或電阻性阻抗。因此調(diào)諧電容器提供了單位功率因數(shù)或接近單位的功率因數(shù),其最大限度地將功率從發(fā)電機轉(zhuǎn)移到電負載且使電阻熱損失降到最低。然而,這種調(diào)諧電容器很笨重和昂貴,因此最好是消除調(diào)諧電容器。此外,調(diào)諧電容器的電抗和串聯(lián)電感的電抗只能在單一頻率上匹配。因此,由于調(diào)諧電容器的存在,輸出功率因數(shù)隨發(fā)動機工作頻率變化。本發(fā)明的控制器可以在寬廣的頻率范圍上進行補償,提供單位功率因數(shù)或恒定頻率的操作。又如如圖1所示,該發(fā)電機的輸出可以連接到公用電網(wǎng)20,并用于將電能供應(yīng)到電網(wǎng)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的,如果調(diào)諧電容器18用于平衡或抵消發(fā)電機繞組的感抗, 這種配置會導(dǎo)致自由活塞斯特林發(fā)動機工作在相同的頻率,且基本上與電網(wǎng)同相。這種同步工作的發(fā)生是因為,斯特林發(fā)動機通過往復(fù)運動的永磁體和發(fā)電機繞組之間的磁耦合而連接到發(fā)電機。往復(fù)運動的磁體的磁通量與發(fā)發(fā)電機電流產(chǎn)生的磁通量之間的磁耦合,導(dǎo)致發(fā)電機電流作為作用在自由活塞斯特林發(fā)動機上的復(fù)雜的阻尼力而被反映到發(fā)動機中。 這些被反映回到發(fā)動機中的力,作為質(zhì)量、彈力和阻尼力的組合,作用在發(fā)動機的活塞上。 如果使用了調(diào)諧電容器,發(fā)電機電流產(chǎn)生的磁力作用在斯特林發(fā)動機的活塞上,以按照與具有兩個旋轉(zhuǎn)磁場的一個旋轉(zhuǎn)同步電動機保持同步的相同方式,導(dǎo)致活塞與發(fā)電機電流同步運行。如果來自往復(fù)運動的磁鐵的磁場變?yōu)樵缬诨蜻t于從發(fā)電機電流產(chǎn)生的磁場,會有一種磁力將它們拉在一起。結(jié)果是,在線性往復(fù)式發(fā)動機和發(fā)電機中,F(xiàn)PSE的往復(fù)運動的活塞與電網(wǎng)電壓同步運作,如果FPSE被設(shè)計為在電網(wǎng)頻率或非常接近電網(wǎng)頻率進行機械共振且電容器被調(diào)諧為與發(fā)電機繞組串聯(lián)諧振的話。圖2說明了在現(xiàn)有技術(shù)中已知的一個電功率產(chǎn)生源的圖,它與圖1類似,但具有一個共模無源全波整流器22,其中使用排列為H橋的四個二極管以提供直流輸出?,F(xiàn)有技術(shù)還可以將圖2的全波二極管整流器替換為全波開關(guān)模式整流器,也稱為有源整流器, 且通過各種技術(shù)消除調(diào)諧電容器對。這種配置的一個例子顯示在上面引用的美國專利US6871495 中。開關(guān)樽式整流器開關(guān)模式整流器是現(xiàn)有技術(shù)已知的一種電路,且描述在多個出版物中。它通常有一個H橋結(jié)構(gòu),但具有可控的電子開關(guān),一般為M0SFET,用于取代圖2的二極管。有源的整流器控制器或控制電路連接到每個電子開關(guān)的柵極,和通過使對角線相對的一對晶體管導(dǎo)通(ON)和使另一對關(guān)斷(OFF)且交替地使其中一對為ON而另一對為OFF,使它們在ON和 OFF之間開關(guān)。這種開關(guān)是在一個遠高于FPSE和發(fā)電機的正弦波頻率的頻率完成的。例如,電子開關(guān)可以在IOkHz或20kHz的速率進行開關(guān),而FPSE和發(fā)電機可在60Hz或120Hz 的頻率工作。開關(guān)控制不僅如上所述將電子開關(guān)ON和OFF,而且響應(yīng)于調(diào)制輸入信號改變電子開關(guān)的占空比。開關(guān)模式整流器的開關(guān)控制本質(zhì)上是一個脈寬調(diào)制器,其中包括一個用于交替開關(guān)對角線相對的開關(guān)對的高頻振蕩器,而且調(diào)節(jié)在高頻下開關(guān)的ON和OFF開關(guān)狀態(tài)的占空比。開關(guān)的相位是控制脈寬調(diào)制器的信號相位的函數(shù),且開關(guān)對的占空比是控制信號振幅的函數(shù)。結(jié)果,開關(guān)模式整流器的開關(guān)相位控制了通過H橋的電流相對于發(fā)電機端電壓的相位。但是,由于開關(guān)模式整流器的相位控制并不取決于與頻率相關(guān)的共振,開關(guān)模式整流器能夠在發(fā)動機的工作頻率范圍內(nèi)維持所需的相位關(guān)系。脈寬調(diào)制電路及其功能不僅可以用模擬電路實現(xiàn),而且更重要的是可以首選利用微處理器或微控制器實現(xiàn),以及利用其它數(shù)字邏輯和處理電路實現(xiàn),它們被例如用軟件進行編程以執(zhí)行脈寬調(diào)節(jié)功能。 綜上所述,由于開關(guān)模式整流器已在有關(guān)開關(guān)電源、開關(guān)模式逆變器或開關(guān)模式電機驅(qū)動器的現(xiàn)有技術(shù)教科書和技術(shù)文獻中描述了,這里沒有詳細解釋開關(guān)模式整流器。翅圖1還說明了使用“耗能(dump) ”電阻沈的另一個現(xiàn)有技術(shù)的用于控制活塞沖程和維持發(fā)動機和發(fā)電機之間的功率平衡的方式。電阻沈是一個額外的電負載,可以被切換到電路中或改變阻值以實質(zhì)性消耗由發(fā)動機產(chǎn)生的多余功率。然而,這顯然是不可取的,因為它只是簡單地消耗由發(fā)動機產(chǎn)生的多余功率以便保持功率平衡,因此,通過浪費熱能且進而浪費燃料而降低了效率?,F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)認識到,通過控制活塞沖程可以控制FPSE產(chǎn)生的功率,因為FPSE 產(chǎn)生的功率大約是與活塞沖程的平方成正比的。然而,在發(fā)電機中感應(yīng)的電壓與沖程成正比,且大多數(shù)電負載需要一個穩(wěn)定的恒定電壓,如M伏直流電或觀伏直流電或115伏交流電。因此,設(shè)計可以同時實現(xiàn)以下兩個要求的控制系統(tǒng)是一個問題(1)使從FPSE轉(zhuǎn)移到發(fā)電機的功率與電負載所要求的功率加上電損耗相匹配;(2)保持恒定的輸出電壓。問題是,如果電負載所需求的電功率減小和沖程減小以使FPSE的功率減小,感應(yīng)的電壓將下降。相反,如果增加的電力需求會導(dǎo)致增大的沖程以從FPSE提供更多的功率,輸出電壓也將增大。因此,最好調(diào)整來自FPSE的功率以與電負載的功率相匹配,同時減少或消除由負載功率需求的變化所導(dǎo)致的電負載上的電壓變化。此外,對通過反饋控制系統(tǒng)來控制活塞沖程的方式存在一個需求,它能夠更迅速地檢測由會引起活塞沖程的有害變化的系統(tǒng)干擾所產(chǎn)生的工作參數(shù)的變化,并能對檢測的變化快速做出反應(yīng),以便將實際的活塞沖程保持在更嚴格的邊界內(nèi)。同樣,對控制活塞沖程的方式存在一個需求,它能夠響應(yīng)電功率輸出載荷需求中的變化而迅速改變活塞沖程,且保持在斯特林發(fā)動機產(chǎn)生的功率輸出和發(fā)電機所吸收的功率之間的平衡。
發(fā)明內(nèi)容
因此,本發(fā)明的一個目標和特征是提供一種控制活塞沖程的改進方案,以便使發(fā)動機產(chǎn)生的機械功率與發(fā)電機從發(fā)動機所吸收的機械功率相匹配,發(fā)電機所吸收的機械功率基本上就是用戶負載要求的電功率。本發(fā)明的另一個目標和特征是基于一個可以更容易、更快速地被控制的工作參數(shù)來控制活塞沖程,從而允許以更緊密的公差范圍對活塞沖程以及進而功率平衡進行控制。本發(fā)明的另一個目標和特征是將電路和反饋控制環(huán)路與活塞沖程控制相結(jié)合,以提供改進的電壓調(diào)整,使得FPSE可以在更寬廣的活塞沖程范圍上工作,以保持傳輸?shù)桨l(fā)電機的發(fā)動機功率的平衡,且仍然在一個寬廣的負載功耗范圍上向電負載提供一個相對穩(wěn)定的、被很好調(diào)整的輸出電壓。本發(fā)明的另一個目標和特征是提供一個比以前公開的技術(shù)更簡單、更穩(wěn)定和更有效的控制器,以控制包括一個用于驅(qū)動線性發(fā)電機的自由活塞斯特林發(fā)動機的電功率產(chǎn)生源。本發(fā)明的本質(zhì)在于,發(fā)動機控制器包括一個反饋環(huán)路,它不斷檢測發(fā)電機瞬時電流,且不斷計算一個可能存在的、一個調(diào)諧電容器兩端的瞬時電壓,如果電路中含有調(diào)諧電容器且發(fā)電機電感和該調(diào)諧電容器串聯(lián)諧振的話。該控制器采用計算得到的電容器電壓, 按照導(dǎo)致控制器電路模擬或模仿好像調(diào)諧電容器出現(xiàn)在電路中一樣發(fā)電機電路的工作的方式,來修改前向環(huán)路控制信號的振幅和相位,從而修改開關(guān)模式整流器所控制的電流。由于實際上在電路中沒有調(diào)諧電容器,但從開關(guān)模式整流器的電路輸出與假設(shè)電路中存在調(diào)諧電容器的情況是相同的,因此該電容被描述為一個“虛擬”調(diào)諧電容器。如上所述,該調(diào)諧電容器是有效的,因為在發(fā)電機的工作頻率ω,其容抗與發(fā)電機繞組的感抗是幅值相等和相位180°相反的。本發(fā)明的控制系統(tǒng)根據(jù)下式不斷地重復(fù)地計算在該共振條件下的虛擬電容器電壓ν :ν = Lalt ω2 / i (dt)其中Lalt是發(fā)電機電感,i是發(fā)電機電流,t是時間和ω是發(fā)動機/發(fā)電機弧度工作頻率。該合成的調(diào)諧電容器電壓信號,提供了一個虛擬的調(diào)諧電容器的效果。通過從在前向環(huán)路中所產(chǎn)生的、且被施加到脈寬調(diào)制器上以用于控制開關(guān)模式整流器的相位和占空比的信號中不斷地重復(fù)地減去該計算的虛擬電容器電壓V,控制系統(tǒng)使用該計算的虛擬電容器電壓以修改用于控制脈寬調(diào)制器的信號。更具體地說,本發(fā)明是一個用于電功率產(chǎn)生源的改進的控制系統(tǒng),所述電功率產(chǎn)生源包括一個用于驅(qū)動線性發(fā)電機的自由活塞斯特林發(fā)動機,所述線性發(fā)電機具有電感為 Lalt的一個發(fā)電機繞組、將發(fā)電機繞組連接到包括電能儲存裝置的輸出電路的一個開關(guān)模式整流器、用于控制所述整流器的開關(guān)占空比的脈寬調(diào)制器。所述控制系統(tǒng)包括一個前向環(huán)路,其輸出被連接以控制所述脈寬調(diào)制器。上述改進使用在上述前向環(huán)路中的一個正弦波發(fā)生器,以在發(fā)動機和發(fā)電機的工作頻率ω產(chǎn)生在一個正弦波。本發(fā)明具有一個反饋環(huán)路,它包括⑴一個電流傳感器,連接在發(fā)電機電路中用于檢測與發(fā)電機電流i成正比的一個信號;(ii)在前向環(huán)路中的一個虛擬電容器求和點,它被連接為輸入正弦波發(fā)生器所產(chǎn)生的一個正弦波和輸出表示所述正弦波與所述求和點的第二輸入之間的差別的一個信號;和(iii) 一個連接到所述電流傳感器的計算電路,用于計算所述虛擬電容器兩端的電壓ν且施加一個表示所述電容器電壓ν的信號到上述求和點的第二輸入。所述計算電路執(zhí)
行的運算是A^iy2P(論)=¥“除了計算虛擬調(diào)諧電容器兩端的電壓的所述改進之外,所
述電路還具有至少一個反饋控制環(huán)路,用于控制電功率產(chǎn)生源的另一個變量,如直流輸出電壓或斯特林發(fā)動機的頭部溫度。一種用于控制上述類型的電功率產(chǎn)生源的改進方法包括以下步驟(a)將一個輸出電路或所述電功率產(chǎn)生源的一個可控變量的指令值施加到所述反饋控制環(huán)路,檢測所述受控變量,和將受控變量的檢測值作為所述反饋控制環(huán)路的反饋信號施加,以建立表示一個電壓V內(nèi)部的指令值v_。md的一個信號,(Vrtsp是在工作頻率ω在發(fā)電機繞組中感應(yīng)的電壓Vg和發(fā)電機繞組電阻Ra。兩端的電壓的代數(shù)和);(b)檢測發(fā)電機繞組中的電流以產(chǎn)生與發(fā)電機電流i成正比的一個信號;(c)通過計算ν = Lalt ω2 / i(dt),從所檢測的電流產(chǎn)生一個表示一虛擬電容器兩端的電壓ν的信號;(d)從信號Vrtsp。md中減去表示電壓ν的信號,以產(chǎn)生表示發(fā)電機端電壓Vt的一個信號;和(e)將表示電壓Vt的信號施加到所述脈寬調(diào)制器的控制輸入端。所述控制系統(tǒng)不斷地重復(fù)地從所建立的信號中減去計算的虛擬電容器電壓,以施加到用于控制上述開關(guān)模式整流器的相位和占空比的脈寬調(diào)制器。
圖1是用于提供交流功率輸出的現(xiàn)有技術(shù)發(fā)電機、發(fā)電機輸出電路和負載的原理方框圖。圖2是用于提供直流功率輸出的現(xiàn)有技術(shù)發(fā)電機、發(fā)電機輸出電路和負載的原理方框圖。圖3是一個電功率產(chǎn)生源的示意圖,它包括一個用于驅(qū)動線性發(fā)電機的自由活塞斯特林發(fā)動機以及一個用于控制所述電功率產(chǎn)生源和體現(xiàn)本發(fā)明的控制電路。圖4是圖3的中間階段電壓控制電路50的原理圖。圖5是利用一個連接到電網(wǎng)的調(diào)諧電容器和標注用于解釋本發(fā)明原理的一個基本等效電路的原理圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明利用一個虛擬調(diào)諧電容器和標注用于解釋本發(fā)明原理的一個基本等效電路的原理圖。圖7是說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的負反饋控制系統(tǒng)的方框圖。圖8是實現(xiàn)本發(fā)明的負反饋控制系統(tǒng)的方框圖,它與圖5的控制系統(tǒng)類似,區(qū)別在于它具有一個用于控制斯特林發(fā)動機的頭部溫度的控制環(huán)路。圖9是實現(xiàn)本發(fā)明的負反饋控制系統(tǒng)的方框圖,它與圖5的控制系統(tǒng)類似,區(qū)別在于它具有兩個用于控制和同步兩個斯特林發(fā)動機/發(fā)電機組合的支路。圖10是一個替換實施例,它除了在發(fā)電機的端子和開關(guān)模式整流器的H橋的開關(guān)之間插入了一個LC濾波器之外與圖3相同。在參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例時,為清楚起見將采用具體的術(shù)語。但是,這并不表示本發(fā)明局限于所選用的特定術(shù)語,并且可以理解的是,每一個具體的術(shù)語包括所有的以類似方式工作以實現(xiàn)類似目的的技術(shù)等同物。例如,單詞“連接”或類似術(shù)語經(jīng)常被使用。它們不僅包括直接連接,還包括通過其它電路元件的連接,這種連接應(yīng)當(dāng)被本領(lǐng)域技術(shù)人員視為等同的。此外,許多電路被解釋為屬于對電子信號執(zhí)行公知操作的那一種類型。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解,有很多且在未來可能還會增多的替代電路被認為是等同的,因為它們對信號提供相同的操作。
具體實施例方式本發(fā)明的裝置是一個用于自由活塞斯特林發(fā)動機的改進的控制系統(tǒng),所述自由活塞斯特林發(fā)動機用于驅(qū)動一個線性發(fā)電機,所述線性發(fā)電機的輸出電流由開關(guān)模式整流器控制。本發(fā)明的概念可以通過如圖7所示的、反饋控制技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉類型的反饋控制系統(tǒng)圖得到最好的說明和描述。然而,如果先解釋一個包括該控制系統(tǒng)且被該控制系統(tǒng)控制的電路的實施例,所述反饋控制電路圖可以被更好地理解。本發(fā)明的說明書包含幾個變量和參數(shù),在本說明書的結(jié)尾它們集中在一起且被定義。圖3是一個包括本發(fā)明的電路的原理圖。被自由活塞斯特林發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機,如在圖1和2中一樣,被顯示為它的等效集總元件發(fā)電機電路,包括Vg、Ra。和Lalt,具有端電壓VT。電壓Vg的瞬時值與瞬時的活塞速度成正比,它們由一個比例常數(shù)相關(guān),該比例系數(shù)是開路線性發(fā)電機的電機常數(shù)α。活塞速度與活塞沖程成正比。端電壓Vt比電壓Vg 大了阻抗Ra。和Lalt兩端的電壓,圖中示出了電流和電壓的關(guān)系。發(fā)電機的端子連接到全波開關(guān)模式整流器32的H橋,全波開關(guān)模式整流器32包括四個功率MOSFET 34、36、38和40、晶體管或其它開關(guān)元件及一個控制電路42,標識為一個有源整流器控制42。雖然圖3中沒有畫出,有源整流器控制電路42包括控制電路42內(nèi)部的脈寬調(diào)制器。脈寬調(diào)制器以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知和上面總結(jié)的方式控制四個MOSFET 34、36、38和40的開關(guān)。因此,發(fā)電機的端電壓Vt是一串方波,其占空比由開關(guān)模式整流器控制且其振幅大致等于能量儲存電容器44兩端的直流電壓,這將在下面進一步說明。發(fā)電機的電流反饋信號從一個發(fā)電機電流傳感器43獲得,該傳感器43將一個表示發(fā)電機電流的信號施加到發(fā)動機控制電路52。雖然不是很有效,可以替換地使用半波開關(guān)模式整流器。在優(yōu)選實施例中,開關(guān)模式整流器32的輸出,被施加到一個能量儲存電容器44。 然而,蓄電池可以代替電容器44或被插入與電容器44并聯(lián)。其它類型的裝置也可以使用, 如果它們能夠在靜態(tài)條件下例如以電荷的形式儲存電能。目前已知的兩種最實用的裝置是電容器和電池。如果其它的裝置允許電流流過該裝置以逐步增加所儲存的能量,在沒有電流時仍然保留所儲存的能量,且以使電流流過與該裝置相連接的負載的形式允許所述能量被提取,則該其它的裝置也可以使用。例如,這種裝置將是具有用于儲存能量的附加飛輪的一個馬達/發(fā)電機。因為有替代的能量儲存裝置可以被使用,術(shù)語“電能儲存裝置”是指能夠滿足用于本發(fā)明替代實施例的這些條件的裝置。除了能量儲存電容器44,輸出電路也有一個常規(guī)的電壓調(diào)節(jié)電路30,表示為一個 DC/DC電源,它的輸入被連接在能量儲存電容器44兩端。所述電壓調(diào)節(jié)電路30以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式工作,提供一個恒定的輸出電壓,不管能量儲存電容器44的中間階段電壓怎樣變化。有很多常規(guī)的電路可以作為所述調(diào)節(jié)電路30的替換方案,提供具有各種不同特性的輸出電能。例如,一個逆變器45可以替代使用以向一個有用的負載提供AC輸出,或者電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)電路47可以替代使用以將輸出連接到電網(wǎng)。此外,調(diào)節(jié)電路可以被取消以提供未很好調(diào)節(jié)的直流電源,例如用于電池充電。圖3的電路另外還具有與能量儲存電容器44并聯(lián)連接的一個耗能電路,它由串行連接到一個功率MOSFET 48的一個瞬態(tài)耗能電阻46組成。一個中間階段電壓控制電路 50也連接在能量儲存電容器44兩端和檢測該電容器兩端的電壓。中間階段電壓控制電路50的一個功能是在電容器44兩端的電壓超過預(yù)定選擇的過高水平如95伏直流電時使 M0SFET48導(dǎo)通(ON),以便讓從斯特林發(fā)動機轉(zhuǎn)移的多余能量被消耗,從而在電容器44兩端的中間階段電壓過大的情況下防止斯特林發(fā)動機過沖程和撞壞。如果電負載被突然移除, 導(dǎo)致被消耗功率的階躍函數(shù)下降時,這種過高的中間階段電壓就會發(fā)生。這種耗能電路只在從輸出負載的階躍函數(shù)變化之后、直到剩余的控制電路可以容納所述變化且回到一個穩(wěn)定狀態(tài)條件為止的過渡期間過程中是需要的。由于圖3的空間限制,中間階段電壓控制電路50分開在圖4顯示。電阻R5和R6 形成分壓器,將能量儲存電容器44兩端(圖幻的中間階段電壓VDC總線向下分壓到接近 3. 3V最大值。電阻R5和R6形成的分壓器作為傳感器工作,因為它提供了一個表示一個工作參數(shù)的測量值的信號,在本例情況下是電壓VD。_。該降低的電壓然后用在兩個地方。第一,所述降低的電壓用于控制上述由與功率MOSFET 48串聯(lián)連接的瞬態(tài)耗能電阻46組成的過電壓保護耗能電路。當(dāng)所述降低的中間階段電壓大于約3. 0V(對應(yīng)于95Vdc 的中間階段電壓)時,比較器49的輸出由高向低變化。然后該信號被反相,使MOSFET 48 和耗能電阻46導(dǎo)通,它將能量儲存電容器44(圖3)放電并保護功率元件不會因過電壓而造成損壞。一旦比較器49的輸出變?yōu)榈停鼘⒈3譃榈?,直到所述降低的中間階段電壓下降到低于大約2.7V(對應(yīng)于85Vdc的中間階段電壓)為止。然后比較器輸出返回到高和使 MOSFET 48 關(guān)斷。第二,為了使本發(fā)明的優(yōu)選實施例能夠調(diào)節(jié)Vd⑶纟A,從由電阻R5和R6所形成的分壓器得到的上述降低的電壓能夠提供一個表示能量儲存電容器44兩端的電壓的反饋信號。該反饋信號被施加到體現(xiàn)本發(fā)明的閉環(huán)負反饋控制電路52,其將參照圖7進一步討論。本發(fā)明的基本原理本發(fā)明所依據(jù)的原理參照圖5和6說明。類似于圖1-3,圖5顯示了發(fā)電機的等效集總元件電路,包括串聯(lián)的一個具有電感Lalt的電感器、一個集總電阻Ra。和一個具有感應(yīng)或反電動勢Vg WAC電壓源,如結(jié)合圖1-3所解釋的。由于發(fā)電機繞組的感抗,輸出端電壓VT與發(fā)電機電流失相,導(dǎo)致了小于1的不理想的功率因數(shù)。如現(xiàn)有技術(shù)已知和以上所述的,調(diào)諧電容器C可以與發(fā)電機繞組串聯(lián)以使繞組電感失調(diào)。調(diào)諧電容器的容量被這樣選擇,在發(fā)電機和發(fā)動機的工作頻率,繞組的感抗和調(diào)諧電容器的容抗形成串聯(lián)諧振電路。這種串聯(lián)諧振電路呈現(xiàn)出零電抗或電阻性電抗,因為在發(fā)電機的工作頻率ω,容抗與發(fā)電機繞組的感抗是幅值相等和相位180°相反的。因此調(diào)諧電容器C在一個單一的頻率上提供了單位功率因數(shù)或接近單位的功率因數(shù),其使從發(fā)電機轉(zhuǎn)移到電負載&的功率最大且使電阻熱損耗最少。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知和上文所解釋的,串聯(lián)連接的發(fā)電機和調(diào)諧電容器的輸出可以連接到一個公用電網(wǎng)和將電能提供到電網(wǎng)。電網(wǎng)電壓的頻率和振幅基本上是恒定的, 不受與它連接的發(fā)動機/發(fā)電機的影響。對于這種連接,自由活塞斯特林發(fā)動機和發(fā)電機將與電網(wǎng)電壓同步運行(即在相同的頻率且基本同相)。在此同步條件下,發(fā)電機的電壓Vg基本上與電壓V M相等和同相。不僅是活塞相位與Vg和V^ra同步,而且活塞的速度和沖程也成與Vg的振幅成比例,它們通過比例常數(shù)α相關(guān),α是線性發(fā)電機的馬達常數(shù)?;钊臎_程和速度與Vg成比例且活塞與Vg同相,因為在活塞攜帶的磁鐵和由發(fā)電機繞組的電流產(chǎn)生的磁場之間存在互磁鏈接,并且因為發(fā)電機繞組中的電壓Vg是由磁鐵的磁場感應(yīng)出來的。由于電壓Vg跟隨電壓V ,如果電壓V % 本身可以被控制的話,電壓V _可以用來控制活塞沖程。顯然,一個真正公用電網(wǎng)的電壓不能由單個的消費者控制。但是,本發(fā)明通過適當(dāng)?shù)乜刂崎_關(guān)模式整流器而產(chǎn)生一個虛擬的,使得該Vm的振幅和相位都能被可控地改變。由于V%ra、Vg和活塞沖程之間的上述關(guān)系,開關(guān)模式整流器可以控制活塞沖程。此外,在本發(fā)明中,該開關(guān)模式整流器的開關(guān)也可以同時被控制,以產(chǎn)生一個虛擬調(diào)諧電容器C,它可以使發(fā)電機繞組的電感失調(diào)。串行諧振的調(diào)諧電容器對于電網(wǎng)電壓是必要的,以保持對發(fā)動機/發(fā)電機的相位和沖程的控制。有了本發(fā)明,在電路中保持這個虛擬調(diào)諧電容器產(chǎn)生了與將發(fā)動機/發(fā)電機連接到電網(wǎng)相類似的條件。如本領(lǐng)域技術(shù)人員和熟悉開關(guān)模式整流器的人員已知的,開關(guān)模式整流器對流過它的電流的相位和振幅都可以控制。流過開關(guān)模式整流器的電流的相位通過控制其控制信號的相位而被控制,所述控制信號通常是一個在工作頻率ω的正弦曲線。開關(guān)模式整流器的振幅通過該控制信號的振幅而被控制,所述控制信號控制開關(guān)模式整流器的開關(guān)占空比。體現(xiàn)本發(fā)明的控制器產(chǎn)生一個控制信號,它用于控制開關(guān)模式整流器以模擬一個類似于圖5的電路。本發(fā)明的基本概念如圖6所示。一個開關(guān)模式整流器包括由其脈寬調(diào)制控制器42 控制的一個H橋32。在本發(fā)明中,施加到控制器42的輸入64的控制信號使H橋32按以下方式被開關(guān),即好像一個虛擬調(diào)諧電容器C與一個稱為V* 虛擬公用電網(wǎng)電壓串聯(lián)在一起一樣,使H橋32出現(xiàn)在發(fā)電機中。換句話說,本發(fā)明的開關(guān)模式整流器的開關(guān)方式是,使發(fā)電機端電壓Vt和在發(fā)電機端子處的發(fā)電機電流(它們是開關(guān)模式整流器的電壓和電流) 與在如果有調(diào)諧電容器和串聯(lián)諧振條件下的發(fā)電機端電壓和電流相同。因為它是一個開關(guān)模式整流器,其電流的相位和振幅通過施加到其控制輸入64的控制信號控制。因此,圖6 中的開關(guān)模式整流器控制發(fā)電機電流I的相位和幅值。所述開關(guān)模式整流器在寬廣的范圍內(nèi)可控制地改變發(fā)電機電流的相位和振幅。“V^” 的使用在對本發(fā)明仿真一個具有調(diào)諧電容器的電路的方式進行解釋之前,希望討論斯特林發(fā)動機的操作中的一些進一步的問題??刂瓢l(fā)電機電流的開關(guān)模式整流器,在比發(fā)動機 /發(fā)電機的工作頻率ω高得多的頻率進行開關(guān)。因此,通常在發(fā)動機和發(fā)電機的每個低頻周期中可能有量級在80到400個的開關(guān)模式整流器的開關(guān)周期(雖然可以更多),每個高頻率開關(guān)周期的占空比由施加到控制輸入64的正弦控制信號的瞬時振幅決定。因此,控制電路能夠在高頻的開關(guān)速率下進行響應(yīng)和作出調(diào)整,該速率遠遠高于發(fā)動機和發(fā)電機的低頻工作頻率。上述調(diào)整可在低頻周期的小間隔中進行。
通過暫時減少或增加發(fā)電機電流以使活塞沖程變化,活塞沖程是受控制的。發(fā)電機電流產(chǎn)生的磁場在活塞攜帶的磁鐵上并因此在活塞上施加一個力。具體來說,在活塞上的阻尼力與發(fā)電機電流成正比,且比例常數(shù)是電機常數(shù)α。暫時減少發(fā)電機電流會導(dǎo)致較小的阻尼力,因此使活塞上具有較少的機械負載,這允許活塞沖程增大。暫時增加發(fā)電機電流會導(dǎo)致更大的阻尼力施加到活塞,因此活塞上有更大的機械負載,這減少了活塞沖程。沖程變化之后,該系統(tǒng)進入到在較高或較低的活塞沖程的一個新的平衡,因此具有更高或更低的功率輸出,其中從發(fā)動機輸出的功率再次等于從發(fā)動機轉(zhuǎn)移到發(fā)電機的功率。然而,希望這些變化能夠以比發(fā)動機的工作頻率高得多的速率發(fā)生;也希望在遠遠小于發(fā)動機的往復(fù)運動的振蕩周期的一個時間間隔內(nèi)發(fā)生。在下面的討論中,電壓Vrtsp和其它所引用的電壓是復(fù)數(shù),這意味著它們可以由具有振幅和相位角的相量表示,它們可以通過控制系統(tǒng)改變,且具有在斯特林發(fā)動機和發(fā)電機低頻周期上隨時間變化的瞬時值。如前面所述,斯特林發(fā)動機活塞的運動與Vg是同步的且活塞沖程由發(fā)電機電流控制。參考圖6,其中電壓。的相量和。本發(fā)明使用電壓來控制發(fā)動機/發(fā)電機。將Ra。兩端的電壓Vsac引入作為Vrtsp的一部分,且采用V _而非Vg來控制發(fā)動機/發(fā)電機,可以使控制系統(tǒng)能更迅速(更快)響應(yīng),且因此將活塞控制維持在更窄的范圍內(nèi)。如果控制系統(tǒng)開發(fā)了由變量V ^cffld表示的指令V 則控制是改進的。用乂_控制允許更快的響應(yīng)和更嚴格地將活塞沖程控制在乂㈣-周圍更接近的邊界中,其原因首先通過比較V Vg對干擾的響應(yīng)性來解釋。Vg中的變化發(fā)生得比較緩慢,因為Vg與活塞速度成正比,且由于活塞、粘附在活塞上的磁鐵和磁鐵支架、作用在它們上的彈簧的質(zhì)量和慣性,活塞速度的變化是緩慢的。由于這種振蕩活塞的質(zhì)量,它需要一個或兩個發(fā)動機周期以使瞬時活塞速度(在其周期中的對應(yīng)點)發(fā)生明顯的變化。因此,在幾個PWM開關(guān)周期中,Vg是基本不變的。但是,發(fā)電機電流的任何改變將立即反映在發(fā)電機電阻Ra。兩端的電壓VKa。的變化中。因此,由于vg+vKa。,發(fā)電機電流的任何改變將馬上反映在的變化中,即使\ 在發(fā)動機操作的一個或兩個周期中保持為恒定。對發(fā)電機電流變化的響應(yīng)性很重要,因為發(fā)電機的電流控制活塞沖程。電阻民。兩端的電壓vKa。的變化將足以被控制環(huán)路在發(fā)動機工作頻率的周期的一個很小的部分中作出響應(yīng)。與此相反,需要一個或兩個發(fā)動機工作周期才能使Vg發(fā)生足以被檢測出來且被控制環(huán)路響應(yīng)的變化。由于¥_是\及%3。的和,使用V 控制電流且因而控制沖程,允許負反饋控制環(huán)路能夠?qū)υ诟哳l率開關(guān)速率下發(fā)生的變化作出響應(yīng),而不是限制為對在低頻率低頻發(fā)動機工作頻率發(fā)生的變化作出響應(yīng)。結(jié)果是本發(fā)明提供了一種對發(fā)電機電流的微小變化的更迅速的響應(yīng),且因此允許在更緊密或更嚴格的邊界中控制活塞沖程。該V 控制環(huán)路在幾kHz的速率進行響應(yīng)。Vrtsp的變化對發(fā)電機電流的變化的控制方式,可以從圖6中所示的發(fā)電機的等效電路中看到。根據(jù)基爾霍夫(Kirchoff)第二定律,圍繞由Vg、Ra。和組成的電路環(huán)路的電壓的和必須為零。因此,Vrtsp減少意味著流過Ra。的電流增加,因為Vg在開關(guān)模式整流器的高開關(guān)頻率的一個周期中是基本不變的。相反,Vrtsp增加意味著通過Ra。的電流減少。因此,由于V 響應(yīng)得快于Vg,根據(jù)V 進行控制提供了一個能夠?qū)Πl(fā)生在發(fā)動機的低頻周期的一小部分中小的增量變化進行響應(yīng)的電路,從而保持對活塞沖程和功率平衡的更緊密的
使用Vjg的虛擬調(diào)諧電容器仿真參考圖6,顯示了 V _和發(fā)電機端電壓Vt之間的關(guān)系(公式l)VT = V_+VLalt在共振時,(公式2)
權(quán)利要求
1.一種用于電功率產(chǎn)生源的改進的控制系統(tǒng),所述電功率產(chǎn)生生源包括一個用于驅(qū)動線性發(fā)電機的自由活塞斯特林發(fā)動機,所述線性發(fā)電機具有電感為Lalt的一個發(fā)電機繞組、 將發(fā)電機繞組連接到包括電能儲存裝置的輸出電路的一個開關(guān)模式整流器以及用于控制所述整流器的開關(guān)占空比的脈寬調(diào)制器,所述控制系統(tǒng)包括一個其輸出被連接以控制所述脈寬調(diào)制器的前向環(huán)路,上述改進包括(a)在上述前向環(huán)路中的一個正弦波發(fā)生器,用于在發(fā)動機和發(fā)電機的工作頻率ω產(chǎn)生在一個正弦波;和(b)一個反饋環(huán)路,包括(i) 一個電流傳感器,連接在發(fā)電機電路中用于檢測與發(fā)電機電流i成正比的一個信號;( )在前向環(huán)路中的一個虛擬電容器求和點,被連接為輸入由正弦波發(fā)生器所產(chǎn)生的所述正弦波和輸出表示所述正弦波與所述求和點的第二輸入之間的差別的一個信號;和(iii) 一個連接到所述電流傳感器的計算電路,用于計算一個虛擬電容器兩端的電壓 ν且將一個表示所述電壓ν的信號施加到上述虛擬電容器求和點的第二輸入,所述計算電路執(zhí)行的運算是ν = LaltCo2 / i (dt)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng),其特征在于所述控制電路進一步包括(a)一個除法點,插在上述前向環(huán)路中并具有被連接以接收一個來自虛擬電容器求和點的信號的一個被除數(shù)輸入和被連接到脈寬調(diào)制器的一個商輸出;(b)一個前饋環(huán)路,包括一個用于檢測電能儲存裝置兩端的電壓的電壓傳感器和被施加所檢測的電壓的一個縮放乘法器,所述前饋環(huán)路向所述除法點的一個除數(shù)輸入施加一個前饋信號,所述前饋信號表示對所檢測的電能儲存裝置兩端的電壓的縮放比例部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng),其特征在于所述控制電路還包括一個用于控制電能儲存裝置兩端的電壓的一個閉環(huán)負反饋控制環(huán)路,所述電壓控制環(huán)路具有施加到一個電壓控制求和點的一個指令輸入,并且進一步包括(a)一個反饋環(huán)路,包含一個用于檢測電能儲存裝置兩端的電壓的電壓傳感器,和將一個表示所檢測的電壓的反饋信號施加到上述電壓控制求和點;(b)一個前向控制元件,具有一個來自所述電壓控制求和點的輸入和一個被連接以控制所述正弦波發(fā)生器的幅值的輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的控制系統(tǒng),其特征在于所述控制電路進一步包括(a)一個除法點,插在上述前向環(huán)路中并具有被連接以接收一個來自虛擬電容器求和點的信號的一個被除數(shù)輸入和被連接到脈寬調(diào)制器的一個商輸出;(b)一個前饋環(huán)路,包括一個用于檢測電能儲存裝置兩端的電壓的電壓傳感器和被施加所檢測的電壓的一個縮放乘法器,所述前饋環(huán)路向所述除法點的一個除數(shù)輸入施加一個前饋信號,所述前饋信號表示對所檢測的電能儲存裝置兩端的電壓的縮放比例部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng),其特征在于所述控制電路還包括用于控制自由活塞斯特林發(fā)動機的熱接受器的溫度的一個閉環(huán)負反饋控制環(huán)路,所述溫度控制環(huán)路具有施加到一個溫度控制求和點的一個指令輸入,并且進一步包括(a)包含一個溫度傳感器的一個反饋環(huán)路,用于將表示所述自由活塞斯特林發(fā)動機的熱接受器溫度的一個反饋信號施加到上述溫度控制求和點;和(b) 一個前向控制元件,具有一個來自所述溫度控制求和點的輸入和一個被連接以控制所述正弦波發(fā)生器的幅值的輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的控制系統(tǒng),其特征在于所述控制電路進一步包括(a)一個除法點,插在上述前向環(huán)路中并具有被連接以接收一個來自虛擬電容器求和點的信號的一個被除數(shù)輸入和被連接到脈寬調(diào)制器的一個商輸出;和(b)一個前饋環(huán)路,包括一個用于檢測電能儲存裝置兩端的電壓的電壓傳感器和被施加所檢測的電壓的一個縮放乘法器,所述前饋環(huán)路向所述除法點的一個除數(shù)輸入施加一個前饋信號,所述前饋信號表示對所檢測的電能儲存裝置兩端的電壓的縮放比例部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的控制系統(tǒng),其特征在于用于附加地控制第二電功率產(chǎn)生源,所述第二電功率產(chǎn)生源包括一個用于驅(qū)動第二線性發(fā)電機的第二自由活塞斯特林發(fā)動機,所述第二線性發(fā)電機具有電感為Lalt2的第二發(fā)電機繞組、將第二發(fā)電機繞組連接到所述輸出電路的第二開關(guān)模式整流器以及用于控制所述第二整流器的開關(guān)占空比的第二脈寬調(diào)制器, 所述控制系統(tǒng)包括其第二輸出被連接以控制所述第二脈寬調(diào)制器的第二前向環(huán)路,其中所述控制電路還包括(a)在上述第二前向環(huán)路中的第二正弦波發(fā)生器,用于在工作頻率ω產(chǎn)生在第二正弦波;和(b)第二反饋環(huán)路,包括(i)第二電流傳感器,連接在第二發(fā)電機電路中用于檢測與第二發(fā)電機電流12成正比的一個信號;( )在第二前向環(huán)路中的第二虛擬電容器求和點,被連接為輸入由第二正弦波發(fā)生器所產(chǎn)生的所述第二正弦波和輸出表示所述輸入正弦波與所述求和點的第二輸入之間的差別的一個信號;和(iii)連接到所述第二電流傳感器的第二計算電路,用于計算第二虛擬電容器兩端的電壓V2且施加一個表示所述電壓V2的信號到上述虛擬電容器求和點的第二輸入,所述第二計算電路執(zhí)行的運算是V2 = Lalt2Co2 / i2(dt)。
8.一種用于控制電功率產(chǎn)生源的改進的方法,所述電功率產(chǎn)生源包括用于以工作頻率 ω驅(qū)動一個線性發(fā)電機的一個自由活塞斯特林發(fā)動機,上述線性發(fā)電機包括一個具有電感 Lalt和電阻Ra。的發(fā)電機繞組、將發(fā)電機繞組連接到一個包括電能儲存裝置的輸出電路的一個開關(guān)模式整流器、用于控制所述整流器的開關(guān)占空比的一個脈寬調(diào)制器,所述控制系統(tǒng)包括一個前向環(huán)路,所述前向環(huán)路的一個輸出端被連接到所述脈寬調(diào)制器的一個控制輸入端,上述改進包括(a)將所述電功率產(chǎn)生源或輸出電路的一個可控變量的指令值施加到一個反饋控制環(huán)路,檢測所述受控變量,和將受控變量的檢測值作為所述反饋控制環(huán)路的反饋信號施加,以建立一個表示一個電壓Vrtsp的指令值的信號,所述電壓Vrtsp是在工作頻率ω在發(fā)電機繞組中感應(yīng)的電壓Vg和發(fā)電機繞組電阻Ra。兩端的電壓的代數(shù)和;(b)檢測發(fā)電機繞組中的電流以產(chǎn)生與發(fā)電機電流i成正比的一個信號;(c)通過由所檢測的電流計算ν= LaltCo2 / i(dt),產(chǎn)生一個表示一個虛擬電容器兩端的電壓ν的信號;(d)從電壓乂_中減去表示電壓ν的信號,以產(chǎn)生表示發(fā)電機端電壓Vt的一個信號;和(e)將表示電壓Vt的信號施加到所述脈寬調(diào)制器的控制輸入端。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法,其特征在于還包括可控地改變工作頻率ω的值。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于控制系統(tǒng)的反饋控制電路和方法,上述控制系統(tǒng)用于控制電功率產(chǎn)生源,所述電功率產(chǎn)生源包括用于驅(qū)動線性發(fā)電機的自由活塞斯特林發(fā)動機。一個開關(guān)模式整流器將發(fā)電機繞組連接到其中包括一個電能儲存裝置的輸出電路,且由控制所述整流器的開關(guān)占空比和相位的脈寬調(diào)制器來控制。該控制系統(tǒng)控制所述脈寬調(diào)制器。上述改進計算一個虛擬調(diào)諧電容器兩端的電壓,并使用計算的電壓來控制開關(guān)模式整流器,使得所述開關(guān)模式整流器的開關(guān)方式為使發(fā)電機電路好像一個調(diào)諧電容器實際存在一樣地工作,并且使得所述控制系統(tǒng)控制所述斯特林發(fā)動機的活塞以保持在由所述斯特林發(fā)動機所產(chǎn)生的機械功率和由所述發(fā)電機從發(fā)動機吸收的電功率之間的平衡。
文檔編號G06F17/50GK102349074SQ200880025048
公開日2012年2月8日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月11日
發(fā)明者E·S·霍利達 申請人:圣波爾股份有限公司