Điều khiển chopper của động cơ DC kích từ riêng biệt

Máy chém là thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều (DC) cố định thành điện áp DC biến đổi. Các thiết bị tự thông mạch, như Transistor Trường Hiệu ứng bán dẫn Kim loại - Oxit (MOSFETs), Transistor song cực cách ly cổng (IGBTs), transistor công suất, Thyristor tắt bằng cổng (GTOs), và Thyristor thông mạch bằng cổng tích hợp (IGCTs), thường được sử dụng trong việc xây dựng máy chém. Các thiết bị này có thể được bật hoặc tắt trực tiếp thông qua tín hiệu điều khiển cổng sử dụng đầu vào công suất thấp và không yêu cầu mạch thông mạch bổ sung, làm cho chúng rất hiệu quả và thực tế cho các ứng dụng máy chém.

Máy chém thường hoạt động ở tần số cao. Việc hoạt động ở tần số cao này làm tăng đáng kể hiệu suất của động cơ bằng cách giảm nhiễu điện áp và dòng điện và loại bỏ truyền dẫn gián đoạn. Một trong những lợi ích nổi bật nhất của điều khiển máy chém là khả năng cho phép phanh tái tạo ngay cả ở tốc độ quay rất thấp. Đặc điểm này đặc biệt quý giá khi hệ thống truyền động được cung cấp bởi nguồn điện áp DC cố định đến thấp, cho phép thu hồi năng lượng hiệu quả trong quá trình phanh.

Điều khiển Động cơ

Hình dưới đây minh họa động cơ DC kích thích riêng biệt được điều khiển bởi máy chém transistor. Transistor Tr được chuyển mạch theo chu kỳ Tr, giữ trạng thái dẫn trong thời gian Ton. Các dạng sóng tương ứng của điện áp đầu cuối động cơ và dòng điện armature cũng được mô tả trong hình. Khi transistor đang mở, điện áp đầu cuối động cơ là V, và hoạt động của động cơ có thể được mô tả như sau:

Trong khoảng thời gian cụ thể này, dòng điện armature tăng từ ia1 đến ia2. Giai đoạn này được gọi là khoảng thời gian nhiệm vụ, vì động cơ được kết nối trực tiếp với nguồn điện trong khoảng thời gian này. Kết nối trực tiếp cho phép năng lượng điện từ nguồn được chuyển đến động cơ, giúp nó tạo ra mô men xoắn cơ học và quay.

Khi t = ton, transistor Tr bị vô hiệu hóa. Sau đó, dòng điện động cơ bắt đầu tự do chảy qua điôt Df. Do đó, điện áp tại đầu cuối động cơ giảm xuống zero trong khoảng thời gian ton≤t≤T. Khoảng thời gian này được gọi là khoảng thời gian tự do chảy. Trong giai đoạn tự do chảy này, năng lượng được lưu trữ trong trường từ và độ tự cảm của động cơ được tiêu tán qua điôt tự do chảy, duy trì dòng điện trong vòng kín. Hoạt động của động cơ trong khoảng thời gian này có thể được phân tích và mô tả thêm bằng cách xem xét các tương tác điện và từ trong các thành phần mạch.

Dòng điện động cơ giảm từ ia2 đến ia1 trong khoảng thời gian này. Tỷ lệ giữa khoảng thời gian nhiệm vụ ton và chu kỳ máy chém T được gọi là chu kỳ nhiệm vụ.

Phanh Tái tạo

Hình dưới đây minh họa máy chém được cấu hình cho chế độ phanh tái tạo. Transistor Tr được chuyển mạch theo chu kỳ T và thời gian mở ton. Bên cạnh đó là dạng sóng của điện áp đầu cuối động cơ va và dòng điện armature ia dưới điều kiện truyền dẫn liên tục. Để tăng giá trị độ tự cảm La, một cuộn cảm ngoại vi được đưa vào mạch.

Khi transistor Tr được bật, dòng điện armature ia tăng từ ia1 đến ia2. Sự tăng này xảy ra khi năng lượng điện được lưu trữ tạm thời trong cuộn cảm và trường từ của động cơ, tạo điều kiện cho quá trình chuyển đổi năng lượng tiếp theo đặc trưng của phanh tái tạo.

Khi động cơ hoạt động ở chế độ phanh tái tạo, nó hoạt động như một máy phát, chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Một phần năng lượng điện này góp phần tăng năng lượng từ trường được lưu trữ trong độ tự cảm của mạch armature. Trong khi đó, phần năng lượng điện còn lại được tiêu tán dưới dạng nhiệt trong cuộn dây armature và transistor, do sức cản nội tại của các thành phần này.

Khi transistor được tắt, dòng điện armature đi qua điôt D và nguồn điện V, giảm từ ia2 đến ia1. Trong quá trình này, cả năng lượng từ trường được lưu trữ trong mạch và năng lượng được tạo ra bởi máy đều được phản hồi về nguồn điện. Khoảng thời gian từ 0 đến ton được định nghĩa là khoảng thời gian lưu trữ năng lượng, khi năng lượng tích lũy trong hệ thống. Ngược lại, khoảng thời gian từ ton đến T được gọi là khoảng thời gian nhiệm vụ, khi chuyển giao năng lượng và hoạt động của hệ thống diễn ra.

Điều khiển Hoạt động Động cơ và Phanh

Trong quá trình hoạt động động cơ, transistor Tr1 được điều chỉnh để cung cấp điện cho động cơ, cho phép nó quay về phía trước. Ngược lại, cho quá trình phanh, transistor Tr2 tiếp quản điều khiển. Sự chuyển đổi điều khiển từ Tr1 sang Tr2 chuyển đổi liền mạch hoạt động của hệ thống từ chạy động cơ sang phanh, và việc đảo ngược chuyển đổi điều khiển này chuyển nó trở lại trạng thái chạy động cơ. Cơ chế điều khiển chính xác này đảm bảo hoạt động hiệu quả và tin cậy của hệ thống truyền động điện dưới các điều kiện làm việc khác nhau.

Điều khiển Động học

Mạch phanh động học, cùng với dạng sóng tương ứng, được mô tả trong hình dưới đây. Trong khoảng thời gian từ 0 đến Ton, dòng điện armature ia tăng ổn định từ ia1 đến ia2. Trong giai đoạn này, một phần năng lượng điện được lưu trữ trong độ tự cảm, đóng vai trò như một bể chứa cho các hoạt động tiếp theo. Đồng thời, phần năng lượng còn lại được tiêu tán dưới dạng nhiệt trong sức cản armature Ra và transistor TR, hậu quả cần thiết của sức cản điện trong các thành phần này.

Trong khoảng thời gian Ton ≤ t ≤ T, dòng điện armature ia giảm từ ia2 đến ia1. Trong giai đoạn này, cả năng lượng được tạo ra bởi động cơ và năng lượng được lưu trữ trong độ tự cảm đều được tiêu tán trên sức cản phanh RB, sức cản armature Ra, và điôt D. Transistor Tr đóng vai trò then chốt trong việc điều chỉnh lượng năng lượng tiêu tán trong RB. Bằng cách điều khiển chính xác hoạt động của Tr, có thể điều chỉnh hiệu quả công suất tiêu tán trong RB, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất phanh tổng thể và giá trị hiệu dụng của năng lượng tiêu tán. Cơ chế điều khiển này cho phép điều chỉnh chính xác quá trình phanh động học, đảm bảo quản lý năng lượng tối ưu và sự ổn định của hệ thống.