分励直流モータのチョッパ制御

チョッパは固定直流（DC）電圧を可変の直流電圧に変換する装置です。金属酸化物半導体フィールド効果トランジスタ（MOSFET）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）、パワー・トランジスタ、ゲート・ターンオフ・スイッチング素子（GTO）、および統合ゲート・コムミュテーション・スイッチング素子（IGCT）などの自己コムミュテーション可能なデバイスが、一般的にチョッパの構築に使用されます。これらのデバイスは低消費電力入力によるゲート制御信号で直接オンまたはオフにすることができ、追加のコムミュテーション回路を必要としないため、チョッパアプリケーションにおいて非常に効率的かつ実用的です。

チョッパは通常高周波数で動作します。この高周波数動作によりモータ性能が大幅に向上し、電圧と電流のリップルが減少し、不連続伝導が排除されます。チョッパ制御の最も顕著な利点の一つは、非常に低い回転速度でも再生ブレーキを可能にすることです。この特長は、駆動システムが一定から低い直流電圧源によって供給される場合に特に価値があり、ブレーキ操作中に効率的なエネルギー回収が可能になります。

モータ制御

以下の図はトランジスタチョッパによって制御された分離興奮型DCモータを示しています。トランジスタTrは周期Trで周期的に切り替えられ、Tonの間導通状態に保たれます。対応するモータ端子電圧とアーマチュア電流の波形も図に示されています。トランジスタがオンのとき、モータ端子電圧はVとなり、モータの動作は以下の通り説明されます：

この特定の時間間隔中、アーマチュア電流はia1からia2へ増加します。この位相はデューティ期間と呼ばれ、この期間中モータは直接電源に接続されています。この直接接続により、電源からの電気エネルギーがモータに移転され、機械トルクを生成して回転させることができます。

t = tonのとき、トランジスタTrは非活性化されます。その後、モータ電流はダイオードDfを通じてフリーホイールします。その結果、ton≤t≤Tの時間間隔内にモータ端子電圧はゼロに低下します。この間隔はフリーホイール間隔と呼ばれます。このフリーホイール位相中、モータの磁場およびインダクタンスに蓄積されたエネルギーはフリーホイールダイオードを通じて放出され、閉ループ内で電流の流れが維持されます。この間隔中のモータの動作は、回路コンポーネント内の電気的および磁気的相互作用を検討することでさらに分析および説明することができます。

この間隔中モータ電流はia2からia1へ減少します。デューティ間隔tonとチョッパ周期Tの比率をデューティサイクルと呼びます。

再生ブレーキ

以下の図は再生ブレーキ動作のために設定されたチョッパを示しています。トランジスタTrは周期Tおよびオン期間tonで周期的に切り替えられます。同時に示されているのは連続伝導条件下でのモータ端子電圧vaとアーマチュア電流iaの波形です。インダクタンス値Laを強化するために外部インダクタが回路に組み込まれています。

トランジスタTrがオンになると、アーマチュア電流iaはia1からia2へ上昇します。この電流の増加は一時的にインダクタとモータの磁場に電気エネルギーが蓄積されることにより生じ、これが再生ブレーキに特徴的な後続のエネルギ変換プロセスの舞台となります。

モータが再生ブレーキモードで動作すると、発電機として機能し機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。この電気エネルギーの一部はアーマチュア回路のインダクタンスに蓄積される磁気エネルギーを増加させるために貢献します。一方、残りの電気エネルギーはアーマチュア巻線とトランジスタ内の抵抗により熱として放出されます。

トランジスタがオフになると、アーマチュア電流はダイオードDと電源Vを通ってia2からia1へ減少します。この過程では、回路に蓄積された電磁エネルギーと機器によって生成されたエネルギーが電源に戻されます。0からtonまでの時間間隔はエネルギ貯蔵間隔と定義され、この間エネルギーがシステムに蓄積されます。一方、tonからTまでの間隔はデューティ間隔と呼ばれ、エネルギ伝達とシステム動作が行われます。

モータリングとブレーキング操作制御

モータリング動作中、トランジスタTr1はモータに電力を供給し前進回転させるように制御されます。一方、ブレーキング動作中にはトランジスタTr2が制御を引き継ぎます。Tr1からTr2への制御の移行により、システムの動作はモータリングからブレーキングへシームレスに切り替わり、逆の制御移行によりモータリング状態に戻ります。この精密な制御メカニズムにより、異なる作業条件下でも電気駆動システムの効率的かつ信頼性の高い動作が確保されます。

動的制御

動的ブレーキ回路とその対応する波形は以下の図に示されています。0からTonまでの時間間隔中、アーマチュア電流iaはia1からia2へ徐々に上昇します。この位相中、電気エネルギーの一部はインダクタンスに蓄積され、後続の動作のための貯蔵庫として機能します。同時に、残りのエネルギーはアーマチュア抵抗RaとトランジスタTR内で熱として放出されます。

Ton ≤ t ≤ Tの時間間隔中、アーマチュア電流iaはia2からia1へ減少します。この位相中、モータによって生成されたエネルギーとインダクタンスに蓄積されたエネルギーはブレーキ抵抗RB、アーマチュア抵抗Ra、およびダイオードDに渡って放出されます。トランジスタTrはRBで放出されるエネルギ量を調整する上で重要な役割を果たします。Trの動作を正確に制御することにより、RBで放出されるパワーを効果的に調整し、全体的なブレーキ性能と放出エネルギーの有効値に影響を与えます。この制御メカニズムにより、動的ブレーキプロセスを微調整し、最適なエネルギ管理とシステム安定性を確保することができます。