计算虚拟调谐电容器以控制用于驱动线性发电机的自由活 塞斯特林发动机的控制器 技术领域 本发明总地涉及用于驱动线性发电机以产生电能的自由活塞斯特林 (Stirling) 发动机， 更具体地涉及对用于这种电功率产生源的一种闭环负反馈控制系统的改进。
本发明针对用于控制自由活塞斯特林发动机的控制系统的改进， 所述自由活塞斯 特林发动机用于驱动线性发电机以将热能转换为电能。 这些改进包括一个用于控制活塞冲 程的新颖的控制环， 以维持由发动机产生的机械功率等于从发动机转移到线性发电机的功 率， 并且还包括一个用于控制另一个变量例如直流输出电压或头部温度的控制环。发明的 实施例还可以应用于控制多个这样的发动机 / 发电机对和使它们保持同步。
背景技术 控制电路
如在控制系统领域中众所周知的， 一个闭环负反馈控制系统具有一个前向环路和 至少一个反馈环路。所述前向环路具有一个指令输入， 它被施加到一个求和点 ( 或求和结 点 )。 该指令输入是表示一个受控的工作输出变量参数的期望 ( 指令 ) 值的信号， 并提供一 个参考信号。
前向环路也具有至少一个且可能有一系列前向控制元件 ( 也称为 “动态单元” )， 它们对沿前向环路通过的信号执行数学运算。每个前向控制元件都有一个前向传递函数， 它是将输入信号与输出信号相关联的一个数学表达式。
一个闭环负反馈控制系统的反馈环路具有一个测量所述受控的变量参数的实际 值的传感器， 并将表示该实际值的一个信号施加到所述求和点。在将其施加到所述求和点 之前， 反馈环路也可以对测得的信号执行一个或多个数学运算， 如缩放。 该求和点的输出提 供了一个误差信号， 表示上述受控参数的期望值和测量值之间的差异。该误差信号被施加 到一个前向控制元件。
闭环负反馈控制系统不仅限于单个的反馈环路、 单个求和点或单个前向控制元 件。 闭环控制系统可以具有在沿前向环路串联连接的多个前向控制元件之间插入的多个求 和点。多个反馈环路连接到这些求和点， 每个反馈环路检测和反馈表示一个不同的检测变 量参数的信号。因此， 每个求和点都具有一个表示输入指令的输入、 一个表示反馈信号的 输入和一个表示求和点的各输入之间的差异的输出， 所述反馈信号表示一个检测的变量参 数。每一个求和点还可以具有表示例如干扰或外力或转矩负载的输入。虽然所述差异常常 表示一个输出变量的指令值和该相同变量的测量值之间的差异 (“误差” )， 所述差异也可 以是对由另一信号数学描述的一个信号的简单修改。另外还有其它类型的电路连接， 如前 馈环路。 控制电路的元件通常在控制电路图中表示为它们对输入信号所执行的运算的数学 表达式。所述数学表达式优选地为拉普拉斯变换表达式， 并告诉本领域的工程师该控制系 统中的元件的工作特性， 以及因此如何建构它们的硬件实施方案。 通常， 本领域技术人员已 知有多个计算电路来实现控制系统中的每个电路元件， 只要它们执行由其数学表达式所描
述的传递函数。
控制系统领域中的技术人员还应当认识到， 这种控制系统可以用模拟或数字计算 电路以及它们的组合实施。在控制系统图中所描述的数学运算最好是由各种商用微处理 器、 微控制器或其它计算电路中的任意一种来实施。 如本领域目前已知的， 模拟电路和数学 运算可以由软件编程的数字电路经济地实施， 所述数字电路中具有可以仿真模拟电路运算 和执行计算数学运算的软件算法。很多这些运算可以由离散逻辑、 可编程逻辑阵列 (PLA)、 可编程门阵列 (PGA) 或数字信号处理器 (DSP) 以及微处理器或微控制器来执行。因此， 术 语 “控制电路” 和 “控制器电路” 通常包括已知类型的模拟和数字逻辑控制的实施方案， 其 可以用来实现在控制电路图上所显示的控制电路。术语 “计算电路” 是指利用这种用于根 据数学运算或算法变换电子信号的电路的电路实施例。
自由活塞斯特林发动机和发电机
用于驱动线性发电机的自由活塞斯特林发动机 (FPSE) 是一个有吸引力的电功率 源， 因为这些电功率源有效率、 结构紧凑和重量轻， 能够从由各种燃料所供给的热能产生电 能。 自由活塞斯特林发动机是一个闭环、 可逆的热力发动机， 它通过在较暖的热量接受器和 较凉的热量抑制器 (heat rejector) 之间移动受限体积的工作气体而将热转换为功。由此 产生的内部工作气体的交替地、 周期地膨胀和压缩提供了一个振荡的压力波， 其驱动一个 适当的弹性活塞在线性往复运动中基本正弦地进行振荡。 该活塞被机械连接到一个永磁体 环， 它在线性发电机的绕组或线圈中被往复地驱动， 从而感应产生绕组端子两端的电压。 通 常， 发动机的活塞由活塞背后的法兰直接连接到轴对称排列的磁体阵列， 例如环形的排列， 且发动机和发电机被集成到一个共同的密封壳体中。 许多现有技术的这种类型的电功率源， 包括一个将发电机输出端连接至电负载的 整流器电路， 也包括一个控制器， 它是控制斯特林发动机和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及其与线性发电机的连接描述在许多出版 物中， 其中包括美国专利 US 6 871 495， 该专利在此引入作为参考。
驱动 FPSE 的能量由外部热源提供， 如燃料燃烧、 太阳能或从放射性同位素能量源 产生的热， 将热量施加到发动机的热接受器 (“热端” )。热能由发动机转换为机械功能量， 其驱动线性发电机将机械能转换为电能。非常期望的是， FPSE 产生的机械功率恰好等于从 FPSE 转移到线性发电机的功率， 其中大多数最终转移到负载。这种平衡的功率条件下避免 了发动机运行的重大问题。如果转移给发电机的功率超出了 FPSE 所产生的功率， 发动机将 熄火。如果转移给发电机的功率小于 FPSE 所产生的功率， 活塞冲程的增加将会失控， 并可 能导致破坏性的内部冲突且发动机的温度会慢慢随着时间而增加。 活塞冲程是活塞在它的 往复运动的边界之间所行过的距离。 作为时间函数的活塞运动可以表示为一个具有活塞振 幅 XP 的相量， 或者有时替换地用于描述活塞位移。活塞振幅 XP 的幅值是活塞冲程的一半， 且在定性描述操作时， 这两个术语有时互换使用。
用在这种类型的电功率产生系统中的燃料燃烧系统通常具有温度控制系统， 以控 制发动机的热接受器的温度。 因此， 对于相对长期的控制， 从发动机转移到发电机的机械功 率可以通过增加或减少提供给发动机头部的热输入功率造成其温度变化来调整。然而， 由 于至少两个原因， 这是不足够的控制。首先， 可实现的温度变化的速度比较缓慢， 过于缓慢 以致于不能及时响应以防止发动机熄火或活塞过冲程。第二， 发动机的效率在很大程度上
取决于热接受器的温度。发动机头部的热接受器温度越热， 发动机效率越高。因此， 调整热 输入功率和温度不仅速度太慢， 还降低了发动机的效率， 因为它没有维持最高可能的输入 头部温度。 因此， 希望提供一个控制发动机的输出功率的方式， 以维持发动机和发电机之间 的功率传输平衡， 但希望它的实现方式允许 FPSE 的热端温度保持在恒定的最高温度， 以使 发动机的效率最大。虽然该发明的实施例有利地包括燃料燃烧控制系统， 它保持发动机材 料能够承受的最热的恒定温度， 其本身不是控制发动机的功率输出和活塞冲程且保持上述 的功率平衡的可行选择。
现有技术范例
图 1 是一个说明现有技术的电功率产生源的电路的简化示意图， 具有一个由自由 活塞斯特林发动机驱动的线性发电机 10 和将发电机的交流输出施加到负载 12。发电机显 示为它的集总元件的等效电路。 这个等效电路具有串联连接的具有表示发电机绕组电感的 电感 Lalt 的一个电感器 14、 一个表示发电机的交流电阻的集总电阻 Rac 和一个具有感应或反 电动势 Vg 的 AC 电压源 16。电压 Vg 是磁体在被自由活塞斯特林发动机驱动进行往复运动 时在发电机绕组中感应的开路电压。
调谐电容器 18 经常与发电机绕组串联连接， 以使绕组电感失调。调谐电容的电容 量选择为， 在发电机和发动机的工作频率， 绕组的感抗和调谐电容器的容抗形成一个串联 谐振电路。该串联谐振电路具有零阻抗或电阻性阻抗。因此调谐电容器提供了单位功率因 数或接近单位的功率因数， 其最大限度地将功率从发电机转移到电负载且使电阻热损失降 到最低。然而， 这种调谐电容器很笨重和昂贵， 因此最好是消除调谐电容器。此外， 调谐电 容器的电抗和串联电感的电抗只能在单一频率上匹配。 因此， 由于调谐电容器的存在， 输出 功率因数随发动机工作频率变化。本发明的控制器可以在宽广的频率范围上进行补偿， 提 供单位功率因数或恒定频率的操作。 又如如图 1 所示， 该发电机的输出可以连接到公用电网 20， 并用于将电能供应到 电网。如本领域技术人员公知的， 如果调谐电容器 18 用于平衡或抵消发电机绕组的感抗， 这种配置会导致自由活塞斯特林发动机工作在相同的频率， 且基本上与电网同相。这种同 步工作的发生是因为， 斯特林发动机通过往复运动的永磁体和发电机绕组之间的磁耦合而 连接到发电机。往复运动的磁体的磁通量与发发电机电流产生的磁通量之间的磁耦合， 导 致发电机电流作为作用在自由活塞斯特林发动机上的复杂的阻尼力而被反映到发动机中。 这些被反映回到发动机中的力， 作为质量、 弹力和阻尼力的组合， 作用在发动机的活塞上。 如果使用了调谐电容器， 发电机电流产生的磁力作用在斯特林发动机的活塞上， 以按照与 具有两个旋转磁场的一个旋转同步电动机保持同步的相同方式， 导致活塞与发电机电流同 步运行。如果来自往复运动的磁铁的磁场变为早于或迟于从发电机电流产生的磁场， 会有 一种磁力将它们拉在一起。结果是， 在线性往复式发动机和发电机中， FPSE 的往复运动的 活塞与电网电压同步运作， 如果 FPSE 被设计为在电网频率或非常接近电网频率进行机械 共振且电容器被调谐为与发电机绕组串联谐振的话。
图 2 说明了在现有技术中已知的一个电功率产生源的图， 它与图 1 类似， 但具有 一个共模无源全波整流器 22， 其中使用排列为 H 桥的四个二极管以提供直流输出。现有 技术还可以将图 2 的全波二极管整流器替换为全波开关模式整流器， 也称为有源整流器， 且通过各种技术消除调谐电容器 24。这种配置的一个例子显示在上面引用的美国专利
US6871495 中。
开关模式整流器
开关模式整流器是现有技术已知的一种电路， 且描述在多个出版物中。它通常有 一个 H 桥结构， 但具有可控的电子开关， 一般为 MOSFET， 用于取代图 2 的二极管。有源的整 流器控制器或控制电路连接到每个电子开关的栅极， 和通过使对角线相对的一对晶体管导 通 (ON) 和使另一对关断 (OFF) 且交替地使其中一对为 ON 而另一对为 OFF， 使它们在 ON 和 OFF 之间开关。这种开关是在一个远高于 FPSE 和发电机的正弦波频率的频率完成的。例 如， 电子开关可以在 10kHz 或 20kHz 的速率进行开关， 而 FPSE 和发电机可在 60Hz 或 120Hz 的频率工作。开关控制不仅如上所述将电子开关 ON 和 OFF， 而且响应于调制输入信号改变 电子开关的占空比。开关模式整流器的开关控制本质上是一个脉宽调制器， 其中包括一个 用于交替开关对角线相对的开关对的高频振荡器， 而且调节在高频下开关的 ON 和 OFF 开关 状态的占空比。开关的相位是控制脉宽调制器的信号相位的函数， 且开关对的占空比是控 制信号振幅的函数。结果， 开关模式整流器的开关相位控制了通过 H 桥的电流相对于发电 机端电压的相位。 但是， 由于开关模式整流器的相位控制并不取决于与频率相关的共振， 开 关模式整流器能够在发动机的工作频率范围内维持所需的相位关系。 脉宽调制电路及其功 能不仅可以用模拟电路实现， 而且更重要的是可以首选利用微处理器或微控制器实现， 以 及利用其它数字逻辑和处理电路实现， 它们被例如用软件进行编程以执行脉宽调节功能。 综上所述， 由于开关模式整流器已在有关开关电源、 开关模式逆变器或开关模式电机驱动 器的现有技术教科书和技术文献中描述了， 这里没有详细解释开关模式整流器。 变型
图 1 还说明了使用 “耗能 (dump)” 电阻 26 的另一个现有技术的用于控制活塞冲程 和维持发动机和发电机之间的功率平衡的方式。电阻 26 是一个额外的电负载， 可以被切换 到电路中或改变阻值以实质性消耗由发动机产生的多余功率。 然而， 这显然是不可取的， 因 为它只是简单地消耗由发动机产生的多余功率以便保持功率平衡， 因此， 通过浪费热能且 进而浪费燃料而降低了效率。
现有技术已经认识到， 通过控制活塞冲程可以控制 FPSE 产生的功率， 因为 FPSE 产生的功率大约是与活塞冲程的平方成正比的。然而， 在发电机中感应的电压与冲程成正 比， 且大多数电负载需要一个稳定的恒定电压， 如 24 伏直流电或 28 伏直流电或 115 伏交 流电。因此， 设计可以同时实现以下两个要求的控制系统是一个问题 ： (1) 使从 FPSE 转移 到发电机的功率与电负载所要求的功率加上电损耗相匹配 ； (2) 保持恒定的输出电压。问 题是， 如果电负载所需求的电功率减小和冲程减小以使 FPSE 的功率减小， 感应的电压将下 降。相反， 如果增加的电力需求会导致增大的冲程以从 FPSE 提供更多的功率， 输出电压也 将增大。因此， 最好调整来自 FPSE 的功率以与电负载的功率相匹配， 同时减少或消除由负 载功率需求的变化所导致的电负载上的电压变化。
此外， 对通过反馈控制系统来控制活塞冲程的方式存在一个需求， 它能够更迅速 地检测由会引起活塞冲程的有害变化的系统干扰所产生的工作参数的变化， 并能对检测的 变化快速做出反应， 以便将实际的活塞冲程保持在更严格的边界内。
同样， 对控制活塞冲程的方式存在一个需求， 它能够响应电功率输出载荷需求中 的变化而迅速改变活塞冲程， 且保持在斯特林发动机产生的功率输出和发电机所吸收的功
率之间的平衡。 发明内容 因此， 本发明的一个目标和特征是提供一种控制活塞冲程的改进方案， 以便使发 动机产生的机械功率与发电机从发动机所吸收的机械功率相匹配， 发电机所吸收的机械功 率基本上就是用户负载要求的电功率。
本发明的另一个目标和特征是基于一个可以更容易、 更快速地被控制的工作参数 来控制活塞冲程， 从而允许以更紧密的公差范围对活塞冲程以及进而功率平衡进行控制。
本发明的另一个目标和特征是将电路和反馈控制环路与活塞冲程控制相结合， 以 提供改进的电压调整， 使得 FPSE 可以在更宽广的活塞冲程范围上工作， 以保持传输到发电 机的发动机功率的平衡， 且仍然在一个宽广的负载功耗范围上向电负载提供一个相对稳定 的、 被很好调整的输出电压。
本发明的另一个目标和特征是提供一个比以前公开的技术更简单、 更稳定和更有 效的控制器， 以控制包括一个用于驱动线性发电机的自由活塞斯特林发动机的电功率产生 源。
本发明的本质在于， 发动机控制器包括一个反馈环路， 它不断检测发电机瞬时电 流， 且不断计算一个可能存在的、 一个调谐电容器两端的瞬时电压， 如果电路中含有调谐电 容器且发电机电感和该调谐电容器串联谐振的话。该控制器采用计算得到的电容器电压， 按照导致控制器电路模拟或模仿好像调谐电容器出现在电路中一样发电机电路的工作的 方式， 来修改前向环路控制信号的振幅和相位， 从而修改开关模式整流器所控制的电流。 由 于实际上在电路中没有调谐电容器， 但从开关模式整流器的电路输出与假设电路中存在调 谐电容器的情况是相同的， 因此该电容被描述为一个 “虚拟” 调谐电容器。如上所述， 该调 谐电容器是有效的， 因为在发电机的工作频率 ω， 其容抗与发电机绕组的感抗是幅值相等 和相位 180°相反的。本发明的控制系统根据下式不断地重复地计算在该共振条件下的虚 拟电容器电压 v ：
v ＝ Laltω2 ∫ i(dt)
其中 Lalt 是发电机电感， i 是发电机电流， t 是时间和 ω 是发动机 / 发电机弧度工 作频率。该合成的调谐电容器电压信号， 提供了一个虚拟的调谐电容器的效果。通过从在 前向环路中所产生的、 且被施加到脉宽调制器上以用于控制开关模式整流器的相位和占空 比的信号中不断地重复地减去该计算的虚拟电容器电压 v， 控制系统使用该计算的虚拟电 容器电压以修改用于控制脉宽调制器的信号。
更具体地说， 本发明是一个用于电功率产生源的改进的控制系统， 所述电功率产 生源包括一个用于驱动线性发电机的自由活塞斯特林发动机， 所述线性发电机具有电感为 Lalt 的一个发电机绕组、 将发电机绕组连接到包括电能储存装置的输出电路的一个开关模 式整流器、 用于控制所述整流器的开关占空比的脉宽调制器。所述控制系统包括一个前向 环路， 其输出被连接以控制所述脉宽调制器。上述改进使用在上述前向环路中的一个正弦 波发生器， 以在发动机和发电机的工作频率 ω 产生在一个正弦波。本发明具有一个反馈环 路， 它包括 ： (i) 一个电流传感器， 连接在发电机电路中用于检测与发电机电流 i 成正比的 一个信号 ； (ii) 在前向环路中的一个虚拟电容器求和点， 它被连接为输入正弦波发生器所
产生的一个正弦波和输出表示所述正弦波与所述求和点的第二输入之间的差别的一个信 号； 和 (iii) 一个连接到所述电流传感器的计算电路， 用于计算所述虚拟电容器两端的电 压 v 且施加一个表示所述电容器电压 v 的信号到上述求和点的第二输入。所述计算电路执 行的运算是 除了计算虚拟调谐电容器两端的电压的所述改进之外， 所述电路还具有至少一个反馈控制环路， 用于控制电功率产生源的另一个变量， 如直流输出 电压或斯特林发动机的头部温度。
一种用于控制上述类型的电功率产生源的改进方法包括以下步骤 ： (a) 将一个输 出电路或所述电功率产生源的一个可控变量的指令值施加到所述反馈控制环路， 检测所述 受控变量， 和将受控变量的检测值作为所述反馈控制环路的反馈信号施加， 以建立表示一 个电压 V 内部的指令值 V 内部 cmd 的一个信号， (V 内部是在工作频率 ω 在发电机绕组中感应的 电压 Vg 和发电机绕组电阻 Rac 两端的电压的代数和 ) ； (b) 检测发电机绕组中的电流以产生 与发电机电流 i 成正比的一个信号 ； (c) 通过计算 v ＝ Laltω2 ∫ i(dt)， 从所检测的电流产 生一个表示一虚拟电容器两端的电压 v 的信号 ； (d) 从信号 V 内部 cmd 中减去表示电压 v 的信 号， 以产生表示发电机端电压 VT 的一个信号 ； 和 (e) 将表示电压 VT 的信号施加到所述脉宽 调制器的控制输入端。 所述控制系统不断地重复地从所建立的信号中减去计算的虚拟电容 器电压， 以施加到用于控制上述开关模式整流器的相位和占空比的脉宽调制器。 附图说明 图 1 是用于提供交流功率输出的现有技术发电机、 发电机输出电路和负载的原理 方框图。
图 2 是用于提供直流功率输出的现有技术发电机、 发电机输出电路和负载的原理 方框图。
图 3 是一个电功率产生源的示意图， 它包括一个用于驱动线性发电机的自由活塞 斯特林发动机以及一个用于控制所述电功率产生源和体现本发明的控制电路。
图 4 是图 3 的中间阶段电压控制电路 50 的原理图。
图 5 是利用一个连接到电网的调谐电容器和标注用于解释本发明原理的一个基 本等效电路的原理图。
图 6 是根据本发明利用一个虚拟调谐电容器和标注用于解释本发明原理的一个 基本等效电路的原理图。
图 7 是说明本发明优选实施例的负反馈控制系统的方框图。
图 8 是实现本发明的负反馈控制系统的方框图， 它与图 5 的控制系统类似， 区别在 于它具有一个用于控制斯特林发动机的头部温度的控制环路。
图 9 是实现本发明的负反馈控制系统的方框图， 它与图 5 的控制系统类似， 区别在 于它具有两个用于控制和同步两个斯特林发动机 / 发电机组合的支路。
图 10 是一个替换实施例， 它除了在发电机的端子和开关模式整流器的 H 桥的开关 之间插入了一个 LC 滤波器之外与图 3 相同。
在参照附图描述本发明的优选实施例时， 为清楚起见将采用具体的术语。 但是， 这 并不表示本发明局限于所选用的特定术语， 并且可以理解的是， 每一个具体的术语包括所
有的以类似方式工作以实现类似目的的技术等同物。例如， 单词 “连接” 或类似术语经常被 使用。 它们不仅包括直接连接， 还包括通过其它电路元件的连接， 这种连接应当被本领域技 术人员视为等同的。 此外， 许多电路被解释为属于对电子信号执行公知操作的那一种类型。 本领域技术人员应当了解， 有很多且在未来可能还会增多的替代电路被认为是等同的， 因 为它们对信号提供相同的操作。 具体实施方式
本发明的装置是一个用于自由活塞斯特林发动机的改进的控制系统， 所述自由活 塞斯特林发动机用于驱动一个线性发电机， 所述线性发电机的输出电流由开关模式整流器 控制。本发明的概念可以通过如图 7 所示的、 反馈控制技术领域的技术人员所熟悉类型的 反馈控制系统图得到最好的说明和描述。然而， 如果先解释一个包括该控制系统且被该控 制系统控制的电路的实施例， 所述反馈控制电路图可以被更好地理解。本发明的说明书包 含几个变量和参数， 在本说明书的结尾它们集中在一起且被定义。
电路
图 3 是一个包括本发明的电路的原理图。被自由活塞斯特林发动机驱动的发电 机， 如在图 1 和 2 中一样， 被显示为它的等效集总元件发电机电路， 包括 Vg、 Rac 和 Lalt， 具有 端电压 VT。电压 Vg 的瞬时值与瞬时的活塞速度成正比， 它们由一个比例常数相关， 该比例 系数是开路线性发电机的电机常数 α。活塞速度与活塞冲程成正比。端电压 VT 比电压 Vg 大了阻抗 Rac 和 Lalt 两端的电压， 图中示出了电流和电压的关系。
发电机的端子连接到全波开关模式整流器 32 的 H 桥， 全波开关模式整流器 32 包 括四个功率 MOSFET 34、 36、 38 和 40、 晶体管或其它开关元件及一个控制电路 42， 标识为一 个有源整流器控制 42。虽然图 3 中没有画出， 有源整流器控制电路 42 包括控制电路 42 内 部的脉宽调制器。脉宽调制器以本领域技术人员已知和上面总结的方式控制四个 MOSFET 34、 36、 38 和 40 的开关。因此， 发电机的端电压 VT 是一串方波， 其占空比由开关模式整流器 控制且其振幅大致等于能量储存电容器 44 两端的直流电压， 这将在下面进一步说明。发电 机的电流反馈信号从一个发电机电流传感器 43 获得， 该传感器 43 将一个表示发电机电流 的信号施加到发动机控制电路 52。 虽然不是很有效， 可以替换地使用半波开关模式整流器。
在优选实施例中， 开关模式整流器 32 的输出， 被施加到一个能量储存电容器 44。 然而， 蓄电池可以代替电容器 44 或被插入与电容器 44 并联。其它类型的装置也可以使用， 如果它们能够在静态条件下例如以电荷的形式储存电能。 目前已知的两种最实用的装置是 电容器和电池。如果其它的装置允许电流流过该装置以逐步增加所储存的能量， 在没有电 流时仍然保留所储存的能量， 且以使电流流过与该装置相连接的负载的形式允许所述能量 被提取， 则该其它的装置也可以使用。 例如， 这种装置将是具有用于储存能量的附加飞轮的 一个马达 / 发电机。因为有替代的能量储存装置可以被使用， 术语 “电能储存装置” 是指能 够满足用于本发明替代实施例的这些条件的装置。
除了能量储存电容器 44， 输出电路也有一个常规的电压调节电路 30， 表示为一个 DC/DC 电源， 它的输入被连接在能量储存电容器 44 两端。 所述电压调节电路 30 以本领域技 术人员已知的方式工作， 提供一个恒定的输出电压， 不管能量储存电容器 44 的中间阶段电 压怎样变化。有很多常规的电路可以作为所述调节电路 30 的替换方案， 提供具有各种不同特性的输出电能。例如， 一个逆变器 45 可以替代使用以向一个有用的负载提供 AC 输出， 或 者电网联络电路 47 可以替代使用以将输出连接到电网。此外， 调节电路可以被取消以提供 未很好调节的直流电源， 例如用于电池充电。
图 3 的电路另外还具有与能量储存电容器 44 并联连接的一个耗能电路， 它由串 行连接到一个功率 MOSFET 48 的一个瞬态耗能电阻 46 组成。一个中间阶段电压控制电路 50 也连接在能量储存电容器 44 两端和检测该电容器两端的电压。中间阶段电压控制电 路 50 的一个功能是在电容器 44 两端的电压超过预定选择的过高水平如 95 伏直流电时使 MOSFET48 导通 (ON)， 以便让从斯特林发动机转移的多余能量被消耗， 从而在电容器 44 两端 的中间阶段电压过大的情况下防止斯特林发动机过冲程和撞坏。如果电负载被突然移除， 导致被消耗功率的阶跃函数下降时， 这种过高的中间阶段电压就会发生。这种耗能电路只 在从输出负载的阶跃函数变化之后、 直到剩余的控制电路可以容纳所述变化且回到一个稳 定状态条件为止的过渡期间过程中是需要的。
由于图 3 的空间限制， 中间阶段电压控制电路 50 分开在图 4 显示。电阻 R5 和 R6 形成分压器， 将能量储存电容器 44 两端 ( 图 3) 的中间阶段电压 VDC 总线向下分压到接近 3.3V 最大值。电阻 R5 和 R6 形成的分压器作为传感器工作， 因为它提供了一个表示一个工 作参数的测量值的信号， 在本例情况下是电压 VDC 总线。该降低的电压然后用在两个地方。 第一， 所述降低的电压用于控制上述由与功率 MOSFET 48 串联连接的瞬态耗能电 阻 46 组成的过电压保护耗能电路。 当所述降低的中间阶段电压大于约 3.0V( 对应于 95Vdc 的中间阶段电压 ) 时， 比较器 49 的输出由高向低变化。然后该信号被反相， 使 MOSFET 48 和耗能电阻 46 导通， 它将能量储存电容器 44( 图 3) 放电并保护功率元件不会因过电压而 造成损坏。一旦比较器 49 的输出变为低， 它将保持为低， 直到所述降低的中间阶段电压下 降到低于大约 2.7V( 对应于 85Vdc 的中间阶段电压 ) 为止。然后比较器输出返回到高和使 MOSFET 48 关断。
第二， 为了使本发明的优选实施例能够调节 VDC 总线， 从由电阻 R5 和 R6 所形成的分 压器得到的上述降低的电压能够提供一个表示能量储存电容器 44 两端的电压 VDC 总线的反馈 信号。该反馈信号被施加到体现本发明的闭环负反馈控制电路 52， 其将参照图 7 进一步讨 论。
本发明的基本原理
本发明所依据的原理参照图 5 和 6 说明。类似于图 1-3， 图 5 显示了发电机的等 效集总元件电路， 包括串联的一个具有电感 Lalt 的电感器、 一个集总电阻 Rac 和一个具有感 应或反电动势 Vg 的 AC 电压源， 如结合图 1-3 所解释的。由于发电机绕组的感抗， 输出端电 压 VT 与发电机电流失相， 导致了小于 1 的不理想的功率因数。如现有技术已知和以上所述 的， 调谐电容器 C 可以与发电机绕组串联以使绕组电感失调。调谐电容器的容量被这样选 择， 在发电机和发动机的工作频率， 绕组的感抗和调谐电容器的容抗形成串联谐振电路。 这 种串联谐振电路呈现出零电抗或电阻性电抗， 因为在发电机的工作频率 ω， 容抗与发电机 绕组的感抗是幅值相等和相位 180°相反的。因此调谐电容器 C 在一个单一的频率上提供 了单位功率因数或接近单位的功率因数， 其使从发电机转移到电负载 ZL 的功率最大且使电 阻热损耗最少。
如本领域技术人员已知和上文所解释的， 串联连接的发电机和调谐电容器的输出
可以连接到一个公用电网和将电能提供到电网。电网电压的频率和振幅基本上是恒定的， 不受与它连接的发动机 / 发电机的影响。对于这种连接， 自由活塞斯特林发动机和发电机 将与电网电压 V 电网同步运行 ( 即在相同的频率且基本同相 )。在此同步条件下， 发电机的 电压 Vg 基本上与电压 V 电网相等和同相。
不仅是活塞相位与 Vg 和 V 电网同步， 而且活塞的速度和冲程也成与 Vg 的振幅成比 例， 它们通过比例常数 α 相关， α 是线性发电机的马达常数。活塞的冲程和速度与 Vg 成比 例且活塞与 Vg 同相， 因为在活塞携带的磁铁和由发电机绕组的电流产生的磁场之间存在互 磁链接， 并且因为发电机绕组中的电压 Vg 是由磁铁的磁场感应出来的。
由于电压 Vg 跟随电压 V 电网， 如果电压 V 电网本身可以被控制的话， 电压 V 电网可以用 来控制活塞冲程。显然， 一个真正公用电网的电压不能由单个的消费者控制。但是， 本发明 通过适当地控制开关模式整流器而产生一个虚拟的 V 电网， 使得该 V 电网的振幅和相位都能被 可控地改变。由于 V 电网、 Vg 和活塞冲程之间的上述关系， 开关模式整流器可以控制活塞冲 程。此外， 在本发明中， 该开关模式整流器的开关也可以同时被控制， 以产生一个虚拟调谐 电容器 C， 它可以使发电机绕组的电感失调。串行谐振的调谐电容器对于电网电压是必要 的， 以保持对发动机 / 发电机的相位和冲程的控制。有了本发明， 在电路中保持这个虚拟调 谐电容器产生了与将发动机 / 发电机连接到电网相类似的条件。
如本领域技术人员和熟悉开关模式整流器的人员已知的， 开关模式整流器对流过 它的电流的相位和振幅都可以控制。 流过开关模式整流器的电流的相位通过控制其控制信 号的相位而被控制， 所述控制信号通常是一个在工作频率 ω 的正弦曲线。开关模式整流 器的振幅通过该控制信号的振幅而被控制， 所述控制信号控制开关模式整流器的开关占空 比。体现本发明的控制器产生一个控制信号， 它用于控制开关模式整流器以模拟一个类似 于图 5 的电路。
本发明的基本概念如图 6 所示。 一个开关模式整流器包括由其脉宽调制控制器 42 控制的一个 H 桥 32。在本发明中， 施加到控制器 42 的输入 64 的控制信号使 H 桥 32 按以下 方式被开关， 即好像一个虚拟调谐电容器 C 与一个称为 V* 内部的虚拟公用电网电压串联在一 起一样， 使 H 桥 32 出现在发电机中。换句话说， 本发明的开关模式整流器的开关方式是， 使 发电机端电压 VT 和在发电机端子处的发电机电流 ( 它们是开关模式整流器的电压和电流 ) 与在如果有调谐电容器和串联谐振条件下的发电机端电压和电流相同。 因为它是一个开关 模式整流器， 其电流的相位和振幅通过施加到其控制输入 64 的控制信号控制。因此， 图6 中的开关模式整流器控制发电机电流 I 的相位和幅值。所述开关模式整流器在宽广的范围 内可控制地改变发电机电流的相位和振幅。
“V 内部” 的使用
在对本发明仿真一个具有调谐电容器的电路的方式进行解释之前， 希望讨论斯特 林发动机的操作中的一些进一步的问题。控制发电机电流的开关模式整流器， 在比发动机 / 发电机的工作频率 ω 高得多的频率进行开关。因此， 通常在发动机和发电机的每个低频 周期中可能有量级在 80 到 400 个的开关模式整流器的开关周期 ( 虽然可以更多 )， 每个高 频率开关周期的占空比由施加到控制输入 64 的正弦控制信号的瞬时振幅决定。因此， 控制 电路能够在高频的开关速率下进行响应和作出调整， 该速率远远高于发动机和发电机的低 频工作频率。上述调整可在低频周期的小间隔中进行。通过暂时减少或增加发电机电流以使活塞冲程变化， 活塞冲程是受控制的。发电 机电流产生的磁场在活塞携带的磁铁上并因此在活塞上施加一个力。具体来说， 在活塞上 的阻尼力与发电机电流成正比， 且比例常数是电机常数 α。暂时减少发电机电流会导致较 小的阻尼力， 因此使活塞上具有较少的机械负载， 这允许活塞冲程增大。 暂时增加发电机电 流会导致更大的阻尼力施加到活塞， 因此活塞上有更大的机械负载， 这减少了活塞冲程。 冲 程变化之后， 该系统进入到在较高或较低的活塞冲程的一个新的平衡， 因此具有更高或更 低的功率输出， 其中从发动机输出的功率再次等于从发动机转移到发电机的功率。 然而， 希 望这些变化能够以比发动机的工作频率高得多的速率发生 ； 也希望在远远小于发动机的往 复运动的振荡周期的一个时间间隔内发生。
在下面的讨论中， 电压 V 内部和其它所引用的电压是复数， 这意味着它们可以由具 有振幅和相位角的相量表示， 它们可以通过控制系统改变， 且具有在斯特林发动机和发电 机低频周期上随时间变化的瞬时值。如前面所述， 斯特林发动机活塞的运动与 Vg 是同步的 且活塞冲程由发电机电流控制。参考图 6， 其中电压 V 内部是 Vg+VRac 的相量和。本发明使用 电压 V 内部来控制发动机 / 发电机。将 Rac 两端的电压 VRac 引入作为 V 内部的一部分， 且采用 V 可以使控制系统能更迅速 ( 更快 ) 响应， 且因此将活塞 内部而非 Vg 来控制发动机 / 发电机， 控制维持在更窄的范围内。如果控制系统开发了由变量 V 内部 cmd 表示的指令 V 内部， 则控制是 改进的。
用 V 内部控制允许更快的响应和更严格地将活塞冲程控制在 V 内部 cmd 周围更接近的 边界中， 其原因首先通过比较 V 内部和 Vg 对干扰的响应性来解释。Vg 中的变化发生得比较缓 慢， 因为 Vg 与活塞速度成正比， 且由于活塞、 粘附在活塞上的磁铁和磁铁支架、 作用在它们 上的弹簧的质量和惯性， 活塞速度的变化是缓慢的。 由于这种振荡活塞的质量， 它需要一个 或两个发动机周期以使瞬时活塞速度 ( 在其周期中的对应点 ) 发生明显的变化。因此， 在 几个 PWM 开关周期中， Vg 是基本不变的。
但是， 发电机电流的任何改变将立即反映在发电机电阻 Rac 两端的电压 VRac 的变化 中。因此， 由于 V 内部＝ Vg+VRac， 发电机电流的任何改变将马上反映在 V 内部的变化中， 即使 Vg 在发动机操作的一个或两个周期中保持为恒定。对发电机电流变化的响应性很重要， 因为 发电机的电流控制活塞冲程。电阻 Rac 两端的电压 VRac 的变化将足以被控制环路在发动机 工作频率的周期的一个很小的部分中作出响应。与此相反， 需要一个或两个发动机工作周 期才能使 Vg 发生足以被检测出来且被控制环路响应的变化。由于 V 内部是 Vg 及 VRac 的和， 使 用 V 内部控制电流且因而控制冲程， 允许负反馈控制环路能够对在高频率开关速率下发生的 变化作出响应， 而不是限制为对在低频率低频发动机工作频率发生的变化作出响应。结果 是本发明提供了一种对发电机电流的微小变化的更迅速的响应， 且因此允许在更紧密或更 严格的边界中控制活塞冲程。该 V 内部控制环路在几 kHz 的速率进行响应。
V 内部的变化对发电机电流的变化的控制方式， 可以从图 6 中所示的发电机的等效 电路中看到。根据基尔霍夫 (Kirchoff) 第二定律， 围绕由 Vg、 Rac 和 V 内部组成的电路环路的 电压的和必须为零。因此， V 内部减少意味着流过 Rac 的电流增加， 因为 Vg 在开关模式整流器 的高开关频率的一个周期中是基本不变的。相反， V 内部增加意味着通过 Rac 的电流减少。因 此， 由于 V 内部响应得快于 Vg， 根据 V 内部进行控制提供了一个能够对发生在发动机的低频周期 的一小部分中小的增量变化进行响应的电路， 从而保持对活塞冲程和功率平衡的更紧密的控制。
使用 V 内部的虚拟调谐电容器仿真 参考图 6， 显示了 V 内部和发电机端电压 VT 之间的关系 ： ( 公式 1)VT ＝ V 内部 +VLalt 在共振时， ( 公式 2) 和电容器电压 ( 与电感电压相等且方向相反 ) 是 ： ( 公式 3) 为 C 求解 ( 公式 2) 和代入 ( 公式 3)， 得到 ： ( 公式 4) ( 公式 5) 虚拟电容器电压 v ＝ -VLalt ； 因此， 根据公式 1、 4 和 5， ( 公式 6) 公式 6 表明， 为了获得与具有共振调谐电容器时相同的一个发电机端电压 VT， 在电 修改。路中实际上没有电容器时， V 内部必须被虚拟电容器电压
优选的控制系统
图 7 是一个闭环负反馈控制系统， 形成图 3 和 4 的电路中的发动机控制器 52， 当然 它也可以在其它各种硬件实施例中实现。 现在参照图 7， 沿前向元件穿过电路图顶部的前向 环路信号的最终输出被施加到脉宽调制器 42， 脉宽调制器 42 以前述的方式控制开关模式 整流器的开关 32 的相位和占空比。
图 7 的实施例具有一个最外面的控制环路， 它根据负反馈控制原理控制中间阶段 电压 VDC 总线 ( 图 3)。中间阶段电压 VDC 总线是能量储存电容器 44 或其它电能储存装置两端的 电压。所述最外面的控制环路有一个指令输入 Vcmd， 它被施加到电压控制求和点 70。该指 令输入 Vcmd 是一个表示中间阶段电压 VDC 总线的期望值的信号。该电路可设计为允许手动选 择 Vcmd， 或者优选地， 根据特定的应用和中间阶段电压 VDC 总线的期望的设计值， Vcmd 的值在电 路或软件中是固定的。
如上所述， 从一个电压传感器获得用于该外面的、 中间阶段电压的、 控制环路的上 述反馈信号， 所述电压传感器是 DC 电压控制电路 50( 图 3 和 4) 中的一个电压传感电路， 用 于检测电能储存装置两端 44 的电压 VDC 总线， 和将表示 VDC 总线的反馈信号通过一个常数乘法器 72 施加到所述求和点 70。来自求和点 70 的误差信号被常规 PI 控制器的前向控制元件积 分和放大 ( 倍增 )， 所述常规 PI 控制器可以替换为常规的 PID 控制器。中间阶段电压控制 环路通过控制和维持总线电压 VDC 总线在可接受的限度内， 执行电压调节器的功能。 前向控制 元件 74 的输出施加到具有可调制振幅的一个正弦函数发生器 76， 上述可调制振幅由来自 该前向控制元件 74 的信号调制。正弦函数发生器 76 的正弦波输出的频率 ω 固定在等于 或接近斯特林发动机的共振频率， 并且在所说明的实施例中， 是斯特林发动机和发电机的设计工作频率。虽然这些操作优选地利用常规的编程算法数字化执行， 其效果是产生一个 正弦曲线， 在发动机 / 发电机的工作频率 ω 上其振幅与前向控制元件 74 的输出信号成正 比。该正弦曲线是电路参数 V 内部的指令值 V 内部 cmd。可以看到， 该 V 内部 cmd 信号在经过一些修 改后控制开关模式整流器。因此， 发电机电流和进而活塞冲程是 V 内部 cmd 的函数。因此， 通 过增加或减少活塞冲程以响应由从能量储存电容 44 传送到负载的功率较多或较少而导致 的、 VDC 总线中检测到的变化， 所述外面的、 中间阶段电压控制环路保持了总线电压 VDC 总线 ( 图 3)。
为了产生一个发电机端电压， 所述发电机端电压仿真存在一个被调谐为与发电机 电感共振的电容器， 如上面所述， V 内部必须被修改为减去上述虚拟电容器电压 v。为了实现 这一修改， 所述 V 内部 cmd 正弦曲线被施加到一个虚拟电容器求和点 78。该虚拟电容器求和点 78 的输出是表示在施加到 X 的正弦波输入 V 内部 cmd 和施加到 Y 的第二输入之间的差异的一 个信号。
反馈信号被施加到虚拟电容器求和点 78 的输入 Y。 所述反馈信号是一个复数的时 变信号 v， 表示虚拟电容器 C( 图 6) 两端的电压的计算的瞬时振幅和相位。反馈信号 v 从电 流传感器 43( 图 3) 推导得到， 电流传感器 43 检测一个与发电机电流 i 成正比的信号。电 流信号 i 施加到一个计算电路或模块 80， 计算电路或模块 80 用于计算虚拟电容器两端的电 压 v 和向虚拟电容器求和点的第二输入 Y 施加一个表示 v 的信号。计算电路 80 执行以下 运算 ：
从求和点 78 输出的所得结果是一个信号， 表示通过减去虚拟电容器两端的电压 而修改的期望的 V 内部 cmd。
缩放和规范化模块 81 被插在计算电路或模块 80 和求和点 78 的输入之间。缩放 和规范化模块 81 简单地将所述电压计算模块 80 的输出乘以一个恒定的乘数 Kfb， 1。这样做 是因为计算电路模块 80 的输出有电压的单位， 但由于 Kfb， 来自 1 在求和点 70 的上游施加， 正弦函数发生器 76( 正弦波 ) 的 V 内部 cmd 没有单位。更具体地说， 指令输入 Vcmd 的单位为伏 特， Kfb， 求和点 70 的输出的单位是伏特 / 伏特， 即没有单 1 的单位为每伏特 (/ 伏 )。因此， 位 ( 规范化 )。该规范化 ( 无单位 ) 的值被携带通过正弦函数发生器 76 的输出， 被施加到 求和点 78。所以乘法器模块 81 将求和点 78 的另一个输入与相同的系数 Kfb， 因此求 1 相乘， 和点 78 的全部两个输入使用同样的缩放规范化。结果， 模块 81 使得求和点 78 的两个输入 具有相同的缩放和单位。
电路的操作可以描述如下。首先， 考虑图 7 的控制图， 但假设它被简化， 使正弦函 数发生器 76 的输出被直接连接作为脉宽调制器 42 的输入。由此产生的控制将是一个简单 的单环、 负反馈控制系统， 其将输出电路的电压 VDC 总线驱动到 Vcmd 的值。虽然这有不希望的 功率因数和活塞控制的问题， 它们在这个分析中不需要考虑。
然而， 参照图 6， 如果开关模式整流器 32 的 H 桥可以在一个相位和振幅 ( 振幅是 占空比函数 ) 开关， 使得 H 桥 32 看起来好像是其中有一个虚拟调谐电容器与发电机串联 连接、 且具有电容器两端的电压 v， 该电压 v 与电感电压 VLalt 相等且方向相反， 那么该电路 就好像图 5 的电路一样工作。通过开关模式整流器的开关使该虚拟电容器出现， 所以发电
机端电压 VT 是如果调谐电容器将在电路中存在时的发电机的电压。如上所述， 将会存在的 端电压 VT 是 V 内部 -v。因此， 图 7 的电路通过从 V 内部 cmd 减去电容器电压 v 来修改控制信号 V 内部， 使控制系统驱动 V 内部到在如果出现调谐电容器的情况下将导致的端电压 VT 的振幅和 相位。随着虚拟调整电容器 C 的就位， 电压 V 内部等于电压 V* 内部 ( 图 6)， 因为共振时的电感 Lalt 和虚拟电容器 C 的串联阻抗本质上是零阻抗。因此， V* 内部变成了一个虚拟的公用电网 电压， 它由脉宽调制器 42 控制和按照图 5 的方式工作以控制 V 内部。
图 7 中的优选控制电路另外包括一个前馈环路。前馈环路的操作是本领域技术人 员已知的。图 7 所示的前馈环路不是本发明必需的， 但增强了优选实施例的操作。一般来 说， 一个前馈环路的公认目的是检测一个或多个电路干扰， 预期和预测受控变量的变化， 在 受控变量被上述干扰影响之前利用检测的信号进行处理或操作变化。 前馈环路具有一个插 在前向环路中的除法点 82 并具有一个被除数输入 84 和一个商输出 86， 该被除数输入 84 被 连接以接收来自虚拟电容器求和点 78 的信号， 和该商输出 86 连接到脉宽调制器 42。所述 前馈环路使用上述的电压传感器以检测电能储存装置两端 ( 图 3 的能量储存电容器 44) 的 电压 VDC 总线， 和使用被施加检测电压的缩放乘法器 72。这前馈环路向除法点 82 的除数输入 90 施加一个前馈信号， 表示所测量的电能储存装置两端的电压 VDC 总线的缩放部分。
商输出 86 基本上表示占空比和相位。因此， 上述前馈环路以 VDC 总线中的变化的形 式检测干扰， 和修改占空比且进而修改发电机电流以维持相同的 VDC 总线， 不需要等待包括求 和点 70 且控制 VDC 总线的外面负反馈电流控制环路的响应。除法点 82 的除法表示 VDC 总线的 增加减小了占空比， 因此， 保持一个恒定的 VT， 即使 VDC 总线增加。被乘的标量值 Kfb， 1 是一个 小于 1 的值， 使得它导致 VDC 总线的仅仅一部分的前馈， 以免造成不稳定， 和另外表示决定了占 空比对 VDC 总线值的比率的特定硬件。
来自前馈环路的除法点 64( 或来自求和 78 点， 如果前馈环路被省略 ) 的输出提供 了在频率 ω 的一个控制信号， 它被施加到脉宽调制器 42 和在高频速率控制开关模式整流 器的开关操作的占空比。该开关模式整流器的开关 32( 图 3) 的占空比在每次开关时与上 述正弦控制信号的瞬时值成正比。因此， 开关模式整流器的高频率的开关操作的 ON 和 OFF 状态的占空比在发电机工作频率 ω 的低频周期上与施加到脉宽调制器 42 的正弦输出信号 的瞬时值成正比地变化， 这在开关模式整流器领域是已知的。 更具体地 ( 参考图 3)， 在低频 率 ω 的半周期上， 对角线相对的一对开关 36 和 40 的 ON 时间的占空比从在正弦控制信号 的过零点处的 50％变化为在正弦控制信号的峰值处的最大值。在接下来的半周期上， 对角 线相对的另外一对开关 34 和 38 的 ON 时间的占空比从在正弦控制信号的过零点处的 50％ 变化为在正弦控制信号的峰值处的最大值。
图 8 的替换实施例
图 8 给出本发明的一个实施例， 它除了以下两点之外与图 7 的实施例相同 ： (1) 它 具有用于控制自由活塞斯特林发动机的头部温度的负反馈控制环路 ； 和 (2) 它没有用于控 制 VDC 总线的电压控制环路。当然， 该电路可以同时具有温度控制环路和电压控制环路， 因为 如本领域技术人员已知的， 反馈控制系统可以具有用于控制多个变量的多个套叠的控制环 路。
如本领域技术人员众所周知的， 斯特林发动机的头部温度是转移到发动机头部的 热量的一个函数， 也是由负载如发电机从发动机吸取的功率的函数。转移到头部的热功率越多， 头部温度越高 ； 转移到发电机负载的功率越多， 头部温度越低。由于斯特林发动机在 以其组件能够经受而不会损坏的最高温度工作时， 它将以在最高效率工作， 因此希望控制 头部温度。
图 8 的温度控制环路具有一个温度传感器， 其被安装以不断检测斯特林发动机的 头部温度， 并提供一个检测的温度信号 TH。图 8 的温度控制环路还有一个指令输入 Tcmd。在 常规的方式中， TH 和 Tcmd 都被施加到一个求和点 100。为了简化说明， 发动机、 发电机、 开关 模式整流器和输出电路被结合， 并显示为发动机 102。
图 8 的实施例按以上解释和说明的方式运作， 除了温度控制环路按照负反馈控制 的原理驱动斯特林发动机以保持由温度指令输入 Tcmd 设定的头部温度之外。
图 9 的替换实施例
对于一些发电的应用， 有利的是利用多个斯特林发动机 / 发电机对来发电和将每 对所产生的电施加到一个单一的输出电路或负载。 这种将来自多个发电机的电输出功率施 加到单个输出的应用， 要求它们的发电机同步运作， 使得它们的正弦电气输出同相或至少 相位接近， 因此在输出端得到总和。此外， 如本领域已知的， 当多个基本相同的往复运动的 机器安装在一个共同的支架上时， 如果机器是平衡的， 由它们的往复运动导致的振动的振 幅可以大大减少。 这种平衡的最佳方式是将机器安装为使它们的往复运动的质量沿一个共 同的轴线进行往复运动， 但它们的运动在物理上为 180°反相。
图 9 说明了本发明的一个实施例， 它以使两个标称相同的发动机 / 发电机对保持 着同步运作的方式来控制它们， 同时也以能够实现本发明的其它优势和特色方式来控制每 一对。优选地， 发动机 1 和发电机 1 被安排为， 使它们的往复运动的部分与发动机 2 和发电 机 2 往复运动的部分沿相同的轴进行往复运动， 但发动机 1 和发电机 1 与发动机 2 和发电 机 2 构成物理镜像的配置。这些开关模式整流器 201 和 202 的输出被连接到相同的能量储 存装置， 如与图 3 所示类似的能量储存电容器或者电池， 它是连接到开关模式整流器 201 和 202 的一个输出电路 206 的一部分。
图 9 的控制系统具有两个并联的控制系统， 每个控制系统的输出施加到开关模式 整流器 201 和 202 的不同之一。类似于图 7 的实施例， 从输出电路中的能量储存装置推导 所检测的 VDC 总线的反馈。然而， 两个并联的控制系统的除法点 208 和 210 都被施加了缩放的 VDC 总线。除了以下几点之外， 所述两个并联的控制系统中每一个都与图 7 的控制系统相同。
电流传感器 1 检测发电机 1 中的电流和电流传感器 2 检测发电机 2 中的电流。因 此， 这两个并联的控制系统中的每一个都根据它所控制的发动机 / 发电机对中的电流， 计 算出一个其虚拟调谐电容器两端的电压。
有利地， 两个并联的控制系统之一的正弦波发生器提供了生成与其它正弦波发生 器的生成的正弦波相比具有不同振幅和不同相位的正弦波的可能性。 这允许将两个并联控 制系统的振幅和相位彼此相互进行调整。正弦波发生器 214 产生正弦输出， 它与正弦波发 生器 216 的输出有一个相位差 Φ2。对这两个正弦波的相对相位的调整允许控制电路补偿 两个发电机的电感中的差异， 和补偿会导致机械调谐差异的小的机械差异， 例如两个发电 机或发动机之间的质量和弹簧中的小的差异。使正弦波发生器 214 的振幅 A2 与正弦波发 生器 216 的振幅不同， 允许补偿其它的基于幅值的差异， 如两个发电机之间的磁铁强度的 差异。当然， 这些差异也允许这两个发动机 / 发电机对在不同的相位角和 / 或不同的振幅操作， 如果需要的话。例如， 除了以物理镜像配置安装两个发动机 / 发电机对之外， 它们可 以并排安装在相同的方向， 以节省空间， 以物理失相 180°工作， 并且其中一个的发电机绕 组的连接与另一个的发电机绕组的连接相反， 使得电力输出是同相的。
图 10 的替换实施例
在本发明的前述实施例的操作中， 发电机端子两端 ( 即发电机连接到开关模式整 流器开关的地方 ) 的电压是在高开关频率的脉冲序列。该脉冲序列的脉冲具有等于能量储 存电容器 44 两端的电压的一个脉冲高度， 且上述脉冲具有在发电机频率 ω 的每个周期上 变化的占空比。当发生开关时， 发电机的电感维持上述电流和将能量供应到电路中。
但是， 相对较高的开关频率是足够高的， 它可能导致 RF 能量辐射， 这可能会引起 不期望的无线电干扰和噪声。因此， 如果这可能是一个问题， 可以将一个 LC 滤波器插在发 电机端子 ( 电压 VT) 和开关模式整流器 32 的 H 桥的开关 34、 36、 38 和 40 之间。在开关模式 整流器的 H 桥的发电机侧的电压， 成为在发电机工作频率 ω 的一个正弦曲线， 而非高开关 频率的脉冲序列。LC 滤波器包括一个电感 302 和电容 304。电感 302 可以具有例如 100 微 亨 (μH) 的感抗和电容器 304 可以具有例如 0.015 微法 (μF) 的电容。除了发电机绕组， 通过在开关时提供能量， 滤波器的电感 302 现在也提供能量和维持电流。该 LC 滤波器降低 了由高开关频率产生和辐射的噪音。但是， LC 滤波器不是实施上述控制系统必需的， 它具 有增加设备的尺寸和重量的不良效果。 因此， 它是一个替换实施例， 需要工程师折衷考虑与 增加该应用的尺寸和重量相比在特定应用中抑制高频辐射和噪音的相对重要性。
频率控制
存在希望可变地控制斯特林发动机的工作频率 ω 的情况。例如， 如果发动机和 / 或发电机受到环境温度的变化， 这可能会导致发动机组件温度的变化， 这些温度的变化可 能导致斯特林发动机的共振频率偏离标称设计频率。 这样的温度变化可能， 例如， 发生在外 层空间的应用中。借助于本发明的控制系统， 工作频率可以通过改变 ω 的值而改变。这在 使用微处理器控制或其它基于计算机的控制的实施例中是最方便实现的。 由于本发明计算 虚拟电容器两端的电压， 它是工作频率 ω 的一个函数， 通过在执行这一计算时使用工作频 率 ω 的新值， 本发明的实施例可以很容易地适应这种频率变化。因此， 在频率变化时， 也可 以维持控制。
因此综上所述， 本发明的控制系统能够维持恒定工作频率 ω， 通过维持它作为正 弦函数发生器的频率。然而， 这种工作频率可以通过改变 ω 而改变， 且控制被维持。本发 明同步地调整机器的活塞冲程以保持恒定的输出 DC 电压或恒定的头部温度。重要的是， 本 发明还保持对活塞冲程的更加严格的控制， 不需要活塞位置传感器、 活塞位置控制环路或 负反馈发电机电流控制环路。
K 常数的代表值
如图 4 所示， 本发明可以在具有不同 K 常数值的不同电路中实施。然而， 作为一个 例子， 该值的代表值如下 ：
KI， 2 ＝ 14.648/s( 每秒 )
KP， 2 ＝ 0
Kfb， 2 ＝ 0.009741/V( 每伏 )
参数定义α 线性发电机电机常数， 它将开路发电机电压与活塞速度相关且将发电机电流与 活塞上的力相关 ：
由于发电机线圈的内部阻抗， 实际端电压是通过发电机的电流的函数。由于活塞 冲程与活塞速度成正比， 电压在恒定频率下与冲程成正比。
Vcmd 能量储存电容器两端的指令电压， VDC 总线。
VDC 总线储存电容器或电池两端的直流电压。
Vg 发电机绕组上感应的瞬时开路电压 ( 反电动势电压 )。
VRac 发电机的集总电阻两端的瞬时电压。
VLalt 发电机电感两端的瞬时电压。
VT 发电机端电压。
V 内部 cmd 指令的 V 内部。
V 内部 Vg+VRac 的瞬时和。
i 发电机电流。
v 虚拟电容器电压。
s 定义微分的拉普拉斯算子。
1/s 定义积分的拉普拉斯算子。
虽然详细披露了本发明的某些优选实施例， 可以理解的是， 可以进行各种修改而 不背离本发明的精神或后附权利要求的范围。