DTC : Une technique de contrôle moteur tout terrain

Les variateurs de vitesse (VSD) ont permis des performances sans précédent pour les moteurs électriques et ont fait réaliser des économies d’énergie spectaculaires en associant la vitesse et le couple du moteur aux exigences de charge entraînée. La plupart des variateurs sur le marché s’appuient sur un étage modulateur qui conditionne les entrées de tension et de fréquence au moteur, mais qui cause un retard inhérent dans le traitement des signaux de commande. En revanche, les variateurs premium d’ABB font appel à un contrôle de couple direct (DTC) innovant, ce qui augmente considérablement la réponse du couple moteur. La technologie DTC offre également d’autres avantages allant jusqu’aux fonctionnalités au niveau du système.

Les variateurs CA à haute performance d’ABB offrent une technologie innovante appelée contrôle de couple direct (DTC). Comme son nom l’indique, la méthode contrôle directement le débit du moteur et le couple, au lieu d’essayer de contrôler indirectement les courants du moteur comme les variateurs vectoriels CA et les variateurs CC. Cela entraîne une meilleure précision pour répondre aux exigences de charge du système entraîné. Créé par l’une des sociétés fondatrices d’ABB et breveté au milieu des années 1980, le DTC élimine le besoin de recourir à un étage de modulation supplémentaire, ce qui permet d’atteindre une dynamique de régulation proche du maximum théorique.

Lorsqu’ABB introduisit son premier variateur CA de contrôle de couple direct sur le marché en 1995, le DTC était déjà une technologie majeure. Les améliorations ultérieures de la puissance de calcul des processeurs, de la programmation des applications et des interfaces de communication ont permis une amélioration continue de la performance du DTC, offrant un contrôle moteur privilégié pour une large gamme d’applications.

 

Pourquoi utiliser le DTC ?
Au-delà des moteurs à induction
Validation récente des performances
Le DTC aujourd’hui et demain

En plus de la réponse supérieure du couple, le DTC offre d’autres avantages aux clients, notamment :

  • L’absence de besoin de retour de position ou de vitesse du moteur dans 95 % des applications. Ainsi, il est possible d’éviter l’installation de codeurs ou d’autres dispositifs de retour coûteux.
  • Le contrôle DTC disponible pour différents types de moteurs, notamment les moteurs à aimants permanents et les nouveaux moteurs à réluctance synchrone.
  • Un contrôle précis du couple et de la vitesse à de faibles vitesses, ainsi que le démarrage complet du couple au régime zéro.
  • Une excellente linéarité du couple.
  • Une précision de la vitesse statique et dynamique élevée.
  • L’absence de fréquence de commutation prédéfinie. La commutation de transistor optimale est déterminée pour chaque cycle de contrôle, ce qui permet au variateur de répondre plus aisément aux exigences de la charge entraînée.

Le DTC fut d’abord développé pour les moteurs à induction CA en raison de leur popularité dans une multitude d’applications industrielles et commerciales. Un constat révélateur de la performance du DTC pour les moteurs à induction est le temps de réponse du couple (à une étape de référence du couple de 100 %) qui s’approche de la limite constante de temps électrique du moteur. Les incertitudes quant à la répétabilité du couple dans la même commande de référence est généralement de seulement 1 % du couple nominal sur la plage de vitesses du variateur.

La demande en densité d’alimentation supérieure et l'évolution des réglementations internationales sur l’efficacité ont fait renaître l’intérêt pour les autres topologies de moteurs. La bonne nouvelle, c’est que le DTC a évolué pour fonctionner avec les moteurs synchrones à aimants permanents (PM) et les nouveaux moteurs à réluctance synchrone (SynRM). La différence principale pour le DTC a lieu au démarrage du moteur, que les variateurs ABB prennent en compte. L’absence de bobinages de rotor et de vitesse de glissement pour les moteurs synchrones PM et les moteurs SynRM prolonge leurs gains en efficacité sur une plage couple-vitesse plus large par rapport aux moteurs à induction.

Le ratio couple / taille élevé de ces moteurs peut permettre la conception d’un ensemble motopropulseur plus simple. Par exemple, un moteur à aimants permanents à faible vitesse entraîné directement peut éliminer la boîte de vitesses d’une machine de conditionnement. Un inconvénient des moteurs synchrones PM est leur dépendance à ce que l’on appelle les aimants de terre rare pour une performance optimale. C’est en cela que les moteurs SynRM proposent une alternative, car ils n’utilisent pas d’aimants permanents.
 

 À la mi-2012, ABB a effectué une série de mesures pour s’assurer que les améliorations continues apportées à la technologie DTC maintiennent ses variateurs CA au meilleur de leur performance. En voici les résultats importants.

Stabilité du couple en régime proche de zéro

La précision du contrôle de couple des variateurs industriels ACS800 et du nouveau ACS880 d’ABB a été comparée en mode de fonctionnement sans capteur (boucle ouverte). Chaque variateur faisait fonctionner un moteur à induction de 15 kW à quatre pôles près de sa référence de couple nominale avec la machine de charge contrôlée de manière à faire des inversions à faible vitesse en régime proche de zéro.

Les deux variateurs démontrent une capacité de contrôle sans capteur remarquable pour fonctionner pendant des périodes prolongées en régime proche de zéro, mais le nouveau ACS880 présente moins de déviations par rapport à la référence de couple et peut donc fournir une meilleure performance de contrôle moteur.

Précision du couple pendant la montée en puissance

La précision du contrôle de couple sans capteur du variateur ACS880 a été comparée à l’aide d’un moteur à induction à quatre pôles et d'un moteur à réluctance synchrone d’une taille de 15 kW (à 50 % de la vitesse nominale). Le DTC n’a commis des erreurs de couple que sur un petit pourcentage du couple nominal pour les deux types de moteurs.

L’erreur maximale de couple est légèrement inférieure pour le moteur à réluctance synchrone que pour le moteur à induction.

Performance dynamique de servoclass

On a mesuré la vitesse et la position angulaire d’un moteur synchrone à aimants permanents de 1,5 Nm et 6 000 tr/min pendant l’inversion de la vitesse entre ± 6 000 tr/min en moins de 25 millisecondes (ms). Cela s’approche beaucoup de la constante de temps mécanique du moteur de 24 ms et d’une limite théorique.

Bien que l’ACS880 ne soit pas un servomoteur, le DTC a permis une accélération rapide et précise du moteur en modes de contrôle en boucle fermée et sans capteur. La comparaison entre le temps d’accélération mesuré et la constante de temps mécanique du moteur indique une mesure de la précision du couple pendant une accélération extrêmement rapide.

Au fil du temps, les mises à jour ont permis au DTC de dépasser les applications exigeantes à haute dynamique pour lesquelles il fut créé. Les améliorations logicielles et la similitude des microprocesseurs à haute puissance font que la mise en œuvre plus large des variateurs DTC se justifie économiquement. La capacité à répondre rapidement aux changements des variables de processus, telles que la pression, la tension ou la position, grâce à une dynamique de contrôle du couple et de la vitesse exceptionnelle, rend le DTC attractif dans plus d’industries.

De plus, les variateurs CA offrent un potentiel d’économies d’énergie spectaculaire pour un grand nombre d’applications de pompes et ventilateurs à vitesse variable. La vitesse d’une pompe par rapport à l’alimentation étant une fonction cubique, une séquence de processus permettant à la pompe de fonctionner à 50 % de la vitesse n’utilise que 1/8 de la puissance totale.

Le contrôle direct de couple a démontré des développements matériels et logiciels continus au cours de sa durée de vie de presque 30 ans. Reposant sur des bases théoriques solides et la technologie DSP, le DTC a dépassé les limites des premiers processeurs. Des processeurs puissants exécutent désormais rapidement des algorithmes de contrôle complexes, mettent à jour les paramètres des modèles du moteur et commutent les transistors du variateur pour une performance optimale.

L’héritage reconnu de l’ingénierie des variateurs d’ABB et des ressources importantes ont été consacrés au développement du contrôle de couple direct. Aujourd’hui, le DTC reste une technologie vivante. Il est devenu une marque dépassant le « contrôle de couple » en incorporant des interfaces utilisateur intelligentes, des fonctionnalités de diagnostic du variateur et des logiciels au niveau du système.

Tourné vers l’avenir, ABB prévoit de suivre la même voie avec sa technologie DTC durable. Les clients des variateurs ABB peuvent être sûrs que les avantages du contrôle direct de couple dans lequel ils investissent aujourd’hui se poursuivront sur le long terme.
 

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