تحكم المقص في محرك التيار المستمر ذو التغذية المنفصلة

الشوبير هو جهاز يحول الجهد المستمر الثابت (DC) إلى جهد مستمر متغير. الأجهزة ذات التبديل الذاتي، مثل الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة العازلة (IGBTs)، وترانزستورات أشباه الموصلات ذات المجال المتاثر (MOSFETs)، والترانزستورات القوية، وثايرستورات إيقاف البوابة (GTOs)، وتايرستورات التبديل المتكامل (IGCTs)، تستخدم بشكل شائع في بناء الشوبر. يمكن تشغيل هذه الأجهزة مباشرة عبر إشارة تحكم في البوابة باستخدام مدخلات منخفضة الطاقة ولا تتطلب دائرة تبديل إضافية، مما يجعلها فعالة للغاية ومناسبة لتطبيقات الشوبر.

عادة ما يتم تشغيل الشوبر بترددات عالية. هذا التشغيل عالي التردد يعزز بشكل كبير أداء المحرك عن طريق تقليل الاهتزازات في الجهد والتيار وإزالة التوصيل غير المستمر. أحد أهم مزايا تحكم الشوبر هو قدرته على تمكين الفرملة التجديدية حتى عند سرع دوران منخفضة جداً. هذه الميزة قيمة بشكل خاص عندما يتم تزويد نظام القيادة بمصدر جهد مستمر ثابت أو منخفض، مما يسمح باسترداد الطاقة بكفاءة أثناء عمليات الفرملة.

تحكم الدوران

توضح الصورة أدناه محرك DC مستقل الإثارة متحكم فيه بواسطة شوبر ترانزستوري. يتم تبديل الترانزستور Tr بشكل دوري بفترة Tr، ويظل في حالة التوصيل لمدة Ton. كما تظهر الصورة أيضاً الموجات الكهربائية للجهد عند طرف المحرك والتيار المار في الذراع. عندما يكون الترانزستور مشغلًا، يكون الجهد عند طرف المحرك V، ويمكن وصف عملية المحرك كالتالي:

خلال فترة زمنية معينة، يزيد التيار المار في الذراع من ia1 إلى ia2. تُعرف هذه المرحلة باسم فترة العمل، حيث يكون المحرك متصلًا مباشرةً بمصدر الطاقة خلال هذه الفترة. يسمح الاتصال المباشر بنقل الطاقة الكهربائية من المصدر إلى المحرك، مما يمكّنه من إنتاج عزم دوران والدوران.

عندما t = ton، يتم إيقاف الترانزستور Tr. ثم يبدأ تيار المحرك في التدفق الحر عبر الدايود Df. نتيجة لذلك، ينخفض الجهد عند طرف المحرك إلى الصفر خلال الفترة الزمنية ton≤t≤T. تُعرف هذه الفترة باسم فترة التدفق الحر. خلال هذه المرحلة، يتم تبدد الطاقة المخزنة في مجال المحرك والمعدلة من خلال الدايود التدفق الحر، مما يحافظ على تدفق التيار في حلقة مغلقة. يمكن تحليل ووصف عمل المحرك خلال هذه الفترة بشكل أكبر من خلال دراسة التفاعلات الكهربائية والمغناطيسية بين مكونات الدائرة.

يقل تيار المحرك من ia2 إلى ia1 خلال هذه الفترة. نسبة فترة العمل ton إلى فترة الشوبر T تسمى نسبة العمل.

الفرملة التجديدية

توضح الصورة أدناه شوبر مهيأ لعملية الفرملة التجديدية. يتم تبديل الترانزستور Tr بشكل دوري بفترة T وفترة تشغيل ton. تظهر الصورة أيضًا الموجة الكهربائية للجهد va عند طرف المحرك والتيار المار في الذراع ia تحت ظروف التوصيل المستمر. لتعزيز قيمة الاستقراء La، يتم دمج ملتف خارجي في الدائرة.

عند تشغيل الترانزستور Tr، يرتفع التيار المار في الذراع ia من ia1 إلى ia2. يحدث هذا الارتفاع في التيار بينما يتم تخزين الطاقة الكهربائية مؤقتًا في الملتف وفي مجال المحرك، مما يعد لعملية التحويل اللاحقة للطاقة التي تميز الفرملة التجديدية.

عندما يعمل المحرك في وضع الفرملة التجديدية، يعمل كمولد، يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. جزء من هذه الطاقة الكهربائية يساهم في زيادة الطاقة المغناطيسية المخزنة داخل الاستقراء الذراع. في الوقت نفسه، يتم تبدد الجزء المتبقي من الطاقة كحرارة داخل ملفات الذراع والترانزستورات، بسبب مقاومة هذه المكونات الداخلية.

عند إيقاف الترانزستور، يمر التيار المار في الذراع عبر الدايود D ومصدر الطاقة V، ويقل من ia2 إلى ia1. في هذه العملية، يتم تغذية الطاقة الكهرومغناطيسية المخزنة في الدائرة والطاقة المتولدة من الجهاز مرة أخرى إلى مصدر الطاقة. تعرف الفترة الزمنية من 0 إلى ton بأنها فترة تخزين الطاقة، حيث تتراكم الطاقة في النظام. وعلى العكس، تُعرف الفترة من ton إلى T بأنها فترة العمل، حيث يحدث نقل الطاقة وعمل النظام.

تحكم عملية الدوران والفريملة

خلال عملية الدوران، يتم تنظيم الترانزستور Tr1 لتزويد المحرك بالطاقة، مما يمكّنه من الدوران للأمام. وعلى العكس، في حالة عملية الفرملة، يأخذ الترانزستور Tr2 السيطرة. يتم التحويل السلس للتحكم من Tr1 إلى Tr2 لتغيير عملية النظام من الدوران إلى الفرملة، والعكس صحيح لاستعادة الحالة الدوارة. هذا الآلية الدقيقة للتحكم تضمن التشغيل الفعال والموثوق لنظام القيادة الكهربائي تحت ظروف العمل المختلفة.

التحكم الديناميكي

تظهر الدائرة الفرملة الديناميكية ومع موجاتها الكهربائية في الصورة أدناه. في الفترة الزمنية من 0 إلى Ton، يرتفع التيار المار في الذراع ia بشكل مستقر من ia1 إلى ia2. خلال هذه المرحلة، يتم تخزين جزء من الطاقة الكهربائية في الاستقراء، مما يعمل كمخزن للعمليات اللاحقة. في الوقت نفسه، يتم تبدد الطاقة المتبقية كحرارة داخل مقاومة الذراع Ra والترانزستور TR، وهو نتيجة ضرورية للمقاومة الكهربائية الموجودة في هذه المكونات.

خلال الفترة الزمنية Ton ≤ t ≤ T، ينخفض التيار المار في الذراع ia من ia2 إلى ia1. في هذه المرحلة، يتم تبدد كل من الطاقة المتولدة من المحرك والطاقة المخزنة في الاستقراء عبر مقاومة الفرملة RB، ومقاومة الذراع Ra، والدايود D. يلعب الترانزستور Tr دورًا حاسمًا في تنظيم كمية الطاقة المبددة في RB. من خلال التحكم الدقيق في عملية Tr، يمكن تنظيم الطاقة المبددة في RB، وبالتالي تأثير على أداء الفرملة والقيمة الفعالة للطاقة المبددة. تتيح هذه الآلية للتحكم الدقيق في عملية الفرملة الديناميكية، مما يضمن إدارة الطاقة الأمثل والاستقرار في النظام.