CN117559852A - 一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法 - Google Patents

一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，通过包括永磁直线电机、单相交流220V电网、并网控制器、点火鼓风机、斯特林发动机、K型热电偶、温度采集模块的并网启停系统实现斯特林发动机启停。斯特林发动机在启动阶段前处于静止状态；启动后将直线电机串联大功率并入电网，永磁直线电机并网启动后，驱动斯特林发动机动力活塞运动使发动机稳定运行，投切短路大功率电阻，使永磁直线电机工作在正常发电状态。停机离网时，控制点火鼓风机将温度降低到临界停机温度后，投切将直线电机投切离网，与大功率电阻串联成回路，斯特林发电机平稳工作直到停机。本发明较现有技术具有更高的集成度、更快的反应时间、更高的可靠性。

Description

一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法
技术领域
本发明属于电机启停技术领域，特别是涉及一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法。
背景技术
自由活塞斯特林发动机是由斯特林发动机和直线电机耦合的系统。其作为外燃机能够广泛适应各种能源，还对能源的品质要求不高。自由活塞斯特林发动机不仅可以利用太阳能、地热能、生物质能等可再生能源，还可以利用工业废热、余热等低品位能源。斯特林发动机还可以实现热电联产，提高能源利用率。由于自由活塞斯特林发动机不具备自启动能力，国内外现有技术通过引入各种专用的逆变器以及启动电源实现斯特林发动机的启停。各种额外设备的增加使斯特林发动机的结构更加复杂，系统运行可靠性大大降低；逆变器的控制系统复杂，系统反应速度较慢；此外，额外设备的引入进一步提高了斯特林发动机的成本。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明实施例的目的在于提供一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，无需增加额外设备即可实现斯特林发动机的启动和停机的控制，且具有更高的集成度、更快的反应时间及更高的可靠性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，通过自由活塞斯特林发电机并网启停系统实现斯特林发动机的启停，其中，所述自由活塞斯特林发电机并网启停系统包括：
永磁直线电机，包括永磁体、线圈绕组、电机固定结构，用于将斯特林发动机的动力活塞的动能转化为电能；
单相交流220V电网，包括单相交流220V电网火线、单相交流220V电网零线，用于与永磁直线电机共同构成并网启停电路的一部分，在并网控制器的控制下实现并网启动和离网停机；
并网控制器，根据预设值和燃烧室温度驱动点火鼓风机；
点火鼓风机，用于控制斯特林发动机的燃料-空气的混合比与进料速度；
斯特林发动机，包括燃烧室、加热端、回热器、冷却端、动力活塞、配气活塞，用于将燃烧提供的热能转化为动力活塞运动的动能，并带动永磁直线电机动子运动；
K型热电偶，用于采集斯特林发动机燃烧室的温度，前端固定在斯特林发动机燃烧室内侧，尾端连接至温度采集模块；
温度采集模块，用于将K型热电偶采集的温度转化得到数字信号传输给并网控制器。
进一步地，所述并网启停电路包括：
单相交流220V电网火线、单相交流220V电网零线、大功率电阻R1、大功率电阻R2、电解电容C1、永磁直线电机，单片机MCU、双刀双掷功率继电器PR、双刀双掷信号继电器SR2、双刀双掷信号继电器SR1。
进一步地，所述并网启停电路的连接方式如下：
单相交流220V电网零线连接大功率电阻R2的一端、双刀双掷功率继电器PR的线圈一端和双刀双掷功率继电器PR的第一路开关，单相交流220V电网的火线连接双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关；大功率电阻R2另一端连接至双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关；双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关还连接至大功率电阻R1的一端和双刀双掷信号继电器SR2；大功率电阻R1另一端通过电解电容C1串联连接永磁直线电机；永磁直线电机的另一端连接双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关、双刀双掷功率继电器PR的第二路开关（10）和双刀双掷信号继电器SR2；双刀双掷信号继电器SR2（11）还连接双刀双掷功率继电器PR的线圈另一端；单片机MCU（7）通过光耦开关电路直接控制两个双刀双掷信号继电器SR1和SR2的动作。
进一步的，所述双刀双掷信号继电器SR1、SR2由驱动线圈和两路同步动作的开关构成；通过单片机MCU的IO输出口驱动光耦开关电路控制线圈的工作从而控制其投切。
进一步的，所述的双刀双掷功率继电器PR由驱动线圈和两路同步动作的开关构成，通过控制双刀双掷信号继电器SR2的投切使其驱动线圈接入和断开与单相交流220V电网的连接间接控制其动作。
进一步地，所述并网启停电路中，大功率电阻R1阻值为15Ω，额定最大功率为300W；大功率电阻R2阻值为15Ω，额定最大功率为100W；电解电容C1电容值为44uF。
进一步地，所述并网启停电路中，所述的单片机MCU选用STC8G2K64S4单片机，其拥有48个接口，具有SPI通信协议。
进一步的，所述温度采集模块一端连接K型热电偶；另一端有五个引脚，分别是接地端GND、正电压端VCC、串行时钟输入SCK、片选端CS、串行数据输出SO；五个引脚连接至单片机MCU的相应引脚。
进一步地，包括启动步骤及停止步骤，其中启动步骤具体为：
S1、当自由活塞斯特林发电机处于停止状态时，永磁直线电机与大功率电阻R1通过双刀双掷信号继电器SR2和双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关形成闭合回路；
S2、当斯特林发动机热端温度达到临界启动温度时，单片机MCU发出启动指令，闭合双刀双掷信号继电器SR1的两路开关，断开原有回路；大功率电阻R1、大功率电阻R2、电解电容C1和永磁直线电机串联并网启动；
S3、当斯特林发动机运行至谐振状态时，闭合单片机MCU控制双刀双掷信号继电器SR2，使双刀双掷功率继电器PR的线圈与永磁直线电机所在回路并联，并接入单相交流220V电网；
S4、当双刀双掷功率继电器PR的线圈工作后，闭合双刀双掷功率继电器PR的第一路开关和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关，短路大功率电阻R1和大功率电阻R2，电解电容C1和永磁直线电机串联接入单相交流220V电网，完成启动。
进一步地，所述停止步骤具体为：
S5、向单片机MCU下达停机指令，控制点火鼓风机停止鼓入燃料，当温度下降到预设的停机温度后由单片机MCU发出指令双刀双掷信号继电器SR1的两路开关断开；
S6、通过单片机MCU控制双刀双掷信号继电器SR2断开，断开双刀双掷功率继电器PR的第一路开关和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关，使永磁直线电机从并网状态转换为与电解电容C1和大功率电阻R1形成闭合回路，停机过程完成，斯特林发动机会继续在此泄放回路中持续工作直到停机。
本发明的有益效果是
(1)本发明设计的自由活塞斯特林发动机并网启停控制方法在启动阶段能够不借助额外的逆变器和启动电源，仅仅依靠斯特林发动机内部的永磁直线电机驱动斯特林发动机的起振，并使其达到谐振状态，使其发出的与电网同频率、同相位的电力，保证了斯特林发动机的稳定并网运行。
(2)本发明设计的自由活塞斯特林发动机并网启停控制方法通过大功率电阻的投切减小了并网瞬间的冲击，有利于永磁直线电机的安全稳定运行。
(3)本发明设计的自由活塞斯特林发动机并网启停控制方法能够快速投切离网，并且通过泄放电路消耗斯特林发动机中的剩余能量，保证发电机的始终稳定运行，减小运行状态转变的冲击，减少了对斯特林发动机的干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的启停电路结构示意图；
图2是本发明的启动电路流程示意图；（a）是斯特林发动机的启动前的停止运行状态，（b）是启动后永磁直线电机与大功率电阻R1和大功率电阻R2串联接入单相交流220V电网，（c）是双刀双掷信号继电器SR2动作控制双刀双掷功率继电器PR的线圈接入单相交流220V电网，（d）是斯特林发动机稳定运行后大功率电阻R1和大功率电阻R2被短路，永磁直线电机变为发电状态；
图3是本发明的停机电路流程示意图；（a）是斯特林发动机正常工作状态，（b）是斯特林发动机的停机前的预备停止状态，（c）是双刀双掷功率继电器PR的线圈受控断开，使永磁直线电机与大功率电阻R1形成泄放电路；
图4是本发明的各模块信号流图。
图中，1、单相交流220V电网火线，2、单相交流220V电网零线，3、大功率电阻R1，4、大功率电阻R2，5、电解电容C1，6、永磁直线电机，7、单片机MCU，8、双刀双掷功率继电器PR的线圈，9、双刀双掷功率继电器PR的第一路开关，10、双刀双掷功率继电器PR的第二路开关，11、双刀双掷信号继电器SR2，12、双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关，13、双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其中电路包括单相交流220V电网、两个双刀双掷信号继电器SR1和SR2、双刀双掷功率继电器PR，单片机MCU7、大功率电阻R13、大功率电阻R24、电解电容C15、K型热电偶、温度检测采集模块、斯特林发动机、永磁直线电机6、点火控制器。
其中，单片机MCU7选用STC8G2K64S4单片机，其拥有48个接口，具有SPI通信协议，用以控制各子系统正常工作，大功率电阻R13阻值为15Ω，额定最大功率为300W；大功率电阻R24阻值为15Ω，额定最大功率为100W；电解电容C15电容值为44uF。
本发明并网启停电路中单相交流220V电网零线2连接大功率电阻R24的一端、双刀双掷功率继电器PR的线圈8一端和双刀双掷功率继电器PR的第一路开关9，单相交流220V电网的火线1连接至双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关12和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关10；大功率电阻R24另一端连接至双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关13；双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关13还连接至大功率电阻R13的一端和双刀双掷信号继电器SR211；大功率电阻R13另一端通过电解电容C15串联连接永磁直线电机；永磁直线电机6的另一端连接双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关12和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关10和双刀双掷信号继电器SR211；双刀双掷信号继电器SR211还连接双刀双掷功率继电器PR的线圈8另一端；单片机MCU7通过光耦开关电路直接控制两个双刀双掷信号继电器SR1和SR2的动作。双刀双掷信号继电器SR1、SR2由驱动线圈和两路同步动作的开关构成；通过单片机MCU7的IO输出口驱动光耦开关电路控制线圈的工作从而控制其投切。
如图1，当电路处于离网停机状态时，双刀双掷功率继电器PR的第一路开关9、双刀双掷功率继电器PR的第二路开关10、双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关12、双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关13均处于断开状态。
如图2中的（a），当斯特林发动机的启动前的停止运行状态时，永磁直线电机6与大功率电阻R13串联形成回路；如图2中的（b），当电机启动后永磁直线电机6与大功率电阻R13和大功率电阻R24串联接入单相交流220V电网；如图2中的（c），双刀双掷信号继电器SR211动作控制双刀双掷功率继电器PR的线圈8接入单相交流220V电网；如图2中的（d），当斯特林发动机稳定运行后大功率电阻R13和大功率电阻R24被短路，永磁直线电机6变为发电状态。
斯特林发动机正常工作状态如图3中的（a）；如图3中的（b），当斯特林发动机处于停机前的预备停止状态时，此时双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关12和双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关13断开，为切换到泄放电路做准备；图3中的（c）双刀双掷功率继电器PR的线圈8受控断开，使永磁直线电机6与大功率电阻R13形成泄放电路。
如图4，K型热电偶从斯特林发动机燃烧室采集温度，经温度检测采集模块转化得到数字信号传输给并网控制器；并网控制器根据预设值和燃烧室温度驱动点火鼓风机来控制燃料－空气的混合比与进料速度从而控制斯特林发动机的运行状态；直线电机在并网控制器的控制下实现并网启动和离网停机。其中，温度检测采集MAX6675模块一端连接K型热电偶；另一端有五个引脚，分别是接地端GND、正电压端VCC、串行时钟输入SCK、片选端CS、串行数据输出SO。五个引脚连接至单片机MCU的相应引脚，其主要功能是采集K型热电偶传输的电信号，并将其转化为数字信号并通过SPI传输协议输出给单片机MCU。斯特林发动机主要有燃烧室、加热端、回热器、冷却端、动力活塞、配气活塞构成，主要作用是将燃烧提供的热能转化为活塞运动的动能，从而带动直线电机动子的运动。
实施例1：本发明自由活塞斯特林电路的工作过程
当自由活塞斯特林发动机处于停止状态时，永磁直线电机6与大功率电阻R13通过双刀双掷信号继电器SR211和双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关13形成闭合回路。
当斯特林发动机热端温度达到临界启动温度时，单片机MCU7发出启动指令，收到启动指令后，双刀双掷信号继电器SR1首先闭合，此时原有回路断开，大功率电阻R13、大功率电阻R24、电解电容C15和永磁直线电机6通过双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关12和双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关13连接至单相交流220V电网的火线1和单相交流220V电网的零线2，此时大功率电阻R13、大功率电阻R24、电解电容C15和永磁直线电机6串联并网启动。
在永磁直线电机6的驱动下，斯特林发动机开始振荡，并逐渐运行到谐振状态，此时单片机MCU7控制双刀双掷信号继电器SR211闭合，使双刀双掷功率继电器PR的线圈8与永磁直线电机6所在回路并联，接入单相交流220V电网。
当双刀双掷功率继电器PR的线圈8工作后，其控制的双刀双掷功率继电器PR的第一路开关9和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关10闭合，此时电路中所有继电器开关闭合，大功率电阻R13和大功率电阻R24被短路，电解电容C15和永磁直线电机6串联接入单相交流220V电网此时，永磁直线电机处于正常发电状态，至此启动过程完成。
下达停机指令给单片机MCU7后，单片机MCU7控制点火鼓风机停止鼓入燃料。之后斯特林热端温度逐渐降低至临界停机温度。到达临界停机温度后单片机MCU7发出指令双刀双掷信号继电器SR1的两路开关断开，此时斯特林发动机处于预备停止状态。
之后单片机MCU7控制双刀双掷信号继电器SR211断开，从而使双刀双掷功率继电器PR的线圈8从单相交流220V电网中断开。随后其控制的双刀双掷功率继电器PR的第一路开关9和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关10断开，永磁直线电机6从并网状态转换为与电解电容C15和大功率电阻R13形成闭合回路，至此停机过程完成。斯特林发动机将继续在此泄放回路中持续工作直到停机。
本申请控制系统中，在斯特林发动机在启动阶段前，由于没有受到外力作用而处于静止状态。启动后控制点火鼓风机按一定燃料－空气混合比例将工质鼓入燃烧室并点火，当温度达到临界启动温度后，将直线电机串联大功率并入电网，并通过串联大功率电阻的方式减小并网过程中的冲击电流。永磁直线电机并网启动后，工作在电动状态，直线电机驱动斯特林发动机动力活塞运动从而带动配气活塞振动，来实现斯特林发动机的起振。当斯特林发动机稳定运行后，投切短路大功率电阻，使永磁直线电机工作在正常发电状态，此时斯特林发动机并网稳定运行。停机离网时，控制点火鼓风机停止供给燃料工质，当温度降低到临界停机温度后，通过投切将直线电机投切离网，并与大功率电阻串联成回路，通过大功率电阻泄放斯特林发动机中剩余能量，使斯特林发动机平稳工作直到停机。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，通过自由活塞斯特林发电机并网启停系统实现斯特林发动机的启停，其中，所述自由活塞斯特林发电机并网启停系统包括：
永磁直线电机（6），包括永磁体、线圈绕组、电机固定结构，用于将斯特林发动机的动力活塞的动能转化为电能；
单相交流220V电网，包括单相交流220V电网火线（1）、单相交流220V电网零线（2），用于与永磁直线电机（6）共同构成并网启停电路的一部分，在并网控制器的控制下实现并网启动和离网停机；
并网控制器，根据预设值和燃烧室温度驱动点火鼓风机；
点火鼓风机，用于控制斯特林发动机的燃料-空气的混合比与进料速度；
斯特林发动机，包括燃烧室、加热端、回热器、冷却端、动力活塞、配气活塞，用于将燃烧提供的热能转化为动力活塞运动的动能，并带动永磁直线电机（6）动子运动；
K型热电偶，用于采集斯特林发动机燃烧室的温度，前端固定在斯特林发动机燃烧室内侧，尾端连接至温度采集模块；
温度采集模块，用于将K型热电偶采集的温度转化得到数字信号传输给并网控制器。
2.根据权利要求1所述的一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，所述并网启停电路包括：
单相交流220V电网火线（1）、单相交流220V电网零线（2）、大功率电阻R1（3）、大功率电阻R2（4）、电解电容C1（5）、永磁直线电机（6），单片机MCU（7）、双刀双掷功率继电器PR、双刀双掷信号继电器SR2（11）、双刀双掷信号继电器SR1。
3.根据权利要求2所述的一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，所述并网启停电路的连接方式如下：
单相交流220V电网零线（2）连接大功率电阻R2（4）的一端、双刀双掷功率继电器PR的线圈（8）一端和双刀双掷功率继电器PR的第一路开关（9），单相交流220V电网的火线（1）连接双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关（12）和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关（10）；大功率电阻R2（4）另一端连接至双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关（13）；双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关（13）还连接至大功率电阻R1（3）的一端和双刀双掷信号继电器SR2（11）；大功率电阻R1（3）另一端通过电解电容C1（5）串联连接永磁直线电机（6）；永磁直线电机（6）的另一端连接双刀双掷信号继电器SR1的第一路开关（12）、双刀双掷功率继电器PR的第二路开关（10）和双刀双掷信号继电器SR2（11）；双刀双掷信号继电器SR2（11）还连接双刀双掷功率继电器PR的线圈（8）另一端；单片机MCU（7）通过光耦开关电路直接控制两个双刀双掷信号继电器SR1和SR2的动作。
4.根据权利要求2所述的一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，所述双刀双掷信号继电器SR1、SR2由驱动线圈和两路同步动作的开关构成；通过单片机MCU（7）的IO输出口驱动光耦开关电路控制线圈的工作从而控制其投切。
5.根据权利要求2所述的一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，所述的双刀双掷功率继电器PR由驱动线圈和两路同步动作的开关构成，通过控制双刀双掷信号继电器SR2（11）的投切使其驱动线圈接入和断开与单相交流220V电网的连接间接控制其动作。
6.根据权利要求2所述的一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，所述并网启停电路中，大功率电阻R1（3）阻值为15Ω，额定最大功率为300W；大功率电阻R2（4）阻值为15Ω，额定最大功率为100W；电解电容C1电容值为44uF。
7.根据权利要求2~4任意一项所述的一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，所述并网启停电路中，所述的单片机MCU选用STC8G2K64S4单片机，其拥有48个接口，具有SPI通信协议。
8.根据权利要求1所述的一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，所述温度采集模块一端连接K型热电偶；另一端有五个引脚，分别是接地端GND、正电压端VCC、串行时钟输入SCK、片选端CS、串行数据输出SO；五个引脚连接至单片机MCU（7）的相应引脚。
9.根据权利要求1~6、8任一所述的一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，包括启动步骤及停止步骤，其中启动步骤具体为：
S1、当自由活塞斯特林发电机处于停止状态时，永磁直线电机（6）与大功率电阻R1（3）通过双刀双掷信号继电器SR2（11）和双刀双掷信号继电器SR1的第二路开关（13）形成闭合回路；
S2、当斯特林发动机热端温度达到临界启动温度时，单片机MCU（7）发出启动指令，闭合双刀双掷信号继电器SR1的两路开关，断开原有回路；大功率电阻R1（3）、大功率电阻R2（4）、电解电容C1（5）和永磁直线电机（6）串联并网启动；
S3、当斯特林发动机运行至谐振状态时，闭合单片机MCU(7)控制双刀双掷信号继电器SR2(11)，使双刀双掷功率继电器PR的线圈（8）与永磁直线电机（6）所在回路并联，并接入单相交流220V电网；
S4、当双刀双掷功率继电器PR的线圈（8）工作后，闭合双刀双掷功率继电器PR的第一路开关（9）和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关（10），短路大功率电阻R1（3）和大功率电阻R2（4），电解电容C1（5）和永磁直线电机（6）串联接入单相交流220V电网，完成启动。
10.根据权利要求9所述的一种自由活塞斯特林发电机并网启停控制方法，其特征在于，所述停止步骤具体为：
S5、向单片机MCU（7）下达停机指令，控制点火鼓风机停止鼓入燃料，当温度下降到预设的停机温度后由单片机MCU（7）发出指令双刀双掷信号继电器SR1的两路开关断开；
S6、通过单片机MCU（7）控制双刀双掷信号继电器SR2（11）断开，断开双刀双掷功率继电器PR的第一路开关（9）和双刀双掷功率继电器PR的第二路开关（10），使永磁直线电机（6）从并网状态转换为与电解电容C1（5）和大功率电阻R1（3）形成闭合回路，停机过程完成，斯特林发动机会继续在此泄放回路中持续工作直到停机。
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