Guide technique No. 1 - La technologie DTC ou le contrôle direct de

ABB drives
Guide technique No. 1
La technologie DTC ou le contrôle
direct de couple - la technologie la
plus évoluée pour la commande des
moteurs à cage d‘écureuil
2
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Guide technique No. 1
La technologie DTC ou le contrôle direct
de couple - la technologie la plus évoluée
pour la commande des moteurs à cage
d‘écureuil
© Copyright 2012 ABB. Toutes les dispositions, indications et
caractéristiques sont susceptibles de modification sansréavis.
3BFE64287273 REV C 23.2.2012
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 3
4
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Table des matières
Chapitre 1 - Introduction ...........................................................................7
Généralités .........................................................................................7
Pourquoi ce guide? ............................................................................7
Contenu du guide ...............................................................................7
Chapitre 2 - Le contrôle direct de couple: les étapes clés d’une révolution
technologique ............................................................................................8
Qu’est-ce qu’un entraînement à vitesse variable? ................................8
Les différentes techniques de commande des moteurs ........................8
Entraînements à courant continu .........................................................9
Les spécificités ..............................................................................9
Les avantages .............................................................................10
Les inconvénients ........................................................................10
Entraînements à courant alternatif - Introduction ................................11
Entraînements à courant alternatif à commande en fréquence,
de type MLI ......................................................................................11
Les spécificités ............................................................................11
Les avantages .............................................................................12
Les inconvénients ........................................................................12
Entraînements à courant alternatif à contrôle vectoriel de flux,
de type MLI .....................................................................................12
Spécificités ..................................................................................13
Les avantages .............................................................................13
Les inconvénients ........................................................................13
Entraînements à courant alternatif à technologie DTC.........................14
Variables de commande ....................................................................14
Comparaison des différentes techniques de variation de vitesse .........15
Chapitre 3 - Questions et réponses .........................................................17
Généralités .......................................................................................17
Les performances .............................................................................18
Principes de fonctionnement .............................................................25
Chapitre 4 - Notions théoriques de base .................................................29
Fonctionnement de la technologie DTC .............................................29
Boucle de régulation de couple .........................................................30
Etape 1 Mesure de la tension et du courant ..................................30
Etape 2 Modèle Moteur Adaptatif .................................................30
Etape 3 Comparateur de couple et comparateur de flux ................31
Etape 4 Logique de commande optimisée .....................................31
Boucle de régulation de vitesse .........................................................32
Etape 5 Contrôleur de consigne de couple ....................................32
Etape 6 Régulateur de vitesse ......................................................33
Etape 7 Contrôleur de consigne de flux .........................................33
Chapitre 5 - Index ....................................................................................34
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 5
6
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Chapitre 1 - Introduction
Généralités
La technologie DTC, ou contrôle direct de couple, est la technique
de commande la plus performante des moteurs asynchrones,
mise au point par le numéro un mondial de la variation de vitesse.
Pourquoi ce guide?
Ce guide technique a pour ambition de vous expliquer ce qu’est
la technologie DTC; l’origine et les étapes de son développement;
les fondements théoriques qui justifient le succès qu’elle
rencontre; et, enfin, les spécificités et les avantages de cette
nouvelle technologie.
Bien que mettant en avant, dans la mesure du possible, les aspects pratiques, ce guide exige de la part du lecteur des notions de
base des principes de commande des moteurs à courant alternatif.
Il est destiné à tous ceux qui doivent faire des choix techniques
et économiques - concepteurs, ingénieurs, responsables
des achats, constructeurs OEM et utilisateurs finals - dans
les domaines d’activité les plus divers tels que distribution et
traitement des eaux, industrie chimique, industrie papetière,
production d’énergie, manutention/levage, génie climatique, etc.
En fait, pour tous ceux qui connaissent et exploitent des
entraînements à vitesse variable et qui désirent tirer pleinement
parti des potentiels de la variation de vitesse, ce guide technique
constituera un véritable ouvrage de référence.
Contenu du guide
Le contenu de ce guide technique suit le cheminement du
développement de la vitesse variable jusqu’à l’avènement de la
technologie DTC.
Ceux qui désirent connaître les grandes étapes de l’évolution des
entraînements électriques, des techniques à courant continu aux
entraînements à courant alternatif jusqu’à la technologie DTC,
liront le chapitre 2 (pages 8).
C e u x q u i c h e rc h e n t p l u s p a r t i c u l i è re m e n t à e x a m i n e r
les performances de la technologie DTC, son mode de
fonctionnement et les formidables perspectives qu’elle offre
pour les applications les plus diverses, passeront directement
au chapitre 3, Questions et réponses, page 17.
Enfin, pour une description théorique de la technique de
commande DTC, reportez-vous à la page 29.
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 7
Chapitre 2 - Le contrôle direct de couple: les
étapes clés d’une révolution technologique
Qu’est-ce qu’un entraînement à vitesse variable?
Pour bien comprendre la réponse à cette question, il faut au
préalable comprendre que la fonction de base d’un entraînement
à vitesse variable est de réguler le débit d’énergie entre le réseau
d’alimentation électrique et l’application.
L’énergie est transmise à l’application par l’intermédiaire de
l’arbre mécanique du moteur. Deux grandeurs physiques décrivent l’état de l’arbre moteur: le couple et la vitesse de rotation.
Pour contrôler et réguler le débit d’énergie, il faut par conséquent
agir sur ces deux grandeurs.
Dans la pratique, on agit sur une de ces deux variables, et on
parle alors de “régulation de couple” ou de “régulation de vitesse”. Dans un entraînement à vitesse variable fonctionnant en
mode régulation de couple, la vitesse est fonction de la charge.
De même, lorsqu’il fonctionne en mode régulation de vitesse,
le couple est fonction de la charge.
A l’origine, seuls les moteurs à courant continu étaient utilisés
pour les entraînements à vitesse variable car ils permettaient
d’obtenir la vitesse et le couple requis sans recourir à des dispositifs électroniques complexes.
Cependant, le développement des variateurs de vitesse à courant
alternatif résulte en partie de la volonté d’obtenir les niveaux
de performances très élevés des moteurs à courant continu
(en termes de temps de réponse en régulation de couple et de
précision en régulation de vitesse) avec des moteurs à courant
alternatif, réputés pour leur robustesse, leur coût plus abordable
et leur simplicité de maintenance.
Les différentes techniques de commande des moteurs
Dans ce chapitre, nous analyserons l’évolution des entraînements à vitesse variable jusqu’à l’avènement de la technique
de commande DTC, en reprenant les quatre principales étapes
technologiques, à savoir :
– Entraînements à moteurs à courant continu
– Entraînements à courant alternatif à commande
en fréquence, de type MLI
– Entraînements à courant alternatif à contrôle
vectoriel de flux, de type MLI
– Entraînements à courant alternatif à
technologie DTC (contrôle direct de couple)
8
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
7
9
10
12
Le contrôle direct de couple: les étapes clés d’une révolution technologique
Nous étudierons successivement chaque technique de commande avec ses avantages et ses inconvénients principaux, pour
ensuite présenter une vision d’ensemble mettant en avant les
différences essentielles qui existent entre ces quatre techniques.
Entraînements à courant continu
Variateur c.c.
Régulation
de
vitesse
Régulation
de
couple
C
Figure 1: Boucle de régulation d’un entraînement à moteur c.c.
Les spécificités
– Orientation du flux assurée par un ensemble mécanique
(collecteur et balais)
– Les variables de commande sont le courant d’induit et le
courant d’inducteur, mesurés DIRECTEMENT sur le moteur
– Le contrôle de couple est direct
Dans un moteur à courant continu, le champ magnétique est
créé par le courant qui parcourt l’enroulement de champ statorique. Ce champ doit toujours être à angle droit par rapport au
champ créé par l’enroulement d’induit. Cette condition, appelée
orientation du flux, est obligatoire pour engendrer un couple
maximum. C’est l’ensemble collecteur-balais qui veille à ce que
cette condition soit satisfaite, quelle que soit la position du rotor.
Une fois que l’orientation du flux est obtenue, on contrôle aisément le couple du moteur c.c. en faisant varier le courant d’induit
et en maintenant constant le courant magnétisant.
L’avantage des entraînements à c.c. réside dans le fait que la
vitesse et le couple - qui sont les deux variables qui intéressent
principalement l’utilisateur - sont contrôlés et régulés directement
par l’intermédiaire du courant d’induit; en d’autres termes, le
couple est la boucle de régulation interne et la vitesse la boucle
de régulation externe (cf. figure 1).
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 9
Le contrôle direct de couple: les étapes clés d’une révolution technologique
Les avantages
– Régulation de couple précise et rapide
– Précision dynamique élevée en régulation de vitesse
– Simplicité de la technique de commande
A l’origine, les entraînements à courant continu étaient utilisés
pour les applications à vitesse variable du fait de leurs excellentes
performances en régulation de couple et de vitesse, en termes
de temps de réponse et de niveau de précision.
Les caractéristiques du couple produit par une machine à courant
continu sont les suivantes :
– Direct - le couple moteur est proportionnel au courant d’induit: il peut ainsi être contrôlé et régulé directement et avec
précision.
– Instantané - la régulation de couple est quasi instantanée;
le système d’entraînement offre d’excellentes performances
dynamiques en régulation de vitesse. Le couple peut être
adapté instantanément si le moteur est alimenté par une
source de courant idéale. Un entraînement à source de tension offre également des performances de bon niveau car
celles-ci sont déterminées uniquement par la constante de
temps électrique du rotor (c’est-à-dire l’inductance plus la
résistance dans le circuit d’induit).
– Simple - l’orientation du flux est assurée par un ensemble
mécanique simple constitué d’un collecteur et de balais.
Cette technique s’affranchit donc de circuits de commande
électroniques complexes, facteur de surcoût de l’organe de
commande du moteur.
Les inconvénients
–
–
–
–
Fiabilité des moteurs
Contraintes de maintenance
Coût d’achat élevé des moteurs
Surcoûts des capteurs
L’inconvénient majeur de cette technique est le niveau de fiabilité des moteurs à courant continu ; les balais et les collecteurs
s’usent et exigent une maintenance régulière ; les moteurs c.c.
sont des machines coûteuses à l’achat et à l’entretien, et nécessitent un capteur de vitesse (dynamo tachymétrique).
Alors qu’un variateur à courant continu permet de contrôler
aisément le couple entre la vitesse nulle et la vitesse de base
voire au-delà, les éléments mécaniques du moteur sont plus
complexes et peuvent exiger une maintenance importante selon
les types d’application.
10
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Le contrôle direct de couple: les étapes clés d’une révolution technologique
Entraînements à courant alternatif - Introduction
–
–
–
–
–
–
Faible encombrement
Robustesse
Simplicité de conception
Légèreté et compacité
Maintenance réduite
Coût réduit
L’évolution des entraînements à courant alternatif résulte, en
partie, de la volonté d’obtenir des performances comparables à
celles des entraînements à courant continu, en termes de temps
de réponse en régulation de couple et de précision en régulation
de vitesse, en utilisant les avantages des moteurs c.a. standard.
Entraînements à courant alternatif à commande en fréquence,
de type MLI
Commande en fréquence
Consigne
de
fréquence
U
Rapport
ModuU/f
f lateur
M
3 Ph
Figure 2: Boucle de commande d’un entraînement commandé en
fréquence de type MLI.
Les spécificités
–
–
–
–
–
Les variables de commande sont la tension et la fréquence
Simulation de la tension c.a. sinusoïdale par un modulateur
Contrôle de flux avec rapport U/f constant
Entraînement en boucle ouverte
Le couple est fonction de la charge
A la différence des variateurs à courant continu, les convertisseurs
de fréquence utilisent des grandeurs externes au moteur comme
variables de commande, à savoir la tension et la fréquence.
La tension de référence et la consigne de fréquence passent par
un modulateur qui crée une tension c.a. sinusoïdale et transmet
celle-ci aux enroulements statoriques du moteur. Cette technique, appelée Modulation de largeur d’impulsions (MLI), exige
l’utilisation d’un redresseur à diodes côté réseau et le maintien
d’une tension c.c. constante dans le circuit intermédiaire. L’onduleur commande le moteur par un train d’impulsions MLI qui
détermine à la fois la tension et la fréquence.
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 11
Le contrôle direct de couple: les étapes clés d’une révolution technologique
Cette technique de commande n’utilisant pas de capteur pour
mesurer la vitesse de rotation de l’arbre ou sa position angulaire,
la boucle de commande ne prend pas en compte ces valeurs.
On appelle “entraînement en boucle ouverte”, ce type de configuration sans retour capteur.
Les avantages
– Coût réduit
– Simplicité du fait de l’absence de capteur
Cette configuration sans capteur constitue une solution économique relativement simple pour la commande des moteurs asynchrones, machines moins onéreuses et plus simples à exploiter.
Ce type d’entraînement est plus particulièrement adapté aux
applications exigeant des niveaux de précision limités, comme
les applications de pompage et de ventilation.
Les inconvénients
–
–
–
–
Pas d’orientation du flux
L’état électromagnétique du moteur n’est pas pris en compte
Pas de contrôle, ni de régulation de couple
Temps de réponse plus longs du fait du modulateur
Avec cette technique, parfois appelée “Contrôle scalaire”,
l’orientation du flux du moteur n’est pas contrôlée. Les principales variables de commande sont, dans ce cas, la fréquence
et la tension qui sont appliquées aux enroulements statoriques.
L’état du rotor n’est pas pris en compte, ce qui signifie qu’on ne
dispose pas d’un retour vitesse ou d’un retour position.
Par conséquent, on ne peut en aucun cas agir sur le couple. En
outre, cette technique nécessite le passage par un modulateur
pour générer les signaux de tension et de fréquence avant leur
application au moteur, ce qui rallonge quelque peu les temps
de réponse du moteur à toute variation des conditions de fonctionnement.
Entraînements à courant alternatif à contrôle vectoriel de flux,
de type MLI
Variateur c.c.
Régulation
de
vitesse
Régulation
de
couple
Modulateur
M
3 Ph
C
Figure 3: Boucle de régulation d’un entraînement c.a. à contrôle vectoriel
de flux de type MLI.
12
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Le contrôle direct de couple: les étapes clés d’une révolution technologique
Spécificités
– Contrôle de l’orientation du flux - comme pour un entraînement c.c.
– Modélisation des caractéristiques électriques du moteur
– Entraînement en boucle fermée
– Contrôle INDIRECT de couple
Pour simuler les caractéristiques de fonctionnement électromagnétiques d’un moteur c.c., c’est-à-dire pour contrôler
l’orientation du flux, le variateur à contrôle vectoriel de flux doit
connaître la position angulaire du flux rotorique à l’intérieur du
moteur asynchrone.
Avec un variateur à contrôle vectoriel de flux de type MLI,
l’orientation du flux est assurée électroniquement et non plus
par l’ensemble mécanique collecteur/balais comme dans le cas
d’un moteur c.c.
Dans un premier temps, la vitesse de rotation et la position angulaire du rotor par rapport au champ statorique sont mesurées
au moyen d’un codeur incrémental. Un entraînement mettant en
oeuvre ce type de capteur est appelé “entraînement en boucle
fermée”.
Par ailleurs, les caractéristiques électriques du moteur sont
modélisées par des microprocesseurs qui traitent les données
collectées.
Le circuit de commande d’un variateur à contrôle vectoriel de
flux élabore des grandeurs électriques telles que tension, courant
et fréquence, qui sont les variables de commande, et transmet
ces valeurs au moteur asynchrone par l’intermédiaire d’un
modulateur (cf. page11). C’est ainsi que le couple est contrôlé
INDIRECTEMENT.
Les avantages
–
–
–
–
Temps de réponse courts en régulation de couple
Bonne précision en régulation de vitesse
Couple maxi à vitesse nulle
Performances comparables à celles des entraînements c.c.
La technique du contrôle vectoriel de flux permet d’obtenir un
couple maximum à vitesse nulle, offrant des performances très
proches de celles d’un entraînement à courant continu.
Les inconvénients
– Utilisation obligatoire d’un capteur
– Technique coûteuse
– Utilisation obligatoire d’un modulateur
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 13
Le contrôle direct de couple: les étapes clés d’une révolution technologique
Pour obtenir des temps de réponse très courts en régulation de
couple et une précision élevée en régulation de vitesse, il faut
recourir à un capteur, facteur de surcoût et de complexité pour
un moteur asynchrone dont deux atouts clés sont justement
faible coût et simplicité.
Par ailleurs, cette technique nécessite la mise en oeuvre d’un
modulateur pour traiter les signaux de tension et de fréquence
avant qu’ils ne soient appliqués au moteur, ce qui rallonge
quelque peu les temps de réponse du moteur à toute variation
des conditions de fonctionnement.
Même si le moteur est simple du point de vue mécanique, l’entraînement est complexe du point de vue électrique.
Entraînements à courant alternatif à technologie DTC
Contrôle direct de couple (technologie DTC)
Régulation
de
vitesse
Régulation
de
couple
M
3 Ph
Figure 4: Boucle de commande d’un entraînement c.a. à commande DTC.
Variables de commande
Avec la technologie de commande révolutionnaire DTC développée par ABB, l’orientation du flux est réalisée sans recourir à un
capteur. Le contrôle du flux du moteur est obtenu par modélisation mathématique très poussée de ses caractéristiques de
fonctionnement et calcul direct du couple moteur, sans modulateur MLI. Les variables de commande sont le flux magnétisant
et le couple moteur.
La technique DTC permet de s’affranchir du modulateur et de
ne recourir à aucun capteur de vitesse (dynamo tachymétrique)
ou de position (codeur) sur l’arbre moteur.
Les variateurs à technologie DTC intègrent les processeurs de
traitement numérique du signal très rapides (technologie DSP) et
mettent en oeuvre les travaux les plus récents sur la modélisation
mathématique du fonctionnement des moteurs.
14
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Le contrôle direct de couple: les étapes clés d’une révolution technologique
On dispose ainsi d’un variateur offrant un temps de réponse en
régulation de couple 10 fois plus court que n’importe quel autre
variateur à courant alternatif ou courant continu. La précision
dynamique en régulation de vitesse est huit fois supérieure à
celle des entraînements c.a. en boucle ouverte et comparable
à celle d’un entraînement c.c. équipé d’un capteur.
La technologie DTC marque ainsi l’avènement du premier variateur “universel” capable de rivaliser avec les variateurs à courant
alternatif et les variateurs à courant continu.
Les chapitres suivants de ce guide vont mettre en évidence les
spécificités et les atouts de la technique de commande DTC.
Comparaison des différentes techniques de variation de vitesse
Nous allons maintenant comparer les différentes techniques de
commande à vitesse variable des moteurs et mettre en évidence
ce qui les distingue.
Variateur c.c.
Régulation
de
vitesse
Commande en fréquence
Régulation
de
couple
Consigne
de
fréquence
U
Rapport
ModuU/f
f lateur
M
3 Ph
C
Figure 1: Boucle de régulation
d’un entraînement à moteur c.c.
Contrôle direct de couple (technologie DTC)
Variateur c.c.
Régulation
de
vitesse
Régulation
de
couple
Figure 2: Boucle de commande
d’un entraînement commandé
en fréquence de type MLI.
Modulateur
M
3 Ph
Régulation
de
vitesse
Régulation
de
couple
M
3 Ph
C
Figure 3: Boucle de régulation
d’un entraînement c.a. à contrôle
vectoriel de flux de type MLI.
Figure 4: Boucle de commande
d’un entraînement c.a. à
commande DTC.
La première chose que l’on observe est la similitude entre la
boucle de régulation de l’entraînement c.c. (figure 1) et la boucle
de commande de l’entraînement à technologie DTC (figure 4).
Dans les deux cas, ce sont les grandeurs du moteur qui servent
à contrôler directement le couple.
Cependant, la technique de commande DTC présente le triple
avantage de ne recourir à aucun capteur, d’utiliser un moteur à
courant alternatif (cf. page 11) et de n’exiger aucune excitation
externe.
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 15
Le contrôle direct de couple: les étapes clés d’une révolution technologique
TYPE D’ENTRAINEMENT
VARIABLES DE COMMANDE
Entraînement c.c.
Courant d’induit, IA
Courant magnétisant, IM
Entraînement c.a. (MLI)
Tension de sortie, U
Fréquence de sortie, f
Contrôle direct de
couple (DTC)
Couple moteur, C
Flux magnétisant du moteur, Y
Tableau 1: Tableau comparatif des variables de commande pour chaque
type d’entraînement.
Comme le montre le tableau 1, les variateurs c.c. et les variateurs
DTC utilisent, tous les deux, les grandeurs réelles du moteur
pour contrôler et réguler le couple et la vitesse. On obtient ainsi
de meilleures performances dynamiques avec une configuration
plus simple. De même, la technologie DTC s’affranchit, dans la
plupart des applications, d’un retour vitesse ou position.
La comparaison du schéma fonctionnel d’un entraînement DTC
(figure 4) à ceux des entraînements c.a. (figures 2 & 3) met en
évidence plusieurs différences, la principale étant l’absence de
modulateur dans le cas de la technique DTC.
Avec un variateur c.a. de type MLI, les variables de commande
sont la fréquence et la tension qui doivent subir plusieurs traitements avant d’être appliquées au moteur. C’est ainsi qu’avec
cette technique, le contrôle et la régulation se font dans le circuit
de commande électronique et non pas dans le moteur.
16
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Chapitre 3 - Questions et réponses
Généralités
Qu’est-ce que le contrôle direct de couple?
Le contrôle direct de couple - ou technologie DTC - est la
toute nouvelle technique de commande des moteurs c.a.
développée par ABB et destinée à remplacer très prochainement les techniques traditionnelles MLI mises en oeuvre dans
les entraînements en boucle ouverte et en boucle fermée.
Pourquoi parle-t-on de contrôle direct de couple?
La technique de commande DTC contrôle directement le couple
et la vitesse à partir d’informations sur l’état électromagnétique du
moteur, comme c’est le cas avec un moteur c.c., mais contrairement à la technique de commande des variateurs MLI traditionnels qui utilise la fréquence d’entrée et la tension. La technologie
DTC agit ainsi pour la première fois sur les véritables variables de
commande d’un moteur qui sont le couple et le flux.
Quels sont les avantages d’une telle technique de commande?
Parce qu’on contrôle directement le couple et le flux du moteur,
il n’est pas nécessaire d’utiliser un modulateur pour contrôler la
fréquence et la tension, comme c’est le cas des convertisseurs
MLI. On supprime ainsi un intermédiaire, ce qui permet à l’entraînement de réagir beaucoup plus rapidement à toute variation
de couple. La technologie DTC offre, par ailleurs, un niveau de
précision exceptionnel en régulation de couple sans recourir à
un capteur.
Pourquoi encore une autre technologie pour les variateurs c.a.?
La technique de commande DTC n’est pas simplement un
enrichissement fonctionnel de la technologie des variateurs à
courant alternatif. Les industriels doivent aujourd’hui relever
des défis que la technologie actuelle en matière de variation de
vitesse est incapable de satisfaire.
Parmi les contraintes aujourd’hui imposées aux industriels, nous
citerons:
– Amélioration constante de la qualité des produits fabriqués,
ce qui exige notamment une meilleure précision en régulation
de vitesse et des temps de réponse plus courts en régulation
de couple.
– Moins d’interruptions de production, avec un entraînement qui
ne déclenche pas de manière intempestive ; un entraînement
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 17
Questions et réponses
sans capteur, c’est-à-dire plus simple et plus économique ;
et, enfin, un entraînement très peu sensible aux interférences
telles que perturbations harmoniques et parasites HF.
– Une solution technique universelle. Une seule et même
technologie capable de répondre aux besoins de toutes les
applications, à savoir entraînements c.a., c.c. et servo-systèmes. On dispose ainsi d’un véritable variateur “universel”.
– Un confort d’utilisation et un environnement industriel plus
agréable avec des entraînements à niveau de bruit plus faible.
Il nous incombe d’aider les industriels à relever de tels défis
avec des produits qui satisfont ces contraintes. La technologie
DTC contribue à atteindre ces objectifs et offre, en plus, de
formidables perspectives d’amélioration (productivité, qualité,
rendement énergétique, disponibilité) pour un nombre très important d’applications standard..
Qui est à l’origine de la technologie DTC?
Le programme de recherche ABB sur la technologie DTC fut
lancé en 1988, à la suite de la publication des travaux théoriques en 1971 et 1985 des chercheurs allemands, les docteurs
Blaschke et Depenbrock. La technologie DTC s’appuie sur la
théorie du contrôle par le flux des machines asynchrones et sur
la théorie du contrôle direct de couple. ABB a consacré l’équivalent de plus de 100 années-hommes au développement de
cette technologie.
Les performances
Quels sont les principaux avantages de la technologie DTC sur les
techniques de commande traditionnelles des moteurs c.a.?
La technologie DTC présente de nombreux avantages. Cependant, elle offre surtout des performances dynamiques
exceptionnelles en boucle ouverte, c’est-à-dire sans recourir
à un capteur de vitesse ou de position sur l’arbre moteur.
Ces performances se traduisent notamment en termes de:
– Temps de réponse en régulation de couple - Rapidité de
réaction de l’entraînement lors de l’application d’un échelon
de couple correspondant à 100% de la valeur nominale.
Avec la technologie DTC, le temps de réponse moyen est
de 1 à 2 ms en dessous de 40 Hz, comparé à 10 à 20 ms
pour les variateurs à contrôle vectoriel de flux et les variateurs c.c. avec capteur. Dans le cas des convertisseurs
MLI en boucle ouverte (cf. page 10), ce temps de réponse
se situe en général bien au-dessus de 100 ms. En fait,
avec une telle réactivité, la technologie DTC a atteint les
18
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Questions et réponses
limites possibles. Au vu des caractéristiques actuelles de
l’alimentation électrique (courant et tension), il est technologiquement impossible d’obtenir des temps de réponse
plus courts. Les tout récents variateurs à contrôle vectoriel
de flux “sans capteur” des concurrents offrent des temps
de réponse de plusieurs centaines de millisecondes.
– Le couple est entièrement maîtrisé aux basses fréquences
et on obtient un couple à pleine charge à vitesse nulle sans
utiliser de capteur. Avec la technologie DTC, la vitesse peut
être contrôlée jusqu’aux fréquences inférieures à 0,5 Hz tout
en maintenant un couple de 100% jusqu’à la vitesse nulle.
– Répétabilité de couple - Aptitude de l’entraînement à reproduire le couple de sortie à partir d’une même consigne de couple.
Sans retour codeur, la technique de commande DTC offre, en
régulation de couple, une répétabilité de 1 à 2% du couple
nominal sur toute la plage de vitesse. C’est deux fois mieux
que les autres variateurs c.a. en boucle ouverte et comparable au niveau de répétabilité des variateurs c.a. et c.c. en
boucle fermée.
– Précision statique en régulation de vitesse - Ecart entre la
consigne de vitesse et la vitesse réelle à charge constante.
Pour la technologie DTC, la précision de vitesse correspond à 10% du glissement du moteur ce qui, dans le cas
d’un moteur de 11 kW, équivaut à une précision statique
de vitesse de 0,3%. Dans le cas d’un moteur de 110 kW,
la précision de vitesse atteint 0,1% sans retour codeur
(boucle ouverte). Ces performances sont bien supérieures
à celles requises par 95% des applications industrielles
à vitesse variable. Cependant, pour obtenir la même
précision d’un entraînement c.c., un codeur s’impose.
En comparaison, la précision statique de vitesse des entraînements à convertisseurs MLI se situe entre 1 et 3%.
C’est ainsi que les gains potentiels de productivité et de
qualité pour les applications utilisateurs sont beaucoup plus
importants avec les variateurs standard à technologie DTC.
Un entraînement DTC équipé d’un codeur simple de 1024
impulsions/tour offre une précision de vitesse de 0,01%.
– Précision dynamique de vitesse - Intégrale de temps de
la chute de vitesse lors de l’application d’un échelon de
couple nominal (100%). La précision dynamique de vitesse
d’un entraînement DTC en boucle ouverte se situe entre 0,3
et 0,4%s. Celle-ci dépend du réglage du gain du régulateur,
paramétré en fonction des spécificités de l’application.
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 19
Questions et réponses
Avec les autres variateurs c.a. en boucle ouverte, la précision
dynamique est huit fois inférieure et se situe autour de 3%s.
Lorsque l’on équipe l’entraînement DTC d’un codeur, la précision dynamique de vitesse atteint 0,1%s, comparable aux
performances des servo-systèmes.
Quels sont, dans la pratique, les corollaires de tels niveaux de
performances?
– Régulation de couple quasi instantanée: - On réduit considérablement la durée de la chute de vitesse lors des transitoires
de charge, ce qui permet une conduite de procédé beaucoup
plus précise et des produits de qualité plus constante.
– Contrôle de couple aux basses fréquences: - Cette fonctionnalité est particulièrement avantageuse pour les équipements
de levage et les ascenseurs, où la charge doit être démarrée
et arrêtée sans à-coups. De même, dans les applications d’enroulage, la tension du produit est contrôlée en permanence
entre la vitesse nulle et la vitesse maximale. Par rapport aux
variateurs MLI à contrôle vectoriel de flux, la technique de
commande DTC s’affranchit de l’investissement d’un capteur.
– Linéarité du couple: - Cet aspect est particulièrement
avantageux pour les applications haute précision telles que
les enrouleuses, utilisées dans l’industrie du papier, où un
bobinage précis et régulier est capital.
– Précision dynamique de vitesse: - Après toute variation
brusque de la charge, le moteur rétablit très rapidement son
régime de fonctionnement.
20
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Questions et réponses
CARACTERISTIQUES
TECHNIQUES
NIVEAUX DE
PERFORMANCES
AVANTAGES
Régulation précise de la vitesse
de rotation du moteur sans
retour capteur.
Précision de la régulation de
vitesse supérieure à 0,5%.
Aucun capteur nécessaire dans
95% des applications.
Réduction des coûts
d’investissement. Fiabilité
accrue. Conduite de procédé
améliorée. Produits de
meilleure qualité. Marque
l’avènement du variateur
véritablement universel.
Contrôle de couple précis sans
capteur de vitesse.
Un variateur standard pour les
applications très complexes.
On obtient très précisément
le couple requis. Répétabilité
de couple de 1%. Temps de
réponse en régulation de couple
inférieur à 5 ms.
Performances comparables
à celles d’un entraînement
c.c., mais sans retour
capteur. Moins de contraintes
mécaniques imposées aux
machines. Moins d’arrêts
machines. Réduction des
coûts d’investissement.
100% de couple à vitesse
nulle avec ou sans capteur (de
vitesse ou de position).
Le frein mécanique devient
superflu. Transition sans
à-coup entre le mode moteur
et le mode générateur. Permet
d’utiliser des entraînements
c.a. pour des applications
raditionnellement réservées aux
entraînements c.c.
Réduction des coûts
d’investissement.
Remplacement des
entraînements c.c. par des
variateurs et des moteurs c.a.
standard, reconnus pour leur
simplicité de maintenance et
leur coût moins élevé.
Maîtrise totale du
positionnement à vitesse nulle
avec un codeur.
Niveaux de performances des
servo-systèmes.
Applications de régulation de
couple offrant un excellent
rapport coût/performances;
autorise la commande de
positionnement et une
meilleure précision statique.
Contrôle-commande très
précis avec un moteur c.a.
standard.
Tableau 2: Niveaux de performances dynamiques et avantages
corollaires de la technologie DTC.
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 21
Questions et réponses
Outre ses excellentes performances dynamiques, la technologie DTC
procure-t-elle d’autres avantages?
Oui, et ils sont nombreux. Par exemple, les variateurs à commande DTC n’ont pas besoin d’un retour vitesse ou position
pour réaliser les temps de réponse les plus courts jamais offerts
par un variateur à courant alternatif. On réduit ainsi les coûts
d’investissement.
CARACTERISTIQUES
TECHNIQUES
NIVEAUX DE
PERFORMANCES
AVANTAGES
Régulation immédiate de la
tension du circuit intermédiaire
Gestion des pertes réseau.
Le variateur ne déclenche
pas sur les pertes réseau.
Moins d’arrêts machines. Pas
d’interruption de production.
Moins de rebuts.
Démarrage automatique
(redémarrage direct)
Démarrage avec induction
résiduelle dans le moteur.
Pas de temporisation de
redémarrage.
Le moteur peut redémarrer
sans attendre la disparition
complète du flux. Autorise la
permutation de l’alimentation
du moteur du réseau vers le
variateur. Pas d’interruption
de production.
Démarrage automatique
(reprise au vol)
Synchronisation sur un moteur
en rotation.
Pas d’interruption de
production. Commande
sans à-coups des machines.
Reprise dans tous les cas de
fonctionnement.
Freinage par contrôle de flux
Contrôle permanent du freinage
de décélération entre deux
vitesses.
Réduction des coûts
d’investissement. Conduite
de procédé améliorée.
Aucune temporisation,
contrairement au mode de
freinage par injection de
c.c. Permet le freinage de
décélération jusqu’à une
vitesse non nulle. Utilisation
limitée de hacheurs et de
résistances de freinage.
Optimisation du flux
Pertes moteur minimales.
Moteur moins bruyant.
Moteur entièrement
commandé.
Identification automatique des
données moteur/auto-calibrage
Adéquation parfaite de
l’association moteur-variateur
pour des
performances optimales.
Configuration plus simple
et plus rapide. Aucun
paramétrage requis. Couple
de démarrage garanti.
Adaptation aisée de tout
système d’entraînement c.a.
existant.
Pas de séquence de
commutation prédéfinie
des composants de
puissance
Réduction du bruit. Pas de
porteuse fixe, donc niveau
sonore plus confortable (bruit
blanc).
Economie de filtres dans les
applications à niveau de bruit
élevé. Pas de résonances
mécaniques perturbatrices.
Moins de contraintes
mécaniques dans les
réducteurs, les ventilateurs et
les pompes.
Taux d’accélération et de
décélération sans limite
Autorise les accélérations et les
décélérations les plus rapides
sans contraintes mécaniques
supplémentaires.
Meilleure maîtrise des
procédés industriels.
Tableau 3: Les fonctionnalités de la technologie DTC et les avantages
pour l’utilisateur.
22
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Questions et réponses
De même, un entraînement à technologie DTC est capable de
démarrer très rapidement, et de redémarrer sans temporisation,
quel que soit l’état électromagnétique et mécanique du moteur.
La technologie DTC semble donc être particulièrement avantageuse pour
les applications complexes et très sensibles. Qu’en est-il des applications
standard?
Les applications standard représentent 70% du marché actuel de
la variation de vitesse. Deux des applications les plus courantes
sont la ventilation et le pompage dans les secteurs d’activité tels
que le génie climatique, l’agro-alimentaire ainsi que la distribution
et le traitement des eaux.
Pour ces applications, la technologie DTC permet de résoudre
les problèmes liés aux harmoniques et au niveau de bruit.
Avec la technologie DTC on peut, par exemple, commander
l’étage d’entrée du variateur, où le pont de diodes, solution
classique, est remplacé par un pont tout transistors IGBT à
réinjection d’énergie sur le réseau.
Cette configuration permet de réduire de manière significative
les harmoniques en entrée. La distorsion de courant de faible
intensité avec un pont entièrement commandé à transistors est
inférieure à celle d’un variateur traditionnel à pont hexaphasé ou
dodécaphasé, ce qui permet d’obtenir un facteur de puissance
de 0,99.
Pour les applications standard, les variateurs à commande
DTC sont capables de supporter des variations de charges
très brusques et très importantes sans jamais déclencher en
surtension ou surintensité.
De plus, même en cas de coupure réseau de courte durée, l’entraînement doit rester alimenté. La tension c.c. du circuit intermédiaire ne doit pas tomber en dessous du seuil de commande
de 80%. Pour satisfaire à ces conditions, le cycle de commande
du variateur DTC est de 25 microsecondes.
Quel est l’apport de la technologie DTC dans la commande des pompes?
La technologie DTC présente un intérêt pour tous les types de
pompes. Comme elle marque l’avènement du variateur universel, toutes les pompes, qu’elles soient centrifuges ou à couple
constant (pompes à vis), peuvent maintenant être commandées
avec une même configuration d’entraînement, comme peuvent
l’être les ventilateurs et les convoyeurs. Avec la technique de
commande DTC, le variateur est auto-adaptatif aux contraintes
des différentes applications.
Par exemple, un entraînement à commande DTC d’une pompe
à vis sera capable de s’adapter automatiquement pour fournir
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 23
Questions et réponses
le niveau de couple de démarrage requis et garantir ainsi le
démarrage.
Une meilleure gestion des pertes réseau est un atout supplémentaire pour les pompes qui resteront performantes pendant
les microcoupures.
Les performances inhérentes de la technologie DTC en régulation de couple permettent de limiter le couple et ainsi éviter
les contraintes mécaniques sur les pompes et les réseaux de
tuyauterie.
La technologie DTC est-elle source d’économie d’énergie?
Une des innovations marquantes de la technologie DTC, qui
permet un meilleur rendement énergétique, est la fonctionnalité
d’optimisation du flux moteur.
Celle-ci augmente, en effet, considérablement le rendement global de l’entraînement (variateur + moteur) dans les applications
de pompage et de ventilation.
Par exemple, avec une charge de 25%, on améliore le rendement
énergétique global de 10%. A 50% de charge, le rendement
global est amélioré de 2%, avec un impact direct sur les coûts
d’exploitation.
Cette fonctionnalité réduit également de manière substantielle
le bruit au niveau du moteur, par rapport au bruit engendré
par la fréquence de commutation fixe d’un convertisseur MLI
traditionnel.
La technologie DTC a-t-elle fait ses preuves dans de nombreuses
installations?
Oui, le parc installé compte aujourd’hui plusieurs centaines de
milliers de variateurs DTC. Nous citerons l’exemple d’un des
premiers constructeurs mondiaux d’enrouleuses qui a testé la
technologie DTC avec une enrouleuse au sein d’une unité de
production de film plastique.
Elément du cahier des charges:
Contrôle et régulation très précis de l’enrouleuse pour obtenir
des produits de qualité (film plastique).
La solution:
Les entraînements à technologie DTC en boucle ouverte ont
remplacé les entraînements c.c. traditionnels et, ensuite, les
variateurs c.a. à contrôle vectoriel de flux des entraînements
intermédiaires des rebobineuses.
24
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Questions et réponses
Les avantages:
Montage plus simple et meilleure fiabilité des stations d’enrouleuses. Le coût d’un capteur de vitesse et du câblage associé
équivaut au coût d’un moteur c.a. de 30 kW, ce qui représente
une réduction importante des coûts d’investissement.
Principes de fonctionnement
Qu’est-ce qui distingue la technique de commande DTC des techniques
traditionnelles MLI?
– Convertisseur de fréquence MLI et variateur MLI à contrôle
vectoriel de flux
Les variateurs MLI utilisent la tension de sortie et la fréquence
de sortie comme variables de commande de base, mais cellesci doivent être modulées en largeur avant d’être appliquées au
moteur.
L’étage de modulation rallonge les temps de réponse en régulation de couple et de vitesse des variateurs MLI.
En moyenne, un variateur MLI nécessite un temps dix fois plus
long qu’un variateur DTC pour réagir à toute sollicitation des
valeurs réelles.
– Technique de commande DTC
La technologie DTC utilise le couple et le flux statorique du
moteur comme variables de commande de base, celles-ci étant
relevées directement sur le moteur. C’est la raison pour laquelle
il n’est pas nécessaire d’avoir un modulateur MLI à commande
séparée en tension et en fréquence. Un autre atout essentiel
de la technologie DTC est l’absence de capteur pour 95% des
applications.
Pourquoi la technologie DTC n’a-t-elle pas besoin du retour vitesse ou
position de l’arbre moteur?
Les quatre raisons principales sont :
– Le degré de précision de la modélisation mathématique du
moteur (cf. page 30).
– Les variables de commande sont rélevées directement sur
le moteur (cf. page 30).
– Les vitesses de traitement du processeur DSP et la logique
de commutation optimisée (cf. page 31)
– L’absence de modulateur (cf. page 14).
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 25
Questions et réponses
Tous ces éléments combinés font du variateur DTC un appareil
capable de calculer les tensions de commutation idéales 40.000
fois par seconde, ce qui permet de commander individuellement
chaque impulsion de commutation. En d’autres termes, on est
jamais allé aussi rapidement.
Toutes les 25 microsecondes, les semiconducteurs de l’onduleur
reçoivent une commande de séquence de commutation optimisée pour engendrer le couple requis. Un tel taux d’actualisation
est bien plus rapide que les constantes de temps du moteur.
C’est ainsi qu’aujourd’hui on est limité par les performances du
moteur, non par celles de l’onduleur.
Qu’est-ce qui distingue la technologie DTC des technologies “sans
capteur” actuellement disponibles sur le marché?
Il y a des différences marquantes entre les variateurs DTC et
de nombreux variateurs qualifiés de “sans capteur”. Mais la
principale différence réside dans le niveau de précision offert
par la technologie DTC aux basses vitesses et même à vitesse
nulle sans retour capteur. Aux basses fréquences, l’échelon de
couple nominal peut être augmenté en moins d’1 ms. Les autres
techniques de commande sont loin derrière.
Pourquoi un variateur DTC est-il en mesure d’offrir les mêmes
performances qu’un servo-système?
Tout simplement parce que les performances globales de l’entraînement sont maintenant limitées par celles du moteur, non
par celles du variateur. La précision dynamique moyenne de la
régulation de vitesse d’un servo-système est de 0,1%s. Un variateur à commande DTC peut atteindre ce niveau de précision
dynamique en lui ajoutant un capteur de vitesse.
Qu’est-ce qui permet à la technologie DTC de se démarquer aussi
nettement des autres technologies de variation de vitesse?
La différence la plus marquante se situe au niveau des performances en termes de rapidité de traitement et de communication
interne de la technologie DTC. En effet, nous avons déjà mis
l’accent sur le temps de réponse exceptionnellement court en
régulation de couple.
Pour réaliser des telles performances, ABB a intégré les innovations technologiques les plus récentes en matière de traitement
numérique du signal (DSP) et a consacré plus de 100 annéeshommes pour modéliser de manière très poussée le fonctionnement du moteur (Modèle Moteur), qui simule très précisément
les grandeurs réelles du moteur au sein du circuit de commande.
Pour une description détaillée des éléments théoriques de la
technique de commande DTC, cf. page 29.
26
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Questions et réponses
Un variateur DTC fait-il intervenir la logique floue dans sa boucle de
commande?
Non. Certains variateurs font appel à la logique floue pour maintenir le courant d’accélération dans les limites définies et éviter,
ainsi, tout déclenchement intempestif du variateur. Comme avec
la technologie DTC on contrôle directement le couple, le courant
est maintenu dans ces limites indépendamment des conditions
réelles de fonctionnement.
Un variateur à technologie DTC est réputé être “sans déclenchement”.
Comment cela est-il possible?
De nombreux constructeurs cherchent, depuis des années, à
résoudre les problèmes de déclenchement lors des accélérations et des décélérations ; ils éprouvent pour cela d’énormes
difficultés. Le fonctionnement sans déclenchement du variateur
DTC s’explique par le fait qu’il contrôle directement le couple
moteur réel.
Mais un variateur qui fonctionne à partir de valeurs calculées, et non
mesurées, ne reflètera jamais la réalité. Ce n’est qu’en ayant une image
précise du comportement de l’arbre moteur qu’on peut savoir exactement
ce qui se passe. Comment la technologie DTC relève-t-elle ce défi?
Le variateur DTC sait exactement ce qui se passe! Comme nous
l’avons déjà expliqué, la modélisation très poussée du moteur
ainsi que les 40.000 opérations/s permettent au variateur de
connaître très précisément, sans aucune zone d’ombre, le
comportement et l’état de l’arbre moteur. La preuve en est les
performances exceptionnelles en termes de temps de réponse
en régulation de couple et de précision de vitesse (cf. chiffres
donnés pages 18 et 19).
Contrairement aux variateurs c.a. traditionnels, dans lesquels
jusqu’à 30% des commutations sont inutiles, un variateur DTC
maîtrise parfaitement toutes les données moteur et ne connaît
aucune commutation superflue.
La technologie DTC satisfait pleinement les contraintes de 95%
des applications industrielles. Les cas exceptionnels, essentiellement les applications aux exigences de précision de vitesse
sans compromis, seront résolus en utilisant un capteur et en
réalisant ainsi une commande en boucle fermée. Mais ici encore,
l’apport de la technologie DTC réside dans l’utilisation d’un
capteur de conception plus simple que les capteurs requis par
les entraînements traditionnels en boucle fermée.
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 27
Questions et réponses
Même avec les semiconducteurs les plus rapides, un certain temps mort
est introduit. Par conséquent, quel est le degré de précision de l’autocalibrage d’un variateur DTC?
L’auto-calibrage se fait lors de la phase initiale d’identification
des données moteur par le variateur DTC (cf. page 30). Ce temps
mort est calculé et pris en compte par le Modèle Moteur lors
du calcul du flux réel. Dans le cas d’un variateur MLI, il y aura
ondulation de couple dans la plage de 20 à 30 Hz.
Quel est le niveau de stabilité d’un entraînement à technologie DTC à
charges faibles et vitesses réduites?
La stabilité est bonne jusqu’à vitesse nulle et la précision de la
régulation de couple et de vitesse est maintenue aux très basses
vitesses et aux charges faibles. Nos critères de précision sont:
Précision en régulation de couple: sur une plage de vitesse
de 2 à 100% et de charge de 10 à 100%, la précision de la
régulation de couple sera de 2%.
Précision en régulation de vitesse: sur une plage de vitesse
de 2 à 100% et de charge de 10 à 100%, la précision en régulation de vitesse est de 10% du glissement du moteur. Pour un
moteur de 37 kW, ce glissement est de l’ordre de 2%, ce qui
correspond à une précision de 0,2%.
Quelles sont les limites de la technologie DTC?
Lorsque plusieurs moteurs sont connectés en parallèle à un
onduleur à commande DTC, l’ensemble est considéré comme
un seul moteur de grande puissance. Le variateur ne dispose
pas d’informations sur l’état de chaque moteur. Si le nombre
de moteurs varie ou si la puissance du moteur reste inférieure à
1/8 de la puissance nominale, il est préférable de sélectionner
le macro-programme de contrôle scalaire.
Un variateur DTC peut-il être associé à n’importe quel type de moteur
asynchrone?
Oui, à tous les types de moteurs asynchrones à cage d’écureuil.
28
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Chapitre 4 - Notions théoriques de base
Fonctionnement de la technologie DTC
La figure 5 illustre le schéma fonctionnel complet de la technologie DTC
Schéma fonctionnel
Figure 5: la technologie DTC est constituée de deux grandes parties
fonctionnelles: la boucle de régulation de vitesse et la boucle de
régulation de couple.
Le schéma fonctionnel de la technologie DTC comporte principalement deux parties: la boucle de régulation de couple et la
boucle de régulation de vitesse. Nous allons maintenant examiner
plus en détails les blocs fonctionnels de chaque partie et voir
comment ils se complètent.
Nous commencerons par la boucle de régulation de couple de
la technique de commande DTC.
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 29
Notions théoriques de base
Boucle de régulation de couple
Etape 1 Mesure de la tension et du courant
En mode de fonctionnement normal, seuls le courant sur deux
phases du moteur et la tension du bus c.c. sont rélevés, ainsi
que la position des commutateurs de l’onduleur.
Etape 2 Modèle Moteur Adaptatif
Les valeurs rélevées sur le moteur sont fournies au Modèle
Moteur Adaptatif.
La modélisation mathématique du fonctionnement du moteur
est à ce point poussée qu’elle permet de calculer de manière
très précise les données du moteur. Lors de la mise en service
du variateur DTC, le Modèle Moteur collecte des données sur
le moteur en exécutant la fonction d’identification du moteur. Il
s’agit d’un véritable auto-calibrage au cours duquel des grandeurs telles que la résistance statorique, l’inductance mutuelle
et les coefficients de saturation sont relevées ainsi que l’inertie
du moteur. La fonction d’identification des données moteur peut
être excécutée sans faire tourner l’arbre moteur. C’est la raison
pour laquelle les variateurs de vitesse à commande DTC s’intègrent très facilement dans les sites existants lors de projets de
modernisation. Le Modèle Moteur peut, par ailleurs, être affiné à
l’extrême en exécutant la fonction d’identification avec rotation
de l’arbre pendant quelques secondes.
30
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Notions théoriques de base
Aucun capteur de position ou de vitesse n’est nécessaire si
un niveau de précision statique de vitesse de 0,5% est requis,
comme l’exige la plupart des applications industrielles. Il s’agitlà d’un progrès significatif par rapport aux autres technologies
de variation de vitesse. En réalité, le Modèle Moteur est la clé
des performances inégalées en régulation de vitesse de la technologie DTC.
Les signaux de commande issus du Modèle Moteur correspondent directement au couple moteur réel et au flux statorique réel.
La vitesse de rotation de l’arbre moteur est également calculée
au sein du Moteur Modèle.
Etape 3 Comparateur de couple et comparateur de flux
Les signaux de commande des commutateurs (composants de
puissance) sont élaborés dans les comparateurs de couple et
de flux.
Les valeurs réelles de couple et de flux sont transmises aux comparateurs où elles sont comparées, toutes les 25 microsecondes,
à une consigne de couple et une consigne de flux. Les signaux
d’état de couple et de flux sont calculés selon une méthode de
contrôle par hystérésis à double niveau.
Ces signaux sont ensuite transmis à la logique de commande
optimisée.
Etape 4 Logique de commande optimisée
Le bloc de la logique de commande optimisée intègre un processeur numérique du signal de 40 MHz (technologie DSP) et
un circuit ASIC dont la fonction est de déterminer la séquence
de commutation de l’onduleur. Par ailleurs, tous les signaux de
commande sont transmis par liaisons optiques, garantie d’une
transmission à très grande vitesse.
Le recours à ces technologies les plus avancées et à de telles
vitesses de traitement et de communication permet d’optimiser,
toutes les 25 microsecondes, la séquence de commutation des
semiconducteurs de l’onduleur, et ainsi produire ou maintenir le
couple moteur très précisément.
La séquence de commutation optimale est ainsi établie à chaque
cycle de commande de telle sorte qu’il n’y a pas de séquence
prédéterminée. Avec la technologie DTC, on peut parler de commutation en “juste-à-temps” car, contrairement aux variateurs
MLI traditionnels où jusqu’à 30% des commutations ne sont
pas nécessaires, chaque opération de commutation dans un
variateur DTC résulte d’un besoin et est effectivement utilisée.
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 31
Notions théoriques de base
Ce taux d’actualisation est un élément fondamental des performances de la technologie DTC; en effet, les principales variables
de commande du moteur sont actualisées 40.000 fois par seconde. D’une part, c’est ce qui permet d’agir très rapidement au
niveau de l’arbre moteur et, d’autre part, de telles capacités de
traitement sont nécessaires au Modèle Moteur pour actualiser
ces variables.
C’est cette vitesse de traitement qui est principalement à l’origine
des performances de la technologie DTC, notamment la précision statique en régulation de vitesse, sans capteur, de ±0,5%
et le temps de réponse en régulation de couple inférieur à 2 ms.
Boucle de régulation de vitesse
Etape 5 Contrôleur de consigne de couple
Au sein du contrôleur de consigne de couple, la valeur du signal
de sortie de la régulation de vitesse est limitée par les limites de
couple et la tension du bus c.c.
Il inclut également une régulation de vitesse pour les applications
où un signal de couple externe est utilisé. La consigne de couple
interne issue de ce bloc est envoyée au comparateur de couple.
32
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Notions théoriques de base
Etape 6 Régulateur de vitesse
Le bloc du régulateur de vitesse est constitué d’un régulateur
PID et d’un compensateur d’accélération. Le signal de consigne
de vitesse externe est comparé à la valeur du signal de vitesse
issu du Modèle Moteur. La valeur d’écart est ensuite transmise
à la fois au régulateur PID et au compensateur d’accélération.
La valeur finale correspond à la somme des valeurs de sortie
de ces deux derniers.
Etape 7 Contrôleur de consigne de flux
Une valeur absolue de flux statorique peut être fournie par le
contrôleur de consigne de flux au bloc “comparateur de flux”.
C’est l’aptitude à contrôler et à modifier cette valeur absolue
qui permet de réaliser de nombreuses fonctions du variateur,
notamment l’optimisation du flux, le freinage par contrôle de
flux et l’affaiblissement de champ (cf. page 22).
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 33
Chapitre 5 - Index
A
Affaiblissement de champ 31
Ascenseur 18
Autocalibrage 21, 27, 30
B
Basses fréquences 17, 25
Blaschke 16
Boucle de régulation de couple 28
Boucle de régulation de vitesse 28
Boucle de régulation 7, 8, 10, 12, 13, 14, 26,
27, 29, 31
Boucle fermée 11, 12, 15, 17
Bruit du moteur 21, 23
Bruit 16, 21, 22, 23
C
Capteur 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17, 24, 26
Champ statorique 12
Chauffage 22
Circuit ASIC 30
Climatisartion 5, 22
Codeur de position 13, 24
Codeurs 9, 12, 13, 15, 17, 18, 20, 24,
25, 30, 31
Coefficient de saturation 30
Commande de moteur 8
Commande en fréquence 7, 10, 14, 18, 24
Comparateur de couple et flux 30
Comparateur de couple 30, 31
Comparateur de flux 30, 31
Compensateur d’accélération 31
Constante de temps 8, 25
Contraintes 21, 23
Contrôle de position 20
Contrôle direct de couple 5, 6, 7, 13, 15, 28
Contrôle direct 16
Contrôle par hystérésis 30
Contrôle par le flux 17
Contrôle scalaire 11, 26
Contrôle vectoriel de flux 7, 11, 12, 14
Convoyeurs 22
Couple de charge 17, 22
Couple moteur 8, 13, 30
Couple 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16,
17, 18, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 29, 30,
31
- régulation 5, 6, 7, 8, 11, 13, 15, 16, 17, 18,
20, 22, 28
- régulation aux basses fréquences 17
- charge maxi à vitesse nulle 17
- linéarité 18
- boucle 24
- répétabilité 17, 19
- réponse 6, 9, 13, 14, 17, 18, 20, 25, 26, 31
- taux d’ondulation 27
Courant de champ 7
Courant d’induit 7, 8
34
Courant magnétisant 8
Coût d’exploitation 24
Coût initial 19
Coûts 8, 9, 11, 13, 18, 20, 21, 23
Cycle de commande 30
D
Déclenchement 16, 21, 22, 26
Démarrage 5, 18, 20, 21, 22, 28
Depenbrock 16
DSP 23, 29
DTC 5, 7, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22,
23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30
E
Eau 5, 22
Echelon de couple nominal 25
Economies d’énergie 22
Enroulement d’induit 8
Enroulement statorique 10, 11
Enrouleuse 18
Ensemble collecteur-balais 8
Entraînement c.a. à vitesse variable 6, 9
Entraînement c.a. en boucle ouverte 14
Entraînement en boucle ouverte 10
Entraînements à vitesse variable 5, 7, 14, 22
Entretien 9
F
Facteur de puissance 22
Fiabilité 9, 20
Flux magnétisant du moteur 13
Flux rotorique 12
Flux statorique 24, 30, 31
Frein mécanique 20
Freinage par contrôle de flux 21, 31
Freinage 21, 31
Fréquence de sortie 24
Fréquence d’entrée 15
G
Génie climatique 22
Gestion des pertes réseau 21, 22
H
Harmoniques 20, 4
I
Impulsions de commutation 25
Inductance mutuele 30
Industrie agro-alimentaire 22
Industrie du papier 18
Inertie 30
Interférences 16
L
Levage 18
Liaison optique 30
Logique de commande optimisée 30
Logique floue 26
La technologie DTC ou le contrôle direct de couple | Guide technique No. 1
Index
M
Maintenance 6, 9, 20
Mise en service 20
MLI 7, 9, 10, 12, 15, 17, 18, 23, 24, 27, 30
Modèle moteur 11, 24, 25, 26, 28, 29, 30, 31
Modernisation 21
Modulateur 10, 11, 12, 13, 15, 24
Modulation de largeur d’impulsions 10
Moteur asynchrone 11, 12, 13
Moteur c.a. 5, 6, 9, 14, 20
Moteur c.c. 6, 7, 8, 9, 12, 15
N
Niveau de bruit 16
O
OEM 5
Optimisation du flux 21, 23, 31
Orientation du champ 7, 8, 11, 12, 13
P
Perte de puissance d’entrée 22
Pompe 11, 21, 22, 23
Pont de diodes 23
Pont d’entrée commandé 22
Pont générateur 22
Position angulaire 12
Position rotorique 8
Précision de régulation 20
Précision de vitesse dynamique 14, 18
Précision de vitesse statique 17, 18, 30
Précision de vitesse 6, 9, 13, 14, 16, 17, 18,
20, 26, 27, 30
Précision statique 19
R
Redémarrage 20
Redresseur à diodes 10
Réducteur 20
Référence de vitesse externe 31
Régulateur de référence de couple 29
Régulateur de référence de flux 31
Régulateur de vitesse 31
Régulateur PID 31
Régulation de vitesse 6, 8, 26, 28, 31
Régulation en boucle fermée 11, 12
Réponse en vitesse 8, 24
Réseau de tuyauteries 23
Résistance statorique 30
Retour position 9
Rotor 8, 11, 12
Stabilité 27
Stator 7, 9, 11, 12, 24, 30, 31
T
Tachymètre 13, 15, 17, 18, 20, 24, 30
Temps de réponse en régulation de vitesse 8
Temps de traitement des signaux 24
Tension de sortie 24
Tension du bus c.c. 29, 31
Tension du circuit intermédiaire 20, 21
Tension 8, 10, 11, 12, 13, 15, 17, 21, 22, 24,
25, 29, 30
Traitement du signal 13, 24, 25
Traitement numérique du signal 13, 30
U
Universel 14, 16, 20, 22
V
Variables de commande 10, 12, 13, 15, 24
Variables de commande 11, 14, 15, 24
Variateur alimenté en tension 8
Variateur c.a. à contrôle vectoriel de flux 12
Variateur c.a. à MLI 12, 15, 17, 18, 23, 24,
27, 30
Variateur c.a. à technologie DTC 13, 14
Variateur c.a. 7, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17,
18, 20, 26, 30
Variateur c.c. 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 17, 20
Variateur électronique 12, 15
Variateur MLI à contrôle vectoriel de flux 12
Variateur MLI à contrôle vectoriel de flux 18
Variateur MLI commandé en fréquence 18
Variateur pour moteur c.c. 7
Variateurs MLI en boucle ouverte 17
Vecteur de flux 7, 11, 12, 14, 17, 18, 24
Ventilateur 11, 21, 22, 23
Ventilation 22
VEV 5, 6
Vitesse du rotor 12
Vitesse nulle 12, 17, 20, 21, 25, 27
Vitesse statique du moteur 17
Vitesse 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15,
16, 17, 18, 19, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 29, 30,
31
S
Sans capteur 17, 25
Séquence de commutation prédéterminée 21, 30
Séquence de commutation 21, 25, 30
Servosystèmes 18, 20, 25
Signal de couple externe 31
Sortie de régulation de vitesse 31
Guide technique No. 1 | La technologie DTC ou le contrôle direct de couple 35
Pour information plus détaillée, veuillez contacter
votre représentant ABB local, ou visiter:
www.abb.com/drives
www.abb.com/drivespartners
© Copyright 2012 ABB. Toutes les dispositions,
indications et caractéristiques sont susceptibles de
modification sansréavis.
3BFE64287273 REV C FR 23.2.2012 #16113
Contactez-nous