Control directo del par

El control directo de par ( DTC ) es un método utilizado en variadores de frecuencia para controlar el par (y, por lo tanto, la velocidad ) de los motores eléctricos de corriente alterna trifásicos . Esto implica calcular una estimación del flujo magnético y el par del motor a partir de la tensión y la corriente medidas .

El flujo magnético del estator se estima integrando las tensiones del estator . El par se estima como el producto vectorial del flujo magnético estimado del estator y el vector de corriente del motor medido . La magnitud del flujo y el par estimados se comparan con sus valores de referencia . Si el flujo o el par estimados se desvían demasiado de la tolerancia de referencia , los transistores del variador de frecuencia se activan y desactivan de forma que los errores de flujo y par vuelvan a sus rangos de tolerancia lo más rápido posible. Por lo tanto, el control directo de par es una forma de control por histéresis o control de tipo "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:

• El par y el flujo se pueden cambiar muy rápidamente modificando las referencias.
• Alta eficiencia y bajas pérdidas: las pérdidas por conmutación se minimizan porque los transistores se conmutan solo cuando es necesario para mantener el par y el flujo dentro de sus bandas de histéresis.
• La respuesta escalón no tiene sobreimpulso.
• No se necesitan transformaciones de coordenadas dinámicas , todos los cálculos se realizan en un sistema de coordenadas estacionario.
• No se necesita un modulador independiente ; el control de histéresis define directamente las señales de control del interruptor.
• No hay controladores de corriente PI . Por lo tanto, no se requiere ajuste del control.
• La frecuencia de conmutación de los transistores no es constante. Sin embargo, al controlar el ancho de las bandas de tolerancia, la frecuencia de conmutación promedio se puede mantener aproximadamente en su valor de referencia. Esto también minimiza la ondulación de corriente y par . Por lo tanto, la ondulación de par y corriente tiene la misma magnitud que en los accionamientos con control vectorial y la misma frecuencia de conmutación.
• Debido al control de histéresis, el proceso de conmutación es aleatorio por naturaleza. Por lo tanto, no hay picos en el espectro de corriente . Esto significa además que el ruido audible de la máquina es bajo.
• La variación de voltaje del circuito de CC intermedio se tiene en cuenta automáticamente en el algoritmo (en la integración de voltaje). Por lo tanto, no existen problemas debidos a la ondulación del voltaje de CC ( aliasing ) o a los transitorios de voltaje de CC .
• La sincronización con la máquina rotativa es sencilla gracias al control rápido; basta con poner a cero la referencia de par y arrancar el inversor. El flujo se identificará mediante el primer pulso de corriente.
• Los equipos de control digital deben ser muy rápidos para evitar que el flujo y el par se desvíen demasiado de las bandas de tolerancia. Normalmente, el algoritmo de control debe ejecutarse con intervalos de 10 a 30 microsegundos o incluso menores. Sin embargo, la cantidad de cálculos necesarios es pequeña debido a la simplicidad del algoritmo.
• Los dispositivos de medición actuales deben ser de alta calidad y estar libres de ruido , ya que los picos en las señales medidas pueden provocar fácilmente acciones de control erróneas. Otra complicación es que no se puede utilizar un filtro de paso bajo para eliminar el ruido, ya que este produce retrasos en los valores reales resultantes, lo que perjudica el control de histéresis.
• Las mediciones de voltaje del estator deben tener el menor error de offset posible para mantener bajo el error de estimación del flujo. Por esta razón, los voltajes del estator generalmente se estiman a partir del voltaje medido del circuito intermedio de CC y las señales de control del transistor.
• A velocidades elevadas, el método no es sensible a ningún parámetro del motor. Sin embargo, a bajas velocidades, el error en la resistencia del estator utilizada en la estimación del flujo del estator se vuelve crítico.

Estas ventajas aparentes del DTC se ven contrarrestadas por la necesidad de una frecuencia de muestreo más alta (hasta 40 kHz en comparación con 6-15 kHz para el FOC), lo que conlleva mayores pérdidas de conmutación en el inversor; un modelo de motor más complejo; y una ondulación de par inferior. ^{[ 1 ]}

El método de par directo funciona muy bien incluso sin sensores de velocidad . Sin embargo, la estimación del flujo se basa generalmente en la integración de las tensiones de fase del motor. Debido a los errores inevitables en la medición de la tensión y la estimación de la resistencia del estator, las integrales tienden a ser erróneas a baja velocidad. Por lo tanto, no es posible controlar el motor si la frecuencia de salida del variador de frecuencia es cero. No obstante, mediante un diseño cuidadoso del sistema de control, es posible obtener una frecuencia mínima en el rango de 0,5  Hz a 1  Hz, suficiente para arrancar un motor de inducción con par máximo desde parado. También es posible invertir el sentido de giro si la velocidad pasa por el rango cero con la suficiente rapidez para evitar una desviación excesiva en la estimación del flujo.

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

El DTC fue patentado por Manfred Depenbrock en EE. UU. ^{[ 2 ]} y en Alemania, ^{[ 3 ]} esta última patente se presentó el 20 de octubre de 1984, y ambas 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 se suele atribuir a las tres personas.

La única diferencia entre DTC y DSC radica en la forma de la trayectoria a lo largo de la cual se controla el vector de flujo: la primera es casi circular, mientras que la segunda es hexagonal, lo que resulta en una mayor frecuencia de conmutación para DTC que para DSC. Por consiguiente, DTC está diseñado para accionamientos de baja a media potencia, mientras que DSC se utiliza generalmente para accionamientos de mayor potencia. ^{[ 6 ]} (Para simplificar, en el resto del artículo solo se utiliza el término DTC).

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

La DTC también fue estudiada en la tesis de Baader de 1989, que ofrece un tratamiento muy bueno del tema. ^{[ 7 ]}

Los primeros productos DTC comerciales de gran éxito, desarrollados por ABB , involucraron aplicaciones de tracción a finales de la década de 1980 para el DE502 alemán.y DE10023locomotoras diésel-eléctricas ^{[ 8 ]} y el lanzamiento en 1995 de la familia de accionamientos ACS600. Los accionamientos ACS600 han sido reemplazados desde entonces por los accionamientos ACS800 ^{[ 9 ]} y ACS880. ^{[ 10 ]} Vas, ^{[ 11 ]} Tiitinen et al. ^{[ 12 ]} y Nash ^{[ 13 ]} ofrecen un buen tratamiento de ACS600 y DTC.

El DTC también se ha aplicado al control de convertidores trifásicos del lado de la red . ^{[ 14 ] [ 15 ]} El convertidor del lado de la red tiene una estructura idéntica a la del inversor de transistores que controla la máquina. Por lo tanto, además de rectificar CA a CC, también puede realimentar 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 internos (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 doblemente alimentadas a principios de la década de 2000. ^{[ 18 ]} Los generadores doblemente alimentados 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 servomotores de ABB, el ACSM1, se presentara recién en 2007. ^{[ 19 ]} De hecho, dado que la implementación del DTC requiere hardware más sofisticado para proporcionar un rendimiento comparable al del FOC, su primera aplicación industrial 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.

Tras la expiración a mediados de la década de 2000 de las patentes clave de DTC de Depenbrock, es posible que otras empresas, además de ABB, hayan incluido características similares a DTC en sus variadores de frecuencia.

• Control vectorial (motor)