Прямое управление крутящим моментом

Прямое управление крутящим моментом ( DTC ) — один из методов, используемых в частотно-регулируемых приводах для управления крутящим моментом (и, следовательно, скоростью ) трехфазных электродвигателей переменного тока . Это включает в себя расчет оценки магнитного потока и крутящего момента двигателя на основе измеренного напряжения и тока двигателя.

Платформа управления DTC

Статорное потокосцепление оценивается путем интегрирования напряжений статора . Крутящий момент оценивается как перекрестное произведение оцененного вектора потокосцепления статора и измеренного вектора тока двигателя . Оцененная величина потока и крутящий момент затем сравниваются с их опорными значениями . Если оцененный поток или крутящий момент слишком сильно отклоняются от опорного допуска , транзисторы частотно -регулируемого привода выключаются и включаются таким образом, что ошибки потока и крутящего момента возвращаются в свои допустимые диапазоны как можно быстрее. Таким образом, прямое управление крутящим моментом является одной из форм гистерезисного или релейного управления .

Обзор основных конкурирующих платформ управления VFD:

Свойства DTC можно охарактеризовать следующим образом:

• Крутящий момент и поток можно изменить очень быстро, изменив опорные точки.
• Высокая эффективность и низкие потери - потери переключения  [de] сведены к минимуму, поскольку транзисторы переключаются только тогда, когда это необходимо для поддержания крутящего момента и потока в пределах их гистерезисных диапазонов.
• Реакция на скачок не имеет перерегулирования
• Не требуется никаких динамических преобразований координат , все вычисления производятся в стационарной системе координат.
• Не требуется отдельный модулятор , гистерезисное управление определяет сигналы управления переключателем напрямую
• Нет ПИ-регуляторов тока . Таким образом, настройка управления не требуется.
• Частота переключения транзисторов не является постоянной. Однако, контролируя ширину полос допуска, можно поддерживать среднюю частоту переключения примерно на ее опорном значении. Это также сохраняет пульсацию тока и крутящего момента небольшой. Таким образом, пульсация крутящего момента и тока имеет ту же величину, что и в приводах с векторным управлением с той же частотой переключения.
• Благодаря гистерезисному управлению процесс переключения является случайным по своей природе. Таким образом, в спектре тока нет пиков . Это также означает, что слышимый шум машины низкий
• Изменение напряжения промежуточной цепи постоянного тока автоматически учитывается в алгоритме (при интегрировании напряжения). Таким образом, не возникает проблем из-за пульсации постоянного напряжения ( наложения спектров ) или переходных процессов постоянного напряжения.
• Синхронизация с вращающейся машиной проста благодаря быстрому управлению; Просто установите опорный момент на ноль и запустите инвертор. Поток будет идентифицирован первым импульсом тока
• Цифровое контрольное оборудование должно быть очень быстрым, чтобы иметь возможность предотвратить отклонение потока и крутящего момента далеко от допусков. Обычно алгоритм управления должен выполняться с интервалом 10-30 микросекунд или короче. Однако объем требуемых вычислений невелик из-за простоты алгоритма
• Текущие измерительные приборы должны быть высококачественными без шума , поскольку пики в измеряемых сигналах легко вызывают ошибочные действия управления. Дальнейшее осложнение заключается в том, что для удаления шума нельзя использовать низкочастотную фильтрацию , поскольку фильтрация вызывает задержки в получаемых фактических значениях, что разрушает управление гистерезисом
• Измерения напряжения статора должны иметь как можно меньшую погрешность смещения, чтобы снизить погрешность оценки потока. По этой причине напряжения статора обычно оцениваются по измеренному напряжению промежуточной цепи постоянного тока и сигналам управления транзистором
• На более высоких скоростях метод не чувствителен к каким-либо параметрам двигателя. Однако на низких скоростях ошибка в сопротивлении статора, используемая для оценки потока статора, становится критической

Эти очевидные преимущества DTC компенсируются необходимостью более высокой частоты дискретизации (до 40 кГц по сравнению с 6–15 кГц для FOC), что приводит к более высоким потерям переключения в инверторе, более сложной модели двигателя и худшим пульсациям крутящего момента. ^[1]

Метод прямого крутящего момента работает очень хорошо даже без датчиков скорости . Однако оценка потока обычно основана на интеграции фазных напряжений двигателя. Из-за неизбежных ошибок в измерении напряжения и оценке сопротивления статора интегралы имеют тенденцию становиться ошибочными на низкой скорости. Таким образом, невозможно управлять двигателем, если выходная частота частотно-регулируемого привода равна нулю. Однако путем тщательного проектирования системы управления можно иметь минимальную частоту в диапазоне от 0,5 Гц до 1 Гц, что достаточно для запуска асинхронного двигателя с полным крутящим моментом из состояния покоя. Изменение направления вращения также возможно, если скорость проходит через нулевой диапазон достаточно быстро, чтобы предотвратить чрезмерное отклонение оценки потока.

Если требуется непрерывная работа на низких скоростях, включая работу с нулевой частотой, к системе DTC можно добавить датчик скорости или положения . С помощью датчика можно поддерживать высокую точность управления крутящим моментом и скоростью во всем диапазоне скоростей.

История

DTC был запатентован Манфредом Депенброком в США ^[2] и в Германии ^[3] , последний патент был подан 20 октября 1984 года, оба патента были названы прямым самоконтролем (DSC). Однако Исао Такахаши и Тосихико Ногучи описали похожую технику контроля, названную DTC, в статье IEEJ, представленной в сентябре 1984 года ^[4] и в статье IEEE, опубликованной в конце 1986 года ^[5]. Таким образом, инновация DTC обычно приписывается всем трем лицам.

Единственное различие между DTC и DSC заключается в форме пути, по которому управляется вектор потока, первый путь является квазикруговым, тогда как последний является шестиугольным, так что частота переключения DTC выше, чем DSC. Соответственно, DTC нацелен на приводы малой и средней мощности, тогда как DSC обычно используется для приводов большей мощности. ^[6] (Для простоты в остальной части статьи используется только термин DTC.)

С момента своего появления в середине 1980-х годов технология DTC успешно применялась в высокопроизводительных приводах асинхронных двигателей (IM) благодаря своей простоте и очень быстрому отклику на управление крутящим моментом и потоком.

DTC также изучался в диссертации Баадера 1989 года, которая дает очень хорошее представление об этом предмете. ^[7]

Первые крупные успешные коммерческие продукты DTC, разработанные ABB , включали тяговые приложения в конце 1980-х годов для немецких дизель-электрических локомотивов DE502 [1][2] и DE10023 [3] ^[8] и запуск в 1995 году семейства приводов ACS600. С тех пор приводы ACS600 были заменены приводами ACS800 ^[9] и ACS880. ^[10] Вас, ^[11] Тиитинен и др. ^[12] и Нэш ^[13] дают хорошее описание ACS600 и DTC.

DTC также применяется для управления трехфазным преобразователем на стороне сети . ^{[14] [15]} Преобразователь на стороне сети по своей структуре идентичен транзисторному инвертору, управляющему машиной. Таким образом, он может в дополнение к выпрямлению переменного тока в постоянный ток также возвращать энергию из постоянного тока в сеть переменного тока. Кроме того, форма волны фазных токов очень синусоидальна , а коэффициент мощности можно регулировать по желанию. В версии DTC преобразователя на стороне сети сеть считается большой электрической машиной.

Методы прямого управления крутящим моментом для синхронных машин с внутренними постоянными магнитами (IPMSM) были введены в конце 1990-х годов ^[16], а для синхронных реактивных двигателей (SynRM) — в 2010-х годах ^{[17] .}

DTC применялся для управления машинами с двойным питанием в начале 2000-х годов. ^[18] Генераторы с двойным питанием обычно используются в ветряных турбинах мощностью 1–3 МВт .

Учитывая выдающиеся характеристики управления крутящим моментом DTC, удивительно, что первое семейство сервоприводов ABB, ACSM1, было представлено только в 2007 году. ^[19] Фактически, поскольку реализация DTC требует более сложного оборудования для обеспечения производительности, сопоставимой с FOC, его первое промышленное применение появилось гораздо позже.

С конца 1990-х годов было опубликовано несколько статей о DTC и его модификациях, таких как пространственно-векторная модуляция ^[20] , которая обеспечивает постоянную частоту переключения.

В связи с истечением срока действия ключевых патентов Depenbrock на технологию DTC в середине 2000-х годов, возможно, что и другие компании, помимо ABB, включили в свои приводы функции, схожие с технологией DTC. ^{[ необходима ссылка ]}

Смотрите также

• Управление вектором (двигатель)

Ссылки

1. Хьюз, Остин; Друри, Билл (2013). «Работа асинхронных двигателей с переменной частотой». Электродвигатели и приводы . С. 205–253. doi :10.1016/B978-0-08-098332-5.00007-3. ISBN 978-0-08-098332-5. S2CID  107929117.
2. Депенброк, Манфред. «US4678248 Прямое самоуправление потоком и вращательным моментом машины с вращающимся полем».
3. Депенброк, Манфред. "DE3438504 (A1) - Метод и устройство для управления вращающейся полевой машиной" . Получено 13 ноября 2012 г.
4. Ногучи, Тосихико; Такахаши, Исао (сентябрь 1984 г.). «Быстрое управление крутящим моментом асинхронного двигателя на основе новой концепции». Технические совещания IEEJ по вращающимся машинам RM84-76 . С. 61–70.
5. Такахаси, Исао; Ногучи, Тосихико (сентябрь 1986 г.). «Новая стратегия управления индукционным двигателем с быстрым реагированием и высокой эффективностью». Труды IEEE по промышленным приложениям . IA-22 (5): 820–827. doi :10.1109/tia.1986.4504799. S2CID  9684520.
6. Фу, Гилберт (2010). Прямое управление крутящим моментом и потоком без датчика для синхронных двигателей с внутренними постоянными магнитами на очень низких скоростях, включая остановку (диссертация). Сидней, Австралия: Университет Нового Южного Уэльса.
7. Баадер, Уве (1988). Die Direkte-Selbstregelung (DSR), ein Verfahren zur hochdynamischen Regelung von Drehfeldmaschinen [ Прямое саморегулирование (DSR), процесс высокодинамичного регулирования асинхронных машин ] (на немецком языке). ВДИ-Верлаг. ISBN 978-3-18-143521-2.^{[ нужна страница ]}
8. Jänecke, M.; Kremer, R.; Steuerwald, G. (9–12 октября 1989 г.). «Прямое самоуправление (DSC), новый метод управления асинхронными машинами в тяговых приложениях». Труды EPE . 1 : 75–81.
9. "ACS800 - Новая линейка полностью совместимых приводов" . Получено 14 ноября 2012 г.
10. Лённберг, М.; Линдгрен, П. (2011). «Гармонизация приводов — движущая сила архитектуры полностью совместимых приводов ABB» (PDF) . Обзор ABB (2): 63–65.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
11. Вас, Питер (1998). Бессенсорный вектор и прямое управление крутящим моментом . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856465-2.^{[ нужна страница ]}
12. Tiitinen, P.; Surandra, M. (1995). "Метод управления двигателем следующего поколения, прямое управление крутящим моментом DTC". Труды Международной конференции по силовой электронике, приводам и энергетическим системам для промышленного роста . Том 1. С. 37–43. doi :10.1109/pedes.1996.537279. ISBN 978-0-7803-2795-5. S2CID  60918465.
13. Нэш, Дж. Н. (1997). «Прямое управление крутящим моментом, векторное управление асинхронным двигателем без энкодера». Труды IEEE по промышленным приложениям . 33 (2): 333–341. doi :10.1109/28.567792.
14. Хармойнен, Мартти; Маннинен, Веса; Похьялайнен, Паси; Тийтинен, Пекка (17 августа 1999 г.). «US5940286 Метод управления мощностью, передаваемой через сетевой инвертор» . Проверено 13 ноября 2012 г. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
15. Маннинен, В. (19–21 сентября 1995 г.). «Применение модуляции прямого управления крутящим моментом к преобразователю линии». Труды EPE 95, Севилья, Испания : 1292–1296.
16. Френч, К.; Акарнли, П. (1996). «Прямое управление крутящим моментом приводов с постоянными магнитами». Труды IEEE по промышленным приложениям . 32 (5): 1080–1088. doi :10.1109/28.536869.
17. Lendenmann, Heinz; Moghaddam, Reza R.; Tammi, Ari (2011). "Motoring Ahead". ABB Review . Архивировано из оригинала 7 января 2014 года . Получено 7 января 2014 года .
18. Gokhale, Kalyan P.; Karraker, Douglas W.; Heikkil, Samuli J. (10 сентября 2002 г.). "US6448735 Controller for a Wound Rotor Slip Ring Induction Machine" . Получено 14 ноября 2012 г. . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
19. "DSCM1 - Высокопроизводительные приводы для машин" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 октября 2011 г. . Получено 18 октября 2011 г. .
20. Lascu, C.; Boldea, I.; Blaabjerg, F. (1998). "Модифицированное прямое управление крутящим моментом (DTC) для привода без датчика индукционного двигателя". Отчет о конференции IEEE Industry Applications Conference 1998 года. Тридцать третье ежегодное собрание IAS (Cat. No.98CH36242) . Том 1. стр. 415–422. doi :10.1109/ias.1998.732336. ISBN 0-7803-4943-1.