專利名稱：用于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的節(jié)能控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種用于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的節(jié)能控制器。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組主要用于三個(gè)方面1.野外作業(yè)的常用電源如鉆井平臺(tái)、野外施工 等，這些地方?jīng)]有電網(wǎng)用以提供工作能源。2.移動(dòng)設(shè)備的常用電源如內(nèi)燃機(jī)車、港口輪胎式 集裝箱龍門吊車、船用發(fā)電、軍用設(shè)施等，固定電網(wǎng)沒法滿足移動(dòng)作業(yè)的要求。3. —些大型 單位的備用電源如國(guó)防工程、醫(yī)院等要求不能斷電的單位，備用電源是對(duì)電網(wǎng)故障的必要 補(bǔ)充，不可缺少。不管新能源發(fā)展到何種程度，在大電網(wǎng)的背景下，燃燒發(fā)電的需求仍將保持它的 存在的理由(移動(dòng)、無電網(wǎng)、備用)，因此這方面的節(jié)能是必須的。柴油發(fā)電機(jī)是一種最重要的內(nèi)燃機(jī)。下面以柴油發(fā)電機(jī)組為例，講解有關(guān)問題，但 這些問題對(duì)于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組都是相同或者相通的。柴油發(fā)電機(jī)組的用電負(fù)荷一般都是不斷變化的，很多時(shí)候不同時(shí)段負(fù)荷率也不 同，而且經(jīng)常工作在輕負(fù)荷的狀態(tài)下。原來由于發(fā)電頻率和電壓的要求，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組都工 作在高速狀態(tài)下，從而燃油的消耗大大增加。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，頻率問題得以 通過變頻解決，從而為本發(fā)明降速節(jié)能提供了方便。作為柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力源的柴油機(jī)，其一個(gè)重要特性就是低速運(yùn)行時(shí)耗油率要 比高速時(shí)低。圖1是一種柴油機(jī)的萬(wàn)有特性曲線，其所揭示的耗油率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。如圖示，同 樣輸出40KW的功率，該柴油機(jī)在2600轉(zhuǎn)/秒時(shí)的油耗是270g/kw. h，但在1600轉(zhuǎn)/秒時(shí)的 油耗是220g/kw. h ；降速使油耗直接降低約20%。不同的柴油機(jī)和工況有不同的節(jié)油空間，一般能達(dá)到30%左右。節(jié)能器的配置不 同如選用更大容量的超級(jí)電容器組等也有額外的節(jié)能空間。用電設(shè)備的國(guó)家規(guī)定是固定的，以我國(guó)為例，是3相/380V/50HZ或者單相 /220V/50HZ。否則設(shè)備無法運(yùn)行。國(guó)家對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)負(fù)載在0% 100%范 圍內(nèi)漸變或突變時(shí)，I III類柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓波動(dòng)不得大于士 士3%，輸 出頻率波動(dòng)不得大于0. 5 3% . IV類柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓和輸出頻率波動(dòng)不得大于 士5%。而發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率直接決定于它的轉(zhuǎn)速。因此為保證柴油機(jī)的最大負(fù)荷 能力，柴油機(jī)必須工作在它的最高轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)的工頻輸出。柴油機(jī)發(fā)出的電壓未經(jīng) 任何處理直接用于電器負(fù)載，因此限制了柴油機(jī)只能工作在最高速即額定速度。而這對(duì)于 輕負(fù)荷或者小負(fù)荷的工作狀態(tài)，其耗油率很高，而且機(jī)械效率和熱效率都很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于解決上述問題降速使用柴油機(jī)，同時(shí)使用功率匹配滿足負(fù)荷的功率需求。
要解決這個(gè)問題，必須降速使用柴油機(jī)。同時(shí)對(duì)所發(fā)非標(biāo)電壓進(jìn)行處理，以達(dá)到電 器使用的要求。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展尤其是變頻器的應(yīng)用，為它的解決打開了方便之 門。本發(fā)明提供的節(jié)能器能控制柴油機(jī)(內(nèi)燃機(jī))及與之同軸相連的發(fā)電機(jī)從怠速到 全速的全點(diǎn)速工作，通過電力電子功率匹配技術(shù)，提供負(fù)載所需的電功率。節(jié)能器提供的電 能出口是能夠供標(biāo)準(zhǔn)變頻器使用的直流電壓，可以給負(fù)載變頻進(jìn)行直流供電或者通過變頻 器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)交流電供其它電器使用。節(jié)能器分別和柴油機(jī)發(fā)電機(jī)及負(fù)載相連。節(jié)能器包含負(fù)責(zé)把發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電整流泵升至標(biāo)準(zhǔn)變頻器直流電平并進(jìn)行 功率匹配功能的泵升整流功率匹配電路、提供功率匹配環(huán)節(jié)的電容緩沖電路、以及核心控 制電路單元。節(jié)能器原理框圖請(qǐng)參見圖3.下面是相關(guān)解釋和描述。泵升整流功率匹配電路通過IGBT與發(fā)電機(jī)的輸出電感線圈L相連；和IGBT相連 的矢量控制電路通過轉(zhuǎn)矩矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率和負(fù)載所需的輸出功率之 間的功率匹配。電容緩沖電路并聯(lián)在輸出直流母線之上，前接泵升整流功率匹配電路，后接輸出 負(fù)載。通過電容電壓(即直流母線電壓)的變化和母線電流的檢測(cè)，控制程序計(jì)算出負(fù)載 變化，從而給控制電路單元提供控制數(shù)據(jù)用于控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率供給的相應(yīng) 變化，形成系統(tǒng)的穩(wěn)定功率循環(huán)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。核心控制電路單元包括用于監(jiān)測(cè)功率輸入和輸出的功率檢測(cè)電路以及矢量控制 電路、碼盤檢測(cè)電路、勵(lì)磁調(diào)節(jié)電路、速度給定電路、系統(tǒng)的保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、通訊 電路、集成有核心控制軟件的CPU。功率檢測(cè)電路單元采用霍爾元件在直流母線之上，測(cè)量直流母線電壓及電流數(shù) 據(jù)，通過功率檢測(cè)單元提供給CPU功率數(shù)據(jù)；通過速度給定電路借助發(fā)動(dòng)機(jī)的電子調(diào)速器控制發(fā)動(dòng)機(jī)速度，通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)電路 借助同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制同步發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，通過碼盤檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)同步發(fā) 電機(jī)相位角的檢測(cè)，通過矢量控制電路借助整流泵升功率匹配電路達(dá)成功率匹配，通過功 率檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)功率需求變化，通過人機(jī)接口電路借助控制盤提供數(shù)據(jù)顯示和控制交互， 通過通訊模塊提供對(duì)外的數(shù)據(jù)通路，通過保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種安全保護(hù)；而這些集成 體現(xiàn)于CPU的核心控制軟件中；CPU中包含所有的控制軟件，包括柴油機(jī)的控制模型、功率 匹配的優(yōu)化算法、轉(zhuǎn)矩矢量算法、以及其他的顯示和通訊功能等，通過功率數(shù)據(jù)借助轉(zhuǎn)矩矢 量控制算法實(shí)現(xiàn)功率匹配。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，本設(shè)備的電子集成化程度很高。它從整體一個(gè)產(chǎn)品的角 度，徹底整合所有相關(guān)方案，形成一個(gè)完整的徹底的電子標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。其抗干擾能力顯著提 高，程序控制能力顯著加強(qiáng)，同時(shí)成本也從理論上達(dá)到最低層級(jí)。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，矢量控制算法和控制程序集中于一個(gè)CPU中，矢量實(shí)時(shí) 控制的相關(guān)變量比如發(fā)動(dòng)機(jī)定子的相位實(shí)時(shí)角等對(duì)于功率匹配有直接意義的變量可以提 供給控制程序?qū)崟r(shí)應(yīng)用，從而顯著提升實(shí)時(shí)功率匹配的精度和能力。而其他方案由于通訊 速度的問題這些變量失去了實(shí)時(shí)應(yīng)用的意義。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，對(duì)于發(fā)電機(jī)發(fā)出的非工頻交流電，通過泵升整流的方式提供給直流母線，該直流電壓符合標(biāo)準(zhǔn)變頻器的應(yīng)用，從而能夠通過標(biāo)準(zhǔn)變頻器轉(zhuǎn)換成工 頻電壓提供給用戶使用。本發(fā)明提供給內(nèi)燃發(fā)電機(jī)行業(yè)一種標(biāo)配節(jié)能器，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)速度 的降低在節(jié)約能量的同時(shí)，同時(shí)延長(zhǎng)相配套的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)的壽命，從而將徹底改變內(nèi)燃 發(fā)電機(jī)行業(yè)的技術(shù)和市場(chǎng)格局。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，由于緩沖能量的存在，本行業(yè)的內(nèi)燃機(jī)裝機(jī)容量高配現(xiàn) 象將得到緩解和消除；原來頻繁需要的制動(dòng)電阻放電也將減到很少，從而熱污染也將減少； 由于突然加速而產(chǎn)生的噪聲污染也將消除。內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組由于其反應(yīng)速度滯后，所以面臨 一些突然的大量的功率需求驟變，必須用連續(xù)突然加速實(shí)現(xiàn)，由此產(chǎn)生噪聲污染。對(duì)于大多 數(shù)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的配置以滿足系統(tǒng)的最高需求為配置標(biāo)準(zhǔn)，雖然很多這種需求是暫時(shí)的或 者短暫的，顯然的高配現(xiàn)象。由于沒有緩沖能量的存在，從燃料到電的能量變換的不可逆， 因此在系統(tǒng)中功率需求的不斷變化必將導(dǎo)致放電電阻的不斷投入，這就是熱污染。因此引 入緩沖電容將導(dǎo)致上面現(xiàn)象的緩解甚至消除，社會(huì)效果顯著。本發(fā)明的直接意義在于通過功率匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的低速經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，從而顯著降低油耗。對(duì)于負(fù)載功 率變化需求顯著的負(fù)載或者長(zhǎng)期處于輕載的負(fù)載，節(jié)能效果達(dá)到50% ；如果選用超級(jí)電容 作緩沖儲(chǔ)能，更達(dá)到70%的理論節(jié)能。電力電子技術(shù)的應(yīng)用和微電子的控制，使控制效率更高，更加自動(dòng)化。如果選用超級(jí)電容作緩沖儲(chǔ)能，可大大降低柴油機(jī)容量。柴油機(jī)降速使用減少煙氣排放，降低噪聲污染。柴油機(jī)降速使用降低工作強(qiáng)度，減少磨損及故障率。延長(zhǎng)柴油機(jī)壽命，減少維修工作量。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和油耗的萬(wàn)有特性曲線；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的節(jié)能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明的節(jié)能器的內(nèi)部原理框圖。
具體實(shí)施例方式下列實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步解釋和說明，并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。參閱圖2，本發(fā)明的節(jié)能器通過調(diào)速器和柴電機(jī)組的柴油機(jī)相連，通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 和柴電機(jī)組的同步發(fā)電機(jī)相連，其中柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)同軸連接。柴油機(jī)是帶有全程電 信號(hào)連續(xù)調(diào)速的可工作于從怠速到全速的可調(diào)速柴油機(jī)，同步發(fā)電機(jī)在柴油機(jī)的驅(qū)動(dòng)下能 穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)生不同電壓、不同頻率的交流電，該交流電提供給節(jié)能器作輸入，通過節(jié)能器 及其功率匹配控制過程轉(zhuǎn)換成可供負(fù)載使用的電源。例如，假設(shè)柴油機(jī)怠速為800轉(zhuǎn)/分， 全速1500轉(zhuǎn)/分，同步發(fā)電機(jī)是4極，發(fā)電機(jī)額定電壓400V，額定頻率50Hz。柴油機(jī)可在 800轉(zhuǎn)/分到1500轉(zhuǎn)/分之間的任何轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)且可由調(diào)速器無級(jí)調(diào)速。本發(fā)明的要點(diǎn) 在于，本節(jié)能器能夠?qū)l(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成可供變頻器直接使用的直流電；同時(shí)對(duì) 于電功率的需求檢測(cè)，進(jìn)行及時(shí)的電子級(jí)的功率匹配，控制發(fā)電的功率從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。更具 體地說，節(jié)能器包括整流泵升功率匹配電路，電容緩沖電路及其功率及核心控制電路單元。其中整流泵升功率匹配電路的核心是電力電子元件IGBT。IGBT控制極通過轉(zhuǎn)矩矢量控制 電路和核心控制電路單元相連。IGBT交流輸入和發(fā)動(dòng)機(jī)(柴油機(jī))的輸出電感(即發(fā)電機(jī) 的定子繞組電感)相連。IGBT的輸出即直流母線輸出。核心控制cpu的矢量控制算法通過 矢量控制電路，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的直流控制性能模擬，它將電動(dòng)機(jī)電流分解成勵(lì)磁電流和 轉(zhuǎn)矩電流，以最低速度達(dá)到燃油狀況最經(jīng)濟(jì)、以最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到電能轉(zhuǎn)換最充分從而實(shí)現(xiàn)發(fā) 電功率的控制和柴電機(jī)組的節(jié)油(節(jié)能)。通過開關(guān)k的開關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率的控 制。該開關(guān)頻率即矢量控制輸出。電容緩沖電路并接于直流母線上，功率檢測(cè)電路和直流 母線相連，檢測(cè)直流母線電壓和電流，實(shí)際使用中根據(jù)電容電壓的跌落估算負(fù)載功率的需 求，因此電容主要用于能量緩沖需求，在此基礎(chǔ)上功率檢測(cè)電路發(fā)揮作用，提供給cpu功率 需求數(shù)據(jù)以進(jìn)行矢量控制達(dá)到及時(shí)的功率匹配。功率和核心控制cpu集成了最充分的軟件 控制功能，包含有柴油機(jī)的調(diào)速控制算法、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制算法、矢量控制算法、功率匹 配算法、人機(jī)接口功能算法、通訊算法等。通過它實(shí)現(xiàn)柴電機(jī)組最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行和最高的 電能轉(zhuǎn)換效率；通過它實(shí)現(xiàn)整個(gè)柴電機(jī)組的安全運(yùn)行；通過它實(shí)現(xiàn)柴電機(jī)組的啟動(dòng)、停止、 保護(hù)；通過它實(shí)現(xiàn)柴電機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控。 上述發(fā)明實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的闡釋，但并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成局限。在不偏離發(fā)明構(gòu) 思的前提下，以上各個(gè)構(gòu)件可用所屬技術(shù)領(lǐng)域人員了解的相似或等同元件來替換。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的節(jié)能控制器，它通過和內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組電氣連接，能夠?qū)?nèi) 燃發(fā)電機(jī)組進(jìn)行功率調(diào)控，該控制器系統(tǒng)包括通過調(diào)速控制器對(duì)可調(diào)速內(nèi)燃機(jī)(即發(fā)動(dòng)機(jī))進(jìn)行調(diào)速和調(diào)功以及通過勵(lì)磁控制器控 制與之同軸連接的同步發(fā)電機(jī)；節(jié)能控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)和同步發(fā)電機(jī)相連。通過對(duì)負(fù)載功率的需求檢測(cè)閉環(huán)控制發(fā)動(dòng)機(jī) 的速度、同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)而控制發(fā)電功率的供給輸出。
2.如權(quán)利要求1所要求的節(jié)能控制器，包括整流泵升功率匹配電路單元；電容緩沖電路單元；以及核心控制電路單元；該整流泵升功率匹配電路單元和同步發(fā)電機(jī)相連，它將同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的低頻低壓交 流電壓轉(zhuǎn)換成供標(biāo)準(zhǔn)變頻器使用的直流電壓；該母線電壓輸入給標(biāo)準(zhǔn)變頻器作為其工作直 流電壓或者通過變頻器變換成標(biāo)準(zhǔn)的交流電壓；電容緩沖電路單元和整流泵升功率匹配電 路相連，它用于緩沖負(fù)載和同步發(fā)電機(jī)之間的功率差，同時(shí)給核心控制電路單元提供功率 控制數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所要求的節(jié)功控制器，所述整流泵升功率匹配電路包括IGBT及矢量 控制電路；IGBT的控制極與矢量控制電路相連，IGBT的輸入端和同步發(fā)電機(jī)輸出端相連， IGBT輸出母線電壓；所述矢量控制電路對(duì)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行矢量控制以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制和功率匹配。
4.如權(quán)利要求1所要求的節(jié)能控制器，所述電容緩沖電路單元并聯(lián)在直流母線上，并 且和IGBT的輸出端相連以及和負(fù)載直接相連；內(nèi)燃發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于電子來講是個(gè)慢系統(tǒng)，它的調(diào)整和反應(yīng)需要有一定的時(shí)間滯后，因 此從負(fù)載需求到計(jì)算控制乃至最終發(fā)電機(jī)供給相應(yīng)功率這其中的能量保證是本系統(tǒng)穩(wěn)定 工作的前提；這就需要系統(tǒng)中存有一定的能量用以緩沖和滿足這種滯后而引起的功率需 求；這個(gè)功能由緩沖電容來完成；通過電容電壓(即直流母線電壓)的變化和母線電流的 檢測(cè)，控制程序計(jì)算出負(fù)載變化，從而給控制電路單元提供控制數(shù)據(jù)用于控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率供給的相應(yīng)變化，形成系統(tǒng)的穩(wěn)定功率循環(huán)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。
5.如權(quán)利要求1所要求的節(jié)能控制器，所述核心控制電路單元還包括用于監(jiān)測(cè)功率 輸入和輸出的功率檢測(cè)電路以及矢量控制電路、碼盤檢測(cè)電路、勵(lì)磁調(diào)節(jié)電路、速度給定電 路、系統(tǒng)的保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、通訊電路、集成有核心控制軟件的CPU。通過速度給定電路借助發(fā)動(dòng)機(jī)的電子調(diào)速器控制發(fā)動(dòng)機(jī)速度，通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)電路借助 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制同步發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，通過碼盤檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī) 相位角的檢測(cè)，通過矢量控制電路借助整流泵升功率匹配電路達(dá)成功率匹配，通過功率檢 測(cè)電路監(jiān)測(cè)功率需求變化，通過人機(jī)接口電路借助控制盤提供數(shù)據(jù)顯示和控制交互，通過 通訊模塊提供對(duì)外的數(shù)據(jù)通路，通過保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種安全保護(hù)；而這些集成體現(xiàn) 于CPU的核心控制軟件中。
全文摘要
一種可調(diào)速調(diào)功的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的節(jié)能控制器，該內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組包括設(shè)有工作轉(zhuǎn)速可從怠速到全速之間連續(xù)調(diào)速的全程調(diào)速器的內(nèi)燃機(jī)及與之同軸連接的同步發(fā)電機(jī)，該可調(diào)速內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組通過該控制器將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的從低頻低壓到額定頻率額定電壓的交流電能轉(zhuǎn)變成可供變頻器直接使用的直流電能及通過對(duì)負(fù)載所需的實(shí)際功率的檢測(cè)，來控制發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率。該控制器包括泵升整流功率匹配電路、電容緩沖單元以及核心控制電路單元。該控制器分別與內(nèi)燃機(jī)及同步發(fā)電機(jī)相連接。本發(fā)明可使內(nèi)燃機(jī)在低于額定速度的任一速度點(diǎn)穩(wěn)定工作，從而保證系統(tǒng)輸出的電源的電壓和頻率符合負(fù)載的要求，并降低燃油消耗，減少?gòu)U氣排放。
文檔編號(hào)F02D29/06GK102005999SQ20091016977
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2009年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者張懷亮, 張懷陽(yáng), 李劍飛 申請(qǐng)人:張懷亮, 張懷陽(yáng), 李劍飛