Klipperekontrol af separat anspændt DC-motor

En chopper er en enhed, der konverterer en fast spænding (DC) til en variabel DC-spænding. Selvkommuterede komponenter som Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistorer (MOSFETs), Isoleret-Gate Bipolare Transistorer (IGBTs), effekttransistorer, Gate-Turn-Off Thyristorer (GTOs) og Integrated Gate-Commutated Thyristorer (IGCTs) anvendes ofte i konstruktionen af choppers. Disse enheder kan aktiveres eller deaktiveres direkte via et gatekontrolsignal ved hjælp af lavstrømsindgange og kræver ikke yderligere kommutationscirkuit, hvilket gør dem meget effektive og praktiske i chopperapplikationer.

Choppers drives typisk på høje frekvenser. Denne høje frekvensforanstaltning forbedrer motorprestationen betydeligt ved at reducere spændings- og strømfluktuationer og eliminere ujævnt ledning. Et af de mest bemærkelsesværdige fordele ved chopperkontrol er dets evne til at muliggøre regenerativ bremse selv ved meget lave rotationshastigheder. Dette træk er særdeles værdifuldt, når drivsystemet leveres med en fast til lav DC-spændingskilde, hvilket tillader effektiv energigenopkrævning under bremseoperationer.

Motorstyring

Figuren nedenfor viser en separat opspændt DC-motor styret af en transistorchopper. Transistor Tr slås periodisk til med en periode Tr og forbliver i ledende tilstand i en varighed Ton. De tilsvarende bølgeformer for motorendespændingen og armaturstrømmen er også vist i figuren. Når transistoren er tændt, er motorendespændingen V, og motorens funktion kan beskrives som følger:

Under dette bestemte tidsinterval stiger armaturstrømmen fra ia1 til ia2. Denne fase kaldes arbejdslængden, da motoren er direkte forbundet til kilden i denne periode. Den direkte forbindelse tillader overførsel af elektrisk energi fra kilden til motoren, hvilket giver den mulighed for at generere mekanisk drejningsmoment og rotere.

Når t = ton, deaktiveres transistor Tr. Herefter begynder motorstrømmen at løbe fri gennem dioden Df. Dermed falder spændingen ved motorendene til nul inden for tidsintervallet ton≤t≤T. Dette interval kaldes frikørselsintervallet. Under dette frikørselsinterval dissiperes den lagrede energi i motorens magnetfelt og induktance gennem frikørselsdioden, hvilket bibeholder strømstrømmen i en lukket løkke. Motorens funktion i dette interval kan yderligere analyseres og beskrevet ved at undersøge de elektriske og magnetiske interaktioner mellem kredsløbskomponenterne.

Motorstrømmen falder fra ia2 til ia1 under dette interval. Forholdet mellem arbejdslængden ton og chopperperioden T kaldes arbejdscyklus.

Regenerativ Bremse

Figuren nedenfor viser en chopper konfigureret til regenerativ bremseoperation. Transistor Tr slås cyklisk til med en periode T og en on-periode ton. Ved siden af er bølgeformen for motorendespændingen va og armaturstrømmen ia under kontinuerlige ledningsbetingelser afbildet. For at forbedre induktansværdien La er en ekstern induktor integreret i kredsløbet.

Når transistor Tr slås til, stiger armaturstrømmen ia fra ia1 til ia2. Dette stigende strøm findes, da elektrisk energi midlertidigt lagres i induktoren og motorens magnetfelt, hvilket sætter skub til den efterfølgende energikonverteringsproces, der er karakteristisk for regenerativ bremse.

Når motoren fungerer i regenerativ bremsetilstand, virker den som en generator, der konverterer mekanisk energi til elektrisk energi. En del af denne elektriske energi bidrager til at øge den magnetiske energi, der er lagret i induktansen i armaturets kredsløb. Samtidig dissiperes resten af den elektriske energi som varme i armaturets vindinger og i transistorerne pga. disse komponenters inbyggede modstand.

Når transistoren slukkes, går armaturstrømmen igennem dioden D og kildens spænding V, og falder fra ia2 til ia1. I dette proces feedes både den elektromagnetiske energi, der er lagret i kredsløbet, og den energi, der er genereret af maskinen, tilbage til kilden. Tidsintervallet fra 0 til ton defineres som energilagringsintervallet, hvor energi akkumuleres i systemet. Omvendt kaldes intervallet fra ton til T for arbejdslængden, hvor energioverførsel og systemdrift foregår.

Motor- og Bremsstyring

Under motorfunktion reguleres transistor Tr1 for at forsyne motoren med strøm, så den kan rotere fremad. Omvendt overtager transistor Tr2 kontrol under bremsfunktionen. Overgangen af kontrol fra Tr1 til Tr2 skifter systemets drift seemløst fra motor til bremse, og ved omvendt kontroloverførsel skifter det tilbage til motortilstanden. Denne præcise kontrolmekanisme sikrer effektiv og pålidelig drift af det elektriske antriebsystem under forskellige arbejdssituationer.

Dynamisk Styring

Dynamiske bremsecirkuit samt den tilsvarende bølgeform er afbildet i figuren nedenfor. I tidsintervallet fra 0 til Ton stiger armaturstrømmen ia konstant fra ia1 til ia2. Under denne fase lagres en del af den elektriske energi i induktansen, der fungerer som en reserver for senere operationer. Samtidig dissiperes den resterende energi som varme i armaturetmodstanden Ra og i transistor TR, en nødvendig konsekvens af den elektriske modstand, der findes i disse komponenter.

I tidsintervallet Ton ≤ t ≤ T falder armaturstrømmen ia fra ia2 til ia1. Under denne fase dissiperes både den af motoren genererede energi og den i induktancerne lagrede energi over bremsemodstanden RB, armaturetmodstanden Ra og dioden D. Transistor Tr spiller en afgørende rolle i reguleringen af mængden af energi, der dissiperes i RB. Ved præcis kontrol af Tr's drift kan man effektivt justere den i RB dissiperede effekt, hvilket påvirker den samlede bremsepræstation og den effektive værdi af den dissiperede energi. Denne kontrolmekanisme tillader finjustering af den dynamiske bremseproces, hvilket sikrer optimal energistyring og systemstabilitet.