Erillisen jännitteellä kytkettyyn suoravirtakoneeseen liittyvä säädön leikkaus

Chopper on laite, joka muuntaa vakion jännitteen (DC) muuttuvaksi DC-jännitteeksi. Itsekommutoidut laitteet, kuten Metallioksidi-semiconductor-kenttävaikutuskytkimet (MOSFETs), Erillistaitapuolipolaritraistit (IGBTs), tehokentät, Portti-kuittityristorit (GTOs) ja Integroitu porttikommutoidut tyyristorit (IGCTs), ovat yleisiä chopperien rakentamisessa. Nämä laitteet voidaan kytkiä päälle tai pois suoraan porttihallintasignaalilla käyttäen pienvoimaisia syötteitä eivätkä vaadi lisäkommutointipiiriä, mikä tekee niistä erittäin tehokkaita ja käytännöllisiä chopperisovelluksiin.

Chopperit toimivat yleensä korkeissa taajuuksissa. Tämä korkeatajuinen toiminta parantaa merkittävästi moottorin suorituskykyä vähentämällä jännite- ja virran heilahteluja ja poistamalla epäjatkuva johtavuus. Yksi chopperihallinnan huomattavimmista etuista on sen kyky mahdollistaa regeneratiivinen jarrutus jopa hyvin alhaisissa kiertotaukoissa. Tämä ominaisuus on erityisen arvokas, kun ajosysteemi on varustettu vakio-alhaaseen DC-jännitteeseen, mikä mahdollistaa tehokkaan energian palauttamisen jarrutusaikana.

Moottorihallinta

Alla oleva kuva havainnollistaa transistorichopperilla ohjattua erillisesti jännitettyä DC-moottoria. Transistor Tr kytketään päälle ja pois ajoittain jakson Tr, ollessaan johtavassa tilassa kestolla Ton. Moottorin terminaalijänniten ja armatuurivirran vastaavat aaltomuodot on myös kuvattu alla. Kun transistor on päällä, moottorin terminaalijännite on V, ja moottorin toiminta voidaan kuvata seuraavasti:

Tässä tietyssä ajanjaksona armatuuri virta kasvaa ia1:stä ia2:een. Tätä vaihetta kutsutaan velvoitteenaikaksi, koska moottori on suoraan yhdistetty voimalähdeksi tämän ajanjakson aikana. Suora yhteys sallii sähköisen energian siirtymisen lähteestä moottoriin, mikä mahdollistaa mekaanisen liikemäärän ja pyörimisen luomisen.

Kun t = ton, transistor Tr deaktivoituu. Sitten moottorin virta alkaa kulkea diodi Df:n kautta. Tämän seurauksena moottorin terminaalijännite laskee nollaan ajanjakson ton≤t≤T aikana. Tätä aikajaksoa kutsutaan vapavirta-aikaksi. Tässä vapavirtavaiheessa moottorin magneettikentässä ja induktiossa varastoitua energiaa levitetään vapavirtadiodin kautta, ylläpitäen virran kierron. Moottorin toiminta tällä aikavälillä voidaan edelle analysoida ja kuvata tutkimalla sähköisten ja magneettisten vuorovaikutusten piirikonponenttien sisällä.

Moottorin virta laskee ia2:stä ia1:een tässä aikavälissä. Velvoitteenaika ton ja chopperin jakso T suhde kutsutaan velvoitteeksiksi.

Regeneratiivinen jarrutus

Alla oleva kuva havainnollistaa chopperin, joka on määritetty regeneratiiviseen jarrutustoimintaan. Transistor Tr kytketään päälle ja pois ajoittain jakson T ja päällä olevan ajan ton. Kuvattuna on myös moottorin terminaalijänniten va ja armatuurivirta ia jatkuvan johtavuuden olosuhteissa. Induktiansarve La:n arvon parantamiseksi ulkopuolinen induktori on integroitu piiriin.

Kun transistor Tr kytketään päälle, armatuuri virta ia kasvaa ia1:stä ia2:een. Tämä virta kasvaa, kun sähköinen energia tallennetaan väliaikaisesti induktorissa ja moottorin magneettikentässä, asettamalla pohjan regeneratiiviselle jarrutukselle.

Kun moottori toimii regeneratiivisessa jarrutustilassa, se toimii generaattorina, muuntaen mekaanista energiaa sähköiseksi energiaksi. Osa tästä sähköisestä energiasta lisää magneettista energiaa, joka on tallennettu armatuuri-piirin induktansissa. Samalla osa sähköisestä energiasta hukataan lämpönä armatuuri-pituissa ja transistoreissa, joista johtuen näiden komponenttien omia vastuksia.

Kun transistor kytketään pois, armatuuri virta kulkee diodi D:n ja voimanlähteen V:n kautta, vähenevän ia2:stä ia1:een. Tässä prosessissa sekä piirissä varastoitun elektromagneettinen energia että koneen tuottama energia palautetaan voimanlähdeksi. Ajanjakso 0:sta ton:een määritellään energian varastointiaikaksi, jolloin energia kertyy järjestelmään. Vastavuoroisesti ajanjakso ton:esta T:hen kutsutaan velvoitteenaikaksi, jolloin energian siirto ja järjestelmän toiminta tapahtuvat.

Moottorin ja jarrutustoiminnan hallinta

Moottorin toiminnassa transistor Tr1 säädellään tarjoamaan voima moottorille, jotta se voi kiertää eteenpäin. Vastavuoroisesti jarrutustoiminnassa transistor Tr2 ottaa kontrollin haltuunsa. Kontrollin siirtyminen Tr1:stä Tr2:lle siirtää järjestelmän toimintaa moottoritoiminnasta jarrutukseen, ja tämän kontrollisiirron kääntäminen siirtää järjestelmän takaisin moottoritoimintaan. Tämä tarkka hallintamekanismi varmistaa tehokkaan ja luotettavan sähköisen ajosysteemin toiminnan eri työoloissa.

Dynaaminen hallinta

Dynaaminen jarrutuspiiri ja sen vastaava aaltomuoto on kuvattu alla. Ajanjakson 0:sta Ton:een armatuuri virta ia noussee tasaisesti ia1:stä ia2:een. Tässä vaiheessa osa sähköisestä energiasta tallennetaan induktanssiin, toimien varastona myöhemmille toiminnoille. Samalla osa energiaa hukataan lämpönä armatuuri-resistanssissa Ra ja transistorissa TR, mikä on välttämätön seuraus näiden komponenttien sähköisestä vastusta.

Ajanjakson Ton ≤ t ≤ T aikana armatuuri virta ia laskee ia2:stä ia1:een. Tässä vaiheessa molemmat moottorin tuottama energia ja induktanssissa varastoitun energia hukataan jarrutusresistanssissa RB, armatuuri-resistanssissa Ra ja diodissa D. Transistor Tr on keskeisessä roolissa RB:ssä hukattavan energiamäärän säätämisessä. Tarkasti säätämällä Tr:n toimintaa voidaan tehokkaasti moduloida RB:ssä hukattavaa energiaa, vaikuttaen siten yleiseen jarrutussuorituskykyyn ja hukatun energian tehokkaaseen arvoon. Tämä hallintamekanismi mahdollistaa dynaamisen jarrutusprosessin tarkkojen säätelyn, varmistamalla optimaalisen energiahallinnan ja järjestelmän vakauden.