HochgeschwindigkeitsmotorenAufgrund ihrer offensichtlichen Vorteile wie hoher Leistungsdichte, geringer Größe und geringem Gewicht sowie hoher Arbeitseffizienz finden sie zunehmend Beachtung. Ein effizientes und stabiles Antriebssystem ist der Schlüssel zur vollständigen Nutzung der hervorragenden Leistung vonHochgeschwindigkeitsmotoren. Dieser Artikel analysiert hauptsächlich die Schwierigkeiten vonHochgeschwindigkeitsmotorAntriebstechnik unter den Aspekten Regelungsstrategie, Eckenschätzung und Leistungstopologieentwurf und fasst die aktuellen Forschungsergebnisse aus dem In- und Ausland zusammen. Anschließend wird der Entwicklungstrend zusammengefasst und prognostiziertHochgeschwindigkeitsmotorAntriebstechnik.
Teil 02 Forschungsinhalte
Hochgeschwindigkeitsmotorenhaben viele Vorteile wie hohe Leistungsdichte, geringes Volumen und Gewicht sowie hohe Arbeitseffizienz. Sie werden häufig in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Landesverteidigung und Sicherheit, Produktion und Alltag eingesetzt und sind heute notwendige Forschungsinhalte und Entwicklungsrichtungen. Bei Hochgeschwindigkeitslastanwendungen wie elektrischen Spindeln, Turbomaschinen, Mikrogasturbinen und Schwungrad-Energiespeichern kann der Einsatz von Hochgeschwindigkeitsmotoren eine Direktantriebsstruktur erreichen, Geräte mit variabler Geschwindigkeit überflüssig machen und Volumen, Gewicht und Wartungskosten erheblich reduzieren , verbessert gleichzeitig die Zuverlässigkeit erheblich und bietet äußerst breite Anwendungsaussichten.Hochgeschwindigkeitsmotorenbeziehen sich normalerweise 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, in der die relevanten Daten einiger repräsentativer Prototypen von Hochgeschwindigkeitsmotoren aus dem Inland verglichen werden und international. Die gestrichelte Linie in Abbildung 1 stellt den Schwierigkeitsgrad 1 × 105 usw. dar
1、Schwierigkeiten bei der Hochgeschwindigkeitsmotorantriebstechnologie
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 der Analog-Digital-Umwandlungszeit, der Ausführungszeit des digitalen Steuerungsalgorithmus und der Schaltfrequenz des Wechselrichters relativ niedrig , was zu einer erheblichen Verringerung der Motorbetriebsleistung führt.
2. Das Problem der hochpräzisen Rotorpositionsschätzung in der Grundfrequenz
Bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist die Genauigkeit der Rotorposition entscheidend für die Betriebsleistung des Motors. Aufgrund der geringen Zuverlässigkeit, der großen Größe und der hohen Kosten mechanischer Positionssensoren werden in Hochgeschwindigkeits-Motorsteuerungssystemen häufig sensorlose Algorithmen verwendet. Allerdings ist die Verwendung von Algorithmen ohne Positionssensoren unter Bedingungen hoher Betriebsgrundfrequenz anfällig für nicht ideale Faktoren wie Nichtlinearität des Wechselrichters, räumliche Harmonische, Schleifenfilter und Abweichungen der Induktivitätsparameter, was zu erheblichen Fehlern bei der Schätzung der Rotorposition führt.
3. Welligkeitsunterdrückung in Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssystemen
Die geringe Induktivität von Hochgeschwindigkeitsmotoren führt zwangsläufig zum Problem einer großen Stromwelligkeit. Die durch hohe Stromwelligkeit verursachten zusätzlichen Kupferverluste, Eisenverluste, Drehmomentwelligkeiten und Vibrationsgeräusche können die Verluste von Hochgeschwindigkeitsmotorsystemen erheblich erhöhen, die Motorleistung verringern und die durch hohe Vibrationsgeräusche verursachten elektromagnetischen Störungen können die Alterung des Systems beschleunigen Treiber. Die oben genannten Probleme wirken sich stark auf die Leistung von Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssystemen aus, und das optimierte Design verlustarmer Hardwareschaltungen ist für Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssysteme von entscheidender Bedeutung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Entwurf eines Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystems eine umfassende Berücksichtigung mehrerer Faktoren erfordert, darunter Stromschleifenkopplung, Systemverzögerung, Parameterfehler und technische Schwierigkeiten wie die Unterdrückung von Stromwelligkeiten. Es handelt sich um einen hochkomplexen Prozess, der hohe Anforderungen an Steuerungsstrategien, die Genauigkeit der Rotorpositionsschätzung und den Entwurf der Leistungstopologie stellt.
2、 Steuerungsstrategie für ein Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystem
1. Modellierung eines Hochgeschwindigkeitsmotorsteuerungssystems
Die Eigenschaften einer hohen Betriebsgrundfrequenz und eines niedrigen Trägerfrequenzverhältnisses in Hochgeschwindigkeits-Motorantriebssystemen sowie der Einfluss der Motorkopplung und -verzögerung auf das System können 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. Entkopplungsregelungstechnik 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, liegt die Hauptforschungsrichtung derzeit in der Entkopplung von Steuerungsstrategien. Die derzeit untersuchten Entkopplungskontrollstrategien können hauptsächlich in modellbasierte Entkopplungskontrollstrategien, auf Störungskompensation basierende Entkopplungskontrollstrategien und auf komplexen Vektorreglern basierende Entkopplungskontrollstrategien unterteilt werden. Modellbasierte Entkopplungssteuerungsstrategien umfassen hauptsächlich Feedforward-Entkopplung und Feedback-Entkopplung. Diese Strategie reagiert jedoch empfindlich auf Motorparameter und kann bei großen Parameterfehlern sogar zu Systeminstabilität führen und keine vollständige Entkopplung erreichen. Die schlechte dynamische Entkopplungsleistung schränkt den Anwendungsbereich ein. Die beiden letztgenannten Entkopplungskontrollstrategien sind derzeit Forschungsschwerpunkte.
3. Verzögerungskompensationstechnologie für Hochgeschwindigkeitsmotorsysteme
Die Entkopplungssteuerungstechnologie kann das Kopplungsproblem von Hochgeschwindigkeitsmotorantriebssystemen effektiv lösen, aber die durch die Verzögerung eingeführte Verzögerungsverbindung besteht immer noch, sodass eine wirksame aktive Kompensation der Systemverzögerung erforderlich ist. Derzeit gibt es zwei Hauptstrategien zur aktiven Kompensation von Systemverzögerungen: modellbasierte Kompensationsstrategien und modellunabhängige Kompensationsstrategien.
Teil 03 Forschungsfazit
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 Hochfrequenzströmen und Problemen im Zusammenhang mit der aktiven Kompensationsverzögerung; 3) Forschung zu hochdynamischen Leistungsregelalgorithmen für Hochgeschwindigkeitsmotoren; 4) Forschung zur präzisen Schätzung der Eckposition und zum Modell zur Rotorpositionsschätzung im Volldrehzahlbereich für Ultrahochgeschwindigkeitsmotoren; 5) Forschung zur Technologie zur vollständigen Kompensation von Fehlern in Modellen zur Positionsschätzung von Hochgeschwindigkeitsmotoren; 6) Forschung zu Hochfrequenz und hohem Verlust der Topologie der Hochgeschwindigkeitsmotorleistung.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. Okt. 2023
