Прямое управление крутящим моментом
Прямое управление крутящим моментом ( DTC ) — это один из методов, используемых в преобразователях частоты для управления крутящим моментом (и, следовательно, скоростью ) трехфазных электродвигателей переменного тока . Это включает в себя расчет двигателя оценки магнитного потока и крутящего момента на основе измеренных напряжения и тока двигателя.
Платформа управления DTC
[ редактировать ]статора Потокосцепление оценивается путем интегрирования напряжений статора . Крутящий момент оценивается как векторное произведение расчетного потокосцепления вектора статора и измеренного тока вектора двигателя . Оцененные величина магнитного потока и крутящий момент затем сравниваются с их эталонными значениями . Если расчетный поток или крутящий момент слишком сильно отклоняются от эталонного допуска , транзисторы преобразователя частоты выключаются и включаются таким образом, чтобы ошибки потока и крутящего момента как можно быстрее вернулись в свои допустимые пределы. Таким образом, прямое управление крутящим моментом является одной из форм гистерезиса или релейного управления .
Обзор ключевых конкурирующих платформ управления ЧРП:
| ЧРП |
| |||||||||||||||||||||
Свойства ДТК можно охарактеризовать следующим образом:
- Крутящий момент и поток можно изменить очень быстро, изменив ссылки.
- Высокий КПД и низкие потери — потери на переключение сведены к минимуму, поскольку транзисторы переключаются только тогда, когда необходимо поддерживать крутящий момент и поток в пределах их диапазона гистерезиса.
- Переходная характеристика не имеет перерегулирования
- Никаких динамических преобразований координат не требуется, все расчеты выполняются в стационарной системе координат.
- Отдельный модулятор не требуется, управление гистерезисом напрямую определяет сигналы управления переключателем.
- нет ПИ-регуляторов тока . Таким образом, настройка управления не требуется.
- Частота переключения транзисторов непостоянна. Однако, контролируя ширину диапазонов допуска, среднюю частоту переключения можно поддерживать примерно на эталонном значении. тока и Это также позволяет снизить пульсации крутящего момента . Таким образом, крутящий момент и пульсации тока имеют ту же величину, что и в приводах с векторным управлением и той же частотой переключения.
- Благодаря гистерезисному контролю процесс переключения носит случайный характер. тока нет пиков Таким образом, в спектре . 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 никаких проблем, связанных с пульсациями постоянного напряжения ( наложением сигналов ) или переходными процессами постоянного напряжения.
- Синхронизация с вращающейся машиной проста благодаря быстрому управлению; Просто обнулите опорный момент и запустите инвертор. Поток будет определен по первому импульсу тока.
- Цифровое управляющее оборудование должно работать очень быстро, чтобы предотвратить далекое отклонение магнитного потока и крутящего момента от диапазонов допусков. управления Обычно алгоритм должен выполняться с интервалами 10–30 микросекунд или короче. Однако объем необходимых вычислений невелик из-за простоты алгоритма.
- Устройства измерения тока должны быть высококачественными и не шумящими , поскольку выбросы измеряемых сигналов легко вызывают ошибочные действия по управлению. Дополнительная сложность заключается в том, что фильтр нижних частот , поскольку фильтрация вызывает задержки в результирующих фактических значениях, что нарушает контроль гистерезиса. для удаления шума нельзя использовать
- Измерения напряжения статора должны иметь как можно меньшую погрешность смещения, чтобы минимизировать ошибку оценки магнитного 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, используемом при оценке потока статора, становится критической.
Эти очевидные преимущества ДТК нивелируются необходимостью более высокой частоты дискретизации (до 40 кГц по сравнению с 6–15 кГц для ВОК), приводящей к более высоким потерям переключения в инверторе; более сложная модель двигателя; и меньшая пульсация крутящего момента. [1]
Метод прямого крутящего момента очень хорошо работает даже без датчиков скорости . Однако оценка потока обычно основана на интегрировании 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 преобразователя частоты равна нулю. Однако при тщательном проектировании системы управления можно получить минимальную частоту в диапазоне от 0,5 Гц до 1 Гц, достаточную для запуска асинхронного двигателя с полным крутящим моментом из состояния покоя. Изменение направления вращения также возможно, если скорость достаточно быстро проходит через нулевой диапазон, чтобы предотвратить чрезмерное отклонение оценки потока.
Если требуется непрерывная работа на низких скоростях, включая работу на нулевой частоте, датчик скорости или положения в систему DTC можно добавить . С помощью датчика можно поддерживать высокую точность регулирования крутящего момента и скорости во всем диапазоне скоростей.
История
[ редактировать ]DTC был запатентован Манфредом Депенброком в США. [2] и в Германии, [3] последний патент был подан 20 октября 1984 г., причем оба патента получили название прямого самоконтроля (DSC). Однако Исао Такахаси и Тошихико Ногучи описали аналогичную технику управления, 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 троим.
Единственная разница между DTC и DSC заключается в форме пути, по которому контролируется вектор потока: первый путь является квазикруглым, а второй - шестиугольным, так что частота переключения DTC выше, чем DSC. Соответственно, DTC предназначен для приводов малой и средней мощности, тогда как DSC обычно используется для приводов более высокой мощности. [6] (Для простоты в остальной части статьи используется только термин DTC.)
С момента своего появления в середине 1980-х годов DTC использовался с пользой благодаря своей простоте и очень быстрому реагированию на управление крутящим моментом и потоком в высокопроизводительных асинхронных двигателей приводах (IM).
DTC также изучался в диссертации Баадера 1989 года, которая очень хорошо раскрывает эту тему. [7]
Первые крупные успешные коммерческие продукты DTC, разработанные компанией ABB , использовались в конце 1980-х годов для немецких DE502 [1] [2] и DE10023 [3]. дизель-электрических локомотивов [8] и выпуск в 1995 году семейства приводов ACS600. С тех пор приводы ACS600 были заменены на ACS800. [9] и приводы ACS880. [10] Vas, [11] Тийтинен и др. [12] и Нэш [13] обеспечить хорошую обработку ACS600 и DTC.
DTC также применяется для трехфазной сети преобразователем управления . [14] [15] Преобразователь на стороне сети по своей структуре идентичен транзисторному инвертору, управляющему машиной. Таким образом, он может не только выпрямлять переменный ток в постоянный, но и возвращать энергию из постоянного тока в сеть переменного тока. Кроме того, форма фазных токов очень синусоидальная , и коэффициент мощности можно регулировать по желанию. В версии преобразователя DTC со стороны сети сеть рассматривается как большая электрическая машина.
Методы DTC для внутренней синхронной машины с постоянными магнитами (IPMSM) были внедрены в конце 1990-х годов. [16] и синхронные реактивные двигатели (SynRM) в 2010-х годах. [17]
DTC был применен для управления машинами с двойной подачей 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, было 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, сравнимой с FOC, его первое промышленное применение появилось намного позже.
С конца 1990-х годов было опубликовано несколько статей о DTC и его модификациях, таких как модуляция пространственного вектора, [20] который обеспечивает постоянную частоту переключения.
В свете истечения срока действия ключевых патентов Depenbrock DTC в середине 2000-х годов, возможно, другие компании, помимо ABB, включили в свои приводы функции, аналогичные DTC. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хьюз, Остин; Друри, Билл (2013). «Работа с переменной частотой асинхронных двигателей». Электродвигатели и приводы . стр. 205–253. дои : 10.1016/B978-0-08-098332-5.00007-3 . ISBN 978-0-08-098332-5 . S2CID 107929117 .
- ^ Депенброк, Манфред. «US4678248 Прямое саморегулирование потока и вращательного момента машины с вращающимся полем» .
- ^ Депенброк, Манфред. «DE3438504 (А1) - Способ и устройство для управления машиной вращающегося поля» . Проверено 13 ноября 2012 г.
- ^ Ногучи, Тошихико; Такахаси, Исао (сентябрь 1984 г.). «Быстрое управление крутящим моментом асинхронного двигателя на основе новой концепции». Технические совещания IEEJ по вращающейся машине RM84-76 . стр. 61–70.
- ^ Такахаши, Исао; Ногучи, Тошихико (сентябрь 1986 г.). «Новая стратегия быстрого реагирования и высокоэффективного управления асинхронным двигателем». Транзакции IEEE для промышленных приложений . ИА-22 (5): 820–827. дои : 10.1109/tia.1986.4504799 . S2CID 9684520 .
- ^ Фу, Гилберт (2010). Бездатчиковое прямое управление крутящим моментом и потоком внутренних синхронных двигателей с постоянными магнитами на очень низких скоростях, включая остановку (Диссертация). Сидней, Австралия: Университет Нового Южного Уэльса.
- ^ Баадер, Уве (1988). регулирования асинхронных машин ] Прямое саморегулирование (DSR), процесс высокодинамичного (на немецком языке). Издательство ВДИ. ISBN 978-3-18-143521-2 . [ нужна страница ]
- ^ Йенеке, М.; Кремер, Р.; Стойервальд, Г. (9–12 октября 1989 г.). «Прямое самоконтроль (DSC), новый метод управления асинхронными машинами в тяговых системах». Труды ЭПЭ . 1 : 75–81.
- ^ «ACS800 — новая линейка полностью совместимых приводов» . Проверено 14 ноября 2012 г.
- ^ Леннберг, М.; Линдгрен, П. (2011). «Гармонизация приводов — движущая сила полностью совместимой архитектуры приводов ABB» (PDF) . Обзор АББ (2): 63–65. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Вас, Питер (1998). Бездатчиковое векторное и прямое управление крутящим моментом . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-856465-2 . [ нужна страница ]
- ^ Тийтинен, П.; Сурандра, М. (1995). «Метод управления двигателем следующего поколения, прямое управление крутящим моментом DTC». Материалы международной конференции по силовой электронике, приводам и энергетическим системам для промышленного роста . Том. 1. С. 37–43. дои : 10.1109/pedes.1996.537279 . ISBN 978-0-7803-2795-5 . S2CID 60918465 .
- ^ Нэш, Дж. Н. (1997). «Прямое управление крутящим моментом, векторное управление асинхронным двигателем без энкодера». Транзакции IEEE для промышленных приложений . 33 (2): 333–341. дои : 10.1109/28.567792 .
- ^ 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}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Маннинен, В. (19–21 сентября 1995 г.). «Применение модуляции прямого управления крутящим моментом к линейному преобразователю». Труды EPE 95, Севилья, Испания : 1292–1296.
- ^ Френч, К.; Акарнли, П. (1996). «Прямое управление крутящим моментом приводов с постоянными магнитами». Транзакции IEEE для промышленных приложений . 32 (5): 1080–1088. дои : 10.1109/28.536869 .
- ^ Ленденманн, Хайнц; Могаддам, Реза Р.; Тамми, Ари (2011). «Автомобиль вперед» . Обзор АББ . Архивировано из оригинала 7 января 2014 года . Проверено 7 января 2014 г.
- ^ Гохале, Калян П.; Карракер, Дуглас В.; Хейккиль, Самули Дж. (10 сентября 2002 г.). «US6448735 Контроллер для индукционной машины с контактными кольцами ротора» . Проверено 14 ноября 2012 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «DSCM1 — Высокопроизводительные приводы для машин» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 октября 2011 года . Проверено 18 октября 2011 г.
- ^ Ласку, К.; Болдеа, И.; Блаабьерг, Ф. (1998). «Модифицированный прямой контроль крутящего момента (DTC) для бездатчикового привода асинхронного двигателя». Протокол конференции конференции IEEE по отраслевым приложениям 1998 года. Тридцать третье ежегодное собрание IAS (кат. № 98CH36242) . Том. 1. С. 415–422. дои : 10.1109/ias.1998.732336 . ISBN 0-7803-4943-1 .