Řízení řezače pro samovzbuzený stejnosměrný motor

Chopper je zařízení, které převádí pevnou stejnosměrnou (DC) napěťovou hladinu na proměnnou DC napěťovou hladinu. V konstrukci chopperů se často používají samoobslužné komutované prvky, jako jsou polovodičové tranzistory s izolovanou bránou (MOSFETy), bipolární tranzistory s izolovanou bránou (IGBT), výkonové tranzistory, thyristory s vypínáním pomocí brány (GTO) a integrované thyristory s bránovou komutací (IGCT). Tyto prvky lze přímo zapínat nebo vypínat pomocí signálu ovládání brány pomocí nízkovýkonových vstupů a nevyžadují dodatečný komutační obvod, což z nich dělá velmi efektivní a praktické prvky pro aplikace chopperů.

Chopper běžně fungují na vysokých frekvencích. Toto vysokofrekvenční fungování významně zlepšuje výkon motoru snižováním kmitavostí napětí a proudu a eliminací nespojitého vedení. Jedním z nejvýraznějších výhod řízení chopperem je jeho schopnost umožnit regenerativní brzdění i při velmi nízkých otáčkách. Tato vlastnost je zejména cenná, když je pohon zásobován zdrojem s pevnou až nízkou DC napěťovou hladinou, což umožňuje efektivní zotavení energie během brzdění.

Řízení motorem

Níže uvedená obrázka znázorňují samonapájený stejnosměrný motor řízený tranzistorovým chopperem. Tranzistor Tr je periodicky přepínán s periodou Tr a zůstává ve vedení po dobu Ton. Příslušné vlnové formy napětí na terminálech motoru a proud armatury jsou také znázorněny na obrázku. Když je tranzistor zapnut, napětí na terminálech motoru je V, a funkce motoru lze popsat následovně:

Během tohoto specifického časového intervalu se proud armatury zvyšuje od ia1 na ia2. Tento fáze se nazývá doba provozu, protože motor je přímo spojen s zdrojem energie během této doby. Přímé spojení umožňuje přenos elektrické energie ze zdroje do motoru, což umožňuje generovat mechanický moment a otáčet se.

Když t = ton, je tranzistor Tr deaktivován. Následně se proud motoru začne volně točit přes diodu Df. V důsledku toho se napětí na terminálech motoru sníží na nulu v časovém intervalu ton≤t≤T. Tento interval se nazývá volný tok. Během tohoto intervalu volného toku se energie uložená v magnetickém poli a induktanci motoru vybavuje přes diodu volného toku, udržující proud v uzavřeném obvodu. Provoz motoru během tohoto intervalu lze dále analyzovat a popsat zkoumáním elektrických a magnetických interakcí v komponentech obvodu.

Proud motoru klesá od ia2 na ia1 během tohoto intervalu. Poměr doby provozu ton k periodě chopperu T se nazývá poměr plnění.

Regenerativní brzdění

Níže uvedená obrázka znázorňují chopper nastavený pro regenerativní brzdění. Tranzistor Tr je cyklicky přepínán s periodou T a dobou zapnutí ton. Vedle je znázorněna vlnová forma napětí na terminálech motoru va a proud armatury ia pod kontinuálními vedeními. Pro zvýšení hodnoty induktance La je do obvodu začleněn externí cívka.

Když je tranzistor Tr zapnut, proud armatury ia stoupá od ia1 na ia2. Toto zvýšení proudu nastává, když je elektrická energie dočasně uložena v cívkovém systému a magnetickém poli motoru, což připravuje scénu pro následný proces převodu energie charakteristický pro regenerativní brzdění.

Když motor funguje v režimu regenerativního brzdění, funguje jako generátor, převádějící mechanickou energii na elektrickou energii. Část této elektrické energie přispívá k zvýšení magnetické energie uložené v induktanci cívkového obvodu. Zároveň zbytek elektrické energie je rozptýlen jako teplo v cívkách armatury a tranzistoru, kvůli vlastnímu odporu těchto komponent.

Když je tranzistor vypnut, proud armatury prochází diodou D a zdrojem napětí V, klesá od ia2 na ia1. V tomto procesu jsou jak elektromagnetická energie uložená v obvodu, tak energie vygenerovaná strojem, vráceny zpět do zdroje napětí. Časový interval od 0 do ton se definuje jako interval ukládání energie, během kterého se energie akumuluje v systému. Naopak interval od ton do T se označuje jako doba provozu, kdy dochází k přenosu energie a provozu systému.

Řízení provozu a brzdění

Během provozu motoru je tranzistor Tr1 regulován tak, aby poskytoval energii motoru, umožňující jeho otáčení dopředu. Naopak pro brzdění přebírá kontrolu tranzistor Tr2. Přechod kontroly od Tr1 k Tr2 hladce přepíná provoz systému z provozu motoru na brzdění, a opačný přenos kontroly ho přepíná zpět do stavu provozu motoru. Tento přesný mechanismus řízení zajišťuje efektivní a spolehlivý provoz elektrického pohonného systému za různých pracovních podmínek.

Dynamické řízení

Obvod dynamického brzdění a odpovídající vlnová forma jsou znázorněny na níže uvedeném obrázku. V časovém intervalu od 0 do Ton se proud armatury ia postupně zvyšuje od ia1 na ia2. Během této fáze je část elektrické energie uložena v induktanci, sloužící jako rezervoár pro následné operace. Současně zbytek energie je rozptýlen jako teplo v odporu armatury Ra a tranzistoru TR, což je nutný důsledek elektrického odporu těchto komponent.

V časovém intervalu Ton ≤ t ≤ T klesá proud armatury ia od ia2 na ia1. V této fázi jsou jak energie vygenerovaná motorem, tak energie uložená v indukcích, rozptýleny přes brzdicí odpor RB, odpor armatury Ra a diodu D. Tranzistor Tr hraje klíčovou roli v regulaci množství energie rozptýlené v RB. Přesným řízením provozu Tr lze efektivně modulovat výkon rozptýlený v RB, což ovlivňuje celkovou výkonnost brzdění a efektivní hodnotu rozptýlené energie. Tento mechanismus řízení umožňuje jemné ladění procesu dynamického brzdění, zajišťující optimální správu energie a stabilitu systému.