Moteurs à grande vitesseIls suscitent une attention croissante en raison de leurs avantages évidents, tels qu'une densité de puissance élevée, un faible encombrement et un faible poids, ainsi qu'une grande efficacité. Un système d'entraînement efficace et stable est essentiel pour exploiter pleinement les excellentes performances des moteurs.moteurs à grande vitesse. Cet article analyse principalement les difficultés demoteur à grande vitesseLes technologies d'entraînement sont abordées sous les aspects de la stratégie de contrôle, de l'estimation des angles d'inclinaison et de la conception de la topologie de puissance. L'ouvrage résume les résultats de recherche actuels, nationaux et internationaux. Il présente ensuite une synthèse et des perspectives sur les tendances de développement de ces technologies.moteur à grande vitessetechnologie d'entraînement.
Partie 02 Contenu de la recherche
Moteurs à grande vitesseLes moteurs à grande vitesse présentent de nombreux avantages, tels qu'une densité de puissance élevée, un faible encombrement et un faible poids, ainsi qu'une grande efficacité. Largement utilisés dans des domaines tels que l'aérospatiale, la défense et la sécurité nationales, la production et la vie quotidienne, ils constituent aujourd'hui un axe de recherche et de développement essentiel. Dans les applications à grande vitesse telles que les broches électriques, les turbomachines, les microturbines à gaz et le stockage d'énergie par volant d'inertie, leur utilisation permet d'obtenir une structure à entraînement direct, d'éliminer les variateurs de vitesse, de réduire considérablement le volume, le poids et les coûts de maintenance, tout en améliorant considérablement la fiabilité. Leurs perspectives d'application sont extrêmement vastes.Moteurs à grande vitesseSe réfère généralement à des vitesses supérieures à 10 kr/min ou à des valeurs de difficulté (produit de la vitesse par la racine carrée de la puissance) supérieures à 1 × 105. Le moteur de 105 est illustré à la figure 1, qui compare les données pertinentes de quelques prototypes représentatifs de moteurs à grande vitesse, tant au niveau national qu'international. La ligne pointillée de la figure 1 représente le niveau de difficulté 1 × 105, etc.
1、Difficultés dans la technologie d'entraînement des moteurs à grande vitesse
1. Problèmes de stabilité du système à des fréquences fondamentales élevées
Lorsque le moteur est dans un état de fréquence fondamentale de fonctionnement élevé, en raison de limitations telles que le temps de conversion analogique-numérique, le temps d'exécution de l'algorithme du contrôleur numérique et la fréquence de commutation de l'onduleur, la fréquence porteuse du système d'entraînement du moteur à grande vitesse est relativement faible, ce qui entraîne une diminution significative des performances de fonctionnement du moteur.
2. Le problème de l'estimation de la position du rotor à haute précision en fréquence fondamentale
Lors d'un fonctionnement à grande vitesse, la précision de la position du rotor est cruciale pour les performances opérationnelles du moteur. En raison de la faible fiabilité, de la taille importante et du coût élevé des capteurs de position mécaniques, des algorithmes sans capteur sont souvent utilisés dans les systèmes de commande de moteurs à grande vitesse. Cependant, dans des conditions de fonctionnement à fréquence fondamentale élevée, l'utilisation d'algorithmes sans capteur de position est sujette à des facteurs non idéaux tels que la non-linéarité de l'onduleur, les harmoniques spatiales, les filtres de boucle et les écarts des paramètres d'inductance, ce qui entraîne d'importantes erreurs d'estimation de la position du rotor.
3. Suppression des ondulations dans les systèmes d'entraînement de moteurs à grande vitesse
La faible inductance des moteurs à grande vitesse entraîne inévitablement une importante ondulation du courant. Les pertes supplémentaires dans le cuivre, les pertes dans le fer, l'ondulation de couple et le bruit vibratoire causés par une ondulation de courant élevée peuvent augmenter considérablement les pertes des systèmes moteurs à grande vitesse et réduire leurs performances. De plus, les interférences électromagnétiques causées par un bruit vibratoire élevé peuvent accélérer le vieillissement du variateur. Ces problèmes affectent considérablement les performances des systèmes d'entraînement de moteurs à grande vitesse, et l'optimisation de la conception de circuits matériels à faibles pertes est cruciale pour ces systèmes. En résumé, la conception d'un système d'entraînement de moteurs à grande vitesse nécessite une prise en compte complète de multiples facteurs, notamment le couplage de la boucle de courant, le retard du système, les erreurs de paramètres et les difficultés techniques telles que la suppression de l'ondulation du courant. Il s'agit d'un processus très complexe qui impose des exigences élevées en matière de stratégies de contrôle, de précision de l'estimation de la position du rotor et de conception de la topologie de puissance.
2. Stratégie de contrôle pour le système d'entraînement de moteur à grande vitesse
1. Modélisation d'un système de contrôle de moteur à grande vitesse
Les caractéristiques d'une fréquence fondamentale de fonctionnement élevée et d'un faible rapport de fréquence porteuse dans les systèmes d'entraînement de moteurs à grande vitesse, ainsi que l'influence du couplage et du retard du moteur sur le système, ne peuvent être ignorées. Par conséquent, compte tenu de ces deux facteurs majeurs, la modélisation et l'analyse de la reconstruction des systèmes d'entraînement de moteurs à grande vitesse sont essentielles pour améliorer encore les performances de ces moteurs.
2. Technologie de contrôle de découplage pour moteurs à grande vitesse
La technologie la plus répandue dans les systèmes d'entraînement de moteurs hautes performances est la commande FOC. Face au sérieux problème de couplage causé par une fréquence fondamentale de fonctionnement élevée, la recherche actuelle porte principalement sur les stratégies de contrôle par découplage. Les stratégies de contrôle par découplage actuellement étudiées se répartissent en deux catégories : le contrôle par modèle, le contrôle par compensation des perturbations et le contrôle par régulateur vectoriel complexe. Ces stratégies incluent principalement le découplage par anticipation et le découplage par rétroaction. Cependant, cette stratégie est sensible aux paramètres du moteur et peut même entraîner une instabilité du système en cas d'erreurs de paramètres importantes, et ne permet pas d'obtenir un découplage complet. Les faibles performances du découplage dynamique limitent son champ d'application. Ces deux dernières stratégies de contrôle par découplage sont actuellement au cœur des recherches.
3. Technologie de compensation de retard pour les systèmes de moteurs à grande vitesse
La technologie de contrôle par découplage peut résoudre efficacement le problème de couplage des systèmes d'entraînement de moteurs à grande vitesse. Cependant, le retard induit par le retard persiste, nécessitant une compensation active efficace du retard du système. Il existe actuellement deux principales stratégies de compensation active du retard du système : les stratégies basées sur un modèle et les stratégies indépendantes du modèle.
Partie 03 Conclusion de la recherche
Sur la base des résultats actuels de la recherche enmoteur à grande vitesseFrançais La technologie d'entraînement dans la communauté universitaire, combinée aux problèmes existants, les directions de développement et de recherche des moteurs à grande vitesse comprennent principalement : 1) la recherche sur la prédiction précise du courant à haute fréquence fondamentale et les problèmes liés au retard de compensation active ; 3) la recherche sur les algorithmes de contrôle de performance dynamique élevée pour les moteurs à grande vitesse ; 4) la recherche sur l'estimation précise de la position du coin et du modèle d'estimation de la position du rotor dans le domaine de pleine vitesse pour les moteurs à très grande vitesse ; 5) la recherche sur la technologie de compensation complète des erreurs dans les modèles d'estimation de la position du moteur à grande vitesse ; 6) la recherche sur la haute fréquence et la perte élevée de la topologie de puissance du moteur à grande vitesse.
Date de publication : 24 octobre 2023
