Ayırık Tahrikli DC Motorun Kesici Kontrolü

Bir chopper, sabit bir doğrudan akım (DC) gerilimini değişken bir DC gerilimine dönüştüren bir cihazdır. Metal Oksit Yarıiletken Alan Etkili Tranzistörler (MOSFET'ler), yalıtılmış kapak ikiz kutup transistörler (IGBT'ler), güç transistörleri, Kapak ile Kesme Thyristörler (GTO'lar) ve Entegre Kapak Komütasyonlu Thyristörler (IGCT'ler) gibi kendi kendini komütasyon yapan cihazlar, genellikle chopperların yapımında kullanılır. Bu cihazlar, düşük güç girdileri kullanarak doğrudan bir kapı kontrol sinyaliyle açılıp kapatılabilir ve ek bir komütasyon devresine ihtiyaç duymazlar, bu da onları chopper uygulamaları için oldukça etkili ve pratik hale getirir.

Chopperlar genellikle yüksek frekansta çalıştırılır. Bu yüksek frekanlı çalışma, gerilim ve akım dalgalanmalarını azaltarak ve kesintili iletimi ortadan kaldırarak motor performansını önemli ölçüde artırır. Chopper kontrolünün en belirgin avantajlarından biri, çok düşük dönme hızlarında bile yeniden jeneratif frenlendirme özelliğini sağlayabilmesidir. Bu özellik, sürücü sistemi sabit-düşük DC gerilim kaynağıyla beslendiğinde, frenleme işlemlerinde verimli enerji toplamasına olanak sağladığından özellikle değerlidir.

Motor Kontrolü

Aşağıdaki şekil, bir tranzistör chopper tarafından kontrollenen ayrımlı bir DC motoru göstermektedir. Tranzistör Tr, bir Tr periyodu ile periyodik olarak anahtarlanır ve Ton süresi boyunca iletken durumda kalır. Motor terminal geriliminin ve armatür akımının karşılık gelen dalga formları da figürde gösterilmiştir. Tranzistör açık olduğunda, motor terminal gerilimi V'dir ve motorun işleyişi şu şekilde açıklanabilir:

Bu spesifik zaman aralığında, armatür akımı ia1'den ia2'ye yükselmektedir. Bu faz, motorun bu süre zarfında doğrudan güç kaynağına bağlı olduğu için görev aralığı olarak adlandırılır. Doğrudan bağlantı, kaynaktan gelen elektrik enerjisini motora aktarır, böylece mekanik tork oluşturup dönmeye devam edebilir.

t = ton olduğunda, tranzistör Tr devre dışı bırakılır. Daha sonra, motor akımı diode Df üzerinden serbest dolaşmaya başlar. Sonuç olarak, motor terminal gerilimi ton≤t≤T zaman aralığında sıfıra düşer. Bu aralık, serbest dolaşma aralığı olarak bilinir. Serbest dolaşma fazında, motorun manyetik alanı ve endüktansındaki depolanan enerji, serbest dolaşma diyotu aracılığıyla bir kapalı çevrede akımın akışını sürdürerek tüketilir. Bu aralıktaki motorun işleyişi, devre bileşenleri arasındaki elektriksel ve manyetik etkileşimler incelenebilir ve tanımlanabilir.

Motor akımı bu aralıkta ia2'den ia1'e düşer. Görev aralığı ton'un chopper periyodu T'ye oranı, göreve oran olarak adlandırılır.

Yeniden Jeneratif Frenleme

Aşağıdaki şekil, yeniden jeneratif frenleme işlemi için yapılandırılmış bir chopperı göstermektedir. Tranzistör Tr, bir T periyodu ve bir ton açık süresi ile döngülü olarak anahtarlanır. Yanında sürekli iletim koşullarında motor terminal gerilimi va ve armatür akımı ia'nın dalga formu gösterilmiştir. Endüktans değeri La'yı artırmak için dış bir endüktör devreye dahil edilmiştir.

Tranzistör Tr açık olduğunda, armatür akımı ia, ia1'den ia2'ye yükselir. Bu akım artışının gerçekleşmesi, elektrik enerjisinin geçici olarak endüktör ve motorun manyetik alanında depolanması ve yeniden jeneratif frenlemenin karakteristik enerji dönüşüm sürecinin hazırlanması ile ilgilidir.

Motor yeniden jeneratif frenleme modunda çalışırken, bir jeneratör olarak işlev görerek mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Bu elektrik enerjisinin bir kısmı, armatür devresinin endüktansındaki manyetik enerjinin artırılmasına katkıda bulunur. Aynı zamanda, bu bileşenlerin doğal direnci nedeniyle, kalan elektrik enerjisi armatür sarımları ve tranzistörlerde ısı olarak dağılır.

Tranzistör kapandığında, armatür akımı diode D ve güç kaynağı V üzerinden ia2'den ia1'e düşer. Bu süreçte, devrede depolanan elektromanyetik enerji ve makinede üretilen enerji, güç kaynağına geri beslenir. 0'dan ton'a kadar olan zaman aralığı, enerji depolama aralığı olarak tanımlanır, bu aralıkta enerji sistemde birikir. Buna karşılık, ton'dan T'ye kadar olan aralık, enerji transferi ve sistem işleminin gerçekleştiği görev aralığı olarak adlandırılır.

Motor ve Frenleme İşlem Kontrolü

Motorlama işlemi sırasında, tranzistör Tr1, motora güç sağlaması için düzenlenir, böylece ileri yönde döner. Buna karşılık, frenleme işlemi için kontrol tranzistör Tr2 tarafından devralınır. Tr1'den Tr2'ye kontrolün geçişi, sistemin motorlamadan frenlemeye, ve bu kontrolün tersine aktarılması motorlama durumuna dönüşmesini sağlar. Bu hassas kontrol mekanizması, farklı çalışma koşullarında elektrik sürücü sisteminin verimli ve güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlar.

Dinamik Kontrol

Dinamik frenleme devresi ve karşılık gelen dalga formu aşağıdaki figürde gösterilmiştir. 0'dan Ton'a kadar olan zaman aralığında, armatür akımı ia, ia1'den ia2'ye düzgün bir şekilde yükselir. Bu fazda, elektrik enerjisinin bir kısmı endüktanslarda saklanarak, sonraki işlemler için bir rezervuar görevi görür. Aynı zamanda, kalan enerji, bu bileşenlerde bulunan elektrik direnç nedeniyle armatür direnci Ra ve tranzistör TR'de ısı olarak dağılır.

Ton ≤ t ≤ T zaman aralığında, armatür akımı ia, ia2'den ia1'e düşer. Bu fazda, hem motordan üretilen enerji hem de endüktanslarda saklanan enerji, fren direnci RB, armatür direnci Ra ve diod D arasında dağılır. Tranzistör Tr, RB'de dağıtılan enerji miktarını düzenler. Tr'nin operasyonunu hassas bir şekilde kontrol ederek, RB'de dağıtılan gücünü etkili bir şekilde modüle edebilir, böylece genel frenleme performansını ve dağıtılan enerjinin etkin değerini etkileyebilir. Bu kontrol mekanizması, dinamik frenleme işlemini ince ayarlamanıza, optimal enerji yönetimini ve sistem istikrarını sağlamanıza olanak tanır.