Разработка и исследование двухмерной системы автоматического регулирования двигателя Стирлинга небольшой мощности : диссертация

Abstract

RU: Диссертация посвящена разработке системы автоматического регулирования (САР) двигателя Стирлинга (ДС) небольшой мощности, предназначенного для использования в качестве первичного двигателя в мини-Стирлинг–электрических агрегатах, и определению ее рациональных параметров. Показано, что в маломощных ДС можно не регулировать подачу воздуха в камеру сгорания и ограничиваться автоматическим регулированием максимальной температуры стенки нагревателя и частоты вращения коленчатого вала ДС. Для этого разработана двухмерная несвязанная система автоматического регулирования (САР) ДС, в которую входят две самостоятельные системы: для регулирования температуры нагревателя (САРТ) и частоты вращения ДС (САРЧ). В обеих системах применены микропроцессорные астатические регуляторы. В связи с отсутствием на Украине полноценных ДС, в качестве регулируемого объекта принята упрощенная действующая модель этого двигателя под маркой УДС-1, к нему ременной передачей присоединен электрический генератор постоянного тока, который использовался как тормозное устройство. Для регулирования мощности к рабочему цилиндру ДС присоединен дополнительный изменяемый “мертвый” объем в виде цилиндра с поршнем, на который действует регулятор частоты вращения. Для проведения расчетно-теоретических исследований разработана нелинейная динамическая математическая модель, в которую входят дифференциальное уравнение второго порядка и четыре дифференциальных уравнения первого порядка. Система дифференциальных уравнений решалась численным методом Рунге-Кутта-Фельдберга на ПЭВМ. Для экспериментальных исследований ДС был оборудован приборами для измерения основных показателей его работы, в том числе индицирования давления в рабочем цилиндре и записи переходных процессов на ПЭВМ. Подтверждена адекватность математической модели. Путем снятия серии индикаторных диаграмм подтверждено, что увеличение дополнительного “мертвого” объема приводит к уменьшению среднего индикаторного давления. это значит, что изменением “мертвого” объема можно регулировать мощность ДС УДС-1. Экспериментально определены внешняя и частичные скоростные характеристики двигателя, они являются функциями трех независимых параметров: частоты вращения, температуры рабочего тела в горячей полости двигателя и величины “мертвого” объема. Эти зависимости аппроксимированы полиномом второй степени с тремя аргументами. Зависимости момента сопротивления электрогенератора от частоты вращения при постоянных значениях омического сопротивления нагрузочного реостата имеют параболический характер. Они описаны полиномом второй степени с двумя аргументами. Индикаторные диаграммы снимались с помощью цифрового анализатора AVL Digital Analyzer 657 SAD-E/E с использованием кварцевого датчика давления QC32C. Снятием последовательного ряда индикаторных диаграмм установлено, что САР двигателя УДС-1 достаточно быстро реагирует на ступенчатое изменение величины “мертвого” объема. САРТ обеспечивает поддержание заданной температуры стенки нагревателя с точностью ±10 К, а САРЧ обеспечивает получение астатических скоростных характеристик. Исследования показали, что качество переходных процессов в экспериментальной САР существенно зависит от двух параметров: скорости изменения “мертвого” объема и запаздывания начала перемещения поршня в этом объеме. Определены рациональные значения этих параметров: скорость – не менее 100 см3/с, запаздывание не более 0,1 с. В этом случае забросы частоты вращения длительность переходных процессов не превышает допустимых значений – 10% и 5с. В целом исследованную САР можно рекомендовать как основу для разработки САР перспективных ДС небольшой мощности.

/// 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.