Controllo del chopper del motore DC a eccitazione separata

Un chopper è un dispositivo che converte una tensione continua (CC) fissa in una tensione continua variabile. Dispositivi auto-commutati come i transistori a effetto di campo a ossido metallico (MOSFET), i transistori bipolari a gate isolato (IGBT), i transistori di potenza, i tiristori a spegnimento a gate (GTO) e i tiristori a commutazione integrata a gate (IGCT) sono comunemente utilizzati nella costruzione dei chopper. Questi dispositivi possono essere accesi o spenti direttamente tramite un segnale di controllo al gate utilizzando ingressi a bassa potenza e non richiedono un circuito di commutazione aggiuntivo, rendendoli altamente efficienti e pratici per le applicazioni dei chopper.

I chopper sono solitamente operati a frequenze elevate. Questa operazione ad alta frequenza migliora significativamente le prestazioni del motore riducendo i rincorsi di tensione e corrente ed eliminando la conduzione discontinua. Uno dei vantaggi più notevoli del controllo a chopper è la sua capacità di abilitare il frenaggio rigenerativo anche a velocità rotazionali molto basse. Questa caratteristica è particolarmente preziosa quando il sistema di trazione è alimentato da una sorgente CC fissa o a bassa tensione, consentendo un recupero energetico efficiente durante le operazioni di frenatura.

Controllo della trazione

La figura sottostante illustra un motore DC separatamente eccitato controllato da un chopper a transistor. Il transistor Tr viene commutato periodicamente con un periodo Tr, rimanendo in stato di conduzione per una durata Ton. Le forme d'onda corrispondenti della tensione ai terminali del motore e della corrente dell'armatura sono anche rappresentate nella figura. Quando il transistor è acceso, la tensione ai terminali del motore è V, e l'operazione del motore può essere descritta come segue:

Durante questo specifico intervallo di tempo, la corrente dell'armatura aumenta da ia1 a ia2. Questa fase è nota come intervallo di servizio, poiché il motore è direttamente collegato alla sorgente di alimentazione durante questo periodo. La connessione diretta consente il trasferimento di energia elettrica dalla sorgente al motore, permettendogli di generare coppia meccanica e ruotare.

Quando t = ton, il transistor Tr viene disattivato. Successivamente, la corrente del motore inizia a circolare attraverso il diodo Df. Di conseguenza, la tensione ai terminali del motore scende a zero nell'intervallo di tempo ton≤t≤T. Questo intervallo è noto come intervallo di circolazione libera. Durante questa fase di circolazione libera, l'energia immagazzinata nel campo magnetico del motore e nell'induttanza viene dissipata attraverso il diodo di circolazione libera, mantenendo il flusso di corrente in un circuito chiuso. L'operazione del motore durante questo intervallo può essere ulteriormente analizzata e descritta esaminando le interazioni elettriche e magnetiche all'interno dei componenti del circuito.

La corrente del motore diminuisce da ia2 a ia1 durante questo intervallo. Il rapporto tra l'intervallo di servizio ton e il periodo del chopper T è chiamato ciclo di lavoro.

Frenaggio rigenerativo

La figura sottostante illustra un chopper configurato per l'operazione di frenaggio rigenerativo. Il transistor Tr viene commutato ciclicamente con un periodo T e un periodo di conduzione ton. Rappresentate a fianco sono le forme d'onda della tensione ai terminali del motore va e della corrente dell'armatura ia in condizioni di conduzione continua. Per migliorare il valore dell'induttanza La, un induttore esterno è incorporato nel circuito.

Quando il transistor Tr è acceso, la corrente dell'armatura ia aumenta da ia1 a ia2. Questo aumento di corrente avviene mentre l'energia elettrica viene temporaneamente immagazzinata nell'induttore e nel campo magnetico del motore, preparando il terreno per il successivo processo di conversione energetica che caratterizza il frenaggio rigenerativo.

Quando il motore opera in modalità di frenaggio rigenerativo, funziona come un generatore, convertendo l'energia meccanica in energia elettrica. Una parte di questa energia elettrica contribuisce ad aumentare l'energia magnetica immagazzinata all'interno dell'induttanza del circuito dell'armatura. Nel frattempo, l'energia elettrica residua viene dissipata come calore nelle spire dell'armatura e nei transistor, a causa della resistenza intrinseca di questi componenti.

Quando il transistor viene spento, la corrente dell'armatura attraversa il diodo D e la sorgente di alimentazione V, diminuendo da ia2 a ia1. In questo processo, sia l'energia elettromagnetica immagazzinata nel circuito che l'energia generata dalla macchina vengono restituite alla sorgente di alimentazione. L'intervallo di tempo da 0 a ton è definito come intervallo di accumulo di energia, durante il quale l'energia si accumula nel sistema. Viceversa, l'intervallo da ton a T è noto come intervallo di servizio, quando avviene il trasferimento di energia e l'operazione del sistema.

Controllo dell'operazione di trazione e frenatura

Durante l'operazione di trazione, il transistor Tr1 viene regolato per fornire energia al motore, consentendogli di ruotare in avanti. Al contrario, per l'operazione di frenatura, il controllo passa al transistor Tr2. La transizione del controllo da Tr1 a Tr2 cambia in modo fluido l'operazione del sistema da trazione a frenatura, e invertendo questa transizione di controllo si torna allo stato di trazione. Questo meccanismo di controllo preciso garantisce un'operazione efficiente e affidabile del sistema di trazione elettrica in diverse condizioni di lavoro.

Controllo dinamico

Il circuito di frenatura dinamica, insieme alle sue forme d'onda corrispondenti, è rappresentato nella figura sottostante. Nell'intervallo di tempo da 0 a Ton, la corrente dell'armatura ia aumenta costantemente da ia1 a ia2. Durante questa fase, una parte dell'energia elettrica viene immagazzinata nell'induttanza, fungendo da serbatoio per le operazioni successive. Simultaneamente, l'energia residua viene dissipata come calore all'interno della resistenza dell'armatura Ra e del transistor TR, conseguenza necessaria della resistenza elettrica presente in questi componenti.

Nell'intervallo di tempo Ton ≤ t ≤ T la corrente dell'armatura ia diminuisce da ia2 a ia1. In questa fase, sia l'energia generata dal motore che quella immagazzinata nelle induttanze vengono dissipate attraverso la resistenza di frenatura RB, la resistenza dell'armatura Ra e il diodo D. Il transistor Tr svolge un ruolo fondamentale nel regolare la quantità di energia dissipata in RB. Controllando con precisione l'operazione di Tr, è possibile modulare efficacemente la potenza dissipata in RB, influenzando così le prestazioni complessive del freno e il valore effettivo dell'energia dissipata. Questo meccanismo di controllo consente di regolare finemente il processo di frenatura dinamica, garantendo una gestione ottimale dell'energia e la stabilità del sistema.