KR101223966B1 - 자유 피스톤 스털링 엔진 제어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파워 피스톤을 갖는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 a) 상기 파워 피스톤과 기계적으로 연결되는 전자기 트랜스듀서; 및 b) 상기 전자기 트랜스듀서와 전기적으로 연결되는 제어가능 발진 전력 시스템을 포함하며: 상기 시스템은 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널에서 소정의 전압 진폭 및 소정의 주파수를 강제하면서 상기 전자기 트랜스듀서에 전력을 전달하거나 이 전자기 트랜스듀서로부터 전력을 수용할 수 있다.
Figure R1020067000108
전자기 트랜스듀서, 제어가능 발진 전력 시스템, 파워 피스톤, 디스플레이서

Description

자유 피스톤 스털링 엔진 제어{FREE PISTON STIRLING ENGINE CONTROL}
본 발명은 선형 교류 발전기를 구동하는 자유 피스톤 스털링 엔진의 전기 제어 분야에 속한다.
스털링 엔진은 내연 기관과 대조하여 외부 열원을 갖는 것을 특징으로 한다. 외부 열원은 화석 연료의 연소, 집중된 태양 에너지, 방사성 동위 원소 붕괴 열, 디젤 엔진의 고온 배기 가스 또는 다른 열원으로부터 공급될 수 있다. 일찍이 스털링 엔진은 작동 유체로서 공기를 이용하였으나, 오늘날에는 30 기압 정도의 압력에서 헬륨 등의 가스를 이용한다.
발전기 등의 부하상에 유용한 기계적 동작을 행하기 위해 스털링 파워 피스톤으로부터 힘을 전달하는 2가지 주요 방법이 있다. 소위 "운동학" 설계에서는 종래의 자동차 내연 기관에서와 같이 파워 피스톤이 크랭크샤프트에 연결되고, 로터리 발전기 등의 부하를 턴시킨다. 상기 경우에, 파워 피스톤 행정은 피스톤의 크랭크샤프트로의 고정 기계적 연결에 의해 성립된 한계에 강제된다. 제 2 구성은 소위 "자유 피스톤" 스털링 엔진("FPSE")이며, 여기서 기계적 비강제 피스톤은 공기 역학적, 기계적 또는 다른 수단에 의해 제공되는 다양한 회복 탄성율 및 피스톤 질량에 의해 결정되는 보통의 상태와 표면상 동등한 주파수에서 간단한 조화 운동으로 이동된다. 전형적으로 FPSE 피스톤의 이동은 실린더 단부와 원하지 않는 충격을 야기시키는 설계 한계를 초과하는 행정을 회피하도록 기계적 부하 및 입력 열 유속의 적합한 동적 균형에 의해 제어된다. 하나의 전형적인 FPSE 적용에서는 파워 피스톤은 선형 전기 교류 발전기의 고정 스테이터부와 협력하는 실린더형 자성체 구조(종종 "무버(mover)"라 칭함)와 강성 로드에 의해 연결된다. 무버/파워 피스톤의 전후 이동은 교류 발전기의 출력에서 AC 전압을 발생시킨다. 몇몇 적용에서는, FPSE 구성은 그 운동학적 대안에 바람직하며, 하나의 명확한 이점은 FPSE가 실질적으로 피스톤-실린더 내벽 수직력을 제거하여 이들 표면의 윤활을 필요로 하지 않고 윤활-비내성 엔진 부품을 격리시키는 수단을 제공한다는 것이다.
일반적인 FPSE/선형 교류 발전기(FPSE/LA) 조합(10)의 횡단면도가 도면의 좌측에 FPSE부(50) 및 도면의 우측에 교류 발전기부(60)를 갖는 도 1에 도시되어 있다. 기밀(氣密) 케이스(12)는 고정 디스플레이서 로드(16)에 의해 가이드되는 자유 이동 디스플레이서(14)를 포함한다. 이동가능 파워 피스톤(18)은 영구 자석 구조(20)에 연결된다. 다양한 링 시일(미도시)은 디스플레이서(14)와 파워 피스톤(18) 사이의 기밀 시일 및 케이스(12)의 내부 부품의 형성에 이용된다. 대안으로, 기밀 레이디얼 틈은 피스톤과 디스플레이서 부품 주위에 누출 흐름을 제한하는데 이용될 수도 있다.
무버는 전기자 코일(22)의 회전에 의해 연결되는 고정 코어(24)에서 계자속(field flux)을 발생시키는 하나 이상의 영구 자석 요소를 사용한다. 무버의 작동은 시간-변화 코일 자속 결합 및 소위 "내부 전압"의 필연적 유도를 발생시킨다. 내부 전압은 무버의 주파수에서 및 코일 자속 결합의 변화의 시간율에 비례하는 진폭에 의해 발진된다. 외부 부하가 전기자 코일에 접속될 때, 디벨럽된 내부 전압은 외부 부하 임피던스를 통하여 전류를 구동함으로써 소비 부하 요소에 유용한 전력을 전달할 수 있다. 외부 부하를 통한 전기자 전류 흐름은 파워 피스톤 작용력에 의해 극복되어야 할 모터 반작용력을 차례로 야기시킨다. 상기 방식에 의하여, 파워 피스톤에 의해 무버로 전달된 기계 전력은 전기 전력으로 변환된다.
통상적으로, 케이스 내부의 4개의 중앙 공간은 하기와 같이 명명된다. 디스플레이서(14)와 케이스(12) 사이의 공간은 팽창 공간(32)이고; 디스플레이서(14) 내부의 공간은 가스 스프링(34)으로서의 역할을 할 수 있고, 디스플레이서와 파워 피스톤(18) 사이의 공간은 압축 공간(36)이고; 파워 피스톤(18)과 케이스(12) 사이의 공간은 바운스(bounce) 공간(38)이다. 케이스(12)는 기계 스프링(미도시)에 설치될 수 있다.
스털링 엔진을 작동시키기 위한 열 에너지는 디스플레이서(14)와 대향하는 케이스(12) 외측상의 히터(40)에 의해 공급된다. 팽창 공간(32)에서 가스를 가열할 수 있는 어떤 공급원도 이용가능하다. 재생기(42)는 케이스(12) 내부에서 디스플레이서(14)를 둘러싸고 있다. 작동 사이클의 일단부에서는 팽창 공간(32)으로부터의 가스가 팽창 공간(32)으로부터 입구 공간(44)을 통해 그리고 재생기(42)를 통한 출구 공간을 통하여 압축 공간(36)으로 강제된다. 사이클의 제 2 부분에서는 압축 공간으로부터의 가스가 출구 공간(46), 재생기(42) 및 입구 공간(44)을 통하여 팽창 공간으로 리턴된다. 냉각기(48)는 출구 공간(46)의 근처에서 케이스(12)를 둘러싼 다. 공지되어 있는 바와 같이, 최대 열역학 효율을 이루기 위해 냉각기는 가능한 한 많이 출구 공간(46)에서 가스를 냉각해야 한다.
스털링 엔진의 작동 원리는 스팀 또는 내연 기관의 것들보다 직관적으로 덜 분명하다. 미국 특허 제 6,062,023 호(2000년 5월 16일 이슈되었고, 출원인이 Kerwin 등이며, 발명의 명칭이 "Cantilevered Crankshaft Stirling Cycle Machine"임)에는 참조 문헌으로 본원에 통합되어 범용 스털링 엔진의 4 단계 열역학 사이클이 기재되어 있다. 스털링 엔진은 1816년에 Robert Stirling에 의해 발명되어 기본 원리가 널리 공지되어 있다. 간략한 역사적 검토는 미국 특허 제 5,146,750 호(1992년 9월 15일에 이슈되었고, 출원인이 Moscrip 등이며, 발명의 명칭이 "Magnetoelectric Resonance Engine"임)에 포함되고 참조 문헌으로 본원에 통합되어 있다.
운동학적 스털링 엔진과 달리, 도 1에 예시된 FPSE/LA 조합(10)에서는, 디스플레이서(14) 또는 피스톤(18)이 케이스(12)의 부품들에 충격을 주는 것을 방지하는 것은 없다. 설계자들은 다양한 작동 상태하에서 안정한 방식으로 작동하는 엔진을 유지하기 위하여 피스톤 및 디스플레이서 행정을 제한하고, 이로서 충격을 방지하는 설계를 오랫동안 찾고 있었다. FPSE의 경우에서는 열 유속 입력 및 기계 피스톤 파워 추출(예컨대, 피스톤 구동 선형 교류 발전기에 및 전기 부하를 통하여)은 피스톤 및 디스플레이서 행정에 영향을 주는데 사용될 수 있는 2개의 제어가능 요소이다. 불행하게도, 열 유속 제어는 이들 기계의 많은 적용에서 교류 발전기의 전기 부하가 매우 신속한 변화를 받기 때문에 이 제어가 제한 구역 외의 피스톤 또는 디스플레이서 행정 제한을 취하기에 충분히 신속하게 달성될 수 없으므로 이들 행정의 제어에 일반적으로 유용하지 않다.
변화하는 피스톤 부하 상태하에서 피스톤 및 디스플레이서 행정 제어의 다양한 해결책들이 이용되어 왔다. 해결책 중 한 종류는 포팅(porting) 배열 등의 자기-제어 메카니즘을 통하여 피스톤 및 디스플레이서 행정의 제어 유지를 포함하고, 여기서, 예컨대 이들 행정은 외부 부하 제어를 요구하는 것없이 유지된다. 다양한 문제 및 단점은 예컨대, 시간이 지남에 따라 외부 부품 표면의 체이핑(chafing)에 의해 정상 엔진 작동에서 생기는 재료로 포트가 막힐 수 있다는 사실을 포함하는 이 형태의 해결책과 연관되어 있다. 또한, 이들 선행 기술 해결책은 효율에 부정적인 영향을 주는 손실을 발생시키는 경향도 있다.
선행 기술 해결책의 다른 종류는 피스톤에 의해 구동되는 교류 발전기에 위치된 전기 부하의 제어의 달성을 나타내었다. 상기 경우에, 안정기 또는 보조 부하는 외부 부하 전력 수요의 변화에도 불구하고 교류 발전기에서 일정 부하를 유지하는데 이용되어 왔다. 따라서, 이들 해결책은 FPSE로 입력된 소정의 열 흐름을 위하여 교류 발전기 부하가 일정하게 남아 있는 한 피스톤 행정이 일정 범위로 억제될 수 있다는 사실을 이용한다. 그러나, 이들 해결책은 부하 변화로부터 발생되는 가능한 행정 및 피스톤 진폭을 제어하는 비효율적인 기술을 나타낸다.
일정 교류 발전기 부하 제어를 이용하는 해결책의 일예는 미국 특허 제 4,873,826 호(1989년 10월 17일 이슈되었고, 출원인 Dhar. Dhar임)이고 교류 발전기 출력과 다용도 그리드 사이의 연결을 통하여 엔진 작동의 제어를 개시하고 있 다. 상기 해결책이 일정 엔진 부하를 유지하는 능력 등의 많은 이점을 가질 지라도, 결과적인 작동 특성은 엔진 작동이 전력 그리드의 동작 주파수를 매칭해야 한다는 사실에 의해 일반적으로 억제된다. 상기 억제는 50 또는 60㎐ 파워 그리드의 것보다 높은 주파수에서의 작동에 의해 이루어질 수 있는 더 높은 FPSE/LA 파워 밀도의 달성을 억제한다. 또한, 시간을 경과한 주파수 변화는, 예컨대 낮은 공기 역학 탄성율이 공칭율 값보다 낮은 주파수에서의 작동에 유리할 때 엔진 예열 동안, 또는 강제된 동작 주파수의 빠른 감소가 거의 일순간에 피스톤 및 디스플레이서 행정을 저하시킬 수 있는 범위 상태를 벗어나는 돌발 상황 동안, 등의 어떤 환경에서 유익할 지라도 이루어질 수 없다. 결국, 이동가능한 적용의 경우에, Dhar에 의해 요구된 바와 같이 전력 그리드로의 접속이 종종 실현가능하지 않다.
각종 종래 기술 예는 대안으로 다용도 그리드와 접속없는 제어를 제공한다. 상기 제어 시스템의 일예는 미국 특허 제 4,642,547 호(1987년 2월 10일에 이슈되었고, 출원인이 사용자 부하가 변화함에 따라 일정 엔진 부하를 유지하기 위한 교류 발전기 전기자 탭 접속뿐만 아니라 조절 가능한 안정기 부하를 제공하는 제어 시스템을 가르치는 Redlich임)에 기재되어 있다. 미국 특허 제 6,050,092 호(2000년 4월 18일 이슈되었고, 출원인이 Gentsler 등임)에서는 작동 중에 부하를 동적으로 조절하기 위해 변화가능한 부하 부재를 이용한 작동을 또한 제어함으로써 피스톤 행정을 제어한다. 상기 해결책들에 의해 실시된 바와 같이, 일정한 엔진 부하를 유지하기 위한 교류 발전기의 안정기 로딩(loading)의 이용은 비효율적이다. 게다가, 상기 방법들 및 기재된 실시예들은 상술한 바와 같이, 많은 이유에 바람직한 엔진 주파수의 변화를 강제하기 위한 수단을 제공하지 않는다.
교류 발전기 출력에서의 전기 부하의 제어에 의한 피스톤 행정 제어의 대안으로서, 미국 특허 제 5,385,021 호(1995년 1월 31일에 이슈되었고, 출원인이 Beale임) 및 미국 특허 제 5,502,968 호(1996년 4월 2일 이슈되었고, 또한 출원인이 Beale임)에 기재된 바와 같은 제어가능한 밸브, 스프링 및 링크 장치를 이용하는 다양한 기계적 방법이 제안되어 왔다. 이들 해결책이 피스톤 행정 제어의 달성을 요구할 지라도, 그들은 동작 주파수의 제어를 수행하지 않는다. 게다가, 설명된 제어가능 비율 전자기 탄성 요소는 권선 저항, 이력 현상, 및 와전류손을 반드시 초래하고, 이들 모두는 전력 플랜트의 전체 효율을 떨어뜨린다.
하나의 양상은 허용가능한 범위내에서 FPSE 엔진 작동 특성을 유지하는 제어 시스템을 제공하는 것이다.
다른 양상은 허용가능한 범위내에서 피스톤 행정을 유지하는 제어 시스템을 제공하는 것이다.
또 다른 양상은 허용가능한 범위내에서 디스플레이서 행정을 유지하는 제어 시스템을 제공하는 것이다.
다른 양상은 고정 파워 그리드에 접속을 필요로 하지 않는 제어 시스템을 제공하는 것이다.
또 다른 양상은 FPSE 휴대성을 허용하는 제어 시스템을 제공하는 것이다.
또 다른 양상은 FPSE 내에서 피스톤 및/또는 디스플레이서 행정을 제어하기 위하여 교류 발전기 터미널에서 양 전압 진폭 및 전압 파형 주파수의 실시간 조절을 허용하는 제어 시스템을 제공하는 것이다.
또 다른 양상은 FPSE에서 피스톤 및/또는 디스플레이서 행정을 제어하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 양상은 FPSE 내에서 피스톤 및/또는 디스플레이서 행정을 제어하기 위하여 교류 발전기 터미널에서 양 전압 진폭 및 전압 파형 주파수의 조절을 사용하는 제어 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 양상은 매우 크고, 무겁고 비싼 부품 및 구성요소를 필요로 하는 것없이 FPSE 내에서 피스톤 및/또는 디스플레이서 제어를 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제어 시스템의 바람직한 형태는 다양한 실시예를 포함한다. 하나의 그러한 실시예는 선형 교류 발전기/FPSE 전력 플랜트에서의 교류 발전기의 터미널과 사용자 전기 부하 간에 접속되는 제어가능 전력 전기 장치의 이용을 포함한다. 상기 장치는 동기 전력 컨버터("SPC") 기능을 하여, 교류 발전기 터미널 전압의 진폭 및 주파수를 강제하는 동안, 교류 발전기 전력을 전기 부하로 전송함으로써 교류 발전기 전력을 흡수할 수 있다.
본 발명의 교시에 의하면, 시스템 제어는 디지털 신호 프로세서(DSP)에 의해 전형적으로 이루어지고, 전력 전기 장치는 전압 진폭 및 주파수의 거의 일순간의 제어가능성의 부가 이익으로 큰 전력 그리드로의 접속에 의해 얻어지는 편리한 교류 발전기 및 엔진 작동 상태를 마찬가지로 가능하게 한다. 또한, 본 발명에 의한 FPSE/LA 시스템은 전력 그리드로의 접속을 요구하지 않는 독립 전력 플랜트로서 작동할 수 있다.
본 발명의 SPC는 과도 부하 변화를 수용하기 위하여 충전가능 배터리 등의 에너지 저장 소자를 포함한다. 게다가, SPC가 양지향성이므로, 저장 소자는 교류 발전기로 전력을 간단히 전달하는데 이용될 수 있어, FPSE의 개시 작동에서 보조하기 위해 모터로서 작동할 수 있다.
본 발명의 교시에 의하면, SPC는 설계 한계 내에서 피스톤 및 디스플레이서 행정이 시스템 내에서 유지되는 것을 확실하게 하는 FPSE/LA 이동가능 또는 고정 전력 플랜트에 삽입되는 제어가능한 전력 전기 유닛이다. 이것은 일반적으로 선형 교류 발전기 터미널에서의 양 전압 진폭 및 파형 주파수를 조절할 수 있는 시스템 및 방법을 통하여 성취된다. 상기 작동상의 양상들을 제어함으로써 FPSE에서의 피스톤 및 디스플레이서와 연관되는 주행의 속도 및 범위 둘 다가 제어될 수 있다.
일실시예에서는 본 발명의 시스템은 선형 교류 발전기의 터미널에 부착되는 SPC에 관하여 양 전기 에너지의 공급과 감소를 허용한다. 몇몇 작동상의 특징하에서, SPC는 그것이 개시 모터로서 그것을 작동시키는 배터리 또는 다른 에너지 저장소로부터 교류 발전기로 전력을 공급하는 모터 구동 용량에서 작용하고, 다른 작동상의 특징하에서는 SPC는 전력을 흡수하여 그것을 사용자 부하로 전달하거나 그것을 배터리 등의 저장 소자에 저장한다.
본 발명은 FPSE/LA 시스템의 작동을 제어하는 방법 및 특히 작동 중의 피스톤과 디스플레이서의 행정을 제어하는 방법을 더 포함한다. 상기 방법은 교류 발전기의 터미널과 전기 부하의 그것들 사이에서 상술한 SPC의 부착, 및 전압 진폭 및 주파수 둘 다에 관한 터미널에서의 전압 파형 제어를 필요로 한다. 이들 제어를 교류 발전기상에서 어서트함으로써, 엔진 작동이 제어되어, 피스톤과 디스플레이서 행정은 시스템 설계에 의해 결정된 한계 내에서 유지될 수 있다.
본 발명에 의하면, 파워 피스톤을 갖는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템이 제공되며, 상기 시스템은:
a) 상기 파워 피스톤과 기계적으로 연결되는 전자기 트랜스듀서; 및
b) 상기 전자기 트랜스듀서와 전기적으로 연결되는 제어가능 발진 전력 시스템을 포함하며:
상기 시스템은 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널에서 소정의 전압 진폭 및 소정의 주파수를 강제하면서 상기 전자기 트랜스듀서에 전력을 전달하거나 이 전자기 트랜스듀서로부터 전력을 수용할 수 있다.
또한, 자유 피스톤 스털링 엔진 구동 전력 플랜트가 제공되며, 상기 전력 플랜트는:
a) 파워 피스톤;
b) 상기 파워 피스톤과 기계적으로 연결되는 전자기 트랜스듀서; 및
c) 상기 전자기 트랜스듀서와 전기적으로 연결되는 제어가능 발진 전력 시스템을 포함하며:
상기 시스템은 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널에서 소정의 전압 진폭 및 소정의 주파수를 강제하면서 상기 전자기 트랜스듀서에 전력을 전달하거나 이 전자기 트랜스듀서로부터 전력을 수용할 수 있다.
또한, 전자기 트랜서듀서를 구동시키는 파워 피스톤을 갖는 자유 피스톤 스털링 엔진을 제어하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:
a) 최적 엔진 발진 주파수 및 피스톤 변위를 선택하는 단계; 및
b) 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널 전압의 진폭 및 주파수를 강제함으로써 상기 선택된 주파수 및 변위에서 동작하도록 상기 파워 피스톤을 구속하는 발진 전력 시스템을 사용하는 단계를 포함한다.
또한, 전자기 트랜스듀서를 구동시키는 파워 피스톤을 갖는 제어된 자유 피스톤 스털링 엔진을 제어하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:
a) 상기 전자기 트랜서듀서의 출력 터미널에서 전압 주파수를 강제하도록 발진 전력 시스템을 사용함으로써 파워 피스톤 발진 주파수를 강제하는 단계;
b) 파워 피스톤 변위를 측정하는 단계; 및
c) 소망하는 파워 피스톤 변위를 확립하도록 발진 전력 시스템에 의해 강제된 전자기 트랜서듀서 터미널 전압의 진폭을 조정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 이하 더 상세히 설명되고 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 가능하다.
본 발명은 이제 실시예에 의해서만 제공된 본 발명의 바람직한 형태를 참조하여, 그리고 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 관련 분야에 공지된 바와 같은 FPSE/LA 시스템의 기본 구성을 예시한 다.
도 2는 본 발명의 설명에 의한 교류 발전기 터미널 전압 진폭 및 주파수상의 강제를 통한 피스톤 이동 제어를 설명하는 그래프 세트이다.
도 3은 일실시예에 의한 본 발명의 제어 및 전력 시스템을 예시하는 블록도이다.
도 4는 다른 실시예에 의한 본 발명의 제어 및 전력 시스템을 예시하는 블록도이다.
도 5는 특히 본 발명의 도 4의 실시예에 의한 제어 및 전력 시스템 회로를 더 예시하는 회로도이다.
도 6은 도 5의 회로도에서의 스위치를 형성하는 MOSFET 소자의 예시도이다.
도 7(a) 및 7(b)는 본 발명의 일실시예에 의한 PWM 타이밍을 예시하는 파형의 세트를 포함하는 그래프이다.
도 1-7에 예시된 실시예가 언급될 것이고 여기서 첨부 번호가 그것을 통한 부분을 나타내는데 이용될 것이다.
본 발명의 교시에 의하면 "SPC"는 FPSE/LA 전력 시스템의 교류 발전기 터미널과 전기 부하 사이에 접속된다. 본 발명의 설명이 적용될 수 있는 FPSE/LA 전력 시스템의 교류 발전기는 어떤 선형 교류 발전기를 포함할 수 있고, 예컨대 선형 교류 발전기가 도 1에 도시되어 있다. 선형 교류 발전기의 다른 구성 및 타입 또한 이용될 수 있다. 교류 발전기 터미널에서 전압 진폭 및 파형 주파수를 제어하는 SPC를 이용함으로써, FPSE 피스톤 배치는 소망의 작동 범위 내로 제어될 수 있다. 상기 명세서의 목적으로 및 당업자에 의해 즉시 이해되는 바와 같이, 피스톤 행정만이 논의될 것이다. FPSE의 정황에서는 피스톤 행정 제어에 의해, 디스플레이서 행정이 상기 FPSE 구성 요소들의 교차 결합 작동 특성의 결과로서 유사하게 제어될 것이다. 언급된 바와 같이, 논의가 피스톤 제어에 한정될 지라도, 본 발명의 교시가 한정된 범위 내에서 디스플레이서 행정의 직접적인 제어에 즉시 적용할 수 있다는 것은 당업자에 의해 즉시 이해될 것이다.
본 발명의 시스템 및 방법을 설명하기 전에, 교류 발전기 터미널 전압 진폭 및 주파수의 강제를 통하여 피스톤 제어 특성의 간략한 논의가 도 2와 관련하여 제공된다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 도 2에서의 그래프는 피스톤 배치 Xp가 교류 발전기 터미널 전압 진폭(Va)의 강제에 의해 제어될 수 있다는 것을 설명한다. 게다가, 도 2는 표준화된 전압 크기(Va)가 유닛당(pu) 1.0에 접근함에 따라 피스톤 배치(Xp)가 전압 주파수의 제어에 확실히 응답하는 것을 더 예시한다.
도 2의 그래프 최상부는 다수의 표준화된 전압 주파수에서의 교류 발전기 터미널 전압과 피스톤 배치 사이의 관계를 설명하는 다양한 곡선을 예시한 반면에 도 2의 그래부 저면은 다수의 표준화된 전압 진폭에서의 교류 발전기 터미널 전압 주파수와 피스톤 배치 사이의 관계를 설명하는 다양한 곡선을 예시한다. 상기 곡선들은 MathCAD 및 MicroCAP SPICE 등의 툴을 통하여 수치 분석 기술을 이용한 FPSE/LA 작용의 설계에 의해 발생된다. 상기 툴들은 구체적 작동 상태하에서 FPSE/LA 시스 템의 동적인 성능을 예측하는데 이용될 수 있고 이용되어 왔다. 특히, 도 2에 활용된 적용가능한 식의 해결책과 결과는 MathSoft로부터 이용할 수 있는 MathCAD 2001i 일반 목적 계산 툴을 이용하여 얻어졌다.
분석에 고유한 "등온의 모델"은 다양한 엔진 체적이 고정 온도에서 작동한다는 단순화하는 가정에 의거한다는 것에 주목해야 한다. 모델에 의해 제공되는 피스톤 배치 및 교류 발전기 출력 전력 등의 적절한 파라미터의 추정은 일반적으로 모범 결과와 일치하고, 그것으로서 본 발명의 시스템과 방법에 연관되는 특성을 설명할 목적으로 충분히 정확한 모델로서 관측된다.
도 2의 상단의 그래프를 먼저 참조하면, 모든 테스트된 전압 주파수(0.95, 0.98, 1.00 및 1.03의 표준화된 주파수)에서는 표준화된 피스톤 진폭과 표준화된 적용 교류 발전기 터미널 전압 진폭 사이에 거의 선형 관계가 있다는 것을 볼 수 있다. 상기 관계의 결과로서, 및 여기에 논의된 제어 기술을 이용하여, 피스톤 배치는 특별한 작동 환경에 의해 요구되는 바와 같은 SPC를 이용한 교류 발전기 터미널에서의 전압 진폭을 명령함으로써 제어될 수 있다.
유사하게, 도 2의 하단의 그래프는 테스트된 전압 진폭(0.6, 0.8, 및 대략 0.9의 표준화된 주파수)에서는 표준화된 피스톤 배치가 표준화된 전압 진폭이 1.0에 접근함에 따른 주파수 변화에 제어가능하게 응답한다. 상기 관계가 주어지고 상기 전압 진폭을 적용함으로써, 교류 발전기 터미널 전압 주파수의 강제는 피스톤 배치를 안정시키거나 제어하는데 또한 효과적일 수도 있는 것으로 볼 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 설명에 의한 PSE/LA 시스템의 선형 교류 발전기(60)로 접속됨에 따른 SPC 부품의 블록도가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 및 이와 관련하여 설명된 실시예는 제품 배치에 특히 적합한 것은 아니고 오히려 목적을 테스트하기 위한 연구실 환경에서 주로 이용되는 전형적인 실시예를 나타낸다. 이것은 주로 본 발명의 상기 실시예에 어떤 저장 소자도 존재하지 않고, 그리드 전력화 연구 장치가 SPC의 작동을 시물레이트하는데 이용되기 때문이다.
당업자에 의해 이해될 것인 바와 같이, SPC(100)의 회로 및 부품은 박스 또는 다른 인클로저 내에 포함될 수 있다. 바람직하게는, 외부 터미널 접속은 인클로저에 이용되어 교류 발전기(60)로의 그리고 SPC(100)로부터의 터미널의 용이한 접속 및 비접속을 허용한다.
상술한 바와 같이 그리고 하기에 더욱 상세히 논의될 것인 바와 같이, SPC(100)는 양 모터(전력 원) 모드에서 그리고 발생기(전력 흡수기) 모드에서 기능하도록 설계된다. 게다가, SPC(100)는 양 전력원 및 특히 피스톤 행정의 제한에 관해서 안정된 엔진 작동을 총체적으로 유지하는 역할을 하는 제어 기능을 제공한다.
모터 모드 동안, SPC(100)는 FPSE/LA 시스템에 전력을 공급한다. 상기 실시예에서는 어떤 저장 소자도 존재하지 않으므로, 모터 모드 전력은 가변 주파수/진폭 전원(110)에 의해 공급된다. 상기 모드는 전형적으로 FPSE의 개시에 이용될 수 있고, 또한 일시적 부하 돌발 사고시에 엔진 안정화를 증진할 수 있다. 본 실시예가 저장 소자를 포함하지 않는 한, 비록 전기 에너지 저장을 할 수 있는 다른 부품이 사용될 수 있어도, 활용가능 시스템에서는 SPC(100) 내에서의 저장 소자가 배터리인 것이 바람직하다. 예들은 제한없이, 플라이횔(flywheel) 소자, 울트라-커패시 터 또는 필요에 따라 전기 에너지를 흡수하고 임의로 공급할 수 있는 어떤 다른 소자를 포함한다.
대안으로, SPC(100)의 전형적 작동 상태인 발생기 모드 동안, 교류 발전기(60)는 접속된 사용자 부하에 에너지를 전달하고/하거나 상술한 저장 소자에서 에너지를 저장하는 SPC(100)에 전기 에너지를 공급한다. 모터 모드로부터 발생기 모드로의 전환은, 예컨대 시동시에, 엔진을 구동하는 피스톤에 대립되는 바와 같이, 엔진이 피스톤 구동을 시작하는 시점에서 발생한다. 상기 시점에서, SPC(100) 외로 및 교류 발전기(60) 내로의 전류 흐름에 대비되는 바와 같이, 교류 발전기(60)에 의해 전력 전달에 대응하는 터미널 전압과의 위상 관계에서 전류는 SPC(100)내로 흐르기 시작한다. 전류 흐름 방향에서의 변화는 모드 변화 시점에서, 엔진 작동의 결과로서 교류 발전기(60)에 의해 디벨럽된 내부 전압이 교류 발전기의 내부 임피던스 드롭 및 SPC(100)에 의해 유지되는 터미널 전압의 총합을 초과한다는 사실에 기인한다.
당업자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 전류가 SPC(100)로 흐르는 지점에 대한 내부 교류 발전기 전압을 얻기 위하여, 피스톤(18) 및 결합된 교류 발전기 무버는 양 교류 발전기 전기자 코일(22)의 내부 임피던스 및 교류 발전기 전기자 코일 터미널에서의 전위를 극복하기에 충분한 내부 전압을 유도할 라디안 주파수 및 피크 변위의 곱과 동일한 피크 선형 속도를 얻어야 한다. 피스톤(18) 속도 및 교류발전기(60)의 디벨럽된 내부 전압이 명목상 비례하므로, 특정 주파수에서의 교류 발전기(60)의 터미널에서 전압을 제어함으로써, 속도 및 행정의 양 관점에서의 피스 톤(18)의 이동은 본원에 나타낸 교시에 따라 제어될 수 있다.
예컨대, 주어진 안정 작동 시점으로부터, 교류 발전기 터미널 전압 진폭이 강제되는 SPC가 더욱더 증가하면, 상기 전압과 내부 전압 진폭간의 차이는 순간적으로 감소할 것이다. 따라서, 교류 발전기 전류 및 상기 전류에 기인한 무버 반작용력도 감소될 것이다. 파워 피스톤상에 가해진 더 작은 무버 반작용력에 의해, 발진 엔진 압력파는 더 작은 저항을 만날 것이고 피스톤과 무버 배치를 증가시킬 경향이 있을 것이고 그 결과 발전된 내부 전압을 증가시킬 것이다. 따라서, 교류 발전기 전압의 강제된 증가가 피스톤 행정의 감소로 귀착될 것이라는 것을 알게 될 것이다. 비슷한 추론으로서, 교류 발전기 터미널 전압 진폭의 증분상의 감소가 피스톤 행정의 감소로 귀착될 것이라는 것을 알게 될 것이다.
SPC에 의한 교류 발전기 터미널 전압 주파수 및 진폭의 강제가 내쇼널 전력 그리드 등의 더 큰 전력 시스템과 동기화할 통상적인 엔진-구동 동기 발생기와 아주 동일한 방식으로 SPC에 의해 FPSE/LA 시스템을 동기화하는 것을 야기한다는 것을 주목하는 것은 중요하다. FPSE/LA의 동기화는 FPSE의 구동 모터로서 교류 발전기를 초기에 작동시킴으로써 즉시 이루어진다. 엔진 온도가 내부 시스템 손실을 극복하기 위한 충분한 진폭의 피스톤 구동 발진 압력파를 생성하기에 충분할 때, 교류 발전기 모터 모드 전류는 영으로 줄어들 것이고, 그 후 SPC에 의한 동기 손실 없이 교류 발전기 방향으로 강제된 전압을 형성한다. SPC가 교류 발전기 터미널에 접속될 때, FPSE 작동 유체(가스)가 이미 작동 온도에 있으면, 단지 짧은 전환 모터-모드 전류가 흘러 엔진 발진을 개시하고 발생기 모드 작동은 그 후 즉시 발생한 다
도 3에 예시된 구체적 실시예를 다시 참조하면, SPC(100)는 다수의 구성상의 부품을 포함한다. 전원(110)은 제어가능 주파수 및 진폭의 단일 위상 AC 전력을 공급한다. 상기 실시예에서는 전원(110)은 FPSE/LA에 의해 발생된 전력을 흡수할 수 없다. 연구실의 테스트 목적으로 상기 가능성을 시뮬레이트하기 위해, 안정기 부하(140)는 전원(110)의 출력부와 병렬로 접속된다. 전원(110)은 안정기 부하(140)를 거치는 일정 전압을 유지하고 따라서 상기 부하에 전달된 전력은, 예컨대 102 ㎏-m/sec(1,000W)의 값에 고정된다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 가변 비율의 단권 변압기(120)의 입력은 또한 전원(110)의 출력을 거쳐서 또한 접속되고, 상기 변압기의 출력 탭에서의 조절가능 전압이 교류 발전기(60)의 터미널 및 직렬 접속된 전력 요소 정정 커패시터(130)에서 전압을 강제한다. 교류 발전기가 전력을 수용할 때(예컨대, 엔진 시동의 목적)[예컨대, 10.2 ㎏-m/sec(100W)], 전원(110)에 의해 공급되는 전체 전력은 안정기 부하(140)에 공급되는 전력의 총합이고, 모터로의 역할을 하는 교류 발전기에 공급되는 전력의 총합이며, 따라서 102.0에서 112.22 ㎏-m/sec(1,000에서 1,100W)까지 증가한다. FPSE에 의해 구동되는 교류 발전기가 전력을 생산할 때, 예컨대, 51 ㎏-m/sec(500W), 그것은 안정기 부하(140)로 흐르고, 그 결과 전원(110)상의 버든(burnen)이 상기 102에서 51㎏-m/sec(1,000에서 500W)로의 양으로 감소된다.
상기 방법으로, 안정기(140)에 공급되는 전력은 교류 발전기(60)가 전력 원인지 전력 수요인지에 관계없이, 일정하게 남는다. 상기에 의거하여, 안정기(140) 가 엔진의 최대 전력 출력보다 근소하게 높은 전력 최대치를 처리하도록 설계되는 것이 바람직하다. 따라서, 전원과 안정기 부하의 결합이 SPC의 활용가능한 실시예의 전력 공급/감소 기능성을 시뮬레이트하는 역할을 한다.
본 발명의 교시에 의하면, 전원(110)이 안정기 부하(140)에 일정한 전력 레벨을 유지하기 위하여 작동된다. 이것은 안정기 부하(140)의 터미널에서 일정한 전압 진폭을 유지함에 의해 행해진다. 상기 실시예에서의 안정기 부하(140)는 예컨대, 관련 분야에 공지되어 있고 특정한 시간에서 에너지 흡수 요구에 따라 저항의 다른 레벨로 조절가능한 큰 저항성의 네트워크일 수 있다.
이제 도 3을 다시 참조하여, SPC(100)의 부품 및 본 발명의 바람직한 일실시예에서의 서로간의 그들의 관계가 논의된다. 상기 논의된 바와 같이, SPC(100)의 기능은 엔진 작동 상태에 따른 교류 발전기(60)에서의 규정된 터미널 전압 및 주파수를 동시에 강제하는 동안 요구되는 교류 발전기로부터 또는 교류 발전기로 전력을 흡수하거나 공급할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다. 전원(110)은 안정기 부하(140)를 거치는 일정 전압(Vs)을 공급하기 위해 제공된다. 이것은 PL과 같이 안정기 부하(140)에 공급되는 평균 공급 파워(Ps)를 발생시킨다. 전원(110)은 여기에 또한 논의되는 바와 같이, 조절가능 주파수에서 조절가능 전압 진폭을 공급하도록 또한 선택된다. 전원(110)은 한 방향만으로 작동하도록 구성되고, 안정기(140) 또는 교류 발전기(60) 중 하나로 전력을 공급할 수 있으나 전원(110)은 전력을 감소시킬 수 없다.
가변 비율의 단권 변압기(120)는 양 안정기 부하(140) 및 전원(110)과 병렬로 위치한다. 가변 비율의 단권 변압기(120)는 안정기(140)를 거쳐서 일정 전압 진폭을 유지하는 동안, 교류 발전기 터미널 전압 진폭의 조절을 허용한다. 가변 비율의 단권 변압기(120)는 안정기 부하 전압이 일정하게 남는 동안, 교류 발전기(60)의 터미널에서 전압 진폭을 제어하기 위한 작동시에 수동으로 또는 자동으로 조절될 수 있다. 교류 발전기 입력/출력 전력(PA)은 표준 작동시의 단권 변압기 내로 및 개시시 등의 구체적 시간에서 단권 변압기 외로 흐르는 전력에 의해 가변 비율의 단권 변압기(120)에 의해 수용되거나 전달된다.
교류 발전기 입력/출력 전력(PA)은 교류 발전기(60) 내로 또는 외로 흐르는 전류(IA) 및 교류 발전기(60)의 터미널을 거치는 전압(VA)으로 귀결된다. 바람직한 일실시예에서는 200 내지 500㎌의 상태에서의 예시값을 갖는 전력 요소 커패시터(130)가 교류 발전기(60)의 내부 유도 리액턴스를 보상하기 위한 가변 비율의 단권 변압기(120)와 교류 발전기(60) 사이에 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이 SPC 시스템 모델을 이용하여 피스톤 스트로크는 교류 발전기(60)의 터미널에서 나타나는 어느 한쪽의 또는 양 전압 진폭 또는 전압 파형의 주파수를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 고정된 값에서 강제된 주파수에 의해 전압 진폭 제어가 일반적으로 피스톤 스트로크를 제어하기 위한 가장 효과적인 수단인 반면에, 표준 피스톤 행정 한계가 교란되어 왔거나 다른 비정형 상태가 존재할 때, 제어에 의거한 주파수는 또한 이용될 수 있고 엔진 작동 특성의 범위 내의 저 장에 특별한 이점을 가질 수 있다. 예컨대, 개시시에 가스 온도 및 결과로 생기는 가스 압력은 상대적으로 낮다. 그 결과, 피스톤상에 공기 역학상의 효과에 의해 달성되는 탄성 비율도 낮다. 본 발명은 개시 및 엔진이 예열함에 따라 주파수 작동을 점차적인 증가시에, 상기 낮은 주파수에서 엔진이 작동하도록 하는데 이용될 수 있다.
시스템의 일반적인 개요 및 본 발명의 방법이 본 발명의 전형적인 연구실 실시예와 관련하여 제공되었으므로, 보다 즉시 활용가능한 실시예에 관련하는 하기의 논의가 본 발명의 설명에 의거하여 제공된다.
도 4를 다시 참조하면, 그것의 바람직한 실시예에 의한 본 발명의 시스템의 주요 구성 요소의 블록도가 있다. 도면 좌측으로부터 시작하여, 교류 발전기(260)가 교류 발전기 터미널을 통하여 양방향 AC/DC 전력 컨버터(210)로 전기 접속된다. 상술한 바와 같이, AC/DC 전력 컨버터(210)에 의해 제어됨에 따라 전류가 교류 발전기(260) 내로 또는 교류 발전기(260) 외로의 어느 하나로 흐를 수 있다. 하기에 더욱 상세히 논의될 것인 바와 같이, AC/DC 전력 컨버터는 다수의 부품으로 구성된다. 예컨대, 바람직한 실시예에서의 AC/DC 전력 컨버터(210)는 주파수 및 진폭에서 제어가능한 교류 발전기 터미널에서 효과적인 사인 전압을 생산하는 등의 펄스 폭 변조 방식에서 교류 발전기(60) 터미널을 DC 링크(202)로 선택적으로 접속하기 위한 "H-브리지" 위상에서 제공된 4개의 스위치의 세트를 포함한다. 게다가, AC/DC 전력 변환기(210)는 DC 링크(202)의 터미널들간에 접속된 DC 링크 커패시터를 포함한다.
AC/DC 전력 변환기(210)는 DC 링크(202)의 터미널들을 거쳐서 전압을 감지하기 위한 전압 센서, 교류 발전기(260) 안으로 또는 밖으로 전류 흐름을 감지하기 위한 전류 센서 및 교류 발전기(260)의 터미널들을 거쳐서 전압을 감지하기 위한 전압 센서 등의 전류 및 전압을 감지하기 위한 다수의 센서를 더 포함한다. AC/DC 전력 컨버터(210)는 바람직하게는 AC/DC 전력 컨버터(210)의 전체적인 작동을 제어하기 위한 디지털 신호 프로세서(DSP) 일체화된 회로로서 제공되는 제어 프로세서를 또한 포함한다. AC/DC 전력 컨버터(210)의 부품과 작동의 보다 상세한 관계가 도 5와 관련하여 하기에 제공된다.
바람직한 실시예에 의한 본 발명의 시스템에서는 각각 배터리 팩(215)의 충전 및 방전에 이용되는 벅(buck) 컨버터(220) 및 부스트(boost) 컨버터가 또한 포함된다. 벅 컨버터(220)는 한 쌍의 MOSFET[양 컨버터(220 및 230)에 의해 공유됨]뿐만 아니라 벅/부스트 인덕터 부품[양 컨버터(220 및 230)에 의해 공유됨]을 포함한다. 배터리 팩(215)이 충전될 때, MOSFET들 중 하나가 펄스 폭 변조 방식으로 스위칭되고 다른 것은 그렇지 않다. 비스위칭된 MOSFET은 고유의 다이오드 기능을 제공한다. 배터리 팩(215)의 방전시에는 부스트 컨버터(230)에 의해 제어되는 바와 같이 그 반대는 일정하다. 상기 경우에, 스위칭된 및 비스위칭된 MOSFET는 고유의 다이오드 기능을 제공하는 MOSFET에서의 역이다. 벅 컨버터(220) 및 부스트 컨버터(230)를 통한 충전 및 방전 기능상의 더 상세한 설명은 하기에 제공된다.
도 4의 블록도에 의해 예시된 바와 같은 본 발명의 시스템의 또 다른 가능한 양상은 DC/AC 인버터(270)가 DC 링크(202)로부터 유도된 DC 전력을 고정된 주파수( 예컨대, 50, 60 또는 400㎐) AC 전력으로 변환하고 상기 DC 전력은 표준 전압(예컨대, 120Vrms, 60㎐)에서 작동하는 AC 부하(290)에 의해 이용되는 것이다. AC 전력 인버터(270)는 충전 레벨의 충분한 배터리 상태에 의거하여 선택적으로 작동하도록 제어될 수 있다. 상기 방식에서, 배터리 팩(215) 또는 다른 저장 소자가 소정의 임계값에 맞추는 충전 레벨을 가질 때까지, AC 부하에 접속된 사용자로의 접속은 선택적으로 연기될 수 있다. 유사하게, 자동차의 12 VDC 적용에서 등의 DC 부하에 전력을 공급할 때, DC/DC 벅 컨버터(280)는 전압을 낮추고, 요구되는 출력 DC 전압을 제한하는데 이용될 수 있다. 예컨대, DC 링크(202)상의 전압은 100 VDC 또는 200 VDC의 등급 또는 그 이상일 수 있고 DC/DC 벅 컨버터(280)를 통하여 요구되는 12 VDC로 전압이 낮추어질 수 있다.
바람직한 실시예에 의한 본 발명의 구성 요소의 일반적 개요가 제공되어 왔으므로, 이제 특정 회로 및 관련된 기능성의 보다 상세한 설명은 하기와 같다. 도 4와 관련하여 일반적으로 및 도 5와 관련하여 이제 보다 상세하게 논의된 실시예에 의해, 도 3과 관련하여 논의된 회로의 필수적인 특색이 이용되지만, 추가적인 구성 요소가 전력 전자 기술 기능의 자동 제어 및 저장 구성 요소를 포함하여 추가된다. 상기 실시예와 관련하여, 교류 발전기 터미널(306)은 제어가능한 접속 충격 계수(衝擊係數)에 의해 시스템 주파수(fs)에서 먼저 DC 링크 양 터미널(302)로 및 그 후 DC 링크 음 터미널(304)로, 스위칭 소자(335, 345, 355, 365)에 의해 구성된 스위칭 브리지에 의해, 번갈아 접속된다. 동시에, 그리고 교류 발전기 터미널(306)의 스위칭에 의해 동기로, 교류 발전기 터미널(308)은 먼저 DC 링크 음 터미널(304)로 및 그 후 DC 링크 양 터미널(302)로 번갈아 접속된다. DC 링크 터미널(302 및 304)은 DC 링크(202)에 의해 공급되는 DC 전력이 표준, 고정된 부하 동작 주파수, 예컨대 50, 60 또는 400㎐ 및 표준 전압, 예컨대 120 Vrms인 AC 전력으로, 또는 인버터 또는 DC/DC 컨버터(322)를 통하여 낮추어진 DC 전압으로 변환되는 인버터로 DC 입력을 형성한다. 인버터 및/또는 DC/DC 컨버터(322)는 요구되는 바와 같이 DSP(400)(하기에 논의됨)에 의해 제어될 수 있다. 인버터 및/또는 DC/DC 컨버터(322)는 하나 이상의 사용자 AC 및/또는 DC 부하(324)로 직접 접속된다.
도 5는 본 발명의 SPC에 접속될 때의 단일 교류 발전기의 도면이다. 도시되지 않았지만, 시스템은 하나 이상의 교류 발전기가 도 5에 예시된 바와 같이 단일 SPC에 의해 제어될 수 있도록 대안으로 구성될 수 있다. 상기 경우에, 각 상기 교류 발전기는 도 5에 하나의 교류 발전기로 예시된 바와 같은 동일한 방식으로 DC 링크의 터미널(302 및 304)과 병렬로 접속될 것이다. 또 다른 대안은 하기에 서술된 브리지 등의 단일 스위칭 브리지와 직렬로 배선된 다중 교류 발전기에 대한 것이다. 대안으로 단일 스위칭 브리지는 각 교류 발전기와 결합될 수 있으며, 모든 브리지는 공통의 DC 링크에 접속될 것이다.
도 5를 다시 참조하면 그리고 그 도면에서 좌측에서 우측으로 움직일 때, 교류 발전기가 파워 및 제어 시스템에 접속되어 교류 발전기의 터미널(A 및 B)이 직렬-접속 전력 요소 정정 커패시터(Cpfc)(330) 및 전류 센서(312)를 통하여 H 브리지 노드 C 및 D에 결합되는 것을 볼 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이 및 상기 논의된 바와 같이, 교류 발전기는 그와 관련하여 내부 전압(Vint)(390), 내부 인덕턴스(La) 및 내부 저항(Ra)를 갖는다. 전압 센서(314)는 교류 발전기 터미널(A 및 B)에서 교류 발전기 터미널 전압(Va)을 모니터링하도록 제공된다. 전류 센서(312)는 교류 발전기 내로 또는 외로 흐르는 전류(Ialt)를 모니터링하도록 제공된다.
H 브리지는 바람직하게는 도 5에 도시된 바와 같이 단향성 스위치[S1(335), S2(355), S3(345) 및 S4)]를 이용하여 제공된다. 각 단향성 스위치는 단일 MOSFET로 구성된다. MOSFET의 상세한 관점이 도 6에 제공된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, MOSFET은 비용-효과적 제공 및 DC 링크에 접속된 다른 파워 변환 회로의 효율적인 작동에 유리한 교류 발전기의 정해진 전력 및 DC 링크 전압을 도모하는데 적합한 전압 및 전류 비율을 갖는 국제 정류기 IRFP260N 소자 또는 유사한 MOSFET을 포함한다. 이들 고려는 관련 분야에 널리 공지되어 있다.
절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBTs)는 대안으로 H 브리지 스위치를 제공하는데 이용될 수 있고, 적용이 적합한 전압, 전류 및 전력 비율의 MOSFET보다 낮은 도전 손실을 제공함에 따라 고전력 적용[예컨대, 2,549 ㎏-m/sec(25㎾)]이 바람직할 수 있다. 게다가, 매우 높은 전력 레벨[예컨대, 10,197 ㎏-m/sec(100㎾)]에서, 적합한 전압, 전류 및 전력 비율의 MOSFET은 유용하지 않을 수 있다. 그러나, IGBT 소자가 MOSFET의 진성 역방향 다이오드 기능을 제공하지 않음에 따라, 외부 다이오드 소자는 IGBT 컬렉터 터미널로 접속된 다이오드 캐소드 및 IGBT 에미터 터미널로 접속된 다이오드 애노드를 갖는 각 IBGT 소자를 거쳐서 분기 회로에 설치되어야 한다.
유사하게, MOSFET 또는 IGBT 스위치 및 5 ㎑ 이상의 등급상의 캐리어 주파수에서의 지지 펄스 폭 변조 작동뿐만 아니라 고유 또는 분리 역방향 다이오드의 기능성 등을 제공할 수 있는 다른 어떤 스위칭 소자가 사용되어질 수 있다. 양 방향성 도전 및 차단을 고유하게 제공할 수 있는 소자를 포함한다. 예컨대, 대체 실시예에서는 H 브리지 스위치는 양 방향성이고 공급 터미널에 맞대어 접속된 2개의 MOSFET로 구성될 수 있다. 남은 논의를 위하여, 도 6에 도시된 바와 같은 단일의, 단향성 MOSFET 소자의 이용이 추정될 수 있다.
단향성 스위치에 의해 형성된 H-브리지는 특별한 스위치 연결 구성 및 교류 발전기 내부의 및 터미널 전압 진폭에 따른 교류 발전기 내로 또는 외로의 어느 하나로 전류가 흐르도록 선택적으로 허용한다. FPSE/LA 시스템의 오실레이션은 SPC와 자동적으로 동기화하므로 교류 발전기 내부 전압의 주파수 및 그 터미널에서의 주파수는 항상 동일하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스위치 S1(335)와 S4(365)는 모두 "온" 또는 모두 "오프"가 되도록 짝을 이룬다. 한 쌍의 스위치 S2(355)와 S3(345)에서도 마찬가지이다. 한 쌍의 스위치(S1-S4와 S2-S3)의 도전 듀티 싸이클(conduction duty cycle)은 당업계에 공지된 펄스폭 변조(PWM) 방법에 의해 제어되어 교류 발전기 단자에서 발전된 유효 전압 파형은 제어가능한 주파수 및 진폭의 사인 곡선이다. 조건에 맞는 충실도의 유효 사인 곡선 전압을 달성하기 위해, PWM 스위칭 또는 캐리어 주파 수는 교류 발전기 단자 전압의 최고 기본 주파수의 30배 가량의 최소값을 갖는다. 이러한 점에서, MOSFET 스위칭 손실이 최소화되도록 적절한 전압 파형 충실도를 제공하는 최저 PWM 캐리어 주파수를 사용하는 것이 바람직하다. 교류 발전기의 인덕턴스는 PWM에 의해 합성된 비전형 사인 곡선 전압의 고조파 소자에 의해 다르게 구동될 수 있는 전류 소자의 흐름을 억제한다는 것을 주목해야 한다. 단자 전압 일그러짐 보다는 교류 발전기 전류가 FPSE/LA 성능에 더 큰 충격, 특히 진동 및 손실을 줌에 따라, 적절한 정도의 교류 발전기 단자 전압 일그러짐은 로우 캐리어 주파수와 결과 MOSFET 스위칭 손실에 대한 허용의 이득으로 받아들여질 수 있다.
당업계에 공지된 바에 따라, 합성된 교류 발전기 단자 전압의 유효 진폭은 PWM 듀티 싸이클에 의해 순간적으로 제어된다. 미미한 사인 곡선 파형을 달성하기 위해, 듀티 싸이클은 바람직한 단자 전압 주파수에서 사인 곡선 변조 공통 템플릿에 따라 변화된다. 또한, 합성된 유효 교류 발전기 전압의 사인 곡선 진폭을 제어하기 위해, 사인 곡선 공통 템플릿은 필요에 따라 스케일링 업 또는 스케일링 다운될 수 있다. 바람직한 유효 사인 곡선 교류 발전기 단자 전압을 생성하는 방식으로 H 브릿지 스위치를 제어하는데 필요한 PWM 신호는 당업계에 공지된 몇가지 방법에 의해 생성될 수 있다.
이러한 방법은 바람직한 교류 발전기 단자 전압 진폭을 생성하기 위해 적절하게 스케일링된 교류 발전기 단자 전압의 바람직한 주파수에서의 사인 곡선 템플릿 신호가 PWM 캐리어 주파수에서 삼각 파형과 비교되는 "사인-삼각"법이다. 삼각 반송파(triangular carrier wave)의 진폭이 템플릿의 진폭을 초과하는 경우, 이진 PWM 신호 상태는 스위칭된다(예컨대, 게이트 드라이브 온에서 게이트 드라이브 오프로 스위칭됨). 삼각 반송파 진폭이 템플릿의 진폭 아래로 리턴되는 경우, PWM 신호 상태는 이전 상태로 스위칭된다(예컨대, 게이트 드라이브 오프에서 게이트 드라이브 온으로 스위칭됨).
선택적으로, 필요한 PWM 신호 상태는 디지털 신호 처리기(DSP) 장치(400)의 전체 부분으로서 형성되는 목적에 맞게 설계된 카운터-비교기 디지털 회로에 의해 결정될 수 있다. 카운터-비교기는 유효한 DSP 주변 장치이고, 그 동작 파라미터는 제어 레지스터 비트 상태에 의해 구성될 수 있다. 제어 레지스터 구성은 초기화 서브루틴에 의해 확립될 수 있고, 초기화 서브루틴은 비휘발성 프로그램 메모리내에 상주하는 DSP 펌웨어의 일부이며, 비휘발성 프로그램 메모리는 DSP 칩(400)의 전체 부분일 수도 있다. TI TMS320LF2406A DSP 또는 성능이 유사한 DSP 장치를 사용한 바람직한 실시예에 있어서, 초기화 서브루틴은 바람직한 캐리어 주파수(예컨대, 2.5㎑)를 갖는 H 브릿지 스위치 PWM 제어 신호의 생성을 위한 카운터 타이머 제어 레지스터를 구성한다. 특히, 바람직하게는 카운터-비교기가 PWM 캐리어 주파수와 동일한 기간을 갖는 업/다운 카운터로서 동작하도록 구성된다. 초기화 구성의 다른 형태는 각 PWM 캐리어 싸이클의 마지막에서 생성되는 인터럽트를 포함할 수 있다. 따라서, 각 PWM 캐리어 싸이클의 마지막에 활성되는 인터럽트 서비스 루틴(ISR)은 다음 PWM 기간에 필요한 듀티 싸이클을 계산한다.
ISR 부분은 엔진 제어 시스템(ECS)으로부터 수신된 주파수 설정 포인트 명령(410)에 의해 결정된 주파수의 사인 곡선 템플릿을 생성한다. 주파수 설정 포인트 명령이 아날로그 모양의 SPC DSP와 통신하고, 혼합된(아날로그와 디지털) 회로에 의해 제공되는 16개의 아날로그-디지털 변환기(ADC) 채널 중 하나에 의해 판독되고, 상기 혼합 회로도 DSP 칩(400) 내에 통합되는 경우에 SPC로부터 분리된 DSP 또는 마이크로컴퓨터 유닛에 의해 ECS 기능이 수행될 수 있다. 선택적으로, 분리되어 수행되는 ECS는 주파수 설정 포인트 명령을 직렬 또는 병렬 디지털 링크를 통해 SPC DSP로 통신할 수 있다. ECS 기능이 SPC를 제어하는 동일한 DSP에 의해 수행되는 경우, 주파수 설정 포인트 명령은 DSP 프로그램 내의 디지털 수단을 통해 통신된다.
템플릿의 진폭은 ECS에 의해 명령된 피스톤 변위를 달성하는데 요구되는 교류 발전기 단자 전압에 의해 결정된다. 주파수 설정 포인트 명령의 경우에 있어서, 피스톤 변위 설정 포인트 명령은 분리된 ECS DSP 또는 마이크로컴퓨터에 의해 생성되어 아날로그 또는 디지털 수단을 통해 SPC DSP로 통신될 수 있다. ECS 와 SPC 기능이 공통 DSP에 의해 수행되는 곳에서의 피스톤 변위 설정 포인트는 DSP 프로그램 내의 디지털 수단에 의해 통신된다. 바람직한 실시예에 있어서, 요구되는 전압 진폭은 명령된 피스톤 변위(420)를 갖는 피스톤 위치 감지기(신호 445)에 의해 표시되는 바에 따라 전류 피스톤 위치를 비교함으로써 결정된다. 피스톤 위치 감지기 신호(445)는 제 3 ADC 채널에 의해 판독된다.
다음 PWM 듀티 싸이클을 계산해야할 ISR 부분은 다음 단계를 실행함으로써 동작될 수 있다:
1. 교류 발전기 전압 주파수 명령의 전류값을 판독하는 단계;
2. 주파수 명령을 사용하여 기간의 마지막에 0으로 리셋하는 단조롭게 증가된 값을 생성하는 업 카운터의 기간을 업데이팅하는 단계;
3. 사인 곡선의 -180 ~ 180도를 나타내는 -1 ~ 1의 범위 내의 정규화된 각을 나타내는 전류 카운터값을 취하고 이 사인각의 근사 다항식을 계산하는 단계;
4. 전류 ECS 피스톤 변위 명령을 판독하는 단계;
5. 피스톤 위치 감지기에 의한 전류 피스톤 위치 표시를 사용하여 최근의 피크 피스톤 변위의 전류 측정을 업데이팅하는 단계;
6. 명령된 피스톤 변위와 피크 피스톤 변위의 최근 측정을 비교하고, 결과적인 에러 신호를 제어 시스템 계산에 적용하여, 에러의 최소화에 요구되는 교류 발전기 단자 전압의 측정된 진폭을 업데이팅하기 위해 제어 시스템 계산은 비례-적분(PI) 또는 비례-적분-미분(PID) 제어 절차를 수행하는 단계;
7. 계산된 단자 전압 진폭의 정규화된 값을 사용하여 단계 3에서 계산된 사인값을 스케일링하는 단계; 및
8. 이 스케일링된 사인 템플릿값을 사용하여 다음 PWM 기간의 듀티 싸이클을 확립하는 단계.
전술한 업/다운 카운터의 전류값과 전류 스케일링된 사인 템플릿은 디지털 비교기에 의해 비교된다. 카운터값이 템플릿값을 초과하는 경우, 관련된 PWM 출력 신호 상태가 변화된다(예컨대, 게이트 드라이브 온에서 오프로 변화). 카운터 값이 템플릿 값 아래로 떨어지는 경우, PWM 출력 신호 상태가 이전 상태(예컨대, 게이트 구동 오프에서 온으로 변화)로 복귀된다. Y업/다운 카운터의 사용은 합성된 유효 사인 곡선 교류 발전기 단자 전압의 고조파 컨텐트를 감소하기 위해 공지된 소위 대칭 PWM파를 제공한다. 동일한 DSP 카운터-비교기 주변 장치로 수행될 수 있는 대체 절차는 업 카운터를 채택하여 덜 바람직한 비대칭 PWM파를 얻는다.
바람직하게는, DSP 카운터-비교기 주변 장치 회로는 S1과 S2, 또는 S3과 S4가 동시에 온(ON)이 되지 않는 S1과 S4 온(ON)으로부터 S2와 S3 온(ON)으로 변화되게 하는 수단도 포함한다. 이것은 모든 스위치가 오프 상태인 동안 게이트 제어 신호내에 짧은(예컨대, 2 마이크로세컨드) "데드(dead)" 또는 "블랭킹(blanking)" 시간 간격을 삽입함으로써 달성될 수 있고, 이것은 당업계에 실제로 공지된 것이다.
이러한 프로텍션의 부족으로, (S1, S2, S3 또는 S4)의 동시적인 전도는 "슈트 스로우(shoot through)"상태를 야기하여, 비록 이들이 스위칭되어 거의 확실히 그것을 실패하게 하더라도 DC 링크 전압에서 상대적으로 제한된 전류를 구동할 수 있다. 아래에 설명된 게이트 드라이버 회로를 주목하면, 데드 또는 블랭킹 시간 간격을 제공할 수 있다. DSP 400, 게이트 드라이버 또는 둘 다 슈트 스로우 위험을 막기 위해 사용될 수 있다.
도 (7a) 및 도 7(b)은 적용된 PWM 웨이브폼과 결과적인 내부 교류 발전기 말단 전압에 대하여 SPICE 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 생성된 그래프이다. 도 7(a)는 고 710과 저 720 사이드 PWM 웨이브폼을 예시한다. H 브릿지 스위치를 제어하는 것을 적용했을 경우 효율적인 교류 발전기 말단 전압을 발생할 것이다. 웨이브폼(730)은 듀티 사이클을 제어하는 생성된 사이 곡선의 템플릿을 나타낸다. 도 7(b)는 결과적인 내부 교류 발전기 말단 전압 웨이브폼(740)을 예시한다. 적용된 사인 곡선의 템플릿 웨이브폼(730)과 비교되는 웨이브폼(750)에 의해 나타내어진 바와 같이 저 통과 필터링이 효과적인 사인값을 보여준다. PWM 전압 웨이브폼(740) 상의 작은 사인 리플(ripple)이 DC 링크(302)상의 전압 변동에 기인한다. 이 리플은 DC 링크 커패시터(398)의 크기를 증가시키거나 벅/부스트 컨버터(316)와 DC 링크(302) 사이의 연통을 통하여 배터리(315)에 의해 제공된 전압 규제에 의해 억제될 수 있다. 리플 진폭의 적당한 양(예컨대, 5 ~ 10% 피크-피크)이 허용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 SPC는 교류 발전기 말단 전압 진폭의 조절에 의해 세트 포인트 값을 명령한 ECS에 따라 최대 피스톤 변위를 제어할 것이다. 그러나, 상기 DSP 펌웨어는 순간 피스톤 위치 부근과(예컨대, 피스톤 위치 센서 출력의 가장 최근의 4DC 샘플의 이동 평균으로부터 유도된) 안정한 작동 피스톤 변위 임계값을 또한 비교한다. 명백하거나 회복될 수 없는 오작동에 기인하여 야기되는 이 임계값의 검출된 위반은 엔진 내연 시스템의 코오디네이트된(coordinated) 턴다운뿐만 아니라 교류 발전기 말단 전압 진폭의 즉각적인 감소 및/또는 전압 주파수의 동시적인 감소를 개시한다. DSP 펌웨어 특성은 FPSE/LA 작동을 중단시키거나 반복된 피스톤 순환 위반이 FPSE/LA 시스템을 중단시킬 경우의 명백한 오작동 조건으로부터 작동 회복을 시도하는 것을 제공할 수 있다.
방금 설명한 바와 같이, 전력과 제어 시스템(300)의 바람직한 실시예는 Texas Instruments Incorporated로부터 제조되고 입수가능한 TMS320LF2406A인 디지털 신호 프로세서(DSP) 장치 또는 다른 유사한 용량의 DSP 장치를 포함한다. 일반 적으로 DSP는 대다수의 요구 기능성, 보조 적분 회로를 제공하는 반면에 기타 전자부품은 필터, 버퍼 그렇지 않으면 종국적으로 DSP 입출력 포트와 인터페이스되는 조건 신호에 포함될 수 있다.
DSP 콘트롤러(400)는 다양한 아날로그와 DSP(400), 교류 발전기 전류 및 전압 센서(312, 314) 각각의 사이에 인터페이스를 공급하는데 사용되는 2진수 입출력을 포함하고, 엔진 제어 시스템(도시되지 않음)과 다양한 기타 부품이 전력 및 제어 시스템(300) 내에 포함된다. DSP(400)로의 입력(410, 420)은 동작 주파수이며 피스톤 변위 세트포인트가 엔진 제어 시스템(ECS)에 의해 생성된 입력을 명령한다. ESC 기능은 분할 DSP, "일반적인 목적" 마이크로컴퓨터 또는 SPC를 제어하는 동일한 DSP에 의해 수행될 수 있다. ECS로부터의 DSP로의 명령 입력값은 이들을 제외한 아날로그 신호가 일련 또는 평행한 디지털 포맷일 수 있는 바와 같이 도 5에 도시된다. ECS 및 SPC 제어 기능이 공통 DSP와 함께 수행되는 곳에서 이들 명령은 ECS 및 SPC 처리 과정에 의해 기록 및 판독된 펌웨어 변수일 수 있다.
당업계에 공지된 바와 같이, ECS는 소망의 히터 헤드 온도를 유지하기 위해 연료 및 연소 에어 흐름 비율의 제어를 포함하는 전체적으로 FPSE 작동을 제어하는 기능을 한다. 상기 ECS는 상기에서 언급된 동작 주파수에 대한 세트포인트 명령을 SPC로 전달하도록 구성되고 ECS가 예측하는 피스톤 변위가 예를 들어, 가장 빠른 웜 업(warm up) 또는 최적 연료 효율을 포함하는 소망의 성능 특성을 제공할 것이다. 이들 세트포인트 명령은 상기 SPC에 의해 관찰되며 주파수 명령 세트포인트가 교류 발전기 말단 전압의 주파수를 조절하기 위해 직접 적용된다. 또한, 상기 SPC 는 순간 피스톤 변위와(적당한 피스톤 위치 센서로 바로 관찰되거나 교류 발전기 내부 전압 진폭으로부터 추론되는) 상기 ECS에 의해 제공된 피스톤 변위 세트포인트를 비교하고 상기 명령된 값을 얻기 위한 상기 비교로부터 얻어진 변위 "에러"에 따라 교류 발전기 말단 전압의 진폭을 제어한다. "비례적" 에러와 선택적인 그 적분 및 미분을 최소화시키기 위해 조절된 교류 발전기 말단 전압의 진폭으로 피드백 제어 루프가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. "데드비트(deadbeat)" 제어, 피드포워드 제어 및 퍼지 논리 기술과 같은 대안적인 방법론이 이러한 목적을 위해 채택될 수 있다.
지금까지, 상기 SPC의 주파수 응답 및 피스톤 변위 세트포인트 명령이 설명되었다. 또한, 상기 SPC는 전류 교류 발전기 전력 출력(465)과 배터리(455)의 충전 상태(SOC) 또는 ECS의 동등한 에너지 저장 유닛을 기록한다. 히터 헤드 온도의 더욱 효율적인 제어를 제공하기 위해 상기 ESC는 연소 시스템으로의 피드포워드 입력으로서의 교류 발전기 전력 지시를 사용할 수 있다. 이러한 새로운 부하 조건에 기인하여 히터 헤드 온도에서의 미결정 변화를 예상하는 교류 발전기 부하 조건에서의 변화를 충족시키기 위해 상기 전력 피드포워드 신호(465)는 요구의 "진행 통지"를 추가적인 또는 감소된 히트 입력에 제공한다.
또한, 상기 SPC는 상기 ECS에 의해 사용될 수 있는 배터리의 충전 상태의 표시에 의해 ECS를 제공하여 충분한 저장 에너지를 유지하기 위한 최적의 FPSE/LA 전력 레벨을 결정하여 불시의 수요 감소를 완화시키기 위해 적절한 "저장 헤드룸"이 되게 하면서 불시의 전력 수요 증가를 충족시킨다. DSP 출력(465 및 455)은 상기 ECS에 상기 표시를 제공한다. 상기 출력이 아날로그 신호로서 도 5에 나타낸 경우, 이들은 직렬 또는 병렬 디지털 형태 중 어느 하나이어도 좋다. ECS 및 SPC 제어 기능성이 통상의 DSP에 의해 충족되는 경우, 이들 교류 발전기 전력 및 배터리 SOC 표시는 각각의 SPC 및 ECS에 의해 읽고 쓰는 것이 가변적인 펌웨어일 수 있다.
배터리(315)의 충전 상태는 공지의 기술분야에서의 각종 방법에 따라서 DSP(400)에 의해 결정될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 예컨대, 배터리(315)로서 VRLA(valve regulated lead acid, 밸브 제어 납산)의 사용을 포함하는 것은 충전의 상태가 후술하는 바와 같은 "쿨롱 카운팅"으로 결정될 수 있다. 최초 전력 상승시에, 충전의 상태는 셀당 볼트로 표준화된 무부하 전압을 관찰함으로써 결정될 수 있다. 상기 시스템이 가동하고, 최초의 충전 상태로부터의 변동인 그 상에 부하가 가해진 후, 상기 미부하 배터리 전압의 관찰에 의해 제 1 결정이 배터리의 전류 흐름 입출력을 통합하고, 상기 배터리(315)의 정격 암페어시 용량에 의해 적분값을 규정함으로써 산출될 수 있다.
DSP(400)에 추가 입력은 교류 발전기 터미널 전압(Va)을 나타내는 출력(430) 및 입력(440)을 통하여 DSP(400)에 제공되는 교류 발전기의 내부 또는 외부를 흐르는 전류를 포함한다. 바람직한 다른 실시예는 상기와 같은 장치가 사용되어 피스톤 변위를 모니터하는 하나 이상의 피스톤 위치 센서용 입력(445)이 포함된다. 복수의 피스톤 FPSE에 의해서라도 우수하게 설계되고 제조된 유닛에서, 피스톤 변위는 명목상 동등하다고 기대될 수 있으므로, 하나의 피스톤 변위 센서가 충분할 수 있다. 또한, 적당한 계산을 행함으로써 교류 발전기 터미널 전압(314)으로부터 피스톤 위 치를 추측할 수 있어 내부 저항과 인덕턴스 소자를 가로지르는 전압 강하를 감함으로써 내부 전압이 유도된다. 또한, 시간과 온도에 의해 변화될 수 있는 무버의 자기장 강도에 있어서, 조정이 요구되어 불확실에 대하여 보정될 수도 있다.
2개의 펄스폭 변조(PWM) 출력(450 및 460)의 세트는 DSP(400)에 의해 이용된다. 이들 신호가 사용되어 각각의 한쌍의 제어 스위치 S1/S3 및 S2/S4가 제어된다.
도 5에 도시되어 있지 않지만, "하이 사이드" 및 "로우 사이드" 게이트 드라이버 회로를 실행시키는 버퍼링 회로는 DSP(400)의 PWM 출력(450 및 460)과 MOSFET게이트 커넥션 사이에 끼워지는 것이 바람직하다. 이들 버퍼 소자는 예컨대, International Rectifier, Inc.에 의해 시판되는 IR2100 등의 고전압 주문형 집적 회로(ASIC)이어도 좋다. 이와 같이, DSP(400)으로부터의 3.3V 출력 신호는 H-브리지 MOSFET 스위치를 조절하기에 적당한 15V 게이트 구동 신호로 전환될 수 있다. 특히, 하이 사이드 스위치 S1(335) 및 S3(345)를 조작하기 위해 사용되는 하이 스이드 구동기는 상기 게이트의 고동상 모드(high common mode)로부터 DSP PWM 명령 출력을 분리하기 위해 설계되어야 한다. 이 특성은 예증 IR2110게이트 구동 장치에 의해 실행된다.
도 5의 오른쪽으로 가동을 계속하면, 전기 에너지를 저장하고 제공하기 위한 배터리(315)를 포함한 각종 기타 구성 요소가 포함된다. 하이 사이드 MOSFET(본래의 다이오드를 지님) 스위치(375) 및 로우 사이드 MOSFET(본래의 다이오드를 지님) 스위치(385)(예컨대, 모두 스위치에 관해 상술한 바와 같은 International Rectifier IRFP 260N이어도 좋다)는, 후술하는 바와 같이 배터리 충전 및 배터리 방전 기능을 제어하는데 사용된다. 상술의 H-브리지인 경우이면, 상기 MOSFET 및 그 고유 역방향 다이오드의 기능성을 제공하고, 5kHz 이상의 오더에 대한 반송 주파수시에 펄스폭 변조 조작을 지지할 수 있는 임의의 스위칭 장치가 각각의 하이 및 로우 사이드 스위치(375 및 385)를 이행하는데 사용될 수 있다. 상기 스위치는 단향 전도 및 블로킹 제어만을 제공하는 것이 요구된다. 그러나, 역방향 다이오드는 각각에 대해 제공되어야 한다. 상기 MOSFET 장치의 고유 역방향 다이오드는 이들 기능을 제공하지만, IGBT인 경우, 분리된 역방향 다이오드가 IGBT 이미터에 연결된 다이오드 양극 및 IGBT 컬렉터에 연결된 다이오드 음극을 가지고 있어야 한다. DSP(400)에 아날로그 입력(470)은 DC 링크 양극의 단자(302)와 DC 링크 음극의 단자(304)를 가로지른 전압을 나타낸다. DSP(400)에 아날로그 입력(480)은 전류 센서에 의해 감지된 배터리(315)의 내부 또는 외부를 흐르는 전류(Ibat)를 나타낸다. DSP400에 아날로그 입력(415)은 배터리(315)의 단자를 가로지른 전압(Vbat)을 나타낸다.
DSP(400)으로부터 PWM 출력(490)은 배터리 충전 및 방전 조작과 관련된 MOSFET Q5의 제어를 제공한다. 동일하게, DSP(400)으로부터 PWM 출력(425)은 배터리 충전 및 방전 조작시에 MOSFET Q6의 제어를 제공한다. PWM 출력 신호(490 및 425)는 DSP(400)의 다른 출력에 관하여 상술한 하이 사이드 및 로우 사이드 게이트 구동기 기능을 통해 버퍼링된다. 최종적으로, 상술한 바와 같이, DSP(400)는 상기 엔진 제어 시스템에 공급되는 2개의 아날로그 출력(455 및 465)을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 있어서, 예상되는 미래 엔진 열전력 요건을 설명하기 위해, 출력 신호(455)는 상기 엔진 제어 시스템에 교류 발전기 전력 피드포워드 데이터를 제공한다. 또한, 출력 신호(465)는 상기 엔진 제어 시스템에 배터리의 충전 상태 데이터를 제공하여 전류 배터리 저장 레벨에 관한 데이터를 사용한 엔진 조작을 최고로 활용하기 위해 엔진 제어 시스템을 허용한다. 상술한 바와 같이, 상기 ECS에 대한 보고인 DSP, SPC 출력은 직렬이나 병렬 형식인 디지털 신호의 형태일 수 있다. ECS 및 SPC 제어 기능성이 통상의 DSP에 의해 실행되면, 이들 파라미터는 ECS 및 SPC 펌웨어 절차에 의해 각각 판독 및 기록되는 프로그램 변화일 수 있다.
하나의 실시예에 따른 본 발명의 관련 부품 및 회로의 개요를 나타내면, 이하의 설명은 전력내의 배터리(315)를 충전 및 방전하기 위한 공정, 및 제어 시스템(300)을 포함한다. 예컨대, 미래 엔진 전력 요건을 위한 준비에 있어서, 그 저장 레벨이 낮게 되면, 배터리(315)를 충전하거나 또는 외부 부하의 불시의 중단 후에, 즉시 교류 발전기 로드가 과도하게 유지되는 것이 바람직하다. 또한, 배터리(315)를 방전시켜 사용할 수 있는 FPSE 전력이 불시에 증대되는, 예컨대, 로드 증가가 FPSE/LA 발전소에 불시에 연결되는 경우가 바람직하다. 배터리(315)로부터 전력의 추가는 상기 증가된 로드를 어드레스에 제한 시간동안 제공하거나, 또는 상기 추가 로드를 지지하기 위한 엔진에 추가열을 공급할 수 있을 때까지 제공되어도 좋다.
배터리(315)를 충전하기 위해, 하기 절차가 제안된다. 정상적으로 MOSFET 스위치 Q5 375 및 Q6 385는 OFF/부전도 상태이다. 또한, 기본 조작 상태에 있어서, DC 링크 양극 레일(302)에서 DC링크 음극 레일(304)까지 전류가 흐를 수 없도록 다이오드(D5 및 D6)는 대립된다. 충전 조작을 개시시키기 위해, DSP(400)은 트랜지스터(Q5)에 출력(490)에 의해 MOSFET 스위치(Q5)를 통하여 전류가 양극 DC 링크 레일(302)로부터 흐르는 동안의 상응하는 시간으로 야기된 순간의 MOSFET 게이트 구동 펄스를 갖는 신호인 PWM 신호를 제공한다. 상기 작용은 유도자 L승압/ 강압가 레일(302)에서의 전압까지 노드(E)를 이르게 하도록 잡아 당기고, 그 결과, 상기 유도자 및 배터리(315) 중의 전류는 램프업(ramp up)되기 시작한다. 램핑은 V가 상기 유전자를 가로지른 전압이고, L은 상기 유전자의 인덕턴스인 V/L의 램프 레이트로 발생된다. 따라서, 램프 레이트는 시간에 대해 일정하다. 출력(490)으로부터 양극 펄스가 끝나는 지점에서, 전류가 연속적으로 흐르고, MOSFET 본래 다이온드 D6(385)를 통하여 자유롭게 움직이지만, Q5(375)는 부전도가 된다.
결과적으로, 전류 루프가 일시적으로 형성된다. 이 루프는 인덕터를 통해 Ibat 전류 센서(318)를 통하여 배터리 터미널(315)로 흐르고, 다이오드를 통해 다이오드(D6)의 애노드 상방으로 흘러 다이오드(D6)의 캐소드로 나와 인덕터(316)의 우측 터미널로의 흐름을 포함한다. 유동 전류의 감쇠가 나타난 후, 새로운 펄스가 추가 배터리를 충전시키기 위해 공급된다. 펄스는 고정된 PWM 캐리어 주파수율(예컨대 5kHz)로 설정하고, 펄스의 충격 계수에 따라 배터리(315)를 소망하는 수준으로 충전할 수 있다. 바람직한 실시예에 따르며, Q5(375)에 인가된 펄스의 충격 계수는 외부 및 내부 전압을 구비한 DSP과 전류 비례 적분(PI) 제어기에 의해 제어된 다. 외부 루프(PI) 제어기는 센서(326)를 통해 DC 링크 전압을 관찰한 후, 이 값과 고정된 설정값을 비교하여, 내부 전류 루프 PI 제어기의 설정값으로 제공되는 전압 제어기 출력을 형성하도록 조합되는 비례 적분항을 계산한다. 내부 전류 루프 PI 제어기는 전류 센서(318)에 의해 관찰된 배터리 전류를 외부 루프 전압 제어기에 의해 명령된 전류를 비교하여, 버크 스위치 Q5(375)에 대한 PWM 충격 계수를 결정하는 제어 출력을 형성하도록 조합되는 비례 적분항을 계산한다. 이러한 내포형 외부 전압 및 내부 전류 루프 구성은 유리한 동적 제어 특성, 예컨대 동시에 배터리 전류를 안전치로 한정하는 수단을 공급하는 동시에 빠른 응답 및 최소의 오버슈트를 가진 안정한 조작성을 을 제공하기 위해 채용된다.
충전 모드는, 외부 부하의 갑작스런 인터럽션에 의한 DC 링크 전압의 상승이 억제될 때에 종료된다. 외부 부하의 갑작스런 감소 후의 교류 발전기 부하를 일시적으로 유지하도록 개시된 배터리 충전의 기간은 교류 발전기 파워 피드포워드 지시의 갑작스런 중단에 의해 개시된 ECS에 의한 엔진 열류량 출력의 동시 감소에 의해 한정된다.
또한, 다른 충전 방식이 채용되어도 좋다(예컨대, 배터리 전류가 상위의 충전 상태 조건을 나타내는 임계값을 하회하도록 일정 배터리 터미널 전압을 충전하는 방식). 이 경우, 충전 제어기를 구비한 DSP가, 배터리 전류 센서(318)에 의해 관찰된 배터리 전류를 모니터하면서 센서(320)에 의해 기록된 배터리 터미널 전압을 조정할 수 있다. MOSFET 스위치 Q5(375)를 제어하는 PWM 신호의 발생에 대한 DSP 펌웨어 방법론은 H 브리지 스위치에 대해 상술한 것과 동일하다.
배터리 충전은 하기 프로세스를 통해 달성된다. 펄스 열이 MOSFET Q6(385)의 게이트를 향해 DSP(400)의 출력(425)에 공급된다. 이 펄스에 의해 Q6(385)의 게이트가 ON으로 되면, 이것이 전도되어, 배터리(315)가 인덕터(316)에 의해 단락된다. 이 경우, 회선은 시계 방향의 루프로 흐르고, 이전과 마찬가지로 램프속도 V/L로 램프업한다. 그러나, 이 경우, V는 원칙적으로 배터리(315)의 터미널을 횡단하는 전압이다. 램프업이 달성된 후, DSP(400)의 출력(425)으로부터 나오는 게이트 턴온펄스의 결정시 Q6(385)가 개방된다. 이 때, 인덕터 밖의 전류는 MOSFET 고유 다이오드(D5)를 통해 상방향으로 프리휠하여, DC 링크 캐패시터(398)를 충전한다.
DC 링크 캐패시터의 점진적 방전 후에 새로운 게이트 턴온 펄스가 MOSFET Q6(385)에 인가되어 배터리(315)의 방전을 계속하여, 소정 범위내의 DC 링크 전압을 지원한다. 바람직한 실시예에 따르면, Q6(385)에 인가된 펄스의 충격 계수는 외부 및 내부 전압을 구비한 DSP 및 전류 비례 적분(PI) 제어기에 의해 제어된다. 외부 루프 PI 제어기가 센서(326)를 통해 DC 링크 전압을 관찰하고, 그 값과 고정된 설정값을 비교하여, 내부 전류 루프 PI 제어기의 설정값으로 제공되는 전압 제어기 출력을 형성하도록 조합되는 비례 적분항을 계산한다. 내부 전류 루프 PI 제어기는 전류 센서(318)에 의해 관찰된 배터리 전류를 외부 루프 전압 제어기에 의해 명령된 전류를 비교하여, 부스트 스위치 Q5(385)에 대한 PWM 충격 계수를 결정하는 제어 출력을 형성하도록 조합되는 비례 적분항을 계산한다. 이 네스트(nested) 외부 전압 및 내부 전류 루프 구성은 유리한 동적 제어 특성, 예컨대 동시에 배터리 전류를 안전치로 한정하는 수단을 공급하는 동시에 빠른 응답 및 최소의 오버슈트를 가진 안정한 조작성을 을 제공하기 위해 채용된다.
앞서 더 상세히 논의된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 다양한 SPC 제어 신호가 DSP(400)에 의해 수신 발생된다. 이들 신호의 특성은 앞서 충분히 논의되었다. 이하, DSP(400)의 프로그래밍 뿐만 아니라 본 발명의 SPC의 전체 제어와 관계가 있는 그외의 형태에 대해서 바람직한 실시예를 통해서 설명한다.
예컨대 배터리 전류(480), DC 링크 전압(470) 및 피스톤 위치(445) 등의 DSP(400)에 제공되는 입력 신호에 있어서, DSP ADC 채널은 통상적으로 단극형 신호만을 수락하므로, 그 결과 다극형 입력은 바이어스와 함께 제공되어야 한다. 이것은 임의의 당업계에 공지되는 있는 각종 방법을 통해 행해져도 좋다.
본 발명의 SPC에 있어서, PWM는 교류 발전기 및 파워 인수교정 캐패시터의 터미널에 인가되는 그리드 전압(제어된 주파수 및 진폭)을 종합하는 것은 필수적이다. 이것은 마찬가지로 DSP(400)에 의해 발생되는 정현파 기준 신호의 사용이 요구된다. 이것을 위해서 당업계에 공지되어 있는 임의의 각종의 방법, 예컨대 표 찾아보기 방법 또는 실시간 계산 방법이 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 그리드 접압 진폭은 DSP 엔진 제어 루틴(PID 또는 PI 제어기 출력)에 의해 통과된 피스톤 스트로크 명령에 따라 제어되어 소망한 피스톤 스트로크를 달성한다.
대역제어의 관점에서의 허용가능한 동적 성능 또는 등량적으로 허용가능한 스텝 변경 응답 시간 및 오버슈트로 안정하게 조작시키기 위해서, PI를 통한 적분 피드백을 사용한 피스톤 변위 제어 방법이 본 발명의 바람직한 실시예에 채용한다. 허용가능한 동적 성능을 달성하기 위해서는 비례 적분항을 사용하는 것이 바람직하 지만, 미분항을 사용해도 좋고, 그렇지 않아도 좋다. 그 하나의 경우, 즉 PI 또는 PID 제어기의 경우, 순시 피스톤 위치가 관찰되고, 이들 값으로부터 변위 메트릭이 DSP에 의해 계산된다. 변위 메트릭은 피크값 변위, RMS 변위, 또는 정류위치 정현파의 평균이어도 좋다. 본 발명에 따르면, 당업자에 의해 명백해지듯이, 본 발명이 그 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니지만, 바람직한 실시예를 최종 선택한다. RMS 또는 정류 위치 정현파의 계산 평균 중 하나에는, 최소 래그로 최대 전류를 추정하도록, 한 사이클에 걸쳐 계산된 코히어런트 평균값을 사용하는 것이 바람직하게 채용한다. 코히어런트 평균을 내는 것은 DSP 제어 하에서 종합되는 발진기 터미널 전압의 주파수에 의해 결정되기 때문에 엔진-교류 발전기 발진 기간은 공지되어 있다는 사실에 의해 용이하게 된다.
상기 메트릭 중 어느 하나에 의해 특징지워지는 변위는 ECS에 의해 공급된 전위 설정 명령과 게속적으로 비교되고, 그 차(에러)가 적용되어 단일 제어 출력으로서 총합되는 비례, 적분 및 필요에 따라 미분항을 계산한다. 이 제어 출력은 사인 곡선의 템플릿의 증폭을 조절하여 명령된 피스톤 변위를 달성하는데 요구되는 교류 발전기 터미널 접압 진폭의 증가 또는 감소시키는데 사용된다.
또한, DSP(400)은 DC 링크에 적당한 전압을 유지시키는 것을 담당한다. 바람직한 실시예에 따르면, 전압이 너무 높으면, 링크가 버크 변환기를 거쳐 배터리(315)에 부하된다. 전압이 너무 낮으면, 링크가 부스트 컨버터를 거쳐 배터리(315)에 지원된다. 배터리 충전 상태가 사용불가한 전위실행을 하도록 경계 밖이 되도록 경정하면, 셧다운이 시작되는 경우가 있다.
배터리(315)의 충전 상태는 바람직하게는 DSP(400) 제어 알고리즘에 의해 유지된다. 바람직한 실시예에 있어서, 충전 상태가 너무 높지만, 소정의 경계 한계 내이면, 엔진 제어기에 대한 충전 상태의 피드포워드의 이득이 감소된다. 대안으로, 충전 상태가 너무 낮지만 경계내이면, 엔진 콘트롤러로의 피드포워드 이득이 감소된다.
또한, DSP(400)은 전압 조건 전반에 걸치거나 또는 전류 조건에 걸치는 등의 고장 조건을 모니터하는 것을 포함하는 고장감시 등의 다른 기능을 담당한다. 또한, DSP(400)는 바람직하게는 진단 LED 또는 다른 고장 표시기가 사건의 고장 조건을 나타내도록 프로그램한다.
스털링 엔진을 제어하는 제어 시스템 및 신호 프로세스 방법은 개시되어 있다. 상술한 바와 같은 티칭은 특히 왕복부내의 제어와 관게되는 것들에 대해 다양한 용도를 갖는다는 것을 알 수 있다. 본 발명은 FPSE 구동 선형 교류 발전기와 연관하여 개시하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 여기의 티칭은 FPSE 구동의 다른 장치, 예컨대 교류 발전기 및 그외의 장치에 한정되지 않는 다양한 전자 변환기를 포함하는 변환기에 적용가능하다.
상기 주제의 발명에 대해서 도면 및 상기 설명에 상세하게 설명하지만, 개시된 실시예는 설명에 도움이 되는 실례로서 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 그 내용이 보호되는 한에서 각종 변형이 가해질 수 있다.

Claims (20)

  1. 파워 피스톤을 갖는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템에 있어서:
    a) 상기 파워 피스톤과 기계적으로 연결되고, 전력을 전달하는 전기 터미널을 가진 전자기 트랜스듀서; 및
    b) 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널과 전기적으로 연결되는 양방향 전력 터미널을 가진 제어가능 발진 전력 시스템을 포함하며:
    상기 시스템은 상기 파워 피스톤에 소망하는 반작용력을 생성하기 위해 상기 터미널을 통해 전류를 강제하지 않고 상기 전자기 트랜스듀서 전기 터미널에서의 전압의 소정 진폭 및 소정 주파수를 강제하도록 구성 및 조정되고, 주파수 및 진폭 둘 다에 대하여 선택적으로 제어되는 전압을 발생시키는 전력 공급 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 파워 피스톤의 주행 범위를 제어하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유 피스톤 스털링 엔진은 디스플레이서를 더 포함하고, 상기 제어 시스템은 엔진 동압(engine dynamic pressure)을 변경하는 상기 파워 피스톤의 주행 범위를 제어함으로써 상기 디스플레이서의 주행 범위를 제어하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 트랜스듀서로부터 수용된 에너지를 저장할 수 있는 저장 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 파워 피스톤의 행정 범위는 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널을 가로질러 상기 전압 진폭을 변화시킴으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 파워 피스톤의 행정 범위는 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널을 가로질러 전압 파형을 변화시킴으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기 트랜서듀서의 터미널은 H-브릿지 스위치 세트와 전기 접속되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 H-브릿지 스위치 세트를 제어하여 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널을 가로질러 전압 진폭 및 전압 주파수를 선택적으로 제어하는 디지털 신호 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진용 제어 시스템.
  10. a) 파워 피스톤을 갖는 자유 피스톤 스털링 엔진;
    b) 상기 파워 피스톤과 연결되고, 전력을 전달하는 전기 터미널을 가진 전자기 트랜스듀서; 및
    c) 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널과 전기적으로 연결되는 양방향 전력 터미널을 가진 제어가능 발진 전력 시스템을 포함하며:
    상기 시스템은 상기 파워 피스톤에 소망하는 반작용력을 생성하기 위해 상기 터미널을 통해 전류를 강제하지 않고 상기 전자기 트랜스듀서 전기 터미널에서의 전압의 소정 진폭 및 소정 주파수를 강제하도록 구성 및 조정되고, 주파수 및 진폭 둘 다에 대하여 선택적으로 제어되는 전압을 발생시키는 전력 공급 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진 구동 전력 플랜트.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 파워 피스톤의 행정 범위는 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널을 가로질러 상기 전압 진폭을 변화시킴으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진 구동 전력 플랜트.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 파워 피스톤의 행정 범위는 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널을 가로질러 전압 파형을 변화시킴으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진 구동 전력 플랜트.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 전자기 트랜서듀서의 터미널은 H-브릿지 스위치 세트와 전기 접속되는것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진 구동 전력 플랜트.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 H-브릿지 스위치 세트를 제어하여 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널을 가로질러 전압 진폭 및 전압 주파수를 선택적으로 제어하는 디지털 신호 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진 구동 전력 플랜트.
  16. 전자기 트랜스듀서를 구동시키는 파워 피스톤을 갖는 자유 피스톤 스털링 엔진을 제어하는 방법에 있어서:
    a) 최적 엔진 발진 주파수 및 피스톤 변위를 선택하는 단계; 및
    b) 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널과 전기적으로 연결되는 양방향 전력 터미널을 가진 제어가능 발진 전력 시스템을 사용하는 단계를 포함하며,
    상기 시스템은 상기 파워 피스톤에 소망하는 반작용력을 생성하기 위해 상기 터미널을 통해 전류를 강제하지 않고 상기 전자기 트랜스듀서 전기 터미널에서의 전압의 소정 진폭 및 소정 주파수를 강제함으로써 상기 선택된 주파수와 변위에서 동작하게 하기 위해 상기 파워 피스톤을 강제하도록 구성 및 조정되고, 주파수 및 진폭 둘 다에 대하여 선택적으로 제어되는 전압을 발생시키는 전력 공급 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진을 제어하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전자기 트랜서듀서의 터미널은 H-브릿지 스위치 세트와 전기 접속되는것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진을 제어하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 H-브릿지 스위치 세트를 제어하여 상기 전자기 트랜스듀서의 터미널을 가로질러 전압 진폭 및 전압 주파수를 선택적으로 제어하는 디지털 신호 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 엔진을 제어하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 전자기 트랜서듀서의 출력 터미널에서 전압 주파수를 강제하도록 발진 전력 시스템을 사용함으로써 파워 피스톤 발진 주파수를 강제하는 단계;
    파워 피스톤 변위를 측정하는 단계; 및
    소망하는 파워 피스톤 변위를 확립하도록 발진 전력 시스템에 의해 강제된 전자기 트랜서듀서 터미널 전압의 진폭을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어된 자유 피스톤 스털링 엔진을 제어하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 전자기 트랜서듀서의 터미널은 H-브릿지 스위치 세트와 전기 접속되는것을 특징으로 하는 제어된 자유 피스톤 스털링 엔진을 제어하는 방법.
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Families Citing this family (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GR20050100081A (el) * 2005-02-21 2006-10-06 Γεωργιος Ευαγγελου Χαμηλοθωρης Εργαστηριακη διαταξη για την επιδειξη και εκπαιδευση στους θερμικους κινητηρες κυκλου stirling χαμηλου θερμοκρασιακου διαφορικου
US7923965B2 (en) * 2005-10-10 2011-04-12 General Electric Company Methods for coupling an energy storage system to a variable energy supply system
US7690199B2 (en) * 2006-01-24 2010-04-06 Altor Limited Lc System and method for electrically-coupled thermal cycle
US7417331B2 (en) * 2006-05-08 2008-08-26 Towertech Research Group, Inc. Combustion engine driven electric generator apparatus
US7492052B2 (en) * 2006-11-21 2009-02-17 Northrop Grumman Corporation Electronically moderated expansion electrical generator
DE102006056349A1 (de) * 2006-11-29 2008-06-05 Gerhard Schilling Vorrichtung zur Umwandlung thermodynamischer Energie in elektrische Energie
US7453241B2 (en) * 2006-11-29 2008-11-18 Sunpower, Inc. Electronic controller matching engine power to alternator power and maintaining engine frequency for a free-piston stirling engine driving a linear alternator
US7511459B2 (en) * 2007-06-11 2009-03-31 Sunpower, Inc. Controller computing a virtual tuning capacitor for controlling a free-piston stirling engine driving a linear alternator
US8011183B2 (en) * 2007-08-09 2011-09-06 Global Cooling Bv Resonant stator balancing of free piston machine coupled to linear motor or alternator
EP2039352A1 (en) * 2007-09-18 2009-03-25 Institut National De La Sante Et De La Recherche Medicale (Inserm) Aqueous-core lipid nanocapsules for encapsulating hydrophilic and/or lipophilic molecules
US8215112B2 (en) * 2007-11-28 2012-07-10 Tiax Llc Free piston stirling engine
US7701075B2 (en) * 2007-12-05 2010-04-20 Sunpower, Inc. Hybrid electrical power source combining stirling engine driven alternator with supplementing electrical energy storage
US8097967B2 (en) 2008-06-30 2012-01-17 Demand Energy Networks, Inc. Energy systems, energy devices, energy utilization methods, and energy transfer methods
US8319358B2 (en) 2008-06-30 2012-11-27 Demand Energy Networks, Inc. Electric vehicle charging methods, battery charging methods, electric vehicle charging systems, energy device control apparatuses, and electric vehicles
WO2010045269A2 (en) 2008-10-13 2010-04-22 Infinia Corporation Stirling engine systems, apparatus and methods
US8559197B2 (en) * 2008-10-13 2013-10-15 Infinia Corporation Electrical control circuits for an energy converting apparatus
US8376070B2 (en) * 2009-01-29 2013-02-19 General Electric Company Modular auxiliary power unit assembly for an electric vehicle
CA2768136C (en) * 2009-07-15 2016-02-02 Recurrent Engineering Llc Systems and methods for increasing the efficiency of a kalina cycle
WO2011091022A1 (en) 2010-01-19 2011-07-28 Altor Limited Lc System and method for electrically-coupled heat engine and thermal cycle
US9035594B2 (en) * 2011-04-19 2015-05-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Boost converter control apparatus
WO2012174145A2 (en) 2011-06-13 2012-12-20 Demand Energy Networks, Inc. Energy systems and energy supply methods
US8752375B2 (en) * 2011-08-16 2014-06-17 Global Cooling, Inc. Free-piston stirling machine in an opposed piston gamma configuration having improved stability, efficiency and control
US10886742B2 (en) * 2011-12-09 2021-01-05 The Aes Corporation Method and system for performance management of an energy storage device
US10132238B2 (en) * 2012-04-02 2018-11-20 Regents Of The University Of Minnesota Methods and systems for free piston engine control
US10202897B2 (en) 2013-04-16 2019-02-12 Regents Of The University Of Minnesota Systems and methods for transient control of a free-piston engine
JP6800557B2 (ja) * 2013-07-09 2020-12-16 株式会社アルファプラスパワー 外燃機関を用いたエネルギーシステム
GB201315497D0 (en) * 2013-08-30 2013-10-16 Microgen Engine Corp Holding Bv Regulation of electrical generator output
US20150280628A1 (en) * 2013-11-08 2015-10-01 Joseph Sajan Jacob Digital power plant
CN107708758B (zh) * 2014-12-22 2021-06-08 史密夫及内修公开有限公司 负压伤口治疗装置和方法
JP6338250B2 (ja) * 2015-04-27 2018-06-06 エス・イー・シーエレベーター株式会社 スターリングエンジン発電制御システム
US11078792B2 (en) * 2016-06-06 2021-08-03 Regents Of The University Of Minnesota Control signals for free-piston engines
ITUA20164650A1 (it) * 2016-06-24 2017-12-24 Univ Della Calabria Dispositivo elettronico di controllo di un motore stirling di tipo free-piston con alternatore lineare e relativo metodo di controllo
CH712956B1 (de) * 2016-09-27 2020-03-31 Smart Conv Gmbh Doppelwirkende Freikolben-Stirling-Kreislaufmaschine mit Lineargenerator.
EP3615779B1 (en) 2017-04-24 2022-03-23 General Electric Company Adaptive linear linked piston electric power generator
US10554099B2 (en) 2017-09-20 2020-02-04 Etagen, Inc. DC-DC converter in a non-steady system
MX2020003028A (es) 2017-09-20 2020-11-06 Mainspring Energy Inc Frenado automatico para una maquina electromagnetica.
US11181072B2 (en) * 2019-05-21 2021-11-23 General Electric Company Monolithic combustor bodies
US10770996B1 (en) 2019-05-21 2020-09-08 General Electric Company System for anticipating load changes
WO2020236865A1 (en) * 2019-05-21 2020-11-26 General Electric Company System for anticipating load changes
CN110109346A (zh) * 2019-05-29 2019-08-09 中国计量大学 铝空气电池电力变换器的pid控制算法
JP7143272B2 (ja) * 2019-12-24 2022-09-28 ツインバード工業株式会社 フリーピストン型スターリング冷凍機

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5002020A (en) * 1988-04-26 1991-03-26 Kos Joseph F Computer optimized hybrid engine
JP2004317108A (ja) * 2003-04-03 2004-11-11 Sharp Corp スターリング機関

Family Cites Families (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4397155A (en) * 1980-06-25 1983-08-09 National Research Development Corporation Stirling cycle machines
FR2510181A1 (fr) 1981-07-21 1983-01-28 Bertin & Cie Convertisseur d'energie thermique en energie electrique a moteur stirling et generateur electrique integre
US4454426A (en) 1981-08-17 1984-06-12 New Process Industries, Inc. Linear electromagnetic machine
US4434617A (en) 1982-07-27 1984-03-06 Mechanical Technology Incorporated Start-up and control method and apparatus for resonant free piston Stirling engine
US4745749A (en) 1983-07-29 1988-05-24 New Process Industries, Inc. Solar powered free-piston stirling engine
US4567726A (en) * 1983-09-02 1986-02-04 Mechanical Technology Incorporated Externally excited resonant free piston Stirling engine thermal amplifier system and method of operation and control therefor
US4481459A (en) 1983-12-20 1984-11-06 Sundstrand Corporation Combined starting/generating system and method
US4642547A (en) 1985-08-19 1987-02-10 Sunpower, Inc. Adaptive regulation system for a linear alternator driven by a free-piston stirling engine
JPS63263250A (ja) 1987-04-20 1988-10-31 Mitsubishi Electric Corp スタ−リング機関の振動低減装置
US4805408A (en) 1987-06-29 1989-02-21 Sunpower, Inc. Stirling engine power regulation system
US5018357A (en) * 1988-10-11 1991-05-28 Helix Technology Corporation Temperature control system for a cryogenic refrigeration
US4873826A (en) * 1988-12-28 1989-10-17 Mechanical Technology Incorporated Control scheme for power modulation of a free piston Stirling engine
US4948209A (en) 1989-01-01 1990-08-14 Westinghouse Electric Corp. VSCF starter/generator systems
DE3934221A1 (de) 1989-10-13 1991-04-18 Franz Martin Arndt Heissgasmotor
IT1237211B (it) 1989-11-17 1993-05-27 Eurodomestici Ind Riunite Circuito per il pilotaggio di un motore a pistone oscillante, in particolare di un compressore per frigoriferi.
US5013929A (en) 1989-11-22 1991-05-07 Sundstrand Corporation Power conversion system having prime mover start capability
JP2985217B2 (ja) 1990-03-31 1999-11-29 アイシン精機株式会社 スターリング機関の回転数制御装置
JP2773417B2 (ja) 1990-09-28 1998-07-09 アイシン精機株式会社 フリーピストンスターリングエンジン
JPH04295167A (ja) 1991-03-26 1992-10-20 Aisin Seiki Co Ltd ディスプレーサー型スターリング機関
US5228293A (en) 1992-07-06 1993-07-20 Mechanical Technology Inc. Low temperature solar-to-electric power conversion system
US5342176A (en) 1993-04-05 1994-08-30 Sunpower, Inc. Method and apparatus for measuring piston position in a free piston compressor
US5850111A (en) 1994-05-05 1998-12-15 Lockheed Martin Energy Research Corp. Free piston variable-stroke linear-alternator generator
JPH0849927A (ja) 1994-08-08 1996-02-20 Mitsubishi Electric Corp ヴィルミエヒートポンプ
US6274941B1 (en) 1995-06-30 2001-08-14 Ecopower Energy Solutions Ag Process and device for dosing the thermal output of combined heat and power generation systems
US5864770A (en) 1996-03-14 1999-01-26 Ziph; Benjamin Speed and power control of an engine by modulation of the load torque
IT1283369B1 (it) 1996-07-30 1998-04-17 Rinaldo Lampis Gruppo elettrogeno lineare ad alto rendimento,metodo di controllo e gruppo di trazione con esso
TW347464B (en) 1996-11-15 1998-12-11 Sanyo Electric Co Stirling cycle machine
US5813235A (en) 1997-02-24 1998-09-29 The State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Resonantly coupled α-stirling cooler
TW353707B (en) 1997-09-26 1999-03-01 Nat Science Council Control device for linear compressor
EP0911433B1 (de) * 1997-10-22 2002-06-05 Zinser Textilmaschinen GmbH Spinnverfahren mit Vorspinnmaschinen und mit Ringspinnmaschinen
US5813815A (en) * 1997-11-14 1998-09-29 Johnny Yung-Ping Chang Dust and water proof apparatus for bulk carrier
US6050092A (en) 1998-08-28 2000-04-18 Stirling Technology Company Stirling cycle generator control system and method for regulating displacement amplitude of moving members
US6094912A (en) 1999-02-12 2000-08-01 Stirling Technology Company Apparatus and method for adaptively controlling moving members within a closed cycle thermal regenerative machine
US6199381B1 (en) 1999-09-02 2001-03-13 Sunpower, Inc. DC centering of free piston machine
DE19943614C1 (de) 1999-09-11 2000-10-19 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Lastregelung bei einer Wärmekraftmaschine mit Stromgenerator
US6279319B1 (en) 2000-02-11 2001-08-28 Fantom Technologies Inc. Heat engine
US6809486B2 (en) 2000-12-15 2004-10-26 Stirling Technology Company Active vibration and balance system for closed cycle thermodynamic machines
US6536326B2 (en) 2001-06-15 2003-03-25 Sunpower, Inc. Control system and method for preventing destructive collisions in free piston machines
NZ515578A (en) 2001-11-20 2004-03-26 Fisher & Paykel Appliances Ltd Reduction of power to free piston linear motor to reduce piston overshoot
US6856107B2 (en) 2003-04-17 2005-02-15 Aerovironment Inc. Linear-motion engine controller and related method
JP2005009353A (ja) * 2003-06-17 2005-01-13 Sharp Corp スターリング機関

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5002020A (en) * 1988-04-26 1991-03-26 Kos Joseph F Computer optimized hybrid engine
JP2004317108A (ja) * 2003-04-03 2004-11-11 Sharp Corp スターリング機関

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US7200994B2 (en) 2007-04-10
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