Control do chopper dun motor CC con excitación separada

O chopper é un dispositivo que converte unha tensión continua (CC) fixa nunha tensión CC variable. Os dispositivos de autoconmutación, como os Transistores de Efecto de Campo de Semiconductores de Óxido Metálico (MOSFETs), Transistores Bipolares de Porta Aislada (IGBTs), transistores de potencia, Tiristores de Apagado por Porta (GTOs) e Tiristores de Conmutación Integrada por Porta (IGCTs), son comúnmente utilizados na construción de choppers. Estes dispositivos poden activarse ou desactivarse directamente mediante unha señal de control de porta usando entradas de baixa potencia e non requiren un circuito de conmutación adicional, o que os fai altamente eficientes e prácticos para aplicacións de choppers.

Os choppers xeralmente funcionan a frecuencias altas. Esta operación de alta frecuencia mellora significativamente o rendemento do motor ao reducir as ondulacións de tensión e corrente e eliminar a conducción discontinua. Unha das vantaxes máis notables do control de chopper é a súa capacidade de permitir o freo regenerativo incluso a velocidades rotativas moi baixas. Esta característica é particularmente valiosa cando o sistema de propulsión está alimentado con unha fonte de tensión CC fixa-baixa, permitindo unha recuperación eficiente da enerxía durante as operacións de frenado.

Control de Motriz

A figura seguinte ilustra un motor DC excitado externamente controlado por un chopper de transistor. O transistor Tr é conmutado periodicamente con un período Tr, permanecendo no estado de conducción durante unha duración Ton. As formas de onda correspondentes da tensión terminal do motor e a corrente do armadura tamén están representadas na figura. Cando o transistor está activado, a tensión terminal do motor é V, e a operación do motor pode describirse do seguinte xeito:

Durante este intervalo específico de tempo, a corrente do armadura aumenta de ia1 a ia2. Esta fase denomínase intervalo de deber, xa que o motor está ligado directamente á fonte de enerxía durante este período. A conexión directa permite que a enerxía eléctrica da fonte sexa transferida ao motor, permitíndolle xerar torque mecánico e rotar.

Cando t = ton, o transistor Tr é desactivado. Posteriormente, a corrente do motor comeza a circular libremente a través do díoide Df. Como resultado, a tensión nos terminais do motor cae a cero dentro do intervalo ton≤t≤T. Este intervalo coñécese como o intervalo de circulación libre. Durante esta fase de circulación libre, a enerxía almacenada no campo magnético do motor e na inductancia disípanse a través do díoide de circulación libre, mantendo o flujo de corrente en un bucle pechado. A operación do motor durante este intervalo pode analizarse e describirse examinando as interaccións eléctricas e magnéticas dentro dos componentes do circuito.

A corrente do motor diminúe de ia2 a ia1 durante este intervalo. A relación entre o intervalo de deber ton e o período do chopper T chámase ciclo de deber.

Freo Regenerativo

A figura seguinte ilustra un chopper configurado para a operación de freo regenerativo. O transistor Tr é conmutado cíclicamente con un período T e un período de activación ton. Ao lado está representada a forma de onda da tensión terminal do motor va e a corrente do armadura ia baixo condicións de conducción continua. Para aumentar o valor de inductancia La, incorporouse un inductor externo ao circuito.

Cando o transistor Tr está activado, a corrente do armadura ia aumenta de ia1 a ia2. Este aumento de corrente ocorre mentres a enerxía eléctrica se almacena temporalmente no inductor e no campo magnético do motor, establecendo o escenario para o posterior proceso de conversión de enerxía que é característico do freo regenerativo.

Cando o motor funciona no modo de freo regenerativo, actúa como un xerador, convirtendo a enerxía mecánica en enerxía eléctrica. Unha parte desta enerxía eléctrica contribúe a aumentar a enerxía magnética almacenada na inductancia do circuito do armadura. Entretanto, a enerxía eléctrica restante disípanse como calor nos enrolamentos do armadura e nos transistores, debido á resistencia intrínseca destes componentes.

Cando o transistor está desactivado, a corrente do armadura atravésase polo díoide D e a fonte de enerxía V, diminuíndo de ia2 a ia1. Neste proceso, tanto a enerxía electromagnética almacenada no circuito como a enerxía xerada pola máquina son devoltas á fonte de enerxía. O intervalo de tempo desde 0 a ton denomínase intervalo de almacenamento de enerxía, durante o cal a enerxía acumúlase no sistema. Por contra, o intervalo de ton a T denomínase intervalo de deber, cando se produce a transferencia de enerxía e a operación do sistema.

Control de Operación de Motriz e Freo

Durante a operación de motriz, o transistor Tr1 está regulado para suministrar enerxía ao motor, permitíndolle rotar cara adiante. Por contra, para a operación de freo, o transistor Tr2 toma o control. A transición de control de Tr1 a Tr2 cambia sinxelamente a operación do sistema de motriz a freo, e revertir esta transferencia de control o volve a cambiar ao estado de motriz. Este mecanismo de control preciso asegura unha operación eficiente e fiable do sistema de propulsión eléctrica baixo diferentes condicións de traballo.

Control Dinámico

O circuito de freo dinámico, xunto coa súa forma de onda correspondente, está representado na figura seguinte. No intervalo de tempo de 0 a Ton, a corrente do armadura ia aumenta gradualmente de ia1 a ia2. Durante esta fase, unha parte da enerxía eléctrica almacénase na inductancia, actuando como un reservorio para operacións posteriores. Simultaneamente, a enerxía restante disípanse como calor na resistencia do armadura Ra e no transistor TR, unha consecuencia necesaria da resistencia eléctrica presente nestes componentes.

No intervalo de tempo Ton ≤ t ≤ T, a corrente do armadura ia diminúe de ia2 a ia1. Durante esta fase, tanto a enerxía xerada polo motor como a enerxía almacenada nas inductancias disípanse a través da resistencia de freo RB, a resistencia do armadura Ra e o díoide D. O transistor Tr xoga un papel fundamental no rexulamento da cantidade de enerxía disipada en RB. Mediante o control preciso da operación de Tr, pódese modular eficazmente a potencia disipada en RB, influindo así no rendemento global do freo e no valor efectivo da enerxía disipada. Este mecanismo de control permite un afinado do proceso de freo dinámico, asegurando unha xestión óptima da enerxía e a estabilidade do sistema.