Den direkte momentstyring ( Direct Torque Control / DTC eller levende selvkontrol / DSC engelsk) er en metode til at kontrollere invertere . Som navnet antyder, fokuserer det på at kontrollere drejningsmoment, hvor elmotorens hastighed indirekte stammer fra den. Metoden estimerer den magnetiske flux og motorens drejningsmoment ud fra måling af de tilførte spændinger og strømme. Hvis drejningsmomentet eller strømme ud af en foruddefineret toleranceområde de transistorer af inverteren omskiftes til den næste tilstand for at vende tilbage inden for området så hurtigt som muligt.
Det blev opfundet i 1984. Oprindeligt forbeholdt asynkrone maskiner, varianter gør det muligt at bruge det til synkrone maskiner.
Det giver meget god dynamisk ydeevne og har en lav omskiftningsfrekvens og derfor lave tab. Det er også meget robust. Det kræver dog sensorer af god kvalitet og en controller, der er kraftig nok til at kunne beregne algoritmen hver 10. til 30 µs . Det er derfor relativt dyrt. Det konkurrerer med vektorkontrol .
Statorens magnetiske strømning estimeres ved at integrere spændingen, der forsyner statoren. Momentet estimeres ved at overveje, at det er produktet af fluxvektoren og den aktuelle vektor. Strømmen sammenlignes derefter med dens sætpunkt. Hvis drejningsmomentet eller strømme ud af en foruddefineret toleranceområde de transistorer af inverteren omskiftes til den næste tilstand for at vende tilbage inden for området så hurtigt som muligt. Det er derfor en kontrol ved hysterese .
Et af målene med direkte drejningsmomentregulering er at reducere frekvensomformerens omskifterfrekvens så meget som muligt. En anden er, at operationen ikke behøver en konstant jævnspænding ved omformerens indgang. Der spares således en dyr udglatningskapacitet.
Metoden til direkte drejningsmoment er patenteret af Manfred Depenbrock, både i USA og i Tyskland. Patentansøgningen stammer fra20. oktober 1984. Udtrykket, der bruges til at betegne metoden, er direkte selvkontrol (DSC) eller direkte selvkontrol. I september 1984 beskrev Isao Takahashi og Toshihiko Noguchi en lignende metode kaldet direkte momentstyring (DTC) i en IEEJ-publikation. Opfindelsen tilskrives derfor generelt de tre forskere.
Den eneste forskel mellem DTC og DSC er formen på det spor, der bestemmer udviklingen af fluxvektoren, i den første metode er den næsten cirkulær, mens den i den anden danner en sekskant. Som et resultat er skiftefrekvensen højere for DTC end for DSC. Den første er derfor bedre egnet til lav- og mellemeffektsystemer, mens den anden er velegnet til store kræfter.
Metoden anvendes på grund af sin store enkelhed og dens meget høje ydeevne med et meget hurtigt respons i flux og drejningsmoment til styring af asynkrone motorer.
De første kommercielle produkter, der bruger metoden, er trækkraft-systemer fra ABB-gruppen , der er designet til at udstyre hybridlokomotiverne DE502 og DE10023. I 1995 blev ACS600-familien af drev med variabel hastighed, der bruger metoden, lanceret.
Metoden er også blevet brugt til styring af HVDC'er tilsluttet højspændingsnettet, som ved første tilnærmelse opfører sig som en roterende maskine. Metoden kan bruges til ensrettere og invertere. Den leverede strøm har et sinusformet fundament, effektfaktoren kan justeres efter behov.
Metoden blev udvidet til permanente magnetsynkronmotorer i slutningen af 1990'erne og til modstandsmotorer i 2010'erne. Den blev også brugt til dobbelte excitationsmaskiner i begyndelsen af 2000'erne. Metoden er blevet gradvis forbedret. F.eks. Ved anvendelse af rumlig vektor modulering , hvilket gør det muligt at opnå en konstant koblingsfrekvens.
Udløbet af Depenbrocks patent i midten af 2000'erne tillod andre virksomheder end ABB at udnytte teknologien.
En tre-faset alt-eller-intet-inverter består af seks transistorer (se billedet overfor) for at levere hver af de tre faser. to På intet tidspunkt bør to kontakter i serie (f.eks. A- og A +) lukkes samtidigt, ellers kan der opstå kortslutning . Forudsat at mindst en af seriekontakterne stadig er lukket, får vi otte mulige tilstande: seks aktive og to frihjul, hvor spændingen er nul.
Vektor | A + | B + | C + | A - | B - | C - | V AB | V BC | V AC | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
V 0 = {000} | AF | AF | AF | VI | VI | VI | 0 | 0 | 0 | gratis hjul vektor |
V 1 = {100} | VI | AF | AF | AF | VI | VI | + V jævnstrøm | 0 | −V dc | aktiv vektor |
V 2 = {110} | VI | VI | AF | AF | AF | VI | 0 | + V jævnstrøm | −V dc | aktiv vektor |
V 3 = {010} | AF | VI | AF | VI | AF | VI | −V dc | + V jævnstrøm | 0 | aktiv vektor |
V 4 = {011} | AF | VI | VI | VI | AF | AF | −V dc | 0 | + V jævnstrøm | aktiv vektor |
V 5 = {001} | AF | AF | VI | VI | VI | AF | 0 | −V dc | + V jævnstrøm | aktiv vektor |
V 6 = {101} | VI | AF | VI | AF | VI | AF | + V jævnstrøm | −V dc | 0 | aktiv vektor |
V 7 = {111} | VI | VI | VI | AF | AF | AF | 0 | 0 | 0 | gratis hjul vektor |
Den direkte drejningsmomentstyring søger ved hjælp af disse otte stater at opretholde statorfluxen på en foruddefineret sti. Ved at tilføje fluxen i en vektorrepræsentation af de otte stater får vi billedet modsat. Drejningen af spændingen indebærer rotation af strømmen. Husk, tryk og flow er bundet af Faraday lov : . Strømningen inde i den roterende maskine bestemmes derfor af spændingskontrollen. Moment defineres ved den hastighed, hvormed strømningen bevæger sig langs denne sti. De to frihjulstilstande gør det muligt at justere amplituden af den spænding, der leveres til motoren.
Modulationen vil derfor søge at skifte spændingen som en funktion af et roterende flux-sætpunkt i en alfa-beta-referenceramme. Operationen svarer derfor til den rumlige vektormetode med forskellen, at sætpunktet er en flow og ikke en spænding. Når fremskrivningen af fluxen på β-aksen når en foruddefineret værdi, skiftes spændingen til den næste tilstand. Hysteresefilteret sammenligner derefter fluxværdien med referenceværdien. Der er derfor ingen modulator med en fast skiftefrekvens som f.eks. I vektorstyring.
Parallelt sammenligner et andet hysteresefilter det opnåede drejningsmoment med referencens. Hvis momentet er utilstrækkeligt, aktiveres en af frihjulstilstandene.
Transistorer skiftes derfor kun, når drejningsmomentet eller fluxen afviger fra deres referenceværdi. Dette gør det muligt i høj grad at reducere skiftefrekvensen og dermed tabene. Den første afhænger hovedsageligt af den roterende maskine. Det er muligt at tilføje en regulator, der styrer hysteresefiltrenes toleranceområde i henhold til omskifterfrekvensen og dermed finde en optimal kontrol uden at overskride en given omskifterfrekvens.
Direkte drejningsmomentstyring er meget afhængig af at kende maskinens flux og øjeblik. Den matematiske model for sidstnævnte og dens parametre er derfor afgørende for algoritmen at estimere disse to værdier som en funktion af strømmen og spændingen.
Direkte momentstyring fungerer korrekt uden en hastighedsføler. Fluxestimatet beregnes dog generelt ved at integrere spændingen, der leveres til motoren. På grund af fejl i målingen af spændingen og kendskabet til statormodstanden har denne integral tendens til at blive fejlagtig ved lav hastighed. Det er ikke muligt at kontrollere motoren, hvis frekvensomformerens udgangsfrekvens er nul. Korrekt udformning af kontrolsystemet opnår en minimumfrekvens på ca. 0,5 Hz . Dette er tilstrækkeligt til at starte en asynkron motor med maksimalt drejningsmoment ved stilstand. En vending af rotationsretningen er også mulig under forudsætning af hurtigt at skifte fra en positiv hastighed til en negativ hastighed uden at forblive i zonen tæt på nul. Hvis drift med lav hastighed er påkrævet, kan en hastighedsføler tilføjes. I dette tilfælde fungerer styringen perfekt over hele hastighedsområdet.
Der findes forskellige kontrolstrategier for elektriske drev med variabel hastighed. Følgende træ giver et overblik (forkortelserne er på engelsk):
Direkte drejningsmomentkontrol har følgende fordele (sammenlignet med vektorkontrol):
Direkte momentstyring har følgende ulemper:
Vektorstyringen er en anden meget udbredt metode, der gør det muligt at opnå gode præstationer. Følgende tabel opsummerer de største forskelle mellem disse to metoder:
Ejendom | Direkte momentstyring | Vektor kontrol |
---|---|---|
Dynamisk respons på et moment | Meget hurtig | Hurtig |
Koordinatsystem | alfa, beta (stator) | d, q (rotor) |
Adfærd ved lav hastighed (<5% af nominel) | Behov for en hastighedssensor til kontinuerlig bremsning | Godt med positions- eller hastighedsføler |
Kontrollerede variabler | Moment og statorflux | rotorstrøm, rotorstrøm iq til drejningsmomentregulering, rotorstrøm-id til fluxstyring |
Oscillation af de forskellige variabler | Lav (hvis den aktuelle sensor er af god kvalitet) | Lav |
Parameter, der har mest indflydelse (i fravær af sensor) | Statormodstand | Spoler d og q, rotormodstand |
Parameter med mest indflydelse (lukket sløjfe) | Spoler d, q, flux (ved lav hastighed) | Spoler d, q, rotormodstand |
Måling af rotorposition | Ikke påkrævet | Påkrævet (sensor eller estimat) |
Nuværende kontrol | Ikke påkrævet | Påkrævet |
PWM-modulering | Ikke påkrævet | Påkrævet |
Ændring af kontaktoplysninger | Ikke påkrævet | Påkrævet |
Skiftfrekvens | Variabel | Konstant |
Skiftende tab | Meget lav (hvis den aktuelle sensor er af god kvalitet) | Lav |
Støj | Sizzling over et bredt spektrum | Konstant frekvensstøj, hvæsende |
Regulering | hastighed (PID-controller) | hastighed (PID-regulator), rotorflux (PI), strøm-id og iq (PI) |
Kompleksiteten af algoritmen | Lav | Stor |
Maksimalt interval mellem to på hinanden følgende beregninger af algoritmen | 10-30 mikrosekunder | 100-500 mikrosekunder |