Direkte momentstyring

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 .

Princip

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.

Historie og applikationer

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.

Operation

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.

Hastighedsområde

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.

Oversigt over kontrolstrategier

Der findes forskellige kontrolstrategier for elektriske drev med variabel hastighed. Følgende træ giver et overblik (forkortelserne er på engelsk):

Fordele og ulemper

Direkte drejningsmomentkontrol har følgende fordele (sammenlignet med vektorkontrol):

Direkte momentstyring har følgende ulemper:

Sammenligning med vektorkontrol

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

Noter og referencer

  1. (in) Manfred Depenbrock , "  US4678248 Direkte selvkontrol af foderet og det roterende øjeblik af en roterende feltmaskine  " (adgang 21. juni 2015 )
  2. (in) Manfred Depenbrock , "  DE3438504 (A1) - Metode og enhed til styring af en roterende feltmaskine  " (adgang 21. juni 2015 )
  3. (i) Toshihiko Noguchi og Isao Takahashi , "  Quick Response Torque Control of Induction Motor baseret på året i New Concept  " , IEEJ ,September 1984, s.  61–70
  4. (i) Toshihiko Noguchi og Isao Takahashi , "  En ny Quick-respons og High-Efficiency Kontrol strategi induktionsmotor  " , IEEE Trans. om industriapplikationer , nr .  IA-22 (5): 820-827,September 1986( læs online , konsulteret den 21. juni 2015 )
  5. (i) Gilbert Foo , sensorløs Direct Torque og Flux Kontrol af Interior Permanent magnet synkron Motors ved meget lave hastigheder og med Stilstand , Sydney, The University of New South Wales,2010
  6. (i) Mr. Janecke , R. Kremer og G. Steuerwald , "  Direct Self-Control (DSC), A Novel Method of Controlling Asynchronous Machines In Traction Applications  " , Procedurer fra EPE'89 , nr .  1,Oktober 1989, s.  75–81
  7. (i) Martti Harmoinen Vesa Manninen , Pasi Pohjalainen og Pekka Tiitinen , US5940286 metode til styring af effekt, der skal overføres via har Hands Inverter ,17. august 1999( læs online )
  8. (in) V. Manninen , "  Anvendelse af direkte momentstyringsmodulation til en linjekonverter.  » , Proceedings of EPE 95, Sevilla, Spain ,19. september 1995, s.  1.292-1.296.
  9. (in) C. French og P. Acarnley , "  Direkte momentstyring af permanente magnetdrev  " , IEEE Transactions on Industry Applications , vol.  32, nr .  5,1996, s.  1080–1088 ( DOI  10.1109 / 28.536869 , læst online , adgang til 27. juni 2015 )
  10. (i) Heinz Lendenmann , R. Reza Moghaddam og Ari Tammi , "  for motor Ahead  " , ABB anmeldelse ,2011( læs online , hørt 27. juni 2015 )
  11. (i) Kalyan P. Gokhale , Douglas W. Karraker og Samuli J. Heikkil , US6448735 controller til et sår Rotor Induction Machine Slip Ring ,10. september 2002( læs online )
  12. (in) C. Lascu , I. Boldea og F. Blaabjerg , "  En modificeret direkte drejningsmomentkontrol (DTC) til induktionsmotorsensorfri drev.  ” , Proceedings of IEEE IAS 98, St. Louis, MO, USA , bind.  1,12. - 15. oktober 1998, s.  415-422. ( DOI  10.1109 / ias.1998.732336 )
  13. (i) XT Garcia , B. Zigmund , A. Terlizzi , R. Pavlanin og L. Salvatore , "  Sammenligning mellem FOC og DTC Strategier for Permanent Magnet  " , Fremskridt i elektrisk og elektronisk Engineering , Vol.  5, n os  1-2,Marts 2006, s.  Bind 5, nr. 1-2 (2006): Marts - juni ( læs online )
  14. (i) MS Merzoug og F. Naceri , "  Sammenligning af Field Oriented Kontrol og Direct Torque Control til PMSM  " , verden Academy of Science, Engineering and Technology 21 2008 , vol.  Merzoug, nr .  21,september 2008, s.  209–304 ( læs online )
  15. (i) MP Kazmierkowski L. Franquelo J. Rodriguetz , Mr. Perez og J. Leon , "  High Performance motordrev  " , IEEE Industrial Electronics Magazine i September 2011 , vol.  5, n o  3,september 2011, s.  6–26 ( DOI  10.1109 / mie.2011.942173 , læs online )

Bibliografi


<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">