статья англ. 3 статья. Ключевые слова импульсное сопротивление, электродвигатель, адаптивное управление, полупроводник GaN, обмотка статора
 Скачать 74.29 Kb.
|
|
Перевод Аннотация — В данной статье исследуется возможность управления импульсным сопротивлением электродвигателя в моторных приводах. Существующее решение для подавления (или устранения) воздействия отраженной волны на изоляцию двигателя, управляемого приводом на основе Si-IGBT или SiC-MOSFET, заключается в использовании либо синусоидального фильтра, либо фильтра 𝒅𝒗/𝒅𝒕. Альтернативное решение, предложенное в этой статье, состоит в том, чтобы внедрить электронную схему с высокой пропускной способностью на конце кабеля или на клеммах двигателя, чтобы согласовать импульсное сопротивление кабеля и двигателя. Звон высокочастотного напряжения из-за отраженных волн в моторных приводах составляет около 𝟏 𝑴𝑯𝒛, в зависимости от параметров кабеля и длины кабеля. В предлагаемом методе электронная схема может быстро обнаруживать фронты нарастания и спада 𝒅𝒗/𝒅𝒕 и регулировать эквивалентный импеданс электронной схемы, когда импульсы поступают на клеммы двигателя. Таким образом, импульсные сопротивления кабеля и двигателя могут быть согласованы в течение короткого времени, чтобы предотвратить отраженные волны. В результате токи утечки, проходящие через шариковый подшипник, и перенапряжение изоляции двигателя могут быть значительно снижены. Ключевые слова — импульсное сопротивление, электродвигатель, адаптивное управление, полупроводник GaN, обмотка статора. I. ВВЕДЕНИЕ Более высокая эффективность, надежность и удельная мощность являются желательными характеристиками для всех электрических устройств и систем, таких как силовые агрегаты в более электрических кораблях и самолетах, а также электромобилях. Эти функции могут быть улучшены с помощью быстрых полупроводниковых переключателей высокого напряжения, что делает трансмиссию двигательных установок более компактной [1]-[3]. Использование высокоскоростных генераторов и двигателей привело к использованию сверхбыстрых активных выпрямителей и инверторов [4]-[14]. Однако более быстрые переключатели, работающие при более высоких уровнях напряжения, могут привести к новым техническим проблемам для разработчиков электрических машин в двигательных установках [15]. Высокое напряжение создает бегущие волны в кабеле между приводом и двигателем и, таким образом, генерирует высокочастотные скачки напряжения на обмотках статора с высоковольтными пиками. Стресс напряжения отрицательно влияет на изоляцию двигателя и шарикоподшипники и может сократить срок службы двигателя [16]-[21]. Хотя явление отраженных волн в моторных приводах хорошо изучено, тенденция к использованию переключателей с широкой запрещенной зоной (WBG), таких как силовые полевые МОП-транзисторы на основе карбида кремния (SiC), в силовых установках требует новых решений для смягчения высокочастотных высоковольтных нагрузок. это может сократить срок службы двигателя. Стресс напряжения на инсоляцию двигателя может привести к зарождающимся неисправностям, отказу двигательной установки и дополнительным расходам, связанным с непредвиденным техническим обслуживанием [22]-[28]. Поэтому сообщалось о многих методах обеспечения отказоустойчивости инверторов и двигателей, например, [29]-[32]. Проблемы токов утечки через шарикоподшипники и нагрузки напряжения на изоляцию статора двигателей переменного тока можно уменьшить с помощью синусоидальных или 𝑑𝑣/𝑑𝑡 фильтров. Эта проблема возникает в двигателях переменного тока, питаемых от приводов, как асинхронных, так и синхронных (двигатели с постоянными магнитами), или в новых конструкциях двигателей с постоянными магнитами (PM) с меньшим количеством редкоземельных элементов [33]. Хотя явление отраженной волны существует, когда кабель между инвертором (приводом) и двигателем относительно длинный, проблемы высокочастотного синфазного и дифференциального режима могут сократить срок службы двигателей переменного тока и создать помехи для электронных схем, используемых в электромобилях, электрических системах самолетов. и сборочные линии [34]-[35]. Инверторы играют основную роль в приводах для управления скоростью или положением двигателей переменного тока, а также в энергосистемах для управления мощностью, подаваемой в сеть в режиме следования за сетью, и для управления напряжением и частотой изолированной микросети в режиме формирования сети. режим [36]-[47]. Инверторы в электросети, если они оснащены переключателями WBG, также могут сократить срок службы катушки индуктивности LC или LCL-фильтра на стороне инвертора из-за высоких переходных процессов переключения 𝑑𝑣/𝑑𝑡. Существует много исследований высокочастотных моделей кабелей и двигателей переменного тока для изучения отраженных волн, нагрузки напряжения на изоляцию двигателя и токов утечки шарикоподшипников, например. [48]-[51]. Кроме того, было представлено множество методов для снижения высоких импульсных перенапряжений. Одной из основных технологий, используемых в отрасли, является установка пассивного LC- или RLC-фильтра на клеммах привода для ослабления 𝑑𝑣/𝑑𝑡 до приемлемого уровня [52], [53]. Это решение является простым и практичным, но оно значительно увеличивает размеры, вес и потери силовых установок. В частности, если привод сконфигурирован с переключателями WBG и переключается с высокой частотой, потери в фильтре будут значительными, что приведет к снижению общей эффективности и потребует большей мощности охлаждения. В конце концов, достижение целей эффективности системы и удельной мощности может стать сложной задачей. Вторая технология смягчения 𝑑𝑣 𝑑𝑡 ⁄ заключается во внедрении активного фильтра для снижения уровня 𝑑𝑣 𝑑𝑡 ⁄. В [54] схема активного компенсатора отраженных волн, состоящая из двух дополнительных активных переключателей, двух конденсаторов и двух диодов, подключена к выходу каждой фазы инвертора, чтобы прерывать каждый нарастающий/спадающий фронт выходного напряжения на два шага. . Это показывает, что такое решение с активным фильтром имеет меньшие потери и меньшие физические размеры, но дополнительные схемы драйвера затвора, необходимые конденсаторы и фазовые катушки индуктивности, а также требования к обнаружению фронтов с высокой пропускной способностью могут увеличить стоимость и сложность управления двигательными установками. Введен еще один активный фильтр с низкими потерями для ограничения максимального напряжения на клеммах двигателя и изменения нарастания/спада импульсов напряжения [55]. Тем не менее, в этом решении по-прежнему требуются пассивные силовые компоненты RLC в дополнение к датчикам напряжения и активным переключателям, что значительно усложняет систему. Простым решением проблемы перенапряжения может быть увеличение прочности изоляции обмоток статора двигателя, например, утолщение смолы или лака на обмотках [56]. Однако это решение увеличивает стоимость изготовления двигателя и снижает удельную мощность двигателя. Поэтому первостепенное значение будет иметь лучшее решение, которое, с одной стороны, не снизит удельную мощность и КПД приводов, а с другой стороны, уменьшит выбросы высокого напряжения на клеммах обмотки двигателя. В этой статье предлагается решение с адаптивным импульсным сопротивлением для повышения производительности двигателя в современных системах привода. Предлагаемая технология адаптивно согласовывает импульсные сопротивления кабеля и двигателя. В предлагаемом решении импульсное сопротивление обмоток статора двигателя переменного тока изменяется за счет реализации ветви переменного полного сопротивления. Ценность этой технологии заключается в том, что отпадает необходимость в громоздком синусоидальном фильтре. Этот метод может продлить срок службы двигателя и косвенно повысить плотность мощности и эффективность привода двигателя с помощью переключателей WBG, что может значительно повлиять на большее количество электрических самолетов и кораблей, где плотность мощности, эффективность и надежность являются критическими факторами конструкции. II. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ В этом разделе представлено краткое описание элементов системы. Контроллер, предложенный в этой статье, представляет собой преобразование традиционных подходов к снижению перенапряжения: от использования громоздких пассивных фильтров до малогабаритной схемы адаптивного согласования импеданса на основе GaN. На рис. 1 показана схема системы для предлагаемого метода управления импедансом перенапряжения. В системах электропривода электродвигатель приводится в действие инвертором, обычно подключаемым через относительно длинный кабель. Теоретически, если длина кабеля превышает четверть длины волны, ШИМ-импульсы привода появляются с задержкой на клеммах двигателя и, таким образом, вызывают отраженные импульсы. Наложение бегущего импульса и его отражение вызывает звон перенапряжения на клемме двигателя. На рис. 1 показаны обмотки статора только для фазы-А, где обмотка состоит из 𝑁 количества последовательных катушек на фазу. Индуктивность каждой катушки представлена 𝐿𝑐𝑜𝑖𝑙. На рис. 1 также показана предполагаемая ветвь управления через первую катушку. Эта ветвь состоит из пассивных элементов схемы, управляемых переключателями GaN-HEMT. Предлагаемая схема может быть размещена внутри одного слота большого двигателя из-за ее компактного изготовления. С этой предложенной схемой с высокой отдачей могут возникнуть некоторые технические проблемы, такие как влияние на электромагнитные характеристики приводов двигателей, схемы привода GaN с автономным питанием и автономное управление адаптивным импедансом в суровых условиях эксплуатации внутри электродвигателей. . На рис. 2 показана фактическая форма линейного напряжения системы привода двигателя, измеренная на клеммах двигателя. На рис. 2(а) показан один цикл формы волны напряжения, измеренной на клемме инвертора (вверху) и клемме двигателя (внизу), а на рис. 2(б) показан увеличенный вид пиков напряжения. напряжения на клеммах двигателя. Как видно, осциллограмма напряжения на клеммах двигателя содержит интенсивные высокочастотные всплески напряжения с амплитудой, вдвое превышающей напряжение на шине постоянного тока привода. На рис. 2(b) показано, что период этих всплесков высокого напряжения составляет около 1,4 мкс, что соответствует высокой частоте 714 мкс. Обратите внимание, что частота звонка зависит от длины кабеля и свойства материала. III. ПРЕДЛАГАЕМАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ Схема, показанная на рис. 2 и 3, состоящий из GaN-переключателя и пассивных элементов, обеспечивает автономное согласование импедансов и снижает нагрузку напряжения на обмотки двигателя. Примечательно, что отраслевые инженеры, работающие в сфере моторных приводов, продемонстрировали, что большая часть перенапряжения из-за отраженных волн возникает на первой катушке и первых нескольких витках обмоток статора, т.е. [20], [48]. Таким образом, только первая катушка на фазу может быть оборудована ветвью управления на рис. 3. Эквивалентным импедансом катушки, показанным на рис. 3(а), можно управлять, а значение ее импеданса можно изменить, управляя рабочий цикл транзистора/переключателя GaN. Переключатель GaN управляется драйвером затвора с автономным питанием, который питается от цепи пониженного напряжения низкого напряжения от напряжения на клеммах двигателя. Как GaN-транзистор, так и керамические конденсаторы и/или катушки индуктивности имеют крошечную площадь для размещения поперек первой катушки и могут работать при высоких температурах (до 175 ℃). Кроме того, транзисторы GaN переключаются только тогда, когда на входных клеммах двигателя появляются чрезмерные скачки напряжения (например, 2-кратное напряжение на шине постоянного тока), поэтому потери на переключение и проводимость минимальны и не требуют дополнительного охлаждения переключателей GaN. Предположим, что рабочим циклом GaN-транзистора можно управлять таким образом, чтобы импульсное сопротивление двигателя совпадало с импульсным сопротивлением кабеля, тогда не генерируется отраженная волна напряжения, и, следовательно, максимальное напряжение на клеммах двигателя не превышает напряжения на шине постоянного тока. . С помощью эталонной модели можно отрегулировать импульсное сопротивление двигателя, чтобы смягчить скачки напряжения на обмотках статора в системах с моторным приводом. В разработанной схеме схема согласования импедансов обновляется в режиме реального времени на основе закона адаптации, чтобы гарантировать, что параллельная ветвь идеально обеспечивает волну с почти нулевым отражением на клеммах двигателя в соответствии с желаемой эталонной моделью, тем самым обеспечивая нулевое отражение без необходимость оценки импеданса любого кабеля. Если динамическую модель системы можно записать в виде:  Динамическая модель высокочастотного звона напряжения может быть выражена дифференциальным уравнением второго порядка как  где 𝐶 — вектор размером 1 на 2, 𝑉𝑑𝑐𝑢(𝑡) — входная ступенчатая функция, а 𝑉𝑐𝑜𝑖𝑙 — выход для этой системы. Независимо от сложности фактической схемы/системы и порядка системы, систему второго порядка можно рассматривать как эталонную модель, представляющую желаемое переходное/динамическое поведение следующим образом:  где 𝑋𝑀 = [𝑉𝑐𝑜𝑖𝑙𝑀 𝑖𝐻𝐹]𝑇 , 𝐶𝑀 = [0 1], 𝑉𝑐𝑜𝑖𝑙𝑀 — выход эталонной модели или желаемое напряжение первой катушки, а 𝑖𝐻𝐹 — высокочастотная составляющая тока фазы. Общая идея состоит в том, чтобы найти соотношение обязательств, 𝐷, так что ошибка между фактическим измерением, 𝑉𝑐𝑜𝑖𝑙 и его желаемым значением 𝑉𝑐𝑜𝑖𝑙𝑀 переходила к нулю, то есть 𝑒 = 𝑉𝑐𝑜𝑖𝑙 - 𝑉𝑐𝑜𝑖𝑙𝑀 → 0. Напряжение катушки может быть отрегулировано при любом мгновенно, управляя импедансом параллельной ветви как Эталонную модель для системы с недостаточно затухающими характеристиками можно получить, установив диагональные члены меньше нуля, а недиагональные члены представляют незатухающую частоту и имеют противоположные полярности, т. Е. где 𝑎𝑀11 > 0. Аналогично можно получить эталонную модель с критически затухающими характеристиками, выбрав диагональную матрицу с диагональными членами, меньшими нуля, с недиагональными элементами, равными нулю, т. е. 𝑎𝑀12,𝑎𝑀21 = 0. эталонных моделей, в то время как параметры могут быть определены с помощью алгоритма оптимизации для достижения минимальных потерь мощности в параллельной ветви с переменным сопротивлением. Преимущество этого метода заключается в том, что фактические параметры схемы могут быть неизвестны, когда мы принудительно снижаем звон напряжения, контролируя коэффициент заполнения. Требуемая полоса пропускания может быть достигнута, когда каждый GaN-транзистор переключается быстрее, чем 𝑑𝑣/𝑑𝑡 переключателей в приводе. Цель состоит в том, чтобы отрегулировать коэффициент заполнения 𝐷 таким образом, чтобы ошибка между выходом системы и выходом эталонной модели, 𝑒 = 𝑉𝑐𝑜𝑖𝑙 − 𝑉𝑐𝑜𝑖𝑙𝑀 = 𝐶𝑋 − 𝐶𝑀𝑋𝑀, обращалась к нулю за короткое время, когда бегущий импульс достигает конечного двигателя. . Динамику ошибки можно выразить следующим образом:  Добавляя и вычитая 𝐶𝑀𝐴𝑀𝑋 из правой части (4), 𝑒̇ можно преобразовать следующим образом:  В модельно-эталонной адаптивной теории закон адаптации выводится путем определения функции Ляпунова или энергии, 𝐸, которая должна быть положительно определенной, т. е. 𝐸 > 0, а ее производная по времени должна быть отрицательно определенной, т. е. 𝐸̇ < 0 Здесь функция Ляпунова для извлечения эквивалентного импеданса параллельной ветви RC, в то время как динамика ошибки в (5) асимптотически стремится к нулю, может быть записана через 𝑒 и |𝑍𝑒𝑞|. Функцию Ляпунова для (5) можно выбрать следующим образом:  Видно, что выбранная в (6) функция Ляпунова (энергия) является положительно определенной. Здесь первый член выбран так, чтобы ошибка асимптотически стремилась к нулю, а второй член выбран так, чтобы гарантировать, что 𝐸̇ < 0 в любой момент времени 𝑡 ≥ 0. Из (3) 𝑍𝑒𝑞 есть функция коэффициента заполнения, 𝐷 , а элементы 𝐴𝑀 и 𝑏𝑀 являются постоянными значениями, поскольку они являются параметрами выбранной эталонной модели. IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Адаптивный импеданс двигателей переменного тока, представленный в этой статье, представляет собой преобразующую концепцию, позволяющую сделать обычные двигатели гораздо более совместимыми с появляющимися приводами на основе WBG. Преимущество таких обмоток статора с адаптивным импедансом перенапряжения заключается в смягчении скачков напряжения на клеммах двигателя с адаптивным согласованием импеданса без ущерба для эффективности привода и удельной мощности. Обратите внимание, что обычные решения представляют собой громоздкие пассивные фильтры с потерями, которые использовались для некоторых систем привода, т. е. 15-20% веса системы привода. Предлагаемая технология устраняет необходимость в громоздком фильтре 𝑑𝑣/𝑑𝑡 или синусоидальном фильтре с потерями, рекомендуемом в настоящее время для систем привода двигателей с длинным кабелем. Предлагаемая технология значительно снижает нагрузку на изоляцию из-за высокого 𝑑𝑣/𝑑𝑡 на обмотках статора независимо от длины кабеля или времени нарастания переключателей WBG. В результате все системы моторного привода могут одновременно обладать высокой эффективностью, высокой удельной мощностью и высокой надежностью. Кроме того, этот предлагаемый новый подход имеет большой потенциал для устранения некоторых других высокочастотных переходных процессов между приводами WBG и двигателями переменного тока, таких как наведенные напряжения и токи утечки. Предлагаемое решение представляет собой трансформирующую и инновационную концепцию, которая ранее не использовалась для систем привода с длинным кабелем. Воздействие таких адаптивных схем согласования импеданса, встроенных в обмотки двигателя, включает в себя смягчение проблем с синфазным напряжением и электромагнитными помехами (EMI) в приводах на основе WBG. Таким образом, это предлагаемое исследование является лишь частью широкой новой задачи, направленной на то, чтобы сделать моторные приводы более плотными, эффективными и надежными. power density - удельная мощность desired features - желаемые характеристики can be enhanced - может быть улучшен semiconductor switches - полупроводниковые переключатели powertrain – силовой агрегат propulsion systems - двигательные установки rectifiers and inverters - выпрямители и инверторы technical challenges - технические проблемы traveling waves - бегущие волны high-frequency voltage - высокочастотное напряжение motor lifetime - срок службы двигателя novel solutions - новые решения leakage currents - токи утечки permanent magnet - постоянный магнит phenomenon exists - явление существует assembly lines - сборочные линии grid-forming mode - режим формирования сети degrading the overall efficiency - снижение общей эффективности physical dimensions - физические размеры motor terminal - клемма двигателя varnish on the windings - лак на обмотках sinewave filter - синусоидальный фильтр bulky passive filters - громоздкие пассивные фильтры a relatively long - относительно длинный quarter of the wave - четверть волны |