שליטה בקוטר מנוע DC עם עידוד נפרד

צ'ופר הוא מכשיר הממיר מתח ישר קבוע (DC) למתח DC משתנה. התקנים עצמאיים-הפעלה, כגון טרנזיסטורים שדה אפקט מתכת חצי מוליכים (MOSFETs), טרנזיסטורי שער מבודד דו-קוטבי (IGBTs), טרנזיסטורים כוח, תריסטורים מופסקים על ידי השער (GTOs) ותריסטורים מופסקים על ידי השער משולבים (IGCTs), נמצאים בשימוש נפוץ בבניית צ'ופרים. ניתן להפעיל את התקנים הללו ישירות באמצעות אות שליטה בשער באמצעות קלט נמוך עוצמה ואין צורך במעגל הפעלה נוסף, מה שהופך אותם ליעילים מאוד ומעשיים ליישומי צ'ופרים.

צ'ופרים בדרך כלל פועלים בתדרים גבוהים. פעילות בתדר גבוה זה מגבירה באופן משמעותי את ביצועי המנוע על ידי הפחתת הרפרפות במתח והזרם והסרת התנהגות ההובלה המתמשכת. אחת מיתרונותיו הבולטים של שליטת הצ'ופר היא יכולתו לאפשר בלימה регенеративную даже при очень низких скоростях вращения. Эта особенность особенно ценна, когда система привода питается от источника постоянного напряжения с фиксированным до низкого значением, что позволяет эффективно восстанавливать энергию во время торможения.

שליטה במנוע

האיור שלהלן מדגים מנוע DC בנפרד ממריץ בשליטה בצ'ופר טרנזיסטור. הטרנזיסטור Tr מופעל באופן מחזורי עם תקופה Tr, ומישאר במצב מוליך למשך זמן Ton. גם הצורות המתאימות של מתח הסוף של המנוע והזרם הארמור הם מוצגים באיור. כשהטרנזיסטור מופעל, מתח הסוף של המנוע הוא V, והפעולה של המנוע יכולה לתואר כך:

בפרק הזמן הספציפי הזה, זרם הארמור עולה מ-ia1 ל-ia2. שלב זה מכונה פרק הזמן החובה, שכן במהלך פרק הזמן הזה המנוע מקושר ישירות למקור החשמל. הקשר הישיר מאפשר העברת אנרגיה חשמלית מהמקור למכנה, מה שמאפשר לו לייצר מומנט מכני ולהסתובב.

כאשר t = ton, הטרנזיסטור Tr מושבת. בעקבות כך, זרם המנוע מתחיל לזרום דרך הדיאוד Df. כתוצאה מכך, מתח הסוף של המנוע יורד לאפס בפרק הזמן ton≤t≤T. פרק זמן זה מכונה פרק הזמן החופשיות. במהלך פרק הזמן החופשיות, האנרגיה המאוחסנת בשדה המגנטי והאינדוקטיביות של המנוע מתפוגגת דרך הדיאוד החופשיות, תוך שמירה על זרימת הזרם בלולאה סגורה. ניתן לנתח ולתאר את פעולת המנוע במהלך פרק הזמן הזה על ידי בחינת האינטראקציות החשמליות והמגנטיות בין רכיבי המעגל.

זרם המנוע יורד מ-ia2 ל-ia1 במהלך פרק הזמן הזה. היחס בין פרק הזמן החובה ton לתקופת הצ'ופר T נקרא מחזור עבודה.

בלימה רגנרטיבית

האיור שלהלן מדגים צ'ופר המוגדר לפעילות בלימה רגנרטיבית. הטרנזיסטור Tr מופעל באופן מחזורי עם תקופה T וזמן פעולה on של ton. מציגים לצד זה את הצורה של מתח הסוף של המנוע va והזרם הארמור ia בתנאי הובלה מתמשכים. כדי לשפר את ערך האינדוקטיביות La, מוסף מעגל אינדקטור חיצוני למעגל.

כאשר הטרנזיסטור Tr מופעל, זרם הארמור ia עולה מ-ia1 ל-ia2. עלייה זו בזרם מתרחשת כאשר אנרגיה חשמלית מאוחסנת באופן זמני באינדקטור ובשדה המגנטי של המנוע, מה שמתכונן להליך ההמרה של האנרגיה המאפיין את הבלימה הרגנרטיבית.

כאשר המנוע פועל במצב בלימה רגנרטיבית, הוא פועל כגנרטור, הממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. חלק מהאנרגיה החשמלית הזו תורמת להגדלת האנרגיה המגנטית המאוחסנת בתוך האינדוקטיביות של מעגל הארמור. בינתיים, השאר מהאנרגיה החשמלית מתפוגגת כחום בתוך הסלילים הארמור והטרנזיסטורים, בשל ההתנגדות הטבועה ברכיבים אלה.

כאשר הטרנזיסטור מושבת, זרם הארמור עובר דרך הדיאוד D ואת מקור החשמל V, ויורד מ-ia2 ל-ia1. בתהליך זה, הן האנרגיה האלקטרומגנטית המאוחסנת במעגל והן האנרגיה שנוצרה על ידי המכשיר מוזנות חזרה למקור החשמל. פרק הזמן מה-0 עד ton מוגדר כפרק הזמן אחסון האנרגיה, בו האנרגיה מצטברת במערכת. לעומת זאת, פרק הזמן מ-ton עד T מכונה פרק הזמן החובה, שבו מתרחש העברת אנרגיה ופעולת המערכת.

שליטה בפעולת המנוע והבלימה

במהלך פעולת המנוע, הטרנזיסטור Tr1 מתואם לספק חשמל למכנה, המאפשר לו לסובב קדימה. לעומת זאת, עבור פעולת הבלימה, הטרנזיסטור Tr2 לוקח את השליטה. המעבר בשליטה מ-Tr1 ל-Tr2 משנה חלקה את פעולת המערכת מפעולת מנוע לבלימה, וההפך מהמעבר הזה משנה אותה חזרה לפעילות המנוע. מנגנון השליטה המדויק הזה מבטיח פעולה יעילה ונאמנה של מערכת הנעה חשמלית בתנאים שונים של עבודה.

שליטה דינמית

המעגל הבלימה הדינמית, יחד עם הצורה המתאימה, מוצג באיור שלהלן. בפרק הזמן מה-0 ועד Ton, זרם הארמור ia עולה בהדרגה מ-ia1 ל-ia2. במהלך שלב זה, חלק מהאנרגיה החשמלית מאוחסנת באינדוקטיביות, ושימשה כמאגר עבור פעילויות עתידיות. באותו הזמן, השאר מהאנרגיה מתפוגגת כחום בתוך ההתנגדות הארמור Ra והטרנזיסטור TR, כתוצאה של ההתנגדות החשמלית הקיימת ברכיבים אלה.

בפרק הזמן Ton ≤ t ≤ T, זרם הארמור ia יורד מ-ia2 ל-ia1. במהלך שלב זה, הן האנרגיה שנוצרה על ידי המנוע והן האנרגיה המאוחסנת באינדוקטיביות מתפוגגות על פני ההתנגדות הבלימה RB, ההתנגדות הארמור Ra והדיאוד D. הטרנזיסטור Tr משחק תפקיד מרכזי בוויסות הכמות של האנרגיה המתפוגגת ב-RB. על ידי שליטה מדויקת בפעולת Tr, ניתן לכוונן בצורה יעילה את הכמות של האנרגיה המתפוגגת ב-RB, מה שמגביר את ביצועי הבלימה והערך האפקטיבי של האנרגיה המתפוגגת. מנגנון שליטה זה מאפשר כוונון מדויק של תהליך הבלימה הדינמית, ומבטיח ניהול אנרגיה אופטימלי יציבות מערכת.