DTC: Uma técnica de controle de motores para qualquer época

Inversores de velocidade variável (VSDs) vem permitindo desempenhos inéditos de motores elétricos e entregando vultosas economias de energia ao ajustar a velocidade e torque do motor às necessidades da carga acionada. A maioria dos VSDs no mercado tem por base um estágio modulador que condiciona a tensão e a frequência da entrada do motor, causando atraso intrínseco no processamento dos sinais de controle. Em contraposição a isso os inversores premium da ABB usam o inovador Controle Direto do Torque (DTC) – aumentando em muito a resposta em torque do motor. A tecnologia DTC ainda traz outros benefícios, chegando a características no nível do sistema.

Drives CA de alto desempenho da ABB oferecem uma inovadora tecnologia chamada controle direto do torque (DTC). Como seu nome sugere, esse método controla diretamente o fluxo e o torque do motor, em lugar de tentar controlar indiretamente as correntes do motor como os inversores CA vetoriais ou drives CC. Isso implica em maior precisão no ajuste às necessidades de carregamento do sistema acionado. Com origem em uma das empresas fundadoras da ABB e patenteado em meados da década de 1980, o DTC dispensa o estágio modulador adicional, obtendo com isso uma dinâmica de controle próxima do máximo teórico. 

Quando a ABB introduziu no mercado seu primeiro inversor CA com controle direto do torque em 1995 o DTC já era uma tecnologia de ponta. Melhorias subsequentes na potência de computação dos processadores, programação das aplicações e interfaces de comunicação tem permitido um desempenho cada vez maior ao DTC, proporcionando controle premium de motores para um grande leque de aplicações.

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Por que usar DTC?
Para além dos motores de indução
Validação recente do desempenho
DTC, hoje e amanhã

Além da resposta de torque superior, o DTC traz benefícios aos usuários, incluindo:

  • Dispensar a realimentação de velocidade ou posição do motor em 95% das aplicações. Com isso é possível evitar a instalação dos codificadores (encoder/resolver) e outros dispositivos de realimentação, que é cara.
  • O controle DTC está disponível para diferentes tipos de motores, incluindo de ímã permanente e os novos motores síncronos de relutância.
  • Controle preciso de torque e velocidade até para as baixas velocidades, bem como torque pleno para partida disponível até na velocidade nula. 
  • Excelente linearidade do torque.
  • Alta precisão estática e dinâmica da velocidade.
  • Não tem frequência de chaveamento pré-ajustada. O chaveamento ótimo do transistor é definido para cada ciclo de controle, permitindo ao inversor ajustar-se mais prontamente às necessidades da carga acionada.

 O DTC foi originalmente desenvolvido para motores de indução CA em função de sua popularidade entre uma miríade de aplicações comerciais e industriais. Uma indicação do desempenho do DTC nos motores de indução é o tempo de resposta do torque (a um degrau de 100% na referência do torque) que se aproxima do limite da constante de tempo do motor elétrico. A incerteza para repetibilidade do torque sob o mesmo comando de referência é tipicamente tão baixa quanto 1% do torque nominal para toda a faixa de velocidades do inversor.

A demanda por maior densidade de potência e a evolução dos regulamentos internacionais de eficiência energética renovaram o interesse por outras topologias de motores. A boa notícia é que o DTC foi estendido para operar com motores síncronos de ímã permanente (PM) e com os novos motores síncronos de relutância (SynRM). A diferença principal do DTC acontece na partida do motor, conforme acomodada pelos inversores da ABB. A ausência de enrolamentos rotóricos e de velocidade de escorregamento nos motores síncronos PM e SynRM amplia os respectivos ganhos de eficiência sobre uma faixa mais ampla de torque-velocidade em comparação com os motores de indução. 

A elevada razão torque/tamanho desses motores permite um projeto mais simples do trem de potência. Por exemplo, um motor PM de acionamento direto e baixa velocidade pode dispensar a caixa de câmbio em uma embaladora. Um ponto fraco nos motores síncronos PM é o fato de dependerem, para seu melhor desempenho, de ímãs feitos de elementos do tipo terras-raras. Eis onde os motores SynRM são uma alternativa, por não usar ímãs permanentes.

Em meados de 2012 a ABB realizou uma série de medições para garantir a melhoria contínua da tecnologia DTC, mantendo seus inversores CA no auge do desempenho. Seguem alguns resultados significativos.

Estabilidade do torque a velocidade quase nula

Os inversores ABB ACS800 e os novos inversores industriais ACS880 tiveram a precisão de seu controle de torque comparada no modo de operação sem sensores (malha aberta). Cada inversor operou um motor de indução de quatro polos de 15kW a sua referência de torque nominal e com a máquina carga controlada para inversões de sentido a baixa velocidade, próxima de zero. 

Ambos os inversores apresentam capacidade de controle sem sensores notável para operação por longos períodos na faixa de velocidades próxima a zero, mas os novos ACS880 apresentam menos desvios em relação à referência de torque e, por isso, podem proporcionar um melhor desempenho de controle de motores.

Precisão do torque nas rampas

A precisão do controle de torque sem sensores do inversor ACS880 foi comparada a partir de um motor de indução de quatro polos e de um motor de relutância síncrono de 15kW (a 50% da respectiva velocidade nominal). O DTC manteve o erro do torque dentro de uma pequena percentagem do torque nominal para os dois tipos de motor.

O erro máximo de torque foi um pouco menor no motor de relutância síncrono que no motor de indução.

Desempenho dinâmico da categoria de servo motores

Medimos a velocidade e a posição angular de um motor síncrono PM de 1,5Nm/ 6.000rpm durante a reversão de velocidade entre ±6,000rpm em menos que 25 milissegundos (ms). Isso está muito próximo da constante de tempo mecânica do motor de 24ms e de um limite teórico.

Embora o ACS880 não seja um inversor servo, o DTC permite aceleração rápida e precisa do motor para os modos de controle de malha fechada e sem sensores. Comparando o tempo de aceleração medido à constante de tempo mecânica do motor dá uma medida da precisão do torque nos casos de aceleração extremamente acentuada.

Atualizações ao longo do tempo permitiram ao DTC alcançar para além das aplicações exigentes de alta dinâmica para as quais foi criado. As melhorias em software e o fato de que microprocessadores de alta potência se tornaram muito comuns justificaram economicamente a implementação mais ampla de inversores com DTC. A capacidade de responder rapidamente a mudanças nas variáveis de processo tais como pressão, tração ou posição usando dinâmicas excepcionais de controle de velocidade e torque torna o DTC atraente para mais indústrias. 

Além disso, os inversores CA oferecem um potencial espantoso de economias de energia para grandes quantidades de aplicações de velocidade variável em bombas e ventiladores. Como a relação entre velocidade e potência da bomba é cúbica, uma sequência de processo que permite a bomba operar a 50% da velocidade usaria apenas 1/8 de sua potência total.

O controle direto do torque vem apresentando melhorias contínuas em hardware e software ao longo de seus quase 30 anos de existência. Com base em sólidos fundamentos teóricos e na tecnologia DSP, o DTC superou as limitações dos primeiros processadores. Potentes processadores executam, hoje, complexos algoritmos de controle, atualizam parâmetros no modelo do motor e chaveiam os transistores do inversor para um desempenho ótimo.

A respeitada herança da engenharia de inversores da ABB e recursos substanciais foram investidos no desenvolvimento do controle direto do torque. Hoje, o DTC é uma tecnologia viva. Ela cresceu e se tornou uma marca maior que o “controle de torque” ao incorporar interfaces de usuário inteligentes, funções de diagnóstico do inversor e software no nível do sistema. 

Olhando para a frente a ABB pretende continuar na trilha de sua já duradoura tecnologia de DTC. Os clientes dos inversores da ABB podem confiar em que os benefícios do controle direto do torque em que investem hoje terão continuidade no longo prazo.

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