טכנולוגיית הנעת מנוע במהירות גבוהה ומגמת הפיתוח שלה

מנועים במהירות גבוההזוכים לתשומת לב גוברת בשל יתרונותיהם הברורים כגון צפיפות הספק גבוהה, גודל ומשקל קטנים ויעילות עבודה גבוהה. מערכת הנעה יעילה ויציבה היא המפתח לניצול מלא של הביצועים המצוינים שלמנועים במהירות גבוההמאמר זה מנתח בעיקר את הקשיים שלמנוע במהירות גבוההטכנולוגיית הנעה מהיבטים של אסטרטגיית בקרה, הערכת פינות ותכנון טופולוגיית הספק, ומסכמת את תוצאות המחקר הנוכחיות בארץ ובחו"ל. לאחר מכן, היא מסכמת ומציגה את מגמת הפיתוח שלמנוע במהירות גבוההטכנולוגיית הנעה.

חלק 02 תוכן מחקר

מנועים במהירות גבוההיש להם יתרונות רבים כגון צפיפות הספק גבוהה, נפח ומשקל קטנים ויעילות עבודה גבוהה. הם נמצאים בשימוש נרחב בתחומים כמו תעופה וחלל, הגנה לאומית ובטיחות, ייצור וחיי היומיום, והם מהווים תוכן מחקר וכיוון פיתוח הכרחי כיום. ביישומי עומס במהירות גבוהה כגון צירים חשמליים, טורבו-מכונות, טורבינות גז מיקרו ואחסון אנרגיה של גלגל תנופה, יישום מנועים במהירות גבוהה יכול להשיג מבנה הנעה ישירה, לבטל התקני מהירות משתנה, להפחית משמעותית את עלויות הנפח, המשקל והתחזוקה, תוך שיפור משמעותי של האמינות, ויש להם סיכויי יישום רחבים ביותר.מנועים במהירות גבוההמתייחסים בדרך כלל למהירויות העולות על 10 קרונות/דקה או ערכי קושי (מכפלת המהירות ושורש הריבועי של ההספק) העולים על 1 ×. המנוע של 105 מוצג באיור 1, המשווה את הנתונים הרלוונטיים של כמה אבות טיפוס מייצגים של מנועים במהירות גבוהה הן בארץ והן בעולם. הקו המקווקו באיור 1 הוא רמת קושי של 1 × 105 וכו'.

1.קשיים בטכנולוגיית הנעה מנועית במהירות גבוהה

1. בעיות יציבות מערכת בתדרים בסיסיים גבוהים

כאשר המנוע נמצא במצב תדר בסיסי גבוה, עקב מגבלות כגון זמן המרה אנלוגי-לדיגיטלי, זמן ביצוע אלגוריתם הבקר הדיגיטלי ותדר מיתוג הממיר, תדר הנושא של מערכת הנעת המנוע במהירות גבוהה נמוך יחסית, וכתוצאה מכך ירידה משמעותית בביצועי הפעולה של המנוע.

2. בעיית הערכת מיקום הרוטור בדיוק גבוה בתדר בסיסי

במהלך פעולה במהירות גבוהה, דיוק מיקום הרוטור הוא קריטי לביצועי המנוע התפעוליים. בשל האמינות הנמוכה, הגודל הגדול והעלות הגבוהה של חיישני מיקום מכניים, אלגוריתמים ללא חיישנים משמשים לעתים קרובות במערכות בקרת מנועים במהירות גבוהה. עם זאת, בתנאי תדר בסיסי גבוה, השימוש באלגוריתמים ללא חיישני מיקום רגיש לגורמים לא אידיאליים כגון אי-לינאריות של המהפך, הרמוניות מרחביות, מסנני לולאה וסטיות פרמטרים של השראות, וכתוצאה מכך שגיאות משמעותיות בהערכת מיקום הרוטור.

3. דיכוי אדוות במערכות הנעה מנועיות במהירות גבוהה

ההשראות הקטנה של מנועים במהירות גבוהה מובילה בהכרח לבעיה של אדוות זרם גדולות. אובדן הנחושת, אובדן הברזל, אדוות המומנט ורעשי הרטט הנגרמים מאדוות זרם גבוהות יכולים להגדיל מאוד את ההפסדים של מערכות מנועים במהירות גבוהה, להפחית את ביצועי המנוע, וההפרעות האלקטרומגנטיות הנגרמות מרעש רטט גבוה יכולות להאיץ את הזדקנות המנוע. הבעיות הנ"ל משפיעות מאוד על ביצועי מערכות הנעת מנועים במהירות גבוהה, ותכנון אופטימיזציה של מעגלי חומרה בעלי הפסדים נמוכים הוא קריטי עבור מערכות הנעת מנועים במהירות גבוהה. לסיכום, תכנון מערכת הנעת מנועים במהירות גבוהה דורש שיקול מקיף של גורמים מרובים, כולל צימוד לולאת זרם, עיכוב מערכת, שגיאות פרמטרים וקשיים טכניים כגון דיכוי אדוות זרם. זהו תהליך מורכב ביותר המציב דרישות גבוהות לאסטרטגיות בקרה, דיוק הערכת מיקום הרוטור ותכנון טופולוגיית הספק.

2. אסטרטגיית בקרה למערכת הנעה מנועית במהירות גבוהה

1. מידול של מערכת בקרת מנוע במהירות גבוהה

לא ניתן להתעלם מהמאפיינים של תדר בסיסי הפעלה גבוה ויחס תדר נושא נמוך במערכות הנעה מנועים במהירות גבוהה, כמו גם מהשפעת צימוד המנוע וההשהיה על המערכת. לכן, בהתחשב בשני הגורמים העיקריים הנ"ל, מידול וניתוח שחזור של מערכות הנעה מנועים במהירות גבוהה הם המפתח לשיפור נוסף של ביצועי ההנעה של מנועים במהירות גבוהה.

2. טכנולוגיית בקרת ניתוק עבור מנועים במהירות גבוהה

הטכנולוגיה הנפוצה ביותר במערכות הנעה מנועיות בעלות ביצועים גבוהים היא בקרת FOC. בתגובה לבעיית הצימוד החמורה הנגרמת מתדר בסיסי הפעלה גבוה, כיוון המחקר העיקרי כיום הוא אסטרטגיות בקרת ניתוק צימוד. אסטרטגיות בקרת ניתוק הצימוד הנחקרות כיום ניתן לחלק בעיקר לאסטרטגיות בקרת ניתוק צימוד מבוססות מודל, אסטרטגיות בקרת ניתוק צימוד מבוססות פיצוי הפרעות, ואסטרטגיות בקרת ניתוק צימוד מבוססות ווקטורים מורכבים. אסטרטגיות בקרת ניתוק צימוד מבוססות מודל כוללות בעיקר ניתוק הזנה קדימה וניתוק משוב, אך אסטרטגיה זו רגישה לפרמטרים של המנוע ואף יכולה להוביל לחוסר יציבות של המערכת במקרים של שגיאות פרמטר גדולות, ואינה יכולה להשיג ניתוק מלא. ביצועי ניתוק דינמיים ירודים מגבילים את טווח היישום שלה. שתי אסטרטגיות בקרת ניתוק הצימוד האחרונות הן כיום נקודות חמות במחקר.

3. טכנולוגיית פיצוי השהייה עבור מערכות מנוע במהירות גבוהה

טכנולוגיית בקרת ניתוק יכולה לפתור ביעילות את בעיית הצימוד של מערכות הנעה מנועיות במהירות גבוהה, אך קשר ההשהיה שנוצר על ידי ההשהיה עדיין קיים, ולכן יש צורך בפיצוי אקטיבי יעיל עבור השהיית המערכת. נכון לעכשיו, ישנן שתי אסטרטגיות פיצוי אקטיביות עיקריות עבור השהיית מערכת: אסטרטגיות פיצוי מבוססות מודל ואסטרטגיות פיצוי בלתי תלויות במודל.

חלק 03 מסקנת המחקר

בהתבסס על הישגי המחקר הנוכחיים בתחוםמנוע במהירות גבוההטכנולוגיית הנעה בקהילה האקדמית, בשילוב עם בעיות קיימות, כיווני הפיתוח והמחקר של מנועים במהירות גבוהה כוללים בעיקר: 1) מחקר על חיזוי מדויק של זרם בתדר בסיסי גבוה ונושאים הקשורים לעיכוב פיצוי אקטיבי; 3) מחקר על אלגוריתמים לבקרת ביצועים דינמיים גבוהים עבור מנועים במהירות גבוהה; 4) מחקר על הערכה מדויקת של מיקום פינה ומודל להערכת מיקום הרוטור בתחום המהירות המלאה עבור מנועים במהירות גבוהה במיוחד; 5) מחקר על טכנולוגיית פיצוי מלא עבור שגיאות במודלים של הערכת מיקום מנוע במהירות גבוהה; 6) מחקר על טופולוגיית הספק מנוע בתדר גבוה ואובדן גבוה של מנוע במהירות גבוהה.