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Control directo del par

El control directo del par ( DTC ) es un método utilizado en los variadores de frecuencia para controlar el par (y, por tanto, finalmente la velocidad ) de los motores eléctricos de CA trifásicos . Esto implica calcular una estimación del flujo magnético y el par del motor en función del voltaje y la corriente medidos del motor.

Plataforma de control DTC

El enlace del flujo del estator se estima integrando los voltajes del estator . El par se estima como un producto cruzado del vector de enlace de flujo del estator estimado y el vector de corriente del motor medido . La magnitud del flujo y el par estimados luego se comparan con sus valores de referencia . Si el flujo o el par estimado se desvía demasiado de la tolerancia de referencia , los transistores del variador de frecuencia se apagan y encienden de tal manera que los errores de flujo y par regresen a sus bandas tolerantes lo más rápido posible. Por tanto, el control directo del par es una forma de histéresis o control bang-bang .

Descripción general de las principales plataformas de control VFD de la competencia:

Las propiedades del DTC se pueden caracterizar de la siguiente manera:

Estas aparentes ventajas del DTC se ven compensadas por la necesidad de una frecuencia de muestreo más alta (hasta 40 kHz en comparación con 6-15 kHz para el FOC), lo que conduce a una mayor pérdida de conmutación en el inversor; un modelo motor más complejo; y ondulación de torsión inferior. [1]

El método de torsión directa funciona muy bien incluso sin sensores de velocidad . Sin embargo, la estimación del flujo suele basarse en la integración de las tensiones de fase del motor. Debido a los errores inevitables en la medición de voltaje y en la estimación de la resistencia del estator, las integrales tienden a volverse erróneas a baja velocidad. Por lo tanto, no es posible controlar el motor si la frecuencia de salida del variador de frecuencia es cero. Sin embargo, mediante un diseño cuidadoso del sistema de control es posible tener la frecuencia mínima en el rango de 0,5 Hz a 1 Hz que sea suficiente para hacer posible arrancar un motor de inducción con el par máximo desde una situación de parada. También es posible invertir la dirección de rotación si la velocidad pasa por el rango cero lo suficientemente rápido como para evitar una desviación excesiva de la estimación del flujo.

Si se requiere un funcionamiento continuo a bajas velocidades, incluido el funcionamiento de frecuencia cero, se puede agregar un sensor de velocidad o posición al sistema DTC. Con el sensor, se puede mantener una alta precisión del control de par y velocidad en todo el rango de velocidad.

Historia

El DTC fue patentado por Manfred Depenbrock en los EE. UU. [2] y en Alemania, [3] esta última patente se presentó el 20 de octubre de 1984 y ambas patentes se denominaron autocontrol directo (DSC). Sin embargo, Isao Takahashi y Toshihiko Noguchi describieron una técnica de control similar denominada DTC en un artículo del IEEJ presentado en septiembre de 1984 [4] y en un artículo del IEEE publicado a finales de 1986. [5] Por lo tanto, la innovación del DTC generalmente se atribuye a los tres individuos.

La única diferencia entre DTC y DSC es la forma del camino a lo largo del cual se controla el vector de flujo, siendo el primero casi circular mientras que el segundo es hexagonal, de modo que la frecuencia de conmutación del DTC es mayor que la del DSC. En consecuencia, el DTC está dirigido a unidades de potencia baja a media, mientras que el DSC se utiliza normalmente para unidades de potencia más alta. [6] (Para simplificar, el resto del artículo solo utiliza el término DTC).

Desde sus aplicaciones de introducción a mediados de la década de 1980, el DTC se ha utilizado con ventaja debido a su simplicidad y respuesta de control de flujo y par muy rápida para aplicaciones de accionamiento de motores de inducción (IM) de alto rendimiento.

El DTC también se estudió en la tesis de Baader de 1989, que proporciona un muy buen tratamiento del tema. [7]

Los primeros productos DTC comerciales de gran éxito, desarrollados por ABB , incluyeron aplicaciones de tracción a finales de la década de 1980 para las locomotoras diésel-eléctricas alemanas DE502 [1][2] y DE10023 [3] [8] y el lanzamiento en 1995 de la familia de variadores ACS600. Desde entonces, los convertidores ACS600 han sido sustituidos por convertidores ACS800 [9] y ACS880. [10] Vas, [11] Tiitinen et al. [12] y Nash [13] proporcionan un buen tratamiento de ACS600 y DTC.

El DTC también se ha aplicado al control del convertidor del lado de la red trifásico . [14] [15] El convertidor del lado de la red tiene una estructura idéntica al inversor de transistores que controla la máquina. Por lo tanto, además de rectificar CA a CC, también puede devolver energía de CC a la red de CA. Además, la forma de onda de las corrientes de fase es muy sinusoidal y el factor de potencia se puede ajustar según se desee. En la versión DTC del convertidor del lado de la red, la red se considera una gran máquina eléctrica.

Las técnicas DTC para la máquina síncrona de imanes permanentes interiores (IPMSM) se introdujeron a finales de la década de 1990 [16] y los motores síncronos de reluctancia (SynRM) en la década de 2010. [17]

El DTC se aplicó al control de máquinas de doble alimentación a principios de la década de 2000. [18] Los generadores de doble alimentación se utilizan comúnmente en aplicaciones de turbinas eólicas de 1 a 3 MW .

Dado el excelente rendimiento de control de par del DTC, fue sorprendente que la primera familia de servovariadores de ABB, el ACSM1, se presentara recién en 2007. [19] De hecho, dado que la implementación del DTC requiere hardware más sofisticado para proporcionar rendimientos comparables al FOC, su primer FOC industrial La solicitud llegó mucho más tarde.

Desde finales de la década de 1990 se han publicado varios artículos sobre DTC y sus modificaciones, como la modulación vectorial espacial, [20] que ofrece una frecuencia de conmutación constante.

A la luz de la expiración de las patentes clave de DTC de Depenbrock a mediados de la década de 2000, es posible que otras empresas además de ABB hayan incluido características similares a DTC en sus unidades. [ cita necesaria ]

Ver también

Referencias

  1. ^ Hughes, Austin; Drury, Bill (2013). "Operación de frecuencia variable de motores de inducción". Motores y accionamientos eléctricos . págs. 205–253. doi :10.1016/B978-0-08-098332-5.00007-3. ISBN 978-0-08-098332-5. S2CID  107929117.
  2. ^ Depenbrock, Manfred. "US4678248 Autocontrol directo del flujo y momento giratorio de una máquina de campo giratorio".
  3. ^ Depenbrock, Manfred. «DE3438504 (A1) - Método y dispositivo para el control de una máquina de campo giratoria» . Consultado el 13 de noviembre de 2012 .
  4. ^ Noguchi, Toshihiko; Takahashi, Isao (septiembre de 1984). "Control de respuesta rápida de par de un motor de inducción basado en un nuevo concepto". Jornadas Técnicas IEEJ sobre Máquina Rotativa RM84-76 . págs. 61–70.
  5. ^ Takahashi, Isao; Noguchi, Toshihiko (septiembre de 1986). "Una nueva estrategia de control de alta eficiencia y respuesta rápida de un motor de inducción". Transacciones IEEE sobre aplicaciones industriales . IA-22 (5): 820–827. doi :10.1109/tia.1986.4504799. S2CID  9684520.
  6. ^ Foo, Gilbert (2010). Control directo de flujo y par sin sensores de motores síncronos de imanes permanentes interiores a velocidades muy bajas, incluida la parada (tesis). Sydney, Australia: Universidad de Nueva Gales del Sur.
  7. ^ Baader, Uwe (1988). Die Direkte-Selbstregelung (DSR), ein Verfahren zur hochdynamischen Regelung von Drehfeldmaschinen [ Autorregulación directa (DSR), un proceso para la regulación altamente dinámica de máquinas de inducción ] (en alemán). Editorial VDI. ISBN 978-3-18-143521-2.[ página necesaria ]
  8. ^ Jänecke, M.; Kremer, R.; Steuerwald, G. (9 a 12 de octubre de 1989). "Autocontrol directo (DSC), un método novedoso para controlar máquinas asíncronas en aplicaciones de tracción". Actas EPE . 1 : 75–81.
  9. ^ "ACS800: la nueva cartera de unidades totalmente compatibles" . Consultado el 14 de noviembre de 2012 .
  10. ^ Lönnberg, M.; Lindgren, P. (2011). "Armonización de variadores: la fuerza impulsora detrás de la arquitectura de variadores totalmente compatibles de ABB" (PDF) . Revisión de ABB (2): 63–65.[ enlace muerto permanente ]
  11. ^ Vas, Peter (1998). Control vectorial sin sensores y control de par directo . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-856465-2.[ página necesaria ]
  12. ^ Tiitinen, P.; Surandra, M. (1995). "El método de control de motores de próxima generación, el control directo de par DTC". Actas de la conferencia internacional sobre electrónica de potencia, accionamientos y sistemas de energía para el crecimiento industrial . vol. 1. págs. 37–43. doi :10.1109/pedes.1996.537279. ISBN 978-0-7803-2795-5. S2CID  60918465.
  13. ^ Nash, JN (1997). "Control directo de par, control vectorial de motores de inducción sin codificador". Transacciones IEEE sobre aplicaciones industriales . 33 (2): 333–341. doi : 10.1109/28.567792.
  14. ^ Harmoinen, Martti; Manninen, Vesa; Pohjalainen, Pasi; Tiitinen, Pekka (17 de agosto de 1999). "Método US5940286 para controlar la energía que se transferirá mediante un inversor de red" . Consultado el 13 de noviembre de 2012 . {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
  15. ^ Manninen, V. (19 a 21 de septiembre de 1995). "Aplicación de modulación de control directo de par a un convertidor de línea". Actas de EPE 95, Sevilla, España : 1292–1296.
  16. ^ Francés, C.; Acarnley, P. (1996). "Control directo de par de accionamientos de imanes permanentes". Transacciones IEEE sobre aplicaciones industriales . 32 (5): 1080–1088. doi : 10.1109/28.536869.
  17. ^ Lendenmann, Heinz; Moghaddam, Reza R.; Tammi, Ari (2011). "Conducir por delante". Revisión de ABB . Archivado desde el original el 7 de enero de 2014 . Consultado el 7 de enero de 2014 .
  18. ^ Gokhale, Kalyan P.; Karraker, Douglas W.; Heikkil, Samuli J. (10 de septiembre de 2002). "Controlador US6448735 para una máquina de inducción de anillos colectores de rotor bobinado" . Consultado el 14 de noviembre de 2012 . {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
  19. ^ "DSCM1 - Unidades de maquinaria de alto rendimiento" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 18 de octubre de 2011 . Consultado el 18 de octubre de 2011 .
  20. ^ Lascu, C.; Boldea, I.; Blaabjerg, F. (1998). "Un control de par directo (DTC) modificado para accionamiento sin sensor de motor de inducción". Registro de la conferencia de aplicaciones industriales IEEE de 1998. Trigésima tercera reunión anual de la NIC (n.º de catálogo 98CH36242) . vol. 1. págs. 415–422. doi :10.1109/ias.1998.732336. ISBN 0-7803-4943-1.