Motores de alta velocidadEstán recibiendo cada vez más atención debido a sus evidentes ventajas, como alta densidad de potencia, tamaño y peso reducidos, y alta eficiencia de trabajo. Un sistema de accionamiento eficiente y estable es clave para aprovechar al máximo el excelente rendimiento de...motores de alta velocidadEste artículo analiza principalmente las dificultades demotor de alta velocidadLa tecnología de accionamiento abarca los aspectos de estrategia de control, estimación de vértices y diseño de topología de potencia, y resume los resultados de investigación actuales, tanto nacionales como internacionales. Posteriormente, resume y prospecta la tendencia de desarrollo de...motor de alta velocidadTecnología de accionamiento.
Parte 02 Contenido de la investigación
Motores de alta velocidadPresentan numerosas ventajas, como alta densidad de potencia, reducido volumen y peso, y alta eficiencia. Se utilizan ampliamente en campos como la industria aeroespacial, la defensa nacional y la seguridad, la producción y la vida cotidiana, y constituyen un elemento fundamental en la investigación y el desarrollo actual. En aplicaciones de carga de alta velocidad, como husillos eléctricos, turbomáquinas, microturbinas de gas y almacenamiento de energía de volante de inercia, la aplicación de motores de alta velocidad permite lograr una estructura de accionamiento directo, eliminar dispositivos de velocidad variable, reducir significativamente el volumen, el peso y los costos de mantenimiento, a la vez que mejora significativamente la confiabilidad, y ofrece un amplio abanico de aplicaciones.Motores de alta velocidadGeneralmente se refieren a velocidades superiores a 10 kr/min o a valores de dificultad (producto de la velocidad por la raíz cuadrada de la potencia) superiores a 1 × 105. El motor de 105 se muestra en la Figura 1, que compara los datos relevantes de algunos prototipos representativos de motores de alta velocidad, tanto a nivel nacional como internacional. La línea discontinua en la Figura 1 representa el nivel de dificultad de 1 × 105, etc.
1、Dificultades en la tecnología de accionamiento de motores de alta velocidad
1. Problemas de estabilidad del sistema a altas frecuencias fundamentales
Cuando el motor está en un estado de frecuencia fundamental de funcionamiento alto, debido a limitaciones como el tiempo de conversión de analógico a digital, el tiempo de ejecución del algoritmo del controlador digital y la frecuencia de conmutación del inversor, la frecuencia portadora del sistema de accionamiento del motor de alta velocidad es relativamente baja, lo que resulta en una disminución significativa en el rendimiento operativo del motor.
2. El problema de la estimación de la posición del rotor de alta precisión en la frecuencia fundamental
Durante el funcionamiento a alta velocidad, la precisión de la posición del rotor es crucial para el rendimiento operativo del motor. Debido a la baja fiabilidad, el gran tamaño y el alto coste de los sensores de posición mecánicos, se suelen utilizar algoritmos sin sensores en sistemas de control de motores de alta velocidad. Sin embargo, en condiciones de alta frecuencia fundamental de funcionamiento, el uso de algoritmos de posición sin sensores es susceptible a factores no ideales, como la no linealidad del inversor, los armónicos espaciales, los filtros de bucle y las desviaciones de los parámetros de inductancia, lo que resulta en errores significativos en la estimación de la posición del rotor.
3. Supresión de ondulación en sistemas de accionamiento de motores de alta velocidad
La baja inductancia de los motores de alta velocidad inevitablemente genera un alto rizado de corriente. Las pérdidas adicionales en el cobre y el hierro, el rizado de par y el ruido de vibración causados por el alto rizado de corriente pueden aumentar considerablemente las pérdidas de los sistemas de motores de alta velocidad y reducir su rendimiento. Además, la interferencia electromagnética causada por el alto ruido de vibración puede acelerar el envejecimiento del controlador. Estos problemas afectan significativamente el rendimiento de los sistemas de accionamiento de motores de alta velocidad, y la optimización del diseño de circuitos de hardware de bajas pérdidas es crucial para estos sistemas. En resumen, el diseño de un sistema de accionamiento de motores de alta velocidad requiere una consideración exhaustiva de múltiples factores, como el acoplamiento del bucle de corriente, el retardo del sistema, los errores de parámetros y dificultades técnicas como la supresión del rizado de corriente. Se trata de un proceso altamente complejo que impone altas exigencias a las estrategias de control, la precisión en la estimación de la posición del rotor y el diseño de la topología de potencia.
2. Estrategia de control para sistemas de accionamiento de motores de alta velocidad
1. Modelado del sistema de control de motores de alta velocidad
Las características de la alta frecuencia fundamental de operación y la baja relación de frecuencia portadora en los sistemas de accionamiento de motores de alta velocidad, así como la influencia del acoplamiento y el retardo del motor en el sistema, son cruciales. Por lo tanto, considerando estos dos factores principales, el modelado y análisis de la reconstrucción de sistemas de accionamiento de motores de alta velocidad es clave para mejorar aún más el rendimiento de estos motores.
2. Tecnología de control de desacoplamiento para motores de alta velocidad
La tecnología más utilizada en sistemas de accionamiento de motores de alto rendimiento es el control FOC. En respuesta al grave problema de acoplamiento causado por la alta frecuencia fundamental de operación, la principal dirección de investigación actualmente son las estrategias de control de desacoplamiento. Las estrategias de control de desacoplamiento actualmente estudiadas se pueden dividir principalmente en estrategias de control de desacoplamiento basadas en modelos, estrategias de control de desacoplamiento basadas en compensación de perturbaciones y estrategias de control de desacoplamiento basadas en reguladores vectoriales complejos. Las estrategias de control de desacoplamiento basadas en modelos incluyen principalmente el desacoplamiento de avance y el desacoplamiento de retroalimentación, pero esta estrategia es sensible a los parámetros del motor e incluso puede conducir a la inestabilidad del sistema en casos de grandes errores de parámetros, y no puede lograr un desacoplamiento completo. El bajo rendimiento del desacoplamiento dinámico limita su rango de aplicación. Las dos últimas estrategias de control de desacoplamiento son actualmente puntos calientes de investigación.
3. Tecnología de compensación de retardo para sistemas de motores de alta velocidad
La tecnología de control de desacoplamiento puede resolver eficazmente el problema de acoplamiento de los sistemas de accionamiento de motores de alta velocidad. Sin embargo, el vínculo de retardo introducido por este persiste, por lo que se requiere una compensación activa eficaz para el retardo del sistema. Actualmente, existen dos estrategias principales de compensación activa para el retardo del sistema: estrategias de compensación basadas en modelos y estrategias de compensación independientes del modelo.
Parte 03 Conclusión de la investigación
Con base en los logros de investigación actuales enmotor de alta velocidadLa tecnología de accionamiento en la comunidad académica, combinada con los problemas existentes, las direcciones de desarrollo e investigación de los motores de alta velocidad incluyen principalmente: 1) investigación sobre predicción precisa de problemas relacionados con la corriente de alta frecuencia fundamental y el retardo de compensación activa; 3) Investigación sobre algoritmos de control de alto rendimiento dinámico para motores de alta velocidad; 4) Investigación sobre estimación precisa de la posición de esquina y modelo de estimación de posición de rotor de dominio de velocidad completa para motores de ultra alta velocidad; 5) Investigación sobre tecnología de compensación completa para errores en modelos de estimación de posición de motor de alta velocidad; 6) Investigación sobre alta frecuencia y alta pérdida de topología de potencia de motor de alta velocidad.
Hora de publicación: 24 de octubre de 2023
