由原动机驱动的交流发电机到已存在交流电的电路的连接

摘要

本发明提供了一种将由原动机驱动的交流发电机(102)连接到已存在交流电的电路(104)的装置和方法。当从交流发电机(102)流出或向其流入最小电流时，将交流发电机(102)连接至电路(104)。连接后由控制器(142)测量实际电流，该电流值用于确定交流发电机(102)下一次连接时的最佳连接条件。控制器(142)通过停止原动机(103)、监控电流，并在电流最小时使原动机(103)停转而断开交流发电机(102)。

说明书

技术领域

本发明涉及将由原动机驱动的交流发电机连接到已存在交流电的电路的方法。本发明还涉及将由原动机驱动的交流发电机与这种电路断开的方法，并涉及用于进行这种连接和断开的装置。具体地说，本发明涉及一种要连接到交流电干线电源(main supply)和与交流电干线电源断开的斯特灵(Stirling)发动机驱动的交流发电机。

背景技术

在我们的国际专利申请No.PCT/GB01/00840中公开了用于将斯特灵发动机驱动的交流发电机连接到交流电干线电源的装置，并且在我们的英国专利申请No.0402587.0中公开了上述装置的变型例。在此复制了前一申请的图1作为图1，其示出了由斯特灵发动机(未示出)驱动的线性交流发电机10。在中线21和火线22之间的20处示出干线电源。交流发电机10通过两条并联路径30和40连接在中线21和火线22之间。第一电路径30具有串联的开关31和电表32。第二电路径40具有按顺序串联的第一阻抗41、第二阻抗42、开关43和电表44。线路50在阻抗41和阻抗42之间延伸，经由两个开关51和52连接到中线21。

通过与开关31、43、51和52的各种布置相对应的状态的顺序来获得与干线电源20的连接。具体的地说，开关43使交流发电机10能够最初通过阻抗41和阻抗42连接到干线电源20，由此限制通过交流发电机10的电流。这样就确保了在斯特灵发动机的活塞上施加适当的力以起动其冲程，即，提供了足够的力以起动运转(movement)，但该力没有大到使活塞被驱动到活塞室的壁内的程度。然后，发动机可通过路径30直接连接到干线电源20。交流发电机20仅在通过跨越火线22和中线21设置阻抗41而使交流发电机10停转之后才与干线电源断开。

干线电源20用于起动斯特灵发动机的活塞冲程，因此，斯特灵发动机应该处于一种运转(operational)状态下，以在交流发电机10连接到干线电源20时能够维持活塞的往复运动。具体地说，点燃斯特灵发动机的燃烧器，以加热活塞汽缸的一端并且在连接到干线电源20之前升高斯特灵发动机的温度。存在将交流发电机10连接到干线电源的最佳时间，该最佳时间与斯特灵发动机的运行状态有关。

当不再需要斯特灵发动机运行时，燃烧器熄灭并且使斯特灵发动机停止。交流发电机10在停止过程中与干线电源20断开，同样，断开也存在最佳时间。

发明内容

本发明的目的是在该背景下进行改进，更具体地来讲，是以改进的定时来提供到干线电源的连接和与干线电源的断开。

针对这种背景，并根据第一方面，本发明旨在提供一种将用于在两个端子之间产生电流的由原动机驱动的交流发电机连接到已存在交流电的交流电路的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)起动所述原动机，使得其达到合适的状态，从而以其要连接到的电路中的交流电的频率来驱动所述交流发电机；

(b)测量表示了当所述交流发电机连接到所述交流电路时由所述交流发电机提供或抽取(draw)的电量的参数；

(c)将所述交流发电机的端子连接到已存在交流电的交流电路，以便在所测量的参数达到预定阈限时，使所述交流发电机开始运转所述原动机；

(d)测量大体上刚刚连接上时由所述交流发电机提供或抽取的电量；以及

(e)根据所测量的电量来更新所述预定阈限的值。

申请人已认识到，将交流发电机连接到交流电路的最佳时间与刚刚连接上之后从该交流电路抽取或提供给该交流电路的电量有关。如果连接得太早，则原动机从交流电中抽取电来维持其运动。如果连接得太晚，则交流发电机开始立即向交流电路输送大量的电，从而浪费了由原动机产生的能量。因此，已发现进行连接的最佳时间是交流发电机既不从交流电路抽取电也不向交流电路提供电的时间。

优选的是，原动机是例如在民用组合式热动力设备中所使用的斯特灵发动机。这种设备给家庭供热，但也产生用于供给家庭并且也回卖(sellback)给干线电源的电力。在这种情况下，与交流电路(干线电源)连接得太晚是不经济的，因为不能卖出电力，而连接得太早是不经济的，因为必须支付从干线电源抽取的电能。此外，在非最佳时间进行连接会存在进一步的不利后果，因为可能要以过大的力来执行活塞冲程的起动。这将导致活塞行程超出其设计的运动范围，并且这可能进而导致对斯特灵发动机的损害或不期望的噪声。

因此，申请人已认识到，将交流发电机连接到干线电源的最佳时间是这样的，使得交流发电机在连接时既不从干线电源抽取电也不向干线电源提供电。不幸的是，确定该最佳时间需要首先将交流发电机连接到交流电路：如果交流发电机抽取电，就知道连接得太早，而如果交流发电机立即提供大量的电，就知道连接得太晚。申请人围绕这一问题已获知两种方法，它们都依赖于原动机发动机(或代表生产运行的设备等的设备)的初始校准。将在斯特灵发动机连接到干线电源的情况下描述这些方法，但这些方法当然在一般意义上也是适用的。第一方法是记录从起动斯特灵发动机到连接的时间，并响应于连接时所测得的电流量来调节该时间。第二方法基于以下认识：交流发电机是抽取还是提供电能与斯特灵发动机的温度有关。因此，可利用温度来触发连接：可根据经验找到最佳温度。因而，时间或温度可以与表示连接到交流电路时要由交流发电机提供或抽取的电量的参数相对应。一旦设备(或代表性设备)已经校准，就发送输送(delivery)，该输送被设置为进行操作，以使得根据预定定时或温度进行连接。

虽然该方法效果很好，但有些不精确。例如，在对代表性设备进行校准的情况下，原动机质量的差别会影响操作效率。另外，温度测量方法依赖于斯特灵发动机内的均匀分布，而情况并非总是这样。此外，斯特灵发动机的一次性校准并不是理想的，因为发动机在其寿命中性能的任何变化都会导致与连接到干线电源的最佳定时的偏离。

因此，优选的是，不仅在原动机的初始校准时而且随后在原动机的使用期限内执行根据本发明第一方面的方法。例如，当原动机在现场操作时可执行该方法。还可以在每次进行连接时执行该方法或以规则或不规则的周期性间隔来执行该方法。此外，可以在原动机的整个寿命中执行该方法或在其寿命的选择时段或多个选择时段内执行该方法。

可选的是，如果测得的电量表明分别从交流电路抽取电或向交流电路提供电，则对预定阈限的值进行更新还包括增大或减小预定值。优选的是，与从交流电路抽取或向交流电路提供的电量成比例地增大或减小该预定阈限。比例关系可采取下列多种形式之一，例如线性关系、二次关系、指数关系等等。

可选的是，测量由交流发电机提供或抽取的电量包括测量交流发电机的电压和流入或流出交流发电机的电流。优选的是，使用电压和电流的乘积的量来更新所述预定阈限。已经发现电压和电流的乘积应该在最佳连接时间处为零。因此，可以与电压/电流乘积偏离零的程度成比例地来调节预定阈限。实际上，使电压/电流乘积在零附近范围的连接是可接受的，例如±50VA。

本发明还延及收集数据文件的方法，该方法包括：根据上述任意一种方法将由原动机驱动的交流发电机反复连接到交流电路；以及在每次进行连接时记录预定阈限的值。无需在每次进行连接时记录数据。例如，可周期地记录数据，因为这样仍可识别出趋势。本发明还延及如此收集的数据文件。

此外，本发明延及监控原动机的性能的方法，该原动机被构造用于驱动交流发电机，由此在连接到已存在交流电的交流电路的端子之间产生电流，所述方法包括：确定记录在这种数据文件中的预定阈限的值随时间的变化；以及对所确定的变化进行分析，以识别表示原动机故障的任何趋势。原动机的故障可能根据所记录的数据中许多不同类型的趋势而变得明显。过度变化或逐渐漂移可能表示故障，如可能是突然转向极值。

根据第二方面，本发明旨在提供一种当原动机逐渐停止时将由该原动机驱动的交流发电机与已存在交流电的交流电路断开，以使得由交流发电机提供给交流电路的电量下降的方法，所述方法包括：

(a)对所述交流发电机逐渐停止时由所述交流发电机提供或抽取的电量进行监控；

(b)当所述交流发电机基本上既不向所述交流电路提供能量也不从所述交流电路抽取能量时，使所述原动机停转；以及

(c)将所述交流发电机与已存在交流电的所述电路断开。

由于所述交流发电机连接到所述交流电路，所以断开过程更加直接，因此，可以在断开前直接测量所述交流发电机抽取或提供的电量。根据本发明的这一方面，所述原动机逐渐停转，从而其提供给所述交流电路的电量下降。对该电流进行监控，当其下降到基本为零时执行断开。因而，只要有可能，电力就可销售到干线电源等中，并且基本上在从所述干线电源抽取电之前的最后一刻执行断开。显然，断开的最佳时间是当所述电流正好为零时，但是非常明显的是，在零附近的范围内也可以提供这种优点。例如，可以通过所述交流发电机的电压和流经所述交流发电机的电流的乘积来确定所述电量，以这种方式确定，已发现±50VA的范围便于触发所述断开过程。那就是说，其他范围也可以提供这种优点，例如，±40VA、±30VA、±20VA、±10VA或±5VA都可以采用。

优选的是，步骤(b)包括将阻抗与所述由原动机驱动的交流发电机并联连接，所述交流发电机具有足够低的阻抗值，使得需要超过交流发电机能够输送的电流来防止所述由原动机驱动所述交流发电机从而使所述原动机停转。

所述原动机可选地是斯特灵发动机，如民用组合式热动力设备的斯特灵发动机。使所述斯特灵发动机停止优选地包括关闭所述斯特灵发动机的加热器，以使得所述斯特灵发动机在用完所述发动机中保持的热量时逐渐停止。

本发明还延及收集数据文件的方法，该方法包括将由原动机驱动的交流发电机与上述交流电路反复地断开；以及记录在所述原动机逐渐停止的过程中直到所述交流发电机基本上既不向所述交流电路提供能量也不从所述交流电路抽取能量为止所花费的时间。所花费的时间可根据多种开始点来确定，只要它们很大程度上一致，例如，当关闭为所述原动机提供动力的燃烧器时。重要的是记录所述断开过程发生时停止周期进行到了什么程度。可以相对于实际断开本身或者当确定出所述交流发电机既不向所述交流电路提供能量也不从所述交流电路抽取能量时确定断开。本发明还延及如此收集的数据文件。

此外，本发明延及监控原动机性能的方法，该原动机被构造用于驱动交流发电机，由此在连接到已存在交流电的交流电路的端子之间产生电流，所述方法包括确定记录在这种数据文件中的时间随时间的变化；以及对所确定的变化进行分析，以识别出表示所述原动机故障的任何趋势。

根据第三方面，本发明旨在提供一种控制器，该控制器可作为连接器结构的一部分而操作，以将由原动机驱动的交流发电机连接到已存在交流电的交流电路，其中所述控制器可用于接收表示当连接到所述交流发电机时要由所述交流发电机提供给所述交流电路或从其抽取的电量的参数；将所述参数与存储的阈值进行比较；当所述参数达到所述阈值时，将所述交流发电机连接到所述交流电路；接收连接时由所述交流发电机提供给所述交流电路或从其抽取的电量的量度；以及根据所述量度来调节所存储的阈值，以使得下一次连接时所述交流发电机向所述交流电路提供较少的电或从其抽取较少的电。

所述控制器可以实现为硬件或软件形式，例如经适当编程的个人计算机。本发明还及计算机程序，所述计算机程序包括被载入到计算机中时产生上述控制器的程序指令，并且本发明还延及包括这种计算机程序的计算机程序产品。

根据第四方面，本发明旨在提供一种连接器结构，其可用于将由原动机驱动的交流发电机连接到已存在交流电的交流电路，所述连接器结构包括：上述控制器；参数装置，其可用于提供表示当连接到所述交流发电机时由所述交流发电机提供给所述交流电路或从其抽取的电量的参数；以及电表装置，其可用于提供由所述交流发电机提供给所述交流电路或从其抽取的电量的量度。

根据第五方面，本发明旨在提供一种控制器，该控制器可作为连接器结构的一部分，该连接器结构用于将由原动机驱动的交流发电机与已存在交流电的交流电路断开，其中所述控制器可用于接收由所述交流发电机提供给所述交流电路或从其抽取的电量的量度，并且当所述量度表示基本上所述交流发电机没有提供电或抽取电时将所述交流发电机与所述交流电路断开。

所述控制器可以实现为硬件或软件形式，例如经适当编程的个人计算机。本发明还延及计算机程序，所述计算机程序包括被载入到计算机中时产生上述控制器的程序指令，并且本发明还延及包括这种计算机程序的计算机程序产品。

根据第六方面，本发明旨在提供一种连接器结构，该连接器结构可用于将由原动机驱动的交流发电机与已存在交流电的交流电路断开，所述连接器结构包括：上述控制器；以及电表装置，其可用于提供由所述交流发电机提供给所述交流电路或从其抽取的电量的量度。

所附权利要求中阐述了其他优选的但却可选的特征。

附图说明

现在将参照附图来描述例示了本发明的示例，附图中：

图1示出了根据现有技术的用于将由原动机驱动的交流发电机连接到已存在交流电的电路的连接器结构(arrangement)；

图2a至7a示出了根据本发明实施例的用于将斯特灵发动机驱动的交流发电机连接到干线电源的连接器结构，不同的图示出了各种开关构造(configuration)；

图2b至7b以简化的等效电路图的形式示出了的图2a至7a的相应电路；

图8是示出继电器开关并更好地反映出组件的物理结构的图2a的连接器结构的另一电路图；

图9示出了用于控制连接器结构中的继电器开关的控制系统；

图10示出了控制系统将交流发电机连接到干线电源上所遵循的顺序；

图11示出了控制系统将交流发电机与干线电源断开所遵循的步骤的顺序；

图12对应于图6a但示出了对应于失谐(detuned)电路的结构；

图13示出了对第一次使用斯特灵发动机时将交流发电机连接到干线电源的时间进行确定所遵循的步骤的顺序；以及

图14对应于图13，但示出了随后将交流发电机连接到干线电源的步骤的顺序。

具体实施方式

图2a中示出了连接器结构100，其用于将由原动机驱动的交流发电机102连接到具有干线电源104的电路，以及将由原动机驱动的交流发电机102与具有干线电源104的电路断开。在本例中，连接器结构100包括由斯特灵发动机103驱动的交流发电机102。然而，诸如气体发动机、内燃机或蒸汽机的任何其他合适的原动机都是合适的。对于本领域技术人员而言直接显而易见的是，尽管线性交流发电机(由于发现它与诸如斯特灵发动机103的往复式发动机一起运转良好)目前是优选的，但是可以使用任何合适的交流发电机。干线电源在104处示出，并在中线106和火线108之间延伸：干线电源104用作已存在交流电的电路。

交流发电机102具有两个端子110和112，其中一个端子110连接到中线106，另一个端子112连接到干线电源104的火线108。跨越端子110和112放置的伏特计113使得可以测量交流发电机102两端的电压。端子112可通过两个平行路径114和116、经由电容器结构117连接到干线电源104。可以调节电容器结构117以提供具有可调谐振的电路，由此使得连接器结构100可以相对于斯特灵发动机103的初始运转条件而调谐或失谐(这将在下文中进一步详细描述)。第一电路径114包括串联的继电器开关118和电流表120。第二电路径116具有按顺序串联的第一阻抗122、继电器开关126、第二阻抗124和电表128。在本例中，第一阻抗122为27Ω，第二阻抗124为10Ω。

如图2a所示，电路径130从电表128的外部延伸，以在两个连接点133和134处将中线106连接到路径116。连接点133位于电表128的干线电源侧，而连接点134位于阻抗122和124之间。继电器开关32设置在临近连接点134的电路径130中，以使得继电器开关132在处于闭合位置时在点133处提供中线106和火线108之间电连接。电路径116中的继电器开关126也临近连接点134。闭合时，继电器开关126完成将交流发电机102连接到火线108的电路径116。图2a和图8中示出的继电器开关126和132的相反结构(opposed arrangement)使得当二者都处于开启位置时，它们可以经由连接点134完成从中线106到火线108的电路径130。

图8更好地例示了连接器结构100的组件的物理结构，并且示出了电路径130穿过继电器开关118的线圈，从而当电流(仅经由连接点133)流过路径130时开关118闭合，以完成电路径114。该线圈具有引入到电路径130中的固有阻抗，如118a处所示。

下面将描述交流发电机102到干线电源104的连接。

当斯特灵发动机103空闲并且交流发电机102没有连接到干线电源104时，采用图2a中所示的电路。图2a的电路可以更简单地表示为图2b中所示的电路。相邻开关126和132都是开启的，以经由连接点134连接中线106和端子112，从而交流发电机102和电容器136与阻抗122形成了串联电路。将阻抗122选择为27Ω，因为这足以确保交流发电机102不能产生通过阻抗122的足够电流。因此，斯特灵发动机103停转并且保持为静止状态。

为了开始操作，通过将对其活塞汽缸的一端加热而对另一端冷却来使斯特灵发动机103进入操作状态。当发动机103充分加热时，将交流发电机102连接到干线电源104。下面将详细描述该连接步骤的准确定时。

通过将交流发电机102连接到干线电源104而起动发动机的活塞。这是通过闭合图3a中所示的继电器开关126从而创建图3b中所示的等效电路而实现的。闭合继电器开关126的动作中断了经由连接点134连接中线106和端子112的电路径，却完成了电路径116，经由阻抗122和124以及电表128将交流发电机102和电容器136连接至干线电源104。根据所使用的特定斯特灵发动机103和交流发电机102的组合来选择阻抗122和124的特定总阻抗值。在本例中，总阻抗被选择为37Ω。这规定(dictate)了通过交流发电机102的线圈从干线电源104提供的电流，并且进而规定了输入到线圈内交流发电机102的运动部分的力(在这种情况下，运动部分是斯特灵发动机103的活塞)。给予的力必须足以启动活塞的运动，但不得太大而驱动活塞超过其设计的运动范围，因为这样可能会损坏交流发电机102或斯特灵发动机103。

本发明的连接结构100特别适合使用斯特灵发动机103作为交流发电机102的原动机，这是因为斯特灵发动机103可迅速地开始运转。此外，由于活塞相对较轻因而可非常容易地从静止开始加速，所以通过利用干线电源104来起动活塞冲程而启动斯特灵发动机103仅需要很小的力。由于经干线电源104的交流电驱动的线性谐运动，活塞冲程在发动机103的正常运转过程中继续。

在连接到干线电源104之前加热斯特灵发动机103确保了交流发电机102为干线电源104产生适当功率质量(power quality)的电。利用干线电源104的交流电来起动活塞冲程确保了以与干线电源104相同的频率且同相地驱动交流发电机102。

设置在电路径116中的电流表128表示了连接后流过线路116的电流。连接后，检查由电表128测得的电流，以确保其在预期的值内。该检查指出了阻抗122和124以及继电器开关118、126、132和140的触点运转得令人满意。通过控制器142来读取电表128所测得的电流，该控制器142将其与预期值进行比较，以确保连接器结构100正确地运行。如果测得值在预期值之外，则控制器142执行稍后所述的紧急停止过程。

在正常情况下，电表128的读数会落在预期值内，因此，控制器142使开关132闭合，从而经由连接点133沿着电路径130将中线106连接到线路108。该开关操作产生了图4a和4b中所示的电路。控制器142仅在前一开关操作后500ms延迟之后才进行开关操作。

如上所述，从连接点133沿电路径130流过电流触发(activate)了继电器开关118，使开关118闭合，由此产生了图5a和5b中所示的电路。继电器开关118在极短的延迟之后闭合，因此，图4a和4b的电路只是瞬间存在的。闭合开关118完成了将交流发电机102和电容器136链接到干线电源104的电路径114，并且短路掉阻抗122和124。在电流通过线路114稳定下来所经过的适当时间段(例如，100ms)之后，控制器142检查通过电表120的电流，以查看其是否在预期值内。如果不在预期值内，则控制器142起动下文所述的紧急停止过程。

在正常情况下，电流会落在正常参数内，因此控制器142使开关126开启，以中断包括阻抗122和124的电路径116。因而，交流发电机102现在直接连接到干线电源104，如图6a和6b所示。电路径130中的阻抗118a使得沿路径130仅有可忽略的电流流过，从而路径130不会短路掉交流发电机102。

利用以这种方式连接到干线电源104的交流发电机102，斯特灵发动机103的正常运转可以继续，同时交流发电机102根据状态指示向干线电源104提供电或从干线电源104抽取电。

如上所述，连接器结构100的操作由控制器142来管理，控制器142可以是微处理器等。控制器142在图9中示出，并且设置有分别到电表120、128和113的数据链路146、148和164、到斯特灵发动机103的温度检测器144的数据链路150以及到定时器160(仍待描述)的数据链路162。控制器142还具有分别到继电器开关126、132和140的触发链路152、154和156。触发链路152、154和156提供24V的信号，以触发继电器开关126、132和140。

控制器142对连接器结构100的开关进行管理，以将交流发电机102连接到干线电源104(如上所述)，并且还对连接的定时进行管理(如下文将描述的)。连接器结构100的开关可概括如下，如图10所例示。

在步骤200，斯特灵发动机103是空闲的，并且交流发电机102和电容器136连接到阻抗122，如图2a和2b中所示。这对应于以下开关结构。

开关118    开启

开关126    开启

开关132    开启

一旦斯特灵发动机103超过180℃，就通过控制器142触发继电器开关126以经由阻抗122和124连接到干线电源104(如图3a和3b中所示)，而在步骤202起动连接。这对应于以下开关结构。

开关118    开启

开关126    开启→闭合

开关132    开启

在步骤204，检查流过电表128的电流。如果异常，则在步骤205执行紧急停止。如果正常，则在步骤206，控制器142在500ms延迟之后闭合开关132，以产生图4a和4b的电路，由此向继电器118发送电流。该瞬间电路对应于以下结构。

开关118    开启

开关126    闭合

开关132    开启→闭合

流过继电器118的电流使其开关在短暂的延迟后闭合，由此形成如图5a和5b所示以及如图10的步骤208所指出的到干线电源104的短路路径114。这对应于以下结构。

开关118    开启→闭合

开关126    闭合

开关132    闭合

在步骤210，检查流过电表120的电流。如果异常，则在步骤211执行紧急停止。如果正常，并且在100ms延迟之后，控制器142在步骤212开启开关126，以中断通过阻抗122和124的电路径116。交流发电机102现在直接连接到干线电源104，如图6a和6b所示。这对应于以下开关结构。

开关118    闭合

开关126    闭合→开启

开关132    闭合

控制器142还利用连接器结构100来管理交流发电机102与干线电源104的断开，下面将对此进行描述。

当期望将交流发电机102与干线电源104断开时，关闭斯特灵发动机103的燃烧器，并且利用保持为如图6a和6b所示的连接器结构100来耗尽斯特灵发动机103中的剩余热量。

随着斯特灵发动机103燃烧器头部温度的降低，达到了既不从干线电源104抽取能量也不向其提供能量的点。根据依照之前的断开所存储的信息来估计与断开发生时的该点相对应的燃烧器头部温度，下文将对其进行更详细的描述。为了开始断开，控制器142开启开关118，从而实现图7a和7b中所示的电路。阻抗122再一次跨越交流发电机102放置，造成斯特灵发动机103停转，这是因为交流发电机102无法产生足够的电流来通过阻抗122驱动斯特灵发动机103。

开启开关118中断了与触发继电器开关118的连接点133的电路径。因而，在短暂的去磁延迟后，开关118开启，将交流发电机102与干线电源104断开。这使连接器结构100返回到图2a和2b所示的状态。由于去磁延迟确保了交流发电机102已经停止，所以断开后基本上产生很少电弧或不产生电弧。

利用连接器结构100的断开程序可总结如下，并且在图11中例示。

最初，连接器结构100被构造为用于正常运转，如图6a和6b所示以及图11的步骤220所指示。这对应于以下开关结构。

开关118    闭合

开关126    开启

开关132    闭合

随后，控制器142在步骤222开启开关132，从而产生图7a和7b中所示的电路。这样就将阻抗122跨越在交流发电机102上，由此使交流发电机102停转，并且阻止电流流过继电器118。这对应于以下开关结构。

开关118     闭合→开启

开关126     开启

开关132     闭合

没有电流流过继电器118造成其开关119在短暂的去磁延迟之后在步骤224开启，由此将交流发电机102与干线电源102断开。该延迟足以确保交流发电机102在断开之前已经停止。这样就产生了图2a和2b中所示的电路，并对应于以下开关结构。

开关118    开启

开关126    开启

开关132    闭合→开启

上述断开过程对应于在一个时间段上展开的受控的步骤顺序。但是，在紧急情况下可能需要更快的断开，例如因为电表120或128处所检测的电流落在正常值之外。在这种紧急情况下，开关132闭合，而不等待来自斯特灵发动机103的剩余热量被耗尽。这会防止交流发电机102由于运转在其正常状态之外而遭受任何损害。断开过程的其余部分如上所述。

下面将参照图13和14来描述用于确定何时将交流发电机102连接至干线电源104的方法。图13对应于斯特灵发动机103首次连接到交流电路(例如干线电源104)所遵循的方法。图14示出了随后所遵循的方法。图13中所示的第一个连接可作为针对输送对斯特灵发动机进行调度之前的预输送检查和测试的一部分而执行，或者作为安装工程师进行的试运行(commissioning)过程的一部分而执行，或者作为消费者首次使用所安装的单元时进行的试运行过程的一部分而执行。此外，可以随后在发动机的寿命内(例如在系统重设或服务之后)使用图13中所示的方法。

现在更详细地观察图13，如上所述，通过加热斯特灵发动机103的活塞汽缸的一端同时冷却其另一端，在步骤300起动斯特灵发动机103。在步骤302，利用温度检测器144经由数据链路150由控制器142来监控斯特灵发动机103随后的温度升高。设置温度检测器144是用来测量斯特灵发动机103的燃烧器头部的温度T_Head。

在步骤304，控制器142确定最近接收的T_Head值是否大于180℃。如果不是，则控制器142继续读取T_Head的测量值，如回路306所示，并将测量值与阈限180℃进行比较。当接收到大于180℃的T_Head值时，该方法沿着路径308至310继续，其中如上所述实现了到干线电源104的连接。在本实施例中，单个大于180℃的T_Head值对于控制器142实现交流发电机102到干线电源104的连接来讲是足够的。作为另一种选择，可以设置其他条件。例如，控制器142可以等待，直到实现连接之前出现第二个、第三个等大于180℃的T_Head值的情况为止，或者控制器142可以使用两个、三个等连续值的平均值，从而在实现连接之前超过180℃。这些条件可以预防由虚假读数触发的连接，该虚假读数例如是由噪声或温度检测器144位置周围的临时“热点”引起的，这些临时“热点”可能是由斯特灵发动机的燃烧器头部中的不均匀热分布造成的。

已经详细地描述了在步骤310处执行的连接过程。图3a和3b中示出了对应于连接时刻的电路。可以看出，路径116包括用于监控流过路径116的电流(即，从交流发电机102流到干线电源104的电流或相反的电流)的电表128。该电流读数经由数据链路148被传送到控制器142。另外，控制器142还经由数据链路164从电表113接收交流发电机102两端的电压。因此，在步骤313，控制器142确定电流和电压的乘积VA，由此确定流入或流出交流发电机102的电量。理想的是，该乘积VA应该在连接时为零，并应该随后上升。

控制器142通过把单个的电流和电压值相乘或通过对(确定乘积之前的电流值或电压值或乘积值本身)求平均来确定连接时的乘积VA。在本实施例中，控制器142在连接之后5秒的预定时段中测量电流和电压，然后对这些乘积求平均。在步骤314，将该平均乘积VA与查找表(其提供了斯特灵发动机下次起动过程中触发连接所要使用的新的阈限温度T_Head(thresh))进行比较。

该查找表限定了VA与零的偏离和要对触发连接的温度值进行的调节二者之间的关系。例如，VA的正值(在本实施例中，使用的惯例是这样的：正的VA表示电流从交流发电机102流到干线电源104，而负的VA表示电流从干线电源104流到交流发电机102)将导致从先前使用的触发温度(即，在本示例中是180℃，因为这是首次使用斯特灵发动机103)降低。正的VA越大，从180℃降低得就越多。这确保了在下次连接时由交流发电机102输送的电会很少。类似地，如果发现VA是负的，则将高于180℃的温度用于下次连接，以试图免除从干线电源104向交流发电机102抽取电能的需要。负的VA越大，温度从180℃升高得就越多。因此，在步骤316，控制器142对步骤314所确定的新的触发温度T_Head(thresh)进行存储，以备控制器142在下次启动和连接过程中进行检索。

作为另一种选择，可使用另一种结构，其除了特殊说明之外与所述结构相同。该另选结构不依赖于来自交流发电机102的电压测量值，因此，该另选结构中没有伏特计113。控制器142仅使用电流测量值来确定流经交流发电机102的电量，而不是根据电流和电压测量值来计算功率。换言之，在该另选结构中，控制器并不是计算电流和电压的乘积(VA)来确定流经交流发电机102的电量，而是仅使用电流(A)测量值。

理想的是，在该另选的设置中电流A在连接时间处应该为零。对上述结构可使用类似的查找表。但是，该查找表基于电流A来限定温度值与流过交流发电机102的电量(及其方向)之间的关系。电流A的负值对应于从干线电源104流向交流发电机102的电，电流A的正值对应于从交流发电机102流向干线电源104的电。

图14示出了下一个和其他后续起动过程所遵循的方法。该方法本质上与图13的方法相当，因此将避免重复的描述，相应的标号只是增大了100。

图14的方法的不同之处在于，在步骤404，将T_Head的值与所存储的值T_Head(thresh)进行比较，而不是与固定温度180℃进行比较。当如上所述无论以何种方式确定为超过T_Head(thresh)时，控制器142在步骤410起动到干线电源104的连接，如参照图13所述。

如参照图13的步骤314所述，在步骤414确定T_Head(thresh)的值。如果该值偏离T_Head(thresh)的电流值超过了允许的范围，则在步骤416通过控制器142对所存储的值进行更新。

因此，以这种方式实现了自适应系统，其确保可以快速地确定最佳连接时间，并且此后跟随(follow)该最佳连接时间。此外，通过这种自适应方法也可以跟随最佳连接温度的漂移。

查找表的精确性质将取决于特定的斯特灵发动机103和交流发电机102的结构。更具体来讲，特定结构将决定与零的偏离和对T_Head(thresh)的校正量之间的关系。可以理解的是，可以根据经验来确定这些值。此外，可以自由地选择精确的实现。例如，在本实施例中利用使用放置在带(band)中的值的查找表：可以自由选择多少个带和其宽度。此外，不需要使用查找表。相反可以确定控制器142要使用的关系，例如，Z＝-KY+A，其中Z是触发温度T_Head(thresh)中所需的改变，Y是乘积VA的值，而K和A是可以针对特定的斯特灵发动机例如通过实验而确定的常数。

用于将交流发电机102与干线电源104断开的方法比连接的方法更直接，并且对于首次断开过程和所有后续断开过程是相同的。可以总结如下：

(1)如上所述，关闭斯特灵发动机103的加热器，并随着发动机103停止而由其缓慢地耗尽热量；

(2)在该停止过程中，控制器142利用电表113测量交流发电机102两端的电压并利用电表120经由数据链路146测量电流(此时，电路是图6a和6b中所示的结构)，从而测量出乘积VA；并且

(3)当确定VA已达到零时，控制器142使交流发电机102与干线电源104断开，如前所述。

可以按照不同的方式来执行对于VA何时达到零的确定。例如，可以当VA一达到零(或变为负)就实现断开。作为另一种选择，如以上参照连接方法所述，可能需要2个、3个或更多个的零或负值来触发断开，或者可以使用连续值的平均值来触发断开。

在没有伏特计的另选结构中，控制器142将监控电流A的值以确定应该何时断开(当电流A下降到零时)。

上述连接和断开方法具有以下优点：

·它们可以实现平滑、安静的连接和断开，使用户受益；

·它们降低了斯特灵发动机的活塞超行程的可能性，该超行程会损害发动机103或造成发动机103的停止，这种停止需要调出(call-out)服务来重启发动机103；并且

·它们确保了斯特灵发动机103的经济运转，从干线电源104抽取减少的电能来驱动发动机103，并且几乎不会错过向干线电源104售电或向用户提供电的机会。

以上是对正常运转过程中进行的受控连接和断开过程的描述。但是，如果电表120、128或113中的任何一个监控到异常的读数，则优先进行上述紧急停止过程并且有利于这种受控连接和断开过程而执行。紧急停止立即查看与干线电源104断开的交流发电机102，即，不等待乘积VA(或者只测量电流的交流电结构中的电流A)下降到零。

在连接和断开过程中可收集数据以使得能够诊断斯特灵发动机103的性能。在连接过程中，控制器142在每次进行连接时计算用于下一次连接的阈限温度T_Head(thresh)的新值。另外，控制器142将该新值T_Head(thresh)保存到数据文件中，该数据文件记录了每次连接时由控制器142计算的阈限温度T_Head(thresh)。随着斯特灵发动机103的性能发生改变，斯特灵发动机103的燃烧器头部的温度也将改变，在该温度下，连接交流发电机时既不向交流电路提供电流也不从其抽取电流。可以在所记录的数据文件中标识理想连接温度的这种变化，作为存储其中的阈限温度T_Head(thresh)的变化趋势。

另外，控制器142还创建记录了断开过程中所累积的数据的另一数据文件。使用定时器(未示出)来对在上述步骤(1)关闭斯特灵发动机103的加热器时与在上述步骤(2)控制器142测得乘积VA为零时之间的间隔进行计时。将该时间提供给控制器142，并存储在所述另一数据文件中。随后可以分析该数据文件以查找停止过程所需时间的变化。该时间可以表示斯特灵发动机103的性能，计时的任何变化都可能表示斯特灵发动机103的运转或状态的故障。

通过这种方式，可以收集表示斯特灵发动机103的性能的数据并随后进行分析。在连接过程中收集的数据可以对断开过程中收集的数据进行补充。因此，对该数据进行分析可以得到斯特灵发动机103内的故障和/或斯特灵发动机103性能的逐渐劣化的表示。因而，该方法可以表示需要立即关注的斯特灵发动机内的故障或者可以表示需要及时关注的斯特灵发动机103内的正在发展的故障。

下面将描述上述电路的操作的进一步改善。如上所述，交流发电机102的火线侧设置有可调电容器结构117，以提供可调的谐振，使电路能够相对于斯特灵发动机103的初始操作频率调谐或失谐。电容器结构117包括串联放置并与交流发电机102相邻的第一电容器136，以及在第一电容器136周围并联放置的第二电容器138和继电器开关140。第一电容器136和第二电容器138的电容分别是40μF和5μF。如图2a至7a所示，当开关140开启时，电流可以只流经第一电容器136，所以交流发电机102经受40μF的电容：这对应于点X和Y之间的如下电路，该电路被调谐到从冷启动时斯特灵发动机103的操作频率。如图12所示，当开关140闭合时，电流可以流经第一电容器136和第二电容器138，所以交流发电机102经受45μF的电容：这对应于点X和Y之间的如下电路，该电路相对于斯特灵发动机103的初始操作频率而失谐，但却被调谐到正常工作温度下斯特灵发动机103的操作频率。

我们已发现最好是利用从冷状态启动斯特灵发动机103时用于将交流发电机102连接到干线电源104的被调谐到这些冷状态的电路。这种电路对应于如图2所示开启的开关140，且阻抗122跨越交流发电机102，以保持斯特灵发动机103静止，并且开关140开启以在希望连接时提供调谐电路。这种调谐电路在点X和Y之间提供了最小的残余阻抗。我们已发现这是有利的，因为它减少了启动瞬变，启动瞬变在连接到干线电源104的过程中可能引起斯特灵发动机103的活塞和位移滑块(displacer)的内部碰撞。由于伴随着对发动机103加热，斯特灵发动机103中的氦压力增大，所以在冷状态起动过程中发生瞬变。压力的升高造成保证活塞的往复运动的气体弹簧的谐振频率发生改变。正是气体弹簧的谐振频率决定了交流发电机102产生的信号的频率。

但是，我们还发现，为了在连接到干线电源104时维持斯特灵发动机103的稳定运转，特别是在发动机103的温度较高的情况下，使用失谐电路是有利的，该失谐电路相对于斯特灵发动机103的初始操作频率而失谐。优选的是，可以按照这样的方式来调节谐振频率：使得随着斯特灵发动机103达到工作温度，谐振频率跟随斯特灵发动机103的谐振频率。这可以通过增大点X与Y之间的电容来实现。

在本发明的一个实施例中，利用定时器160对从通过加热发动机103而首次启动斯特灵发动机103的操作开始所经过的时间进行计数。定时器160经由数据链路162连接到控制器142。明显的是，发动机103的温度在该时段中升高并超过180℃，从而起动了交流发电机102到干线电源104的连接。经过7分钟后，将调谐电路模式下的操作切换为失谐电路模式下的操作。

类似地是，在断开处理过程中执行开关140的操作，以从失谐操作切换到调谐操作。虽然该操作可以利用从斯特灵发动机103的加热器被关闭时算起的固定时间延迟来执行，但是目前优选的是，当温度检测器104测得的发动机头部温度超过200℃的设定温度时对开关140进行操作。该温度一般是使得在VA(交流电结构中的电流A)达到零并且断开处理开始之前，将连接器结构100设置为调谐电路模式。

对于本领域技术人员而言，很显然，可以在不脱离权利要求的范围的情况下对上述实施例做出各种变化。

图2至8示出了表示要连接到干线电源104的斯特灵发动机103的电路。斯特灵发动机103可以是民用组合式热动力设备的一部分。但是，该电路只是用于将由原动机驱动的交流发电机连接到已存在交流电的电路的电路的示例，还存在许多其他的可能。已经描述了其他可能的某些原动机以及相应的连接电路，下面描述其他情况。

上述实施例使用定时器来对从启动斯特灵发动机103算起所经过的时间进行计数，并使控制器142触发从相对于斯特灵发动机103的初始操作状态的调谐到失谐的切换。但是，可以使用其他参数，例如发动机103的发动机内部压力(如工作气体(氦)的压力)或与斯特灵发动机103的固有频率有关的任何其他信号。作为另一种选择，可以使用温度检测器144直接测得的斯特灵发动机103的温度来触发调谐与失谐操作之间的切换。

特别的是，控制器142每15秒经由数据链路150周期性地读取由斯特灵发动机103中的温度检测器144测得的温度。控制器142将测得的温度与300℃的阈限温度进行比较，以确定测得的温度是高于阈限还是低于阈限。然后控制器将该值与开关140的当前状态进行比较，并且如有需要，根据下面的逻辑表经由触发链路156来触发开关140。

继续执行该处理并且该处理完全独立于上述连接和断开过程，即，控制器142对继电器开关140的操作独立于继电器开关118、126和132的操作(及其定时)。严格来讲，何时达到阈限温度取决于以下几个因素，例如：斯特灵发动机103的启动温度(受到环境温度或从发动机103前一操作算起所经过的时间的影响)和施加到发动机103的热。因此，开关140的操作可以在利用与图2a相对应的连接器结构100在活塞起动之前，利用与图3a至5a相对应的连接器结构100在交流发电机102连接到干线电源104之前，或者利用与图6a相对应的连接器结构100完成连接之后加热发动机103时发生。类似地，开关140的操作可以在由于斯特灵发动机103停止并使得冷却而在断开的过程中发生。

上述实施例仅使用一种类型的电容器结构117，这种类型的电容器结构117使得可以改变点X与Y之间的电容。可以改变电容值的选择来适应需要，并且可以使用诸如138处或136处的可变电容器的其他替换方案。电容器结构117实际上可由单个可变电容器来代替。使用可变电容器会非常有利，因为这使得在所有运转状态下，都能将连接器结构100灵活和连续地调谐到斯特灵发动机103的操作频率，并且总是在电路内仅引起最小的损耗。例如，这可以利用反馈回路来实现。

此外，利用可变电容器只是将连接器结构100在调谐操作与失谐操作之间切换的一种方式。例如，可使用电感器的结构来代替电容器，使得连接器结构100设置有可变电感器而不是可变电容器。

阻抗122和124的值只是作为示例而提供，决不是旨在限制。可以自由地改变阻抗122和124的值。

本发明在最广泛的意义上适用于由原动机驱动的交流发电机到已存在交流电的电路的连接。因此，上述实施例的斯特灵发动机103只是作为驱动交流发电机102的原动机的示例而提出，并且干线电源104只是带有交流电的电路的示例。

与利用外部定时装置相比，优选的是使用机械触发的开关，但这对于执行停止顺序不是必要的，因为即使在缺少供电的情况下也能执行停止。上述连接器结构100在缺少干线电源104的情况下同时提供了稳定的干线电源连接和安全的即时断开。连接器结构100能够利用相同的组件同时提供到干线电源104的连接和与干线电源104的断开，由此通过提供双重功能而降低了组件数量。

除了使用全部的连接器结构设计以外，针对具体的连接或断开应用可使用该连接器结构的一部分。例如，对于孤立的发电机可以使用断开电路，对于输电线路独立启动可以使用连接电路。