Egységesen felkobzott DC-motor vágószabályozása

A vágó egy eszköz, amely rögzített egyirányú (DC) feszültséget átalakít változó DC feszültséggé. A vágók építésében gyakran használnak önfelhasználási eszközöket, mint például a Metál-Oxid-Szemiconductor Mezőhatású Tranzisztorok (MOSFET-ek), az Izolált Kapukkal Rendelkező Bipoláris Tranzisztorok (IGBT-k), a hatalmi tranzisztorok, a Kapukon Feloldott Tirostornyok (GTO-k) és az Integrált Kapu-Feloldással Rendelkező Tirostornyok (IGCT-k). Ezek az eszközök közvetlenül kapcsolhatók be vagy ki alacsony teljesítményű bemenetekkel, és nem igényelnek további felhasználási körbe, ami nagyon hatékony és praktikus a vágó alkalmazásai számára.

A vágók általában magas frekvencián működnek. Ez a magasfrekvenciás működés jelentősen javítja a motor teljesítményét, csökkentve a feszültség- és áramerőtlenségeket, valamint megszüntetve a folytonos vezetést. A vágóvezérlés egyik legjelentősebb előnye, hogy regeneratív fékezést tesz lehetővé még nagyon alacsony fordulatszámoknál is. Ez a funkció különösen értékes, ha a meghajtó rendszerhez rögzített vagy alacsony DC feszültségű forrás csatlakoztatva van, lehetővé téve a hatékony energia-hozzáértést a fékezés során.

Motorvezérlés

Az alábbi ábra egy különlegesen felvidított DC motort mutat, amit tranzisztorral vágó vezérli. A tranzisztor Tr időszakosan kapcsolódik, periódusa Tr, a vezető állapotban marad egy Ton időtartama alatt. A motor terminál feszültségének és az armatúr áramának megfelelő hullámformái is láthatók az ábrán. Amikor a tranzisztor be van kapcsolva, a motor terminál feszültsége V, és a motor működése így leírható:

Ezen adott időszak alatt az armatúr áram növekszik ia1-ről ia2-re. Ez a fázis a kötelezettségi intervallumnak nevezik, mivel ebben az időszakban a motor közvetlenül csatlakozik a forráshoz. A közvetlen kapcsolat lehetővé teszi, hogy az elektromos energia a forrásból átmenjen a motorba, engedélyezve, hogy mechanikai nyomatékot generáljon és forogjon.

Amikor t = ton, a tranzisztor Tr kikapcsolódik. Ezt követően a motoráram kezd szabadfordulni a Df diódon keresztül. Ennek eredményeképpen a motor terminál feszültsége nullára csökken a ton≤t≤T időintervallumban. Ez az intervallum a szabadfordulási intervallumnak nevezik. Ebben a szabadfordulási fázisban a motor mágneses mezőjében és induktivitásában tárolt energia disszipálódik a szabadfordulási diód keresztül, fenntartva az áram zárt körben való folyamát. A motor működését ebben az intervallumban tovább vizsgálhatjuk és leírhatjuk, figyelembe véve a kör komponenseinek elektromos és mágneses interakcióit.

A motoráram csökken ia2-ről ia1-re ebben az intervallumban. A kötelezettségi intervallum ton és a vágó periódusa T arányát kötelezettségi ciklusnak nevezik.

Regeneratív fékezés

Az alábbi ábra egy regeneratív fékezésre konfigurált vágót mutat. A tranzisztor Tr időszakosan kapcsolódik periódussal T és bekapcsolt idővel ton. Az ábrán látható a motor terminál feszültségének va és az armatúr áramának ia hullámforma folytonos vezetési feltételek mellett. Az induktív érték La növeléséhez egy külső induktort építettek be a körbe.

Amikor a tranzisztor Tr bekapcsolódik, az armatúr áram ia növekszik ia1-ről ia2-re. Ez az áramnövekedés akkor történik, amikor az elektromos energia ideiglenesen tárolódik az induktorban és a motor mágneses mezőjében, előkészítve a regeneratív fékezés jellemző energiatranszformációs folyamatát.

Amikor a motor regeneratív fékezési módban működik, generátorként viselkedik, mechanikai energiát elektromos energiává alakít. Ennek elektromos energiának egy része hozzájárul a motor armatúr körének induktivitásában tárolt mágneses energiának növekedéséhez. Ugyanakkor a maradék elektromos energia hő formájában diszzipálódik az armatúr tekercsekben és a tranzisztorokban, ezek komponenseinek belső ellenállása miatt.

Amikor a tranzisztor kikapcsolódik, az armatúr áram áthalad a D dión és a V forrás keresztül, csökkenve ia2-ről ia1-re. Ebben a folyamatban a körben tárolt elektromágneses energia és a gép által generált energia visszahelyeződik a forrásba. A 0-tól ton-ig tartó időintervallumot energiatároló intervallumnak nevezik, míg a ton-tól T-ig tartó intervallum a kötelezettségi intervallumnak, amikor történik az energiaátadás és a rendszer működése.

Motor- és fékezési működés vezérlése

A motor működése során a tranzisztor Tr1 szabályozza, hogy energia jutjon a motorhoz, lehetővé téve a fordulást. Ellenben a fékezési működés során a tranzisztor Tr2 veszi át a vezérlést. A Tr1-től Tr2-ig történő vezérlés átadása simán váltja a rendszer működését a motorizálásról a fékezésre, és ennek megfordítása visszaváltja a motorizálási állapotba. Ez a pontos vezérlési mechanizmus biztosítja a különböző munkafeltételek közötti elektrikus meghajtórendszer hatékony és megbízható működését.

Dinamikus vezérlés

A dinamikus fékező kör és a hozzá tartozó hullámforma látható az alábbi ábrán. A 0-tól Ton-ig tartó időintervallumban az armatúr áram ia folyamatosan növekszik ia1-ről ia2-re. Ebben a fázisban az elektromos energia egy része tárolódik az induktivitásban, későbbi műveletek számára. Ugyanakkor a maradék energia hő formájában diszzipálódik az armatúr ellenállás Ra és a tranzisztor TR-ben, ami az elektromos ellenállás természetes következménye ezekben a komponensekben.

A Ton≤t≤T időintervallumban az armatúr áram ia csökken ia2-ről ia1-re. Ebben a fázisban a motor által generált energia és a tárolt induktív energiák a fékező ellenállás RB, az armatúr ellenállás Ra és a D dió keresztül diszzipálódnak. A tranzisztor Tr kulcsszerepet játszik az RB-ben diszzipált energia mennyiségének szabályozásában. A Tr működésének pontos szabályozásával hatékonyan modulálható a RB-ben diszzipált energia, befolyásolva így a fékezési teljesítményt és a diszzipált energia hatásos értékét. Ez a szabályozási mechanizmus lehetővé teszi a dinamikus fékezési folyamat finomhangolását, biztosítva optimális energiamenedzsmentet és rendszerstabilitást.