Стенд для испытания дизеля Советский патент 1985 года по МПК G01M15/00 

11

Изобретение относится к машиностроению, в частности к дизелестроению, и может быть использовано для испытания двигателей внутреннего сгорания.

Цель изобретения - повышение точности поддержания режима.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого стенда; на фиг. 2 график изменений угловой частоты СО от времени t; на фиг. 3 - график изменения углового ускорения от времени t.

Стенд содержит блок 1 задания возбуждения генератора, систему 2 управления возбудителем и возбудитель 3, соединенные последовательно. Выход возбудителя 3 подключен к обмотке А возбуждения генератора 5, вал которого механически связан с валом испытуемого дизеля 6. Якорная обмотка генератора 5 соединена с входами датчика 7 напряжения генератора и датчика 8 тока генератора и |инвертора 9, выход инвертора соедине с сетью 10.

Выход датчика 8 тока генератора подключен к второму входу делительного устройства 11, входу дифференциатора 12 и первому входу множитель ного устройства 13. Вьпсод делительного устройства 11 соединен с первым входом регулятора 14 тока, второй вход регулятора 14 тока подключен к выходу датчика 7 напряжения генератора, а выход регулятора тока через систему 15 управления связан с управляющей шиной инвертора 9. Выход множительного устройства 13 подключен к входу масштабного звена 16, а выхо масштабного звена 16 через диод 17 связан с вычитающим входом элемента

18сравнения. Суммирующий вход элемента 18 сравнения соединен с блоком

19задания мощности, а выход элемента подключен к первому входу делителного .устройства 11.

Стенд работает следующим образом.

Подача задающего сигнала от блока 1 задания возбуждения на вход системы 2 управления возбудителем 3 приво дит к протеканию в обмотке 4 возбуждения генератора 5. При заданной величине частоты вращения дизеля 6 это приводит к появлению напряжения на якорной обмотке генератора 5, величина которого определяется по извес.тной формуле

К

р СО

(О

коэффициент пропорциональности, учитывающий параметры генератора;

IB - ток возбуждения; W - угловая скорость вала генератора.

При появлении сигнала на выходе блока 19 задания мощности возникает сигнал на выходе элемента 18 сравнения и, следовательно, на первом входе делительного устройства 11. Поскольку генератор 5 вырабатывает напряжение, то на выходе датчика7 напряжения генератора действует сигнал, поступающий на второй вход де- лительного устройства 11, Последнее формирует сигнал, равный отношению задания мощности к напряжению генератора и поступающий на первый вход регулятора 14 тока, вызывает появление напряжения на управляющей шине инвертора 9 и, как следствие, протекание тока нагрузки генератора 5 через инвертор 9 в сеть 10. Последнее приводит к появлению сигнала на выходе датчика 8 тока генератора и на втором входе регулятора 14 тока. Так как этот сигнал вычитается из сигнала на первом входе в регуляторе 14 тока, то возникновение тока нагрузки генератора приводит к снижению выходного напряжения этого регулятора,уменьшению выходного сигнала системы 15 управления и снижению тока нагрузки генератора 5. Вследствие этого выходной сигнал датчика тока генератора уменьшается, а напряжение на выходе системы .15 управления и управляющей шине инвертора 9 возрастает, вызьшая увеличение тока нагрузки генератора 5, Ток нагрузки растет до тех пор, пока выходной сигнал датчика 7 не станет бесконечно близок к выходному сигналу делительного устройства 11, Описанные процессы прекращаются тогда, когда наступает состояние равновесия, при котором величина мощности на валу дизеля 6 (произведение напряжения генератора 5 на ток нагрузки соответствует величине выходного сигнала элемента 18 сравнения. Поскольку в рассмотренном случае угловая скорость дизеля постоянна, то постоянно и напряжение генератора, производная этого напряжения 3 равна нулю, вследствие чего выходной .сигнал дифференциатора 12 раве нулю, напряжение на выходе множите ного устройства 13 равно нулю поскольку на его втором входе сигнал нулевой), сигнал на выходе масштаб ного звена 16 равен нулю, диод 17 закрыт и на вычитающий вход элемен i18 сигнал не поступает. Благодаря ;последнему сигнал на выходе элемен та 18 сравнения равен сигналу блока 19 задания мощности, а велич на мощности дизеля 6, совпадающая в данном случае с мощностью генера тора 5, соответствует заданному значению. При изменении задания мопщости, например при его увеличении, возрастают выходные напряжения элемента 18 сравнения, делительного устройства II, регулятора 14 тока и системы 15 управления, в результате чего ток нагрузки генератора 5, протекающий через инвертор 9 в сеть 10, возрастает, выэьшая увели ние сигнала датчика 8 тока генератора. Последнее приводит к некоторому уменьшению выходного напряжения регулятора I4 тока и в конечном счете уменьшению тока нагрузки генератора, что в свою очередь вызывает уменьшение сигнала датчик 8, увеличение выходного напряжения регулятора 14 тока, возрастание тока«нагрузки и т.д. Процесс изменения тока нагрузки и всех остальных сигналов на входах и выходах элементов стенда прекращается тогда, когда наступает состояние равновесия, при котором мощность на валу дизеля 6 (равная мощности генератора 5 и произведению тока генератора на напряжение генератора) соответствует выходному сигнал элемента 18 сравнения и (поскольку частота вращения неизменна) сигнал блока 19 задания мощности.

Поскольку в рассматриваемом стенде электрическая мощность, вырабатьшаемая генератором 5, отдается в сеть через инвертор 9 (причем напряжение сети ниже напряжения генератора, то изменение напряжения сети является возмущением, нарушающим равновесие системы. Так, при снижении напряжения сети разность между напряжением генератора и сети растет, ток нагрузки генераМасштабное звено 16 передает полученный сигнал на диод 17, который пропускает только положительную часть сигнала и не пропускает отрицательную часть. Выходной сигнал масштабного звена равен

1,6-К,еЛХ г 3 -гК85Г

- коэффициент передагде

чи звена 16. 73.4 тора вначале также растет, вызьшая увеличение сигнала датчика 8 тока, снижение напряжения на выходе регулятора 14 тока и уменьшение сигнала на управляющей шине инвертора 9. Последнее приводит к снижению тока нагрузки генератора и установлению его величины на таком уровне, при котором его произведение на напряжение генератора совпадает с заданием мощности. В описанных случаях работа предлагаемого станда ничем не отличается от работы стенда-прототипа. Рассмотрим работу стенда при увеличении частоты вращения дизеля 6 и постоянном задании мощности и напряжения сети. Так как ток возбуждения генератора 5 задается с помощью блока 1 задания возбуждения и не зависит от частоты вращения генератора, то увеличение частоты вращения приводит к росту напряжения генератора согласно формуле (l) и увеличению выходного сигнала датчика 7 напряжения генератора, поступающего на второй вход делительного устройства 11, вход дифференциатора 12 и первый вход множительного устройства 13. На выходе дифференциатора 12 и втором входе множительного устройства действует сигнал, равный производной выходного напряжения датчика 7 dUr d(KK,Ie(0) КК Т и,, «i dt dt где dt - дифференциал времени; К - коэффициент преобразования датчика 7 (отношение выходного сигнала датчика к напряжению генератора 5). В соответствии с этим выходной сигнал множительного устройства 13 определяется выражением ti:,U,U,,.KK.IeCOkK,i,if.k,i;co, В рассматриваемом случае частота вращения дизеля нарастает, вследствие чего правая часть выражения (4) положительна, напряжение U|g положи тельно и проходит через диод 17 на вычитающий вход элемента 18 сравнения, в связи с чем выходной сигна этого элемента оказьюается равным K,,)§g К,К |8-(9-.6 где P - задание мощности, вырабаты ваемое блоком 19; К.„ - коэффициент преобразования блока 19. При этом во время повьтения частоты вращения дизеля 6 на выходе делительного устройства 11 присутст вует сигнал Kt9Po-JMii КгКв величина которого меньше, чем в исходном установившемся режиме потому что знаменатель стал больше из-за увеличения угловой скорости, а также из-за появления положительной величины j(odw/dt в .числителе формулы (6). Уменьшение сигнала на первом входе регулятора 14 приводит к уменьшению его выходного сигнала, снижению сигнала на управляющей шине инвертора 9 и в конечном счете к снижению тока нагрузки генератора аналогично тому, как было описано . При этом ток нагрузки имеет величину такую, что выходной сигнал датчика 8 бесконечно близок выходному сигналу делительного устройства 11. Указанная величина оказывается равной (JCO K.,Po-ico -K,Kg , JH. J KK.IgWKg KKjKgleQJ ()t Kl где К, - коэффициент преобразования датчика 8 тока генератора. Найдем электрическую мощность генератора 5, которая передается с помощью инвертора 9 в сеть 10, с учетом формул Cl и (7) Y P If J , . Ju При ускорении вращения двигателя внутреннего сгорания, приводящего генератор, мощность дизеля определя ется по формуле а с учетом формулы (8 - следующим образом: При выборе коэффициента преобразования блока 19 задания мощности, равного произведению коэффициентов преобразования датчиков 7 и 8, т.е. при K,, последнее выражение принимает вид РоК7 Kg 3 Выражение (9y показьшает, что при переходном режиме в процессе повышения частоты вращения дизеля 6 его мощность совпадает с заданным значением Р, , а мощность генератора 5, как видно из выражения (8), меньше задания в зависимости от момента инерции системы дизель-генератор, угловой скорости вала и производной этой скорости по времени, В стенде-прототипе учет составляющей jwdo/dt отсутствует, вследствие чего мощность генератора равна , а мощность дизеля составляет величину , V т.е. больше задания. Следовательно, как видно из сравнения формул (9) и (10), при испытаниях дизеля на предлагаемом стенде точность поддержания требуемой мощности на его валу в соответствии с сигналом блока 19 задания мощности вьш1е, чем при использовании стенда-прототипа. В самом деле, отклонение мощности дизеля от заданного значения в первом случае равно нулю, а во втором составляет JGjdw/dt. Поскольку на единицу мощности дизеля приходится определенное количество топлива, то при большей мощности на валу дизеля расходуемая им масса топлива больше, чем при меньшей мощности, т.е. при испытаниях дизеля на известном стенде в процессе повьш1ения его частоты вращения расход топлива больше, чем при испытаниях на предлагаемом стенде. По окончании переходного процесса при испытаниях дизеля на предлагаемом стенде и.установлении неизменной частоты вращения -ЗГ -о. вследствие чего, как видно из форму (8) и (9), , т.е. мощность дизеля равна моьчности генератора и совпадает с заданием мощности. В известном стенде обеспечивается равенство электрической мощности генератора и мощности, задаваемой блоком задания мощности. При появлении возмущений, нарущающих указан ное равновесие, например при возрас тании частоты вращения, возрастают в первый момент напряжение и ток якорной обмотки генератора, выходные сигналы датчиков тока генератора и напряжения генератора тоже возрастают, сигнал на выходе делительного устройства падает, в резул тате чего выходное напряжение регулятора тока уменьщается. Последнее приводит в конечном счете к уменьше нию тока, отдаваемого инвертором в сеть, и снижению тока якорной цепи генератора до такого уровня, при котором произведение этого тока на напряжение якорной обмотки генератора совпадает с заданием мощности. Однако мощность испытуемого двигателя совпадает с мощностью .генератора только в установившемся скоростном режиме, а в рассмотренном случае, хотя электрическая мощность генератора и совпадает с заданием, она остается меньше мощности двигателя, т.е. мощность на валу две Bbmie мощности генератора и следовательно, больше задания мощ- ности. Это объясняется тем, что при изменении частоты вращения в системе двигатель-генератор возникает динамический момент, определяемый согласно принципу Даламбера из урав нения J . i-f-V . где j - момент инерции вращающихся масс системы двигатель-генератор;M(3j, - вращающий момент двигателя 738 М - момент генератора. Если умножить обе части уравнения на угловую скорость OJ, получится соотношение мощностей в переходном режиме СО jdO/dt OMe-uM Pj -Рр. Неучет составляющей (ojd(0/dt является причиной низкой точности поддержания йощнрсти двигателя при изменений его частоты вращения во время испытаний. Поскольку при положительных ускорениях мощность двигателя повышается по сравнению с ее значением в установившемся режиме, то во время испытаний при повышении частоты вращения двигатель потребляет больше топлива, чем ,в установившемся режиме при той же мощности генератора) и экономичность испытаний оказывается низкой. Этот недостаток усугубляется при испытаниях дизеля с газотурбинным, наддувом, так как возрастающая вследствие роста мощности дизеля) масса подаваемого в цилиндры топлива сгорает неудовлетворительно в связи с дефицитом наддувочного воздуха, обусловленным значительной инер ционностью турбокомпрессора. Вследствие этого для получения требуемой MODjHocTH дизеля подача топлива в его цилиндры, обеспечиваемая встроенным в него регулятором скорости, оказьшается больше, чем для дизеля без наддува, а экономичность испытаний еще ниже. Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый стенд обеспечивает более высокие точность поддержания мощности дизеля и экономичность его испытаний, так как при неизменном задании мощности мощность дизеля совпадает с заданием не ,только в установившемся скоростном режиме его работы, но и в переходном при повышении частоты вращения, а поскольку величина этой мощности меньше, чем при испытаниях на стенде-прототипе, то расход топлива ниже, а экономичность испытаний вьш1е.

СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ДИЗЕЛЯ, содержащий генератор, блок задания возбуждения генератора, возбудитель, систему управления возбудителем, датчики тока и напряжения генератора, инвертор, блок задания мощности, делительное устройство, регулятор тока и систему управления инвертора, причем генератор связан с валом дизеля, обмотка возбуждения генератора подключена к возбудителю, блок задания возбуждения, система управления возбудителем и возбудитель соединены последовательно, входы датчиков тока генератора и напря13 13 rf.K:; ,,. : -SICJti CTciiA жения генератора соединены друг с другом, входом инвертора и якорной обмоткой генератора, вход делительного устройства соединен с выходом датчика напряжения генератора, первый вход регулятора тока подключен к выходу делительного устройства, второй - к выходу датчика тока генератора, а выход регулятора тока через систему управления инвертора связан с управляющей щиной последнего, выход которого соединен с сетью, отличающийся тем, что, с целью повышения точности поддержания режима испытаний, в стенд дополнитель(О но введены дифференциатор, множительное устройство, масштабное с звено, диод, элемент сравнения, включенные последовательно между датчиком напряжения и блоком задания мощности, причем связь дифференциатора с множительным устройством выполнена через первый вход со последнего, второй вход множительного устройства связан с датчиком напряжения, элемент сравнения связан с вторым входом делительного со устройства.

0 0.5 1 15 г г.5 3 3,3 4 u,s t,o

fue.Z