Motores de alta velocidadeEstão recebendo cada vez mais atenção devido às suas vantagens óbvias, como alta densidade de potência, tamanho e peso reduzidos e alta eficiência de trabalho. Um sistema de acionamento eficiente e estável é fundamental para aproveitar ao máximo o excelente desempenho dos microcontroladores.motores de alta velocidadeEste artigo analisa principalmente as dificuldades demotor de alta velocidadeEste artigo aborda a tecnologia de acionamento sob as perspectivas de estratégia de controle, estimativa de condições extremas e projeto de topologia de potência, e resume os resultados de pesquisas atuais no país e no exterior. Posteriormente, resume e projeta a tendência de desenvolvimento demotor de alta velocidadetecnologia de acionamento.
Parte 02 Conteúdo da Pesquisa
Motores de alta velocidadeOs motores de alta velocidade apresentam muitas vantagens, como alta densidade de potência, pequeno volume e peso, e alta eficiência de trabalho. São amplamente utilizados em áreas como aeroespacial, defesa nacional e segurança, produção e vida cotidiana, sendo atualmente um tema essencial de pesquisa e desenvolvimento. Em aplicações de alta velocidade, como fusos elétricos, turbomáquinas, microturbinas a gás e armazenamento de energia por volante, a aplicação de motores de alta velocidade permite a utilização de uma estrutura de acionamento direto, eliminando dispositivos de velocidade variável, reduzindo significativamente o volume, o peso e os custos de manutenção, além de melhorar consideravelmente a confiabilidade, apresentando, portanto, amplas perspectivas de aplicação.Motores de alta velocidadegeralmente se referem a velocidades superiores a 10 kr/min ou valores de dificuldade (produto da velocidade e da raiz quadrada da potência) superiores a 1 × 10⁵. O motor de 10⁵ é mostrado na Figura 1, que compara os dados relevantes de alguns protótipos representativos de motores de alta velocidade, tanto nacionais quanto internacionais. A linha tracejada na Figura 1 representa o nível de dificuldade de 1 × 10⁵, etc.
1.Dificuldades na tecnologia de acionamento de motores de alta velocidade
1. Problemas de estabilidade do sistema em altas frequências fundamentais
Quando o motor está em um estado de alta frequência fundamental de operação, devido a limitações como tempo de conversão analógico-digital, tempo de execução do algoritmo do controlador digital e frequência de comutação do inversor, a frequência portadora do sistema de acionamento do motor de alta velocidade é relativamente baixa, resultando em uma diminuição significativa no desempenho operacional do motor.
2. O problema da estimativa de alta precisão da posição do rotor na frequência fundamental.
Durante a operação em alta velocidade, a precisão da posição do rotor é crucial para o desempenho operacional do motor. Devido à baixa confiabilidade, ao grande tamanho e ao alto custo dos sensores de posição mecânicos, algoritmos sem sensores são frequentemente utilizados em sistemas de controle de motores de alta velocidade. No entanto, sob condições de alta frequência fundamental de operação, o uso de algoritmos sem sensores de posição é suscetível a fatores não ideais, como não linearidade do inversor, harmônicos espaciais, filtros de malha e desvios nos parâmetros de indutância, resultando em erros significativos na estimativa da posição do rotor.
3. Supressão de ondulação em sistemas de acionamento de motores de alta velocidade
A baixa indutância dos motores de alta velocidade inevitavelmente leva ao problema de grande ondulação de corrente. As perdas adicionais no cobre e no ferro, a ondulação de torque e o ruído de vibração causados pela alta ondulação de corrente podem aumentar significativamente as perdas dos sistemas de motores de alta velocidade, reduzir o desempenho do motor e a interferência eletromagnética causada pelo alto ruído de vibração pode acelerar o envelhecimento do driver. Os problemas acima afetam consideravelmente o desempenho dos sistemas de acionamento de motores de alta velocidade, e o projeto otimizado de circuitos de hardware com baixas perdas é crucial para esses sistemas. Em resumo, o projeto de um sistema de acionamento de motor de alta velocidade requer a consideração abrangente de múltiplos fatores, incluindo o acoplamento do laço de corrente, o atraso do sistema, os erros de parâmetros e as dificuldades técnicas, como a supressão da ondulação de corrente. É um processo altamente complexo que impõe grandes exigências às estratégias de controle, à precisão da estimativa da posição do rotor e ao projeto da topologia de potência.
2. Estratégia de controle para sistema de acionamento de motor de alta velocidade
1. Modelagem de um sistema de controle de motor de alta velocidade
As características de alta frequência fundamental de operação e baixa relação de frequência portadora em sistemas de acionamento de motores de alta velocidade, bem como a influência do acoplamento e do atraso do motor no sistema, não podem ser ignoradas. Portanto, considerando esses dois fatores principais, a modelagem e a análise da reconstrução de sistemas de acionamento de motores de alta velocidade são essenciais para aprimorar ainda mais o desempenho de acionamento desses motores.
2. Tecnologia de controle de desacoplamento para motores de alta velocidade
A tecnologia mais utilizada em sistemas de acionamento de motores de alto desempenho é o controle FOC (controle de frequência fundamental). Em resposta ao grave problema de acoplamento causado pela alta frequência fundamental de operação, a principal linha de pesquisa atual concentra-se em estratégias de controle de desacoplamento. As estratégias de controle de desacoplamento estudadas atualmente podem ser divididas em estratégias baseadas em modelos, estratégias baseadas em compensação de distúrbios e estratégias baseadas em reguladores vetoriais complexos. As estratégias baseadas em modelos incluem principalmente o desacoplamento por feedforward e o desacoplamento por realimentação, mas essa estratégia é sensível aos parâmetros do motor e pode até levar à instabilidade do sistema em casos de grandes erros de parâmetros, além de não conseguir alcançar o desacoplamento completo. O baixo desempenho de desacoplamento dinâmico limita seu alcance de aplicação. As duas últimas estratégias de controle de desacoplamento são atualmente os principais focos de pesquisa.
3. Tecnologia de Compensação de Atraso para Sistemas de Motores de Alta Velocidade
A tecnologia de controle de desacoplamento pode resolver eficazmente o problema de acoplamento em sistemas de acionamento de motores de alta velocidade, mas o atraso introduzido por esse acoplamento ainda persiste, sendo necessária uma compensação ativa eficaz para o atraso do sistema. Atualmente, existem duas principais estratégias de compensação ativa para o atraso do sistema: estratégias de compensação baseadas em modelo e estratégias de compensação independentes de modelo.
Parte 03 Conclusão da Pesquisa
Com base nas atuais conquistas da pesquisa emmotor de alta velocidadeNa comunidade acadêmica, considerando a tecnologia de acionamento e os problemas existentes, as principais direções de desenvolvimento e pesquisa de motores de alta velocidade incluem: 1) pesquisa sobre a previsão precisa da corrente de alta frequência fundamental e questões relacionadas ao atraso de compensação ativa; 3) pesquisa sobre algoritmos de controle de alto desempenho dinâmico para motores de alta velocidade; 4) pesquisa sobre a estimativa precisa da posição de canto e o modelo de estimativa da posição do rotor em todo o domínio de velocidade para motores de ultra-alta velocidade; 5) pesquisa sobre tecnologia de compensação completa para erros em modelos de estimativa de posição de motores de alta velocidade; 6) pesquisa sobre topologia de potência de motores de alta velocidade com alta frequência e alta perda.
Data da publicação: 24/10/2023
