CN102006001B - 热声发动机起振控制方法 - Google Patents

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Abstract

热声发动机起振控制方法，在起振时控制永磁直线电机的励磁电流，通过调节励磁电流的大小、电机动子的运动行程和电机的速度控制电机出力；调节永磁直线电机快速运行至热声发动机的谐振频率，带动热声发动机运行到系统谐振状态，切换成发电机状态运行；或调节永磁直线电机运行速度，将热声发动机作为永磁直线电机的拖动负载，在电动机的拖动下快速起振，热声发动机和永磁直线电机同步运行到谐振状态后，切换成发电机状态运行。本发明设计一种基于电动发电双向热声专用电机的热声发动机起振的振荡控制方法。其目的是为了解决热声发动机起振温度高、谐振管耗散的声功大和热声发动机体积庞大的问题，最终使整个热声系统热—声—电转换效率提高。

Description

热声发动机起振控制方法
技术领域
本发明涉及热声发电技术领域，具体指一种热声发动机的起振控制方法。
背景技术
热声发电技术是通过热声发动机驱动直线发电机来实现热能向声能再向电能转换的技术。热声发电系统包括两个子系统：一是热声发动机，二是直线发电机。热声发动机是利用热声效应将热能转换成声能的新型热机，其优点在于无任何运动部件，采用对环境无害的气体作为工质，并能直接利用低品味热能作为驱动热源。热声发动机结构如下：主冷却器，回热器，加热器，热缓冲管，副冷却器及导流器，反馈管路，声容管路，喷射泵，谐振管组成。稀土永磁的高剩磁、高磁能积、热稳定性、高矫顽力和线性退磁曲线等优异的性能使永磁电机具有轻质量、低损耗、高效能等优点。永磁直线电机不仅具有永磁电机的特点，且具有直线电机的性能。将永磁直线电机作为与热声发动机相匹配的发电机，使整个热声系统运行更加可靠，工艺简单，结构简单。
热声发电技术涉及的领域比较广泛，声学、数学、物理、工程学、自动化控制领域等等，热声系统是一个复杂的非线性的关联大系统，目前热声发电技术尤其作为新兴技术热声发动机技术在研发和设计的过程中还存在着很多难点。诸如热声发动机的起振温度，系统的谐振结构，热声电转换效率低及热声发动机和直线发电机相位匹配性的研究都成为热声研究领域的紧迫任务和热点问题。
发明内容
发明目的：本发明设计一种基于电动发电双向热声专用电机的热声发动机起振的振荡控制方法。其目的是为了解决热声发动机起振温度高、谐振管耗散的声功大和热声发动机体积庞大的问题，最终使整个热声系统热—声—电转换效率提高。
技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
热声发动机起振控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
在热声发动机起振时控制永磁直线电机的励磁电流，通过调节励磁电流的大小、电机动子的运动行程和电机的速度来控制电机出力；
调节永磁直线电机快速运行至热声发动机的谐振频率，然后带动热声发动机运行到系统谐振状态后，切换成发电机状态运行；或者调节永磁直线电机运行速度，将热声发动机作为永磁直线电机的拖动负载，在电动机的拖动下快速起振，热声发动机和永磁直线电机同步运行到谐振状态后，切换成发电机状态运行。
优点及效果：本发明的具体优点如下：
（1）提供一种基于电动发电双向热声专用电机的热声发动机起振的振荡控制方法，既可以控制永磁直线电机以电动机工作方式运行，也可以以发电机的工作方式运行。
（2）在热声发动机起振时，控制永磁直线电机以电动机工作方式拖动热声发动机运行。这种控制起振方法可以降低热声发动机的起振温度，缩短热声发动机的起振时间。降低热声发动机的起振温度，为热声发动机投入到生产实践中利用低品质热源提供了可行性保证。
（3）在热声发动机起振后，控制永磁直线电机以电动机工作方式拖动热声发动机运行至谐振工作状态。这种控制方法的实施可以缩减热声发动机谐振管的尺寸，减小谐振管声功损耗。既可以减小了热声发动机的体积，同时又提高了热声发动机和永磁直线电机的热—声—电转换的效率。
（4）本发明所用的永磁直线电机使用单相供电，可方便对电机进行无功补偿，提高电机声能转换为电能的效率。
（5）本发明采用的是一种改进的矢量控制，只要系统测出热声发动机发出的声波，永磁直线电机定子侧电流就能很好的响应热声的变化，通过矢量控制策略进行快速响应。
（6）本发明所提供的控制策略通过改进的矢量变换和改进的矢量变换的逆变换来控制和调节发电机和热声发动机间的相位耦合，提高热声发动机和永磁直线电机的匹配性。
附图说明：
图1为本发明的热声系统结构示意图；
图2为本发明的起振控制方法原理示意图；
图3为本发明的起振控制方法中整流电路模块和逆变电路模块图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细描述。
图1为本发明的热声系统结构示意图，如图所示，反馈管1连接主水冷器2，主水冷器2连接回热器3，回热器3连接加热器4，加热器4连接热缓冲管5，热缓冲管5连接次水冷器6，次水冷器6连接谐振管10和气缸7的活塞8，气缸连接直线发电机9，直线发电机9连接电动发电双向控制器。
图2为本发明的起振控制方法原理示意图，如图所示，本发明设计了一种切换控制策略，既当热声系统起振时或是整个系统运行不稳定时，切换控制策略采用瞬态响应最优方式对整个热声系统进行控制；而当系统运行到稳态状态下，切换控制策略采用效率最优方式对整个热声系统进行控制。
控制流程如下：利用光栅尺测量出热声电机的位置并通过速度计算器计算出热声电机的速度。定子相电流经过相电流检测电路被检测出来，然后经过一系列新改进的矢量变换将它们转换到旋转坐标系中。速度控制器能快速调解磁链和转矩，但是会对磁链和转矩产生脉动，若用减小滞环比较器带宽的方法会增加逆变器开关的频率和开关损耗，会导致整个热声系统声电转效率降低。故此时采用瞬态响应最优方式对整个热声系统进行控制。通过控制定子电流的励磁分量来控制气隙磁场，当励磁分量工作在其额定值的状态下，就可以通过控制定子电流转矩分量来控制电磁转矩，使运行中的转矩与稳态转矩相同，得到期望的控制量。控制信号再经过新改进的矢量变换，送到SVPWM逆变器中，从而得到控制定子的实际电流。当整个热声系统稳定运行时，切换控制策略采用效率最优方式对整个热声系统进行控制。此时励磁电流分量和转矩电流分量由智能控制器（智能控制器是结合热声发动机输出特性和热声电机的输入特性进行算法设计的控制器，其控制策略完全针对热声系统的特性而设计）和转矩补偿器产生。整个热声发电系统通过实施切换控制策略，既当热声系统运行不稳定时采用瞬态响应最优方式而当系统运行到稳态状态采用效率最优方式对整个热声系统进行控制，结果是在系统输出功率不变的情况下，输入系统的直流功率减少，进而提高了系统的声电转换效率。
图3为本发明的起振控制方法中整流电路模块和逆变电路模块图，如图所示，前端为电容滤波的不可控整流电路。随着热声电机负载电流的增加，直流输出电压 
Figure 2010105815636100002DEST_PATH_IMAGE001
通过调整桥电路正侧（
Figure 61657DEST_PATH_IMAGE002
）或桥电路负侧（
Figure 2010105815636100002DEST_PATH_IMAGE003
）的导通特性，从而使电容平均充电电流与直流输出电流相等。电容
Figure 500770DEST_PATH_IMAGE004
对整流电压进行滤波，使直流输出电压变平滑，该直流电压可用于电压源型逆变器。后端为单相全桥逆变电路。电力半导体器件
Figure 2010105815636100002DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 716726DEST_PATH_IMAGE006
根据整流电路输出波形交替开关产生输出电压。这种逆变电路的功能：1、可以应用各种脉宽调制控制模式，工作在脉宽调制的控制模式下，平均功率从直流侧流向交流侧，为热声电机作电动机拖动热声机运动提供电能；2、也可以工作于整流模式下，此时平均功率将从交流侧流向直流侧，为热声电机作发电机时储备电能。
在热声系统起振时控制永磁直线电机的励磁电流，通过调节励磁电流的大小、电机动子的运动行程和电机的速度来控制电机出力。
方法一是调节永磁直线电机快速运行至热声发动机的谐振频率，然后带动热声发动机运行到系统谐振状态后，切换成发电机状态运行。
方法二是调节永磁直线电机运行速度，将热声发动机作为永磁直线电机的拖动负载，在电动机的拖动下快速起振，热声发动机和永磁直线电机同步运行到谐振状态后，切换成发电机状态运行。
本发明控制策略合理，效果明显，可以很好的解决热声发动机中存在的问题。

Claims (1)

1. 热声发动机起振控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
在热声发动机起振时控制永磁直线电机的励磁电流，通过调节励磁电流的大小、电机动子的运动行程和电机的速度来控制电机出力；
调节永磁直线电机快速运行至热声发动机的谐振频率，然后带动热声发动机运行到系统谐振状态后，切换成发电机状态运行；或者调节永磁直线电机运行速度，将热声发动机作为永磁直线电机的拖动负载，在电动机的拖动下快速起振，热声发动机和永磁直线电机同步运行到谐振状态后，切换成发电机状态运行。
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