Le contrôle direct du couple ( DTC ) est une méthode utilisée dans les variateurs de fréquence pour contrôler le couple (et donc finalement la vitesse ) des moteurs électriques ...
Les propriétés du DTC peuvent être caractérisées comme suit :
Le couple et le flux peuvent être modifiés très rapidement en changeant les références
Rendement élevé et faibles pertes - les pertes de commutation sont minimisées car les transistors ne sont commutés que lorsque cela est nécessaire pour maintenir le couple et le flux dans leurs bandes d'hystérésis
La fréquence de commutation des transistors n'est pas constante. Cependant, en contrôlant la largeur des bandes de tolérance, la fréquence de commutation moyenne peut être maintenue à peu près à sa valeur de référence. Cela permet également de maintenir l' ondulation du courant et du couple à un niveau faible. Ainsi, l'ondulation du couple et du courant est de la même amplitude que pour les entraînements à commande vectorielle avec la même fréquence de commutation.
Grâce au contrôle par hystérésis, le processus de commutation est par nature aléatoire. Il n'y a donc pas de pics dans le spectre de courant . Cela signifie également que le bruit audible de la machine est faible.
La variation de tension du circuit intermédiaire DC est automatiquement prise en compte dans l'algorithme (en intégration de tension). Ainsi, aucun problème n'existe en raison d'ondulations de tension DC ( aliasing ) ou de transitoires de tension DC
La synchronisation avec la machine tournante est simple grâce au contrôle rapide ; il suffit de mettre la référence de couple à zéro et de démarrer l'onduleur. Le flux sera identifié par la première impulsion de courant
Les équipements de contrôle numérique doivent être très rapides pour pouvoir empêcher le flux et le couple de s'écarter des limites de tolérance. En règle générale, l' algorithme de contrôle doit être exécuté à des intervalles de 10 à 30 microsecondes ou moins. Cependant, la quantité de calculs requise est faible en raison de la simplicité de l'algorithme
Les appareils de mesure actuels doivent être de haute qualité et exempts de bruit , car les pics dans les signaux mesurés peuvent facilement provoquer des actions de contrôle erronées. Une autre complication est qu'aucun filtrage passe-bas ne peut être utilisé pour éliminer le bruit, car le filtrage provoque des retards dans les valeurs réelles résultantes qui ruinent le contrôle par hystérésis.
Les mesures de tension du stator doivent avoir une erreur de décalage aussi faible que possible afin de réduire l'erreur d'estimation du flux. Pour cette raison, les tensions du stator sont généralement estimées à partir de la tension du circuit intermédiaire CC mesurée et des signaux de commande du transistor
À des vitesses plus élevées, la méthode n'est sensible à aucun paramètre du moteur. Cependant, à faible vitesse, l'erreur de résistance du stator utilisée dans l'estimation du flux du stator devient critique.
Ces avantages apparents du DTC sont compensés par la nécessité d'un taux d'échantillonnage plus élevé (jusqu'à 40 kHz par rapport à 6 à 15 kHz pour le FOC), ce qui entraîne une perte de commutation plus élevée dans l'onduleur, un modèle de moteur plus complexe et une ondulation de couple inférieure.
La méthode du couple direct fonctionne très bien même sans capteurs de vitesse . Cependant, l'estimation du flux est généralement basée sur l'intégration des tensions de phase du moteur. En raison des erreurs inévitables dans la mesure de la tension et l'estimation de la résistance du stator, les intégrales ont tendance à devenir erronées à faible vitesse. Il n'est donc pas possible de contrôler le moteur si la fréquence de sortie du variateur de fréquence est nulle. Cependant, grâce à une conception minutieuse du système de commande, il est possible d'avoir une fréquence minimale dans la plage de 0,5 Hz à 1 Hz qui est suffisante pour permettre le démarrage d'un moteur à induction avec un couple maximal à partir d'une situation d'arrêt. Une inversion du sens de rotation est également possible si la vitesse passe par la plage zéro suffisamment rapidement pour éviter un écart excessif de l'estimation du flux.
Si un fonctionnement continu à basse vitesse, y compris un fonctionnement à fréquence nulle, est requis, un capteur de vitesse ou de position peut être ajouté au système DTC. Grâce à ce capteur, une grande précision du contrôle du couple et de la vitesse peut être maintenue sur toute la plage de vitesse.
Histoire
Le DTC a été breveté par Manfred Depenbrock aux États-Unis et en Allemagne , ce dernier brevet ayant été déposé le 20 octobre 1984, les deux brevets ayant été qualifiés d'autocontrôle direct (DSC). Cependant, Isao Takahashi et Toshihiko Noguchi ont décrit une technique de contrôle similaire appelée DTC dans un article de l'IEEJ présenté en septembre 1984 et dans un article de l'IEEE publié fin 1986. L'innovation DTC est donc généralement attribuée aux trois individus.
La seule différence entre DTC et DSC est la forme du chemin le long duquel le vecteur de flux est contrôlé, le premier chemin étant quasi circulaire tandis que le second est hexagonal de sorte que la fréquence de commutation du DTC est plus élevée que celle du DSC. Le DTC est donc destiné aux entraînements de faible à moyenne puissance tandis que le DSC est généralement utilisé pour les entraînements de puissance plus élevée. (Pour plus de simplicité, le reste de l'article n'utilise que le terme DTC.)
Depuis son introduction au milieu des années 1980, le DTC a été utilisé avec avantage en raison de sa simplicité et de sa réponse très rapide au contrôle du couple et du flux pour les applications d'entraînement de moteurs à induction (IM) hautes performances.
Le DTC a également été étudié dans la thèse de Baader de 1989, qui fournit un très bon traitement du sujet.
Les premiers produits DTC commerciaux majeurs à succès, développés par ABB , ont concerné les applications de traction à la fin des années 1980 pour les locomotives diesel-électriques allemandes DE502 [1][2] et DE10023 [3] et le lancement en 1995 de la famille de variateurs ACS600. Les variateurs ACS600 ont depuis été remplacés par les variateurs ACS800 et ACS880. Vas, Tiitinen et al. et Nash fournissent un bon traitement de l'ACS600 et du DTC.
Le DTC a également été appliqué au contrôle du convertisseur côté réseau triphasé . Le convertisseur côté réseau est de structure identique à l' onduleur à transistor contrôlant la machine. Ainsi, en plus de redresser le courant alternatif en courant continu, il peut également renvoyer l'énergie du courant continu au réseau alternatif. De plus, la forme d'onde des courants de phase est très sinusoïdale et le facteur de puissance peut être ajusté à volonté. Dans la version DTC du convertisseur côté réseau, le réseau est considéré comme une grosse machine électrique.
Le DTC a été appliqué au contrôle des machines à double alimentation au début des années 2000. Les générateurs à double alimentation sont couramment utilisés dans les applications d'éoliennes de 1 à 3 MW .
Compte tenu des performances exceptionnelles du DTC en matière de contrôle de couple, il est surprenant que la première famille de servo-variateurs d'ABB, l'ACSM1, n'ait été introduite qu'en 2007. En fait, étant donné que la mise en œuvre du DTC nécessite un matériel plus sophistiqué pour fournir des performances comparables à celles du FOC, sa première application industrielle est arrivée beaucoup plus tard.
Depuis la fin des années 1990, plusieurs articles ont été publiés sur le DTC et ses modifications telles que la modulation vectorielle spatiale, qui offre une fréquence de commutation constante.
À la lumière de l'expiration au milieu des années 2000 des brevets DTC clés de Depenbrock, il se peut que d'autres sociétés qu'ABB aient inclus des fonctionnalités similaires au DTC dans leurs variateurs.
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