DTC technológia – špičkové riešenie na riadenie pohonov

Aplikácia patentovanej technológie DTC (DirectTorqueControl) výrazne zmenila pohľad na reguláciu pohonov. V porovnaní s klasickým vektorovým riadením ostatných výrobcov frekvenčných meničov priniesla technológia DTC v podaní ABB podstatnú zmenu v kvalite riadenia. Na nesporné výhody, úspory a presnosť technológie aplikovanej do produktov a riešení ABB poukážeme v nasledujúcom príspevku.
DTC technológia – špičkové riešenie na riadenie pohonov

Frekvenčné meniče zabezpečili bezprecedentné zlepšenie vo využití elektrických motorov a umožnili výrazné energetické úspory tým, že dokázali zladiť požiadavky poháňaných zariadení z hľadiska rýchlosti a momentu s možnosťami motorov. Väčšina meničov frekvencie na súčasnom trhu pracuje na princípe šírkovo impulznej modulácie. Modulátorový stupeň generuje napätie a frekvenciu pre motor, ale sám o sebe vnáša do systému riadenia vlastné oneskorenie. V protiklade s tým meniče ABB prinášajú inovatívne priame riadenie momentu (DTC), ktoré výrazne zrýchľuje momentovú reakciu motora.

Ako už naznačuje samotný názov, DTC priamo riadi magnetický tok aj moment motora namiesto nepriameho riadenia prúdu motora reguláciou napätia, ako je to pri ostatných vektorových striedavých a jednosmerných meničoch. Technológia DTC znamená vyššiu presnosť pri zosúladení požiadaviek poháňaného systému so samotným pohonom a eliminuje potrebu modulátora. Umožňuje tým dosiahnutie dynamiky riadenia až na hranici teoretického maxima motora.

Od prvej aplikácie technológie DTC vo frekvenčnom meniči spoločnosti ABB, ktorý už v čase svojho uvedenia na trh v roku 1995 znamenal najvyspelejší spôsob riadenia, prešla technológia ďalším inovačným procesom. Okrem zvýšenia výpočtového výkonu priniesol zmeny v aplikačnom programovaní a komunikačnom rozhraní, čím sa vytvoril predpoklad kontinuálneho zlepšovania kvality DTC riadenia. Dnes dosahuje špičkovú kvalitu a je vhodné pre široký rozsah aplikácií.

Prečo DTC?

Excelentná momentová reakcia je len jednou z viacerých predností DTC. Táto technológia poskytuje viacero výhod:

  • V prípade 95 % aplikácií nie je potrebná otáčková spätná väzba, čím sa dá vyhnúť relatívne nákladnej montáži otáčkových snímačov.
  • DTC je k dispozícii pre viacero typov motorov – asynchrónne motory, motory s permanentnými magnetmi a najnovšie aj synchrónne reluktančné motory.
  • Výnimočne presné riadenie momentu a otáčok pri nízkej rýchlosti spolu s menovitým záberovým momentom od nulových otáčok.
  • Excelentná linearita momentu.
  • Vysoká statická a dynamická presnosť.
  • Neexistuje pojem spínacia frekvencia – optimálne spínanie tranzistorov je určené pre každý riadiaci cyklus. Pohon tým veľmi presne sleduje požiadavky technologického procesu.

Technológia DTC umožňuje riadiť magnetický tok motora a jeho moment priamo. Riadenie pozostáva z dvoch slučiek – momentovej a otáčkovej, navzájom integrovaných do jedného celku, ako ukazuje obr. 1.

Jadrom DTC je momentová riadiaca slučka, kde sa pomocou sofistikovaného modelu motora odhaduje jeho stav. Primárne riadené veličiny – statorový tok a moment motora – sú presne vypočítané v modeli motora použitím meraných hodnôt prúdov motora, napätia jednosmerného medziobvodu a stavu spínacích tranzistorov striedača. Model motora takisto počíta rýchlosť motora. Tepelná kompenzácia pomáha zvýšiť presnosť výpočtu bez potreby merania skutočných otáčok. Ostatné parametre motora si menič zisťuje sám počas identifikačného chodu motora.

Vo väčšine prípadov prebehne identifikácia motora bez potreby jeho otáčania, len v najnáročnejších aplikáciách treba motor roztočiť. Na odhad magnetického toku motora je jedinou a ľahko merateľnou veličinou odpor statora. Moment motora je potom vypočítaný ako vektorový súčin statorového toku a prúdu. Aj keď je hlavným zdrojom odchýlky odpor statora, jeho vplyv klesá s rastúcou rýchlosťou a otáčkami.

Výsledkom je excelentná presnosť momentu v širokom rozsahu rýchlostí. Navyše DTC obsahuje sofistikované algoritmy na minimalizovanie odchýlky pri nízkych otáčkach. Výstupné signály z modelu motora, ktoré reprezentujú magnetický tok a moment motora, sa porovnávajú s požadovanými hodnotami a na základe odchýlok sa generuje spínací stav pre výkonové tranzistory striedača. Už v roku 1995 prebehol tento cyklus za 25 µs. V najnovšej generácii meničov ABB – ACS880 prebehne tento cyklus za 12,5 µs.

DTC poskytuje podstatne vyššiu kvalitu riadenia ako ostatné metódy. Tým, že je bezsnímačové (meranie otáčok motora je nahradené výpočtom), nevyžaduje nákladné snímače otáčok. Typická dosiahnuteľná statická presnosť riadenia je ±0,1 %. Pri náročných aplikáciách s použitím enkodéra je dosiahnuteľná presnosť ±0,01 %. Dynamická presnosť riadenia (časový integrál odchýlky požadovanej a skutočnej rýchlosti pri 100 % momentovom skoku) je 0,3 – 0,4 % s, s enkodérom 0,1 % s, čím sa DTC dostáva na úroveň servopohonov! Momentová reakcia na 100 % zmenu momentu je typicky 1 – 5 ms, čo je na hranici fyzických možností motora!

V roku 2012 ABB vykonalo sériu meraní na najnovšej generácii meničov ABB ACS880 v porovnaní s predchádzajúcou generáciou ACS800. V teste bežal bez snímača otáčok 15 kW, 4-pólový asynchrónny motor s menovitým momentom v oblasti nízkych otáčok (6 % menovitých). Výsledky sú znázornené na obr. 2. Z obr. 2 vyplýva vynikajúca schopnosť pracovať pri nízkych otáčkach aj počas dlhších časových úsekov. V každom prípade ACS880 vykazuje nižšiu odchýlku, takže poskytuje vyššiu kvalitu riadenia ako predchádzajúca generácia.

DTC dnes, DTC zajtra...

Technológia riadenia DTC sa počas svojej 25-ročnej existencie neustále hardvérovo aj softvérovo zdokonaľovala a dopĺňala o nové progresívne vlastnosti vyplývajúce z technologického a vedeckého pokroku. Dnešné DTC meniče disponujú najnovšími DSP procesormi s najnovšími riadiacimi algoritmami, čo im v porovnaní s ich predchodcami umožňuje dosiahnuť ešte lepšie vlastnosti. Technológia DTC sa však vyvíja ďalej, spoločnosť ABB ju priebežne zdokonaľuje, testuje a novinky sa zavádzajú do praxe. Spoločnosť ABB ako líder v technologických inováciách implementuje do svojich produktov vždy najnovšie poznatky a výsledky inovačného procesu.

Tibor Baculák
ABB, s.r.o.
Sládkovičova 54
974 05 Banská Bystrica,
tibor.baculak@sk.abb.com