[发明专利]发动机和发电机之间的变速器的稳态和瞬时控制

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2004年9月27日提交的加拿大2,479,890号专利申请的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及机械式变速器系统和发动机驱动的发电机系统。更具体地，本发明涉及一种无级变速器系统，该系统能有利地用于发电机系统为发电机提供恒速驱动从而为可变负载供应稳定电力，同时使得发动机速度能够连续调节以在最佳效率范围中运行。

背景技术

多年来一直使用发电机系统来从机械能量源供应电力至负载，如内燃机的动力输出(PTO)驱动永磁发电机。由于一般必须为负载供应基本恒定频率(典型为50或60Hz)的交流电，所述发电机必须以基本恒定的速度(对于两极发电机，60Hz为1800转/分，50Hz为1500转/分)驱动。否则必须在所述发电机和负载之间插入电子变频器来调节电波频率(见例如美国专利No.5,552,640)(萨顿(Sutton)等-1996年9月3日-英国盖斯股份公司(British GAS plc))。考虑到要消除转换的频率，大多数发电机系统因此使柴油机在相当高的范围内恒速驱动，以在任何时候提供发电机最大额定功率。

如萨顿所强调，使所述发动机恒速运行有许多缺点，这些缺点能够通过引进合适的发动机速度控制器来消除。实际上，本领域的一般技术人员都深知内燃机应该以最佳效率的比速(输出机械功率/输入燃料功率)输出给定功率。因此，在负载需求变化较大时，恒速工作的发动机会产生更高的燃料成本、增加的污染物排放、更高的噪音级别和更高的维护成本。因此需要作为负载瞬时功率需求的函数连续调节发动机速度。在这种系统诸多的优势特性中，在较高的速度范围内可得到最大发动机功率以支撑重负载，而轻负载则能使发动机在接近怠速的水平运行。然而，这产生的问题是将发动机的可变速度连续转换为恒速驱动以通过固定比齿轮箱以稳定的频率操作发电机。

克罗宁(Cronin)在4,382,188号美国专利(Lockheed公司，1983年5月3日)中指出，无级变速器(CVT)如超环面(toroidal)驱动可用来在预选的发动机速度范围内将来自发动机的可变速度机械输出进行转换从而以恒定频率驱动永磁发电机。实际上，在CVT中，来自变速器的驱动的输出速度与施加到变速器的驱动的输入速度的比率在预定的高、低比率限值之间是连续并无限可变的。然而，克罗宁的发明意在对固有的可变的发动机速度起作用，并未意识到(有计划)基于效率的目的来控制所述发动机。在美国专利No.5,539,258)(萨顿等人-1996年7月3日-英国盖斯股份公司)及0643474号欧洲专利(萨顿-1997年3月3日-英国盖斯股份公司)中，虽然萨顿披露了特定的发动机驱动的发电机系统包括超环面CVT和电脑化系统来控制发动机节气门和连续传动比，因此在检测到负载功率需求改变时，发动机的速度基于编程的发动机效率图按照测得的功率需求被自动设定在最有效的范围内。

尽管该系统可随缓慢改变的负载功率需求正确运行，其仍存在的挑战是在负载需求发生突变时保持供应电流的质量。这主要是由系统内的瞬时惯性响应和延迟造成的。例如，在负载突然施加和节气门全部打开时，发动机需要一些上升时间加速至全速。相反，在负载突然从发电机断开时，发动机不应该空转，并且发动机和CVT不管功率需求有何变化必须在任何时候都保持稳定状态。许多发动机/CVT系统已发展到能在交通工具中满意地运行，但均不能适应指定用来供给电网并且每年运行数千小时的交流发电机的需要。同样值得指出的是，绝大多数无级变速器和发动机控制装置都是为交通工具如轿车、船只、火车和飞机开发的。因此，它们中的大多数要依赖液力或液压装置来运行，并且可提供的类型不是设计用来每年持续运行如此之多小时的。虽然液力装置对交通工具来说是正常的选择，但是低产量和维护需要导致的成本使其不适于运用在重负载发电机中。因此，全机械式超环面CVT如美国3,581,587号专利(Dickenbrock-1971年6月1日-通用汽车公司)设想为优选用于这种应用的CVT类型。在超环面CVT中，机械功率从输入超环面圆盘经一系列运行在每个盘内表面上、距其中心可控制的距离的摩擦滚筒传递至输出超环面圆盘。通过迫使所述滚筒运行在每个盘上的不同直径的轨道上来控制比率，所述直径的比率确定了所述传动比。这种相当简单的基本概念非常适合发电机系统。然而，为了使它们足够可靠、坚固和灵活以适应这种苛刻的应用，必须对早期设计进行改进。