DTC Direkte Drehmomentregelung - hv- · PDF fileTechnische Anleitung Nr. 1 -DTC Direkte Drehmomentregelung 5 Die Direkte Drehmomentregelung - oder DTC - ist die fortschrittlichste

DTC Direkte Drehmomentregelung- die fortschrittlichste Technologie für AC-Antriebe

Technische Anleitung Nr. 1 Technische Anleitung Nr. 1

Technische Anleitung Nr. 1 - DTC Direkte Drehmomentregelung2

3Technische Anleitung Nr. 1 - DTC Direkte Drehmomentregelung

Inhalt

1 Einleitung ..................................................................Allgemeines.................................................................Zweck dieses Handbuchs ...........................................Verwendung dieses Handbuchs ..................................

2 Werdegang der Direkten Drehmomentregelung .....Was ist ein drehzahlgeregelter Antrieb? ......................Fazit ............................................................................DC-Motor-Antriebe .......................................................

Merkmale ................................................................Vorteile ....................................................................Nachteile .................................................................

AC-Antriebe - Einleitung ..............................................AC-Antriebe - Frequenzregelung mit PWM..................

Merkmale ................................................................Vorteile ...................................................................Nachteile ................................................................

AC-Antriebe - Flussvektorregelung mit PWM .............Merkmale ...............................................................Vorteile ...................................................................Nachteile ................................................................

AC-Antriebe - Direkte Drehmomentregelung (DTC) ....Regelgrößen ...........................................................

Vergleich der drehzahlgeregelten Antriebe .................

3 Fragen und Antworten .............................................Allgemeines................................................................Leistung......................................................................Betrieb ........................................................................

4 Theoretische Grundlagen der DTC .........................Wie funktioniert die DTC ............................................Drehmomentregelkreis ...............................................

Schritt 1 Messen von Spannung und Strom ...........Schritt 2 Adaptives Motormodell ............................Schritt 3 Drehmoment- und FlussvektorvergleicherSchritt 4 Optimale Impulsvorwahl ...........................

Drehzahlregelung ........................................................Schritt 5 Drehmomentsollwert-Regler .....................Schritt 6 Drehzahlregler ..........................................Schritt 7 Fluss-Sollwert-Regler ...............................

5 Index .........................................................................

5555

6667778899

101010101111121213

15151622

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Die Direkte Drehmomentregelung - oder DTC - ist diefortschrittlichste AC-Antriebs-Technologie aller Herstellerweltweit.

In diesem Handbuch wird erklärt, was DTC ist, warum dieseTechnologie entwickelt wurde und wie sie sich entwickelt hat,welche Theorie diesem Erfolg zugrunde liegt sowie ihreMerkmale und Vorteile.

Dieses Handbuch soll so praxisgerecht wie möglich sein,jedoch ist ein Grundverständnis der Regelungsprinzipien vonAC-Motoren erforderlich.

Dieses Handbuch richtet sich an die Entscheider in denBereichen Planung, Entwicklung, Ver trieb, OEMs undEndkunden - auf allen Märkten wie Wasserwirtschaft, Chemie-Papier- und Zellstoffindustrie, Stromerzeugung, Material-bearbeitung und -transport, Klimatisierung und weitereIndustriezweige.

Wer drehzahlgeregelte Antriebe (VSD) einsetzt und jeder, derdie Vorteile der VSD-Technologie nutzen möchte, sollte dieseTechnische Anleitung als wichtige Standardlektüre lesen.

Dieses Handbuch wurde so aufgebaut, dass es auf logsicheWeise darstellt, warum und wie DTC entwickelt wurde.

Leser, die die Entwicklung der Antriebe von den erstenAnfängen der DC-Technik über AC bis hin zu DTC kennenlernen möchten, sollten mit Kapitel 2 (Seite 6) beginnen.

Leser, die sich für die Leistung der DTC, den Betrieb und dieAnwendungsbereiche interessieren, können direkt mit Kapitel3 (Seite 15) Fragen und Antworten beginnen.

Das Grundprinzip der DTC wird ab Seite 26 erläutert.

Kapitel 1 - Einleitung

Zweck diesesHandbuchs

Allgemeines

Verwendungdieses Hand-buchs


Fazit

Was ist eindrehzahl-geregelterAntrieb?

Kapitel 2 - Der Werdegang der DirektenDrehmomentregelung

Um die Antwort auf diese Frage zu verstehen, muss manwissen, dass die Grundfunktion eines drehzahlgeregeltenAntriebs (VSD) in der Regelung des Energieflusses vom Netzzum Prozess besteht.

Dem Prozess wird Energie über die Motorwelle zugeführt. derStatus der Welle wird durch zwei physikalische Größenbeschrieben: Drehmoment und Drehzahl. Um den Energieflusszu regeln, müssen letztendlich diese Größen geregelt werden.

In der Praxis bedeutet dies, eine der beiden Größen wirdgeregelt. Man spricht entweder von "Drehmomentregelung” odervon “Drehzahlregelung”. Wenn der VSD im ModusDrehmomentregelung läuft, wird die Drehzahl von der Lastbestimmt. Gleichermaßen gilt, beim Betrieb im ModusDrehzahlregelung wird das Drehmoment von der Last bestimmt.

Anfangs wurden DC-Motoren als drehzahlgeregelte Antriebe(VSD) genutzt, da sie auf einfache Weise, ohne komplizierteElektronik die erforderliche Drehzahl und das erforderlicheDrehmoment erreichen.

Die technische Entwicklung der drehzahlgeregelten AC-Antriebewurde teilweise von dem Wunsch bestimmt, die hervorragendenEigenschaften des DC-Motors, wie schnelle Drehmoment-anregelzeit und Drehzahlgenauigkeit bei Verwendung robuster,kostengünstiger und wartungsfreier AC-Motoren zu erreichen.

In diesem Abschnitt wird die Entwicklung derDTC anhand von vier typischen Beispielenvon drehzahlgeregelten Antrieben erläutert:

• DC-Motor-Antriebe 7• AC-Antriebe, Frequenzregelung, PWM 9• AC-Antriebe, Flussvektorregelung, PWM 10• AC-Antriebe, Direkte Drehmomentregelung 12

Die einzelnen Antriebe werden der Reihe nach erläutert , umschließlich zu einem Gesamtbild zu gelangen, in dem dieentscheidenden Unterschiede zwischen diesen Antriebendeutlich werden.


DC-Antrieb

Drehmo-mentre-gelung

Drehzahl-regelung

DC-Motor-Antriebe

• Feldorientierung über mechanischen Kommutator• Die Regelgrößen sind Ankerstrom und Feldstrom,

die DIREKT am Motor gemessen werden• Die Drehmomentregelung wirkt direkt

Bei einem DC-Motor wird das Magnetfeld durch einen Strom,der durch die Feldwicklung des Stators fließt, erzeugt. DiesesFeld befindet sich immer im rechten Winkel zu dem durch dieAnkerwicklung erzeugten Feld. Dieser als Feldorientierungbezeichnete Zustand wird zur Erzeugung des maximalenDrehmomentes benötigt. Die Kommutator-Bürsten-Einheitgewährleistet diesen Zustand unabhängig von der Position desRotors.

Nach Erreichen der Feldorientierung kann das Drehmomentdes DC-Motors leicht durch Ändern des Ankerstroms undKonstanthalten des Magnetisierungsstroms geregelt werden.

Der Vorteil von DC-Antrieben besteht darin, dass Drehzahl undDrehmoment - die beiden wichtigsten Größen für den Anwen-der - direkt durch den Ankerstrom geregelt werden: das heißt,das Drehmoment bildet den inneren Regelkreis und die Dreh-zahl den äußeren Regelkreis (siehe Bild 1).

• Exakte und schnelle Drehmomentregelung• Hochdynamische Reaktion der Drehzahl• Einfach zu regeln

Zunächst wurden DC-Antriebe für die Drehzahlregelungverwendet, da sie mit hoher Genauigkeit leicht eine guteReaktion des Drehmoments und der Drehzahl erreichenkonnten.

Bild 1: Regelkreis eines DC-Motor-Antriebs

Werdegang der Direkten Drehmomentregelung

Merkmale

Vorteile


CustomerLocation

ApplicationEquipment Supplied

How it Works

Eine DC-Maschine ist in der Lage, ein Drehmoment zuerzeugen, das:• direkt ist - das Drehmoment des Motors ist proportional

zum Ankerstrom: damit kann das Drehmoment direkt undexakt geregelt werden.

• schnell ist - die Drehmomentregelung ist schnell; das An-triebssystem kann eine sehr hohe Drehzahldynamik besitz-en. Das Drehmoment kann sich sofort ändern, wenn dieEinspeisung des Motors von einer idealen Stromquelle auserfolgt. Ein mit Spannung versorgter Antrieb hat immer nochein schnelles Ansprechverhalten, da dies nur von derelektrischen Zeitkonstanten des Rotors bestimmt wird (d.h.der Gesamtinduktivität und dem Widerstand im Ankerkreis)

• einfach ist - die Feldorientierung wird mit einer einfachenMechanik erreicht, die als Kommutator-Bürsten-Einheitbezeichnet wird, somit besteht für eine komplexeelektronische Schaltung, die nur die Kosten für einenMotorregler erhöhen würde, keine Notwendigkeit.

• Verminderte Zuverlässigkeit des Motors• Regelmäßige Wartung• Teuerer Motor• Impulsgeber für die Rückmeldung erforderlich

Der entscheidende Nachteil dieser Technik liegt in derverminderten Zuverlässigkeit des DC-Motors, im Verschleißder Bürsten und Kommutatoren, die regelmäßig gewartet werdenmüssen, dem eventuell hohen Kaufpreis der DC-Motoren undder zwingend notwendigen Impulsgeber für die Drehzahl- undPositionsrückmeldung.

Während ein DC-Antrieb ein leicht zu regelndes Drehmomentvon Null bis zur Nenndrehzahl und darüber hinaus erzeugt, istdie Mechanik des Motors komplexer und erfordert eineregelmäßige Wartung.

• Kleine Abmessungen• Robust• Einfacher Aufbau• Leicht und kompakt• Wartungsfreundlich• Kostengünstig

Die Entwicklung der Technik der drehzahlgeregelten Antriebewurde teilweise von dem Verlangen vorangetrieben, die Leistungvon DC-Antrieben, wie schnelle Reaktion des Drehmomentsund Drehzahlgenauigket, bei gleichzeitiger Ausnutzung derVorteile der Standard-AC-Motoren zu erreichen.

Nachteile

AC-Antriebe -Einleitung



Fre-quenz-soll-wert

Frequenzregelung

V/f-Verhält-nis

Modu-lator

• Die Regelgrößen sind Spannung und Frequenz• Simulation variabler AC-Sinuswellen durch Modulator• Fluss mit konstantem V/f Verhältnis• Antrieb ohne Signalrückführung• Die Last gibt das Drehmoment vor

Im Gegensatz zum DC-Antrieb verwendet dieFrequenzregelungstechnik für AC-Antriebe Parameter, dieaußerhalb des Motors als Regelgrößen erzeugt werden, nämlichSpannung und Frequenz.

Die Spannungs- und Frequenzsollwerte werden in einenModulator eingegeben, der eine AC-Sinuswelle erzeugt unddiese in die Statorwicklungen des Motors einspeist. DieseTechnik nennt sich Pulsweitenmodulation (PWM) und nutztdie Tatsache, dass es netzseitig einen Diodengleichrichter gibtund die DC-Zwischenkreisspannung konstant gehalten wird.Der Wechselrichter regelt den Motor in Form einer PWM-Impulsfolge, die Spannung und Frequenz vorgibt.

Es ist zu beachten, dass bei diesem Verfahren keineRückmeldeeinrichtung benötigt wird, die an der Motorwelle dieDrehzahl oder die Position misst und den Wert als Rückmeldungan die Regelung überträgt.

Eine solche Anordnung ohne Rückmeldeeinrichtung heißt"Antrieb ohne Signalrückführung".

Bild 2: Regelkreis eines AC-Antriebs mit Frequenzregelung durchPWM


Merkmale

AC-Antriebe -Frequenz-regelung mitPWM


Fluss-Vektorregelung Dreh-zahlre-gelung

Dreh-moment- rege- lung

Modu- lator

• Kostengünstig• Keine Rückmeldeeinrichtung erforderlich - einfach

Da es keine Rückmeldeeinrichtung gibt, bietet dasRegelungsprinzip eine kostengünstige und einfache Lösungzur Regelung wirtschaftlicher AC-Induktionsmotoren.Dieser Antriebstyp eignet sich für Applikationen, bei denenkeine hohe Präzision erforderlich ist, wie z.B. bei Pumpen undLüftern.

• Die Feldorientierung wird nicht verwendet• Der Motorstatus wird ignoriert• Das Drehmoment wird nicht geregelt• Verwendung eines verzögernden Modulators

Bei dieser Technik, die auch als Skalarregelung bezeichnetwird, wird die Feldorientierung des Motors nicht verwendet.Stattdessen sind Frequenz und Spannung die wichtigstenRegelgrößen und wirken auf die Statorwicklung. Der Statusdes Rotors wird ignoriert, das heißt, es erfolgt keine Drehzahl-oder Positionsrückmeldung.

Deshalb kann das Drehmoment überhaupt nicht exakt geregeltwerden. Darüber hinaus wird bei dieser Technik ein Modulatorverwendet, der generell die Kommunikation zwischen deneingehenden Spannungs- und Frequenzsignalen und derNotwendgkeit des Motors, auf dieses sich ändernde Signal zureagieren, verlangsamt.

Vorteile

AC-Antriebe -Flussvektor-regelung mitPWM


Merkmale

Nachteile

Bild 3: Regelkreis eines AC-Antriebs mitFlussvektorregelung mit PWM

• Feldorientierte Regelung - simuliert einen DC-Antrieb• Simulation der elektrischen Kennwerte des Motors

- “Motormodell”• Antrieb mit Signalrückführung• INDIREKTE Drehmomentregelung


Um die magnetischen Betriebsbedingungen eines DC-Motorsnachzubilden, d.h. um die Feldorientierung durchzuführen, mussder Flussvektor-Antrieb die räumliche Winkellage des Rotor-flusses im AC-Induktionsmotor kennen.

Bei Flussvektor-PWM-Antrieben wird die Feldorientierungelektronisch und nicht durch die mechanische Kommutator/Bürsten-Einheit des DC-Motors realisiert.

Zunächst erhält man die Information über den Rotorstatus durchdie Rückmeldung der Rotordrehzahl und der Winkellage relativzum Statorfeld durch einen Impulsgeber. Ein Antrieb mitDrehzahlgeber wird als "Antrieb mit Signalrückführung"bezeichnet.

Darüber hinaus werden auch die elektrischen Kennwerte desMotors mit Hilfe von Mikroprozessoren mathematischnachgebildet.

Der elektronische Regler eines Flussvektor-Antriebs erzeugtelektrische Größen wie Spannung, Strom und Frequenz , dieals Regelgrößen dienen, und gibt diese über einen Modulatorin den AC-Induktionsmotor ein. Deshalb erfolgt die Drehmo-mentregelung INDIREKT.

• Gutes Drehmomentverhalten• Exakte Drehzahlregelung• Volles Drehmoment bei Drehzahl Null• Leistung mit der eines DC-Antriebs vergleichbar

Bei der Flussvektor-Regelung wird bei Drehzahl Null das volleDrehmoment erreicht, wodurch eine Leistung ähnlich der einesDC-Antriebs möglich wird.

• Rückmeldung ist erforderlich• Kostenintensiv• Modulator wird benötigt

Um eine sehr gute Reaktion des Drehmoments und eine sehrhohe Drehzahlgenauigkeit zu erreichen, wird eineRückmeldeeinrichtung benötigt. Diese kann kostenintensivsein und erhöht die Komplexität des herkömmlichen, einfachenAC-Induktionsmotors.

Außerdem wird ein Modulator verwendet, der dieKommunikation zwischen den Spannungs- und Frequenz-signalen und der Reaktion des Motors auf das sich änderndeSignal verlangsamt.

Obwohl der Motor mechanisch einfach ist, ist der Antriebelektrisch komplex.

Entwicklung der Direkten Drehzahlregelung

Vorteile

Nachteile


Direkte Drehmomentregelung

Drehzahl-regelung

Drehmo-ment-regelung

Mit der revolutionären, von ABB entwickelten DTC-Technikwird die Feldorientierung ohne Rückmeldung und ohneModulation durch die innovative Motortheorie zur Berechnungdes Motormoments direkt erreicht. Die Regelgößen sind derMagnetisierungsfluss des Motors und das Motormoment.

DTC kommt ohne Modulator aus und benötigt keinenDrehzahlmesser und keinen Positionsgeber zur Rückmeldungder Drehzahl oder der Position der Motorwelle.

DTC verwendet die schnellste verfügbare Hardware für dieVerarbeitung digitaler Signale und ein innovativesmathematisches Konzept über die Funktionsweise des Motors.

Das Ergebnis ist ein Antrieb mit einem Drehmoment, dastypischweise 10 Mal schneller ist als bei einem AC- oder DC-Antrieb. Die dynamische Drehzahlgenauigkeit der DTC-Antriebe ist um das 8 fache besser als bei AC-Antrieben ohneSignalrückführung und vergleichbar mit der eines DC-Antriebsmit Signalrückführung.

Mit DTC wird der erste “universell einsetzbare” Antriebgeschaffen, der in der Lage ist, wie ein AC- oder ein DC-Antriebzu agieren.

In den folgenden Kapiteln dieses Handbuchs werden dieMerkmale und Vorteile der DTC dargestellt.

AC-Antriebe -DirekteDrehmoment-regelung(DTC)

Bild 4: Regelkreis eines AC-Antriebs mit DTC


Regelgrößen


Direkte Drehmomentregelung

Drehzahl-regelung

Drehmo-ment-regelung

Fluss-Vektorregelung Dreh-zahlre-gelung

Dreh-moment- rege- lung

Modu- lator

Fre-quenz-soll-wert

Frequenzregelung

V/f-Verhält-nis

Modu-lator

DC-Antrieb

Drehmo-mentre-gelung

Drehzahl-regelung

DC-Antriebe Ankerstrom, IMagnetisierungsstrom,I

AM

AC-Antriebe (PWM)

Ausgangsspannung, UAusgangsfrequenz, f

Direkt Drehmo-mentregelung

Motormoment, TMotor-Magnetisierungsfluss,

ANTRIEB REGELGRÖSSEN

Im Folgenden werden die einzelnen Regelblöcke betrachtetund einige Unterschiede hervorgehoben.

Vergleich derdrehzahl-geregeltenAntriebe


Bild 1: Regelkreis einesDC-Antriebs

Bild 3: Regelkreis mitFlussvektor-Regelung

Bild 2: Regelkreis mitFrequenzregelung

Bild 4: Regelkreis eines AC-Antriebs mit DTC

Tabelle 1: Vergleich der Regelgrößen

Als erstes fällt die Ähnlichkeit zwischen dem Regelblock desDC-Antriebs (Bild 1) und dem der DTC (Bild 4) auf.

In beiden Fällen werden Motorparameter zur DirektenDrehmomentregelung verwendet.

DTC verfügt jedoch über weitere Vorteile einschließlich demVerzicht auf eine Rückmeldungseinrichtung. DTC hat alleVorteile eines AC-Motors (siehe Seite 8) und benötigt keineexterne Erregung.



Wie in Tabelle 1 dargestellt, werden sowohl bei DC-Antriebenals auch bei DTC-Antrieben die tatsächlichen Motorparameterzur Drehmoment- und Drehzahlregelung verwendet. Darausergibt sich eine schnelle und einfache dynamische Leistung.Darüber hinaus kann mit DTC bei den meisten Applikationenauf einen Drehzahlmesser oder einen Impulsgeber zur Rück-führung des Drehzahl- oder Positionssignals verzichtet wer-den.

Beim Vergleich von DTC (Bild 4) mit zwei anderen Regel-blöcken für AC-Antriebe (Bild 2 und 3) werden mehrereUnterschiede deutlich. Der wesentliche Unterschied liegtdarin, dass bei DTC kein Modulator erforderlich ist.

Bei AC-Antrieben mit PWM sind die Regelgrößen Frequenzund Spannung. Sie müssen mehrere Stufen durchlaufen, bissie auf den Motor wirken können. Somit erfolgt bei PWM-Antrieben die Regelung im elektronischen Regler und nicht imMotor.


Was ist die Direkte Drehmomentregelung (DTC)?

Die Direkte Drehmomentregelung - auch DTC genannt - istdie bislang modernste, von ABB entwickelte Technologie fürAC-Antriebe und ist dabei, die herkömmlichen PWM-Antriebemit oder ohne Signalrückführung zu ersetzen.

Warum heißt das Verfahren Direkte Drehmoment-regelung ?

Der Begriff Direkte Drehmomentregelung beschreibt, wie dieRegelung des Drehmoments und der Drehzahl direkt auf demelektromagnetischen Zustand des Motors basiert, ähnlich wiebei einem DC-Motor, jedoch grundlegend anders als bei denherkömmlichen PWM-Antrieben die Frequenz und Spannungverwenden. DTC ist die erste Technologie, mit der die "echten"Regelgrößen des Motors von Drehmoment und Fluss geregeltwerden.

Worin liegen die Vorteile?

Da Drehmoment und Fluss Parameter des Motors sind, diedirekt geregelt werden, besteht keine Notwendigkeit für einenModulator, wie er bei PWM-Antrieben zur Regelung derFrequenz und der Spannung verwendet wird. Hierdurch entfällteine Zwischenstation und die Reaktion des Antriebs aufÄnderungen des erforderlichen Drehmoments wird deutlichbeschleunigt. DTC ermöglicht außerdem eine präzise Dreh-momentregelung ohne Rückmeldeeinrichtung.

Warum ist eine andere Technologie für AC-Antriebeerforderlich?

DTC ist nicht nur eine andere Technik für AC-Antriebe, dieIndustrie stellt weitergehende Forderungen und die vorhandeneTechnologie kann diese Forderungen nicht erfüllen.

Die Industrie fordert z.B.:• Eine bessere Produktqualität, die teilweise durch eine ver-

besser te Drehzahlgenauigkeit und eine schnellereDrehmomentregelung erreicht werden kann.

• Geringere Ausfallzeiten, d.h. ein Antrieb löst nicht unnöti-gerweise aus; einen Antrieb, dessen Aufbau nicht durchteuere Rückmeldeeinrichtungen kompliziert wird, und einenAntrieb, der nicht sehr anfällig für Störungen wie Oberwellenund HF-Störungen ist.

• Weniger Produkte. Ein Antrieb, der alle Anforderungen derApplikation erfüllt, egal ob AC, DC oder Servoantrieb.Das ist in der Tat ein "Universal"-Antrieb.

Allgemeines

Kapitel 3 - Fragen und Antworten


• Eine angenehme Arbeitsumbegung durch einen Antrieb, derweniger Lärm erzeugt.

Dies sind nur einige Forderungen aus der Industrie. DTCliefert Lösungen für alle diese Forderungen und bietet darüberhinaus zusätzliche Vorteile für viele Standardapplikationen.

Wer hat DTC erfunden?

ABB hat seit 1988 Forschungsarbeit im Bereich DTC geleistet,nachdem die Theorie 1971 und 1985 von Dr. Blaschke undseinem Kollegen Depenbrock veröffentlicht wurde. DTC lehntsich an die Theorie der feldorientierten Regelung beiInduktionsmaschinen und an die Theorie der direktenSelbstregelung an. ABB hat für die Entwicklung dieserTechnologie mehr als 100 Mannjahre aufgewendet.

Was sind die wesentlichen Vorteile der DTC-Technikverglichen mit der traditionellen Technik für AC-Antriebe?

Die DTC-Technik bietet viele Vorteile. Am wichtigsten ist jedoch,dass Antriebe mit DTC-Technik über folgende, herausragendedynamischen Eigenschaften verfügen, von denen viele ohneImpulsgeber oder Drehzahlmesser zur Überwachung derDrehzahl oder der Positon der Motorwelle reaslisiert werdenkönnen:

• Drehmomentanregelzeit: - Wie schnell kann der Antriebs-ausgang bei einem Sollwertsprung von 100 % des Nenn-moments den vorgegebenen Wert erreichen.Bei DTC liegt eine typische Drehmomentanregelzeit bei 1bis 2ms unter 40Hz verglichen mit 10-20ms sowohl beiFlussvektor- als auch DC-Antrieben mit Impulsgeber. BeiPWM-Antrieben ohne Signalrückführung (siehe Seite 9) liegtdie Anregelzeit bei deutlich über 100ms. Mit dieser Reaktiondes Drehmoments hat DTC die natürliche Grenze erreicht.Bei der vorhandenen Spannung und dem vorhandenen Stromkann die Rekationszeit nicht kürzer sein. Selbst bei denneueren "geberlosen" Antrieben liegt die Reaktion desDrehmoments bei mehreren Hundert Millisekunden.

• Exakte Drehmomentregelung bei niedrigen Frequenzensowie volles Lastmoment bei Drehzahl Null ohneRückmeldungseinrichtungen wie Impulsgeber oderDrehzahlmesser. Mit DTC kann die Drehzahl bis zuFrequenzen unter 0,5 Hz geregelt werden und trotzdem noch100% Drehmoment bis zur Drehzahl Null bieten.

• Wiederholbarkeit des Drehmoments : - Wie gut wiederholtder Antrieb sein Ausgangsmoment bei demselbenDrehmomentsollwertbefehl.DTC kann ohne Impulsgeber eine Wiederholbarheit von

Leistung

Fragen und Antworten


1 bis 2% des Nennmomentes über den Drehzahlbereichbieten. Dies ist die Hälfte dessen, was AC-Antriebe ohneSignalrückführung liefern und entspricht AC- und DC-Antrieben mit Signalrückführung .

• Statische Drehzahlgenauigkeit des Motors: - Fehlerzwischen dem Drehzahlsollwert und dem Istwert beiKonstantlast.Bei DTC liegt die Drehzahlgenauigkeit bei 10% desMotorschlupfes, der bei einem 11kW Motor 0,3% derstatischen Drehzahlgenauigkeit entspricht.Bei einem 110kW Motor beträgt die Drehzahlgenauigkeit0,1% ohne Impulsgeber (ohne Signalrückführung). DieserWert erfüllt bei 95% der Antriebsapplikationen in der Industriedie Anforderungen an die Genauigkeit. Um jeodch mit einemDC-Antrieb diese Genauigkeit zu erreichen, ist einImpulsgeber erforderlich.

Bei frequenzgeregelten PWM-Antrieben liegt die statischeDrehzahlgenauigkeit typischerweise zwischen 1 und 3%.Somit ist das Potential für Verbesserungen des Prozessesbeim Kunden bei Standardantrieben mit DTC-Technik deutlichhöher.

Ein DTC-Antrieb mit einem Impulsgeber mit 1024 Impulsen/Umdrehung kann eine Drehzahlgenauigkeit von 0,01%erreichen.

• Dynamische Drehzahlgenauigkeit: - Zeitintegral derDrehzahlabweichung bei einer Nennmoment(100%)-Drehzahl.Die dynamische Drehzahlgenauigkeit ohne Signal-rückführung liegt zwischen 0,3 und 0,4%sec. Dies hängtvon der Einstellung der Reglerverstärkung ab, die auf dieProzessanforderungen eingestellt werden kann.

Bei anderen AC-Antrieben ohne Signalrückführung ist diedynamische Genauigkeit 8-mal geringer und liegt in der Praxisbei ca. 3%sec.Wenn der DTC-Controller mit einem Impulsgeber ausgestattetwird, beträgt die dynamische Drehzahlgenauigkeit 0,1%sec,dieser Wert entspricht dem eines Servoantriebs.

Was sind die praktischen Vorteile dieser Werte?

• Schnelle Drehmomentanregelzeit: - hiermit wird dieDrehzahlabfallzeit beim Lastübergang deutlichverringert, wodurch die Prozessführung verbessert wird undeine konsistentere Produktqualität erreicht wird.

• Drehmomentregelung bei niederen Frequenzen: - Diesist besonders bei Kranen und Hebezeugen vorteilhaft,bei denen die Last ruckfrei angefahren und gestoppt werden



muss. Auch bei Wickelmaschinen kann eineZugspannungsregelung ab Drehzahl Null bis zurMaximaldrehzahl erreicht werden. Im Vergleich zu PWM-Antrieben mit Flussvektor-Regelung bietet DTC einenKostenvorteil, da kein Drehzahlmesser benötigt wird.

• Linearität des Drehmoments: - Dieser Aspekt ist beiPräzisionsanwendungen wie Wickelmaschinen, die in derPapierindustrie verwendet werden, wo ein gleichmäßigesWickeln entscheidend ist, wichtig.

• Dynamische Drehzahlgenauigkeit: - Nach einemplötzlichen Lastwechsel kann sich der Motor erstaunlichschnell stabilisieren.


Tabelle 2: Dynamik und Vorteile der DTC-Technik

Spart Investions-kosten. Verbessert dieZuverlässigkeit.Bessere Prozess-führung. Höhere Pro-duktqualität. EchterUniversalantrieb.

Ähnliche Leistung wieDC, jedoch ohne Dreh-zahlmesser. Wenigermechanisch bedingteAusfälle. Weniger Aus-fallzeiten. GeringereInvestionen.

Kostengünstig,Hochleistungs-Drehmomentantrieb;Positionsregelung undverbesserte statischeGenauigkeit.Hochpräzise Regelungmit Standard-AC-Motor.

Spart Investitons-kosten. Bessere Last-regelung. AC-Antriebund Motor anstelleeines DC-Antriebsmöglich. Standard-AC-Motor bedeutetgeringerer Wartungs-aufwand undniedrigere Kosten.

Ermöglicht eine Regelungder Drehzahl präziser als0.5%. In 95% aller Appli-kationen ist kein Dreh-zahlmesser erforderlich.

Antrieb für anspruchs-volle Applikationen. Er-möglicht jederzeit dasgeforderte Drehmoment. Wiederholbarkeit desDrehmoments 1%. Dreh-momentanregelzeitweniger als 5ms.

Keine mechanischeBremse erforderlich.Stoßfreier Übergangzwischen Antrieb undBremse. Antrieb kann inherkömmlichen DC-Antriebsapplikationeneingesetzt werden.

Leistungsfähigkeit einesServoantriebs.

Gute Genauigkeit derMotordrehzahl ohneDrehzahlmesser.

HerovorragendeDrehmomentregelungohne Drehzahlmesser.

Regelung bis zuDrehzahl Null undPosition Impulsgeber.

Volles Drehmoment beiDrehzahl Null mit oderohne Drehzahlmesser/Impulsgeber.

MERKMAL ERGEBNIS VORTEIL



Tabelle 3: Merkmale und Vorteile der DTC-Technik für den Kunden

Schnelle Regelung derDC-wischenkreisspannung.

Durchlauf bei Netzausfall. Antrieb löst nicht aus. Weniger

Ausfallzeiten. Vermeidung von

Prozessunterbrechungen.

Weniger Ausschuss im

kontinuierlichen Prozess.

Automatischer Start(direkter Wiederanlauf).

Start mit Restinduktanz desMotors. Keine Verzögerungdes Wiederanlaufserforderlich.

Start in einen laufenden Motor

ohne Warten auf das Abklingen

des Flusses möglich. Umschalten

des Motors vom Netz auf den

Antrieb möglich. Kein Neustart.

Keine Unterbrechung.

Geregeltes Bremsenzwischen zweiDrehzahlpunkten.

Spart Investitionskosten. Bessere

Prozessführung. Keine

Verzögerung wie beim DC-

Bremsen erforderlich. Kann zur

Verzögerung auf eine Drehzahl

ungleich Null verwendet werden.

Bremschopper und -widerstand

nicht unbedingt nötig.

Flussbremsung.

Flussoptimierung. Motorverluste minimiert.Geringeres Motorgeräusch.

Geregelter Motor.

Selbstidentifikation/ Selbstabstimmung.

Abstimmen des Motors aufden Antrieb für Topleistung.

Leichtes und exaktes Einrichten.

Keine Parameterabstimmung

nötig. Schnelle Inbetriebnahme.

Garantiertes Startmoment. Bei

allen AC-Systemen leicht

nachzurüsten.

Kein vorgegebenesSchaltmuster fürLeistungsgeräte.

Geräuscharm. Kein festerTräger, deshalb akzeptablesGeräusch aufgrund des“weißen”Geräuschspektrums.

Kostenersparnis beim

Lärmschutz empfindlicher

Applikationen. Keine schädlichen

mechanischen Resonanzen.

Geringere Belastung von

Getrieben, Lüftern, Pumpen.

Kann schnellstmöglich ohnemech. Einschränkungenverzögern.

Automatischer Start(fliegender Start).

Synchronisiert sich auf dendrehenden Motor.

Keine Prozessunterbrechung.

Stoßfreie Regelung der Maschine.

Wiederaufnahme der Regelung

in allen Situationen.

Keine Begrenzung dermaximalen Beschleunigungs-und Verzögerungsrate.

Bessere Prozessführung.

VORTEILMERKMAL ERGEBNIS

Hat die DTC-Technik neben den hervorragenden dynamischenWerten noch weitere Vorteile?Ja. Es gibt viele Vorteile. So brauchen DTC-Antriebe z.B. keinenDrehzahlmesser oder Impulsgeber zur Überwachung der Position undDrehzahl der Motorwelle, um die schnellste jemals von einem AC-Antrieberreichte Drehmomentanregelzeit zu erreichen. Dies spartInvestitionskosten.


Ein DTC-Antrieb ist auch in der Lage, bei jedemelektromagnetischen oder mechanischen Zustand des Motorsschnell zu starten. Der Motor kann sofort, ohne Verzögerunggestartet werden.

DTC-Antriebe sind für anspruchsvolle und Hochleistungs-Antriebsapplikationen am besten geeignet. Welche Vorteilebringt DTC für Standardantriebe?

Drehzahlgeregelte Antriebe kommen bei 70% allerStandardapplikationen in der Industrie zum Einsatz. Zwei derhäufigsten Anwendungsfälle sind Lüfter und Pumpen in denBereichen Heizung, Lüftung und Klimatisierung, Wasser,Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie.

Bei diesen Applikationen bietet DTC Lösungen bei Problemenmit der Oberwelligkeit und Lärmbelastung.

Zum Beipiel kann die DTC-Technik eine Regelungsmöglichkeitfür die Rückspeisung auf der Einspeiseseite des Antriebsbieten, wo eine konventionelle Diodenbrücke durch einegeregelte Brücke ersetzt wird.

Hierdurch kann die Oberwelligkeit mit einer DTC-geregeltenEinspeisebrücke deutlich reduziert werden. Die Verzerrung desStroms bei einer DTC-geregelten Brücke ist geringer als beieiner konventionellen 6-Puls- oder 12-Puls-Ausführung und eswird ein Leistungsfaktor bis zu 0,99 erreicht.

In Standardapplikationen hält DTC sehr hohen und plötzlichenLastmomenten, die von schnellen Prozessänderungenverursacht werden, problemlos ohne Über- oderUnterspannungsabschaltung stand.

Bei einem kurzzeitigen Ausfall der Einspeisespannung mussder Antrieb erregt bleiben. Die DC-Zwischenkreisspannungdarf nicht unter den niedrigsten Wert für die Regelung von 80%fallen. Um dies zu gewährleisten, hat DTC einenRegelungszyklus von 25 Mikrosekunden.

Welche Wirkung hat DTC bei der Pumpenregelung?

DTC hat bei allen Arten von Pumpen seine Wirkung. Da DTCein Universalantrieb ist, können nun alle Pumpen, obKreiselpumpen oder Pumpen mit Konstantmoment(Schaubenpumpen) mit einer Antriebskonfiguration geregeltwerden, wie es bei Lüftern und Förderern der Fall ist. Mit derDTC-Technik kann sich ein Antrieb selbst auf die sichändernden Anforderungen der Applikation einstellen.



Beispielsweise kann sich ein Antrieb mit DTC-Technik beiSchraubenpumpen selbst auf das erforderliche Startmomenteinstellen, um den Start zu gewährleisten.

Ein verbesserter Durchlauf bei Netzausfall verbessert die Ver-fügbarkeit der Pumpen bei kurzzeitigem Spannungsausfall.

Die Drehmomentregelung der DTC-Technik ermöglicht eineBegrenzung des Drehmoments, um eine mechanische Bela-stung der Pumpen und Leitungen zu vermeiden.

Welchen Einfluss hat die DTC-Technik auf die Einsparungvon Energie?

Die Motorflussoptimierung der DTC trägt zur Energieersparnisbei.

Hierdurch wird die Effizienz des gesamten Antriebs (d.h. Reg-ler und Motor) bei Lüfter- und Pumpenapplikationen erheblichverbesert.

Bei einer Last von 25% beispielsweise ergibt sich eineVerbesserug der Gesamtenergieeffizienz von bis zu 10%. Beieiner Last von 50% ist eine Verbesserung der Gesamtenergie-effizienz von 2% möglich.

Dies wirkt sich direkt auf die Betriebskosten aus. Außerdemwerden Motorgeräusche erheblich reduziert verglichen mit demGeräusch, das durch die Schalthäufigkeit eines herkömmli-chen PWM-Antriebs entsteht.

Wurde die DTC-Technik bisher in vielen Anlagen einge-setzt?

Ja. Es gibt hunderttausende von Anlagen. Einer der weltgrößtenRotationsmaschinenhersteller beispielsweise hat bei einerWickelmaschine für die Abschlussbearbeitung von Folien dieDTC-Technik getestet.

Die Anforderung:Exakte Drehmomentregelung in der Wickelmaschine zur Her-stellung hochwertiger Rollenfolien.

Die Lösung:DTC-Antriebe ohne Signalrückführung haben die traditonellenDC-Antriebe und die AC-Antriebe mit Flussvektorregelung anden Achsantrieben in der Umspulstation ersetzt.

Questions and Answers


Die Vorteile:Die Konstruktion der Wickelstation konnte vereinfacht und dieZuverlässigkeit verbessert werden. Die Kosten für einen Dreh-zahlmesser und die dazugehörende Verdrahtung entsprechendenen eines 30kW AC-Motors. Hieraus ergibt sich ein we-sentliches Einsparpotential bei den Investitionskosten.

Worin liegt der Unterschied zwischen DTC und denbisherigen PWM-Verfahren?

• Frequenzregelung PWM und Flussvektor PWM

Herkömmliche PWM-Antriebe verwenden die Ausgangs-spannung und die Ausgangsfrequenz als primäre Regel-größen. Diese müssen jedoch vor der Eingabe in den Motormit der Pulweitenmodulation aufbereitet werden.

Durch diese Modulatorstufe wird die Signalverarbeitungszeitverlängert und begrenzt die Drehmoment- und Drehzahlanregel-zeit des PWM-Antriebs.

Typischerweise benötigt ein PWM-Modulator für die Reaktionauf eine Änderung zehnmal mehr Zeit als DTC.

• DTC-Regelung

Durch DTC können das Drehmoment und der Statorflussdes Motors als primäre Regelgrößen verwendet werden, beidestammen direkt vom Motor. Deshalb besteht bei DTC keineNotwendigkeit für einen separaten spannungs- undfrequenzgeregelten PWM-Modulator. Ein weiterer großer Vorteildes DTC-Antriebs ist, dass bei 95 % aller Antriebsapplikationenkeine Rückmeldeeinrichtung erforderlich ist.

Warum benötigt DTC keinen Drehzahlmesser und keinenPositionsgeber, um jederzeit präzise die Positon derMotorwelle zu kennen?

Hierfür gibt es im wesentlichen vier Gründe:

• Die Genauigkeit des Motormodells (siehe Seite 27).• Die Regelgrößen kommen direkt vom Motor

(siehe Seite 27).• Die hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten der DSP- und

Optimum Pulse Selector-Hardware (siehe Seite 28).• Kein Modulator erforderlich (siehe Seite 12).

Betrieb



Wenn die obengenannten Merkmale in einem DTC-Antriebrealisiert werden, entsteht ein Antrieb, der in der Lage ist,40.000 Mal pro Sekunde die ideale Schaltspannung zuerrechnen. Er ist schnell genug, um einzelne Schaltimpulsezu regeln. Ganz einfach, dies ist die höchste jemals erreichteGeschwindigkeit.

Alle 25 Mikrosekunden erhalten die Halbleiter desWechslrichters ein optimales Schaltmuster, um das erforder-liche Drehmoment zu erzeugen. Diese Aktualisierungsrateliegt deutlich unter allen Zeitkonstanten des Motors. Somitist nun der Motor die begrenzende Komponente und nicht derWechselrichter.

Worin besteht der Unterschied zwischen DTC und anderengeberlosen Antrieben auf dem Markt?

Zwischen DTC und vielen anderen geberlosen Antriebenbestehen extreme Unterschiede. Der Hauptunterschied liegtdarin, dass DTC selbst bei niederen Drehzahlen und bis aufDrehzahl Null ohne Impulsrückführung eine exakte Regelungermöglicht. Bei niedr igen Frequenzen kann einNenndrehmomentsprung in weniger als 1 ms erfolgen. Diesist der beste Wert von allen.

Wie erreicht ein DTC-Antrieb die Leistung einesServoantriebs?

Das ist ganz einfach. Der Motor ist nun die Grenze für dieLeistung und nicht der Antrieb selbst. Eine für einenServoantrieb typische dynamische Drehzahlgenauigkeit ist0,1%s. Ein DTC-Antrieb kann diese dynamische Genauigkeitmit der optionalen Drehzahlrückmeldung vom Drehzahlmessererreichen.

Wie erreicht DTC diese elementaren Verbesserungengegenüber der bisherigen Technik?

Der deutlichste Unterschied liegt in der sehr hohenGeschwindigkeit, mit der DTC arbeitet. Wie bereits erwähnt,bietet DTC die schnellste Drehmomentanregelzeit überhaupt.

Um einen schnellen Drehmomentregelkreis zu realisieren, hatABB die modernste Hochgeschwindigkeits-Signal-verarbeitungstechnik eingesetzt und 100 Mannjahre für dieEntwicklung des innovativen Motormodells aufgewendet, dasexakt die tatsächlichen Motorparameter im Regler simuliert.

Für ein tiefer gehendes Verständnis der DTC-Regelungstheorie,siehe Seite 26.



Wird bei einem DTC-Antrieb innerhalb des Regelkreiseseine Fuzzy Logic verwendet?

Nein. Bei bestimmten Antrieben wird eine Fuzzy Logicverwendet, um den Beschleunigungsstrom innerhalb derStromgrenzwerte zu halten und damit eine unnötige Auslösungdes Antriebs zu verhindern. Da DTC das Drehmoment direktregelt, kann der Strom unter allen Betriebsbedingungeninnerhalb dieser Grenzen gehalten werden.

Von einem Antrieb mit DTC-Technik sagt man, dass erauslösungsfrei ist. Wie wird das erreicht?

Viele Hersteller haben Jahre darauf verwandt, Auslösungenwährend der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase zuvermeiden. Das hat sich als äußerst schwierig erwiesen. DTCerreicht einen auslösungsfreien Betrieb durch die Regelungdes Ist-Motormoments.

Die Drehzahl und Genauigkeit eines Antriebs, der sich auferrechnete anstatt auf gemessene Regelparameter verlässt,kann niemals realistisch sein. Wenn nicht auch die Welleberücksichtigt wird, ergibt sich kein vollständiges Bild.Gilt dies auch bei DTC?

DTC kennt das vollständige Bild. Wie bereits erklärt, weiß einDTC-Antrieb dank des detaillierten Motormodells und derFähigkeit, 40.000 Berechnungen pro Sekunde durchzuführen,genau, was die Motorwelle macht. Über den Zustand desMotors gibt es niemals einen Zweifel. Dies spiegelt sich in deraußergewöhnlich starken Reaktion des Drehmoments und denAngaben über die Drehzahlgenauigkeit (Seite 16 und 17) wider.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen AC-Antrieben, bei de-nen bis zu 30% aller Schaltvorgänge überflüssig sind, kenntein Antrieb mit DTC-Technik exakt die Position der Welle undvermeidet so unnötige Schaltvorgänge.

DTC ist für 95% aller industiellen Applikationen geeignet. EineAusnahme bilden hauptsächlich jene Applikationen, bei de-nen eine extrem genaue Drehzahlregelung erforderlich ist. Insolchen Fällen wird eine Rückmeldeeinrichtung eingesetzt, umeine Signalrückführung zu erhalten. Dieses Gerät kann je-doch einfacher sein als die bei den konventionellen Antriebenmit Signalrückführung verwendeten Geber.



Auch bei den schnellsten Halbleitern entsteht eine gewisseTotzeit. Wie exakt ist deshalb die Selbstabstimmung einesDTC-Antriebs?

Die Selbstabstimmung wird beim ersten Identifikationslaufeines DTC-Antriebs verwendet (siehe Seite 27). Die Totzeitwird gemessen und vom Motormodell bei der Berechnung desIstflusses berücksichtigt. Im Vergleich zu einem PWM-Antriebliegt das Problem bei der PWM im Bereich von 20-30 Hz, indem sich eine Welligkeit des Drehmoments ergibt.

Wie stabil ist ein DTC-Antrieb bei geringeren Lasten undniedrigen Drehzahlen?

Die Stabilität bis zur Drehzahl Null ist gut und sowohl dieDrehmoment- als auch die Drehzahlgenauigkeit kann bei sehrniedrigen Drehzahlen und geringen Lasten erhalten werden. Diejeweilige Genauigkeit ist, wie folgt, definiert:

Drehmomentgenauigkeit: Innerhalb des Drehzahlbereichs2-100% und eines Lastbereichs von 10-100% beträgt dieDrehmomentgenauigkeit 2%.

Drehzahlgenauigkeit: Innerhalb eines Drehzahlbereichs von2-100% und eines Lastbereichs von 10-100% beträgt dieDrehzahlgenauigkeit 10% des Motorschlupfes. Der Schlupfeines 37kW Motors beträgt ca. 2%, das ergibt eineDrehzahlgenauigkeit von 0,2%.

Wo liegen die Grenzen der DTC?

Wenn mehrere Motoren in einem DTC-geregeltenWechselrichter parallel geschaltet sind, arbeitet dieseAnordnung wie ein großer Motor. Es gibt keine Angaben überden Status eines einzelnen Motors. Falls die Anzahl der Motorenschwankt oder die Motorleistung unter 1/8 der Nennleistungbleibt, sollte das Skalarregelungsmakro vorgezogen werden.

Eignet sich DTC für jeden Typ von Induktionsmotor?

Ja. Für jeden Typ von Käfigläufer-Asynchronmotoren.



DREHZAHL-REGELKREIS

DREHMOMENT-REGELKREIS

Moment-Sollwert

Drehzahl-Sollwert

Drehzahl-regler

+ Beschleunigungs-kompensator

Flussoptimierung

FlussbremsungAn/Aus

An/Aus

Ist-Drehzahl

Moment-Sollwertregler

Fluss-Sollwertregler

Interner Moment-Sollwert

Moment-Vergleicher

Fluss-Vergleicher

Adaptives Motormodell

Interner Fluss-Sollwert

Ist-Moment

Ist-Fluss

Moment-Zustand

Regelsignale

Fluss-Zustand

Optimum-Puls-Selektor Schaltpositions-

Befehle

Schaltpositionen

DC-Bus-Spannung

Motorstrom

Motorstrom

Einspeisung

Gleichrichter

DC-Sammelschiene

Wechselrichter

3 ~

In Bild 5 wird das vollständige Blockschaltbild für die DirekteDrehmomentregelung (DTC) dargestellt.

Gehen Sie die einzelnen Blöcke durch.

Das Blockschaltbild verdeutlicht, dass DTC zwei wesentlicheAbschnitte umfasst: den Drehmomentregelkreis und denDrehzahlregelkreis. Schauen Sie sich diese Blöcke nun an,lernen Sie die einzelnen Stufen kennen und sehen Sie, wiediese ineinander greifen.

Beginnen wir mit dem Drehmomentregelkreis der DTC.

Wiefunktioniertdie DTC

Bild 5: DTC umfasst zwei zentrale Blöcke: die Drehzahlregelungund die Drehmomentregelung

Kapitel 4 - Theoretische Grundlagen der DTC


Drehmoment-Regelkreis

Interner Moment-Sollwert

Moment-Vergleicher

Fluss-Vergleicher

Moment-ZustandRegel-signaleFluss-Zustand

Ist-Moment

Ist-Fluss

Optimum-Puls-Selektor

Schaltpo- sitions- Befehle

Einspeisung

Gleichrichter

DC-Sammel- schiene

Wechselrichter

Schaltpositionen

DC-Bus-Spannung

MotorstromMotorstrom

3 ~

Adaptives Motormodell

Beim Normalbetrieb werden die Phasenströme des Motors unddie Spannung der DC-Sammelschiene einfach zusammen mitder Schaltstellung des Wechselrichters gemessen.

Die am Motor gemessenen Daten werden in das adaptiveMotormodell eingegeben.

Dieses komplexe Motormodell liefert präzise Daten über denzu berechnenden Motor. Vor dem Betrieb des DTC-Antriebswerden in das Motormodell Daten über den Motor eingege-ben, die beim Identifikationslauf des Motors erfasst wurden.Dieser Vorgang nennt sich Selbstabstimmung und Daten,wie Statorwiderstand, die Koeffizienten für gegenseitige In-duktanz und Sättigung werden zusammen mit der Trägheitdes Motors bestimmt. Die Identifikation der Motormodell-Pa-rameter kann ohne drehende Welle erfolgen. Dadurch kann dieDTC-Technik auch gut bei Nachrüstungen eingesetzt werden.Die extreme Feinabstimmung des Motormodells wird dannerreicht, wenn beim Identifikationslauf für einige Sekundenauch die Motorwelle dreht.

Bei einer statischen Drehzahlgenauigkeit von mehr als 0,5%,wie sie bei den meisten industriellen Applikationen vorliegt,besteht keine Notwendigkeit für eine Rückführung der Dreh-zahl oder der Position durch Drehzahlmesser oder

Drehmoment-regelkreis

Schritt 1 Messenvon Spannung

und Strom

Schritt 2Adaptives

Motormodell

Theoretische Grundlagen der DTC


Impulsgeber. Dies ist ein deutlicher Fortschritt gegenüber an-deren AC-Antriebstechniken. Das Motormodell ist der Schlüsselzu der hervorragenden Leistung der DTC bei niederenDrehzahlen.

Das Motormodell gibt Regelsignale aus, die direkt das Istmomentdes Motors und den Ist-Flus des Stators wiedergeben. Darüberhinaus wird die Wellendrehzahl im Motormodell errechnet.

Die Angaben zur Ansteuerug der Leistungsschalter werden imDrehmoment- und Flussvergleicher ermittelt.

Sowohl das Ist-Moment als auch der Ist-Fluss werden in dieVergleicher eingegeben und dort alle 25 Mikrosekunden mitdem Drehmoment- und dem Fluss-Sollwert verglichen. DieStatussignale für Drehmoment und Fluss werden nach einemzweistufigen Verfahren für die Hystereseregelung berechnet.

Diese Signale werden dann in die optimale Impulsvorwahl (op-timum pulse selector) eingegeben.

In der optimalen Impulsvorwahl sollen der neueste 40MHzDigitalsignalprozessor (DSP) und die ASIC-Hardware dieSchaltungslogik bestimmen. Außerdem werden alleRegelsignale wegen der hohen Übertragungsgeschwindigkeitüber LWL-Verbindungen übertragen.

Diese Konfiguration bewirkt eine enorme Verarbeitsge-schwindigkeit, so dass alle 25 Mikroskunden die Halbleiter-Schalteinrichtungen des Wechselrichters einen optimalenImpuls zum Erreichen oder Erhalten eines exakten Motor-moments erhalten.

Die korrekte Schaltkombination wird in jedem Regelzylusbestimmt. Es gibt kein vorbestimmtes Schaltmuster. DTCwurde als “just-in-time”-Schaltung bezeichnet, im Gegensatzzu PWM-Antrieben, bei denen bis zu 30% aller Schaltvorgängeüberflüssig sind. Bei DTC wird jeder Schaltvorgang benötigtund verwendet.

Diese hohe Schaltgeschwindigkeit ist entscheidend für denErfolg von DTC. Die für die Motorregelung wesentlichen Pa-rameter werden 40.000 Mal pro Sekunde aktualisiert. Hierdurchist eine extrem schnelle Reaktion an der Welle möglich und istauch notwendig, damit das Motormodell (siehe Schritt 2) dieseInformation aktualisieren kann.

Die Verarbeitungsgeschwindigkeit ermöglicht diese hohenLeistungswerte einschließlich einer statischenDrehzahlgenauigkeit von ±0,5% ohne Impulsgeber und einerDrehmomentanregelzeit von weniger als 2ms.

Schritt 4 OptimaleImpulsvorwahl

Schritt 3Drehmoment-

vergleicher undFlussvergleicher



Drehzahl-Regelkreis

Moment-Sollwert

Drehzahl-SollwertDrehzahl-regler

+Beschleunigungs-

kompensator

Moment-

Sollwertregler

Fluss-

SollwertreglerFlussoptimierung

An/AusFlussbremsung

An/Aus

Ist-Drehzahl

Im Drehmomentsollwert-Regler wird der Drehzahlregelungs-ausgang durch die Drehmoment-Grenzwerte und die DC-Sammelschienenspannung begrenzt.

Dazu gehört auch die Drehzahlregelung in Fällen, in denenein externes Drehmomentsignal verwendet wird. Der interneDrehmoment-Sollwer t aus diesem Block geht in denDrehmomentvergleicher ein.

Der Drehzahlregler-Block besteht aus einem PID-Regler undeinem Beschleunigungskompensator. Das externeDrehzahlsollwertsignal wird mit der vom Motormodell erzeugtenIstdrehzahl verglichen. Das Fehlersignal wird dann sowohl anden PID-Regler als auch den Beschleunigungskompensatorübertragen. Das Ausgangssignal ist die Summe beiderAusgänge.

Ein Absolutwert für den Statorfluss kann vom Fluss-Sollwert-Regler an den Fluss-Vergleicher-Block weitergegeben werden.Die Regelung und Änderung dieses Wertes ist ein einfacherWeg, viele Wechslerichterfunktionen wie Flussoptimierung undFlussbremsung zu realisieren (siehe Seite 19).

Drehzahlregelung

Schritt 5Drehmoment-

sollwert- Regler

Schritt 6Drehzahlregler


Schritt 7Fluss-Sollwert-

Regler


Kapitel 5 - Index

A

AC-Antrieb 1, 5,6,8,9,10,12,13,14,15,16,17,18,19,24,28

AC-Antrieb mitFlussvektorregelung 10AC-Antrieb mit DTC 12,13AC-Induktionsmotor 11AC-Motor 5,6,13,18Ankerstrom 7ASIC 28

B

Blaschke 16

D

DC-Antrieb 7, 8, 9,10,12,13,14,18DC-Motor 6, 7, 8,11,15DC-Motor-Antrieb 6DC-Zwischenkreisspannung19,20Depenbrock 16Direkte Drehmomentregelung1,5,6,15Drehmoment 7,10,16,17,18,25, 27, 28, 29

- Anregelzeit 18- Regelung 7,10- Wiederholbarkeit 18

Drehmomentvergleicher 28Drehzahl 6,11,17, 25, 26, 29Drehzahlgenauigkeit 25DSP 22, 28DTC 5,6,12,13,14,15,16,17,18,19, 20, 21, 22, 23, 24, 25,26, 27, 28DynamischeDrehzahlgenauigkeit 12,17,18, 23

E

elektronischer Regler 14externer Drehzahlsollwer 29

Flussvergleicher 28Frequenzregelung 22Fuzzy Logic 24

K

Kosten 19

M

Modulator 10Motormodell 10, 22, 23, 27, 28

O

OEMs 5

P

PID-Regler 29Pumpe 20PWM 6, 9, 10, 11, 14, 15,17, 21, 22, 25, 28PWM-AC-Antrieb 11, 14,21, 22, 25, 28

R

Regelkreis 7, 9, 10, 13, 22, 27

S

Selbstabstimmung 19Servoantrieb 18,23Spannung 27Start 19statische Motordrehzahl 17Stator 10

U

universal 12

V

VSD 5, 6

F

Feldorientierung 7, 8Flussbremsung 19Flussoptimierung 19, 29Flussvektor 6, 11, 22Flussvektorregelung 6, 11


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DTC Direkte Drehmomentregelung - hv- · PDF fileTechnische Anleitung Nr. 1 -DTC Direkte Drehmomentregelung 5 Die Direkte Drehmomentregelung - oder DTC - ist die fortschrittlichste