1.12 Реверсивные преобразователи постоянного тока

Реверсивным называют преобразователь, обеспечивающий протекание тока нагрузки в обоих направлениях. На базе реверсивных преобразователей строят электроприводы постоянного тока, позволяющие управлять двигателем во всех четырех квадрантах. Возможно три способа управления скоростью двигателя постоянного тока: 1) изменением напряжения на статоре двигателя при постоянном напряжении возбуждения; 2) изменением напряжения возбуждения при постоянном напряжении на статоре; 3) изменением напряжения возбуждения и напряжения на статоре. При управлении по обмотке возбуждения требуется преобразователь меньшей мощности, однако, в этом случае электропривод обладает худшими динамическими свойствами.

Рис. 1.12.1

Реверсивные преобразователи выполняют либо однокомплектными, либо двухкомплектными. Однокомплектные преобразователи содержат переключатель направления тока нагрузки при неизменном направлении выпрямленного тока преобразователя, рисунок 1.12.1.

Рис. 1.12.2.

Переключатель может быть как контактным, так и бесконтактным. Переключение производится при отсутствии тока. Основным достоинствами однокомплектных преобразователей являются: простата, малые габариты и стоимость. Недостатки: большая длительность безтоковой паузы, быстрый износ контактов, трудности управления в некоторых режимах, ограниченное число переключений (до 600 в час), меньший КПД и надежность. Применяются в электроприводах малой и средней мощности (до 250кВт).

В

Рис. 1.12.3

электроприводах средней и большой мощности применяют двухкомплектные преобразователи, в которых для каждого направления тока нагрузки используется отдельный комплект вентилей. Комплекты соединяют либо по перекрестной, рисунок 1.12.2, либо по встречно-параллельной схеме, рисунок 1.12.3. Вследствие более простой конструкции трансформатора, чаще применяется встречно-параллельная схема.

Различают два вида управления тиристорными группами – совместное и раздельное. При раздельном управлении импульсы управления одновременно подаются только на один комплект преобразователя. При совместном управлении отпирающие импульсы подаются на тиристоры как одной, так и другой групп во всех режимах работы привода, задавая одной группе режим выпрямления, а другой – режим инвертирования. В зависимости от способа формирования углов управления тиристорными комплектами совместное управление разделяют на согласованное и не согласованное.

При совместном согласованном управлении углы отпирания тиристорных групп преобразователя связаны между собой условием: _I + _II = 180. Если тиристорная группа I работает в режиме выпрямления с углом управления _I, то для задания группе II режима инвертирования на нее необходимо подать угол опережения _II = 180 - _II, а так как _II = 180 - _I, то при совместном согласованном управлении получаем, что _II = _I. Допустим, пуску двигателя с прямым направлением вращения будет соответствовать работа группы I в выпрямительном режиме. Пусковой режим будет осуществляться путем уменьшения угла _I, проходя значения ₁, ₂, … , рисунок 1.12.4. Потребление энергии от сети через группу I будет продолжаться и при частоте вращения n_ном. При этом группа II будет находиться в готовности к осуществлению инверторного режима. Режим инвертирования через группу II наступает при торможении двигателя либо для перехода на более низкую частоту, либо для реверса. Торможение осуществляется увеличением угла _I, что вызывает перемещение рабочей точки привода в область характеристик квадранта II, так как частота вращения мгновенно измениться не может. В случае перехода на более низкую частоту вращения после торможения рабочая точка вновь возвращается в область характеристик квадранта I. При реверсе угол _I продолжают увеличивать до значения _I = _II =  , после чего тиристорная группу I переходят в режим инвертирования, а группу II в режим выпрямления и осуществляют разгон с обратным направлением вращения двигателя в третьем квадранте.

Рис. 1.12.4.

Реверсивный преобразователь с совместным управлением позволяет создать электропривод с высокими динамическими свойствами. Недостатком совместного управления является необходимость принятия мер по уменьшению так называемого уравнительного тока. Уравнительный ток возникает под действием уравнительного напряжения, создаваемого разностью мгновенных значений напряжений U_dI, U_dII двух тиристорных групп. Для уменьшения уравнительного тока в схему вводят насыщающиеся или ненасыщающиеся ограничительные реакторы. Если используются насыщающиеся реакторы рисунок 1.12.2, то два, относящиеся к группе участвующей в преобразовании энергии, под действием протекающего через них тока находятся в состоянии насыщения, например L₁, L₃. Два других L₂, L₄ при этом не насыщены и участвуют в ограничении уравнительного тока. При использовании ненасыщающихся реакторов в схеме оставляют только два из них L₁, L₄ или L₂, L₃.

Для борьбы с уравнительным током также используют совместное несогласованное управление. При таком управлении _I  _II  и _I + _II > 180. В этом случае непрерывный уравнительный ток не может появиться т.к. нескомпенсированное постоянная составляющая напряжения подпирает тиристоры, но в этом случае ухудшается использование трансформатора и ухудшается коэффициент мощности преобразователя.

Проблема уменьшения уравнительного тока полностью исключается в случае применения раздельного управления тиристорными группами преобразователя. Рассмотрим процесс реверса при раздельном управлении, рисунок 1.12.5. Допустим, группа I работает в выпрямительном режиме и вращает двигатель в прямом направлении. Импульсы управления на группу II не подаются, уравнительный ток отсутствует. Для реверсирования тока в момент t₁ снимаем импульсы управления с тиристоров группы I, при этом ток нагрузки со скоростью определяемой индуктивностью нагрузки и сглаживающего дросселя спадает до нуля, момент t₂. Спустя время паузы t₂ - t₃, достаточной для восстановления запирающих свойств тиристоров комплекта I, подаем отпирающие импульсы на комплект II с углом _II > 90. В силу инерционности двигателя с нагрузкой частота вращения за время t₁ – t₃, изменяется несущественно. В течении времени t₃ – t₄, комплект II работает в инвертоном режиме, источником энергии служит машина постоянного тока в генераторном режиме. При этом ток I_d2 создает в машине тормозной момент, что приводит к быстрому снижению скорости.

Рис. 1.12.5.

При t₄ угол управления _II = 90, n = 0, E = 0, то есть двигатель останавливается. При дальнейшем уменьшении _II двигатель разгоняется в обратном направлении t₅, при этом комплект II работает в выпрямительном режиме. Необходимость создания пауз в работе тиристорных групп (в аналоговых приводах примерно 5-10 мс, в цифровых 1-2 мс) приводит к ухудшения быстродействия приводов, тем не менее, вполне удовлетворяют требованиям промышленных электроприводов постоянного тока. Необходимыми элементами систем управления реверсивными преобразователями с раздельным управлением являются датчики тока, позволяющие точно зафиксировать спад тока нагрузки до нуля и логическое переключающее устройство (ЛПУ) осуществляющее переключение комплектов.