Silniki szybkoobrotoweCieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na swoje oczywiste zalety, takie jak wysoka gęstość mocy, niewielkie rozmiary i waga oraz wysoka wydajność pracy. Wydajny i stabilny układ napędowy to klucz do pełnego wykorzystania doskonałej wydajnościsilniki szybkoobrotowe. W tym artykule analizowane są głównie trudnościsilnik szybkoobrotowyTechnologia napędowa z perspektywy strategii sterowania, estymacji naroży i projektowania topologii zasilania, a także podsumowuje aktualne wyniki badań w kraju i za granicą. Następnie podsumowuje i prognozuje trendy rozwojowesilnik szybkoobrotowytechnologia napędowa.
Część 02 Treść badań
Silniki szybkoobrotoweMają wiele zalet, takich jak wysoka gęstość mocy, niewielka objętość i masa oraz wysoka wydajność pracy. Są szeroko stosowane w takich dziedzinach jak lotnictwo i kosmonautyka, obrona narodowa i bezpieczeństwo, produkcja i życie codzienne, stanowiąc obecnie niezbędny przedmiot badań i kierunek rozwoju. W zastosowaniach wymagających dużych prędkości, takich jak wrzeciona elektryczne, maszyny turbinowe, mikroturbiny gazowe i magazyny energii w kołach zamachowych, zastosowanie silników wysokoobrotowych pozwala na uzyskanie struktury napędu bezpośredniego, wyeliminowanie urządzeń o zmiennej prędkości, znaczną redukcję objętości, masy i kosztów konserwacji, a jednocześnie znaczącą poprawę niezawodności, co stwarza niezwykle szerokie perspektywy zastosowań.Silniki szybkoobrotoweZwykle odnoszą się do prędkości przekraczających 10kr/min lub wartości trudności (iloczyn prędkości i pierwiastka kwadratowego mocy) przekraczających 1 × Silnik 105 jest pokazany na rysunku 1, który porównuje istotne dane niektórych reprezentatywnych prototypów silników wysokoobrotowych zarówno w kraju, jak i za granicą. Linia przerywana na rysunku 1 oznacza poziom trudności 1 × 105 itd.
1、Trudności w technologii napędu silników wysokoobrotowych
1. Problemy ze stabilnością systemu przy wysokich częstotliwościach podstawowych
Gdy silnik pracuje z wysoką częstotliwością podstawową, to ze względu na ograniczenia, takie jak czas konwersji analogowo-cyfrowej, czas realizacji algorytmu sterownika cyfrowego i częstotliwość przełączania falownika, częstotliwość nośna układu napędowego silnika szybkiego jest stosunkowo niska, co powoduje znaczne pogorszenie wydajności roboczej silnika.
2. Problem precyzyjnego szacowania położenia wirnika w częstotliwości podstawowej
Podczas pracy z dużą prędkością obrotową dokładność położenia wirnika ma kluczowe znaczenie dla wydajności operacyjnej silnika. Ze względu na niską niezawodność, duże rozmiary i wysoki koszt mechanicznych czujników położenia, w układach sterowania silnikami o dużej prędkości obrotowej często stosuje się algorytmy bezczujnikowe. Jednak w warunkach wysokiej częstotliwości podstawowej, stosowanie algorytmów bezczujnikowych położenia jest podatne na czynniki nieidealne, takie jak nieliniowość falownika, harmoniczne przestrzenne, filtry pętli i odchylenia parametrów indukcyjności, co skutkuje znacznymi błędami szacowania położenia wirnika.
3. Tłumienie tętnień w układach napędowych silników szybkoobrotowych
Niska indukcyjność silników wysokoobrotowych nieuchronnie prowadzi do problemu dużych tętnień prądu. Dodatkowe straty w miedzi, żelazie, tętnienia momentu obrotowego i szumy wibracyjne spowodowane wysokimi tętnieniami prądu mogą znacznie zwiększyć straty w układach silników wysokoobrotowych, obniżyć ich wydajność, a zakłócenia elektromagnetyczne spowodowane wysokimi szumami wibracyjnymi mogą przyspieszyć starzenie się sterownika. Powyższe problemy mają znaczący wpływ na wydajność układów napędowych silników wysokoobrotowych, a optymalizacja projektu układów sprzętowych o niskich stratach ma kluczowe znaczenie dla takich układów. Podsumowując, projektowanie układu napędowego silników wysokoobrotowych wymaga kompleksowego uwzględnienia wielu czynników, w tym sprzężenia pętli prądowej, opóźnienia systemu, błędów parametrów i trudności technicznych, takich jak tłumienie tętnień prądu. Jest to niezwykle złożony proces, który stawia wysokie wymagania strategiom sterowania, dokładności szacowania położenia wirnika i projektowaniu topologii zasilania.
2. Strategia sterowania dla układu napędowego silnika o dużej prędkości
1. Modelowanie układu sterowania silnikiem szybkoobrotowym
Nie można ignorować cech wysokiej częstotliwości podstawowej pracy i niskiego stosunku częstotliwości nośnej w układach napędowych silników wysokoobrotowych, a także wpływu sprzężenia silnika i opóźnienia na układ. Dlatego, biorąc pod uwagę powyższe dwa główne czynniki, modelowanie i analiza rekonstrukcji układów napędowych silników wysokoobrotowych jest kluczem do dalszej poprawy osiągów napędowych silników wysokoobrotowych.
2. Technologia sterowania odsprzęgającego dla silników szybkoobrotowych
Najpowszechniej stosowaną technologią w wysokowydajnych układach napędowych silników jest sterowanie FOC. W odpowiedzi na poważny problem sprzężenia spowodowany wysoką częstotliwością podstawową pracy, głównym kierunkiem badań są obecnie strategie sterowania odsprzęgającego. Obecnie badane strategie sterowania odsprzęgającego można podzielić głównie na strategie sterowania odsprzęgającego oparte na modelu, strategie sterowania odsprzęgającego oparte na kompensacji zakłóceń oraz strategie sterowania odsprzęgającego oparte na złożonym regulatorze wektorowym. Strategie sterowania odsprzęgającego oparte na modelu obejmują głównie odsprzęganie wyprzedzające i odsprzęganie ze sprzężeniem zwrotnym, ale strategia ta jest wrażliwa na parametry silnika i może nawet prowadzić do niestabilności systemu w przypadku dużych błędów parametrów, uniemożliwiając osiągnięcie pełnego odsprzęgania. Niska wydajność dynamicznego odsprzęgania ogranicza zakres jego zastosowań. Te dwie ostatnie strategie sterowania odsprzęgającego są obecnie przedmiotem zainteresowania badawczego.
3. Technologia kompensacji opóźnień dla systemów silników szybkoobrotowych
Technologia sterowania odsprzęgającego może skutecznie rozwiązać problem sprzężenia w układach napędowych silników wysokoobrotowych, jednak opóźnienie generowane przez opóźnienie nadal występuje, dlatego konieczna jest skuteczna aktywna kompensacja opóźnienia systemowego. Obecnie istnieją dwie główne strategie aktywnej kompensacji opóźnienia systemowego: strategie kompensacji oparte na modelu i strategie kompensacji niezależne od modelu.
Część 03 Wnioski z badań
W oparciu o aktualne osiągnięcia badawcze wsilnik szybkoobrotowyTechnologia napędowa w środowisku akademickim, w połączeniu z istniejącymi problemami, kierunki rozwoju i badań silników szybkoobrotowych obejmują głównie: 1) badania nad precyzyjnym przewidywaniem prądu o wysokiej częstotliwości podstawowej i problemów związanych z opóźnieniem kompensacji aktywnej; 3) badania nad algorytmami sterowania o wysokiej dynamice dla silników szybkoobrotowych; 4) badania nad precyzyjnym oszacowaniem położenia narożnego i modelu oszacowania położenia wirnika w domenie pełnej prędkości dla silników o bardzo wysokiej prędkości; 5) badania nad technologią pełnej kompensacji błędów w modelach oszacowania położenia silników szybkoobrotowych; 6) badania nad wysoką częstotliwością i dużymi stratami w topologii mocy silników szybkoobrotowych.
Czas publikacji: 24-10-2023
