Chopperbesturing van apart opgewonden gelijkstroommotor

Een chopper is een apparaat dat een vaste gelijkstroom (DC) spanning omzet in een variabele DC-spanning. Zelfgecommuteerde apparaten, zoals Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs), Geïsoleerde Poort Bipolaire Transistors (IGBTs), vermogenstransistors, Gate-Turn-Off Thyristoren (GTOs) en Geïntegreerde Gate-Commutatie Thyristoren (IGCTs), worden vaak gebruikt in de constructie van choppers. Deze apparaten kunnen direct via een poortcontrolesignaal met lage energie-invoer aan of uitgeschakeld worden en vereisen geen extra commutatiecircuit, waardoor ze zeer efficiënt en praktisch zijn voor chopper-toepassingen.

Choppers worden meestal op hoge frequenties bediend. Deze hoge-frequentie werking verbetert de motorendement aanzienlijk door stroom- en spanningsrippels te verminderen en discontinue geleiding te elimineren. Een van de meest opmerkelijke voordelen van chopperbesturing is de mogelijkheid om regeneratieve remming te realiseren, zelfs bij zeer lage rotatiesnelheden. Dit kenmerk is bijzonder waardevol wanneer het aandrijfsysteem wordt gevoed met een vaste tot lage DC-spanningsbron, wat efficiënte energieherwinning tijdens remoperaties mogelijk maakt.

Motorbesturing

De figuur hieronder toont een apart opgewonden gelijkstromemotor die wordt bestuurd door een transistorchopper. De transistor Tr wordt periodiek ingeschakeld met een periode Tr, en blijft gedurende een duur Ton in de geleidende staat. De overeenkomstige golfformen van de motoraansluitspanning en de armatuurstroom worden ook in de figuur weergegeven. Wanneer de transistor ingeschakeld is, is de motoraansluitspanning V, en kan de werking van de motor als volgt worden beschreven:

Tijdens dit specifieke tijdsinterval neemt de armatuurstroom toe van ia1 naar ia2. Deze fase wordt het werkinterval genoemd, omdat de motor tijdens deze periode rechtstreeks verbonden is met de energiebron. De directe verbinding stelt de overdracht van elektrische energie van de bron naar de motor in staat, waardoor deze mechanische koppel kan genereren en roteren.

Wanneer t = ton, wordt de transistor Tr gedeactiveerd. Vervolgens begint de motorstroom te freewheelen door diode Df. Hierdoor daalt de spanning aan de motoraansluitingen binnen het tijdsinterval ton≤t≤T naar nul. Dit interval wordt het freewheeling-interval genoemd. Tijdens dit freewheeling-interval wordt de in de magnetische velden en inducties van de motor opgeslagen energie afgevoerd via de freewheeling-diode, waardoor de stroom in een gesloten lus blijft stromen. De werking van de motor tijdens dit interval kan verder worden geanalyseerd en beschreven door de elektrische en magnetische interacties binnen de schakelelementen te onderzoeken.

De motorstroom neemt tijdens dit interval af van ia2 naar ia1. Het verhoudingsgetal tussen het werkinterval ton en de chopperperiode T wordt de werkdruk genoemd.

Regeneratieve Remming

De figuur hieronder illustreert een chopper die is ingesteld voor regeneratieve remming. De transistor Tr wordt cyclisch geschakeld met een periode T en een ingeschakelde periode ton. Naast de golfformen van de motoraansluitspanning va en de armatuurstroom ia onder continue geleidingsomstandigheden wordt ook getoond. Om de inductiewaarde La te verhogen, wordt een externe spoel in het circuit geïncorporeerd.

Wanneer de transistor Tr wordt ingeschakeld, stijgt de armatuurstroom ia van ia1 naar ia2. Deze stijging in stroom vindt plaats doordat elektrische energie tijdelijk wordt opgeslagen in de spoel en het magnetisch veld van de motor, waarmee de voorbereiding wordt getroffen voor het vervolgende energieconversieproces dat kenmerkend is voor regeneratieve remming.

Wanneer de motor in de modus regeneratieve remming werkt, fungeert hij als generator, waarbij mechanische energie wordt omgezet in elektrische energie. Een deel van deze elektrische energie draagt bij aan de verhoging van de magnetische energie die in de inductie van het armatuurschakeling wordt opgeslagen. Ondertussen wordt de resterende elektrische energie als warmte afgevoerd in de armatuurwindingen en de transistors, vanwege de inherente weerstand van deze componenten.

Wanneer de transistor wordt uitgeschakeld, loopt de armatuurstroom door diode D en de energiebron V, en neemt af van ia2 naar ia1. In dit proces wordt zowel de elektromagnetische energie die in het circuit is opgeslagen als de energie die door de machine wordt gegenereerd, teruggevoerd naar de energiebron. Het tijdsinterval van 0 tot ton wordt gedefinieerd als het energieopslaginterval, waarin energie in het systeem wordt opgeslagen. Daarentegen wordt het interval van ton tot T aangeduid als het werkinterval, waarin energieoverdracht en systeemwerking plaatsvinden.

Motor- en Remmingbediening

Tijdens de motorbediening wordt de transistor Tr1 gereguleerd om energie aan de motor te leveren, waardoor deze naar voren kan roteren. Daarentegen neemt de transistor Tr2 de controle over voor de remming. De overgang van de controle van Tr1 naar Tr2 schakelt het systeem naadloos van motorbediening over naar remming, en het omkeren van deze controleoverdracht schakelt het terug naar de motorstaat. Dit precieze controlemechanisme zorgt voor efficiënte en betrouwbare werking van het elektrische aandrijfsysteem onder verschillende werkomstandigheden.

Dynamische Controle

Het dynamische remcircuitschema, samen met de corresponderende golfformen, wordt in de figuur hieronder weergegeven. Tijdens het tijdsinterval van 0 tot Ton stijgt de armatuurstroom ia gestaag van ia1 naar ia2. Tijdens deze fase wordt een deel van de elektrische energie opgeslagen in de inductie, fungerend als reservoir voor latere operaties. Tegelijkertijd wordt de resterende energie afgevoerd als warmte in de armatuurweerstand Ra en de transistor TR, een noodzakelijke gevolg van de elektrische weerstand in deze componenten.

Tijdens het tijdsinterval Ton ≤ t ≤ T daalt de armatuurstroom ia van ia2 naar ia1. Tijdens deze fase wordt zowel de door de motor gegenereerde energie als de in de inducties opgeslagen energie afgevoerd over de remweerstand RB, de armatuurweerstand Ra en de diode D. De transistor Tr speelt een cruciale rol bij het reguleren van de hoeveelheid energie die in RB wordt afgevoerd. Door de werking van Tr nauwkeurig te controleren, kan men effectief de in RB afgevoerde energie moduleren, waardoor de algemene remprestaties en de effectieve waarde van de afgevoerde energie beïnvloed worden. Dit controlemechanisme stelt fijnafstelling van het dynamische remproces in, zodat optimale energiebeheer en systeemstabiliteit worden gewaarborgd.