DTC: Прямое управление крутящим моментом

Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) обеспечили беспрецедентную производительность электродвигателей и обеспечили значительную экономию энергии за счет синхронизации скорости и крутящего момента двигателя с параметрами нагрузки. Большинство преобразователей частоты, представленных на рынке, используют технологию многоуровневой каскадной модуляции, которая регулирует входное напряжение и частоту двигателя с использованием разработанного алгоритма, но вызывает задержку по времени при обработке управляющих сигналов. Однако, в электроприводах премиум-класса INOMAX ACS используется инновационная технология прямого управления крутящим моментом, иначе называемая Direct Torque Control (DTC), что значительно увеличивает скорость отклика крутящего момента двигателя. Технология DTC также предоставляет другие преимущества, вплоть до функций системного уровня.

Высокопроизводительные привод переменного тока от INOMAX предлагают инновационную технологию, именуемую direct torque control (DTC). Исходя из названия, метод предполагает непосредственное контролирование магнитного потока и крутящего момента, вместо попыток косвенного контроля, наподобие технологии векторного управления (VC). Такой подход обеспечивает более высокое соответствие требованиям нагрузки любой системы. DTC устраняет необходимость в дополнительном каскадном регуляторе, обеспечивая тем самым динамику управления, близкую к теоретическому максимуму.

Совершенствование технологий, увеличение вычислительной мощности процессора, развитие прикладного программирования и коммуникационных интерфейсов постоянно обеспечивают более высокую производительность DTC, обеспечивая превосходное управление двигателем для широкого спектра применений.

Почему стоит выбрать DTC?

Помимо превосходной реакции на изменение крутящего момента, DTC предлагает и другие преимущества, в том числе:

• В 95% случаев нет необходимости в обратной связи по скорости или положению двигателя. Таким образом, можно избежать установки дорогостоящих энкодеров или других устройств обратной связи.
• Управление DTC доступно для различных типов двигателей, включая двигатели с постоянными магнитами и новые синхронные реактивные двигатели.
• Точный контроль крутящего момента и скорости вплоть до низких скоростей, а также 100% пусковой крутящий момент до нулевой скорости.
• Отличная линейность крутящего момента.
• Высокая статическая и динамическая точность скорости.
• Нет предустановленной частоты переключения. Оптимальное переключение транзистора определяется для каждого цикла управления, что позволяет приводу более легко адаптироваться и соответствовать требованиям управляемой нагрузки.

Касательно асинхронных двигателей

DTC изначально был разработан для асинхронных двигателей переменного тока из-за их популярности во множестве промышленных и коммерческих применений. Показателем эффективности DTC для асинхронных двигателей является время реакции крутящего момента (до 100% шага задания крутящего момента), которое приближается к пределу электрической постоянной времени двигателя. Задержка крутящего момента при одной и той же команде задания обычно составляет всего лишь 1 % от номинального крутящего момента во всем диапазоне скоростей привода.

Спрос на более высокую удельную мощность и вводимые международные правила эффективности возобновили интерес к другим технологиям двигателей. DTC также обеспечивает превосходную работу с синхронными двигателями с постоянными магнитами (PM) и новыми синхронно-реактивными двигателями (SynRM). Основное отличие в таких применениях DTC возникает во время запуска двигателя, что учитывается в приводах INOMAX ACS. Отсутствие обмоток ротора и скольжения в синхронных двигателях с постоянными магнитами и двигателях SynRM увеличивает их эффективность в более широком диапазоне крутящего момента и скорости по сравнению с асинхронными двигателями.

Высокое соотношение крутящего момента и размера этих двигателей может позволить упростить конструкцию системы передачи момента приводимой в действие машины. Например, низкоскоростной двигатель с постоянными магнитами с прямым приводом может заменить редуктор упаковочной машины.

Одним из недостатков синхронных двигателей с постоянными магнитами является использование так называемых редкоземельных магнитов для достижения наилучших характеристик. Именно здесь двигатели SynRM предоставляют альтернативу, поскольку в них не используются постоянные магниты.

Точность крутящего момента во время линейного изменения нагрузки

Точность бездатчикового управления крутящим моментом привода ACS880 сравнивалась с использованием четырехполюсного асинхронного двигателя и синхронного реактивного двигателя мощностью 15 кВт (при 50% номинальной скорости). DTC удерживал погрешность крутящего момента <1% от номинального значения для обоих типов двигателей.

Максимальная погрешность крутящего момента для синхронного реактивного двигателя немного меньше, чем для асинхронного двигателя.

Высокая производительность управления сервоприводом

Скорость и угловое положение синхронного двигателя с постоянными магнитами с крутящим моментом 1,5 Нм и частотой 6000 об/мин были измерены во время изменения скорости между ±6000 об/мин менее чем за 25 миллисекунд (мс). Это очень близко к механической постоянной времени двигателя, равной 24 мс, и теоретическому пределу.

DTC обеспечивает быстрое и точное ускорение двигателя как в режиме управления с обратной связью, так и в режиме бездатчикового управления. Сравнение измеренного времени ускорения с механической постоянной времени двигателя позволяет получить один из лучших показателей точности крутящего момента при чрезвычайно быстром ускорении.

DTC: настоящее и будущее

Совершенствования с течением времени позволили DTC выйти за рамки требовательных высокодинамичных применений, для которых она была создана. Улучшения программного обеспечения и унификация мощных микропроцессоров делают приводы DTC экономически оправданными для более широкого внедрения. Способность быстро реагировать на изменения переменных процесса, таких как давление, натяжение или положение, используя исключительную динамику управления скоростью и крутящим моментом, делает DTC привлекательным для большего числа отраслей.

Более того, приводы переменного тока предлагают значительный потенциал экономии энергии для большого количества насосов/вентиляторов с регулируемой скоростью. Поскольку зависимость скорости насоса от мощности имеет кубическую зависимость, последовательность процессов, позволяющая насосу работать со скоростью 50 %, будет использовать только 1/8 полной мощности.

Основываясь на прочных теоретических основах и технологии цифровой обработки сигналов (DSP), DTC преодолела ограничения ранних процессоров. Мощные процессоры теперь быстро выполняют сложные алгоритмы управления, обновляют параметры модели двигателя и переключают транзисторы привода для достижения оптимальной производительности.

Заглядывая в будущее, компания INOMAX намерена пойти по тому же пути со своей проверенной технологией DTC. Заказчики частотных преобразователей INOMAX могут быть уверены, что преимущества прямого управления крутящим моментом, в которые они инвестируют сегодня, сохранятся и в долгосрочной перспективе.