JP2010511374A - 線形交流機を駆動するフリーピストンスターリングエンジン用にエンジン動力を交流機動力に整合させ、エンジン周波数を保持する電子制御器 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図4
Description
は一定周波数動作を提供することが出来る。
と、(2)一定出力電圧を保持すること、の両者を達成する制御システムを設計することが問題である。該問題は、もし該電氣負荷の電力需要が減少し、エフピーエスイー動力を減じるため該ストロークが減じられるなら、誘起電圧が低下することである。逆に、もし増加した電力需要が該エフピーエスイーからもっと動力を提供するためにストロークを増加することにしたら、該出力電圧も増加する。従って、負荷動力需要の変動で生じる電気負荷に於ける電圧変動を減じるか又は取り除きながら、電気負荷電力に整合するようエフピーエスイーからの動力を変調することが望ましい。
internal制御ループへの該指示される入力、Vinternal cmdは1つ以上追加の、外部制御ループにより発生されるが、該ループの選出又は選択は、望まれる出力の種類と、設計者がそれを如何に制御したいかを含めた本発明の応用に依る。
32のH型ブリッジ32に接続される。図3には示されないが、該能動的整流器制御回路42は該制御回路42内にパルス幅変調器を制御する閉ループネガティブフィードバック電流制御システムを有する。該パルス幅変調器は当業者に公知であり上記で抄録した仕方で該4つのMOSFETs34,36,38及び40のスイッチ作用を制御する。もっと完全に説明される様に、該電流制御ループは該パルス幅変調器のデューテイサイクルを制御可能な仕方で変える。該電流制御ループ用フィードバック信号は、交流機電流を表す信号を該制御回路42内の交流機電流制御回路に印加する交流機電流センサー43から得られる。同じ様に効果的ではないが、半波スイッチングモード整流器が代わりに使われてもよい。
ET48に直列に接続された過渡減衰抵抗器46からなる過大電圧保護電力減衰回路を制御するため使われる。該減少した中段電圧が約3.0ボルト(直流95ボルトの中段電圧に対応)より大きい時、コンパレーター49の出力はハイからローに変わる。この信号は次いで反転され、該MOSFET48と減衰抵抗器46をオンに切り替えるが、それはエネルギー蓄積キャパシター44(図3)を放電させ、該電力部品を過大電圧による破損から保護する。一旦該コンパレーター49の出力がローに進むと、それは該減少した中段電圧が約2.7ボルト(直流85ボルトの中段電圧に対応)より下に降下するまでローに留まる。次いで該コンパレーター出力はハイに戻り、MOSFET48はオフに切り替わる。
プ内に入れ子にされる(nested)。
数αにより掛け算されてもよい。それを実現するために、位置センサー72の出力を素子84に接続し、結果を合計点6に印加する代わりに、ピストン速度センサーの出力はモーター定数αを表すKを伴うが、何等微分を伴わない(ラプラス演算子sを有しない)、素子84の様な素子に印加され、そしてその出力は合計点6に印加される。
はより大きい又はより小さいピストンストロークで、そして従ってより高い又はより低い動力出力での新しい平衡に到り、エンジンからの動力出力は、該エンジンから該交流機へ転送される動力に再び等しくなる。しかしながら、これらの変化が該エンジンの運転周波数より遙かに高い速度で起こり得ること、すなわち、それがエンジン往復の振動の周期より遙かに短い時間内に起こり得ること、が望ましい。
図4で図解される本発明は該K定数の種々の値を有する種々の回路で具体化されてもよい。しかしながら、例として、値の代表的セットが下表で与えられる。
KI、4=6.3
KP,4=0.05
KI,3=126
KP、3=0.1
KI,2=739
KP、2=0.2
KI,1=860
KP、1=8.55
KD、5=15
Kfb、6=1
Kfb、1=1
Kp、5=1.7
KD、5=15
Kfb、3=1
Kfb、4=1
α 開回路交流機電圧をピストン速度に関係付け、交流機電流を該ピストン上の力に関係付ける線形交流機モーター定数は下記である。
Vcmd エネルギー蓄積キャパシターの両端の指示される電圧VDC Bus
VDC Bus 蓄積キャパシター又はバッテリーの両端の直流電圧
XPcmd 指示されるピストンストローク
XPfb(t) 時間の関数としての瞬時ピストン位置
XPfb フィードバックピストンストローク/振幅信号。それは該瞬時ピストン位置XPfb(t)のピーク対ピーク又はゼロ対ピーク(振幅)に比例する。
Vg 交流機捲き線に誘起される瞬時開回路電圧(逆起電力電圧)
VRac 該交流機の集中抵抗の両端の瞬時電圧
VLalt 該交流機インダクタンスの両端の瞬時電圧
VT 交流機ターミナル電圧
Vinternal cmd 指示されるVinternal
Vinternal Vg+VRacの瞬時合計
Icmd 瞬時の指示される交流機電流
I 交流機電流
s 微分を指定するラプラス演算子
1/s 積分を指定するラプラス演算子
囲から離れることなく種々の変型が採用され得ることは理解されるべきである。
Claims (16)
- 交流機捲き線を有する線形交流機を駆動するパワーピストンを有するフリーピストンスターリングエンジンを備えた電力発生ソースであって、
(a)該交流機捲き線を電気エネルギー蓄積手段に接続し、整流器スイッチングデューテイサイクルを制御するパルス幅変調器を備えるスイッチングモード整流器と、
(b)合計接続部に接続されたコマンド入力部と、該スイッチングモード整流器の動作デューテイサイクルを制御するために該パルス幅変調器に接続された出力部と、を備える交流機電流制御用ネガティブフィードバック制御ループと、を具備しており、該電流制御ループは瞬時交流機電流を検出し、電流フィードバック信号を該電流フィードバック制御ループの該合計接続部に印加するために該交流機捲き線に接続された電流センサーを有するフィードバック回路を備えており、そして
(c)該交流機捲き線に誘起された電圧と該交流機捲き線の集中抵抗の両端の電圧との合計である電圧、Vinternalを制御するネガティブフィードバック制御ループを具備しており、該Vinternal制御ループは合計点に印加されるコマンド入力と、入力として計算回路に接続されるセンサー手段を有するフィードバック回路と、を備えており、該電流センサーも又入力として該計算回路に接続されており、該計算回路はVinternalを表す信号を計算し、該信号を該Vinternal制御ループの該合計点の該フィードバック入力部へ印加しており、該Vinternal制御ループの該出力は該コマンド入力として該電流フィードバック制御ループに接続されることを特徴とする電力発生ソース。 - (a)該センサー手段がピストン位置センサー又はピストン速度センサーであり、そして
(b)該計算回路が
(i)該交流機捲き線に誘起される該瞬時電圧を表す積信号を提供し、該積信号を計算回路合計接続部に印加するために、該交流機モーター定数を掛け算された瞬時ピストン速度を表す信号を発生する掛け算回路と、そして
(ii)該交流機捲き線の該集中抵抗の両端の電圧降下を表す信号を提供し、該電圧降下信号を該計算回路合計接続部に印加するために、該交流機捲き線の等価集中抵抗を表す値を該瞬時交流機電流に掛け算するよう該電流センサーに接続された掛け算回路と、を更に有しており、
該計算回路合計接続部の出力がVinternalを表すことを特徴とする請求項1記載の電力発生ソース。 - 該センサー手段がピストン速度を計算するために瞬時ピストン位置を微分する微分器回路に接続された瞬時ピストン位置センサーを有することを特徴とする請求項2記載の電力発生ソース。
- 該センサー手段がピストン速度センサーを有することを特徴とする請求項2記載の電力発生ソース。
- (a)該センサー手段が該捲き線ターミナル電圧、VTを検出し、該ターミナル電圧を表す信号を合計接続部に印加するために該交流機捲き線に接続された電圧センサーであり、
(b)該計算回路が、時間に関する該交流機電流の変化速度を計算するための、そして該交流機捲き線の該集中インダクタンスの両端の電圧降下を表す信号を提供し、該捲き線インダクタンス電圧降下信号を該合計接続部に印加するよう、該変化速度に該捲き線インダクタンスを掛け算するための、該電流センサーに接続された微分回路及び掛け算回路を有しており、
該合計接続部が該ターミナル電圧信号と該捲き線インダクタンス電圧降下信号との差であり、Vinternalを表している該差を計算することを特徴とする請求項1記載の電力発生ソース。 - 数学的演算を行う該回路がデジタル計算回路で具体化されることを特徴とする請求項1又は2又は3又は4又は5記載の電力発生ソース。
- 正弦波関数発生器回路が、正弦波であり、該フリーピストンスターリングエンジンの共振周波数と実質的に等しい周波数を有するコマンド入力を印加するよう該Vinternalフィードバック制御ループに接続されることを特徴とする請求項1又は2又は5記載の電力発生ソース。
- ピストンストロークを制御するネガティブフィードバック制御ループを更に具備しており、該ピストンストローク制御ループは、該コマンド入力を該Vinternalフィードバック制御ループへ提供するために、該Vinternalフィードバック制御ループの合計点に接続された前記正弦波関数発生器を、その出力部として、備えており、該ピストンストローク制御ループはピストンストローク信号を該ピストンストローク制御ループの合計点に印加するよう接続されたピストンストロークセンサーを有するフィードバックループを備えることを特徴とする請求項7記載の電力発生ソース。
- 前記エネルギー蓄積キャパシター又はバッテリーの両端の電圧を制御するネガティブフィードバック制御ループを更に具備しており、該電圧制御ループは該キャパシター又はバッテリーに接続された電圧センサーと、該電圧制御ループの合計点に接続された出力部と、を有するフィードバックループを備えることを特徴とする請求項7記載の電力発生ソース。
- 負荷に一定直流電圧を提供するために該キャパシター又はバッテリーの両端に接続された該調整器の入力部を備える直流/直流電圧調整器を具備することを特徴とする請求項9記載の電力発生ソース。
- Vinternalの瞬時値を連続的に検出し、計算する過程を具備しており、Vinternalが該交流機捲き線に誘起される電圧と、該交流機捲き線の等価集中抵抗の両端の電圧と、の合計であることを特徴とする、交流機捲き線を有する線形交流機を駆動するパワーピストンを有するフリーピストンスターリングエンジンを備える電力発生ソースを制御する改良されたフィードバック制御方法。
- 交流機捲き線を有する線形交流機を駆動するパワーピストンを有するフリーピストンスターリングエンジンを備える電力発生ソースを制御する方法であって、
(a)該スターリングエンジンの動作周波数で正弦波で変わる指示されたVintenal入力信号を発生する過程であるが、該入力信号はピストンストロークフィードバック制御ループにより発生される振幅を有している該発生する過程と、
(b)前記ソースの少なくとも2つの動作パラメーターの検出と、該動作パラメーターからのVinternalの瞬時値の計算と、を連続的に行うが、Vinternalは該交流機捲き線に誘起される電圧と該交流機捲き線の集中抵抗の両端の電圧との合計である該行う過程と、そして
(c)Vinternalの該検出され、計算された値をVinternalの該指示された値へ駆動する過程と、
により該ピストンの該ストロークを制御する過程を具備することを特徴とする方法。 - Vinternalの該検出されて計算された値をVinternalの該指示された値へ駆動する過程が、
(a)指示されたVinternal入力信号をフィードバック制御ループのコマンド入力として有し、Vinternalの該計算された瞬時値を該フィードバック制御ループのフィードバック信号として有する該フィードバック制御ループから電流コマンド信号を発生する過程と、
(b)該瞬時交流機電流を検出する過程と、そして
(c)該交流機捲き線をエネルギー蓄積キャパシター又はバッテリーに接続するスイッチングモード整流器のデューテイサイクルを、該検出された瞬時交流機電流を電流フィードバック制御ループのフィードバック信号として、そして該電流コマンド信号を該電流フィードバック制御ループのコマンド入力として、有する該電流フィードバック制御ループの出力でパルス幅変調する過程と、
を更に備えることを特徴とする請求項12記載の方法。 - Vinternalの瞬時値を検出して計算する該過程が、
(a)該交流機捲き線の集中抵抗の両端の電圧降下を表す信号を提供するために、該瞬時交流機電流を検出し、該検出された交流機電流信号に該交流機捲き線の該等価集中抵抗値を表す定数を掛け算する過程と、
(b)ピストン速度を計算するために、該瞬時ピストン位置を検出し、該検出された瞬時ピストン位置信号を微分する過程と、そして
(c)Vinternalを表す信号を得るために該検出された信号を合計する過程と、
を更に備えることを特徴とする請求項13記載の方法。 - Vinternalの該瞬時値を検出して計算する過程が、
(a)該交流機捲き線の該集中抵抗の両端の該電圧降下を表す信号を提供するために、該瞬時交流機電流を検出し、該検出された交流機電流信号に該交流機捲き線の該等価集中抵抗値を表す定数を掛け算する過程と、
(b)ピストン速度信号を提供するために、該瞬時ピストン速度を検出する過程と、そして
(c)Vinternalを表す信号を得るために、該検出された信号を合計する過程と、
を更に備えることを特徴とする請求項13記載の方法。 - Vinternalの該瞬時値を検出して計算する該過程が、
(a)交流機ターミナル電圧信号を提供するために、該交流機捲き線の両端の該ターミナル電圧を検出し過程と
(b)該瞬時交流機電流を検出し、該交流機電流の変化速度を計算するために、該検出された電流を時間に関し微分し、そして該交流機捲き線の集中インダクタンスの両端の電圧降下を表す信号を提供するために該速度に該捲き線インダクタンスを掛け算する過程と、そして
(c)該信号間の差であり、Vinternalを表す該差を計算する過程と、
を更に備えることを特徴とする請求項13記載の方法。
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