發電系統的製作方法

2023-10-10 16:03:19 2

專利名稱：發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種發電系統，特別是利用汽油機驅動發電機的、一種小型的可攜式發電系統。
背景技術：
隨著科學技術的發展，用電設備已經充滿了我們的生活，人們對電的依賴越來越強。在電網電力輸送不到的邊遠偏僻山區、牧場、漁場、海島、臨時性的建築工地，以及供電負荷短缺、經常停電的經營場所等，特別需要能移動方便、經濟適用的後備電源。而對於一些特殊的活動和情況，人們對於獨立電源的需求更迫切，對獨立電源的可攜帶性要求更強。 外出野營旅遊、野外探險、科學考察考古、軍人執行野外軍事任務、發生地震洪水等一些自然災害時的救援等活動都需要低成本、高可靠性的便攜汽油機-發電機組為核心的獨立電源系統。發動機驅動發電機的發電裝置從便攜到應急等各種應用正在得到普及，但現有的發電裝置存在如下問題價格昂貴、不方便攜帶、操作保養費用高、對負載適應能力底等問題。在內燃發電機組中，小型汽油機-發電機組因具有小巧、靈活機動等優點，在IOKW 以下的小容量發電機需求中佔據主導地位。但目前國內外針對小型可攜式汽油機-發電機組的數字控制系統進行的研究相對較少，無錫的開普公司是這方面的先行者，己經開發出1 IOkW的數字發電機產品，市場反應良好取得了巨大的經濟效益。目前數字發電機的市場還在擴大，為適應市場的需要，開發一種高的負載適應性、價格低廉、可靠性高、便於攜帶、操作保養方便、具有良好通用性和擴展性的可攜式獨立電源系統具有較大的應用價值。

發明內容
本發明的目的在於解決上述技術問題，採用的技術方案如下一種發電系統，包括內燃機，其用於向系統提供動力，電機/發電機，其與上述內燃機機械連接，整流裝置，其將上述電機/發電機的輸出進行整流，逆變器，其將整流裝置的輸出轉換為預定頻率的交流電並輸出給負載，傳感裝置，用於檢測負載值，和控制裝置， 其接收傳感裝置所檢測的負載值，並根據所接收的負載值對內燃機輸出功率進行調整。優選地，所述控制裝置設置有單位時間負載變化閾值，當相同所述單位時間內負載值變換量大於所述閾值時，使用模糊控制方式對內燃機進行控制，當相同所述單位時間內負載值變化值不大於所述閾值時，使用PID控制方式對內燃機進行控制。優選地，所述負載值為母線電壓或母線電流。優選地，還包括節氣門控制電機，其通過減速機構與內燃機節氣門相連接。優選地，還包括擺臂和位置傳感器，所述減速機構通過擺臂與所述節氣門相連接， 所述位置傳感器用於檢測擺臂位置，所述控制裝置向節氣門控制電機發送節氣門開度指令，並根據所述位置傳感器的反饋信號來調整節氣門開度指令。
優選地，所述位置傳感器為可變電阻。優選地，還包括蓄電裝置，在內燃機起動時，所述電機/發電機作為內燃機的起動電機，蓄電裝置經逆變裝置為所述電機/發電機提供電能。優選地，所述內燃機為四衝程單缸風冷汽油發動機。優選地，所述電機/發電機為無刷永磁同步電機，其永磁材料採用釹鐵棚永磁體。優選地，內燃機和發電機之間採用十字滑塊聯軸器連接。優選地，控制裝置採用晶片MC33035作為控制晶片。優選地，整流裝置採用頂2130作為控制晶片。一種發電系統，其包括蓄電裝置、發動機-發電機、控制裝置和逆變裝置，所述逆變裝置用於將蓄電裝置的電力轉換為預定頻率的交流電並提供給負載，當所述控制裝置檢測到所述蓄電裝置的電力不足時，自動啟動發動機-發電機系統為蓄電裝置充電。


圖1為發電系統整體結構圖。圖2為發電系統的控制原理3為汽油機轉速恆定下轉矩與節氣門開度的關係圖4為汽油機突卸負載轉速變化曲線圖5為發電系統的控制系統結構圖
具體實施例方式下面，參考附圖對本發明進行詳細說明。如圖1所示的發電系統的整體結構圖以及圖2所示的發電系統的控制原理圖，發電系統是由內燃機3，優選為汽油機，拖動發電機1向外部負載供電的，汽油機通過聯軸器2 與起動/發電機1相連接，起動/發電機1通過起動/發電控制電路5與電池系統4相連接，同時通過直流母線8與直流輸出接口 7電連接。油門控制電路6根據直流母線8的電壓或電流值，對內燃機的節氣門開度進行控制。通常情況下，發電系統的負載要求發電機產生的電流和電壓越穩定越好。所屬領域技術人員能夠知曉，發電系統輸出的電壓直接受發動機轉速的影響，發動機轉速如不穩定，則發電機產生的電壓也不穩定。受負載的影響，在負載發生變化時，發電系統的輸出電壓會產生變化，為了保證輸出電壓的穩定，必須根據負載的變化，不斷調整發電機的輸出端電壓以消除負載變化時電源輸出電壓的變化，這顯然要依靠調節汽油機的轉速來實現。所以，對汽油機-發電系統的控制即是對汽油機轉速的控制。汽油機-起動/發電系統發電時，檢測單元M採樣到機組的被控信號後，送入控制器15進行比較得到偏差值，控制器根據此偏差值按照特定的控制算法進行控制運算，從而得出應該開大汽油機節氣門還是關小，以及具體的開大量或關小量，再通過執行機構9 對汽油機的節氣門進行相應的控制，使汽油機在變化的負荷下保持在設定的工況下工作。 在這個自動控制系統中，各個環節相互作用的總迴路始終是閉合的，一個環節的輸出對應另外一個環節的輸入，形成對汽油機轉速持續不斷的控制。圖3是汽油機在轉速恆定下轉矩與節氣門開度的關係。由圖3可以得到汽油機調速器調節轉速的基本規律為轉速恆定在規定的範圍內時，若負載力矩發生變化就要求汽油機按此靜態特性調節節氣門來增減輸出力矩。圖4為汽油機突卸負載轉速變化過程。可以看出，汽油機突卸負荷的轉速變化過程是一個慣性系統在階躍信號作用下的過渡過程。由於進氣比節氣門開度的變化滯後，相當於一個延遲環節。下面請參考圖5所示的發電系統的控制系統結構圖，發電機1輸出的三相交流電通過整流模塊23整流成直流電，電壓採樣單元定時採樣直流母線8的電壓信號11，對採樣信號11進行數位化處理後送給數字控制器15，控制電源22將母線電壓轉換為控制15的電源電壓，電流檢測裝置16檢測母線電流，並將檢測結果發送至控制器15，數字控制器15按設計的算法程序進行計算，向執行機構9發送節氣門開度指令，從而達到對汽油機3節氣門開度的控制，向發動機提供適量的燃油，實現按要求對汽油機轉速的調節。電壓信號11和電流檢測裝置16的檢測值反映了負載10的大小變化情況，同時， 電壓檢測模塊13將母線電壓變化傳送給發動機保護繼電器14。汽油機轉速調節的過渡過程是一個一階慣性環節和延遲環節的疊加，並且由於轉速變化相對於節氣門的開度變化有輕微的滯後，所以採用PID算法進行控制是比較理想的選擇。汽油發電機組的汽油機作為固定作業的汽油機，在工作時負載有可能隨時發生變化， 尤其是大幅度加減負載時系統的擾動輸入量特別大，這時汽油機-負載調速系統的非線性特性己超過了線性化假設的範圍，針對汽油發電機組可能出現的各種情況，可以考慮採用模糊-PID控制方案，在特殊情況下，如突加、突卸負載，也即誤差大於門限值時，採用模糊控制，如當突加負載的值大於第一閾值時，設定與負載值變化量相關的係數，將當前的發動機轉速乘於該係數作為發動機的轉速指令；當突卸負載值小於第二閾值時，向發動機發送怠速指令；小於門限值時採用PID控制，以充分利用模糊控制的快速性、魯棒性好的優點與分段PID控制穩態精度高的優點。為了更好的達到小型化、可攜式、高可靠性的要求，系統各部件選型如下發動機發動機3採用小功率(< IkW)四衝程單缸風冷汽油發動機，要求系統結構簡單， 重量輕便於攜帶，容易維修保養。起動/發電機優選地，起動/發電機1可以採用直流無刷永磁同步電機，永磁材料採用釹鐵硼 (NdFeB)永磁體。為了減輕重量和提高功率密度，採用分數槽集中繞組設計方案，由於電機速度較高，考慮到鐵耗在高速時較大，極對數不能取得太多，在綜合考慮各種影響因素後， 決定取6槽4極。十字滑塊聯軸器發動機與起動/發電機的軸連接存在同軸度的問題。由於加工精度和安裝精度的影響，發動機輸出軸和電機軸的同軸度不能保證，通常需要加裝撓性連軸器。採用用十字滑塊聯軸器聯接，容許大的徑向和角向偏差；零迴轉間隙，高扭矩剛性和靈敏度；結構簡單、 抗油腐蝕和電氣絕緣。執行機構汽油機的機械慣性比較大，並且汽油機的轉速調整還要經過一個熱工過程，因此，過度的提高執行機構9的動態響應速度並不會使得控制效果得到進一步的改善。舵機(帶有減速機構的微型直流電機)慣性遠遠小於汽油機的機械慣性。考慮到這些因素，在此執行機構採用舵機。舵機主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。其工作原理是由控制器發出訊號給舵機，經由電路板上的IC判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經到達定位。 位置檢測器其實就是可變電阻，當舵機轉動時電阻值也會隨之改變，通過檢測電阻值便可知轉動的角度。其它設備如圖5所示，發電系統還設置了熄火開關17、節氣門手動控制裝置18、故障指示裝置19、電源指示裝置20和電壓指示裝置21。發電系統的工作過程如下(1)起動階段(汽油機-起動系統)在起動/發電系統的起動階段，無刷直流電機作為電動機，汽油發動機作為負載與無刷直流電動機構成一個汽油機-起動系統。控制系統主要完成的任務就是為電機提供足夠大的電流使起動轉矩達到要求來帶動發動機做功，而後轉入發電狀態運行。這個過程不涉及轉矩控制、PWM調速等問題，控制系統在滿足性能指標，穩定可靠的前提下，本課題採用模擬電路來實現開環驅動控制方式，由無刷直流電機專用控制晶片結合功率驅動晶片構成，即滿足系統要求，又簡化系統、降低成本和重量，使機組便於保養和維修，在這個過程中機組操作人員按下系統啟動開關後，無刷直流電機驅動控制器上電。無刷直流電機驅動晶片接收位置傳感器信號，將位置信號按照預定邏輯計算後，輸出驅動信號驅動三相逆變橋上的功率開關管，將電池供給的直流電逆變成頂寬為120°的梯形波，供給電機的三相繞組，使電機中形成旋轉的磁場以帶動轉子轉動。發動機起動後，隨著發動機轉速上升，發動機將反拖電機，此時電機將成為發電機，逆變橋上的功率開關管的驅動晶片根據電機位置信號控制功率管的開通和關斷，以實現對無刷直流電機的發電整流。(2)發電階段(汽油機-發電系統)起動/發電系統進入發電狀態後，無刷直流電機作為發電機發電，發電機與汽油發動機構成一個汽油機-發電系統。以上對本發明的優選實施例進行了說明，在不違背本發明精神的情況下進行的變形均應為本發明所涵蓋的範圍。例如，將聯軸器2替換為離合器，將電池系統4替換為超級電容等。
權利要求
1.一種發電系統，包括內燃機；電機/發電機，其與上述內燃機可斷開的連接；整流裝置，其將上述電機/發電機的輸出進行整流；傳感裝置，用於檢測負載值；和控制裝置，其接收傳感裝置所檢測的負載值，並根據所接收的負載值對內燃機輸出功率進行調整。
2.根據權利要求1所述的一種發電系統，其特徵在於所述控制裝置設置有單位時間負載變化閾值，當相同所述單位時間內負載值變換量大於所述閾值時，使用模糊控制方式對內燃機進行控制，當相同所述單位時間內負載值變化量不大於所述閾值時，使用PID控制方式對內燃機進行控制。
3.根據權利要求1或2所述的一種發電系統，其特徵在於所述負載值為母線電壓或母線電流。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的一種發電系統，其特徵在於還包括所述節氣門控制電機，其通過減速機構與內燃機節氣門相連接；以及包括擺臂和位置傳感器，所述減速機構通過擺臂與所述節氣門相連接，所述位置傳感器用於檢測擺臂位置，所述控制裝置向節氣門控制電機發送節氣門開度指令，並根據所述位置傳感器的反饋信號來調整節氣門開度指令。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的一種發電系統，其特徵在於所述位置傳感器為可變電阻。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的一種發電系統，其特徵在於還包括所述逆變器，其將整流裝置的輸出轉換為預定頻率的交流電並輸出給負載；以及包括蓄電裝置，在內燃機起動時，所述電機/發電機作為內燃機的起動電機，蓄電裝置經逆變裝置為所述電機/發電機提供電能。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的一種發電系統，其特徵在於所述內燃機為四衝程單缸風冷汽油發動機；所述電機/發電機為無刷永磁同步電機，其永磁材料採用釹鐵棚永磁體；內燃機和發電機之間採用十字滑塊聯軸器連接。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的一種發電系統，其特徵在於控制裝置採用晶片MC33035作為控制晶片；整流裝置採用頂2130作為控制晶片。
9.一種發電系統，其包括蓄電裝置、發動機-發電機、控制裝置和逆變裝置，所述逆變裝置用於將蓄電裝置的電力轉換為預定頻率的交流電並提供給負載，其特徵在於當所述控制裝置檢測到所述蓄電裝置的電力不足時，自動啟動發動機-發電機系統為蓄電裝置充電。
全文摘要
一種發電系統，包括內燃機，其用於向系統提供動力，電機/發電機，其與上述內燃機機械連接，整流裝置，其與上述發電機相連接，並向負載提供直流電源，傳感裝置，用於檢測負載值，和控制裝置，其接收傳感裝置所檢測的負載值，並根據所接收的負載值對內燃機輸出功率進行調整。該發電系統具有高的負載適應性、價格低廉、可靠性高、便於攜帶、操作保養方便、具有良好通用性和擴展性。
文檔編號H02J7/00GK102536482SQ201210053130
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月2日 優先權日2012年3月2日
發明者宋強, 李健, 郭偉 申請人:北京理工大學