การควบคุมช็อปเปอร์ของมอเตอร์ดีซีที่ตื่นเต้นแยกจากกัน

ช็อปเปอร์คืออุปกรณ์ที่แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่คงที่เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่แปรผันได้ อุปกรณ์ที่ควบคุมการสับเปลี่ยนเอง เช่น ทรานซิสเตอร์แบบ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs) ทรานซิสเตอร์แบบ Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs) ทรานซิสเตอร์กำลัง Gate-Turn-Off Thyristors (GTOs) และ Integrated Gate-Commutated Thyristors (IGCTs) ถูกใช้ในการสร้างช็อปเปอร์อย่างแพร่หลาย อุปกรณ์เหล่านี้สามารถเปิดหรือปิดโดยตรงผ่านสัญญาณควบคุมเกตด้วยข้อมูลนำเข้าที่มีพลังงานต่ำและไม่จำเป็นต้องใช้วงจรการสับเปลี่ยนเพิ่มเติม ทำให้มีประสิทธิภาพและเหมาะสมสำหรับการใช้งานในช็อปเปอร์

ช็อปเปอร์มักจะทำงานที่ความถี่สูง การทำงานที่ความถี่สูงนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของมอเตอร์โดยลดแรงดันและกระแสกระเพื่อมและกำจัดการนำกระแสที่ไม่ต่อเนื่อง หนึ่งในข้อดีที่สำคัญของการควบคุมด้วยช็อปเปอร์คือความสามารถในการให้เบรกกลับแม้ที่ความเร็วหมุนต่ำมาก คุณสมบัตินี้มีค่าเป็นพิเศษเมื่อระบบขับเคลื่อนได้รับแหล่งจ่ายไฟ DC ที่คงที่หรือต่ำ ทำให้สามารถกู้คืนพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพระหว่างการเบรก

การควบคุมมอเตอร์

รูปด้านล่างแสดงมอเตอร์กระแสตรงที่แยกตัวกระตุ้นโดยช็อปเปอร์ทรานซิสเตอร์ ทรานซิสเตอร์ Tr ถูกสลับเปิดปิดด้วยคาบเวลา Tr โดยอยู่ในสถานะนำกระแสเป็นเวลา Ton รูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์และกระแสอาร์เมเจอร์ยังแสดงในรูปด้วย เมื่อทรานซิสเตอร์เปิด แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์คือ V และการทำงานของมอเตอร์สามารถอธิบายได้ดังนี้

ในช่วงเวลานี้ กระแสอาร์เมเจอร์เพิ่มขึ้นจาก ia1 ไปเป็น ia2 ระยะเวลานี้เรียกว่าช่วงเวลาการทำงาน เนื่องจากมอเตอร์เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟโดยตรงในช่วงเวลานี้ การเชื่อมต่อโดยตรงทำให้พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายถูกส่งไปยังมอเตอร์ ทำให้สามารถสร้างแรงบิดและหมุนได้

เมื่อ t = ton ทรานซิสเตอร์ Tr จะถูกปิด หลังจากนั้น กระแสมอเตอร์จะเริ่มไหลผ่านไดโอด Df ผลทำให้แรงดันที่ขั้วมอเตอร์ลดลงเป็นศูนย์ภายในช่วงเวลา ton≤t≤T ช่วงเวลานี้เรียกว่าช่วงเวลาฟรีวีลลิง ในช่วงเวลานี้ พลังงานที่สะสมในสนามแม่เหล็กและอินดักแทนซ์ของมอเตอร์จะถูกปล่อยผ่านไดโอดฟรีวีลลิง ทำให้กระแสไหลอยู่ในวงจรป้อนกลับ การทำงานของมอเตอร์ในช่วงเวลานี้สามารถวิเคราะห์และอธิบายได้โดยตรวจสอบปฏิกิริยาทางไฟฟ้าและแม่เหล็กภายในส่วนประกอบของวงจร

กระแสมอเตอร์ลดลงจาก ia2 ไปเป็น ia1 ในช่วงเวลานี้ อัตราส่วนของช่วงเวลาการทำงาน ton ต่อคาบเวลา T ของช็อปเปอร์เรียกว่าอัตราส่วนการทำงาน

การเบรกกลับ

รูปด้านล่างแสดงช็อปเปอร์ที่กำหนดไว้สำหรับการทำงานเบรกกลับ ทรานซิสเตอร์ Tr ถูกสลับเปิดปิดด้วยคาบเวลา T และระยะเวลาเปิด ton รูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ va และกระแสอาร์เมเจอร์ ia ภายใต้เงื่อนไขการนำกระแสต่อเนื่องแสดงอยู่ด้วย เพื่อเพิ่มค่าอินดักแทนซ์ La วงจรภายนอกถูกเพิ่มเข้ามาในวงจร

เมื่อทรานซิสเตอร์ Tr เปิด กระแสอาร์เมเจอร์ ia เพิ่มขึ้นจาก ia1 ไปเป็น ia2 การเพิ่มขึ้นของกระแสเกิดขึ้นขณะที่พลังงานไฟฟ้าถูกเก็บไว้ชั่วคราวในอินดักเตอร์และสนามแม่เหล็กของมอเตอร์ ทำให้เตรียมพร้อมสำหรับกระบวนการแปลงพลังงานที่เป็นลักษณะของการเบรกกลับ

เมื่อมอเตอร์ทำงานในโหมดเบรกกลับ มันทำงานเหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แปลงพลังงานเชิงกลเป็นพลังงานไฟฟ้า ส่วนหนึ่งของพลังงานไฟฟ้านี้ช่วยเพิ่มพลังงานแม่เหล็กที่สะสมในอินดักแทนซ์ของวงจรอาร์เมเจอร์ ในขณะเดียวกัน พลังงานไฟฟ้าที่เหลือถูกกระจายเป็นความร้อนภายในสายอาร์เมเจอร์และทรานซิสเตอร์ เนื่องจากความต้านทานที่มีอยู่ในส่วนประกอบเหล่านี้

เมื่อทรานซิสเตอร์ถูกปิด กระแสอาร์เมเจอร์จะไหลผ่านไดโอด D และแหล่งจ่ายไฟ V ลดลงจาก ia2 ไปเป็น ia1 ในกระบวนการนี้ ทั้งพลังงานแม่เหล็กที่สะสมในวงจรและพลังงานที่สร้างโดยเครื่องจักรจะถูกส่งกลับไปยังแหล่งจ่ายไฟ ช่วงเวลาจาก 0 ถึง ton ถูกกำหนดเป็นช่วงเวลาการเก็บพลังงาน ซึ่งพลังงานสะสมในระบบ ตรงกันข้าม ช่วงเวลาจาก ton ถึง T ถูกเรียกว่าช่วงเวลาการทำงาน ซึ่งการโอนถ่ายพลังงานและการทำงานของระบบเกิดขึ้น

การควบคุมการทำงานและเบรก

ระหว่างการทำงานของมอเตอร์ ทรานซิสเตอร์ Tr1 ถูกควบคุมเพื่อจ่ายพลังงานให้มอเตอร์ ทำให้มันหมุนไปข้างหน้า แต่สำหรับการทำงานเบรก ทรานซิสเตอร์ Tr2 จะควบคุม การเปลี่ยนแปลงการควบคุมจาก Tr1 ไปยัง Tr2 ทำให้ระบบเปลี่ยนจากการทำงานมอเตอร์เป็นการทำงานเบรก และการเปลี่ยนแปลงการควบคุมกลับไปจะทำให้ระบบกลับไปที่การทำงานมอเตอร์ กลไกควบคุมที่แม่นยำนี้ทำให้ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ภายใต้สภาพการทำงานต่างๆ

การควบคุมแบบไดนามิก

วงจรเบรกแบบไดนามิกพร้อมกับรูปคลื่นที่เกี่ยวข้องแสดงในรูปด้านล่าง ในช่วงเวลาจาก 0 ถึง Ton กระแสอาร์เมเจอร์ ia เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจาก ia1 ไปเป็น ia2 ในช่วงเวลานี้ ส่วนหนึ่งของพลังงานไฟฟ้าถูกเก็บไว้ในอินดักแทนซ์ ทำหน้าที่เป็นที่เก็บพลังงานสำหรับการดำเนินงานต่อไป ในขณะเดียวกัน พลังงานที่เหลือถูกกระจายเป็นความร้อนภายในความต้านทานอาร์เมเจอร์ Ra และทรานซิสเตอร์ TR ซึ่งเป็นผลมาจากความต้านทานไฟฟ้าที่มีอยู่ในส่วนประกอบเหล่านี้

ในช่วงเวลา Ton ≤ t ≤ T กระแสอาร์เมเจอร์ ia ลดลงจาก ia2 ไปเป็น ia1 ในช่วงเวลานี้ ทั้งพลังงานที่สร้างโดยมอเตอร์และพลังงานที่สะสมในอินดักแทนซ์จะถูกกระจายออกทั่วความต้านทานเบรก RB ความต้านทานอาร์เมเจอร์ Ra และไดโอด D ทรานซิสเตอร์ Tr มีบทบาทสำคัญในการควบคุมปริมาณพลังงานที่กระจายใน RB โดยการควบคุมการทำงานของ Tr อย่างแม่นยำ สามารถปรับเปลี่ยนพลังงานที่กระจายใน RB ได้ ทำให้สามารถควบคุมประสิทธิภาพการเบรกและค่าพลังงานที่กระจายได้ การควบคุมนี้ช่วยให้สามารถปรับแต่งกระบวนการเบรกแบบไดนามิกได้ ทำให้มั่นใจว่าการจัดการพลังงานและเสถียรภาพของระบบเป็นไปอย่างเหมาะสม