분리 권격식 DC 모터의チョッパ制御

チョッパは、固定直流(DC)電圧を可変のDC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、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)、および統合ゲートコムミュテイテッドサイリスタ(IGCT)などの自己コムミュテーションデバイスが、チョッパの構築に一般的に使用されます。これらのデバイスは、低電力入力を使用して直接ゲート制御信号によって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で実用的です。

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、電圧および電流のリップルが減少し、不連続伝導が排除され、モータ性能が大幅に向上します。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ングを可能にすることです。この機能は、駆動システムが固定から低いDC電圧源で供給される場合に特に価値があり、ブレーキング操作中のエネルギー回収を効率的に行うことができます。

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の間コンダクティング状態になります。モータ端子電圧とアーマチャチュア電流の対応する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であり、モータの動作は以下の通りです。

この特定の時間間隔中、アーマチャチュア電流はia1からia2まで増加します。このフェーズは、モータがこの期間中に直接電源に接続されているため、デューティー間隔と呼ばれます。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、機械的なトルクを生成し回転することができます。

t = tonのとき、トランジスタTrが非活性化されます。その後、モータ電流はダイオードDfを通ってフリーホイール開始します。その結果、ton≤t≤Tの時間間隔内にモータ端子電圧がゼロに低下します。この間隔はフリーホイール間隔と呼ばれています。このフリーホイールフェーズ中、モータの磁界およびインダクタンスに蓄積されたエネルギーが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および磁気相互作用を分析することでさらに説明できます。

この間隔中、モータ電流はia2からia1まで減少します。デューティー間隔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。

再生ブレーキング

以下の図は、再生ブレーキング操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とオン期間tonで周期的に切り替えられます。連続伝導条件下でのモータ端子電圧vaとアーマチャチュア電流iaの波形も描かれています。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、アーマチャチュア電流iaはia1からia2まで上昇します。この電流の増加は、一時的にインダクタとモータの磁界に電気エネルギーが蓄積されることにより発生し、再生ブレーキングの特徴的なエネルギー変換プロセスの舞台が整えられます。

モータが再生ブレーキング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、アーマチャチュア回路のインダクタンス内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、これらのコンポーネントの固有抵抗により、アーマチャチュア巻線とトランジスタ内で熱として放出されます。

トランジスタがオフになると、アーマチャチュア電流はダイオードDと電源Vを通ってia2からia1まで減少します。この過程では、回路に蓄積された電磁エネルギーと機械によって生成されたエネルギーが電源にフィードバックされます。0からtonまでの時間間隔はエネルギー蓄積間隔と定義され、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ー間隔と呼ばれ、エネルギーの移転とシステムの動作が行われます。

モータリングとブレーキング操作制御

モータリング操作中、トランジスタTr1はモータに電力を供給し、前進回転を可能にします。一方、ブレーキング操作では、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、システムの操作がモータリングからブレーキングにシームレスに切り替わり、逆にこの制御の移行を逆にすることでモータリング状態に戻ります。この正確な制御メカニズムにより、異なる作業条件の下で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。

ダイナミック制御

ダイナミックブレーキング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、アーマチャチュア電流iaはia1からia2まで徐々に上昇します。このフェーズ中、電気エネルギーの一部はインダクタンスに蓄積され、後続の操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ャチュア抵抗RaとトランジスタTR内で熱として放出されます。これはこれらのコンポーネントに存在する電気抵抗の必然的な結果です。

Ton ≤ t ≤ Tの時間間隔中、アーマチャチュア電流iaはia2からia1まで減少します。このフェーズ中、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、アーマチャチュア抵抗Ra、およびダイオードDで放出されます。トランジスタTrは、RBで放出されるエネルギー量を調整する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、全体的なブレーキング性能と放出エネルギーの有効値に影響を与えることができます。この制御メカニズムにより、ダイナミックブレーキングプロセスの微調整が可能になり、最適なエネルギーマネージメントとシステムの安定性が確保されます。