专利名称：发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种发电系统，特别是利用汽油机驱动发电机的、一种小型的便携式发电系统。
背景技术：
随着科学技术的发展，用电设备已经充满了我们的生活，人们对电的依赖越来越强。在电网电力输送不到的边远偏僻山区、牧场、渔场、海岛、临时性的建筑工地，以及供电负荷短缺、经常停电的经营场所等，特别需要能移动方便、经济适用的后备电源。而对于一些特殊的活动和情况，人们对于独立电源的需求更迫切，对独立电源的可携带性要求更强。 外出野营旅游、野外探险、科学考察考古、军人执行野外军事任务、发生地震洪水等一些自然灾害时的救援等活动都需要低成本、高可靠性的便携汽油机-发电机组为核心的独立电源系统。发动机驱动发电机的发电装置从便携到应急等各种应用正在得到普及，但现有的发电装置存在如下问题价格昂贵、不方便携带、操作保养费用高、对负载适应能力底等问题。在内燃发电机组中，小型汽油机-发电机组因具有小巧、灵活机动等优点，在IOKW 以下的小容量发电机需求中占据主导地位。但目前国内外针对小型便携式汽油机-发电机组的数字控制系统进行的研究相对较少，无锡的开普公司是这方面的先行者，己经开发出1 IOkW的数字发电机产品，市场反应良好取得了巨大的经济效益。目前数字发电机的市场还在扩大，为适应市场的需要，开发一种高的负载适应性、价格低廉、可靠性高、便于携带、操作保养方便、具有良好通用性和扩展性的便携式独立电源系统具有较大的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，采用的技术方案如下一种发电系统，包括内燃机，其用于向系统提供动力，电机/发电机，其与上述内燃机机械连接，整流装置，其将上述电机/发电机的输出进行整流，逆变器，其将整流装置的输出转换为预定频率的交流电并输出给负载，传感装置，用于检测负载值，和控制装置， 其接收传感装置所检测的负载值，并根据所接收的负载值对内燃机输出功率进行调整。优选地，所述控制装置设置有单位时间负载变化阈值，当相同所述单位时间内负载值变换量大于所述阈值时，使用模糊控制方式对内燃机进行控制，当相同所述单位时间内负载值变化值不大于所述阈值时，使用PID控制方式对内燃机进行控制。优选地，所述负载值为母线电压或母线电流。优选地，还包括节气门控制电机，其通过减速机构与内燃机节气门相连接。优选地，还包括摆臂和位置传感器，所述减速机构通过摆臂与所述节气门相连接， 所述位置传感器用于检测摆臂位置，所述控制装置向节气门控制电机发送节气门开度指令，并根据所述位置传感器的反馈信号来调整节气门开度指令。
优选地，所述位置传感器为可变电阻。优选地，还包括蓄电装置，在内燃机起动时，所述电机/发电机作为内燃机的起动电机，蓄电装置经逆变装置为所述电机/发电机提供电能。优选地，所述内燃机为四冲程单缸风冷汽油发动机。优选地，所述电机/发电机为无刷永磁同步电机，其永磁材料采用钕铁棚永磁体。优选地，内燃机和发电机之间采用十字滑块联轴器连接。优选地，控制装置采用芯片MC33035作为控制芯片。优选地，整流装置采用顶2130作为控制芯片。一种发电系统，其包括蓄电装置、发动机-发电机、控制装置和逆变装置，所述逆变装置用于将蓄电装置的电力转换为预定频率的交流电并提供给负载，当所述控制装置检测到所述蓄电装置的电力不足时，自动启动发动机-发电机系统为蓄电装置充电。
图1为发电系统整体结构图。图2为发电系统的控制原理3为汽油机转速恒定下转矩与节气门开度的关系图4为汽油机突卸负载转速变化曲线图5为发电系统的控制系统结构图
具体实施例方式下面，参考附图对本发明进行详细说明。如图1所示的发电系统的整体结构图以及图2所示的发电系统的控制原理图，发电系统是由内燃机3，优选为汽油机，拖动发电机1向外部负载供电的，汽油机通过联轴器2 与起动/发电机1相连接，起动/发电机1通过起动/发电控制电路5与电池系统4相连接，同时通过直流母线8与直流输出接口 7电连接。油门控制电路6根据直流母线8的电压或电流值，对内燃机的节气门开度进行控制。通常情况下，发电系统的负载要求发电机产生的电流和电压越稳定越好。所属领域技术人员能够知晓，发电系统输出的电压直接受发动机转速的影响，发动机转速如不稳定，则发电机产生的电压也不稳定。受负载的影响，在负载发生变化时，发电系统的输出电压会产生变化，为了保证输出电压的稳定，必须根据负载的变化，不断调整发电机的输出端电压以消除负载变化时电源输出电压的变化，这显然要依靠调节汽油机的转速来实现。所以，对汽油机-发电系统的控制即是对汽油机转速的控制。汽油机-起动/发电系统发电时，检测单元M采样到机组的被控信号后，送入控制器15进行比较得到偏差值，控制器根据此偏差值按照特定的控制算法进行控制运算，从而得出应该开大汽油机节气门还是关小，以及具体的开大量或关小量，再通过执行机构9 对汽油机的节气门进行相应的控制，使汽油机在变化的负荷下保持在设定的工况下工作。 在这个自动控制系统中，各个环节相互作用的总回路始终是闭合的，一个环节的输出对应另外一个环节的输入，形成对汽油机转速持续不断的控制。图3是汽油机在转速恒定下转矩与节气门开度的关系。由图3可以得到汽油机调速器调节转速的基本规律为转速恒定在规定的范围内时，若负载力矩发生变化就要求汽油机按此静态特性调节节气门来增减输出力矩。图4为汽油机突卸负载转速变化过程。可以看出，汽油机突卸负荷的转速变化过程是一个惯性系统在阶跃信号作用下的过渡过程。由于进气比节气门开度的变化滞后，相当于一个延迟环节。下面请参考图5所示的发电系统的控制系统结构图，发电机1输出的三相交流电通过整流模块23整流成直流电，电压采样单元定时采样直流母线8的电压信号11，对采样信号11进行数字化处理后送给数字控制器15，控制电源22将母线电压转换为控制15的电源电压，电流检测装置16检测母线电流，并将检测结果发送至控制器15，数字控制器15按设计的算法程序进行计算，向执行机构9发送节气门开度指令，从而达到对汽油机3节气门开度的控制，向发动机提供适量的燃油，实现按要求对汽油机转速的调节。电压信号11和电流检测装置16的检测值反映了负载10的大小变化情况，同时， 电压检测模块13将母线电压变化传送给发动机保护继电器14。汽油机转速调节的过渡过程是一个一阶惯性环节和延迟环节的叠加，并且由于转速变化相对于节气门的开度变化有轻微的滞后，所以采用PID算法进行控制是比较理想的选择。汽油发电机组的汽油机作为固定作业的汽油机，在工作时负载有可能随时发生变化， 尤其是大幅度加减负载时系统的扰动输入量特别大，这时汽油机-负载调速系统的非线性特性己超过了线性化假设的范围，针对汽油发电机组可能出现的各种情况，可以考虑采用模糊-PID控制方案，在特殊情况下，如突加、突卸负载，也即误差大于门限值时，采用模糊控制，如当突加负载的值大于第一阈值时，设定与负载值变化量相关的系数，将当前的发动机转速乘于该系数作为发动机的转速指令；当突卸负载值小于第二阈值时，向发动机发送怠速指令；小于门限值时采用PID控制，以充分利用模糊控制的快速性、鲁棒性好的优点与分段PID控制稳态精度高的优点。为了更好的达到小型化、便携式、高可靠性的要求，系统各部件选型如下发动机发动机3采用小功率(< IkW)四冲程单缸风冷汽油发动机，要求系统结构简单， 重量轻便于携带，容易维修保养。起动/发电机优选地，起动/发电机1可以采用直流无刷永磁同步电机，永磁材料采用钕铁硼 (NdFeB)永磁体。为了减轻重量和提高功率密度，采用分数槽集中绕组设计方案，由于电机速度较高，考虑到铁耗在高速时较大，极对数不能取得太多，在综合考虑各种影响因素后， 决定取6槽4极。十字滑块联轴器发动机与起动/发电机的轴连接存在同轴度的问题。由于加工精度和安装精度的影响，发动机输出轴和电机轴的同轴度不能保证，通常需要加装挠性连轴器。采用用十字滑块联轴器联接，容许大的径向和角向偏差；零回转间隙，高扭矩刚性和灵敏度；结构简单、 抗油腐蚀和电气绝缘。执行机构汽油机的机械惯性比较大，并且汽油机的转速调整还要经过一个热工过程，因此，过度的提高执行机构9的动态响应速度并不会使得控制效果得到进一步的改善。舵机(带有减速机构的微型直流电机)惯性远远小于汽油机的机械惯性。考虑到这些因素，在此执行机构采用舵机。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由控制器发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。 位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，通过检测电阻值便可知转动的角度。其它设备如图5所示，发电系统还设置了熄火开关17、节气门手动控制装置18、故障指示装置19、电源指示装置20和电压指示装置21。发电系统的工作过程如下(1)起动阶段(汽油机-起动系统)在起动/发电系统的起动阶段，无刷直流电机作为电动机，汽油发动机作为负载与无刷直流电动机构成一个汽油机-起动系统。控制系统主要完成的任务就是为电机提供足够大的电流使起动转矩达到要求来带动发动机做功，而后转入发电状态运行。这个过程不涉及转矩控制、PWM调速等问题，控制系统在满足性能指标，稳定可靠的前提下，本课题采用模拟电路来实现开环驱动控制方式，由无刷直流电机专用控制芯片结合功率驱动芯片构成，即满足系统要求，又简化系统、降低成本和重量，使机组便于保养和维修，在这个过程中机组操作人员按下系统启动开关后，无刷直流电机驱动控制器上电。无刷直流电机驱动芯片接收位置传感器信号，将位置信号按照预定逻辑计算后，输出驱动信号驱动三相逆变桥上的功率开关管，将电池供给的直流电逆变成顶宽为120°的梯形波，供给电机的三相绕组，使电机中形成旋转的磁场以带动转子转动。发动机起动后，随着发动机转速上升，发动机将反拖电机，此时电机将成为发电机，逆变桥上的功率开关管的驱动芯片根据电机位置信号控制功率管的开通和关断，以实现对无刷直流电机的发电整流。(2)发电阶段(汽油机-发电系统)起动/发电系统进入发电状态后，无刷直流电机作为发电机发电，发电机与汽油发动机构成一个汽油机-发电系统。以上对本发明的优选实施例进行了说明，在不违背本发明精神的情况下进行的变形均应为本发明所涵盖的范围。例如，将联轴器2替换为离合器，将电池系统4替换为超级电容等。
权利要求
1.一种发电系统，包括内燃机；电机/发电机，其与上述内燃机可断开的连接；整流装置，其将上述电机/发电机的输出进行整流；传感装置，用于检测负载值；和控制装置，其接收传感装置所检测的负载值，并根据所接收的负载值对内燃机输出功率进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于所述控制装置设置有单位时间负载变化阈值，当相同所述单位时间内负载值变换量大于所述阈值时，使用模糊控制方式对内燃机进行控制，当相同所述单位时间内负载值变化量不大于所述阈值时，使用PID控制方式对内燃机进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种发电系统，其特征在于所述负载值为母线电压或母线电流。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种发电系统，其特征在于还包括所述节气门控制电机，其通过减速机构与内燃机节气门相连接；以及包括摆臂和位置传感器，所述减速机构通过摆臂与所述节气门相连接，所述位置传感器用于检测摆臂位置，所述控制装置向节气门控制电机发送节气门开度指令，并根据所述位置传感器的反馈信号来调整节气门开度指令。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种发电系统，其特征在于所述位置传感器为可变电阻。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种发电系统，其特征在于还包括所述逆变器，其将整流装置的输出转换为预定频率的交流电并输出给负载；以及包括蓄电装置，在内燃机起动时，所述电机/发电机作为内燃机的起动电机，蓄电装置经逆变装置为所述电机/发电机提供电能。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种发电系统，其特征在于所述内燃机为四冲程单缸风冷汽油发动机；所述电机/发电机为无刷永磁同步电机，其永磁材料采用钕铁棚永磁体；内燃机和发电机之间采用十字滑块联轴器连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种发电系统，其特征在于控制装置采用芯片MC33035作为控制芯片；整流装置采用顶2130作为控制芯片。
9.一种发电系统，其包括蓄电装置、发动机-发电机、控制装置和逆变装置，所述逆变装置用于将蓄电装置的电力转换为预定频率的交流电并提供给负载，其特征在于当所述控制装置检测到所述蓄电装置的电力不足时，自动启动发动机-发电机系统为蓄电装置充电。
全文摘要
一种发电系统，包括内燃机，其用于向系统提供动力，电机/发电机，其与上述内燃机机械连接，整流装置，其与上述发电机相连接，并向负载提供直流电源，传感装置，用于检测负载值，和控制装置，其接收传感装置所检测的负载值，并根据所接收的负载值对内燃机输出功率进行调整。该发电系统具有高的负载适应性、价格低廉、可靠性高、便于携带、操作保养方便、具有良好通用性和扩展性。
文档编号H02J7/00GK102536482SQ201210053130
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者宋强, 李健, 郭伟 申请人:北京理工大学