moteurs à grande vitessefont l'objet d'une attention croissante en raison de leurs avantages évidents tels qu'une densité de puissance élevée, une taille et un poids réduits, et un rendement de travail élevé. Un système d'entraînement efficace et stable est essentiel pour exploiter pleinement les excellentes performances demoteurs à grande vitesseCet article analyse principalement les difficultés demoteur à grande vitesseCet article traite de la technologie d'entraînement sous l'angle de la stratégie de contrôle, de l'estimation des points d'intersection et de la conception de la topologie d'alimentation, et résume les résultats de recherche actuels menés en Chine et à l'étranger. Il résume ensuite les perspectives d'évolution de cette technologie.moteur à grande vitessetechnologie d'entraînement.
Partie 02 Contenu de recherche
moteurs à grande vitesseLes moteurs à grande vitesse présentent de nombreux avantages, tels qu'une densité de puissance élevée, un volume et un poids réduits, ainsi qu'un rendement élevé. Ils sont largement utilisés dans des domaines comme l'aérospatiale, la défense nationale, la sécurité, la production et la vie quotidienne, et constituent aujourd'hui un axe de recherche et de développement essentiel. Dans les applications à grande vitesse, comme les broches électriques, les turbomachines, les microturbines à gaz et le stockage d'énergie par volant d'inertie, l'utilisation de ces moteurs permet une transmission directe, élimine les variateurs de vitesse, réduit considérablement le volume, le poids et les coûts de maintenance, tout en améliorant significativement la fiabilité. Leurs perspectives d'application sont extrêmement vastes.moteurs à grande vitesseOn parle généralement de vitesses supérieures à 10 ktr/min ou de valeurs de difficulté (produit de la vitesse et de la racine carrée de la puissance) supérieures à 1 × 10⁵. Le moteur de 10⁵ est représenté sur la figure 1, qui compare les données pertinentes de quelques prototypes représentatifs de moteurs à grande vitesse, tant nationaux qu'internationaux. La ligne pointillée sur la figure 1 représente le niveau de difficulté de 1 × 10⁵, etc.
1、Difficultés liées à la technologie des moteurs à grande vitesse
1. Problèmes de stabilité du système aux hautes fréquences fondamentales
Lorsque le moteur fonctionne à une fréquence fondamentale élevée, 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 basse, ce qui entraîne une diminution significative des performances de fonctionnement du moteur.
2. Le problème de l'estimation de haute précision de la position du rotor à la fréquence fondamentale
En fonctionnement à haute vitesse, la précision de la position du rotor est cruciale pour les performances du moteur. Compte tenu de la faible fiabilité, de l'encombrement 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, à haute fréquence fondamentale, l'utilisation de ces algorithmes est sensible à des facteurs non idéaux tels que la non-linéarité de l'onduleur, les harmoniques spatiales, les filtres de boucle et les variations des paramètres d'inductance, ce qui entraîne des erreurs importantes 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 engendre inévitablement une forte ondulation du courant. Les pertes cuivre et fer supplémentaires, l'ondulation du couple et les vibrations induites par cette ondulation peuvent considérablement augmenter les pertes des systèmes de moteurs à grande vitesse, réduire les performances du moteur et accélérer le vieillissement du circuit de commande par interférences électromagnétiques. Ces problèmes affectent fortement les performances des systèmes d'entraînement de moteurs à grande vitesse, et l'optimisation de la conception des circuits matériels à faibles pertes est cruciale. En résumé, la conception d'un système d'entraînement de moteur à grande vitesse exige une prise en compte exhaustive de multiples facteurs, tels que le couplage des boucles de courant, le délai de propagation, les erreurs de paramétrage et les difficultés techniques liées à la suppression de l'ondulation du courant. Il s'agit d'un processus complexe qui impose des exigences élevées en matière de stratégies de commande, de précision d'estimation de la position du rotor et de conception de la topologie d'alimentation.
2. Stratégie de commande pour système d'entraînement de moteur à grande vitesse
1. Modélisation d'un système de commande de moteur à grande vitesse
Les caractéristiques des systèmes d'entraînement de moteurs à grande vitesse, à savoir une fréquence fondamentale de fonctionnement élevée et un faible rapport de fréquence porteuse, ainsi que l'influence du couplage et du retard du moteur sur le système, ne peuvent être négligées. 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 constituent essentielles pour améliorer encore les performances de ces moteurs.
2. Technologie de commande par découplage pour moteurs à grande vitesse
La commande vectorielle (FOC) est la technologie la plus répandue dans les systèmes d'entraînement de moteurs hautes performances. Face au problème de couplage important induit par la fréquence fondamentale de fonctionnement élevée, la recherche se concentre actuellement sur les stratégies de découplage. Ces stratégies se répartissent en trois grandes catégories : les stratégies de découplage basées sur un modèle, celles basées sur la compensation des perturbations et celles basées sur un régulateur vectoriel complexe. Les stratégies basées sur un modèle comprennent principalement le découplage par anticipation et le découplage par rétroaction. Cependant, elles sont sensibles aux paramètres du moteur et peuvent même engendrer une instabilité du système en cas d'erreurs paramétriques importantes, sans pour autant garantir un découplage complet. Leurs faibles performances en matière de découplage dynamique limitent leur champ d'application. Les deux dernières stratégies de découplage constituent actuellement des axes de recherche majeurs.
3. Technologie de compensation du délai pour les systèmes de moteurs à grande vitesse
La technologie de commande par découplage permet de résoudre efficacement le problème de couplage des systèmes d'entraînement de moteurs à grande vitesse, mais le délai induit par ce découplage persiste. Une compensation active efficace de ce délai est donc nécessaire. Actuellement, deux principales stratégies de compensation active du délai système existent : les stratégies de compensation basées sur un modèle et les stratégies de compensation indépendantes du modèle.
Partie 03 Conclusion de la recherche
Sur la base des résultats de recherche actuels dansmoteur à grande vitesseAu sein de la communauté académique, les technologies d'entraînement, combinées aux problèmes existants, orientent le développement et la recherche sur les moteurs à grande vitesse principalement vers : 1) la recherche sur la prédiction précise du courant à haute fréquence fondamentale et les problèmes liés au délai de compensation active ; 3) la recherche sur les algorithmes de commande à hautes performances dynamiques pour les moteurs à grande vitesse ; 4) la recherche sur l'estimation précise de la position en virage et sur un modèle d'estimation de la position du rotor sur toute la plage de vitesses pour les moteurs à très grande vitesse ; 5) la recherche sur une technologie de compensation complète des erreurs dans les modèles d'estimation de la position des moteurs à grande vitesse ; 6) la recherche sur la topologie d'alimentation des moteurs à grande vitesse à haute fréquence et à fortes pertes.
Date de publication : 24 octobre 2023
