Pengendalian Chopper pada Motor DC yang Diexcitasi Terpisah

Chopper adalah perangkat yang mengubah tegangan searah (DC) tetap menjadi tegangan DC variabel. Perangkat komutasi sendiri, seperti Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs), Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs), transistor daya, Gate-Turn-Off Thyristors (GTOs), dan Integrated Gate-Commutated Thyristors (IGCTs), umumnya digunakan dalam pembuatan chopper. Perangkat-perangkat ini dapat dihidupkan atau dimatikan secara langsung melalui sinyal kontrol gerbang menggunakan input daya rendah dan tidak memerlukan rangkaian komutasi tambahan, sehingga membuatnya sangat efisien dan praktis untuk aplikasi chopper.

Chopper biasanya dioperasikan pada frekuensi tinggi. Operasi frekuensi tinggi ini secara signifikan meningkatkan kinerja motor dengan mengurangi riak tegangan dan arus serta menghilangkan konduksi tidak kontinu. Salah satu keuntungan paling menonjol dari kontrol chopper adalah kemampuannya untuk memungkinkan pengereman regeneratif bahkan pada kecepatan rotasi yang sangat rendah. Fitur ini sangat berharga ketika sistem penggerak diberi sumber tegangan DC tetap hingga rendah, memungkinkan pemulihan energi yang efisien selama operasi pengereman.

Kontrol Motoring

Gambar di bawah ini menggambarkan motor DC terpisah yang dikendalikan oleh chopper transistor. Transistor Tr diputar secara periodik dengan periode Tr, berada dalam keadaan menghantar selama durasi Ton. Bentuk gelombang tegangan terminal motor dan arus armatur juga digambarkan dalam gambar tersebut. Ketika transistor menyala, tegangan terminal motor adalah V, dan operasi motor dapat dijelaskan sebagai berikut:

Selama interval waktu spesifik ini, arus armatur meningkat dari ia1 ke ia2. Fase ini disebut interval tugas, karena motor terhubung langsung ke sumber daya selama periode ini. Koneksi langsung memungkinkan transfer energi listrik dari sumber ke motor, memungkinkannya menghasilkan torsi mekanis dan berputar.

Ketika t = ton, transistor Tr dimatikan. Selanjutnya, arus motor mulai bebas melalui dioda Df. Akibatnya, tegangan pada terminal motor turun menjadi nol dalam interval waktu ton≤t≤T. Interval ini dikenal sebagai interval bebas. Selama fase bebas ini, energi yang tersimpan dalam medan magnet motor dan induktansi dilepaskan melalui dioda bebas, mempertahankan aliran arus dalam loop tertutup. Operasi motor selama interval ini dapat dianalisis dan dijelaskan lebih lanjut dengan memeriksa interaksi listrik dan magnetik dalam komponen rangkaian.

Arus motor menurun dari ia2 ke ia1 selama interval ini. Rasio interval tugas ton terhadap periode chopper T disebut siklus tugas.

Pengereman Regeneratif

Gambar di bawah ini menggambarkan chopper yang dikonfigurasikan untuk operasi pengereman regeneratif. Transistor Tr diputar secara siklik dengan periode T dan periode on ton. Ditampilkan bersama adalah bentuk gelombang tegangan terminal motor va dan arus armatur ia dalam kondisi konduksi kontinu. Untuk meningkatkan nilai induktansi La, sebuah induktor eksternal ditambahkan ke dalam rangkaian.

Ketika transistor Tr dinyalakan, arus armatur ia naik dari ia1 ke ia2. Kenaikan arus ini terjadi saat energi listrik disimpan sementara dalam induktor dan medan magnet motor, menyiapkan tahap untuk proses konversi energi selanjutnya yang merupakan ciri khas pengereman regeneratif.

Ketika motor beroperasi dalam mode pengereman regeneratif, ia berfungsi sebagai generator, mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Sebagian energi listrik ini berkontribusi pada peningkatan energi magnetik yang tersimpan dalam induktansi sirkuit armatur. Sementara itu, energi listrik sisanya dilepaskan sebagai panas dalam gulungan armatur dan transistor, karena resistensi inheren komponen-komponen tersebut.

Ketika transistor dimatikan, arus armatur melalui dioda D dan sumber daya V, menurun dari ia2 ke ia1. Dalam proses ini, baik energi elektromagnetik yang tersimpan dalam rangkaian maupun energi yang dihasilkan oleh mesin dikembalikan ke sumber daya. Interval waktu dari 0 hingga ton didefinisikan sebagai interval penyimpanan energi, di mana energi terakumulasi dalam sistem. Sebaliknya, interval dari ton hingga T disebut interval tugas, ketika transfer energi dan operasi sistem terjadi.

Kontrol Operasi Motoring dan Pengereman

Selama operasi motoring, transistor Tr1 diatur untuk mensuplai daya ke motor, memungkinkannya berputar maju. Sebaliknya, untuk operasi pengereman, transistor Tr2 mengambil alih kontrol. Transisi kontrol dari Tr1 ke Tr2 beralih dengan lancar operasi sistem dari motoring ke pengereman, dan membalikkan transfer kontrol ini menggesernya kembali ke keadaan motoring. Mekanisme kontrol yang tepat ini memastikan operasi sistem penggerak listrik yang efisien dan andal dalam berbagai kondisi kerja.

Kontrol Dinamis

Rangkaian pengereman dinamis, bersama dengan bentuk gelombang yang sesuai, digambarkan dalam gambar di bawah ini. Dalam interval waktu dari 0 hingga Ton, arus armatur ia naik secara stabil dari ia1 ke ia2. Selama fase ini, sebagian energi listrik disimpan dalam induktansi, bertindak sebagai reservoir untuk operasi selanjutnya. Sementara itu, energi sisa dilepaskan sebagai panas dalam resistansi armatur Ra dan transistor TR, konsekuensi yang diperlukan dari resistansi listrik yang ada dalam komponen-komponen tersebut.

Selama interval waktu Ton ≤ t ≤ T, arus armatur ia menurun dari ia2 ke ia1. Dalam fase ini, baik energi yang dihasilkan oleh motor maupun energi yang tersimpan dalam induktansi dilepaskan di seluruh resistansi pengereman RB, resistansi armatur Ra, dan dioda D. Transistor Tr memainkan peran penting dalam mengatur jumlah energi yang dilepaskan di RB. Dengan mengontrol operasi Tr secara tepat, seseorang dapat secara efektif mengatur daya yang dilepaskan di RB, sehingga mempengaruhi kinerja pengereman secara keseluruhan dan nilai efektif energi yang dilepaskan. Mekanisme kontrol ini memungkinkan penyetelan halus proses pengereman dinamis, memastikan manajemen energi optimal dan stabilitas sistem.