Chopperstyrning av separat ansluten likströmsmotor

En chopper är en enhet som omvandlar en fast likströms (DC) spänning till en variabel DC-spänning. Självkommuterande komponenter, såsom Metall-Oxid-Semikonduktor-Fäldeffekttransistorer (MOSFETs), Isolerade-Gate Bipolartransistorer (IGBTs), strömkällor, Gate-Stänga-Av Thyristorer (GTOs) och Integrerade Gate-Kommuterade Thyristorer (IGCTs), används ofta i konstruktionen av choppers. Dessa komponenter kan slås på eller av direkt via ett gatustyrsignal med låg effektinmatning och kräver inte en extra kommutationskrets, vilket gör dem mycket effektiva och praktiska för chopperapplikationer.

Choppers drivs vanligtvis vid höga frekvenser. Denna högfrekvensdrift förbättrar betydligt motorns prestanda genom att minska spännings- och strömfluktuationer och eliminera oregelbunden ledning. Ett av de mest framstående fördelarna med chopperstyrning är dess förmåga att möjliggöra regenerativ bromsning även vid mycket låga rotationshastigheter. Detta är särskilt värdefullt när drivsystemet tillförs från en fast till låg DC-spänning, vilket möjliggör effektiv energirecirkulation under bromsoperationer.

Motorstyrning

Figuren nedan illustrerar en separat ansluten likströmsmotor styrd av en transistorchopper. Transistorn Tr växlas periodiskt med perioden T, och stannar i ledande tillstånd under tiden Ton. De motsvarande vågformerna för motorens terminalspänning och armaturström visas också i figuren. När transistorn är på, är motorterminalspänningen V, och motorens operation kan beskrivas som följer:

Under denna specifika tidsperiod ökar armaturströmmen från ia1 till ia2. Denna fas kallas för arbetsintervall eftersom motorn är direkt ansluten till strömkällan under denna period. Den direkta anslutningen tillåter överföring av elektrisk energi från källan till motorn, vilket möjliggör generering av mekanisk vridmoment och rotation.

När t = ton stängs transistorn Tr av. Sedan börjar motorströmmen frihjulsa genom dioden Df. Som ett resultat sjunker spänningen vid motorens terminaler till noll inom tidsintervallet ton≤t≤T. Detta intervall kallas för frihjulsintervall. Under detta frihjulsintervall utsläpps den lagrade energin i motorns magnetfält och induktans genom frihjulsdioden, vilket upprätthåller strömmens flöde i en sluten loop. Motorernas operation under detta intervall kan analyseras ytterligare genom att undersöka de elektriska och magnetiska interaktionerna mellan kretskomponenterna.

Motorströmmen minskar från ia2 till ia1 under detta intervall. Förhållandet mellan arbetsintervall ton och chopperperiod T kallas arbetscykel.

Regenerativ Bromsning

Figuren nedan visar en chopper konfigurerad för regenerativ bromsning. Transistorn Tr växlas cykliskt med perioden T och en på-period ton. Vid sidan av detta visas vågformen för motorterminalspänningen va och armaturströmmen ia under kontinuerlig ledning. För att öka induktansvärdet La införs en extern induktans i kretsen.

När transistorn Tr slås på, ökar armaturströmmen ia från ia1 till ia2. Denna ökning av strömmen sker eftersom elektrisk energi lagras temporärt i induktansen och motorns magnetfält, vilket skapar förutsättningar för den efterföljande energiomvandlingsprocess som är karakteristisk för regenerativ bromsning.

När motorn fungerar i regenerativ bromsningsläge fungerar den som en generator, där mekanisk energi omvandlas till elektrisk energi. En del av denna elektriska energi bidrar till att öka den magnetiska energin som lagras i induktansen i armaturkretsen. Samtidigt dissiperas den återstående elektriska energin som värme i armaturvikten och transistorna, på grund av dessa komponenters inbyggda resistans.

När transistorn stängs av, går armaturströmmen genom dioden D och strömkällan V, och minskar från ia2 till ia1. I detta process återsänds både den elektromagnetiska energin som lagrats i kretsen och den energi som genererats av maskinen till strömkällan. Tidsintervallet från 0 till ton definieras som energilagringsspannet, då energi ackumuleras i systemet. Å andra sidan kallas intervallet från ton till T för arbetsintervall, då energiöverföring och systemoperation äger rum.

Motor- och Bromsningskontroll

Under motorläget regleras transistorn Tr1 för att leverera energi till motorn, vilket möjliggör dess rotation framåt. Omvänt, för bromsningsläget tar transistorn Tr2 över kontrollen. Övergången av kontroll från Tr1 till Tr2 växlar systemets operation smidigt från motorläge till bromsningsläge, och att vända på denna kontrolloverföring växlar det tillbaka till motorläget. Denna exakta kontrollmekanism säkerställer effektiv och pålitlig drift av det elektriska drivsystemet under olika arbetsförhållanden.

Dynamisk Kontroll

Den dynamiska bromskretsen, tillsammans med dess motsvarande vågform, visas i figuren nedan. Under tidsintervallet från 0 till Ton, ökar armaturströmmen ia stadigt från ia1 till ia2. Under denna fas lagras en del av den elektriska energin i induktansen, som fungerar som en reservoar för senare operationer. Samtidigt dissiperas den återstående energin som värme i armaturresistansen Ra och transistorn TR, en nödvändig konsekvens av den elektriska resistans som finns i dessa komponenter.

Under tidsintervallet Ton ≤ t ≤ T sjunker armaturströmmen ia från ia2 till ia1. Under denna fas dissiperas både den energi som genererats av motorn och den energi som lagrats i induktanserna över bromsresistansen RB, armaturresistansen Ra och dioden D. Transistorn Tr spelar en viktig roll i att reglera mängden energi som dissiperas i RB. Genom att exakt kontrollera Tr:s operation kan man effektivt modulera den effekt som dissiperas i RB, vilket påverkar den totala bromsprestandan och den effektiva värdet av den dissiperade energin. Denna kontrollmekanism tillåter finjustering av den dynamiska bromsprocessen, vilket säkerställer optimal energihantering och systemstabilitet.