Control de còrtex del motor DC d'excitació independent

Un chopper és un dispositiu que converteix una tensió contínua (CC) fixa en una tensió CC variable. Es fan servir habitualment dispositius d'autocommutació, com els transistors de efecte de camp metàl·lo-òxid-semiconductor (MOSFETs), els transistors bipolars amb portes aïllades (IGBTs), transistors de potència, tiristors de tall per porta (GTOs) i tiristors commutats per porta integrada (IGCTs), en la construcció de choppers. Aquests dispositius es poden encendre o apagar directament mitjançant una senyal de control de la porta utilitzant entrades de baixa potència i no requereixen un circuit addicional de commutació, el que els fa altament eficients i pràctics per a aplicacions de choppers.

Els choppers s'operen típicament a freqüències altes. Aquesta operació a alta freqüència millora significativament el rendiment del motor reduint les fluctuacions de tensió i corrent i eliminant la conducció discontinua. Una de les principals avantatges del control de chopper és la seva capacitat de permetre el frenat regeneratiu fins i tot a velocitats rotatives molt baixes. Aquesta característica és especialment valuosa quan el sistema de propulsió està alimentat amb una font de tensió CC fixa a baixa, permetent una recuperació eficient d'energia durant les operacions de frenat.

Control de motricitat

La figura següent il·lustra un motor DC separatament excitat controlat per un chopper de transistor. El transistor Tr es comuta cíclicament amb un període Tr, romenant en l'estat de conducció durant un temps Ton. També es mostren les ones de tensió terminal del motor i la corrent d'armadura en la figura. Quan el transistor està encès, la tensió terminal del motor és V, i l'operació del motor es pot descriure així:

Durant aquest interval de temps específic, la corrent d'armadura augmenta de ia1 a ia2. Aquesta fase es coneix com a interval de dutxa, ja que el motor està connectat directament a la font d'energia durant aquest període. La connexió directa permet transferir energia elèctrica de la font al motor, permetent-li generar torc i girar.

Quan t = ton, el transistor Tr es desactiva. Posteriorment, la corrent del motor comença a circular a través del diode Df. Com a resultat, la tensió als terminals del motor disminueix a zero en l'interval de temps ton≤t≤T. Aquest interval es coneix com a interval de circulació lliure. Durant aquesta fase de circulació lliure, l'energia emmagatzemada en el camp magnètic del motor i la indutància es dissipa a través del diode de circulació lliure, mantenint el flux de corrent en un bucle tancat. L'operació del motor durant aquest interval es pot analitzar i descriure més endavant examinant les interaccions elèctriques i magnètiques dins dels components del circuit.

La corrent del motor disminueix de ia2 a ia1 durant aquest interval. El ràtio entre l'interval de dutxa ton i el període del chopper T es coneix com a cicle de dutxa.

Frenat regeneratiu

La figura següent il·lustra un chopper configurat per a l'operació de frenat regeneratiu. El transistor Tr es comuta cíclicament amb un període T i un temps d'encès ton. S'ha representat també l'ona de la tensió terminal del motor va i la corrent d'armadura ia en condicions de conducció contínua. Per augmentar el valor de la inductància La, s'incorpora un inductor extern al circuit.

Quan el transistor Tr s'encén, la corrent d'armadura ia augmenta de ia1 a ia2. Aquest increment de corrent ocorre mentre l'energia elèctrica es guarda temporalment a l'inductor i al camp magnètic del motor, preparant-se per al posterior procés de conversió d'energia característic del frenat regeneratiu.

Quan el motor opera en mode de frenat regeneratiu, funciona com a generador, convertint energia mecànica en energia elèctrica. Part d'aquesta energia elèctrica contribueix a augmentar l'energia magnètica emmagatzemada dins la inductància del circuit d'armadura. Mentre, la resta de l'energia elèctrica es dissipa com a calor dins de les bobines d'armadura i els transistors, degut a la resistència inherent d'aquests components.

Quan el transistor es desactiva, la corrent d'armadura passa a través del diode D i la font d'energia V, disminuint de ia2 a ia1. En aquest procés, tant l'energia electromagnètica emmagatzemada en el circuit com l'energia generada per la màquina es retornen a la font d'energia. L'interval de temps de 0 a ton es defineix com a interval d'emmagatzemament d'energia, durant el qual l'energia s'acumula en el sistema. En canvi, l'interval de ton a T es coneix com a interval de dutxa, quan es produeix la transferència d'energia i l'operació del sistema.

Control de l'operació de motricitat i frenat

Durant l'operació de motricitat, el transistor Tr1 es regula per a subministrar energia al motor, permetent-li girar endavant. En canvi, per a l'operació de frenat, el transistor Tr2 pren el control. La transició de control de Tr1 a Tr2 canvia fluidament l'operació del sistema de motricitat a frenat, i revertir aquesta transferència de control el torna a l'estat de motricitat. Aquest mecanisme de control precís assegura una operació eficient i fiable del sistema de propulsió elèctric en diferents condicions de treball.

Control dinàmic

El circuit de frenat dinàmic, juntament amb la seva ona corresponent, es mostra a la figura següent. En l'interval de temps de 0 a Ton, la corrent d'armadura ia augmenta progressivament de ia1 a ia2. Durant aquesta fase, una part de l'energia elèctrica es guarda en la inductància, funcionant com a reservori per a operacions posteriors. Alhora, l'energia restant es dissipa com a calor dins de la resistència d'armadura Ra i el transistor TR, una conseqüència necessària de la resistència elèctrica present en aquests components.

En l'interval de temps Ton ≤ t ≤ T, la corrent d'armadura ia disminueix de ia2 a ia1. En aquesta fase, tant l'energia generada pel motor com l'energia emmagatzemada en les inductàncies es dissipen a través de la resistència de frenat RB, la resistència d'armadura Ra i el diode D. El transistor Tr juga un paper clau en regular la quantitat d'energia dissipada en RB. Amb un control precís de l'operació de Tr, es pot modul·lar eficàcement la potència dissipada en RB, influenciant així el rendiment global de frenat i el valor efectiu de l'energia dissipada. Aquest mecanisme de control permet ajustar finament el procés de frenat dinàmic, assegurant una gestió òptima de l'energia i la stabilitat del sistema.