Styring av skjæringsmotor for separat opphisset DC-motor

En chopper er en enhet som konverterer en fast direkte strøm (DC) spenning til en variabel DC-spenning. Selvkommuterte enheter, som metall-oksider-semikonduktormateriale-felt-effekt-transistorer (MOSFETs), isolert-gate-bipolare-transistorer (IGBTs), strømtransistorer, gate-lukk-thyristorer (GTOs) og integrerte gate-kommuterte thyristorer (IGCTs), brukes ofte i konstruksjonen av choppers. Disse enhetene kan aktiveres eller deaktiveres direkte via et gatestyringssignal ved bruk av laveffektsinnganger, og krever ikke et ekstra kommutasjonskrets, noe som gjør dem svært effektive og praktiske for chopperapplikasjoner.

Choppers opereres typisk på høy frekvens. Denne høyfrekvensoperasjonen forbedrer motorprestasjonen betydelig ved å redusere spennings- og strømprang og eliminere diskontinuerlig ledning. En av de mest merkede fordeler med chopperkontroll er dens evne til å muliggjøre regenerativ bremse selv ved veldig lave rotasjonshastigheter. Dette trekket er spesielt verdifullt når antriebssystemet leveres med en fast-til-lav DC-spenningskilde, noe som tillater effektiv energigjenopptakelse under bremsoperasjoner.

Motorstyring

Figuren nedenfor viser en separat oppspant DC-motor styrt av en transistorchopper. Transistoren Tr slås periodisk på med en periode Tr, og forblir i ledende tilstand i en varighet Ton. De tilsvarende bølgformene for motorendespennings- og armaturstrømmen er også vist i figuren. Når transistoren er på, er motorendespenningen V, og drifta av motoren kan beskrives som følger:

Under denne spesifikke tidsperioden øker armaturstrømmen fra ia1 til ia2. Dette fasen kalles arbeidstiden, da motoren er direkte koblet til strømkilden under denne perioden. Den direkte koblingen lar elektrisk energi overføres fra kilden til motoren, noe som lar den generere mekanisk dreiemoment og rotere.

Når t = ton, deaktiveres transistoren Tr. Deretter begynner motoren å frihjulsløpe gjennom dioden Df. Dette fører til at spenningen ved motorendene faller til null innen tidsintervallet ton≤t≤T. Dette intervallet kalles frihjulsløpsintervall. Under dette frihjulsløpsfasen dissiperes energien lagret i motorens magnetfelt og induktans gjennom frihjulsløpedioden, noe som opprettholder strømmens flyt i en lukket sirkel. Drifta av motoren under dette intervallet kan videre analyseres og beskrives ved å undersøke de elektriske og magnetiske interaksjonene mellom kretskomponentene.

Motoren strøm minker fra ia2 til ia1 under dette intervallet. Forholdet mellom arbeidstiden ton til chopperperiode T kalles tidsbrøk.

Regenerativ bremse

Figuren nedenfor viser en chopper konfigurert for regenerativ bremseoperasjon. Transistoren Tr slås syklisk på med en periode T og en på-tid ton. Ved siden av er bølgformen for motorendespenningsva og armaturstrømme ia under kontinuerlig leding vist. For å forbedre induktansverdien La, inkluderes en ekstern induktor i kretsen.

Når transistoren Tr slås på, stiger armaturstrømmen ia fra ia1 til ia2. Denne økningen i strøm skjer som elektrisk energi midlertidig lagres i induktoren og motorens magnetfelt, noe som setter scenen for den etterfølgende energiomsetningsprosessen som er karakteristisk for regenerativ bremse.

Når motoren opererer i regenerativ bremsemodus, fungerer den som en generator, som konverterer mekanisk energi til elektrisk energi. En del av denne elektriske energien bidrar til å øke den magnetiske energien lagret i induktansen i armaturkretsen. Samtidig dissiperes resten av den elektriske energien som varme i armaturvindingene og transistorene, på grunn av de innebygde motstandene i disse komponentene.

Når transistoren slås av, traverserer armaturstrømmen gjennom dioden D og strømkilden V, og minker fra ia2 til ia1. I denne prosessen sendes både den elektromagnetiske energien lagret i kretsen og energien generert av maskinen tilbake til strømkilden. Tidsintervallet fra 0 til ton defineres som energilagringsintervallet, der energi akkumuleres i systemet. Omvendt kalles intervallet fra ton til T for arbeidstiden, når energioverføring og systemdrift foregår.

Motor- og bremseoperasjonstyring

Under motoroperasjonen reguleres transistoren Tr1 for å levere strøm til motoren, slik at den roterer fremover. Omvendt tar transistoren Tr2 over kontrollen for bremseoperasjonen. Overgangen av kontroll fra Tr1 til Tr2 bytter systemets operasjon smidig fra motor til bremse, og ved å reversere denne kontrolloverføringen skifter det tilbake til motorstatus. Denne presise kontrollmekanismen sikrer effektiv og pålitelig drift av det elektriske antriebsystemet under ulike arbeidsforhold.

Dynamisk kontroll

Den dynamiske bremsekretsen, sammen med den tilhørende bølgformen, er vist i figuren nedenfor. I tidsintervallet fra 0 til Ton stiger armaturstrømmen ia jevnt fra ia1 til ia2. Under denne fasen lagres en del av den elektriske energien i induktansen, som en reservoar for senere operasjoner. Samtidig dissiperes resten av energien som varme i armaturmotstanden Ra og transistoren TR, en nødvendig konsekvens av den elektriske motstand som finnes i disse komponentene.

I tidsintervallet Ton ≤ t ≤ T synker armaturstrømmen ia fra ia2 til ia1. Under denne fasen dissiperes både energien generert av motoren og energien lagret i induktansene over bremsemotstanden RB, armaturmotstanden Ra, og dioden D. Transistoren Tr har en sentral rolle i å regulere mengden energi som dissiperes i RB. Ved nøyaktig kontroll av drifta av Tr kan man effektivt modulere den effekt som dissiperes i RB, noe som påvirker den totale bremseytelsen og den effektive verdien av den dissiperte energien. Denne kontrollmekanismen tillater finjustering av den dynamiske bremseprosessen, noe som sikrer optimal energistyring og systemstabilitet.