직접 토크 컨트롤

Direct torque control

직접 토크 컨트롤(DTC)은 3상 AC 전기 모터의 토크(그리고 최종적으로 속도)를 제어하기 위해 가변 주파수 구동에 사용되는 방법 중 하나입니다.여기에는 모터의 측정된 전압 및 전류를 기반으로 모터의 자속 및 토크를 추정하는 작업이 포함됩니다.

DTC 제어 플랫폼

스테이터 플럭스 링크는 스테이터 전압을 적산하여 추정됩니다.토크는 추정된 스테이터 플럭스 연동 벡터와 측정된 모터 전류 벡터의 교차곱으로 추정됩니다.그런 다음 추정 플럭스 크기와 토크를 기준 값과 비교합니다.추정 플럭스 또는 토크 중 하나가 기준 공차에서 너무 멀리 벗어날 경우 가변 주파수 구동의 트랜지스터는 플럭스 및 토크 오류가 가능한 한 빨리 허용 대역으로 복귀하도록 껐다 켜집니다.따라서 직접 토크 제어는 히스테리시스 또는 뱅뱅 제어의 한 형태입니다.

DTC block diagram.JPG

주요 경쟁 VFD 제어 플랫폼 개요:

VFD
스칼라 제어

V/f(주파수당 전압)

벡터 컨트롤

FOC(필드 지향 제어)

DTC(직접 토크 컨트롤)

DSC(다이렉트 셀프 컨트롤)

SVM(공간 벡터 변조)

DTC의 속성은 다음과 같이 특징지을 수 있습니다.

  • 기준을 변경하여 토크 및 플럭스를 매우 빠르게 변경할 수 있습니다.
  • 고효율 및 저손실 - 트랜지스터는 토크와 플럭스를 이력 대역 내에 유지해야 할 경우에만 스위칭되므로 스위칭 손실[de]이 최소화됩니다.
  • 단계 응답에 오버슈트가 없습니다.
  • 동적 좌표 변환이 필요하지 않으며, 모든 계산이 정지 좌표계에서 수행됩니다.
  • 별도의 모듈레이터가 필요하지 않으며, 이력 컨트롤이 스위치 컨트롤 신호를 직접 정의합니다. 신호를 직접 정의합니다.
  • 현재 PI 컨트롤러는 없습니다.따라서 컨트롤을 조정할 필요가 없습니다.
  • 트랜지스터의 스위칭 주파수는 일정하지 않습니다.그러나 공차대역의 폭을 제어함으로써 평균 전환 주파수를 대략 기준치로 유지할 수 있다.또한 전류 및 토크 리플을 작게 유지합니다.따라서 토크와 전류 리플은 스위칭 주파수가 동일한 벡터 제어 드라이브와 같은 크기입니다.
  • 히스테리시스 컨트롤로 인해 스위칭 프로세스는 본질적으로 랜덤입니다.따라서 현재 스펙트럼에는 피크가 없습니다.이는 기계의 청각적 소음이 낮다는 것을 의미합니다.
  • 중간 DC 회로의 전압 변동은 알고리즘에서 자동으로 고려됩니다(전압 적분).따라서 DC 전압 리플(에일리어싱) 또는 DC 전압 과도 현상으로 인해 문제가 발생하지 않습니다.
  • 회전 기계와의 동기화는 빠른 제어로 인해 간단하며, 토크 기준을 0으로 하고 인버터를 시동하기만 하면 됩니다.플럭스는 첫 번째 전류 펄스로 식별됩니다.
  • 디지털 제어 장비는 유속과 토크가 공차 대역에서 멀리 벗어나지 않도록 하기 위해 매우 빨라야 합니다.일반적으로 제어 알고리즘은 10~30마이크로초 또는 그보다 짧은 간격으로 수행해야 합니다.그러나 알고리즘이 단순하기 때문에 필요한 계산량은 적습니다.
  • 측정 신호의 스파이크는 잘못된 제어 동작을 일으키기 쉬우므로 현재 측정 장치는 노이즈가 없는 고품질이어야 합니다.더 복잡한 것은 저역 통과 필터링을 사용하여 노이즈를 제거할 수 없다는 것입니다. 필터링은 결과적인 실제 값을 지연시켜 이력 제어를 손상시키기 때문입니다.
  • 고정자 전압 측정은 플럭스 추정 오차를 줄이기 위해 가능한 한 낮은 오프셋 오차를 가져야 합니다.이러한 이유로 스테이터 전압은 일반적으로 측정된 DC 중간 회로 전압과 트랜지스터 컨트롤 신호로부터 추정됩니다.
  • 고속에서는 이 방법이 모터 파라미터에 민감하지 않습니다.그러나 저속에서는 스테이터 플럭스 추정에 사용되는 스테이터 저항 오차가 심각해집니다.

이러한 DTC의 명백한 장점은 더 높은 샘플링 속도(FOC의 6~15kHz에 비해 최대 40kHz)가 필요하기 때문에 상쇄되어 인버터의 스위칭 손실이 더 커지고 모터 모델이 더 복잡하며 토크 [1]리플이 더 낮아집니다.

다이렉트 토크 방식은 속도 센서가 없어도 매우 잘 작동합니다.그러나 플럭스 추정은 일반적으로 모터 위상 전압의 적분에 기초합니다.전압 측정 및 스테이터 저항의 불가피한 오류로 인해 저속에서는 적분이 잘못되는 경향이 있습니다.따라서 가변 주파수 드라이브의 출력 주파수가 0이면 모터를 제어할 수 없습니다.그러나 제어 시스템을 신중하게 설계하면 정지 상태에서 최대 토크로 유도 모터를 시동하기에 충분한 최소 주파수를 0.5Hz에서 1Hz 범위로 설정할 수 있습니다.속도가 과도한 플럭스 추정 편차를 방지할 수 있을 정도로 빠르게 제로 범위를 통과하면 회전 방향의 반전도 가능하다.

제로 주파수 작동을 포함한 저속에서 계속 작동해야 하는 경우 속도 또는 위치 센서를 DTC 시스템에 추가할 수 있습니다.이 센서를 사용하면 전체 속도 범위에서 토크 및 속도 제어의 높은 정확도를 유지할 수 있습니다.

역사

DTC는 미국에서[2] Manfred Depenbrock에 의해 특허를 받았으며 [3]독일에서는 1984년 10월 20일에 출원된 후 두 특허 모두 DSC(Direct Self Control)라고 불립니다.그러나, 타카하시 이사오씨와 노구치 토시히코씨는 1984년[4] 9월에 발표된 IEEEJ 논문이나 [5]1986년 후반에 발표된 IEEE 논문에서도, 같은 제어 기술인 DTC를 기술하고 있다.따라서 일반적으로 DTC 혁신은 세 사람 모두의 책임입니다.

이 흘러가는 자속 벡터 제어되는 경로의 DistributedTransactionCoordinator와 국군 기무 사령부 사이의 유일한 차이점은 모양인 반면에 후자인 반면, 국군 기무 사령부 보통 더 높은 파워 드라이브에 사용됩니다는 DistributedTransactionCoordinator의 변환 주파수 국군 기무 사령부다. 신탁 예탁 회사보다 높다 그런 그에 따라low-to-mid 힘 드라이브를 위한 것으로 육각형은 전 경로quasi-circular고 있다.시( 들어[6]mplicity. 이 문서의 나머지 부분에서는 DTC라는 용어만 사용합니다.)

1980년대 중반 이후로 DTC는 고성능 유도 모터(IM) 구동 애플리케이션을 위한 단순성과 매우 빠른 토크 및 플럭스 컨트롤 응답성 때문에 이점을 위해 사용되어 왔습니다.

또한 1989년 바더의 논문에서도 DTC가 연구되었으며,[7] 이는 주제에 대한 매우 좋은 설명을 제공한다.

ABB가 개발한 최초의 주요 상용 DTC 제품은 1980년대 후반 독일 DE502[1][2] 및 DE10023[3] 디젤 전기 기관차에[8] 대한 트랙션 적용과 1995년 ACS600 드라이브 제품군의 출시였습니다.이후 ACS600 드라이브는 ACS800 및[9] ACS880 드라이브로 대체되었습니다.[10]Vas,[11] Tiitinen [12]et[13] al. 및 Nash는 ACS600 및 DTC를 적절하게 처리합니다.

3상 그리드 측 컨버터 [14][15]컨트롤에도 DTC가 적용되었습니다.그리드 측 컨버터는 기계를 제어하는 트랜지스터 인버터와 구조가 동일합니다.따라서 AC를 DC로 정류하는 것 외에도 DC에서 AC 그리드로 에너지를 피드백할 수 있습니다.또 위상전류의 파형은 매우 정현파이며 역률도 필요에 따라 조정할 수 있다.그리드 측 컨버터 DTC 버전에서는 그리드가 대형 전기 기계로 간주됩니다.

내부 영구 자석 동기 기계(IPMSM)에 대한 DTC 기법은 1990년대[16] 말에, 동기 저항 모터(SynRM)는 2010년대에 [17]도입되었습니다.

2000년대 초 [18]이중 공급 기계 제어에 DTC가 적용되었습니다.이중 공급 발전기는 일반적으로 1-3 MW 풍력 터빈 애플리케이션에 사용된다.

DTC의 뛰어난 토크 컨트롤 성능을 감안할 때 ABB의 첫 번째 서보 드라이브 제품군인 ACSM1이 [19]2007년에야 소개된 것은 놀라운 일입니다.실제로 DTC를 구현하려면 FOC와 동등한 성능을 제공하기 위해 더 정교한 하드웨어가 필요하기 때문에, DTC의 첫 번째 산업용 애플리케이션은 훨씬 늦게 도입되었습니다.

1990년대 말부터 일정한 스위칭 주파수를 제공하는 공간 벡터 [20]변조와 같은 DTC 및 그 수정 사항에 대한 여러 논문이 발표되었습니다.

Depenbrock의 주요 DTC 특허가 2000년대 중반 만료됨에 따라 ABB 이외의 다른 회사에서도 드라이브에 [citation needed]DTC와 유사한 기능을 포함했을 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Hughes, Austin; Drury, Bill (2013). "Variable Frequency Operation of Induction Motors". Electric Motors and Drives. pp. 205–253. doi:10.1016/B978-0-08-098332-5.00007-3. ISBN 978-0-08-098332-5. S2CID 107929117.
  2. ^ Depenbrock, Manfred. "US4678248 Direct Self-Control of the Flux and Rotary Moment of a Rotary-Field Machine".
  3. ^ Depenbrock, Manfred. "DE3438504 (A1) - Method and Device for Controlling of a Rotating Field Machine". Retrieved 13 November 2012.
  4. ^ Noguchi, Toshihiko; Takahashi, Isao (Sep 1984). "Quick Torque Response Control of an Induction Motor Based on a New Concept". IEEJ Technical Meetings on Rotating Machine RM84-76. pp. 61–70.
  5. ^ Takahashi, Isao; Noguchi, Toshihiko (September 1986). "A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor". IEEE Transactions on Industry Applications. IA-22 (5): 820–827. doi:10.1109/tia.1986.4504799. S2CID 9684520.
  6. ^ Foo, Gilbert (2010). Sensorless Direct Torque and Flux Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors at Very Low Speeds Including Standstill (Thesis). Sydney, Australia: The University of New South Wales.
  7. ^ Baader, Uwe (1988). Die Direkte-Selbstregelung (DSR), ein Verfahren zur hochdynamischen Regelung von Drehfeldmaschinen [Direct self-regulation (DSR), a process for the highly dynamic regulation of induction machines] (in German). VDI-Verlag. ISBN 978-3-18-143521-2.[페이지 필요]
  8. ^ Jänecke, M.; Kremer, R.; Steuerwald, G. (9–12 Oct 1989). "Direct Self-Control (DSC), A Novel Method Of Controlling Asynchronous Machines In Traction Applications". EPE Proceedings. 1: 75–81.
  9. ^ "ACS800 - The New All-compatible Drives Portfolio". Retrieved 14 November 2012.
  10. ^ Lönnberg, M.; Lindgren, P. (2011). "Harmonizing drives - The driving force behind ABB's all-compatible drives architecture" (PDF). ABB Review (2): 63–65.[영구 데드링크]
  11. ^ Vas, Peter (1998). Sensorless Vector and Direct Torque Control. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856465-2.[페이지 필요]
  12. ^ Tiitinen, P.; Surandra, M. (1995). "The next generation motor control method, DTC direct torque control". Proceedings of International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth. Vol. 1. pp. 37–43. doi:10.1109/pedes.1996.537279. ISBN 978-0-7803-2795-5. S2CID 60918465.
  13. ^ Nash, J.N. (1997). "Direct torque control, induction motor vector control without an encoder". IEEE Transactions on Industry Applications. 33 (2): 333–341. doi:10.1109/28.567792.
  14. ^ Harmoinen, Martti; Manninen, Vesa; Pohjalainen, Pasi; Tiitinen, Pekka (17 Aug 1999). "US5940286 Method for Controlling the Power To Be Transferred Via a Mains Inverter". Retrieved 13 November 2012. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  15. ^ Manninen, V. (19–21 Sep 1995). "Application of Direct Torque Control Modulation to a Line Converter". Proceedings of EPE 95, Sevilla, Spain: 1292–1296.
  16. ^ French, C.; Acarnley, P. (1996). "Direct torque control of permanent magnet drives". IEEE Transactions on Industry Applications. 32 (5): 1080–1088. doi:10.1109/28.536869.
  17. ^ Lendenmann, Heinz; Moghaddam, Reza R.; Tammi, Ari (2011). "Motoring Ahead". ABB Review. Archived from the original on January 7, 2014. Retrieved 7 January 2014.
  18. ^ Gokhale, Kalyan P.; Karraker, Douglas W.; Heikkil, Samuli J. (10 Sep 2002). "US6448735 Controller for a Wound Rotor Slip Ring Induction Machine". Retrieved 14 November 2012. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  19. ^ "DSCM1 - High Performance Machinery Drives" (PDF). Archived from the original (PDF) on October 18, 2011. Retrieved 18 October 2011.
  20. ^ Lascu, C.; Boldea, I.; Blaabjerg, F. (1998). "A modified direct torque control (DTC) for induction motor sensorless drive". Conference Record of 1998 IEEE Industry Applications Conference. Thirty-Third IAS Annual Meeting (Cat. No.98CH36242). Vol. 1. pp. 415–422. doi:10.1109/ias.1998.732336. ISBN 0-7803-4943-1.