[发明专利]使驱动线性交流发电机的自由活塞斯特林发动机的发动机功率和交流发电机功率相等及维持发动机频率的电子控制器

说明书

技术领域

本发明大体涉及一种驱动线性交流发电机以产生电能的自由活塞斯特林 发动机，更具体地说，涉及一种闭循环、负反馈控制系统，其包括改进的控 制回路以使发动机产生的机械功率与由发动机传递到线性交流发电机的功率 保持相等。

背景技术

驱动线性交流发电机的自由活塞斯特林发动机(FPSE)为一种引人注目 的电源，因为这种电源有效、紧凑和重量轻，而且可通过多种燃料供给的热 能来发电。自由活塞斯特林发动机为闭循环及可逆的热机，其通过使有限体 积的工作气体在较热的受热器和较冷的散热器之间移动来将热转换成功。由 此引起的内部工作气体的交替的、循环的热胀冷缩提供了振荡压力波，其使 适当地支在弹簧上的活塞以大体正弦形往复地振动。活塞用机械连接到永久 磁铁环，其在线性交流发电机的绕组或线圈内往复地驱动，从而在绕组终端 的两端感生电压。通常，发动机的活塞通过紧靠活塞后面的法兰直接地连接 到轴对称地布置的磁铁阵列，例如布置成环状的磁铁，而发动机和交流发电 机会整合入常见的气密地密封的机壳。

许多现有技术的所述类型电源包括将交流发电机输出端连接到电力负载 的整流器电路以及还具有控制器，其为用于控制斯特林发动机和交流发电机 的工作参数以及输出电参数的控制系统。自由活塞斯特林发动机的操作和其 与线性交流发电机的连接业已在许多出版物，包括专利，诸如美国专利US 6,871,495中揭示，其在此结合作为参考。

图1所示为现有技术电力产生源的简化示意图，其具有由自由活塞斯特 林发动机驱动的线性交流发电机10并且将交流发电机的AC输出施加到 负载12。所示的交流发电机为其等效的集总元件电路。该等效电路串联具有 表示交流发电机绕组电感的电感L_alt的电感器14、表示交流发电机电阻的 集总电阻R_ac和具有感生或反电动势V_g的AC电源16。电压V_g为通过 自由活塞斯特林发动机往复驱动的磁铁在交流发电机绕组中感生的开路电 压。

调谐电容器18通常与交流发电机绕组串联以便解调绕组电感。调谐电 容器的电容这样选择以便在交流发电机和发动机的工作频率下，绕组的感抗 和调谐电容器的容抗形成串联谐振电路。所述串联谐振电路展示出零阻抗或 电阻性阻抗。结果，调谐电容器可提供单位或接近单位功率因数，其将从交 流发电机传递到电力负载的功率最大化并且使电阻热损耗最小化。然而，所 述调谐电容器体积大和昂贵，所以最好是能去除调谐电容器。同时，调谐电 容器阻抗和串联电感器阻抗只在单一频率下相配。因此，通过调谐电容器， 输出功率因数随发动机工作频率而改变。本发明的控制器可在很宽的频率范 围内作补偿，以提供单位功率因数或稳频工作。

图1还示出，交流发电机的输出可连接到公用电力网20以及用于向电 力网供电。如本领域技术人员所公知，该布置导致自由活塞斯特林发动机与 电力网于相同频率下工作并且基本上同相。该同步操作的发生是因为发动机 通过在往复的永久磁铁和交流发电机绕组之间的磁耦合与交流发电机耦合。 往复磁铁的磁通与交流发电机电流所产生的磁通的耦合，使到交流发电机电 流反射入发动机，作为作用于自由活塞斯特林发动机上的复合阻尼力。该些 反射入发动机的力，作为质量力、弹簧力和阻尼力的合力作用在发动机的活 塞上。结果，交流发电机电流产生的磁力作用在斯特林发动机的活塞上，使 活塞以与具有两旋转磁场的旋转同步电动机保持同步的相同方式与交流发电 机电流同步地工作。如果来自往复磁铁的磁场超前或迟延于来自交流发电机 电流的磁场，会有磁力将它们拉在一起。在线性地往复的发动机和交流发电 机中，结果是FPSE的往复活塞与电力网电压同步地工作，如果FPSE设计 成在或很接近输电网频率下机械地谐振。

图2所示为类似图1所示的电力产生源，但具有通用的无源全波整流 器22，其使用四个排成H桥路的二极管以提供直流输出。现有技术还会以 全波开关整流器，也称为有源整流器，替换图2中的全波二极管整流器以及 分离调谐电容器24。该种配置的实例可见于上文引用的US 6,871,495。