DTC: una tecnica di controllo motori per tutte le stagioni

I convertitori di frequenza a velocità variabile (VSD) hanno permesso di ottenere prestazioni mai viste nei motori elettrici e risparmi energetici sensazionali grazie all'adeguamento della velocità e della coppia del motore ai requisiti del carico azionato. La maggior parte dei VSD sul mercato si affida a uno stadio modulatore che comanda le entrate di tensione e frequenza nel motore, ma causa un ritardo temporale intrinseco nell'elaborazione dei segnali di controllo. Invece, i convertitori di frequenza ABB premium impiegano un innovativo controllo diretto della coppia (DTC), aumentando notevolmente la risposta di coppia del motore. La tecnologia DTC fornisce anche altri vantaggi che arrivano fino a migliorare le caratteristiche a livello di sistema.

I convertitori di frequenza in c.a. ad alte prestazioni mettono a disposizione una tecnologia innovativa detta controllo diretto della coppia (DTC). Come suggerisce il nome, il metodo controlla direttamente il flusso e la coppia del motore, invece di tentare di controllare indirettamente le correnti del motore come gli azionamenti vettoriali a c.a. e c.c. Questo si traduce in una maggiore precisione nell'adattamento alle esigenze di carico del sistema. Originato da una delle società fondatrici di ABB e brevettato a metà del 1980, il DTC elimina la necessità di uno stadio modulatore extra, ottenendo così una dinamica di controllo vicina al massimo teorico. 

Quando ABB nel 1995 ha introdotto sul mercato il suo primo convertitore di frequenza in c.c. a controllo diretto di coppia, la tecnologia DTC era già leader. I successivi miglioramenti di velocità di calcolo computazionale dei processori, programmazione delle applicazioni e interfacce di comunicazione hanno permesso una prestazione più elevata del DTC, fornendo un controllo di prima classe dei motori per un'ampia gamma di applicazioni.

Perché usare il DTC?
Al di là dei motori asincroni
Validazione recente delle prestazioni
Il DTC oggi e domani

Oltre a una risposta di coppia superiore, il DTC offre altri vantaggi per il cliente, fra cui:

  • Nessuna necessità di feedback della velocità del motore o della posizione nel 95% delle applicazioni. Quindi l'installazione di costosi encoder o altri dispositivi di feedback diventa superflua.
  • Il controllo DTC è disponibile per diversi tipi di motore, fra cui motori a magneti permanenti e i nuovi motori sincroni a riluttanza.
  • Controllo accurato di coppia e velocità fino alle basse velocità, come pure dell'intera coppia di avviamento, spinta fino a velocità zero.
  • Eccellente linearità della coppia
  • Elevata accuratezza della velocità statica e dinamica
  • Nessuna frequenza di commutazione preimpostata. La commutazione ottimale dei transistor è determinata per ogni ciclo di controllo, permettendo al motore di adeguarsi più prontamente ai requisiti del carico azionato.

 

 Il DTC era stato sviluppato inizialmente per motori asincroni in c.a. a causa della loro popolarità in una miriade di applicazioni industriali e commerciali. Indicativo della prestazione del DTC con i motori asincroni è il tempo di risposta di coppia (fino al 100% della fase di riferimento della coppia) che si avvicina al limite della costante di tempo elettrica del motore. L'incertezza della ripetibilità della coppia in seguito allo stesso comando di riferimento è tipicamente l'1% della coppia nominale su tutta la gamma di velocità dell'azionamento.
 
L'esigenza di una maggiore densità di potenza e l'evoluzione delle regole internazionali di efficienza hanno rinnovato l'interesse per altre tipologie di motori. La buona notizia è che il DTC è stato ampliato per operare con motori a magneti permanenti (PM) sincroni e con motori sincroni a riluttanza (SynRM). La differenza principale per il DTC è rilevabile durante l'avviamento del motore, a cui i convertitori di frequenza ABB si adeguano. L'assenza di avvolgimenti e di velocità di slittamento nei motori PM sincroni e SynRM estende la loro efficienza su una più ampia gamma di velocità di coppia rispetto ai motori asincroni. 

L'elevato rapporto coppia/dimensioni di questi motori può consentire un design più semplice del treno di trasmissione. Ad esempio, un motore PM a bassa velocità ad azionamento diretto potrebbe eliminare il cambio di una macchina confezionatrice. Uno degli inconvenienti dei motori PM sincroni è la loro dipendenza dai cosiddetti magneti in terre rare per una prestazione ottimale. È qui che i motori SynRM forniscono un'alternativa, proprio perché non usano magneti permanenti.

A metà del 2012, ABB ha eseguito una serie di misurazioni per garantire che i miglioramenti continui della tecnologia DTC mantenessero i suoi convertitori di frequenza in c.a. al massimo delle prestazioni. Ecco qui alcuni risultati significativi.

Stabilità della coppia a velocità prossima a zero

Gli industrial drive ACS800 e il nuovo ACS880 di ABB sono stati messi a confronto per l'accuratezza del controllo di coppia in modalità operativa senza sensori (open-loop). Ogni convertitore di frequenza muoveva un motore asincrono da 15 kW a quattro poli al suo riferimento di coppia nominale e con la macchina di carico controllata per eseguire inversioni a bassa velocità, prossima a zero.

Entrambe le unità mostrano notevole capacità di controllo e sono in grado di operare per lunghi periodi in un campo con velocità prossima allo zero, ma il nuovo ACS880 ha meno scostamento dal riferimento di coppia e, quindi, in grado di fornire prestazioni migliori di controllo del motore .

Accuratezza della coppia durante la salita

L'accuratezza del controllo di coppia senza sensore del convertitore di frequenza ACS880 è stata confrontata mediante un motore asincrono a quattro poli e un motore a riluttanza sincrono da 15 kW (al 50% della velocità nominale). Il DTC ha limitato l'errore di coppia a una piccola percentuale della coppia nominale per entrambi i tipi di motore.

Errore massimo di coppia è leggermente inferiore per il motore sincrono a riluttanza che per il motore asincrono .

Prestazioni dinamiche classe servo

La velocità e la posizione angolare di un motore PM sincrono da 1,5 Nm, 6.000 rpm sono state misurate durante l'inversione tra ±6.000 rpm in meno di 25 millisecondi (ms). Questo valore è molto vicino alla costante meccanica di tempo del motore di 24 ms e ad un limite teorico.

Although ACS880 is not a servo drive, DTC enabled fast, accurate motor acceleration in both closed-loop and sensorless control modes. Comparing measured acceleration time to the motor’s mechanical time constant provides one measure of torque accuracy during extremely fast acceleration.

Gli aggiornamenti nel corso del tempo hanno consentito al DTC di andare oltre le applicazioni ardue a dinamica elevata per cui era stato creato. I perfezionamenti del software e la comunanza di microprocessori ad alta potenza hanno giustificato economicamente i convertitori di frequenza DTC per un'implementazione più ampia. La capacità di rispondere rapidamente ai cambiamenti nelle variabili di processo, quali pressione, tensione, o posizioni mediante dinamiche eccezionali di controllo di velocità e coppia, rende il DTC interessante per più industrie. 

Inoltre, i convertitori di frequenza in c.a. offrono un potenziale sensazionale di risparmio energetico per un gran numero di applicazioni che utilizzano pompe/ventole a velocità variabile. Poichè la velocità della pompa rispetto alla potenza ha un rapporto cubico, una sequenza di processo che permette alla pompa di girare al 50% della velocità utilizzerebbe solo 1/8 della potenza piena.

Il controllo diretto della coppia ha mostrato uno sviluppo continuo di hardware e software nei 30 anni della sua vita. Sulla base di solidi fondamenti teorici e della tecnologia DSP, il DTC ha superato i limiti dei primi processori. Potenti processori ora eseguono rapidamente complessi algoritmi di controllo, aggiornano i parametri dei modelli di motori e commutano i transistor del convertitore di frequenza per prestazioni ottimali.

ABB ha rispettato l'eredità tecnica degli azionamenti e sono state spese risorse non indifferenti nello sviluppo del controllo di coppia diretto. Tutt'oggi il DTC rimane una tecnologia viva. Si è sviluppata in un brand che va al di là del "controllo di coppia" incorporando interfacce utente intelligenti, caratteristiche diagnostiche e software a livello di sistema.

Guardando al futuro, ABB intende seguire la stessa strada con la sua duratura tecnologia DTC. I clienti dei convertitori di frequenza ABB possono essere fiduciosi che i vantaggi del controllo diretto di coppia in cui investono oggi continueranno anche nel futuro.

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