ITUA20164650A1 - Dispositivo elettronico di controllo di un motore stirling di tipo free-piston con alternatore lineare e relativo metodo di controllo - Google Patents
Dispositivo elettronico di controllo di un motore stirling di tipo free-piston con alternatore lineare e relativo metodo di controlloInfo
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Description
DISPOSITIVO ELETTRONICO DI CONTROLLO DI UN MOTORE
STIRLING DI TIPO FREE-PISTON CON ALTERNATORE LINEARE E RELATIVO METODO DI CONTROLLO
CAMPO TECNICO
La presente divulgazione concerne i dispositivi di controllo di motori e, più in particolare, un dispositivo elettronico di controllo di un motore Stirling di tipo freepiston (FPSE) con alternatore lineare (FPSE-LG), in particolare del tipo sprovvisto di sensori di posizione e/o di frequenza di parti mobili del motore, nonché un relativo metodo di controllo.
BACKGROUND
I motori Stirling furono inventati nel 1816 ed i principi di base sono ben noti. I FPSE sono motori a combustione esterna; il calore fornito al FPSE innesca l’oscillazione di un dislocatore che, a sua volta, provoca l’oscillazione di un pistone. Quando collegato ad un alternatore lineare, il pistone si muove solidale con un gruppo di magneti permanenti; a seguito del movimento di detti magneti permanenti, è generato un flusso magnetico variabile nel tempo che induce una forza elettromotrice negli avvolgimenti elettrici dell’alternatore lineare.
La figura 1 mostra un alternatore lineare mosso da un motore Stirling a pistone libero, che converte potenza termica in potenza elettrica nella forma di tensione-corrente alternata. Il calore fornito al FPSE innesca l’oscillazione di un dislocatore 1a all'interno di un corrispondente cilindro 1. Lo spostamento del dislocatore causa uno spostamento di un pistone 2a che scorre all'interno di un rispettivo cilindro 2. Su un asse del pistone 2a sono fissati dei magneti permanenti 3a, posti sostanzialmente di fronte a degli avvolgimenti elettrici 3 statorici, così che il moto del pistone 2a induce ai morsetti 4 una tensione elettrica. Ai terminali degli avvolgimenti elettrici si misura quindi una tensione elettrica vabvariabile nel tempo con andamento sinusoidale; l’ampiezza A e la frequenza f della tensione elettrica vabdipendo dalle caratteristiche tecniche e costruttive del FPSE e dell’alternatore lineare. I valori di progetto dell’ampiezza e della frequenza sono detti valori nominali ovvero Ane fn.
L’esercizio corretto ed in sicurezza di un FPSE-LG sopra descritto richiede il controllo dell’escursione del pistone e del dislocatore. Tale controllo non è necessario nei casi in cui il pistone trasmette il proprio moto ad un manovellismo che, in cambio, condiziona meccanicamente l’escursione dello stesso pistone.
Nel caso di un FPSE-LG, il pistone è libero di muoversi all’interno di un cilindro e non esiste alcun vincolo meccanico, interno o esterno al FPSE-LG, che assicuri sia il dislocatore che il pistone contro un impatto contro il rispettivo cilindro.
Al fine di assicurare sia il dislocatore che il pistone contro un impatto contro il cilindro, e quindi assicurare un corretto e sicuro esercizio del FPSE-LG per diversi punti di lavoro, esistono due possibili soluzioni: 1) regolare la potenza termica fornita dalla sorgente esterna al FPSE-LG; 2) regolare la potenza elettrica estratta dall’alternatore lineare del FPSE-LG.
La regolazione del trasferimento di potenza termica dalla sorgente esterna al FPSE-LG è un processo notoriamente molto lento; per tale motivo, tale regolazione si dimostra inefficace ai fini del rapido controllo della velocità e della escursione del dislocatore e del pistone nel cilindro.
La regolazione della potenza elettrica estratta dall’alternatore lineare del FPSE-LG è, invece, un processo notoriamente veloce; per tale motivo, tale regolazione si dimostra efficace ai fini del rapido controllo della velocità e dell’escursione del dislocatore e del pistone nel cilindro.
Con riferimento alla regolazione della energia elettrica estratta dall’alternatore lineare è possibile, ad esempio, regolare la ampiezza A e la frequenza f della tensione vabcosì da mantenere costante la quantità di potenza elettrica prelevata dall’alternatore lineare del FPSE-LG. Mantenere costante la potenza elettrica estratta dall’alternatore regolando l’ampiezza A e la frequenza f equivale ad applicare ai terminali dello stesso alternatore un carico elettrico costante. Come conseguenza, per un dato flusso di potenza termica in ingresso al FPSE-LG, la velocità e la escursione del pistone, e di conseguenza del dislocatore, sono mantenuti entro i limiti di progetto proprio dalla presenza del carico elettrico costante. La scelta di replicare il comportamento di un carico elettrico costante collegato all’alternatore lineare è, però, poco efficiente e, soprattutto, di non facile applicazione ed implementazione; infatti, regolare velocemente e con elevata precisione la corrente elettrica estratta dall’alternatore in funzione della potenza termica fornita al FPSE-LG ed in funzione delle repentine variazioni del carico elettrico collegato allo stesso alternatore è un compito decisamente non facile.
A tal proposito, esistono alcune soluzioni tecniche che, nello svolgere questo compito, necessitano della misura della frequenza di oscillazione del pistone e la sua posizione all’interno del cilindro. Tali tecniche possono risultare eccessivamente sofisticate e, evidentemente, non possono essere applicate nei casi di FPSE per i quali la frequenza e/o la posizione del pistone non possono essere misurate.
SOMMARIO
È stato realizzato un dispositivo elettronico di controllo adatto per controllare un alternatore mosso da un motore Stirling di tipo free-piston e sprovvisto di sensori di posizione e/o di frequenza di oscillazione di parti mobili del motore, che implementa un metodo di controllo che garantisce ad un motore Stirling di tipo free-piston con alternatore lineare (FPSE-LG) il costante mantenimento dell’equilibrio tra la potenza termica in ingresso al motore e la potenza elettrica estratta dall’alternatore lineare.
Questo eccellente risultato è ottenuto mediante un dispositivo elettronico di controllo come definito nell'allegata rivendicazione 4. Esso permette di implementare il metodo di controllo definito nella rivendicazione 1 per avviare, esercire e controllare un FPSE-LG, garantendo la correttezza e la sicurezza di esercizio.
Le rivendicazioni come depositate sono parte integrante di questa divulgazione e sono qui incorporate per espresso riferimento.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La figura 1 mostra uno schema semplificato di un FPSE-LG.
La figura 2 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo di avviamento, esercizio e controllo di un FPSE con alternatore lineare, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
La figura 3 mostra uno schema di principio di un dispositivo di avviamento, esercizio e controllo di un FPSE-LG, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
La figura 4 è un diagramma a stati finiti che illustra un metodo implementato da un dispositivo di questa divulgazione in presenza di un sistema centrale di supervisione e controllo.
La figura 5 è un diagramma a stati finiti che illustra un metodo implementato da un dispositivo di questa divulgazione in assenza di un sistema centrale di supervisione e controllo.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Il dispositivo di questa divulgazione, illustrato schematicamente in figura 2 ed in figura 3, è configurato per avviare, esercire e controllare motori Stirling del tipo freepiston con alternatore lineare (FPSE-LG).
Il dispositivo sostanzialmente comprende:
un convertitore elettronico di potenza 5 del tipo dc-ac e bidirezionale PEIS; una linea 6 in corrente continua detta dc-bus e composta da due conduttori tra cui insiste una differenza di potenziale Vdc-buscontinua;
un sistema di condensatori 7 direttamente collegati al dc-bus 6;
un convertitore elettronico di potenza 8 del tipo dc-dc e bidirezionale PEIB; un sistema di accumulo di energia elettrica 9 del tipo a batterie ricaricabili - o del tipo flywheel - collegato al convertitore 8 PEIB;
un convertitore elettronico di potenza 10 del tipo dc-ac e bidirezionale PEIG; un convertitore 12 CHOPPER corredato di un resistore di potenza;
un transistore S1ed un transistore S2che agiscono come interruttori comandati. Inoltre:
i terminali del convertitore 5 PEIS del lato funzionante in corrente alternata sono indicati con le lettere a e b, al terminale a sono collegati due transistori S1e S2rispettivamente;
l’alternatore lineare del FPSE è collegato al terminale del transistore S1e al terminale b;
i carichi locali Ll e Rl funzionanti in corrente alternata sono collegati al transistore S2e al terminale b;
il convertitore 5 PEIS preleva potenza dalla linea dc-bus 6 e la rende disponibile ai terminali a e b, e viceversa;
i terminali del convertitore 10 PEIG funzionanti in corrente alternata sono indicati con le lettere e ed f, e a questi terminali è collegata la rete elettrica;
il convertitore 10 PEIG preleva potenza dalla linea dc-bus 6 e la rende disponibile ai terminali e ed f, e viceversa;
il convertitore 8 PEIB preleva potenza dalla linea dc-bus e la rende disponibile al sistema di accumulo 9, e viceversa;
il convertitore 12 CHOPPER preleva potenza elettrica dalla linea dc-bus 6 e la dissipa sotto forma di calore;
i condensatori 7 del dc-bus si caricano e scaricano in funzione della tensione tra i conduttori del dc-bus;
il sistema di accumulo elettrico 9 si carica e si scarica in funzione del punto di lavoro del convertitore 8 PEIB.
Il convertitore 5 PEIS utilizza la tensione del dc-bus per generare una tensione Vabi cui valori di ampiezza A e frequenza f sono pari ai valori nominali di ampiezza Ane frequenza fndel FPSE-LG, e opera così da assicurare sempre valori di ampiezza A e frequenza f prossimi ai valori nominali Ane fn. Il convertitore 5 PEIS può erogare o assorbire potenza elettrica dall’alternatore lineare sia in fase di avvio del FPSE-LG, sia in funzionamento transitorio o di regime del FPSE-LG. Quando il convertitore 5 eroga potenza elettrica all’alternatore lineare del FPSE-LG e/o ai carichi elettrici locali, tale potenza è fornita dal sistema di accumulo di energia elettrica 7 e/o dal sistema di accumulo di energia elettrica 9 per mezzo del convertitore 8 e/o dalla rete elettrica per mezzo del convertitore 10. Quando il convertitore 5 PEIS assorbe potenza elettrica dall’alternatore lineare del FPSE, tale potenza elettrica è fornita ai condensatori 7 e/o al sistema di accumulo 9 per mezzo del convertitore 8 PEIB e/o alla rete elettrica per mezzo del convertitore 10 PEIG.
Quando il convertitore 8 eroga potenza elettrica al dc-bus, questa potenza è fornita dal sistema di accumulo di energia elettrica 9; quando il convertitore 8 assorbe potenza elettrica dal dc-bus, tale potenza è fornita al sistema di accumulo di energia elettrica 9. Quando il convertitore 10 eroga potenza elettrica al dc-bus 6, questa potenza elettrica è fornita dalla rete elettrica; quando il convertitore 10 assorbe potenza elettrica dal dc-bus 6, questa potenza elettrica è erogata alla rete elettrica;
Quando il convertitore 12 CHOPPER assorbe potenza elettrica dal dc-bus 6, questa potenza elettrica è dissipata.
Il dispositivo di questa divulgazione è comandato in modo che i valori di ampiezza e di frequenza della tensione Vefdel convertitore 10 PEIG sono completamente slegati da quelli della tensione Vabdel convertitore 5 PEIS, e viceversa; questa peculiarità consente di impiegare un FPSE-LG come generatore di potenza elettrica e di cedere questa potenza ad una qualunque rete elettrica.
Stante la precedente peculiarità, l’esercizio del FPSE-LG è immune contro qualsiasi perturbazione e/o variazione, lenta o veloce, dei valori di ampiezza e/o di frequenza della tensione ai terminali e ed f, nonché contro l’assenza di tensione ai terminali e ed f (blackout della rete elettrica). L’esercizio del FPSE-LG prescinde dalla presenza della rete elettrica ai terminali e ed f e, conseguentemente, dalla presenza del convertitore 10 PEIG; l’esercizio del FPSE-LG è possibile anche nel caso di utenti isolati, permanentemente o momentaneamente, dalla rete elettrica pubblica di distribuzione. L’esercizio del FPSE-LG è quindi possibile in reti elettriche private, a prescindere dai valori di ampiezza e di frequenza della tensione della rete elettrica rispetto a quelli nominali del FPSE-LG.
Il FPSE-LG viene controllato regolando in tempo reale l'ampiezza e la frequenza della tensione ai terminali dell’alternatore lineare. Più precisamente, con la regolazione si impone una tensione elettrica che varia nel tempo, è alternata, ha forma sinusoidale, i cui valori di ampiezza e di frequenza coincidono con quelli nominali del FSPE-LG ovvero Ane fn.
Il convertitore 5 PEIS svolge la regolazione della tensione ai terminali dell’alternatore lineare del FPSE. Il dispositivo di questa divulgazione è controllato regolando in tempo reale il valore della tensione del dc-bus. Più precisamente, con la regolazione si impone una tensione elettrica continua il cui valore è determinato secondo quanto di seguito illustrato.
Al fine del funzionamento del dispositivo di cui alla presente invenzione, ivi incluso l’esecuzione del controllo del FPSE-LG, la tensione del dc-bus (nel seguito detta anche Vdc-bus) deve essere mantenuta costante e pari ad un valore di riferimento. Come conseguenza, una delle parti del dispositivo, ovvero uno dei convertitori, deve essere dedicata a questo scopo: tale convertitore è detto master converter.
Il convertitore 10 PEIG è il candidato preferibile per operare come master converter poiché, verosimilmente, questo convertitore ha potenza elettrica nominale maggiore rispetto a quella dei restanti convertitori facenti parte del dispositivo. Quando il dispositivo opera isolato dalla rete elettrica, il convertitore 10 PEIG non può operare come master converter; in casi come questi, la funzione di master converter deve essere attuata da altro convertitore del dispositivo.
Il valore di riferimento per la tensione Vdc-busnon è unico bensì sono stabiliti tre valori di riferimento; questi tre valori sono diversi tra loro e sono compresi tra un valore minimo ed un valore massimo, e sono:
Vdc-min <Vdc-b <Vdc-g <Vdc-r <Vdc-max
dove:
Vdc-minè il più basso valore della tensione Vdc-busammesso per il funzionamento del dispositivo;
Vdc-bè il valore di riferimento della tensione Vdc-busquando tale valore è regolato dal convertitore 8 PEIB ovvero quando il convertitore 8 PEIB è il master converter;
Vdc-gè il valore di riferimento della tensione Vdc-busquando tale valore è regolato dal convertitore 10 PEIG ovvero quando il convertitore 10 PEIG è il master converter;
Vdc-rè il valore di riferimento della tensione Vdc-busquando tale valore è regolato dal convertitore 12 CHOPPER ovvero quando il convertitore 12 CHOPPER è il master converter;
Vdc-maxè il più alto valore della tensione Vdc-busammesso per il funzionamento del dispositivo.
Le regole per la applicazione del metodo di controllo del dispositivo sono illustrate di seguito e riassunte nello schema a stati finiti di figura 4.
Il dispositivo di questa divulgazione può essere controllato in due modi diversi, a seconda se sia presente o meno un sistema centrale di supervisione e controllo (SCSC).
Sistema centrale di supervisione e controllo presente
Il sistema centrale di supervisione e controllo (di seguito anche brevemente sistema SCSC) è garante dell’applicazione del metodo di controllo del dispositivo, sceglie il convertitore che opera come master converter scegliendo tra il PEIG, PEIB e CHOPPER, determina il punto di lavoro dei convertitori che non sono stati scelti come master converter.
Con riferimento alla Fig. 4, lo stato START indica l’accensione del dispositivo pertanto prima di tale stato tutti i convertitori sono spenti. Allo stato START, il sistema SCSC inizia a svolgere ininterrottamente le seguenti funzioni: misura la tensione e la corrente al punto di connessione del dispositivo con la rete elettrica (ovvero ai terminali e ed f), misura la tensione del dc-bus, misura la tensione e la corrente al punto di connessione del dispositivo con il FPSE-LG e con i carichi elettrici locali (ovvero ai terminali a e b), misura la tensione e la corrente al punto di connessione del dispositivo con il sistema di accumulo elettrico 9.
Dallo stato START il dispositivo passa automaticamente allo stato RILEVAZIONE RETE; se i valori di ampiezza e frequenza della tensione della rete elettrica (ovvero la tensione ai terminali e ed f) sono pari ai valori nominali di esercizio della stessa rete (a meno di debite tolleranze) allora vi è Presenza Rete, in caso contrario vi è Assenza Rete.
A. In caso di Presenza Rete
Dallo stato RILEVAZIONE RETE il dispositivo passa allo stato CARICA DC-BUS DA RETE pertanto il sistema SCSC sovraintende alla carica dei condensatori del dc-bus per mezzo del convertitore PEIG.
Se il valore della tensione Vdc-busnon raggiunge il valore minimo di tensione Vdc-minentro il tempo Tg, dallo stato CARICA DC-BUS DA RETE il dispositivo passa allo stato ANOMALIA ed è restituito un codice di errore ERR01.
Se il valore della tensione Vdc-busraggiunge il valore minimo di tensione Vdc-minentro il tempo Tg, il sistema SCSC elegge il convertitore PEIG come master converter, il sistema SCSC attiva i convertitori PEIS, PEIB e CHOPPER. Ora dallo stato CARICA DC-BUS DA RETE il dispositivo passa allo stato VERIFICA VDC-BUS.
B. In caso di Assenza Rete
Dallo stato RILEVAZIONE RETE il dispositivo passa allo stato CARICA DC-BUS DA ACCUMULO pertanto il sistema SCSC sovraintende alla carica dei condensatori del dc-bus per mezzo del convertitore PEIB.
Se il valore della tensione Vdc-busnon raggiunge il valore minimo di tensione Vdc-minentro il tempo Tb, dallo stato CARICA DC-BUS DA ACCUMULO il dispositivo passa allo stato ANOMALIA ed è restituito un codice di errore ERR02.
Se il valore della tensione Vdc-busraggiunge il valore minimo di tensione Vdc-minentro il tempo Tb, il sistema SCSC elegge il convertitore PEIB come master converter, il sistema SCSC attiva i convertitori PEIG, PEIS e CHOPPER quindi dallo stato CARICA DC-BUS DA ACCUMULO il dispositivo passa allo stato VERIFICA VDC-BUS.
Allo stato VERIFICA VDC-BUS, il sistema SCSC misura ininterrottamente la tensione del dc-bus quindi determina quanto segue:
-- se il valore della tensione Vdc-busnon è compreso tra Vdc-mine Vdc-max, il dispositivo passa allo stato ANOMALIA ed è restituito un codice di errore ERR03;
-- se il valore della tensione Vdc-busè compresa tra Vdc-min, Vdc-g, il sistema SCSC elegge il convertitore PEIB come master converter e quest’ultimo impone sul dc-bus una tensione pari a Vdc-b;
-- se il valore della tensione Vdc-busè compreso tra Vdc-ge Vdc-r, il sistema SCSC elegge il convertitore PEIG come master converter e quest'ultimo impone sul dc-bus una tensione pari a Vdc-g;
-- se il valore della tensione Vdc-busè compreso tra Vdc-re Vdc-max, il sistema SCSC elegge il convertitore CHOPPER come master converter e quest’ultimo impone sul dc-bus una tensione pari a Vdc-r.
Sistema centrale di supervisione e controllo assente
Nel caso in cui è assente un sistema centrale di supervisione e controllo (di seguito anche brevemente sistema SCSC) o la sua funzione sia sospesa o impossibilitata, ciascun convertitore PEIS, PEIG, PEIB e CHOPPER del dispositivo opera in corrispondenza di un punto di lavoro che ogni convertitore determina autonomamente. Le regole che ciascun convertitore applica al fine di determinare autonomamente il proprio punto di lavoro non sono in conflitto con le regole applicate dagli altri convertitori.
Come illustrato in Fig. 5, il primo stato è lo stato START ed indica l’accensione del dispositivo, prima di tale stato tutti i convertitori sono spenti. Allo stato START, tutti i convertitori sono attivati ma non operano alcuna funzione, tutti i convertitori contano un tempo pari a (TG+TB), al tempo (TG+TB) tutti i convertitori opera in corrispondenza di un punto di lavoro determinato autonomamente.
Dall’istante iniziale t0all’istante TG
All’istante t0dallo stato START il dispositivo passa allo stato RILEVAZIONE RETE.
In tale stato il convertitore PEIG verifica se i valori di ampiezza e frequenza della tensione della rete elettrica (ovvero la tensione ai terminali e ed f) sono pari ai valori nominali di esercizio della stessa rete (a meno di debite tolleranze) allora vi è Presenza Rete, in caso contrario vi è Assenza Rete.
Si permane nello stato RILEVAZIONE RETE fin tanto che il tempo t è minore di TGe vi è Assenza Rete.
Se il tempo t è uguale a TGoppure vi è Presenza Rete allora il dispositivo passa allo stato CARICA DC BUS DA RETE; in tale stato il convertitore PEIG carica i condensatori del dc-bus imponendo sul dc-bus una tensione pari a Vdc-g.
Si permane nello stato CARICA DC BUS DA RETE fin tanto che il tempo t è minore di TG.
Se il tempo t è uguale a TGallora il dispositivo passa allo stato CARICA DC BUS DA RETE allo stato CARICA DC BUS DA ACCUMULO.
Dall’istante TGall’istante (TG+TB)
All’istante TGdallo stato CARICA DC BUS DA RETE il dispositivo passa allo stato CARICA DC BUS DA ACCUMULO.
In tale stato il convertitore PEIB carica i condensatori del dc-bus imponendo sul dc-bus una tensione pari a Vdc-b.
Si permane nello stato CARICA DC BUS DA ACCUMULO fin tanto che il tempo t è minore di (TG+TB).
Se il tempo t è uguale a (TG+TB) allora il dispositivo passa allo stato CARICA DC BUS DA ACCUMULO allo stato VERIFICA VDC-BUS.
Dall’istante (TG+TB) in poi
All’istante (TG+TB) il dispositivo passa dallo stato CARICA DC BUS DA ACCUMULO allo stato VERIFICA DC-BUS. A decorrere da questo istante tutti i convertitori sono stati attivati, tutti i convertitori determinano autonomamente il proprio punto di lavoro misurando ininterrottamente la tensione del dc-bus pertanto:
-- se il valore della tensione Vdc-busnon è compreso tra Vdc-mine Vdc-max, i convertitori sospendono il proprio funzionamento, il dispositivo passa allo stato ANOMALIA ed è restituito un codice di errore ERR00;
-- se il valore della tensione Vdc-busè compreso tra Vdc-mine Vdc-max, il convertitore PEIS controlla il FPSE-LG, diversamente apre i dispositivi S1 e S2;
-- se il valore della tensione Vdc-busè compreso tra Vdc-min, Vdc-g, il convertitore PEIB determina di essere il master converter ed impone sul dc-bus una tensione pari a Vdc-b;
-- se il valore della tensione Vdc-busè compreso tra Vdc-ge Vdc-r, il convertitore PEIG determina di essere il master converter ed impone sul dc-bus una tensione pari a Vdc-g;
-- se il valore della tensione Vdc-busè compreso tra Vdc-re Vdc-max, il convertitore CHOPPER determina di essere il master converter ed impone sul dc-bus una tensione pari a Vdc-r.
Vantaggi offerti dal dispositivo elettronico di controllo per motori Stirling del tipo free-piston con alternatore lineare
Tra i vantaggi offerti dal dispositivo elettronico di controllo per motori Stirling di tipo free-piston con alternatore lineare (FPSE-LG), sono da menzionare i seguenti: 1) assicura l’esercizio corretto, sicuro e continuo del FPSE-LG;
2) consente di collegare un FPSE-LG ad una rete elettrica monofase o trifase;
3) consente di collegare un FPSE-LG ad una rete elettrica anche quando i valori della ampiezza e/o della frequenza della tensione della rete elettrica differiscono da quelli stabiliti dalle caratteristiche di progetto del FPSE-LG;
4) consente di far funzionare temporaneamente un FPSE-LG “in isola”, cioè scollegato da una rete elettrica;
5) consente di collegare un FPSE-LG ad un qualsiasi carico elettrico, anche variabile in maniera repentina nel tempo;
6) permette il controllo del funzionamento del FPSE-LG senza richiedere di informazioni circa la posizione del pistone libero.
Con il dispositivo elettronico di controllo della presente divulgazione è possibile realizzare gruppi elettrogeni utilizzando uno o più FPSE-LG capaci di alimentare qualsiasi tipo di carico elettrico, sia a corrente continua che a corrente alternata, senza timore che variazioni repentine del carico elettrico, nonché improvvise disconnessioni dello stesso, possano danneggiare il FPSE-LG.
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo di controllo di un alternatore lineare mosso da un motore Stirling di tipo free-piston, detto metodo di controllo essendo implementato mediante un dispositivo di controllo comprendente: almeno una linea di alimentazione in continua (6); almeno un convertitore scelto tra: un primo convertitore di tensione DC-AC (10; PEIG) bidirezionale, avente un rispettivo circuito primario a corrente continua e un rispettivo circuito secondario a corrente alternata con terminali di uscita (e, f) del dispositivo per connettersi ad un carico in alternata da alimentare oppure ad una rete di distribuzione elettrica in alternata, detta linea di alimentazione in continua (6) essendo funzionalmente connessa al circuito primario del primo convertitore DC-AC (10; PEIG); e/o un primo convertitore di tensione DC-DC bidirezionale (8; PEIB) collegabile ad una batteria esterna (9), configurato per prelevare/erogare potenza elettrica dalla/alla linea di alimentazione in continua (6) e per erogare/prelevare potenza elettrica alla/dalla batteria esterna (9); un secondo convertitore di tensione DC-DC (12; CHOPPER) connesso a detta linea di alimentazione in continua (6); un secondo convertitore di tensione DC-AC bidirezionale (5; PEIS), avente un rispettivo circuito primario a corrente continua funzionalmente connesso a detta linea di alimentazione in continua (6) e avente un rispettivo circuito secondario a corrente alternata con terminali di ingresso (a, b) del dispositivo per connettersi ad un alternatore basato su un motore Stirling, configurato per erogare energia elettrica all’alternatore durante una fase di avviamento e assorbire energia elettrica dall’alternatore durante una fase di funzionamento a regime; detti terminali di uscita (e, f) essendo funzionalmente collegati ad un carico a corrente alternata da alimentare oppure ad una rete di distribuzione elettrica in corrente alternata, detti terminali di ingresso (a, b) essendo funzionalmente collegati a detto alternatore lineare mosso da un motore Stirling, detto primo convertitore di tensione DC-DC bidirezionale (8; PEIB) essendo funzionalmente collegato ad una batteria esterna (9); il metodo essendo caratterizzato dal fatto di essere configurato per pilotare motori Stirling sprovvisti di sensori di posizione e/o di frequenza di oscillazione di parti mobili del motore, e dall'esecuzione delle seguenti operazioni: A) verificare se ai terminali di uscita (e, f) è disponibile una tensione di ampiezza e frequenza nominali di una rete di distribuzione elettrica in alternata; B) se la verifica al punto A) ha esito positivo, attivare detto primo convertitore di tensione DC-AC (10; PEIG) per portare ad un primo valore di riferimento (Vdc-g) una tensione continua (Vdc-bus) su detta linea di alimentazione in continua (6), altrimenti, se la verifica al punto A) ha esito negativo, attivare primo convertitore di tensione DC-DC bidirezionale (8; PEIB) per portare ad un secondo valore di riferimento (Vdc-b) detta tensione continua (Vdc-bus); C) attivare detto secondo convertitore di tensione DC-AC bidirezionale (5; PEIS) per avviare detto alternatore trasferendo potenza elettrica da detta linea di alimentazione in continua (6) all'alternatore per una durata di una fase di avviamento; D) terminata la fase di avviamento, eseguire periodicamente le operazioni A) e B) e regolare la tensione continua di detta linea di alimentazione in continua (6) ad un valore nominale per mantenere costanti l'ampiezza e la frequenza di una tensione alternata generata da detto alternatore basato su un motore Stirling, pilotando almeno un convertitore scelto nell'insieme costituito da detto primo convertitore di tensione DC-AC (10; PEIG), detto primo convertitore di tensione DC-DC bidirezionale (8; PEIB), detto secondo convertitore di tensione DC-DC (12; CHOPPER) e detto secondo convertitore di tensione DC-AC bidirezionale (5; PEIS).
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta operazione D) è caratterizzata dalle seguenti fasi operative: D1) confrontare la tensione continua (Vdc-bus) su detta linea di alimentazione in continua (6) con un valore minimo (Vdc-min), con detto secondo valore di riferimento (Vdc-b) maggiore di detto valore minimo (Vdc-min), con detto primo valore di riferimento (Vdc-g) maggiore di detto secondo valore di riferimento (Vdc- b), con un terzo valore di riferimento (Vdc-r) maggiore di detto secondo valore di riferimento (Vdc-b), con un valore massimo (Vdc-max) maggiore di detto terzo valore di riferimento (Vdc-r), ed eseguire una delle seguenti operazioni: D2) attivare una procedura di spegnimento controllato dell'alternatore e del dispositivo di controllo (ANOMALIA) se la tensione continua (Vdc-bus) è minore del valore minimo (Vdc-min) oppure è maggiore del valore massimo (Vdc-max); D3) pilotare il primo convertitore di tensione DC-DC bidirezionale (8; PEIB) per regolare la tensione continua (Vdc-bus) al secondo valore di riferimento (Vdc-b) se la tensione continua (Vdc-bus) è maggiore o uguale al valore minimo (Vdc- min) e minore del primo valore di riferimento (Vdc-g); D4) pilotare il primo convertitore di tensione DC-AC (10; PEIG) bidirezionale per regolare la tensione continua (Vdc-bus) al primo valore di riferimento (Vdc-g) se la tensione continua (Vdc-bus) è maggiore o uguale al primo valore di riferimento (Vdc-g) e minore del terzo valore di riferimento (Vdc-r); D5) se la tensione continua (Vdc-bus) è maggiore o uguale al terzo valore di riferimento (Vdc-r) e minore o uguale al valore massimo (Vdc-max), pilotare il secondo convertitore di tensione DC-DC (12; CHOPPER) per ridurre la tensione continua (Vdc-bus) al disotto del terzo valore di riferimento (Vdc-r).
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui: detto primo convertitore di tensione DC-AC bidirezionale (10; PEIG) esegue le seguenti operazioni al termine della fase di avviamento: - l'operazione A), - se la verifica al punto A) ha esito positivo, esegue l'operazione B), quindi verifica se la tensione continua (Vdc-bus) è minore del valore minimo (Vdc-min) oppure è maggiore del valore massimo (Vdc-max), e in caso affermativo esegue l'operazione D2), poi verifica se la tensione continua (Vdc-bus) è maggiore o uguale al primo valore di riferimento (Vdc-g) e minore del terzo valore di riferimento (Vdc-r), e in caso affermativo esegue l'operazione D4), - se la verifica al punto A) ha esito negativo, resta in attesa per una prima durata temporale (Tg), quindi al termine della prima durata temporale (Tg) verifica se la tensione continua (Vdc-bus) è minore del valore minimo (Vdc-min) oppure è maggiore del valore massimo (Vdc-max): in caso affermativo esegue l'operazione D2), altrimenti riesegue l'operazione A) e, se la verifica al punto A) ha esito positivo, verifica se la tensione continua (Vdc-bus) è maggiore o uguale al primo valore di riferimento (Vdc-g) e minore del terzo valore di riferimento (Vdc-r), e in caso affermativo esegue l'operazione D4); detto primo convertitore di tensione DC-DC bidirezionale (8; PEIB) esegue le seguenti operazioni al termine della fase di avviamento: - resta in attesa per una seconda durata temporale (Tb), al termine della quale confronta la tensione continua (Vdc-bus) su detta linea di alimentazione in continua (6) con un valore minimo (Vdc-min) e se tale confronto ha esito affermativo, trasferisce potenza elettrica da detta batteria esterna (9) a detta linea di alimentazione in continua (6), - verifica se la tensione continua (Vdc-bus) è minore del valore minimo (Vdc- min) oppure è maggiore del valore massimo (Vdc-max): in caso affermativo esegue l'operazione D2), altrimenti verifica se la tensione continua (Vdc-bus) è maggiore o uguale al valore minimo (Vdc-min) e minore del primo valore di riferimento (Vdc-g) e, in caso affermativo, esegue l'operazione D3); detto secondo convertitore di tensione DC-AC bidirezionale (5; PEIS) esegue le seguenti operazioni al termine della fase di avviamento: - resta in attesa fintanto che la tensione continua (Vdc-bus) è minore del valore minimo (Vdc-min) e al massimo per una terza durata temporale (Ts), quindi - verifica se la tensione continua (Vdc-bus) è minore del valore minimo (Vdc- min) oppure è maggiore del valore massimo (Vdc-max): in caso affermativo esegue l'operazione D2), altrimenti trasferisce potenza elettrica dall'alternatore a detta linea di alimentazione in continua (6) o viceversa; detto secondo convertitore di tensione DC-DC (12; CHOPPER) esegue le seguenti operazioni al termine della fase di avviamento: - resta in attesa fintanto che la tensione continua (Vdc-bus) è minore del valore minimo (Vdc-min) e al massimo per una quarta durata temporale (Tr), quindi - verifica se la tensione continua (Vdc-bus) è minore del valore minimo (Vdc- min) oppure è maggiore del valore massimo (Vdc-max): in caso affermativo esegue l'operazione D2), altrimenti verifica se la tensione continua (Vdc-bus) è maggiore o uguale al terzo valore di riferimento (Vdc-r) e, in caso affermativo, esegue l'operazione D5).
- 4. Dispositivo elettronico di controllo adatto per controllare un alternatore basato su un motore Stirling sprovvisto di sensori di posizione e/o di frequenza di oscillazione di parti mobili del motore, comprendente: almeno una linea di alimentazione in continua (6); almeno un convertitore scelto tra: un primo convertitore di tensione DC-AC (10; PEIG) bidirezionale, avente un rispettivo circuito primario a corrente continua e un rispettivo circuito secondario a corrente alternata con terminali di uscita (e, f) del dispositivo per connettersi ad un carico in alternata da alimentare oppure ad una rete di distribuzione elettrica in alternata, detta linea di alimentazione in continua (6) essendo funzionalmente connessa al circuito primario del primo convertitore DC-AC (10; PEIG); e/o un primo convertitore di tensione DC-DC bidirezionale (8; PEIB) collegabile ad una batteria esterna (9), configurato per prelevare/erogare potenza elettrica dalla/alla linea di alimentazione in continua (6) e per erogare/prelevare potenza elettrica alla/dalla batteria esterna (9); un secondo convertitore di tensione DC-DC (12; CHOPPER) connesso a detta linea di alimentazione in continua (6); un secondo convertitore di tensione DC-AC bidirezionale (5; PEIS), avente un rispettivo circuito primario a corrente continua funzionalmente connesso a detta linea di alimentazione in continua (6) e avente un rispettivo circuito secondario a corrente alternata con terminali di ingresso (a, b) del dispositivo per connettersi ad un alternatore basato su un motore Stirling, configurato per erogare energia elettrica all’alternatore durante una fase di avviamento e assorbire energia elettrica dall’alternatore durante una fase di funzionamento a regime.
- 5. Dispositivo di controllo secondo la rivendicazione 4, comprendente sia detto primo convertitore di tensione DC-AC (10; PEIG) che detto primo convertitore di tensione DC-DC bidirezionale (8; PEIB).
- 6. Dispositivo di controllo secondo la rivendicazione 4 o 5, comprendente inoltre un accumulatore di energia elettrica (7) di tenuta connesso a detta linea di alimentazione in continua (6).
- 7. Dispositivo di controllo secondo una delle rivendicazioni da 4 a 6, comprendente inoltre un sistema elettronico centrale di supervisione funzionalmente configurato per implementare le operazioni del metodo secondo la rivendicazione 2.
- 8. Dispositivo di conversione di energia termica in energia elettrica, comprendente: un alternatore basato su un motore Stirling, avente terminali di tensione configurati per assorbire energia elettrica durante una fase di avviamento e per erogare energia elettrica durante una fase di funzionamento a regime; un dispositivo di controllo secondo una delle rivendicazioni da 4 a 7, avente detti terminali di ingresso (a, b) connessi a terminali di tensione dell’alternatore.
- 9. Dispositivo di conversione di energia termica in energia elettrica secondo la rivendicazione 8, in cui detto motore Stirling è del tipo a pistone libero ed è sprovvisto di sensori di posizione di parti mobili del motore.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040207347A1 (en) * | 2003-04-17 | 2004-10-21 | Zaher Daboussi | Linear-motion engine controller and related method |
| EP1644629A1 (en) * | 2003-07-02 | 2006-04-12 | Philip Morris USA Inc. | Free piston stirling engine control |
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2016
- 2016-06-24 IT ITUA2016A004650A patent/ITUA20164650A1/it unknown
Patent Citations (4)
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