کنترل چاپر موتور الکتریکی مستقل تحریک شده

چاپر دستگاهی است که ولتاژ مستقیم (DC) ثابت را به ولتاژ DC متغیر تبدیل می‌کند. از دستگاه‌های خودکمونوتوری مانند ترانزیستورهای میدان اثر مسیحی (MOSFET)، ترانزیستورهای دو قطبی با گیت عایق (IGBT)، ترانزیستورهای قدرت، تایریستورهای قطع شونده با گیت (GTO) و تایریستورهای کمونوتوری شونده با گیت مجتمع (IGCT) در ساخت چاپرها معمولاً استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها می‌توانند مستقیماً با سیگنال کنترل گیت با ورودی‌های با توان پایین روشن یا خاموش شوند و نیازی به مدار کمونوتوری اضافی ندارند، که آن‌ها را برای کاربردهای چاپر بسیار کارآمد و عملی می‌کند.

چاپرهای معمولاً در فرکانس‌های بالا عمل می‌کنند. این عملکرد با فرکانس بالا عملکرد موتور را به طور قابل توجهی با کاهش نوسانات ولتاژ و جریان و حذف هدایت ناپیوسته افزایش می‌دهد. یکی از مزایای برجسته کنترل چاپر، توانایی فراهم کردن ترمز بازیابی حتی در سرعت‌های چرخشی بسیار پایین است. این ویژگی به ویژه زمانی ارزشمند است که سیستم گیربکار با منبع ولتاژ DC ثابت به پایین تغذیه می‌شود، که اجازه بازیابی موثر انرژی در عملیات ترمز را می‌دهد.

کنترل موتور

شکل زیر یک موتور DC جداگانه تحریک شده کنترل شده توسط چاپر ترانزیستوری را نشان می‌دهد. ترانزیستور Tr با دوره T به صورت دوره‌ای تغییر وضعیت می‌دهد و در حالت هادی برای مدت Ton باقی می‌ماند. نمودارهای متناظر ولتاژ پایانه موتور و جریان آرماتور نیز در شکل نشان داده شده است. هنگامی که ترانزیستور روشن است، ولتاژ پایانه موتور V است و عملکرد موتور به شرح زیر است:

در این بازه زمانی خاص، جریان آرماتور از ia1 به ia2 افزایش می‌یابد. این مرحله به عنوان بازه وظیفه شناخته می‌شود، زیرا موتور در این بازه مستقیماً به منبع تغذیه متصل می‌شود. اتصال مستقیم اجازه می‌دهد تا انرژی الکتریکی از منبع به موتور منتقل شود و این امر به موتور اجازه می‌دهد تا گشتاور مکانیکی تولید کند و چرخیده شود.

هنگامی که t = ton است، ترانزیستور Tr غیرفعال می‌شود. در نتیجه، جریان موتور شروع به چرخش آزاد از طریق دیود Df می‌کند. بنابراین، ولتاژ در پایانه‌های موتور در بازه زمانی ton≤t≤T به صفر کاهش می‌یابد. این بازه به عنوان بازه چرخش آزاد شناخته می‌شود. در این بازه چرخش آزاد، انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی و القایی موتور از طریق دیود چرخش آزاد تلف می‌شود و جریان در حلقه بسته حفظ می‌شود. عملکرد موتور در این بازه می‌تواند با تجزیه و تحلیل تعاملات الکتریکی و مغناطیسی در مولفه‌های مداری بیشتر توصیف شود.

جریان موتور در این بازه از ia2 به ia1 کاهش می‌یابد. نسبت بازه وظیفه ton به دوره چاپر T به عنوان دوره وظیفه شناخته می‌شود.

ترمز بازیابی

شکل زیر یک چاپر که برای عملکرد ترمز بازیابی تنظیم شده است را نشان می‌دهد. ترانزیستور Tr با دوره T و بازه روشن ton به صورت دوره‌ای تغییر وضعیت می‌دهد. نمودار متناظر ولتاژ پایانه موتور va و جریان آرماتور ia در شرایط هدایت پیوسته نیز در کنار آن نشان داده شده است. برای افزایش مقدار القایی La، یک القایی خارجی به مدار اضافه شده است.

هنگامی که ترانزیستور Tr روشن می‌شود، جریان آرماتور ia از ia1 به ia2 افزایش می‌یابد. این افزایش جریان زمانی رخ می‌دهد که انرژی الکتریکی به طور موقت در القایی و میدان مغناطیسی موتور ذخیره می‌شود و صحنه را برای فرآیند بعدی تبدیل انرژی که مشخصه ترمز بازیابی است تنظیم می‌کند.

هنگامی که موتور در حالت ترمز بازیابی عمل می‌کند، به عنوان یک ژنراتور عمل می‌کند و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. بخشی از این انرژی الکتریکی به افزایش انرژی مغناطیسی ذخیره شده در القایی مدار آرماتور می‌پردازد. در حالی که بقیه انرژی الکتریکی به دلیل مقاومت ذاتی این مولفه‌ها به عنوان گرما در پیچه‌های آرماتور و ترانزیستورها تلف می‌شود.

هنگامی که ترانزیستور خاموش می‌شود، جریان آرماتور از طریق دیود D و منبع تغذیه V حرکت می‌کند و از ia2 به ia1 کاهش می‌یابد. در این فرآیند، هم انرژی الکترومغناطیسی ذخیره شده در مدار و هم انرژی تولید شده توسط ماشین به منبع تغذیه بازگردانده می‌شود. بازه زمانی از 0 تا ton به عنوان بازه ذخیره‌سازی انرژی تعریف می‌شود، در این بازه انرژی در سیستم تجمع می‌یابد. به طور متقابل، بازه از ton تا T به عنوان بازه وظیفه شناخته می‌شود، زمانی که انتقال انرژی و عملکرد سیستم رخ می‌دهد.

کنترل عملیات موتور و ترمز

در حین عملیات موتور، ترانزیستور Tr1 تنظیم می‌شود تا انرژی به موتور تامین کند و این امر به موتور اجازه می‌دهد تا به جلو چرخد. به طور متقابل، برای عملیات ترمز، ترانزیستور Tr2 کنترل را به دست می‌گیرد. انتقال کنترل از Tr1 به Tr2 به صورت پیوسته عملیات سیستم را از موتور به ترمز تغییر می‌دهد و معکوس کردن این انتقال کنترل آن را به حالت موتور بازمی‌گرداند. این مکانیسم کنترل دقیق اطمینان می‌دهد که سیستم گیربکار الکتریکی به طور کارآمد و قابل اعتماد تحت شرایط مختلف کاری عمل می‌کند.

کنترل پویا

مدار ترمز پویا به همراه نمودار موج متناظرش در شکل زیر نشان داده شده است. در بازه زمانی از 0 تا Ton، جریان آرماتور ia به طور مداوم از ia1 به ia2 افزایش می‌یابد. در این مرحله، بخشی از انرژی الکتریکی در القایی ذخیره می‌شود و به عنوان مخزن برای عملیات بعدی عمل می‌کند. همزمان، بقیه انرژی به عنوان گرما در مقاومت آرماتور Ra و ترانزیستور TR تلف می‌شود، که این یک نتیجه ضروری مقاومت الکتریکی موجود در این مولفه‌ها است.

در بازه زمانی Ton ≤ t ≤ T جریان آرماتور ia از ia2 به ia1 کاهش می‌یابد. در این مرحله، هم انرژی تولید شده توسط موتور و هم انرژی ذخیره شده در القایی‌ها در مقاومت ترمز RB، مقاومت آرماتور Ra و دیود D تلف می‌شود. ترانزیستور Tr نقش مهمی در تنظیم مقدار انرژی تلف شده در RB دارد. با کنترل دقیق عملکرد Tr، می‌توان مقدار انرژی تلف شده در RB را مؤثرانه تنظیم کرد و در نتیجه عملکرد کلی ترمز و مقدار مؤثر انرژی تلف شده را تحت تأثیر قرار داد. این مکانیسم کنترل اجازه تنظیم دقیق فرآیند ترمز پویا را می‌دهد و مدیریت بهینه انرژی و پایداری سیستم را تضمین می‌کند.