Die direkte Drehmomentregelung ( Direct Torque Control / DTC oder Live Self-Control / DSC English) ist eine Methode zur Steuerung von Wechselrichtern . Wie der Name schon sagt, konzentriert es sich auf die Steuerung des Drehmoments, wobei die Drehzahl des Elektromotors indirekt daraus abgeleitet wird. Das Verfahren schätzt den Magnetfluss und das Drehmoment des Motors aus der Messung der ihm zugeführten Spannungen und Ströme. Wenn das Drehmoment oder der Durchfluss außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs liegt, werden die Transistoren des Wechselrichters in den nächsten Zustand geschaltet, um so schnell wie möglich innerhalb des Bereichs zurückzukehren.
Es wurde 1984 erfunden. Ursprünglich für asynchrone Maschinen reserviert, ermöglichen Varianten die Verwendung für synchrone Maschinen.
Es bietet eine sehr gute dynamische Leistung und hat eine niedrige Schaltfrequenz und damit geringe Verluste. Es ist auch sehr robust. Es erfordert jedoch Sensoren von guter Qualität und einen Controller, der leistungsfähig genug ist, um den Algorithmus alle 10 bis 30 µs berechnen zu können . Es ist daher relativ teuer. Es konkurriert mit der Vektorkontrolle .
Der magnetische Fluss des Stators wird durch Integrieren der den Stator versorgenden Spannung geschätzt. Das Drehmoment wird geschätzt, indem berücksichtigt wird, dass es das Produkt des Flussvektors und des Stromvektors ist. Der Durchfluss wird dann mit seinem Sollwert verglichen. Wenn das Drehmoment oder der Durchfluss außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs liegt, werden die Transistoren des Wechselrichters in den nächsten Zustand geschaltet, um so schnell wie möglich innerhalb des Bereichs zurückzukehren. Es ist daher eine Kontrolle durch Hysterese .
Eines der Ziele der direkten Drehmomentregelung besteht darin, die Schaltfrequenz des Wechselrichters so weit wie möglich zu reduzieren. Zum anderen benötigt der Betrieb keine konstante Gleichspannung am Eingang des Wechselrichters. Dadurch wird eine teure Glättungskapazität eingespart.
Das direkte Drehmomentregelungsverfahren wurde von Manfred Depenbrock sowohl in den USA als auch in Deutschland patentiert. Die Patentanmeldung stammt aus20. Oktober 1984. Der Begriff, der zur Bezeichnung der Methode verwendet wird, ist direkte Selbstkontrolle (DSC) oder direkte Selbstkontrolle. Im September 1984 beschrieben Isao Takahashi und Toshihiko Noguchi in einer IEEJ-Veröffentlichung eine ähnliche Methode, die als direkte Drehmomentregelung (DTC) bezeichnet wird. Die Erfindung wird daher allgemein den drei Forschern zugeschrieben.
Der einzige Unterschied zwischen dem DTC und dem DSC ist die Form der Spur, die die Entwicklung des Flussvektors bestimmt. Bei der ersten Methode ist sie fast kreisförmig, während sie bei der anderen ein Sechseck bildet. Infolgedessen ist die Schaltfrequenz für DTC höher als für DSC. Das erste ist daher besser für Systeme mit niedriger und mittlerer Leistung geeignet, während das zweite für große Leistungen geeignet ist.
Das Verfahren wird aufgrund seiner großen Einfachheit und seiner sehr hohen Leistung mit einer sehr schnellen Reaktion in Fluss und Drehmoment zur Steuerung von Asynchronmotoren verwendet.
Die ersten kommerziellen Produkte, die diese Methode verwenden, sind Traktionssysteme der ABB-Gruppe , die für die Ausstattung der Hybridlokomotiven DE502 und DE10023 ausgelegt sind. 1995 wurde die ACS600-Familie von Frequenzumrichtern eingeführt, die diese Methode verwendet.
Das Verfahren wurde auch zur Steuerung von HVDCs verwendet, die an das elektrische Hochspannungsnetz angeschlossen sind, das sich in erster Näherung wie eine rotierende Maschine verhält. Das Verfahren kann für Gleichrichter und Wechselrichter verwendet werden. Der gelieferte Strom hat eine sinusförmige Grundwelle, der Leistungsfaktor kann nach Bedarf eingestellt werden.
Das Verfahren wurde Ende der 90er Jahre auf Permanentmagnet-Synchronmotoren und Ende der 2010er Jahre auf Reluktanzmotoren ausgedehnt. Anfang der 2000er Jahre wurde es auch für Maschinen mit doppelter Erregung verwendet. Das Verfahren wurde schrittweise verbessert, beispielsweise durch Verwendung eines räumlichen Vektors Modulation , die es ermöglicht, eine konstante Schaltfrequenz zu erhalten.
Der Ablauf des Depenbrock-Patents Mitte der 2000er Jahre ermöglichte es anderen Unternehmen als ABB, die Technologie zu nutzen.
Ein dreiphasiger Alles-oder-Nichts-Wechselrichter besteht aus sechs Transistoren (siehe nebenstehende Abbildung), um jede der drei Phasen zu versorgen. zwei Zu keinem Zeitpunkt sollten zwei in Reihe geschaltete Schalter (z. B. A- und A +) gleichzeitig geschlossen werden, da sonst ein Kurzschluss auftreten kann . Unter der Annahme, dass mindestens einer der Reihenschalter noch geschlossen ist, erhalten wir acht mögliche Zustände: sechs aktive und zwei Freilaufzustände, bei denen die Spannung Null ist.
Vektor | A + | B + | C + | A - | B - | C - | V AB | V BC | V AC | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
V 0 = {000} | AUS | AUS | AUS | WIR | WIR | WIR | 0 | 0 | 0 | Freilaufvektor |
V 1 = {100} | WIR | AUS | AUS | AUS | WIR | WIR | + V dc | 0 | −V DC | aktiver Vektor |
V 2 = {110} | WIR | WIR | AUS | AUS | AUS | WIR | 0 | + V dc | −V DC | aktiver Vektor |
V 3 = {010} | AUS | WIR | AUS | WIR | AUS | WIR | −V DC | + V dc | 0 | aktiver Vektor |
V 4 = {011} | AUS | WIR | WIR | WIR | AUS | AUS | −V DC | 0 | + V dc | aktiver Vektor |
V 5 = {001} | AUS | AUS | WIR | WIR | WIR | AUS | 0 | −V DC | + V dc | aktiver Vektor |
V 6 = {101} | WIR | AUS | WIR | AUS | WIR | AUS | + V dc | −V DC | 0 | aktiver Vektor |
V 7 = {111} | WIR | WIR | WIR | AUS | AUS | AUS | 0 | 0 | 0 | Freilaufvektor |
Die direkte Drehmomentregelung versucht mit Hilfe dieser acht Zustände, den Statorfluss auf einem vordefinierten Weg zu halten. Durch Hinzufügen des Flusses in einer Vektordarstellung der acht Zustände erhalten wir das entgegengesetzte Bild. Die Drehung der Spannung impliziert die Drehung der Strömung. Denken Sie daran, Druck und Durchfluss sind an das Faradaysche Gesetz gebunden : . Der Durchfluss innerhalb der rotierenden Maschine wird daher durch die Spannungsregelung bestimmt. Das Drehmoment wird durch die Geschwindigkeit definiert, mit der sich die Strömung auf diesem Weg bewegt. Die beiden Freilaufzustände ermöglichen es, die Amplitude der dem Motor zugeführten Spannung einzustellen.
Die Modulation wird daher versuchen, die Spannung als Funktion eines rotierenden Flusssollwerts in einem Alpha-Beta-Referenzrahmen umzuschalten. Die Operation ist daher ähnlich der räumlichen Vektormethode , mit dem Unterschied, dass der Sollwert ein Durchfluss und keine Spannung ist. Wenn die Projektion des Flusses auf die β-Achse einen vordefinierten Wert erreicht, wird die Spannung in den nächsten Zustand geschaltet. Das Hysteresefilter vergleicht dann den Flusswert mit dem Referenzwert. Es gibt daher keinen Modulator mit einer festen Schaltfrequenz wie beispielsweise bei der Vektorsteuerung.
Parallel dazu vergleicht ein anderes Hysteresefilter das erhaltene Drehmoment mit dem der Referenz. Wenn das Drehmoment nicht ausreicht, wird einer der Freilaufzustände aktiviert.
Die Transistoren werden daher nur geschaltet, wenn das Drehmoment oder der Fluss von ihrem Referenzwert abweicht. Dies ermöglicht es, die Schaltfrequenz und damit die Verluste stark zu reduzieren. Die erste hängt hauptsächlich von der rotierenden Maschine ab. Es ist möglich, einen Regler hinzuzufügen, der den Toleranzbereich der Hysteresefilter entsprechend der Schaltfrequenz verwaltet und so eine optimale Steuerung findet, ohne eine bestimmte Schaltfrequenz zu überschreiten.
Die direkte Drehmomentregelung hängt in hohem Maße von der Kenntnis des Flusses und des Moments in der Maschine ab. Das mathematische Modell des letzteren und seine Parameter sind daher für den Algorithmus wesentlich, um diese beiden Werte als Funktion des Stroms und der Spannung abzuschätzen.
Die direkte Drehmomentregelung funktioniert ohne Drehzahlsensor einwandfrei. Die Flussschätzung wird jedoch im Allgemeinen durch Integrieren der dem Motor zugeführten Spannung berechnet. Aufgrund von Fehlern bei der Messung der Spannung und bei der Kenntnis des Statorwiderstands neigt dieses Integral dazu, bei niedriger Geschwindigkeit fehlerhaft zu werden. Es ist nicht möglich, den Motor zu steuern, wenn die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters Null ist. Durch die ordnungsgemäße Auslegung des Steuerungssystems wird eine Mindestfrequenz von ca. 0,5 Hz erreicht . Dies reicht aus, um einen Asynchronmotor mit maximalem Drehmoment im Stillstand zu starten. Eine Umkehrung der Drehrichtung ist auch unter der Bedingung möglich, dass schnell von einer positiven Geschwindigkeit zu einer negativen Geschwindigkeit gewechselt wird, ohne in der Zone nahe Null zu bleiben. Wenn ein Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit erforderlich ist, kann ein Geschwindigkeitssensor hinzugefügt werden. In diesem Fall arbeitet die Steuerung über den gesamten Geschwindigkeitsbereich einwandfrei.
Für elektrische Frequenzumrichter gibt es unterschiedliche Regelstrategien. Der folgende Baum gibt einen Überblick (die Abkürzungen sind in Englisch):
Die direkte Drehmomentregelung bietet folgende Vorteile (gegenüber der Vektorregelung):
Die direkte Drehmomentregelung hat folgende Nachteile:
Die Vektorkontrolle ist eine weitere sehr weit verbreitete Methode, die es ermöglicht, gute Leistungen zu erzielen. Die folgende Tabelle fasst die Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Methoden zusammen:
Eigentum | Direkte Drehmomentregelung | Vektorregelung |
---|---|---|
Dynamische Reaktion auf einen Drehmomentschritt | Sehr schnell | Schnell |
Koordinatensystem | Alpha, Beta (Stator) | d, q (Rotor) |
Verhalten bei niedriger Geschwindigkeit (<5% vom Nennwert) | Benötigen Sie einen Geschwindigkeitssensor für kontinuierliches Bremsen | Gut mit Positions- oder Geschwindigkeitssensor |
Kontrollierte Variablen | Drehmoment und Statorfluss | Rotorfluss, Rotorstrom iq für die Drehmomentregelung, Rotorstrom id für die Flussregelung |
Oszillation der verschiedenen Variablen | Niedrig (wenn der Stromsensor von guter Qualität ist) | Niedrig |
Parameter mit dem größten Einfluss (ohne Sensor) | Statorwiderstand | Induktivitäten d und q, Rotorwiderstand |
Parameter mit dem größten Einfluss (geschlossener Regelkreis) | Induktivitäten d, q, Fluss (bei niedriger Geschwindigkeit) | Induktivitäten d, q, Rotorwiderstand |
Rotorpositionsmessung | Nicht benötigt | Erforderlich (Sensor oder Schätzung) |
Stromregelung | Nicht benötigt | Erforderlich |
PWM-Modulation | Nicht benötigt | Erforderlich |
Änderung der Kontaktdaten | Nicht benötigt | Erforderlich |
Schaltfrequenz | Variable | Konstante |
Schaltverluste | Sehr niedrig (wenn der Stromsensor von guter Qualität ist) | Niedrig |
Lärm | Brutzeln über ein breites Spektrum | Rauschen mit konstanter Frequenz, Zischen |
Verordnung | Drehzahl (PID-Regler) | Drehzahl (PID-Regler), Rotorfluss (PI), Strom-ID und iq (PI) |
Komplexität des Algorithmus | Niedrig | Groß |
Maximales Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Berechnungen des Algorithmus | 10-30 Mikrosekunden | 100-500 Mikrosekunden |