Controle do Chopper de Motor DC Excitado Separadamente

Um chopper é um dispositivo que converte uma tensão contínua (CC) fixa em uma tensão CC variável. Dispositivos auto-comutados, como Transistores de Efeito de Campo de Óxido Metálico (MOSFETs), Transistores Bipolares de Porta Isolada (IGBTs), transistores de potência, Tiristores com Corte por Porta (GTOs) e Tiristores Comutados por Porta Integrada (IGCTs), são comumente usados na construção de choppers. Esses dispositivos podem ser ligados ou desligados diretamente através de um sinal de controle de porta usando entradas de baixa potência e não requerem um circuito de comutação adicional, tornando-os altamente eficientes e práticos para aplicações de chopper.

Os choppers geralmente são operados em altas frequências. Esta operação em alta frequência melhora significativamente o desempenho do motor, reduzindo as ondulações de tensão e corrente e eliminando a condução descontínua. Uma das vantagens mais notáveis do controle por chopper é sua capacidade de permitir o freio regenerativo mesmo em velocidades rotativas muito baixas. Este recurso é particularmente valioso quando o sistema de acionamento é alimentado por uma fonte de tensão CC fixa-baixa, permitindo uma recuperação eficiente de energia durante as operações de frenagem.

Controle de Motores

A figura abaixo ilustra um motor DC separadamente excitado controlado por um chopper de transistor. O transistor Tr é comutado periodicamente com um período Tr, permanecendo no estado de condução por uma duração Ton. As formas de onda correspondentes da tensão terminal do motor e da corrente de armadura também são representadas na figura. Quando o transistor está ligado, a tensão terminal do motor é V, e a operação do motor pode ser descrita da seguinte forma:

Durante este intervalo específico de tempo, a corrente de armadura aumenta de ia1 para ia2. Esta fase é referida como o intervalo de trabalho, pois o motor está diretamente ligado à fonte de energia durante este período. A conexão direta permite a transferência de energia elétrica da fonte para o motor, permitindo que ele gere torque mecânico e gire.

Quando t = ton, o transistor Tr é desativado. Subsequentemente, a corrente do motor começa a circular livremente através do diodo Df. Como resultado, a tensão nos terminais do motor cai para zero no intervalo de tempo ton≤t≤T. Este intervalo é conhecido como o intervalo de circulação livre. Durante esta fase de circulação livre, a energia armazenada no campo magnético do motor e na indutância é dissipada através do diodo de circulação livre, mantendo o fluxo de corrente em um loop fechado. A operação do motor durante este intervalo pode ser analisada e descrita mais detalhadamente examinando as interações elétricas e magnéticas dentro dos componentes do circuito.

A corrente do motor diminui de ia2 para ia1 durante este intervalo. A razão entre o intervalo de trabalho ton e o período do chopper T é chamada de ciclo de trabalho.

Freio Regenerativo

A figura abaixo ilustra um chopper configurado para operação de freio regenerativo. O transistor Tr é comutado cíclicamente com um período T e um período de ligação ton. Ao lado, está representada a forma de onda da tensão terminal do motor va e a corrente de armadura ia sob condições de condução contínua. Para aumentar o valor da indutância La, um indutor externo é incorporado ao circuito.

Quando o transistor Tr é ligado, a corrente de armadura ia aumenta de ia1 para ia2. Este aumento de corrente ocorre conforme a energia elétrica é temporariamente armazenada no indutor e no campo magnético do motor, preparando o cenário para o subsequente processo de conversão de energia característico do freio regenerativo.

Quando o motor opera no modo de freio regenerativo, ele funciona como um gerador, convertendo energia mecânica em energia elétrica. Parte desta energia elétrica contribui para aumentar a energia magnética armazenada na indutância do circuito de armadura. Enquanto isso, a energia elétrica restante é dissipada como calor nas bobinas de armadura e nos transistores, devido à resistência inerente desses componentes.

Quando o transistor é desligado, a corrente de armadura atravessa o diodo D e a fonte de energia V, diminuindo de ia2 para ia1. Neste processo, tanto a energia eletromagnética armazenada no circuito quanto a energia gerada pela máquina são devolvidas à fonte de energia. O intervalo de tempo de 0 a ton é definido como o intervalo de armazenamento de energia, durante o qual a energia se acumula no sistema. Por outro lado, o intervalo de ton a T é referido como o intervalo de trabalho, quando ocorrem a transferência de energia e a operação do sistema.

Controle de Operação de Motores e Freios

Durante a operação de motores, o transistor Tr1 é regulado para fornecer energia ao motor, permitindo que ele gire para frente. Por outro lado, para a operação de freios, o controle é assumido pelo transistor Tr2. A transição de controle de Tr1 para Tr2 altera suavemente a operação do sistema de motriz para freio, e reverter essa transferência de controle o leva de volta ao estado de motriz. Este mecanismo de controle preciso garante a operação eficiente e confiável do sistema de acionamento elétrico em diferentes condições de trabalho.

Controle Dinâmico

O circuito de freio dinâmico, junto com sua forma de onda correspondente, é ilustrado na figura abaixo. No intervalo de tempo de 0 a Ton, a corrente de armadura ia aumenta gradualmente de ia1 para ia2. Durante esta fase, parte da energia elétrica é armazenada na indutância, servindo como um reservatório para operações subsequentes. Simultaneamente, a energia restante é dissipada como calor na resistência de armadura Ra e no transistor TR, uma consequência necessária da resistência elétrica presente nesses componentes.

No intervalo de tempo Ton ≤ t ≤ T, a corrente de armadura ia diminui de ia2 para ia1. Nesta fase, tanto a energia gerada pelo motor quanto a energia armazenada nas indutâncias são dissipadas na resistência de freio RB, na resistência de armadura Ra e no diodo D. O transistor Tr desempenha um papel crucial no controle da quantidade de energia dissipada em RB. Controlando precisamente a operação de Tr, pode-se modular efetivamente a potência dissipada em RB, influenciando assim o desempenho geral do freio e o valor eficaz da energia dissipada. Este mecanismo de controle permite o ajuste fino do processo de freio dinâmico, garantindo a gestão ótima de energia e a estabilidade do sistema.