Bezpośrednie sterowanie momentem napędów przemysłowych
Adobe Stock – khonkangruaMetoda bezpośredniego sterowania momentem zrewolucjonizowała sposób zarządzania silnikami elektrycznymi w aplikacjach przemysłowych. Zapewniając błyskawiczną reakcję i wysoką precyzję bez potrzeby stosowania pętli prądowych ani klasycznej modulacji PWM, stała się fundamentem nowoczesnych systemów napędowych. Co wyróżnia DTC na tle innych technik i jakie są praktyczne korzyści jej wdrożenia?
Wraz z rozwojem przemysłu i automatyzacji coraz większy nacisk kładzie się na efektywność, niezawodność i precyzję systemów napędowych. Tradycyjne metody sterowania silnikami prądu przemiennego, takie jak sterowanie skalarne czy wektorowe, choć wciąż często stosowane, nie zawsze spełniają wymagania aplikacji dynamicznych i wymagających dużej dokładności. Punktem zwrotnym okazało się wprowadzenie technologii DTC (direct torque control) – opracowanej i opatentowanej przez firmę ABB w latach 80. ubiegłego wieku, a wdrożonej komercyjnie w 1995 r. Technologia ta umożliwia bezpośrednie sterowanie momentem i strumieniem silnika, eliminując opóźnienia i zwiększając dynamikę całego układu.
Od sterowania skalarnego do DTC
Pierwszym etapem rozwoju sterowania silnikami prądu przemiennego było sterowanie skalarne (znane również jako sterowanie U/f lub V/f), które regulowało prędkość silnika przez proporcjonalne zmiany napięcia i częstotliwości. Choć proste i ekonomiczne, rozwiązanie to cechuje się niską precyzją i ograniczonym zakresem zastosowań – najczęściej do wentylatorów, pomp i transporterów, w których wymagana jest jedynie podstawowa kontrola prędkości.
Kolejnym krokiem w ewolucji sterowania silnika indukcyjnego była technika wektorowa (FOC – field oriented control), która umożliwia niezależną zmianę momentu obrotowego i kształtowanie strumienia magnetycznego. Pozwala ona na dokładną regulację prędkości, również przy niskich częstotliwościach, a stosuje się ją w wymagających aplikacjach przemysłowych. Wymaga jednak dokładnej znajomości parametrów silnika i złożonych algorytmów sterowania, co wydłuża czas odpowiedzi momentu obrotowego. Metoda FOC ewoluowała od metody z pośrednią orientacją wektora pola do metody z bezpośrednią orientacją wektora pola (indirect field oriented control – IFOC) do metody z bezpośrednią orientacją wektora pola (direct field oriented control – DFOC). Podstawowa różnica polega na sposobie wyznaczania kąta obrotu wirującego układu współrzędnych, w którym zorientowane są składowe zadawanych prądów.
DTC stanowi trzecią generację metod sterowania. W odróżnieniu od poprzednich podejść umożliwia bezpośrednią kontrolę najważniejszych dynamicznych parametrów silnika – momentu i strumienia – bez potrzeby stosowania pętli regulacyjnych prądu ani modulatora PWM. To właśnie ABB jako pierwsze wprowadziło tę metodę do przemysłu, czyniąc z niej znak rozpoznawczy swoich napędów.
Zasada działania DTC
DTC opiera się na estymacji bieżącej wartości strumienia skojarzonego stojana i momentu obrotowego silnika na podstawie pomiarów napięć i prądów. Następnie błędy tych parametrów są porównywane z wartościami zadanymi, a algorytm – na podstawie tabeli decyzyjnej – dobiera wyselekcjonowany wektor umożliwiający spełnienie wymagań zmniejszenia błędów, który przełącza tranzystory falownika.
Schemat blokowy bezpośredniego sterowania momentem DTC
Dzięki wyeliminowaniu pośrednich pętli regulacyjnych czas reakcji układu jest wyjątkowo krótki – typowo w granicach 1–5 ms. Tak szybka odpowiedź sprawia, że DTC idealnie nadaje się do aplikacji wymagających błyskawicznego reagowania na zmienne obciążenia, np. w liniach produkcyjnych, wytłaczarkach, systemach wciągarek i innych precyzyjnych napędach. Kluczowy dla działania DTC jest adaptacyjny model silnika, który w czasie rzeczywistym oblicza parametry silnika i aktualizuje je z częstotliwością 40–80 kHz (odpowiada to czasowi cyklu 12,5– –25 μs). Model ten pozwala bardzo dokładnie estymować strumień stojana i moment obrotowy bez potrzeby stosowania kosztownych czujników. Rezystancja stojana (główny parametr potrzebny do oszacowania strumienia) jest mierzona automatycznie podczas identyfikacji silnika.
Przewaga DTC nad klasycznymi metodami
W porównaniu z metodą wektorową DTC oferuje wyższą dynamikę i uproszczenie struktury sterowania. Nie wymaga wstępnego przeliczenia parametrów silnika ani stosowania czujników położenia wału silnika w większości zastosowań. Pozwala to zmniejszyć koszty wdrożenia i uprościć serwisowanie układu.
Zastosowanie metody DTC nie ogranicza się tylko do silników indukcyjnych, ale obejmuje także silniki synchroniczne z magnesami trwałymi i synchroniczne silniki reluktancyjne, oferując pełną elastyczność w doborze typu silnika.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Schemat blokowy sterowania DTC
W klasycznym układzie sterowania DTC wyróżniamy kilka podstawowych bloków funkcjonalnych: kontroler prędkości i korekcji przyspieszenia, regulatory momentu i strumienia, 2 niezależne komparatory błędów (dla momentu i strumienia), adaptacyjny model silnika pełniący funkcję estymatora momentu i strumienia, selektor wektorów napięcia oraz falownik. W każdej iteracji (zwykle co 12,5–25 μs) układ dobiera odpowiedni wektor napięcia na podstawie pozycji wektora strumienia i stanu komparatorów. Pozwala to na natychmiastową reakcję układu.
Warto zwrócić uwagę, że DTC eliminuje potrzebę modulacji PWM, ponieważ selektor wybiera wektory napięcia bezpośrednio, a stan tranzystorów jest aktualizowany zgodnie z tym wyborem. Pozwala to ograniczyć liczbę przełączeń, zwiększając sprawność układu.
Zastosowania i praktyczne korzyści
Napędy z DTC są szeroko stosowane w systemach, które wymagają szybkiego startu, dokładnego sterowania momentem i pracy przy zmiennych obciążeniach. Należą do nich m.in. przemysł tekstylny, papierniczy, chemiczny i energetyczny. Technologia znajduje też zastosowanie w zautomatyzowanych systemach magazynowych i w pojazdach szynowych.
Do najważniejszych zalet DTC należą:
- brak potrzeby stosowania czujników w 95% aplikacji,
- precyzyjna kontrola nawet przy zerowej prędkości,
- wysoka dokładność dynamiczna i statyczna,
- niższe straty przełączania oraz wyższa sprawność energetyczna,
- prostota konfiguracji i serwisowania.
DTC a przyszłość technologii napędów
Rozwój półprzewodników mocy i mikroprocesorów systematycznie zwiększa możliwości systemów DTC. Najnowsze implementacje wykorzystują procesory sygnałowe DSP (digital signal processor) o wysokiej mocy obliczeniowej wraz z programowalnymi układami logicznymi FPGA (field programmable gate arrays), co pozwala na dalsze udoskonalanie algorytmów sterowania.
Integracja z technologiami Przemysłu 4.0, takimi jak analityka predykcyjna i uczenie maszynowe, otwiera nowe możliwości dla DTC. Napędy mogą nie tylko precyzyjnie kontrolować moment i prędkość, ale także monitorować stan silnika i napędu, przewidywać awarie i optymalizować zużycie energii.
W obliczu rosnących wymagań dotyczących efektywności energetycznej technologia DTC oferuje znaczące oszczędności, szczególnie w zastosowaniach z pompami i wentylatorami działającymi przy zmiennych obciążeniach. Zgodnie z prawami powinowactwa redukcja prędkości pompy o połowę wymaga tylko 1/8 pełnej mocy, co przekłada się na wymierne oszczędności energii i kosztów operacyjnych.
