[发明专利]用于内燃发电机组的节能控制器

说明书

技术领域

本发明提供一种用于内燃发电机组的节能控制器。

背景技术

内燃发电机组主要用于三个方面：1.野外作业的常用电源如钻井平台、野外施工等，这些地方没有电网用以提供工作能源。2.移动设备的常用电源如内燃机车、港口轮胎式集装箱龙门吊车、船用发电、军用设施等，固定电网没法满足移动作业的要求。3.一些大型单位的备用电源如国防工程、医院等要求不能断电的单位，备用电源是对电网故障的必要补充，不可缺少。

不管新能源发展到何种程度，在大电网的背景下，燃烧发电的需求仍将保持它的存在的理由(移动、无电网、备用)，因此这方面的节能是必须的。

柴油发电机是一种最重要的内燃机。下面以柴油发电机组为例，讲解有关问题，但这些问题对于内燃发电机组都是相同或者相通的。

柴油发电机组的用电负荷一般都是不断变化的，很多时候不同时段负荷率也不同，而且经常工作在轻负荷的状态下。原来由于发电频率和电压的要求，导致发电机组都工作在高速状态下，从而燃油的消耗大大增加。随着现代电力电子技术的发展，频率问题得以通过变频解决，从而为本发明降速节能提供了方便。

作为柴油发电机组的动力源的柴油机，其一个重要特性就是低速运行时耗油率要比高速时低。

图1是一种柴油机的万有特性曲线，其所揭示的耗油率和转速的关系。如图示，同样输出40KW的功率，该柴油机在2600转/秒时的油耗是270g/kw.h，但在1600转/秒时的油耗是220g/kw.h；降速使油耗直接降低约20％。

不同的柴油机和工况有不同的节油空间，一般能达到30％左右。节能器的配置不同如选用更大容量的超级电容器组等也有额外的节能空间。

用电设备的国家规定是固定的，以我国为例，是3相/380V/50Hz或者单相/220V/50Hz。否则设备无法运行。国家对柴油发电机组的标准是：当负载在0％～100％范围内渐变或突变时，I～III类柴油发电机组的输出电压波动不得大于±1％～±3％，输出频率波动不得大于0.5～3％.IV类柴油发电机组的输出电压和输出频率波动不得大于±5％。而发电机的输出电压和频率直接决定于它的转速。因此为保证柴油机的最大负荷能力，柴油机必须工作在它的最高转速，对应于发电机的工频输出。柴油机发出的电压未经任何处理直接用于电器负载，因此限制了柴油机只能工作在最高速即额定速度。而这对于轻负荷或者小负荷的工作状态，其耗油率很高，而且机械效率和热效率都很低。

发明内容

本发明用于解决上述问题：降速使用柴油机，同时使用功率匹配满足负荷的功率需求。

要解决这个问题，必须降速使用柴油机。同时对所发非标电压进行处理，以达到电器使用的要求。现代电力电子技术的发展尤其是变频器的应用，为它的解决打开了方便之门。

本发明提供的节能器能控制柴油机(内燃机)及与之同轴相连的发电机从怠速到全速的全点速工作，通过电力电子功率匹配技术，提供负载所需的电功率。节能器提供的电能出口是能够供标准变频器使用的直流电压，可以给负载变频进行直流供电或者通过变频器转换成标准交流电供其它电器使用。节能器分别和柴油机发电机及负载相连。

节能器包含负责把发电机发出的交流电整流泵升至标准变频器直流电平并进行功率匹配功能的泵升整流功率匹配电路、提供功率匹配环节的电容缓冲电路、以及核心控制电路单元。

节能器原理框图请参见图3.下面是相关解释和描述。

泵升整流功率匹配电路通过IGBT与发电机的输出电感线圈L相连；和IGBT相连的矢量控制电路通过转矩矢量控制技术实现发电机的发电功率和负载所需的输出功率之间的功率匹配。

电容缓冲电路并联在输出直流母线之上，前接泵升整流功率匹配电路，后接输出负载。通过电容电压(即直流母线电压)的变化和母线电流的检测，控制程序计算出负载变化，从而给控制电路单元提供控制数据用于控制转速和转矩，进而实现功率供给的相应变化，形成系统的稳定功率循环，实现系统的稳定工作。

核心控制电路单元包括用于监测功率输入和输出的功率检测电路以及矢量控制电路、码盘检测电路、励磁调节电路、速度给定电路、系统的保护电路、人机接口电路、通讯电路、集成有核心控制软件的CPU。

功率检测电路单元采用霍尔元件在直流母线之上，测量直流母线电压及电流数据，通过功率检测单元提供给CPU功率数据；