自由活塞斯特林发电系统的基础研究

发布时间：2020-10-21 11:55

　　 斯特林循环机械装置作为清洁、适用性广的替代动力装置在21世纪初就成为了航天空间电源等领域的研究热点。自由活塞斯特林发动机与直线电机相连,通过直线电机将其机械能转化为电能输出,实现了热能-机械能-电能的转换,该装置被称为自由活塞斯特林发电系统。本文围绕自由活塞斯特林发电系统的运行特性,分别从基于动力学的系统稳定性、基于热力学的系统热电转换效率、圆筒型永磁同步直线电机优化设计、系统控制策略、系统实验等方面对自由活塞斯特林发电系统进行了研究。首先,建立了自由活塞斯特林发电系统的动力学模型,通过理论分析和数值仿真的方法,研究了热-机-电耦合系统的稳定性。研究并分析了系统外壳体固定和减振模式下运动活塞和动力活塞的幅值比和相位关系,为系统初步设计提供依据。在系统动力学模型的基础上,研究了壳体固定和减振模式下线性和非线性的热-机-电耦合系统稳定性,得出不同条件下的稳定判据,为系统稳定性设计提供依据。最后开展系统动力学仿真研究,通过仿真给出电机负载系数、基础刚度等参数对系统稳定性的影响规律,为系统设计提供参考。其次,为了分析自由活塞斯特林发电系统的热力学过程,建立了发电系统热力学模型,研究了主要参数对发电系统效率的影响规律,以及系统多参数下的效率优化。提出并研究了热力学和动力学相结合的斯特林发电系统初始设计方法,借助一维或多维热力学数值分析软件分析回热器、换热器、加热器等核心部件的主要参数对系统效率的影响规律,借助二维、三维软件对系统参数和换热器局部进行优化,通过优化设计实现系统效率的提升和性能的改善。再次,为了提升圆筒型永磁同步直线电机的性能,通过改变电机的主要参数,优化了直线电机的结构,提高了电机的效率和功率密度。通过分析动子极弧系数、定子齿宽、动子半径等参数对电机反电动势波形、谐波畸变率、推力波动等主要性能的影响规律,得出圆筒型永磁同步直线电机主要结构参数的通用优化方法;通过分析边端齿径向长度、轴向长度以及在边端齿外附加导磁块对电机定子受力和负载时推力波动的影响规律,给出圆筒型直线电机的边端齿结构优化方法;通过对电机的效率及功率密度进行分析,给出圆筒型永磁同步直线电机的综合优化方法。然后,为了提高发电系统的输出频响及稳定性,建立自由活塞斯特林发电系统模型,研究并优化了发电系统不同工作阶段的控制策略。以自由活塞斯特林发电系统热力学/动力学耦合理论分析与建模研究结果为基础,结合直线发电机数学模型,采用等温分析方法建立了自由活塞斯特林发电系统模型。根据斯特林直线电机不同工作阶段,起动和发电阶段分别采用了电流-行程和电流-电压双闭环控制策略。为提高发电阶段输出电压的负载响应,研究了电流反馈解耦控制算法,分析了交直轴电流全解耦在活塞位移、负载突变等工况下对电压调整时间、电压波动幅值等性能的影响。基于系统参数变化对电流解耦引起的动态电流延迟问题,提出了一种基于滑模的内模控制策略,改进了电流反馈解耦控制依赖于参数估计准确性的不足,提升了稳态发电阶段的电压纹波等方面的性能。最后,为了验证电机优化和系统控制策略的有效性,搭建了自由活塞斯特林发电系统实验平台,研究了直线电机的空载、负载特性和发电系统的起动、发电性能。为了测试优化后直线电机的性能,对不同频率、活塞行程、负载等条件下直线电机空载反电动势、负载输出电压等特性进行测试分析,验证了测试结果与理论和仿真分析结果的一致性。为了检验发电系统控制策略的有效性,起动时通过改变外环行程给定值来检验控制系统的起动稳定性;发电时分别研究了电压闭环稳态工作性能和电压闭环负载变化时的暂态工作性能。通过研究系统的活塞行程、母线电压和输出电流,来验证发电系统在稳态和暂态时的工作性能。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM31
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 自由活塞斯特林发电系统发展现状
    1.3 自由活塞斯特林发电系统研究现状
        1.3.1 动力学研究现状
        1.3.2 热力学研究现状
        1.3.3 直线电机研究现状
        1.3.4 控制方法研究现状
    1.4 自由活塞斯特林发电系统的关键问题
    1.5 本文的主要研究内容
第2章 自由活塞斯特林发电系统稳定性研究
    2.1 引言
    2.2 发电系统动力学模型
        2.2.1 壳体固定模式下发电系统动力学模型
        2.2.2 壳体减振模式下发电系统动力学模型
    2.3 热-机-电耦合系统稳定性分析
        2.3.1 壳体固定模式下热-机-电耦合系统的稳定性
        2.3.2 壳体减振模式下热-机-电耦合系统的稳定性
    2.4 热-机-电耦合系统仿真分析
        2.4.1 壳体固定模式下的稳定性仿真
        2.4.2 壳体减振模式下的稳定性仿真
        2.4.3 外部激励作用下的稳定性仿真
    2.5 本章小结
第3章 自由活塞斯特林发电系统效率研究
    3.1 引言
    3.2 系统热力学模型
        3.2.1 斯特林发电系统热力学过程
        3.2.2 一维斯特林分析模型
        3.2.3 热力学和动力学相结合的斯特林发电系统初始设计方法
    3.3 系统热力学效率影响
        3.3.1 回热器对效率的影响
        3.3.2 间隙(泄漏)对效率的影响
        3.3.3 加热器对效率的影响
        3.3.4 换热器对效率的影响
    3.4 多参数系统效率优化
        3.4.1 基于二维仿真的系统参数优化
        3.4.2 基于三维仿真的换热器局部优化
    3.5 本章小结
第4章 圆筒型永磁同步直线电机研究
    4.1 引言
    4.2 主要结构参数对反电动势和推力的影响
        4.2.1 永磁体和导磁块配比对反电动势和推力的影响
        4.2.2 定子齿宽对反电动势和推力的影响
        4.2.3 动子半径对反电动势和推力的影响
    4.3 圆筒型永磁同步直线电机边端力的分析与抑制
        4.3.1 边端齿结构参数对边端力的影响
        4.3.2 边端齿轴向长度对边端力的影响
        4.3.3 边端齿外附加导磁块对边端力的影响
    4.4 圆筒型永磁同步直线电机效率和功率密度的优化
    4.5 本章小结
第5章 自由活塞斯特林发电系统的控制策略研究
    5.1 引言
    5.2 自由活塞斯特林发电系统模型
        5.2.1 自由活塞斯特林发动机模型
        5.2.2 直线电机模型
    5.3 发电系统的控制策略及仿真分析
        5.3.1 起动阶段控制策略
        5.3.2 发电阶段控制策略
        5.3.3 基于电流反馈解耦的控制策略
        5.3.4 基于IMC-SM的优化解耦控制策略
        5.3.5 基于端部效应的反电动势补偿控制方法
    5.4 本章小结
第6章 发电系统的实验研究
    6.1 引言
    6.2 实验平台搭建
    6.3 直线电机性能测试
        6.3.1 空载阶段实验
        6.3.2 负载阶段实验
    6.4 发电系统性能测试
        6.4.1 起动阶段实验
        6.4.2 发电阶段实验
    6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历

【参考文献】

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本文编号：2850087