HochgeschwindigkeitsmotorenAufgrund ihrer offensichtlichen Vorteile wie hoher Leistungsdichte, geringer Größe und geringem Gewicht sowie hoher Arbeitseffizienz gewinnen Motoren zunehmend an Bedeutung. Ein effizientes und stabiles Antriebssystem ist der Schlüssel zur optimalen Nutzung der hervorragenden Leistung vonHochgeschwindigkeitsmotorenDieser Artikel analysiert hauptsächlich die Schwierigkeiten vonHochgeschwindigkeitsmotorAntriebstechnologie aus den Aspekten Steuerungsstrategie, Eckenschätzung und Leistungstopologiedesign und fasst die aktuellen Forschungsergebnisse im In- und Ausland zusammen. Anschließend werden die Entwicklungstrends vonHochgeschwindigkeitsmotorAntriebstechnik.
Teil 02 Forschungsinhalte
HochgeschwindigkeitsmotorenSie bieten zahlreiche Vorteile wie hohe Leistungsdichte, geringes Volumen und Gewicht sowie hohe Arbeitseffizienz. Sie finden breite Anwendung in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Landesverteidigung und Sicherheit, Produktion und Alltag und sind heute ein wichtiger Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt. In Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie elektrischen Spindeln, Turbomaschinen, Mikrogasturbinen und Schwungradspeichern ermöglicht der Einsatz von Hochgeschwindigkeitsmotoren eine Direktantriebsstruktur, macht Drehzahlregler überflüssig, reduziert Volumen, Gewicht und Wartungskosten deutlich und verbessert gleichzeitig die Zuverlässigkeit deutlich. Dies eröffnet äußerst breite Anwendungsperspektiven.HochgeschwindigkeitsmotorenBeziehen sich üblicherweise auf Geschwindigkeiten über 10 kr/min oder Schwierigkeitswerte (Produkt aus Geschwindigkeit und Quadratwurzel der Leistung) über 1 ×. Der Motor von 105 ist in Abbildung 1 dargestellt, die die relevanten Daten einiger repräsentativer Prototypen von Hochgeschwindigkeitsmotoren im In- und Ausland vergleicht. Die gestrichelte Linie in Abbildung 1 stellt den Schwierigkeitsgrad von 1 × 105 dar usw.
1.Schwierigkeiten bei der Hochgeschwindigkeits-Motorantriebstechnologie
1. Probleme mit der Systemstabilität bei hohen Grundfrequenzen
Wenn sich der Motor in einem Zustand mit hoher Betriebsgrundfrequenz befindet, ist die Trägerfrequenz des Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystems aufgrund von Einschränkungen wie Analog-Digital-Umwandlungszeit, Ausführungszeit des digitalen Controller-Algorithmus und Wechselrichter-Schaltfrequenz relativ niedrig, was zu einer erheblichen Verringerung der Motorbetriebsleistung führt.
2. Das Problem der hochpräzisen Rotorpositionsbestimmung in der Grundfrequenz
Bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist die Genauigkeit der Rotorposition entscheidend für die Betriebsleistung des Motors. Aufgrund der geringen Zuverlässigkeit, der Größe und der hohen Kosten mechanischer Positionssensoren werden in Hochgeschwindigkeitsmotorsteuerungssystemen häufig sensorlose Algorithmen eingesetzt. Unter hohen Grundfrequenzbedingungen ist der Einsatz sensorloser Positionsalgorithmen jedoch anfällig für nicht ideale Faktoren wie Wechselrichter-Nichtlinearität, räumliche Harmonische, Schleifenfilter und Abweichungen der Induktivitätsparameter, was zu erheblichen Fehlern bei der Rotorpositionsschätzung führt.
3. Welligkeitsunterdrückung in Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystemen
Die geringe Induktivität von Hochgeschwindigkeitsmotoren führt zwangsläufig zu einer hohen Stromwelligkeit. Die zusätzlichen Kupferverluste, Eisenverluste, Drehmomentwelligkeit und Vibrationsgeräusche, die durch die hohe Stromwelligkeit entstehen, können die Verluste von Hochgeschwindigkeitsmotorsystemen erheblich erhöhen und die Motorleistung mindern. Die durch die hohen Vibrationsgeräusche verursachten elektromagnetischen Störungen können die Alterung des Antriebs beschleunigen. Diese Probleme beeinträchtigen die Leistung von Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystemen erheblich, und die Optimierung des Designs verlustarmer Hardwareschaltungen ist für Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssysteme von entscheidender Bedeutung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung eines Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystems die umfassende Berücksichtigung mehrerer Faktoren erfordert, darunter Stromschleifenkopplung, Systemverzögerung, Parameterfehler und technische Schwierigkeiten wie die Unterdrückung der Stromwelligkeit. Es handelt sich um einen hochkomplexen Prozess, der hohe Anforderungen an Steuerungsstrategien, Genauigkeit der Rotorpositionsschätzung und die Gestaltung der Leistungstopologie stellt.
2. Steuerungsstrategie für Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssysteme
1. Modellierung eines Hochgeschwindigkeits-Motorsteuerungssystems
Die Eigenschaften einer hohen Betriebsgrundfrequenz und eines niedrigen Trägerfrequenzverhältnisses in Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystemen sowie der Einfluss der Motorkupplung und -verzögerung auf das System dürfen nicht ignoriert werden. Unter Berücksichtigung der beiden oben genannten Hauptfaktoren ist die Modellierung und Analyse der Rekonstruktion von Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystemen daher der Schlüssel zur weiteren Verbesserung der Antriebsleistung von Hochgeschwindigkeitsmotoren.
2. Entkopplungssteuerungstechnologie für Hochgeschwindigkeitsmotoren
Die am weitesten verbreitete Technologie in Hochleistungsmotorantriebssystemen ist die FOC-Steuerung. Als Reaktion auf das schwerwiegende Kopplungsproblem, das durch die hohe Betriebsgrundfrequenz verursacht wird, konzentriert sich die Forschung derzeit hauptsächlich auf Entkopplungsregelungsstrategien. Die aktuell untersuchten Entkopplungsregelungsstrategien lassen sich hauptsächlich in modellbasierte Entkopplungsregelungsstrategien, auf Störungskompensation basierende Entkopplungsregelungsstrategien und auf komplexen Vektorreglern basierende Entkopplungsregelungsstrategien unterteilen. Modellbasierte Entkopplungsregelungsstrategien umfassen hauptsächlich Feedforward- und Feedback-Entkopplung. Diese Strategie reagiert jedoch empfindlich auf Motorparameter und kann bei großen Parameterfehlern sogar zu Systeminstabilitäten führen. Eine vollständige Entkopplung kann nicht erreicht werden. Die schlechte dynamische Entkopplungsleistung schränkt ihren Anwendungsbereich ein. Die beiden letztgenannten Entkopplungsregelungsstrategien sind derzeit Forschungsschwerpunkte.
3. Verzögerungskompensationstechnologie für Hochgeschwindigkeitsmotorsysteme
Die Entkopplungssteuerungstechnologie kann das Kopplungsproblem von Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystemen effektiv lösen. Die durch die Verzögerung verursachte Verzögerung bleibt jedoch bestehen, sodass eine wirksame aktive Kompensation der Systemverzögerung erforderlich ist. Derzeit gibt es zwei Hauptstrategien zur aktiven Kompensation der Systemverzögerung: modellbasierte Kompensationsstrategien und modellunabhängige Kompensationsstrategien.
Teil 03 Forschungsschlussfolgerung
Basierend auf den aktuellen Forschungsergebnissen inHochgeschwindigkeitsmotorAntriebstechnologie in der akademischen Gemeinschaft, kombiniert mit bestehenden Problemen, umfassen die Entwicklungs- und Forschungsrichtungen von Hochgeschwindigkeitsmotoren hauptsächlich: 1) Forschung zur präzisen Vorhersage von Problemen im Zusammenhang mit hoher Grundfrequenzströmen und aktiver Kompensationsverzögerung; 3) Forschung zu hochdynamischen Leistungssteuerungsalgorithmen für Hochgeschwindigkeitsmotoren; 4) Forschung zur präzisen Schätzung der Eckposition und des Rotorpositionsschätzmodells im gesamten Drehzahlbereich für Ultrahochgeschwindigkeitsmotoren; 5) Forschung zur vollständigen Kompensationstechnologie für Fehler in Modellen zur Positionsschätzung von Hochgeschwindigkeitsmotoren; 6) Forschung zu Hochfrequenz und hohen Verlusten der Hochgeschwindigkeitsmotorleistungstopologie.
Veröffentlichungszeit: 24. Oktober 2023
