Розробка і дослідження двомірної системи автоматичного регулювання двигуна Стірлінга невеликої потужності : автореферат дисертації

Abstract

UA: Дисертація присвячена розробці системи автоматичного регулювання двигуна Стірлінга невеликої потужності, призначеного для використання як первинний двигун у міні-Стірлінг–електричних агрегатах, і визначенню його раціональних параметрів. Показано, що в малопотужних ДС можна не регулювати подачу повітря в камеру згоряння, а обмежуватись автоматичним регулюванням максимальної температури стінки нагрівача і частоти обертання колінчатого вала ДС. Для цього розроблена двомірна незв'язана система автоматичного регулювання ДС, в яку входять дві самостійні системи: для регулювання температури нагрівача і частоти обертання ДС. В обох системах застосовані мікропроцесорні астатичні регулятори. У зв'язку з відсутністю на Україні повноцінних ДС, в якості регульованого об'єкта прийнята спрощена діюча модель цього двигуна під маркою УДС-1, до нього пасовою передачею приєднано електричний генератор постійного струму, що використовувався як гальмовий пристрій. Для регулювання потужності до робочого циліндра ДС приєднано додатковий “мертвий” об’єм у вигляді циліндра з поршнем, на який діє регулятор частоти обертання. Для проведення розрахунково теоретичних досліджень розроблена нелінійна динамічна модель, у яку входять диференціальне рівняння другого порядку і чотири диференціальних рівняння першого порядку. Система диференціальних рівнянь вирішувалась чисельним методом Рунге-Кутта-Фельдберга на ПЕОМ. Для експериментальних досліджень ДС був обладнаний приладами для вимірювання основних показників його роботи, у тому числі індиціювання тиску в робочому циліндрі і запису перехідних процесів на ПЕОМ. Підтверджено адекватність математичної моделі. Дослідження показали, що якість перехідних процесів в експериментальній САР істотно залежать від двох параметрів: швидкості змінювання “мертвого” об’єму і запізнювання початку переміщення поршня в цьому об’ємі. Визначено раціональні значення цих параметрів: швидкість – не менше 100 см3/з, запізнювання не більше 0,1 с. У цьому випадку закиди частоти обертання та тривалість перехідних процесів не перевищує припустимих значень – 10% і 5 с. У цілому досліджену САР можна рекомендувати як основу для розробки САР перспективних ДС невеликої потужності.

/// EN: The thesis is dedicated to developments and determination of reasonable parameters of the automated control system (ACS) of a low-power Stirling engine used as the prime mover in a miniature Stirling electrical power plant. It is shown that with low-power SE varying the combustion chamber air supply is not necessary, and automated control of maximum heater wall temperature and crankshaft rotation speed is sufficient. This is achieved by means of the developed decoupled ACS of SE consisting of two independent subsystems: a system of the heater temperature control (SHTC) and a system of the SE rotation speed control (SRSC). Both subsystems feature integrated-circuit and static governors. Due to absence of the true SE in Ukraine, a controlled object is used being a simplified working model of UDS-1 marquee of the SE, with its braking by a belted electrical DC generator. For varying the power, the SE work cylinder is connected with an additional dead space placed in a cylinder having the piston driven by the speed governor. For conducting a theoretical study, a non-linear dynamical model is developed including a second-order differential equation and four first-order differential equations. The system of differential equations is solved numerically by Runge-Kutta-Feldberg method by using a PC. For conducting an experimental study, the SE is equipped with devices for measurement of its main work parameters including work cylinder pressure monitoring and PC recording of transient processes. Validity of the mathematical model is confirmed. Studies are shown that quality of the prototype ACS transient processes depends essentially on two parameters: dead volume change speed and retardation of the beginning of the corresponding piston motion. Reasonable values of these parameters are determined, with that of the speed being not lower than 100 cm3/s and that of the retardation being not greater than 0.1 s. In this case, relative rotation speed excess and duration of the transient process do not exceed tolerable values – 10% and 5 s, respectively. In general the ACS studied can be recommended like a basis for development of ACS of low-power prospective SE.