RU2670421C2

RU2670421C2 - Регулирование электрического выхода генератора

Info

Publication number: RU2670421C2
Application number: RU2016111672A
Authority: RU
Inventors: Адам Генри ГРИН; Ангел ТОРРЕС-ПЕРЕС; Михил Джерард МАКАРДЛ
Original assignee: Майкроджен Энджин Корпорейшн Холдинг Бв
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2018-10-23
Also published as: US10181811B2; RU2016111672A3; CN105765855A; US20160211785A1; RU2016111672A; CN105765855B; KR20160078335A; WO2015028323A2; GB201315497D0; EP3039781A2; WO2015028323A3

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в комбинированных теплоэлектроагрегатах коммунального назначения. Техническим результатом является обеспечение стратегии регулятора, которая минимизирует риск механических нарушений. Для регулирования электрического выхода генератора принимается сигнал, указывающий на по меньшей мере одну характеристику электрического выхода. Первый суб-контроллер с относительно быстрым откликом выполнен с возможностью обеспечения первого сигнала управления на основе упомянутой по меньшей мере одной характеристики, и второй суб-контроллер с относительно медленным откликом выполнен с возможностью обеспечения второго сигнала управления на основе упомянутой по меньшей мере одной характеристики. Выход обеспечивает объединенный сигнал управления для регулирования электрического выхода на основе первого и второго сигналов управления. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 24 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к регулятору для электрического выхода генератора, в частности, в котором генератор содержит двигатель Стирлинга (особенно линейный свободнопоршневой двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока), и способу регулирования электрического выхода такого генератора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Применение свободнопоршневого двигателя Стирлинга (FPSE) с линейным генератором переменного тока (LA) для генерации электричества в комбинированных теплоэлектроагрегатах коммунального назначения (DCHP), которые обеспечивают горячую воду и центральное отопление в жилых помещениях, хорошо известно. На фиг.1 показана типовая характеристическая кривая мощности FPSE/LA, которая подобна показанной в US 4,642,547. Выходная мощность FPSE/LA, следовательно, зависит от температуры головки. Должно быть понятно, что амплитуда и полярность магнитного потока, созданного постоянными магнитами, изменяется, когда силовой поршень движется относительно обмотки якоря (статора). Способы модуляции мощности, которые изображены на фиг. 1, могут включать в себя работу при постоянном напряжении или при постоянной выходной мощности.

Как поясняется в US 4,873,826, выходная мощность FPSE/LA является функцией отношения температур теплообменника двигателя (в соответствии с Карно), рабочей частоты, среднего давления и объемного смещения вытеснителя и силового поршня. Этот документ и US 6,871,495 предлагают методики модуляции мощности на основе механических элементов управления. Они имеют ряд недостатков, таких как медленный переходный процесс, низкая надежность и высокая стоимость.

Однако модуляция мощности может быть реализована на электрической стороне посредством регулирования нагрузки, соединенной с FPSE/LA, что косвенно управляет током, протекающим через генератор переменного тока. Механическое усилие, действующее на поршень (F_р), пропорционально току, протекающему через катушку статора (i), и это обеспечивает эффективную инерционную нагрузку для FPSE. Это показано изменением во времени (t) в приведенном ниже уравнении, где α - постоянная двигателя LA.

F _p (t)=α⋅i(t)

Поэтому желательно, чтобы такие низкоинерционные генераторы могли быть снабжены подходящим импедансом на выводах генератора, независимо от потребности нагрузки. Импеданс, воспринимаемый генератором переменного тока, который является слишком высоким или слишком низким, может привести к чрезмерному напряжению, искажению формы сигнала, а в крайних случаях (таких как обрыв или короткое замыкание) к физическому повреждению двигателя генератора.

Двигатель или генератор переменного тока обычно гарантированно представляется с достаточно стабильным импедансом при непосредственном подключении к электрической сети. Однако зачастую не имеется собственной защиты для двигателя или генератора переменного тока, если они используются для обеспечения электроэнергией подключенных электронных устройств при отключении от электрической сети, как в случае полного отключения сетевого питания. Большое количество методов было предложено для регулирования напряжения в таких сценариях.

Как поясняется в US 6,856,107, индуцированное напряжение может быть определено в предположении синусоидальной формы сигнала потока, и, в соответствии с законом Фарадея, его пиковое значение пропорционально амплитуде положения силового поршня. Как можно видеть из фиг. 1, соотношение между генерируемой мощностью и напряжением, следует квадратичному соотношению, когда двигатель работает при постоянном температурном градиенте. Модуляция мощности выполняется изменением рабочей точки в FPSE/LA, путем управления температурой головки и нагрузкой, подключенной к FPSE/LA.

Известно несколько способов управления модуляцией мощности для поддержания постоянного соотношения вытеснителя к ходу поршня и их относительного фазового угла, путем управления нагрузкой, подключенной к FPSE/LA. Простая стратегия управления описана в US 4,873,826, в которой отношение обмоток автотрансформатора регулируется для поддержания постоянного напряжения после подстроечного конденсатора. Эта стратегия может быть пригодной для сетевых и внесетевых применений. Другой способ управления, подходящий для лабораторного тестирования, основан на источнике питания переменной частоты (инверторе при фиксированном выходном напряжении), одном автотрансформаторе и балластной нагрузке, как описано в US 7,200,994.

Другие подходы используют электронную нагрузку, которая является схемой, которая использует электрические характеристики топологии силовой электроники, чтобы управлять импедансом нагрузки. Различные известные топологии силовой электроники могут реализовать электронную нагрузку. Например, US 6,871,495 описывает соединения различных резистивных нагрузок для достижения регулирования напряжения в шине постоянного тока (DC), которое является выпрямленным выходным напряжением FPSE/LA после подстроечного конденсатора. Для преодоления недостатков использования подстроечного конденсатора, чтобы компенсировать индуктивность обмотки генератора переменного тока, также был предложен активный выпрямитель в US 6,856,107, US 7,453,241 и US 6,871,495. Как предложено в US 7,453,241 и US 6,871,495, транзисторы активного выпрямительного моста могут переключаться, чтобы управлять фазой сигнала SPWM (синусоидальной широтно-импульсной модуляции), пока ток генератора переменного тока находится в фазе с положением поршня или ЭДС генератора переменного тока. Нагрузка тогда соединена с DC шиной и регулируется с помощью контроллера напряжения.

Были предложены различные аналоговые и цифровые методики управления для электронных нагрузок для реализации модуляции мощности двигателя Стирлинга. US 7,453,241 предлагает стратегию на основе управления постоянным напряжением на стороне DC шины посредством использования контроллера гистерезиса. US 2009/224738 и US 6,871,495 рассматривают цифровые методики управления с использованием опорного синусоидального колебания в синхронизме (или в фазе) с положением поршня FPSE/LA или ЭДС.

На фиг. 2А показана первая эквивалентная схема для существующей технологии регулятора, которая стремится обеспечить стабильный импеданс в таких случаях с помощью электронной нагрузки. Генератор, содержащий FPSE/LA 10, имеет подстроечную емкость 12. Выходное напряжение генератора измеряется вольтметром 14, и электронная нагрузка 22 также параллельна выходу генератора. Электронная нагрузка 22 управляется контроллером 20 напряжения, который основывает свое управление на напряжении, измеряемом вольтметром 14.

Однако при таких условиях, нагрузка на самом деле соответствует подключенным электронным устройствам, которые подключены параллельно электрическому выходу генератора переменного тока. Они называются клиентскими нагрузками и могут варьироваться от нуля до полной номинальной мощности генератора переменного тока. Желательно, чтобы мощность двигателя обеспечивала питание клиентских нагрузок вместо демпфирования мощности, генерируемой FPSE/LA, без какого-либо конкретного использования.

На фиг. 2В показана вторая эквивалентная схема для существующей технологии регулятора, которая имеет компоненты, аналогичные компонентам на фиг. 2А, и они обозначены идентичными ссылочными позициями. Клиентская нагрузка 30 также параллельна выходу генератора.

Когда электронные устройства впервые подключаются к генератору, эти нагрузки могут потребовать “пусковых” токов, которые значительно превышают те, которые обычно предоставляются генератором переменного тока. Индуктивные нагрузки могут также требовать высоких уровней тока в течение коротких периодов времени. Поэтому требуется адекватная стратегия регулирования, чтобы обеспечить то, что такой низкоинерционный генератор будет представляться со стабильным импедансом при любых условиях потребностей нагрузки. Поэтому типичные методики модуляции мощности основаны на управлении импедансом, подключенным к FPSE/LA, так как это может обеспечить управление отношением вытеснителя к ходу поршня и их относительным фазовым углом.

На фиг. 2C показана третья эквивалентная схема для существующей технологии регулятора, которая имеет компоненты, аналогичные компонентам на фиг. 2А и 2В, и они идентифицированы идентичными ссылочными позициями. В дополнение к управлению 20 напряжением, блок 40 управления мощностью также размещен на выходе генератора. Эквивалентная схема для технологии регулятора в соответствии с заявкой US 2009/189589 (переуступленной совместно с настоящим изобретением) показана на фиг. 2D. Вновь, там, где используются те же компоненты, что и на фиг. 2С, они обозначаются идентичными ссылочными позициями. Блок 40 управления мощностью на фиг. 2С содержит вольтметр 46 и амперметр 48, которые выдают результаты измерения в блок 42 управления мощностью. Он управляет прерывателем 44 переменного тока (АС), чтобы влиять на выходное напряжение на клиентских нагрузках 30.

Определение сигналов управления для блока 20 управления напряжением и блока 42 управления мощностью не является очевидным. В US 2009/189589 предложена методика определения сигнала ошибки, который может использоваться для модуляции входного АС сигнала, чтобы получить регулируемый выходной АС сигнал. На фиг. 3А показано схематичное представление способа для регулирования АС сигнала, как описано в этом документе. Входной АС сигнал дискретизируется для получения выборок АС сигнала, как показано входной формой сигнала 52. Он подается на двухполупериодный выпрямитель 56, и в результате формируется выпрямленный АС сигнал 58. Параллельно выборки АС сигнала 52 могут быть использованы для генерирования импульсов 62 запуска, чтобы совпадать с выборками АС сигнала 52, пересекающего нуль вольт. Это пересечение нуля может обнаруживаться с использованием программного обеспечения и может использовать цифровую фильтрацию, чтобы удалять эффекты шума вокруг пересечения нуля и использовать программное обеспечение сопоставления с образцом, чтобы улучшить синхронизацию внешнего вида. Компьютер 64 использует эти импульсы запуска 62 для генерации синхронизированного опорного сигнала 66. Опорный сигнал 66 соответствует синусоиде, но только с положительными лепестками, так что он эквивалентен двухполупериодному выпрямленному АС сигналу.

В логометрическом блоке 70 сравнения масштабированный АС сигнал 58 вычитается из опорного сигнала 66, чтобы получить сигнал 72 ошибки. Другими словами, мгновенные значения вычитаются из мгновенных значений. Чтобы гарантировать, что получаются только положительные значения, вводится смещение. Например, это вычитание может быть реализовано в дифференциальном усилителе, работающем с подходящим смещением.

Этот сигнал 72 ошибки является не только функцией разности амплитуды между масштабированным АС сигналом 58 и опорным сигналом 66, он также является функцией фазы входного АС сигнала. Это изменение фазы может быть удалено в 74 посредством микросхемы 76 умножения, которая действует для деления сигнала ошибки на опорный сигнал 66, чтобы обеспечить процентный сигнал 78 ошибки. Этот процентный сигнал 78 ошибки затем может быть использован для модуляции входного АС сигнала.

Это является контуром управления с относительно быстрым откликом, так как мгновенные изменения в сигнале ошибки немедленно отражаются в изменениях в модуляции. На фиг. 3В показана дополнительная схема, иллюстрирующая генерацию точного сигнала ошибки для управления модуляцией. Входное АС напряжение 52 и расчетное выходное напряжение 66 предоставляются на логометрический блок 70 сравнения, который генерирует процентный сигнал 72 ошибки. Он передается на пропорциональный контроллер 76, который генерирует аналоговый сигнал 78 ошибки. Он сравнивается с выходом генератора 77 пилообразного сигнала с помощью компаратора 79, чтобы генерировать сигнал 81 широтно-импульсной модуляции (PWM), который подается в электронную нагрузку, такую как АС/АС понижающий регулятор (не показан), также называемый АC/AC прерывателем.

Эта стратегия управления и определение ошибки влияют на управление мощностью (то есть, регулирование напряжения, когда оно начинает падать, указывая, что прикладывается более высокая, чем нормальная, нагрузка), поскольку сигнал ошибки положителен, когда выход генератора (в масштабированном виде) меньше, чем эталонный сигнал. Это может иметь дело с пусковыми токами, как описано выше. Определение ошибки изменяется, когда требуется управление напряжением (то есть, регулирование напряжения, когда приложенная нагрузка находится в пределах нормального диапазона), так что сигнал ошибки положителен, когда выход генератора (в масштабированном виде) больше, чем опорный сигнал.

При генерировании сигнала ошибки, который выражается как доля (то есть процент) опорного сигнала, величина сигнала ошибки по существу не зависит от уровня LFPSE/LA АС напряжения. Это делает его пригодным для использования с быстродействующим пропорциональным контроллером, таким как пропорциональный контроллер 76. Эта комплексная стратегия управления, как представляется, хорошо подходит для генераторов, основанных на низкоинерционных двигателях, например, двигателях Стирлинга, в которых требуется стратегия регулирования, которая минимизирует риск механического нарушения. Однако это требует значительного объема обработки, специфической для регулирования.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Исходя из вышеизложенных предпосылок, настоящее изобретение обеспечивает регулятор для электрического выхода генератора, содержащий: вход для приема сигнала, указывающего на по меньшей мере одну характеристику электрического выхода; первый суб-контроллер относительно быстрого отклика, выполненный с возможностью обеспечивать первый сигнал управления на основе по меньшей мере одной характеристики; второй суб-контроллер относительно медленного отклика, выполненный с возможностью обеспечивать второй сигнал управления на основе по меньшей мере одной характеристики; и выход, предназначенный для обеспечения объединенного сигнала управления, чтобы регулировать электрический выход на основе первого и второго сигналов управления.

Этот подход регулирует выход генератора с использованием двух простых контуров управления: контроллера быстрого отклика и контроллера медленного отклика. В то время как сложный контроллер быстрого отклика, основанный на мгновенном или почти мгновенном измерении, был использован в существующих системах, путем замены его двумя более простыми контроллерами, регулятор в целом является в меньшей степени сложным, дорогим, потребляющим мощность и более простым в управлении. Контроллер медленного отклика может быть основан на статистических характеристиках входа, таких как усредненный, в частности, усредненный по времени, вход.

Предпочтительно, генератор содержит двигатель Стирлинга. В предпочтительном варианте осуществления генератор содержит свободнопоршневой двигатель Стирлинга (FPSE) или линейный свободнопоршневой двигатель Стирлинга (LFPSE). Он может быть использован совместно с линейным генератором переменного тока (LA). Комбинация может упоминаться как FPSE/LA или LFPSE/LA. Генераторы, содержащие другой тип низкоинерционного двигателя, также могут приниматься во внимание, например, термоакустические двигатели.

Первый и второй суб-контроллеры обычно являются суб-контроллерами различных типов. Первый суб-контроллер предпочтительно представляет собой контроллер с упреждением и более предпочтительно содержит контроллер фиксации уровня. Дополнительно (или альтернативно), второй суб-контроллер может содержать компенсатор ошибки, как известно для типичной стратегии управления с одним входом и одним выходом (SISO). Может быть использован диапазон типов компенсатора ошибки. Предпочтительным типом является форма пропорционально- интегрально-дифференциальный (PID) контроллер. Это может быть пропорциональный контроллер или пропорционально-интегральный (PI) контроллер в предпочтительных вариантах осуществления. Его может быть легче настраивать, и он может хорошо работать, когда характеристика установки (то есть, генератора) неизвестна. Другие типы компенсатора ошибки могут включать компенсаторы опережения и отставания, если отклик замкнутой системы является стабильным.

Предпочтительно, второй суб-контроллер использует DC уровень в качестве опоры (особенно когда второй суб-контроллер содержит контроллер PID-типа). Это содействует созданию регулятора менее сложным и склонным к проблемам, поскольку не требуется синхронизировать опорное напряжение с выходом генератора, когда используется стабильный DC уровень. Кроме того, легче генерировать стабильный DC уровень. Дополнительно или альтернативно, второй суб-контроллер выгодным образом сравнивает усредненное по времени значение для по меньшей мере одной характеристики электрического выхода с опорой. Это обеспечивает простой и эффективный суб-контроллер медленного отклика. Кроме того, контроллер может также работать с несинусоидальными сигналами, а также синусоидальными сигналами.

По меньшей мере одна характеристика может содержать одно или более из напряжения, тока и мощности электрического выхода. В предпочтительных вариантах осуществления используется только напряжение.

В одном варианте осуществления первый и второй суб-контроллеры сконфигурированы для режима управления напряжением. Режим управления напряжением может регулировать напряжение на той основе, что импеданс нагрузки (или сопротивление в обычном случае, когда не применяются реактивные нагрузки) больше, чем номинальное значение.

В другом варианте осуществления, первый и второй суб-контроллеры сконфигурированы для режима управления током. В противоположность вышеуказанному, режим управления током может регулировать напряжение на основе того, что импеданс нагрузки (или, вновь, сопротивление) может быть ниже, чем номинальный уровень, и, как следствие, генерируется избыточная энергия, которая должна надежно рассеиваться. Если генератор перегружен, это обычно означает, что импеданс нагрузки, подключенный к нему, ниже, чем желательное значение (“желательный импеданс”). Чем ниже значение импеданса, подключенного к генератору, тем больше ток при заданном напряжении (другими словами, тем больше выходная мощность). Режим управления током может быть использован, когда имеется высокая потребность в токе, что наблюдается, когда импеданс нагрузки ниже, чем желательный импеданс. Режим управления напряжением может реагировать на ситуацию, когда импеданс нагрузки возрастает при постоянной выходной мощности, тем самым вызывая возрастание напряжения.

Предпочтительно, первый суб-контроллер выполнен с возможностью обеспечивать первый сигнал управления током и первый сигнал управления напряжением. Таким образом, первый сигнал управления может содержать первый сигнал управления током и первый сигнал управления напряжением. Тогда второй суб-контроллер может быть выполнен с возможностью обеспечивать второй сигнал управления током и второй сигнал управления напряжением. Таким образом, второй сигнал управления содержит второй сигнал управления током и второй сигнал управления напряжением. Здесь выход может быть предназначен для обеспечения объединенного сигнала управления, содержащего: объединенный сигнал управления током, чтобы регулировать электрический выход на основе первого и второго сигналов управления током, и объединенный сигнал управления напряжением, чтобы регулировать электрический выход на основе первого и второго сигналов управления напряжением.

В предпочтительном варианте осуществления первый суб-контроллер содержит: первый суб-контроллер управления током, выполненный с возможностью обеспечения первого сигнала управления током на основе по меньшей мере одной характеристики; и первый суб-контроллер управления напряжением, выполненный с возможностью обеспечения первого сигнала управления напряжением на основе по меньшей мере одной характеристики. Тогда второй суб-контроллер может содержать: второй суб-контроллер управления током, выполненный с возможностью обеспечения второго сигнала управления током на основе по меньшей мере одной характеристики; и второй суб-контроллер управления напряжением, выполненный с возможностью обеспечения второго сигнала управления напряжением на основе по меньшей мере одной характеристики.

Каждый из первого и второго суб-контроллеров может содержать соответствующий генератор сигнала ошибки. Каждый генератор сигнала ошибки может быть выполнен с возможностью генерации соответствующего сигнала ошибки путем сравнения по меньшей мере одной характеристики с соответствующим опорным значением. Кроме того, каждый генератор сигнала ошибки может быть дополнительно выполнен с возможностью генерации соответствующего сигнала управления таким образом, чтобы минимизировать соответствующий сигнал ошибки. Первый и второй суб-контроллеры могут быть выполнены с возможностью генерации соответствующего сигнала ошибки путем определения разности между по меньшей мере одной характеристикой и соответствующим опорным значением. Каждый из первого и второго суб-контроллеров управления током может генерировать соответствующий сигнал ошибки посредством определения разности между по меньшей мере одной характеристикой и соответствующим опорным значением. Если по меньшей мере одна характеристика содержит напряжение или смещение, первый и второй суб-контроллеры управления током могут генерировать соответствующий сигнал ошибки путем вычитания по меньшей мере одной характеристики из соответствующего опорного значения. Если по меньшей мере одна характеристика содержит ток или мощность, первый и второй суб-контроллеры управления током могут генерировать соответствующий сигнал ошибки путем вычитания соответствующего опорного значения из по меньшей мере одной характеристики.

Преимущественно, объединенный сигнал управления содержит по меньшей мере один сигнал широтно-импульсной модуляции, PWM. В предпочтительном варианте осуществления объединенный сигнал управления содержит: объединенный сигнал управления током и объединенный сигнал управления напряжением, каждый из которых содержит PWM сигнал. Преимущественно, первый и второй сигналы управления являются PWM сигналами (и аналогичным образом, первый и второй сигналы управления током и первый и второй сигналы управления напряжением). Объединенный сигнал управления (или сигналы) может тогда быть относительно простым, чтобы генерироваться с применением логического оператора ИЛИ к соответствующим первому и второму сигналам управления.

В некоторых вариантах осуществления вход содержит выводы, выполненные с возможностью приема электрического выхода от электрического генератора. Тогда регулятор может дополнительно содержать электронную нагрузку, расположенную между входными выводами и выполненную с возможностью приема объединенного сигнала управления (предпочтительно, объединенного сигнала управления напряжением) с выхода и установки своего сопротивления на основе принятого объединенного сигнала управления для регулировки тем самым электрического выхода. Электронные нагрузки могут обеспечивать быстрый, надежный и экономически эффективный способ управления импедансом. Электронная нагрузка может принимать форму DC прерывателя (например, содержащего преобразователь силовой электроники, например, топологии понижающего, повышающего или обратноходового преобразователя, соединенного с фиксированной нагрузкой) или некоторую другую форму сопротивления с электронным управлением. Она может быть расположена после подстроечного конденсатора на выходе генератора. Преимущественно, электронная нагрузка является чувствительной к объединенному сигналу управления напряжением. Альтернативно, она может быть деактивирована и в основном обеспечивать разомкнутую цепь (эффективно бесконечное сопротивление).

Предпочтительно, дополнительно (хотя, возможно, альтернативно), регулятор может дополнительно содержать АС преобразователь, расположенный на входных выводах и выполненный с возможностью принимать объединенный сигнал управления с выхода и регулировать электрический выход в соответствии с принятым объединенным сигналом управления. Вновь, АС преобразователь выгодным образом реагирует на объединенный сигнал управления током. В противном случае, он может быть деактивирован. Выход (или нагрузка) может автоматически отсоединяться (или обесточиваться). АС преобразователь может быть АС/АС преобразователем, таким как АС прерыватель (например, AC/AC понижающий, повышающий или полномостовой) или АС/DC преобразователем.

Вход выгодным образом выполнен с возможностью приема электрического выхода от электрического генератора. Тогда вход может содержать модуль обработки сигнала, выполненный с возможностью генерирования второго сигнала, указывающего на по меньшей мере одну характеристику, путем обработки электрического выхода. Первый и второй суб-контроллеры преимущественно реагируют на второй сигнал, указывающий на по меньшей мере одну характеристику. Опционально, модуль обработки сигнала выполнен с возможностью генерирования второго сигнала, указывающего на по меньшей мере одну характеристику как масштабированную версию электрического выхода. Преимущественно, модуль обработки сигнала выполнен с возможностью генерирования второго сигнала, указывающего на по меньшей мере одну характеристику как выпрямленную версию электрического выхода.

Во втором аспекте, предложен способ регулирования электрического выхода генератора, содержащий: прием сигнала, указывающего на по меньшей мере одну характеристику электрического выхода; генерацию первого сигнала управления на основе по меньшей мере одной характеристики с использованием первого суб-контроллера с относительно быстрым откликом; генерацию второго сигнала управления на основе по меньшей мере одной характеристики с использованием второго суб-контроллера с относительно медленным откликом; и регулирование электрического выхода с использованием объединенного сигнала управления, который основан на первом и втором сигналах управления.

Следует понимать, что этот способ может содержать дополнительные этапы способа, соответствующие любому одному или нескольким признакам устройства, определенным в настоящем документе. Следует также иметь в виду, что настоящее изобретение может заключаться в программируемой логике (такой как сложное устройство с программируемой логикой, CPLD, цифровой процессор сигналов, DSP, или программируемая пользователем вентильная матрица, FPGA), выполненной с возможностью выполнения любого способа, как описано здесь, или компьютерной программе, выполненной с возможностью, при выполнении на процессоре, осуществлять любой способ, как описано здесь.

Сочетание любых из признаков устройства или способа, описанных здесь, или того и другого, также предусматривается, даже если явно не раскрывается.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение может осуществляться на практике различными способами, один из которых будет описан только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает характеристику мощности генератора на основе свободнопоршневого двигателя Стирлинга с линейным генератором переменного тока (FPSE/LA);

Фиг. 2A-2D изображают эквивалентные схемы для существующих технологий регулятора;

Фиг. 2E иллюстрирует эквивалентную схему для технологии регулятора в соответствии с изобретением;

Фиг. 3A и 3B показывают схематичные представления для известного подхода к генерации сигнала ошибки для регулирования выходного напряжения для генератора на основе FPSE/LA;

Фиг. 4A и 4В показывают схематичные преставления для подхода к генерации сигнала ошибки для регулирования выходного напряжения для генератора на основе FPSE/LA в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 5A и 5B иллюстрируют примерные формы сигнала напряжения как часть генерации сигнала ошибки в соответствии с вариантом осуществления по фиг. 4А и 4В;

Фиг. 6А и 6В изображают примерные формы сигнала напряжения и характеристики рабочего цикла для работы контроллера фиксации уровня в соответствии с вариантом осуществления по фиг. 4А и 4В, соответственно;

Фиг. 7 показывает, каким образом пороги для управления работой варианта осуществления по фиг. 4А и 4В могут быть установлены для стабильной работы;

Фиг. 8 показывает, каким образом пороги для управления работой варианта осуществления по фиг. 4А и 4В могут быть установлены, если стабильная работа не всегда возможна;

Фиг. 9 показывает, каким образом пороги для управления работой варианта осуществления по фиг. 4А и 4В могут быть установлены для нестабильной работы;

Фиг. 10 показывает, каким образом пороги для управления работой варианта осуществления по фиг. 4А и 4В могут быть установлены таким образом, что стабильная работа никогда не возможна;

Фиг. 11 показывает схему и эквивалентные схемы для масштабирования напряжения для использования в варианте осуществления по фиг. 4А и 4В;

Фиг. 12 показывает схему для пропорционально-интегрального контроллера для использования в варианте осуществления по фиг. 4А и 4В;

Фиг. 13 показывает схему для контроллера фиксации уровня для использования в варианте осуществления по фиг. 4А и 4В;

Фиг. 14 показывает схему для генератора пилообразного сигнала для использования в варианте осуществления по фиг. 4А и 4В;

Фиг. 15 иллюстрирует обобщенную электронную нагрузку для использования в варианте осуществления по фиг. 4А и 4В; и

Фиг. 16 показывает непредпочтительную конструкцию электронной нагрузки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фиг. 2E показана эквивалентная схема для технологии регулятора в соответствии с изобретением. Некоторые из компонентов этой схемы такие же, как на фиг. 2D, и они обозначены идентичными ссылочными позициями. Блок 43 управления мощностью использует напряжение, измеренное вольтметром 14, чтобы генерировать сигнал управления для АС прерывателя 44. Таким образом, амперметр и второй вольтметр не нужны. Эта схема предназначена для формирования моста между генератором переменного тока блока DCHP (часть которого образует LFPSE 10), электрической сетью, а также локальными электрическими устройствами, чтобы гарантировать, что сигнал, создаваемый генератором переменного тока, пригоден для ввода в сеть, подачи на подключенными электрические устройства или для того и другого.

Способ управления

На фиг. 4A показана схема для подхода к генерации сигнала ошибки для регулирования выходного напряжения для генератора на основе FPSE/LA. Это воплощено в виде блока 100 управления напряжением. Там, где признаки этого подхода являются такими же, как на других чертежах, они обозначены идентичными ссылочными позициями. Два контроллера действуют параллельно в зависимости от FPSE/LA выходного напряжения 52. Таковы контроллер 120 фиксации уровня и компенсатор 130 ошибки. Блок-схема также включает в себя: блок 110 масштабирования и выпрямления, генератор 142 треугольного или пилообразного сигнала, первый компаратор 140, второй компаратор 145 и логический элемент ИЛИ 147.

Выход прецизионного выпрямителя в блоке 110 масштабирования и выпрямления предоставляется на блок защиты от перенапряжения (не показан). Выход блока защиты от перенапряжения обеспечивает интерфейс к внешней цепи отключения (как описано ниже). Блок 110 масштабирования и выпрямления также обеспечивает вход в контроллер 120 фиксации уровня и компенсатор 130 ошибки.

Контроллер 120 фиксации уровня обеспечивает относительно быстродействующий отклик, чтобы обеспечить присутствие нагрузки на двигателе, когда FPSE/LA напряжение больше определенного порога. Контроллер 120 фиксации уровня обеспечивает быстрые переходные изменения в нагрузке, подключенной к генератору.

Компенсатор 130 ошибки обеспечивает контроллер относительно медленнодействующего отклика. Он предназначен для реализации долгосрочного регулирования нагрузки. Компенсатор ошибки основан на пропорционально-интегральном (PI) контроллере.

Контроллер 120 фиксации уровня и компенсатор 130 ошибки принимают один и тот же вход, который является масштабированной и выпрямленной версией FPSE/LA АС выхода блока 110 масштабирования и выпрямления. Компенсатор 130 ошибки действует частично как компаратор, сравнивая масштабированную и выпрямленную версию FPSE/LA АС выхода с DC опорным напряжением 135. DC опорное напряжение 135 представляет собой желательное FPSE/LA выходное напряжение.

Контроллер 120 фиксации уровня и компенсатор 130 ошибки предоставляют, каждый, соответствующий выход. Эти выходы являются двумя сигналами управления для регулировки выходного напряжения, воспринимаемого клиентскими нагрузками. Каждый из этих двух сигналов затем подается на соответствующий компаратор 140, 145. Другой вход в первый компаратор 140 и второй компаратор 145 обычно обеспечивается выходом генератора 142 треугольного или пилообразного сигнала. Таким образом, выход каждого из первого компаратора 140 и второго компаратора 145 является сигналом широтно-импульсной модуляции (PWM). Эти PWM сигналы управления объединяются с помощью логической схемы ИЛИ 147, чтобы обеспечить один PWM сигнал 148 управления напряжением, который выдается в электронную нагрузку 22. Электронная нагрузка 22 может быть использована, чтобы рассеивать мощность в виде тепла, и может образовывать часть системы обогрева, такой, как погружной нагреватель для получения горячей воды.

Схема в соответствии с данной блок-схемой реализуется с помощью сравнительно дешевой аналоговой электроники и не требует никакого микроконтроллера или дорогих аналоговых умножителей. Она также обеспечивает хорошую регулировку выходного напряжения с относительно небольшим количеством компонентов и как единая схема питания.

Контроллер 120 фиксации уровня и компенсатор 130 ошибки предназначены для режима регулирования напряжения, в котором выходное напряжение от FPSE/LA не ниже, чем желательный уровень. В этом случае, импеданс, воспринимаемый линейным генератором переменного тока, может быть уменьшен для рассеивания избыточной мощности, генерируемой посредством FPSE/LA, и предотвращения возрастания напряжения, воспринимаемого на клиентской нагрузке. Однако это не работает с высокими пусковыми токами вследствие переходных или реактивных нагрузок.

Для того чтобы преодолеть эту проблему, может быть предусмотрена другая дополнительная система управления, чтобы проверять, что:

- мощность, требуемая от клиентских нагрузок, не превышает максимальной мощности, доступной для данного FPSE/LA напряжения;

- ток, требуемый от генератора переменного тока не будет больше, чем ток насыщения, что может привести к повреждению двигателя из-за выхода поршня за установленный предел;

- пусковые токи могут быть обеспечены при более низких уровнях выходного напряжения.

Эта новая система управления может действовать в качестве источника постоянной мощности. На фиг.4В показано схематичное представление для подхода к генерации сигнала ошибки для регулирования выходного напряжения для генератора на основе FPSE/LA для управления мощностью. Это воплощено в виде блока 150 управления мощностью. В случае, если признаки этого подхода являются такими же, как на других чертежах, они обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Как и в случае блока 100 управления напряжением, контроллер 160 фиксации уровня и компенсатор 130 ошибки действуют параллельно в зависимости от FPSE/LA выходного напряжения 52. Он работает аналогично блоку 130 управления напряжением. Однако компенсатор 130 ошибки сравнивает масштабированную и выпрямленную версию FPSE/LA АС выхода с DC опорным напряжением 170, которое может отличаться от DC опорного напряжения 135, используемого блоком 100 управления напряжением. Кроме того, контроллер 160 фиксации уровня и компенсатор 130 ошибки используют различное вычисление ошибки с блока 100 управления напряжением. Это будут описано ниже. Один PWM сигнал 149 управления мощностью подается на АС прерыватель 44.

Способ управления мощностью со стратегией управления напряжением, как показано на фиг. 4B, может подавать пусковой ток в течение коротких периодов времени. Когда FPSE/LA напряжение после подстроечного конденсатора 12 ниже желательного выходного напряжения, FPSE/LA считается перегруженным. Это состояние может возникнуть при нагрузках, требующих пускового тока в течение определенного периода времени. При состоянии перегрузки максимально доступная мощность генератора будет уменьшаться по квадратичному закону, пока генератор не остановится. Этот недостаток можно преодолеть путем постепенного снижения напряжения генератора с использованием АС/АС понижающего преобразователя, чтобы доставлять более высокие токи при более низких напряжениях при поддержании максимальной мощности, требуемой нагрузкой, ниже максимальной мощности, которую FPSE/LA может подать при постоянном регулировании выходного напряжения.

Блок независимого от сети модуля (GIM) основан на блоке 100 управления напряжением и блоке 150 управления мощностью. Блок 100 управления напряжением реализует модуляцию мощности FPSE/LA, а блок 150 управления мощностью действует как источник постоянной мощности, чтобы работать с пусковыми токами. Для режима управления мощностью, PWM сигнал 149 управления управляет AC/AC понижающим регулятором 44. Это влияет на напряжение, воспринимаемое клиентскими нагрузками 30, позволяя получать более высокий ток. Для режима управления напряжением, PWM сигнал 148 управления управляет электронной нагрузкой 22. Это может вызвать уменьшение выходного напряжения линейного генератора 210 переменного тока, если импеданс электронной нагрузки 22 уменьшается. Реализованный PWM выходной сигнал 148 контроллера напряжения может быть включен или отключен внешним образом.

Режим управления мощностью стремится, по меньшей мере частично, смягчить проблему пусковых токов. Эффект пусковых токов в динамике FPSE/LA может быть объяснен с механической точки зрения. Сила, действующая на поршень, зависит от волны давления, генерируемого за счет цикла Стирлинга. Установившееся равновесие между силой, действующей на поршень, и противодействующей силой в зависимости от тока генератора переменного тока достигается при нормальных условиях. Генератор переменного тока с механической/динамической точки зрения ведет себя как пружинная система демпфирования массы.

Чтобы понять влияние пусковых токов, эквивалентная механическая система, поясняющая поведение линейного генератора переменного тока упрощена до пружины. Пружинная постоянная генератора переменного тока будет зависеть от состояния насыщения генератора переменного тока. Когда ток превышает максимальный ток, который насыщает генератор, пружинная постоянная будет резко уменьшаться, и поршень может выйти за установленный предел (сила, препятствующая движению поршня, может быть значительно ниже, в зависимости от смещения). Следует отметить, двигатель имеет некоторые пружинные магниты, которые могут обеспечить некоторую степень защиты от перегрузок, но большие пусковые токи остаются проблемой для этого типа генератора.

Более подробное описание работы контроллеров предоставляется ниже.

Блок масштабирования и выпрямления

На фиг. 5А показаны примерные формы сигналов напряжения как часть генерации сигнала ошибки, в частности, пример для формы сигнала, генерируемой блоком 110 масштабирования и выпрямления. FPSE/LA напряжение 300 является АС синусоидальным напряжением (например, 240 В rms (в среднеквадратичном)). Это напряжение масштабируется на DC уровни (от 0 до 5 В с DC смещением 2,5 В).

На фиг. 5В показана примерная форма сигнала напряжения как часть генерации сигнала ошибки, в частности, пример для сигнала, генерируемого прецизионным выпрямителем. Масштабированный АС сигнал 310 выпрямляется для получения выпрямленного сигнала 320, так что может быть определено напряжение ошибки. Среднее значение, V_avg, выпрямленного сигнала 320 пропорционально FPSE/LA напряжению 300.

На фиг.11 изображена схема и эквивалентные схемы для масштабирования напряжения в пределах диапазона от 0 до 5 В. Основные уравнения для этой схемы являются следующими.

Компенсатор ошибки

В режиме управления напряжением, компенсатор 130 ошибки принимает DC опорное напряжение в пределах от 2,5 до 5 В, представляющее желательное выходное напряжение. Это показано как V_ref на фиг. 5В. Ошибка определяется как FPSE/AC масштабированное и выпрямленное напряжение 320 минус DC опорное напряжение, то есть V_avg-V_ref. PI компенсатор 130 ошибки выдает выходной сигнал, который минимизирует эту ошибку.

В режиме управления мощностью, DC опорное напряжение в пределах от 0 до 2,5 В представляет желательное выходное напряжение. Ошибка определяется как желательное FPSE/LA АС выходное напряжение минус FPSE/AC масштабированное и выпрямленное напряжение 320, то есть V_ref-V_avg. Компенсатор 130 ошибки вновь выдает выходной сигнал, который минимизирует эту ошибку.

Могут использоваться аналоговые или цифровые методы компенсации ошибок. В настоящее время используется аналоговый PI контроллер, так как он обеспечивает хороший переходной отклик, является простым и экономичным. Могут быть реализованы другие стратегии аналоговой компенсации, например, как предложено в Chetty, P.R.K., “Modelling and design of switching regulators”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1982, AES-18 (3), p. 333-344.

На фиг.12 показана схема для аналогового пропорционально-интегрального контроллера. Частотный отклик этой схемы задается следующим уравнением.

Отклик временной области схемы задается следующим выражением.

Контроллер фиксации уровня для режима управления напряжением

Так как FPSE/LA является низкоинерционным генератором, контроллер 160 фиксации уровня (контроллер с упреждением) реализуется для обеспечения быстрой защиты от переходных процессов, особенно если напряжение двигателя выше, чем Vrms 260 В. Это может привести к непоправимому ущербу из-за избыточного хода. Контроллер 160 фиксации уровня действует только тогда, когда выпрямленное напряжение двигателя выше, чем определенное значение (например, Vrms 240 В). Эта схема обеспечивает то, что всегда присутствует нагрузка, когда напряжение двигателя выше определенного порога фиксации уровня (V_{clamp_th}, предопределенное значение, ассоциированное, например, с Vrms 240В). Схема фиксации уровня является весьма желательной, когда существуют большие ступенчатые изменения нагрузки, подключенной к генератору, так как она обеспечивает защиту для переходных нагрузок.

Схема фиксации уровня обеспечивает отклик реального времени. Когда масштабированный и выпрямленный FPSE/LA АС сигнал выше порога фиксации уровня, контроллер фиксации уровня обеспечивает выходное напряжение, пропорциональное разности напряжений. Ошибка для схемы фиксации уровня для режима управления напряжением определяется как:

На фиг. 6А показаны примерные формы сигналов и характеристики рабочего цикла для работы контроллера фиксации уровня в режиме управления напряжением. Сигнал рабочего цикла для управления напряжением действует для электронной нагрузки, основанной на DC понижающем преобразователе. Другие реализации электронной нагрузки, основанные на другой топологии силовой электроники, могут потребовать других характеристик сигнала рабочего цикла в зависимости от напряжения генератора переменного тока. Порог напряжения и усиление могут регулироваться парой потенциометров.

Выпрямленное напряжение используется также для блока защиты от перенапряжения. Событие перенапряжения может произойти, например, при маловероятном событии сбоя электронной нагрузки. Если напряжение двигателя выше, чем, например, Vrms 260 В, то твердотельный выключатель или реле запускается на предопределенный период времени с помощью одновибратора. Как только включается перенапряжение, LFPSE/LA выключается.

Рабочий цикл PWM сигнала может быть определен для напряжения, превышающего порог фиксации уровня. Возможный переходный отклик фиксации уровня для режима управления напряжением показан на фиг. 6А.

На фиг. 6В показаны примерные формы сигналов напряжения и характеристики рабочего цикла для работы контроллера фиксации уровня в режиме управления мощностью. Сигнал рабочего цикла для управления мощностью/током действителен для АС/АС понижающего преобразователя, хотя опять же другие реализации электронной нагрузки, основанные на другой электронной топологии, могут потребовать других характеристик сигнала рабочего цикла в зависимости от напряжения генератора переменного тока. Контроллер фиксации уровня модифицирован для использования инвертированной версии выпрямленного напряжения. Когда масштабированный и выпрямленный FPSE/LA AC сигнал ниже порога фиксации уровня для управления током (который будет меньше, чем порог фиксации уровня для управления напряжением), фиксация уровня обеспечивает выходное напряжение, пропорциональное разности напряжений.

Ошибка определяется как FPSE/АС выходное напряжение, масштабированное, выпрямленное и инвертированное напряжение, минус желательное FPSE/LA АС выходное напряжение (представленное значением DC напряжения).

На фиг.13 показана схема контроллера фиксации уровня. Анализ этой линейной схемы дает следующие уравнения.

Результат режимов управления напряжением и мощностью

Как показано на фиг. 2Е, блок 20 управления напряжением может реализовать модуляцию мощности двигателя, и блок 43 управления мощностью может справиться с нагрузками, которые требуют высоких пусковых токов. Эти два контроллера работают с различными определениями ошибок, как описано выше. Для управления напряжением ошибка положительна, когда напряжение FPSE/LA выше желательного опорного напряжения. Поэтому повышенная нагрузка должна быть подключена к двигателю, чтобы минимизировать ошибку и реализовать регулирование FPSE/LA выходного напряжения. Для мощности (управления током) ошибка положительна, когда FPSE/LA напряжение ниже желательного напряжения.

В результате, существуют две настройки напряжения для каждого контроллера, идентифицирующие напряжение, на котором или выше которого активируется режим управления напряжением (Vref_VC), и напряжение, на котором или ниже которого активируется режим управления мощностью (Vref_PC). На фиг. 7 показано, как пороги для управления работой контроллера могут быть установлены для стабильной работы. Опорное напряжение для управления напряжением по меньшей мере на несколько вольт выше, чем опорное напряжение для управления током/мощностью. Тем самым предотвращаются взаимодействия между управлением напряжением (VC) и управлением мощностью (PC).

Два различных опорных напряжения, реализованные таким путем, могут обеспечить гистерезис и избежать рыскания (то есть повторяющегося перехода между режимами, являющегося результатом шума в сигнале, вызывающего повторяющиеся пересечения порога). Это обсуждается более подробно в US 2009/224738. Например, когда FPSE/LA работает в режиме управления напряжением с опорным напряжением Vrms 220 В, падение напряжения до Vrms 220 В или ниже является достаточно большим, чтобы указывать чрезмерную потребность в токе, вызывая переключение в режим управления мощностью. Когда режим управления мощностью является доминирующим, увеличение до Vrms 225 В может быть использовано для индикации нормальной потребности в токе, приводя вместо этого к доминированию контроллера напряжения.

На фиг.8 показано, как пороги для управления работой контроллера могут быть установлены, когда стабильная работа не всегда возможна. Теоретически, если пороги напряжения для VC и PC установлены на то же самое значение (или очень близкие значения), то контроллер должен работать без проблем. Однако шум, присутствующий в FPSE/LA в реальном сценарии, может привести к нежелательному взаимодействию между алгоритмами VC и PC. Следовательно, контроллер может стать нестабильным.

На фиг. 9 показано, как пороги для управления работой контроллера могут быть установлены для нестабильной работы. В этом случае может происходить рыскание. На фиг. 10 показано, как пороги для управления работой контроллера могут быть установлены так, что стабильная работа никогда не возможна. Режим управления мощностью (током) всегда активен, понижая напряжение в клиентских нагрузках.

Генератор пилообразного сигнала

На фиг. 14 показана схема генератора пилообразного сигнала. Генератор пилообразного сигнала реализован с использованием двух компараторов 401, 402 и одного RS-триггера 403. Период колебаний, Т, соответствует следующим уравнениям.

Электронная нагрузка

Электронная нагрузка является переменной нагрузкой, которая использует электрические характеристики топологии силовой электроники. Это используется для управления напряжением.

На фиг. 15 проиллюстрирована обобщенная электронная нагрузка, содержащая преобразователь силовой электроники, связанный с фиксированной нагрузкой. В зависимости от типа топологии силовой электроники и режима работы электронной нагрузки, функция усиления (G) может быть различной, и отношения результирующего импеданса будет изменяться соответственно. Например, понижающий преобразователь, работающий в режиме непрерывной проводимости (ССМ), будет принимать PWM сигнал с рабочим циклом, определенным как d, который является переменной в пределах диапазона [0,1]. Тогда его усиление будет определяться как

Для повышающего преобразователя в режиме ССМ усиление будет определяться как

Для изолированного преобразователя, такого как обратноходовой преобразователь в режиме ССМ, усиление является функцией рабочего цикла и соотношения обмоток трансформатора, n.

Для других преобразователей, функции усиления могут быть также определены.

В общем, следовательно, можно видеть, что выходное напряжение электронного нагрузки является функцией рабочего цикла, как задается следующим соотношением:

Следующие соотношения хорошо известны.

Используя это и предполагая преобразование без потерь мощности (P_out=P_in или, эквивалентно, η=P_out/P_in≈1), соотношение между входным и выходным импедансом может также быть определено. Как правило, преобразователь показывает производительность меньше 1, но мы можем предположить, что она равна единице.

Затем конкретные соотношения могут быть определены для конкретной электронной нагрузки с конкретным f(d). Для понижающего преобразователя в режиме СММ:

и

Для повышающего преобразователя в режиме ССМ:

Для обратноходового преобразователя в режиме ССМ:

Как можно видеть, входной импеданс для обратноходового преобразователя (с гальванической развязкой) является функцией отношения обмоток трансформатора и рабочего цикла.

Поэтому электронная нагрузка может быть реализована с любым типом топологии силовой электроники. Однако понижающий преобразователь имеет преимущества с точки зрения простоты и стоимости. Если какая-либо причина (например, правила техники безопасности) предписывает, что гальваническая развязка необходима для фиксированной нагрузки (которая может представлять собой погружной нагреватель), то тогда другой тип преобразователя, такой как полумостовой или двухтактный может быть использован вместо понижающего преобразователя.

Другая форма электронной нагрузки может использовать переменный автотрансформатор с его скользящим контактом, перемещаемым для повышения или понижения напряжения, подсоединенного к фиксированной нагрузке. На фиг. 16 показан альтернативный вид электронной нагрузки для DC прерывателя и переменного автотрансформатора. Дискретное количество резисторов (R₁, R₂, …, R_n) предусмотрено параллельно, причем каждый резистор соединен с соответствующим переключателем (SW₁, SW₂, …, SW_n), который управляет тем, проходит ли ток через резистор. Это могут быть реле или твердотельные переключатели. Блок управления обеспечивает сигнал управления (или сигналы) для приведения в действие или деактивирования переключателей, соответственно. Однако этот подход является громоздким, дорогостоящим и, как правило, не может реализовать точное регулирование напряжения (так как возможны только дискретные шаги).

AC преобразователь

Для управления мощностью (управления током) АС нагрузок может быть использован любой АС преобразователь. Если нагрузка питается переменным током, используется АС/АС преобразователь. Он может быть основан на двунаправленных переключателях или высокочастотных связях. Тип используемого AC/AC преобразователя может зависеть от типа нагрузки.

Принцип работы аналогичен таковому для электронной нагрузки. Входной импеданс может управляться с использованием сигнала управления (с рабочим циклом). Для случая АС нагрузок, таких как блок GIM, простейшим в реализации АС/АС преобразователем или топологией силовой электроники является понижающий преобразователь. АС/АС понижающий преобразователь в режиме непрерывной проводимости (CCM) демонстрирует усиление, пропорциональное рабочему циклу. Напряжения, однако, как правило, все-таки синусоидальные по сравнению с традиционным DC понижающим преобразователем. В соответствии с функцией усиления (как показано ниже), входной импеданс может управляться путем изменения рабочего цикла:

.

Таким образом, соотношение импедансов также управляется посредством рабочего цикла.

Тем не менее, имеется много типов топологии силовой электроники для АС преобразователей, которые могут включать в себя: AC/AC повышающий; AC/AC комбинированный и AC/AC с топологиями развязки (полный мост). Например, когда АС нагрузка требует гальваническую развязку, то желательно использовать AC/АС полный мост. По существу, те же самые концепции, как применяется к электронной нагрузке, также могут быть применены к АС преобразователю. Хотя любая топология силовой электроники может быть подходящей, экономические ограничения, ограничения надежности (количество переключателей, напряжения в полупроводниках) и другие вопросы могут ограничить выбор топологии AC преобразователя. В варианте осуществления на фиг. 4В, AC/AC понижающий преобразователь был выбран с учетом этих проблем.

Альтернативы

Хотя был описан конкретный вариант осуществления, специалист в данной области техники может рассматривать различные модификации и замены. Например, могут быть использованы контроллеры медленного отклика и быстрого отклика. Даже если контроллер быстрого отклика представляет собой контроллер фиксации уровня, не требуется, чтобы контроллер медленного отклика был PI-контроллером, так как могут использоваться, например, пропорциональный контроллер или PID-контроллер.

В предпочтительном варианте осуществления предусматривалось как управление напряжением, так и управление током. Тем не менее, следует понимать, что возможны альтернативы. В частности, другие реализации могут предусматривать только управление напряжением или только управление током, и возможна реализация каждого или обоих избирательным образом.

Хотя PWM сигналы управления используются в описываемом варианте осуществления (с некоторыми преимуществами), вместо этого могут использоваться другие типы сигнала. Схемы для компонентов блока управления напряжением и блока управления током могут отличаться от описанных выше, и общие компоненты блока управления напряжением и блока управления током могут отличаться от тех, которые предложены здесь, по причинам практичности или эффективности. Аналоговые схемы, цифровые схемы и комбинация обеих может использоваться для реализации изобретения. Программируемая логика, программно-аппаратные средства или программное обеспечение могут использоваться в дополнение или в качестве альтернативы.

Claims

1. Регулятор для электрического выхода генератора, приводимого в действие двигателем Стирлинга, содержащий:

вход для приема сигнала, указывающего на напряжение электрического выхода;

первый суб-контроллер относительно быстрого отклика, выполненный с возможностью обеспечивать первый сигнал управления на основе упомянутого напряжения;

второй суб-контроллер относительно медленного отклика, выполненный с возможностью обеспечивать второй сигнал управления на основе упомянутого напряжения, и

выход, выполненный с возможностью обеспечения объединенного сигнала управления, чтобы регулировать электрический выход на основе первого и второго сигналов управления.

2. Регулятор по п. 1, в котором первый суб-контроллер содержит контроллер с упреждением.

3. Регулятор по п. 1 или 2, в котором второй суб-контроллер содержит контроллер компенсатора ошибки.

4. Регулятор по п. 3, в котором второй суб-контроллер содержит контроллер в форме пропорционально-интегрально-дифференциального, PID, контроллера.

5. Регулятор по п. 1 или 2, в котором второй суб-контроллер использует DC уровень в качестве опоры.

6. Регулятор по п. 1 или 2, в котором первый сигнал управления содержит первый сигнал управления током и первый сигнал управления напряжением и в котором второй сигнал управления содержит второй сигнал управления током и второй сигнал управления напряжением, причем объединенный сигнал управления содержит:

объединенный сигнал управления током, чтобы регулировать электрический выход на основе первого и второго сигналов управления током, и

объединенный сигнал управления напряжением, чтобы регулировать электрический выход на основе первого и второго сигналов управления напряжением.

7. Регулятор по п. 6, в котором первый суб-контроллер содержит:

первый суб-контроллер управления током, выполненный с возможностью обеспечения первого сигнала управления током на основе упомянутого напряжения, и

первый суб-контроллер управления напряжением, выполненный с возможностью обеспечения первого сигнала управления напряжением на основе упомянутого напряжения.

8. Регулятор по п. 6, в котором второй суб-контроллер содержит:

второй суб-контроллер управления током, выполненный с возможностью обеспечения второго сигнала управления током на основе упомянутого напряжения, и

второй суб-контроллер управления напряжением, выполненный с возможностью обеспечения второго сигнала управления напряжением на основе упомянутого напряжения.

9. Регулятор по п. 1 или 2, в котором каждый из первого и второго суб-контроллеров содержит соответствующий генератор сигнала ошибки, причем каждый генератор сигнала ошибки выполнен с возможностью генерации соответствующего сигнала ошибки путем сравнения упомянутого напряжения с соответствующим опорным значением и дополнительно выполнен с возможностью генерации соответствующего сигнала управления таким образом, чтобы минимизировать соответствующий сигнал ошибки.

10. Регулятор по п. 1 или 2, в котором объединенный сигнал управления содержит по меньшей мере один сигнал широтно-импульсной модуляции, PWM.

11. Регулятор по п.10, в котором первый и второй сигналы управления являются PWM сигналами.

12. Регулятор по п. 1 или 2, в котором вход содержит выводы, выполненные с возможностью приема электрического выхода от электрического генератора, при этом регулятор дополнительно содержит

электронную нагрузку, расположенную между входными выводами и выполненную с возможностью приема объединенного сигнала управления с выхода и установки своего сопротивления на основе принятого объединенного сигнала управления для регулировки тем самым электрического выхода.

13. Регулятор по п. 12, в котором электронная нагрузка реагирует на объединенный сигнал управления напряжением.

14. Регулятор по п. 1 или 2, в котором вход содержит выводы, выполненные с возможностью приема электрического выхода от электрического генератора, причем регулятор дополнительно содержит

АС преобразователь, расположенный на входных выводах и выполненный с возможностью принимать объединенный сигнал управления с выхода и регулировать электрический выход в соответствии с принятым объединенным сигналом управления.

15. Регулятор по п. 14, в котором АС преобразователь реагирует только на объединенный сигнал управления током.

16. Регулятор по п. 1 или 2, в котором вход выполнен с возможностью приема электрического выхода от электрического генератора и в котором вход содержит модуль обработки сигнала, выполненный с возможностью генерирования второго сигнала, указывающего на по меньшей мере одну характеристику, путем обработки электрического выхода, причем первый и второй суб-контроллеры реагируют на второй сигнал, указывающий на по меньшей мере одну характеристику.

17. Способ регулирования электрического выхода генератора, приводимого в действие двигателем Стирлинга, содержащий:

прием сигнала, указывающего на напряжение электрического выхода;

генерацию первого сигнала управления на основе упомянутого напряжения с использованием первого суб-контроллера с относительно быстрым откликом;

генерацию второго сигнала управления на основе упомянутого напряжения с использованием второго суб-контроллера с относительно медленным откликом; и

регулирование электрического выхода с использованием объединенного сигнала управления, который основан на первом и втором сигналах управления.