Motori ad alta velocitàstanno ricevendo crescente attenzione a causa dei loro evidenti vantaggi come l'elevata densità di potenza, dimensioni e peso ridotti e un'elevata efficienza lavorativa.Un sistema di azionamento efficiente e stabile è la chiave per sfruttare appieno le eccellenti prestazioni dimotori ad alta velocità.Questo articolo analizza principalmente le difficoltà dimotore ad alta velocitàguidare la tecnologia dagli aspetti della strategia di controllo, della stima angolare e della progettazione della topologia di potenza e riassume gli attuali risultati della ricerca in patria e all'estero.Successivamente, riassume e prospetta il trend di sviluppo dimotore ad alta velocitàtecnologia di guida.
Parte 02 Contenuto della ricerca
Motori ad alta velocitàpresentano molti vantaggi come elevata densità di potenza, volume e peso ridotti ed elevata efficienza di lavoro.Sono ampiamente utilizzati in settori quali l'aerospaziale, la difesa e la sicurezza nazionale, la produzione e la vita quotidiana e rappresentano oggi contenuti di ricerca e direzioni di sviluppo necessari.Nelle applicazioni di carico ad alta velocità come mandrini elettrici, turbomacchine, microturbine a gas e accumulatori di energia a volano, l'applicazione di motori ad alta velocità può ottenere una struttura di azionamento diretto, eliminare dispositivi a velocità variabile, ridurre significativamente volume, peso e costi di manutenzione , migliorando significativamente l'affidabilità, e ha prospettive di applicazione estremamente ampie.Motori ad alta velocitàdi solito si riferiscono a velocità superiori a 10kr/min o valori di difficoltà (prodotto della velocità e radice quadrata della potenza) superiori a 1 × Il motore di 105 è mostrato nella Figura 1, che confronta i dati rilevanti di alcuni prototipi rappresentativi di motori ad alta velocità sia a livello nazionale e internazionale.La linea tratteggiata nella Figura 1 è il livello di difficoltà 1 × 105, ecc
1、Difficoltà nella tecnologia di azionamento dei motori ad alta velocità
1. Problemi di stabilità del sistema alle alte frequenze fondamentali
Quando il motore si trova in uno stato di frequenza fondamentale operativa elevata, a causa di limitazioni quali il tempo di conversione da analogico a 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 diminuzione significativa delle prestazioni operative del motore.
2. Il problema della stima ad alta precisione della posizione del rotore nella 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 bassa affidabilità, delle grandi dimensioni e dell’alto costo dei sensori di posizione meccanici, gli algoritmi sensorless vengono spesso utilizzati nei sistemi di controllo dei motori ad alta velocità.Tuttavia, in condizioni di frequenza fondamentale operativa elevata, l'uso di algoritmi senza sensori di posizione è suscettibile a fattori non ideali come non linearità dell'inverter, armoniche spaziali, filtri di anello e deviazioni dei parametri di induttanza, con conseguenti errori significativi nella stima della posizione del rotore.
3. Soppressione dell'ondulazione nei sistemi di azionamento di motori ad alta velocità
La piccola induttanza dei motori ad alta velocità porta inevitabilmente al problema di una grande ondulazione di corrente.L'ulteriore perdita di rame, la perdita di ferro, l'ondulazione della coppia e il rumore delle vibrazioni causati dall'ondulazione di corrente elevata possono aumentare notevolmente le perdite dei sistemi motore ad alta velocità, ridurre le prestazioni del motore e l'interferenza elettromagnetica causata dall'elevato rumore delle vibrazioni può accelerare l'invecchiamento del motore. autista.I problemi di cui sopra influiscono notevolmente sulle prestazioni dei sistemi di azionamento di motori ad alta velocità e la progettazione di ottimizzazione dei circuiti hardware a bassa perdita è fondamentale per i sistemi di azionamento di motori ad alta velocità.In sintesi, la progettazione di un sistema di azionamento di un motore ad alta velocità richiede una considerazione completa di molteplici fattori, tra cui l'accoppiamento dell'anello di corrente, il ritardo del sistema, gli errori dei parametri e le difficoltà tecniche come la soppressione dell'ondulazione di corrente.Si tratta di un processo estremamente complesso che pone requisiti elevati in termini di strategie di controllo, precisione 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 di motori ad alta velocità
Le caratteristiche di elevata frequenza fondamentale operativa e basso rapporto di frequenza portante nei sistemi di azionamento di motori ad alta velocità, nonché l'influenza dell'accoppiamento del motore e del ritardo sul sistema, non possono essere ignorate.Pertanto, considerando i due fattori principali sopra menzionati, la modellazione e l'analisi della ricostruzione dei sistemi di azionamento dei motori ad alta velocità sono la chiave per migliorare ulteriormente le prestazioni di guida dei motori ad alta velocità.
2. Tecnologia di controllo del disaccoppiamento per motori ad alta velocità
La tecnologia più utilizzata nei sistemi di azionamento di motori 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 il disaccoppiamento delle strategie di controllo.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 feedback, ma questa strategia è sensibile ai parametri del motore e può persino portare all'instabilità del sistema in caso di errori parametrici di grandi dimensioni e non può raggiungere un disaccoppiamento completo.Le scarse prestazioni del disaccoppiamento dinamico ne limitano il campo di applicazione.Le ultime due strategie di controllo del disaccoppiamento rappresentano attualmente i punti caldi della ricerca.
3. Tecnologia di compensazione del ritardo per sistemi di motori ad alta velocità
La tecnologia di controllo del disaccoppiamento può risolvere efficacemente il problema dell'accoppiamento dei sistemi di azionamento dei motori ad alta velocità, ma il collegamento di ritardo introdotto dal ritardo esiste ancora, quindi è necessaria un'efficace compensazione attiva per il ritardo del sistema.Allo stato attuale, ci sono due principali strategie di compensazione attive per il ritardo del sistema: strategie di compensazione basate su modelli 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, le direzioni di sviluppo e ricerca dei motori ad alta velocità includono principalmente: 1) ricerca sulla previsione precisa della corrente ad alta frequenza fondamentale e questioni relative 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 angolare e del modello di stima della posizione del rotore nel dominio a piena velocità per motori ad altissima velocità;5) Ricerca sulla tecnologia di compensazione completa degli errori nei modelli di stima della posizione di motori ad alta velocità;6) Ricerca sulla topologia di potenza di motori ad alta frequenza e alte perdite ad alta velocità.
Orario di pubblicazione: 24 ottobre 2023