Control de Chopper de Motor DC con Excitación Separada

Un chopper es un dispositivo que convierte un voltaje directo (DC) fijo en un voltaje DC variable. Los dispositivos de autoconmutación, como los transistores de efecto de campo de óxido metálico (MOSFET), los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), los transistores de potencia, los tiristores de apagado por puerta (GTO) y los tiristores de conmutación por puerta integrados (IGCT), se utilizan comúnmente en la construcción de choppers. Estos dispositivos pueden encenderse o apagarse directamente mediante una señal de control de puerta utilizando entradas de baja potencia y no requieren un circuito de conmutación adicional, lo que los hace altamente eficientes y prácticos para aplicaciones de chopper.

Los choppers suelen operar a frecuencias altas. Esta operación de alta frecuencia mejora significativamente el rendimiento del motor al reducir las ondulaciones de voltaje y corriente y eliminar la conducción discontinua. Una de las ventajas más notables del control de chopper es su capacidad para permitir el frenado regenerativo incluso a velocidades de rotación muy bajas. Esta característica es particularmente valiosa cuando el sistema de accionamiento se alimenta con una fuente de voltaje DC fijo-bajo, permitiendo una recuperación eficiente de energía durante las operaciones de frenado.

Control de Motriz

La figura siguiente ilustra un motor DC excitado separadamente controlado por un chopper de transistores. El transistor Tr se conmuta periódicamente con un período Tr, permaneciendo en estado de conducción durante una duración Ton. Las formas de onda correspondientes del voltaje en los terminales del motor y la corriente del armadura también se muestran en la figura. Cuando el transistor está encendido, el voltaje en los terminales del motor es V, y la operación del motor se puede describir de la siguiente manera:

Durante este intervalo de tiempo específico, la corriente del armadura aumenta de ia1 a ia2. Esta fase se denomina intervalo de trabajo, ya que el motor está conectado directamente a la fuente de alimentación durante este período. La conexión directa permite que la energía eléctrica de la fuente se transfiera al motor, permitiéndole generar par mecánico y girar.

Cuando t = ton, el transistor Tr se desactiva. Posteriormente, la corriente del motor comienza a circular libremente a través del diodo Df. Como resultado, el voltaje en los terminales del motor cae a cero dentro del intervalo de tiempo ton≤t≤T. Este intervalo se conoce como el intervalo de circulación libre. Durante esta fase de circulación libre, la energía almacenada en el campo magnético del motor e inductancia se disipa a través del diodo de circulación libre, manteniendo el flujo de corriente en un bucle cerrado. La operación del motor durante este intervalo se puede analizar y describir más a fondo examinando las interacciones eléctricas y magnéticas dentro de los componentes del circuito.

La corriente del motor disminuye de ia2 a ia1 durante este intervalo. La relación entre el intervalo de trabajo ton y el período del chopper T se llama ciclo de trabajo.

Frenado Regenerativo

La figura siguiente ilustra un chopper configurado para la operación de frenado regenerativo. El transistor Tr se conmuta cíclicamente con un período T y un período de encendido ton. Se muestra junto a esto la forma de onda del voltaje en los terminales del motor va y la corriente del armadura ia bajo condiciones de conducción continua. Para mejorar el valor de inductancia La, se incorpora un inductor externo al circuito.

Cuando el transistor Tr se enciende, la corriente del armadura ia aumenta de ia1 a ia2. Este aumento de corriente ocurre mientras la energía eléctrica se almacena temporalmente en el inductor y en el campo magnético del motor, preparando el escenario para el posterior proceso de conversión de energía que es característico del frenado regenerativo.

Cuando el motor opera en modo de frenado regenerativo, funciona como un generador, convirtiendo energía mecánica en energía eléctrica. Una parte de esta energía eléctrica contribuye a aumentar la energía magnética almacenada en la inductancia del circuito del armadura. Mientras tanto, la energía eléctrica restante se disipa como calor en los devanados del armadura y los transistores, debido a la resistencia inherente de estos componentes.

Cuando el transistor se apaga, la corriente del armadura atraviesa el diodo D y la fuente de alimentación V, disminuyendo de ia2 a ia1. En este proceso, tanto la energía electromagnética almacenada en el circuito como la energía generada por la máquina se retroalimentan a la fuente de alimentación. El intervalo de tiempo desde 0 hasta ton se define como el intervalo de almacenamiento de energía, durante el cual la energía se acumula en el sistema. Por otro lado, el intervalo desde ton hasta T se conoce como el intervalo de trabajo, cuando se produce la transferencia de energía y la operación del sistema.

Control de Operación de Motriz y Frenado

Durante la operación de motriz, el transistor Tr1 se regula para suministrar energía al motor, permitiéndole girar hacia adelante. Por el contrario, para la operación de frenado, el transistor Tr2 toma el control. La transición de control de Tr1 a Tr2 cambia sin problemas la operación del sistema de motriz a frenado, y revertir esta transferencia de control lo vuelve a cambiar a la condición de motriz. Este mecanismo de control preciso asegura una operación eficiente y confiable del sistema de accionamiento eléctrico en diferentes condiciones de trabajo.

Control Dinámico

El circuito de frenado dinámico, junto con su forma de onda correspondiente, se muestra en la figura siguiente. En el intervalo de tiempo de 0 a Ton, la corriente del armadura ia aumenta gradualmente de ia1 a ia2. Durante esta fase, una parte de la energía eléctrica se almacena en la inductancia, sirviendo como un reservorio para operaciones posteriores. Simultáneamente, la energía restante se disipa como calor en la resistencia del armadura Ra y el transistor TR, una consecuencia necesaria de la resistencia eléctrica presente en estos componentes.

Durante el intervalo de tiempo Ton ≤ t ≤ T, la corriente del armadura ia disminuye de ia2 a ia1. En esta fase, tanto la energía generada por el motor como la energía almacenada en las inductancias se disipan a través de la resistencia de frenado RB, la resistencia del armadura Ra y el diodo D. El transistor Tr juega un papel crucial en la regulación de la cantidad de energía disipada en RB. Al controlar precisamente la operación de Tr, se puede modular eficazmente la potencia disipada en RB, influyendo así en el rendimiento general del frenado y en el valor efectivo de la energía disipada. Este mecanismo de control permite ajustar finamente el proceso de frenado dinámico, garantizando una gestión óptima de la energía y la estabilidad del sistema.