Silniki szybkoobrotowecieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na ich oczywiste zalety, takie jak wysoka gęstość mocy, niewielkie rozmiary i waga oraz wysoka wydajność pracy. Wydajny i stabilny układ napędowy jest kluczem do pełnego wykorzystania doskonałej wydajnościsilniki szybkoobrotowe. W tym artykule analizowane są głównie trudnościsilnik szybkoobrotowynapędowej technologii z punktu widzenia strategii sterowania, szacowania narożników i projektowania topologii mocy, a także podsumowuje bieżące 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, mała objętość i waga oraz wysoka wydajność pracy. Są szeroko stosowane w takich dziedzinach jak lotnictwo, obrona narodowa i bezpieczeństwo, produkcja i codzienne życie, i są niezbędną treścią badawczą i kierunkiem rozwoju dzisiaj. W zastosowaniach o dużych prędkościach, takich jak wrzeciona elektryczne, turbosprężarki, mikroturbiny gazowe i magazyny energii koła zamachowego, zastosowanie silników wysokoobrotowych może osiągnąć strukturę napędu bezpośredniego, wyeliminować urządzenia o zmiennej prędkości, znacznie zmniejszyć objętość, wagę i koszty konserwacji, przy jednoczesnej znacznej poprawie niezawodności i ma niezwykle szerokie perspektywy zastosowania.Silniki szybkoobrotowezwykle odnoszą się do prędkości przekraczających 10kr/min lub wartości trudności (iloczyn prędkości i pierwiastka kwadratowego mocy) przekraczających 1 × Silnik 105 pokazano na rysunku 1, który porównuje odpowiednie dane niektórych reprezentatywnych prototypów silników szybkoobrotowych zarówno w kraju, jak i za granicą. Linia przerywana na rysunku 1 to 1 × 105 poziom trudności itp.
1.Trudności w technologii napędu silników o dużej prędkości
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 wykonywania algorytmu sterownika cyfrowego i częstotliwość przełączania falownika, częstotliwość nośna układu napędowego silnika dużej prędkości jest stosunkowo niska, co powoduje znaczne pogorszenie wydajności roboczej silnika.
2. Problem precyzyjnego szacowania położenia wirnika w częstotliwości podstawowej
Podczas pracy przy dużej prędkości dokładność położenia wirnika ma kluczowe znaczenie dla wydajności operacyjnej silnika. Ze względu na niską niezawodność, duże rozmiary i wysoki koszt mechanicznych czujników położenia, algorytmy bezczujnikowe są często stosowane w układach sterowania silnikami o dużej prędkości. Jednak w warunkach wysokiej częstotliwości podstawowej pracy 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
Mała indukcyjność silników szybkoobrotowych nieuchronnie prowadzi do problemu dużego tętnienia prądu. Dodatkowa strata miedzi, strata żelaza, tętnienie momentu obrotowego i szum wibracyjny spowodowane przez wysokie tętnienie prądu mogą znacznie zwiększyć straty w układach silników szybkoobrotowych, zmniejszyć wydajność silnika, a zakłócenia elektromagnetyczne spowodowane przez wysoki szum wibracyjny mogą przyspieszyć starzenie się sterownika. Powyższe problemy mają duży wpływ na wydajność układów napędowych silników szybkoobrotowych, a optymalizacja projektu obwodów sprzętowych o niskiej stracie ma kluczowe znaczenie dla układów napędowych silników szybkoobrotowych. Podsumowując, projekt układu napędowego silników szybkoobrotowych wymaga kompleksowego rozważenia wielu czynników, w tym sprzężenia pętli prądowej, opóźnienia systemu, błędów parametrów i trudności technicznych, takich jak tłumienie tętnienia prądu. Jest to wysoce złożony proces, który stawia wysokie wymagania strategiom sterowania, dokładności szacowania położenia wirnika i projektowaniu topologii mocy.
2. Strategia sterowania dla układu napędowego silnika o dużej prędkości
1. Modelowanie układu sterowania silnikiem szybkoobrotowym
Nie można ignorować cech wysokiej częstotliwości podstawowej roboczej i niskiego współczynnika częstotliwości nośnej w układach napędowych silników wysokoobrotowych, a także wpływu sprzężenia silnika i opóźnienia na układ. Dlatego też, 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
Najszerzej stosowaną technologią w wysokowydajnych układach napędowych silników jest sterowanie FOC. W odpowiedzi na poważny problem sprzężenia spowodowany wysoką częstotliwością podstawową pracy, głównym kierunkiem badań jest obecnie odsprzęganie strategii sterowania. Obecnie badane strategie sterowania odsprzęganiem można podzielić głównie na strategie sterowania odsprzęganiem oparte na modelu, strategie sterowania odsprzęganiem oparte na kompensacji zakłóceń i strategie sterowania odsprzęganiem oparte na złożonym regulatorze wektorowym. Strategie sterowania odsprzęganiem oparte na modelu obejmują głównie odsprzęganie wyprzedzające i odsprzęganie sprzężenia zwrotnego, ale ta strategia jest wrażliwa na parametry silnika i może nawet prowadzić do niestabilności systemu w przypadku dużych błędów parametrów i nie może osiągnąć całkowitego odsprzęgania. Słaba wydajność dynamicznego odsprzęgania ogranicza zakres jego zastosowań. Dwie ostatnie strategie sterowania odsprzęganiem są obecnie gorącymi punktami badań.
3. Technologia kompensacji opóźnień dla systemów silników o dużej prędkości
Technologia sterowania odsprzęgającego może skutecznie rozwiązać problem sprzęgania szybkich systemów napędowych silników, ale opóźnienie wprowadzone przez opóźnienie nadal istnieje, więc potrzebna jest skuteczna aktywna kompensacja opóźnienia systemu. Obecnie istnieją dwie główne strategie aktywnej kompensacji opóźnienia systemu: strategie kompensacji oparte na modelu i strategie kompensacji niezależne od modelu.
Część 03 Wnioski z badań
Na podstawie aktualnych osiągnięć badawczych 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 wydajności dynamicznej dla silników szybkoobrotowych; 4) badania nad precyzyjnym oszacowaniem położenia narożnego i modelu szacowania położenia wirnika w domenie pełnej prędkości dla silników o bardzo dużej prędkości; 5) badania nad technologią pełnej kompensacji błędów w modelach szacowania położenia silnika szybkoobrotowego; 6) badania nad wysoką częstotliwością i dużą stratą topologii mocy silnika szybkoobrotowego.
Czas publikacji: 24-paź-2023
