Motori ad alta velocitàstanno ricevendo sempre più attenzione grazie ai loro evidenti vantaggi come l'elevata densità di potenza, le dimensioni e il peso ridotti e l'elevata efficienza di lavoro. Un sistema di azionamento efficiente e stabile è la chiave per sfruttare appieno le eccellenti prestazioni dimotori ad alta velocitàQuesto articolo analizza principalmente le difficoltà dimotore ad alta velocitàtecnologia di azionamento dal punto di vista della strategia di controllo, della stima degli angoli e della progettazione della topologia di potenza, e riassume i risultati attuali della ricerca nazionale e internazionale. Successivamente, riassume e prevede il trend di sviluppo dimotore ad alta velocitàtecnologia di guida.
Parte 02 Contenuto della ricerca
Motori ad alta velocitàPresentano numerosi vantaggi, come l'elevata densità di potenza, il volume e il peso ridotti e l'elevata efficienza operativa. Sono ampiamente utilizzati in settori come l'aerospaziale, la difesa nazionale e la sicurezza, la produzione e la vita quotidiana, e rappresentano oggi un contenuto di ricerca e sviluppo necessario. Nelle applicazioni con carichi ad alta velocità come elettromandrini, turbomacchine, microturbine a gas e sistemi di accumulo di energia a volano, l'applicazione di motori ad alta velocità può realizzare una struttura a trasmissione diretta, eliminare i dispositivi a velocità variabile, ridurre significativamente volume, peso e costi di manutenzione, migliorando al contempo significativamente l'affidabilità e offrendo prospettive applicative estremamente ampie.Motori ad alta velocitàDi solito si riferiscono a velocità superiori a 10 kr/min o a valori di difficoltà (prodotto della velocità per la radice quadrata della potenza) superiori a 1 × 105. Il motore da 105 è mostrato in Figura 1, che confronta i dati rilevanti di alcuni prototipi rappresentativi di motori ad alta velocità sia a livello nazionale che internazionale. La linea tratteggiata in Figura 1 rappresenta il livello di difficoltà 1 × 105, ecc.
1、Difficoltà nella tecnologia di azionamento dei motori ad alta velocità
1. Problemi di stabilità del sistema ad alte frequenze fondamentali
Quando il motore si trova in uno stato di frequenza fondamentale di funzionamento elevata, a causa di limitazioni quali il tempo di conversione analogico-digitale, il tempo di esecuzione dell'algoritmo del controller digitale e la frequenza di commutazione dell'inverter, la frequenza portante del sistema di azionamento del motore ad alta velocità è relativamente bassa, con conseguente riduzione significativa delle prestazioni operative del motore.
2. Il problema della stima ad alta precisione della posizione del rotore in frequenza fondamentale
Durante il funzionamento ad alta velocità, la precisione della posizione del rotore è fondamentale per le prestazioni operative del motore. A causa della scarsa affidabilità, delle grandi dimensioni e dell'elevato costo dei sensori di posizione meccanici, gli algoritmi sensorless vengono spesso utilizzati nei sistemi di controllo motore ad alta velocità. Tuttavia, in condizioni di elevata frequenza fondamentale operativa, l'utilizzo di algoritmi sensorless per il rilevamento della posizione è soggetto a fattori non ideali come la non linearità dell'inverter, le armoniche spaziali, i filtri di anello e le deviazioni dei parametri di induttanza, con conseguenti errori significativi nella stima della posizione del rotore.
3. Soppressione delle ondulazioni nei sistemi di azionamento dei motori ad alta velocità
La bassa induttanza dei motori ad alta velocità porta inevitabilmente al problema di un elevato ripple di corrente. Le perdite aggiuntive nel rame, le perdite nel ferro, il ripple di coppia e il rumore da vibrazione causati dall'elevato ripple di corrente possono aumentare notevolmente le perdite dei sistemi motore ad alta velocità, ridurne le prestazioni e l'interferenza elettromagnetica causata da un elevato rumore da vibrazione può accelerare l'invecchiamento del driver. I problemi sopra descritti influiscono notevolmente sulle prestazioni dei sistemi di azionamento motore ad alta velocità e l'ottimizzazione della progettazione di circuiti hardware a basse perdite è fondamentale per tali sistemi. In sintesi, la progettazione di un sistema di azionamento motore ad alta velocità richiede una valutazione approfondita di molteplici fattori, tra cui l'accoppiamento del loop di corrente, il ritardo di sistema, gli errori dei parametri e le difficoltà tecniche come la soppressione del ripple di corrente. Si tratta di un processo estremamente complesso che pone requisiti elevati in termini di strategie di controllo, accuratezza nella stima della posizione del rotore e progettazione della topologia di potenza.
2. Strategia di controllo per il sistema di azionamento del motore ad alta velocità
1. Modellazione del sistema di controllo del motore ad alta velocità
Le caratteristiche di elevata frequenza fondamentale operativa e basso rapporto di frequenza portante nei sistemi di azionamento motore ad alta velocità, così come l'influenza dell'accoppiamento e del ritardo del motore sul sistema, non possono essere ignorate. Pertanto, tenendo conto dei due fattori principali sopra menzionati, la modellazione e l'analisi della ricostruzione dei sistemi di azionamento motore ad alta velocità sono fondamentali per migliorare ulteriormente le prestazioni di azionamento dei motori ad alta velocità.
2. Tecnologia di controllo del disaccoppiamento per motori ad alta velocità
La tecnologia più utilizzata nei sistemi di azionamento motore ad alte prestazioni è il controllo FOC. In risposta al grave problema di accoppiamento causato dall'elevata frequenza fondamentale operativa, la principale direzione di ricerca attualmente è rivolta alle strategie di controllo del disaccoppiamento. Le strategie di controllo del disaccoppiamento attualmente studiate possono essere principalmente suddivise in strategie di controllo del disaccoppiamento basate su modelli, strategie di controllo del disaccoppiamento basate sulla compensazione dei disturbi e strategie di controllo del disaccoppiamento basate su regolatori vettoriali complessi. Le strategie di controllo del disaccoppiamento basate su modelli includono principalmente il disaccoppiamento feedforward e il disaccoppiamento a retroazione, ma questa strategia è sensibile ai parametri del motore e può persino portare a instabilità del sistema in caso di errori parametrici elevati, e non può raggiungere il disaccoppiamento completo. Le scarse prestazioni del disaccoppiamento dinamico ne limitano il campo di applicazione. Le ultime due strategie di controllo del disaccoppiamento sono attualmente punti caldi della ricerca.
3. Tecnologia di compensazione del ritardo per sistemi di motori ad alta velocità
La tecnologia di controllo a disaccoppiamento può risolvere efficacemente il problema di accoppiamento dei sistemi di azionamento motore ad alta velocità, ma il ritardo introdotto dal ritardo persiste, quindi è necessaria un'efficace compensazione attiva del ritardo di sistema. Attualmente, esistono due principali strategie di compensazione attiva del ritardo di sistema: strategie di compensazione basate su modello e strategie di compensazione indipendenti dal modello.
Parte 03 Conclusione della ricerca
Sulla base degli attuali risultati della ricerca inmotore ad alta velocitàtecnologia di azionamento nella comunità accademica, combinata con i problemi esistenti, lo sviluppo e le direzioni di ricerca dei motori ad alta velocità includono principalmente: 1) ricerca sulla previsione precisa della corrente ad alta frequenza fondamentale e sui problemi correlati al ritardo di compensazione attiva; 3) ricerca su algoritmi di controllo ad alte prestazioni dinamiche per motori ad alta velocità; 4) ricerca sulla stima precisa della posizione d'angolo e del modello di stima della posizione del rotore nel dominio della velocità completa per motori ad altissima velocità; 5) ricerca sulla tecnologia di compensazione completa per gli errori nei modelli di stima della posizione del motore ad alta velocità; 6) ricerca sulla topologia di potenza del motore ad alta frequenza e ad alta perdita di velocità.
Data di pubblicazione: 24 ottobre 2023
