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ABB White Paper DTC - library.e.abb.com ? Â· 4 DTC | ABB White Paper ABB White Paper | DTC 5 Der...
Date post:05-Feb-2018
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  • White Paper

    DTCEine Motorregelungstechnik fr alle Bedingungen

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    DTCEine Motorregelungstechnik fr alle Bedingungen

    Drehzahlgeregelte Antriebe (VSD) ermglichen bei Elektromotoren eine unbertroffene Leistung und bieten durch Anpassung der Motordrehzahl und des Drehmoments an die Anforderungen der Arbeitsmaschine erhebliche Energieeinsparungen. Die meisten drehzahlgeregelten Antriebe auf dem Markt setzen auf eine Modulatorstufe, die Spannungen und Frequenzen regelt, jedoch die Regelungssignale nur verzgert verarbeitet. Im Gegensatz hierzu verwenden die Premium- Frequenzumrichter von ABB die innovative direkte Drehmomentregelung (DTC), die das Dreh- momentverhalten des Motors deutlich verbessert. Die DTC-Technik bietet noch weitere Vorteile bis hin zu Funktionen auf der Anlagenebene.

    Elektromotoren sind bei modernen Produktionsanlagen z. B. in der Metallverarbeitung, robotergesteuerten Fertigungszellen oder Gebude und Broautomatisierungssystemen hufig die trei bende Kraft. Die heutigen Motoren haben sicherlich vom Fortschritt bei den elektrischen Materialien, der Fertigungseffizienz und Analysewerkzeugen profitiert. Jedoch sind die Konstruktionsprinzipien bei den DrehstromAsynchronmotoren, den Arbeitspferden, seit mehr als 100 Jahren unverndert. Die bemerkenswerte Leistung dieser Motoren bei heutigen Anwendungen kommt von der modernen elektronischen Regelung den Frequenzumrichtern und exakten Motormodellen, deren kom plexe Regelungsalgorithmen von digitalen Hochleistungssignalprozessoren schnell ausgefhrt wer den knnen. Auerdem hat die Entwicklung der Frequenzumrichter den Einsatz neuer Drehstrom motorTechnologien wie Permanent magnetSynchronmotoren und Synchronreluktanzmotoren er mglicht.

    Zunchst erweckten die Gleichstrommotoren die Aufmerksamkeit der Antriebsentwickler. Mit einer deutlich lngeren Historie als ihre Verwandten, die Wechselstrommotoren, ermglichten die Gleichstrommotoren eine einfache Drehzahl und Drehmomentregelung. Jedoch erwiesen sich die hheren Motorkosten, eine komplexere Konstruk

    tion mit einem mechanischen Kommutator und die Probleme bei der Brstenwartung als nachteilig fr Gleichstrommotoren.

    Asynchronmotoren sind robuster und einfacher in der Konstruktion, kostengnstiger und wartungsfreundlicher Merkmale, die zu der weltweiten Verbreitung dieser Motoren gefhrt haben. Anderer seits ist jedoch die Regelung von Asynchronmotoren schwieriger. Eine exakte Drehzahlregelung und besonders die Drehmomentregelung waren mit den ersten Frequenzumrichtern noch schwer realisierbar. Natrlich wollten die ersten Konstrukteure mit den Frequenzumrichtern die einfache Drehmomentregelung der Stromrichter durch Nutzung des Ankerstroms nachahmen. Im Laufe der Zeit wurden die Frequenzumrichter verbessert und wiesen eine hhere Dynamik auf. (Eine krzlich gefhrte, beachtenswerte Diskussion ber die verschiedenen vorhandenen FrequenzumrichterRegelungsverfahren ist in Ref. 1 enthalten.)In den 1980erJahren arbeiteten die meisten Hochleistungsfrequenzumrichter mit der Pulswei ten modulation (PWM). Eine Folge der Verwendung einer Modulatorstufe ist jedoch die Verzgerung und die Notwendigkeit, die gemessenen Strme bei der Ausfhrung der Motorregelungsbefehle zu filtern wodurch sich die Drehmomentantwort verlangsamt.

    Im Gegensatz hierzu verfolgte ABB einen anderen Ansatz bei der Hochleistungsmotorregelung. Bei Frequenzumrichtern fr anspruchsvolle Anwendungen verwendet ABB eine innovative Technologie, die sich Direkte Drehmomentregelung (DTC) nennt. Bei diesem Verfahren wird das Drehmoment direkt geregelt, anstatt zu versuchen, die Strme wie bei Stromrichtern zu regeln. Das erhht die Genauigkeit bei der Erfllung der Lastanforderungen des angetriebenen Systems. Durch DTC, die von einem der Grndungsunternehmen von ABB entwickelte und Mitte der 1980er Jahre patentierte Technik, entfllt die Notwendigkeit einer gesonderten Modulatorstufe, sodass sich eine Regelungsdynamik nahe dem theoretischen Maximum ergibt.

    ABB hat 1995 seinen ersten Frequenzumrichter fr die Industrie mit direkter Drehmomentregelung auf den Markt gebracht (Ref. 2).

    Im Prinzip war DTC bereits 1995 eine fhrende Technologie, aber weitere Entwicklungen in der Ver arbeitungsleistung von Prozessoren, bei Kommunikationsschnittstellen, der Anwendungsprogrammie rung usw. haben eine hher Leistung ermglicht, die zu einer Verbesserung der Motorregelung in einem breiten Anwendungsspektrum fhrte.

    Wozu DTC?Neben der hervorragenden Drehmomentantwort bietet DTC dem Kunden weitere Vorteile: Bei 95 % der Anwendungen besteht keine

    Notwendigkeit fr eine Motordrehzahl oder Lagerckfhrung. Deshalb sind keine teueren Drehgeber oder andere Rckfhrungsgerte notwendig.

    Die DTCRegelung gibt es fr verschiedene Motortypen einschlielich Permanentmagnetmotoren und die neuen Synchronreluktanz motoren.

    Exakte Drehmoment und Drehzahlregelung auch bei niedrigen Drehzahlen sowie volles Anlaufmoment bis zur Nulldrehzahl.

    Exzellente Drehmomentlinearitt. Hohe statische und dynamische Drehzahl

    genauigkeit. Keine voreingestellte Schaltfrequenz. Fr jeden

    Regelungszyklus wird die optimale Transistorschaltung ermittelt, sodass der Antrieb sich schneller an die Anforderungen der Arbeits maschine anpassen kann.

    In einem greren Zusammenhang gesehen reichen die Vorteile der DTC in den Bereich der Soft ware, der Benutzerschnittstellen, der Wartung und der Systemmerkmale hinein.

    Wie der Name sagt, ist es das Ziel der DTC, den Motorfluss und das Drehmoment direkt zu regeln, anstatt zu versuchen, diese Gren indirekt wie im Fall der Stromrichter und vektorgeregelten An triebe zu regeln. Separate Drehmoment und Drehzahlregelkreise bilden das DTCSystem, arbeiten aber auf integrierte Weise zusammen (siehe Abb. 1).

    Abb. 1: bersichtsschaltbild DTC

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    Der Kern der DTC ist der Drehmomentregelkreis, in dem ein komplexes, adaptives Motormodell wei terentwickelte, mathematische Algorithmen zur Vorhersage des Motorstatus verwendet. Die primren Regelgren Statorfluss und Dreh moment werden von dem Motormodell anhand der Motor phasenstrme und der DCZwischenkreisspannung sowie des Status der Schalttransistoren im Fre quenzumrichter exakt berechnet. Das Motormodell berechnet auch die Wellendrehzahl. Durch die Temperaturkompensation kann die Genauigkeit der Berechnung auch ohne Inkremental geber ver bessert werden.

    Weitere Motorparameter werden bei der Inbetriebnahme whrend des Motoridentifikationslaufs automatisch in das adaptive Modell eingegeben. In vielen Fllen kann die ModellparameterIdentifikation ohne Drehen der Motorwelle durchgefhrt werden. Zur Feinabstimmung des Motormodells, die nur bei wenigen Applikationen mit speziellen Anforderungen notwendig ist, muss der Motor drehen, dann aber nur kurzzeitig und ohne Last. Der Stnderwiderstand (Spannungsabfall) ist der einzige und einfach messbare Parameter, der fr die Berechnung des Magnetflusses des Motors bentigt wird. Das Motordrehmoment kann dann als Kreuzprodukt der Statorfluss und Statorstromvektoren berechnet werden. Whrend der Stnderwiderstand die Hauptquelle eines Berechnungsfehlers ist, sinkt sein Einfluss mit zunehmender Mo tordrehzahl und Spannung. Somit zeichnet sich die DTC durch eine hervorragende Drehmomentgenauigkeit ber einen weiten Drehzahlbereich aus. Auerdem verfgt DTC ber weitere Mglichkeiten zur Minimierung des Berechnungsfehlers bei niedriger Motordrehzahl.

    Die Ausgangssignale des Motormodells die den Statorfluss und DrehmomentIstwert wieder geben gehen in den Flussvergleicher bzw. den Drehmomentkomparator ein (Abb. 1). Diese separaten Regelungseinheiten vergleichen ihre Eingnge mit dem Fluss und Drehmomentsollwert. Bereits Mitte der 1990erJahre fhrten die ersten

    DTCgeregelten Antriebe diese Funktionen alle 25 Mikro sekunden (s) mithilfe eines digitalen Hochgeschwindigkeitsprozessors aus (DSP). Bei der neuesten Regelungsgeneration wurde das Intervall auf 12,5 s verkrzt und so die Regelungsleistung weiter verbessert. Jeder Vergleicher versucht, seine Fluss oder DrehmomentvektorMagnitude innerhalb eines engen Hysteresebandes um den Sollwert herum zu halten. Die schnelle Drehmomentantwort ohne Regelbereichsberschreitung der DTC stammt teilweise von der Fhigkeit, diese Vektorfluktua tionen zu minimieren. Die auergewhnlich gute Motorreaktion ist auch durch die DSPRegelungs algorithmen bedingt, die das adaptive Motormodell mit derselben hohen Taktrate aktualisieren. Fluss und Drehmomentfehler Differenzen zwischen den berechneten Werten und den Sollwerten und die Winkelposition (oder der sektor) des Statorflussvektors werden in den Hysteresereglern zur Berechnung des Fluss und Dreh momentstatus verwendet. Dann werden diese Statuswerte zu Eingngen in den Optimalimpulsselektor, in dem der optimale Spannungsvektor aus der Tabelle ein gestellt wird (Abb. 1). So knnen die optimalen Signalimpulse fr jeden Regelungszyklus an die Last schalter im Wechselrichter gesendet werden, um das przise Motordreh moment zu erhalten oder beizubehalten.

    Eine Art programmierbarer Logik ein soge nanntes feldprogrammierbares Gate Array (FPGA) untersttzt den DSP bei der Bestimmung der WechselrichterSchaltlogik und anderen Aufgaben. Das FPGA ermglicht Regelungsmodifikationen oder eine Aktualisierung der Frequenzumrichterkonstruk tion im Gegensatz zu einer anwendungsspezifischen, integrierten Schaltung (ASIC), die, sofern sie verwendet wird, unvernderlich ist. Der Drehzahlregelkreis, der die brigen DTC Funktionsbausteine enthlt, wird in Anhang 1 beschrieben.

    Leistungsindikatoren DTC bietet Kunden berlegene Leistungsmerkmale verglichen mit den Antriebsverfahren der Wettbewerber. Da es ein geberloses (Drehzahlberechnung anstelle einer Messung) Regelungsverfa

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