Частотно-регулируемые приводы управляют асинхронными двигателями переменного тока с помощью одной из нескольких схем управления. Скалярное управление (также называемое В/Гц или управление V / f = const) изменяет как напряжение, так и частоту питания, подаваемого на двигатель, для поддержания фиксированного соотношения между ними. Это поддерживает напряженность магнитного поля на постоянном уровне, так что крутящий момент остается стабильным. Скалярное управление — это простой и недорогой метод управления, но он не позволяет точно регулировать частоту вращения двигателя.

Векторное управление (также называемое управлением, ориентированным на поле, или FOC) независимо управляет намагничивающими и создающими крутящий момент компонентами тока статора для регулирования как частоты вращения двигателя, так и крутящего момента.

Другой метод управления, известный как прямое регулирование крутящим моментом (DTC), аналогичен управлению, ориентированному на поле, в том смысле, что он отделяет крутящий момент и поток и управляет ими независимо. Но DTC контролирует крутящий момент двигателя непосредственно, без модулятора, поэтому отклик на крутящий момент происходит намного быстрее.

Прямое регулирование крутящего момента использует два контура управления — контур регулирования скорости и контур регулирования крутящего момента, — которые работают вместе, наряду с усовершенствованной моделью двигателя, для точного прогнозирования потока на статоре и крутящего момента двигателя. Вот как это работает:

1 – Измеряются два фазных тока двигателя и напряжение на шине постоянного тока, а также положения ключей инвертора. (Напряжение двигателя определяется исходя из напряжения на шине постоянного тока и положений ключей инвертора.)

2 – Ток и напряжение двигателя подаются на модель двигателя, которая использует передовые математические алгоритмы для получения точных значений потока статора и крутящего момента двигателя, а также частоты вращения вала, каждые 25 мкс (в некоторых приводах скорость достигает 12,5 мкс).

3 – Фактические значения крутящего момента и потока подаются в компараторы крутящего момента и магнитного потока, которые сравнивают их с контрольными значениями крутящего момента и потока потока, которые предоставляются контуром регулирования скорости (см. № 6).

Целью компараторов является удержание величин векторов крутящего момента и потока в узкой полосе гистерезиса вокруг эталонных значений. Это является основным фактором, определяющим способность DTC обеспечивать быструю реакцию на крутящий момент без превышения скорости.

4 – Сигналы о состоянии крутящего момента и потока подаются на селектор оптимальных импульсов.

5 – Селектор оптимальных импульсов выбирает оптимальный вектор напряжения из справочной таблицы и на основе этого посылает импульсы на полупроводниковые переключающие устройства инвертора для поддержания или изменения крутящего момента двигателя по мере необходимости. То есть, при прямом управлении моментом, выбор того, какие ключи включены, а какие выключены происходит по таблице, а не в порядке широтно-импульсной модуляции.

Таблица поиска предоставляет оптимальный вектор напряжения на основе трех параметров: необходимо ли увеличивать или уменьшать крутящий момент и поток статора (или, для крутящего момента, поддерживать постоянным) и в каком секторе (сегмент 60 градусов) плоскости пространственного вектора находится поток статора.

Полупроводниковая коммутация в инверторе снова определяет напряжение и ток двигателя, которые определяют крутящий момент и поток двигателя, тем самым замыкая контур управления.

6 – Контур регулирования скорости содержит регулятор скорости (который состоит из ПИД-регулятора и компенсатора ускорения), регулятор опорного момента и регулятор опорного потока.

Выходной сигнал регулятора частоты вращения подается на опорный контроллер крутящего момента, выход которого является внутренним опорным значением для компаратора крутящего момента в контуре управления крутящим моментом.

Управляющий контроллер потока определяет абсолютное значение потока статора и предоставляет его в качестве внутреннего эталона для компаратора потока в контуре управления крутящим моментом. Опорный контроллер потока также служит для управления потоком и его модификации для включения таких функций инвертора, как оптимизация энергопотребления и гашение потока.

При сравнении прямого регулирования крутящего момента с векторным управлением, которое также позволяет жестко контролировать частоту вращения двигателя и крутящий момент, выделяются два основных различия. Во-первых, прямое регулирование крутящего момента осуществляется без датчиков — датчики скорости или положения не требуются. Для этого требуется только измерение напряжения и тока. Это снижает затраты и повышает надежность.

Второе отличие заключается в том, что для прямого управления крутящим моментом не требуется модулятор (широтно-импульсный модулятор, или ШИМ), поэтому время обработки сокращается в 10 раз, что улучшает отклик на крутящий момент, обычно до менее чем 2 мс. Это означает, что крутящий момент и скорость можно точно регулировать даже на низких оборотах, а полный пусковой момент доступен вплоть до нулевой скорости.