23. Реверсивные тиристорные преобразователи

Изменение направления тока в нагрузке, необходимое на практике (например, реверсивный электропривод), может быть осуществлено без применения переключающих ап­паратов. Для этого достаточно иметь два комплекта вентилей тиристорных преобразователей (ТП), каждый из которых обеспечивает протекание тока только в одном направ­лении.

Все существующие схемы реверсивных ТП можно раз­делить на два класса: встречно-параллельные и пере­крестные.

Наибольшее распространение в трехфазных мостовых схемах выпрямления получила встречно-параллельная схема соединения комплектов вентилей, так как в ней используется более простой двухобмоточный трансформатор (рис.20, а), и, кроме того, она допускает применение бестрансформаторного питания вентильных комплектов непосредственно от сети трехфазного тока.

В перекрестной схеме (рис.20, б) обязательным является трансформатор Т_р с двумя комплектами вторичных обмоток, что ведет к усложнению конструкции, увеличению габарит­ной мощности и удорожанию трансформатора.

Рисунок 20. Схемы реверсивных преобразователей:

а- встречно – параллельная; б - перекрестная

В зависимости от полярности напряжения на нагрузке Н и направления тока в ней в реверсивном ТП возможны сле­дующие режимы:

1. Напряжение и ток в нагрузке совпадают и имеют пря­мое направление — первый комплект вентилей УВ₁ работает в выпрямительном режиме. При этом угол управления α₁ у вентилей этого комплекта 0 < α₁ < 90°, и нагрузка потребляет энергию.

2. Напряжение на нагрузке обратное, но ток в нагрузке продолжает протекать в прямом направлении — комплект УВ1 работает инвертором (90° < α₁ < 180°). Энергия из цепи нагрузки отдается в сеть.

3. Напряжение и ток нагрузки обратные — комплект УВ2 работает выпрямителем (0 < α₂ < 90°), и нагрузка потребляет энергию.

4. Напряжение на нагрузке прямое, а ток обратный — УВ2 работает в инверторном режиме (90° < α₂ < 180°), и нагрузка отдает энергию в сеть.

Перевод ТП и нагрузки из одного режима в другой осу­ществляется путем воздействия на углы управления вентиль­ными комплектами.

В реверсивных ТП необходимо, чтобы переход тока от одного вентильного комплекта к другому переходил без пауз, ухудшающих динамические характеристики ТП, и чтобы в контуре, образованном обеими группами (в схемах на рис. 20 этот контур показан стрелками), уравнительный ток, бесполезно загружающий вентили и трансформатор, был бы сведен к минимальному значению.

Эти требования выполняются, если равны постоянные со­ставляющие напряжений комплекта, работающего в выпрямительном либо в инверторном режиме, и другого комплекта, через который в данный момент времени ток нагрузки не проходит и управление которым подготовлено соответственно к инверторному или выпрямительном режиму.

Зависимость средних значений напряжений каждого из комплектов вентилей от углов управления этими комплекта­ми α и β (регулировочная характеристика) при непрерывном токе нагрузки и принятом допущении, что коммутация мгно­венная, определяется косинусоидальным законом (рис. 21):

При равенстве средних значений напряжений U_dα = U_dβ будем иметь α = β.

Если учесть, что для инверторного режима (см. рис. 21), то

,

где α₁ и α₂ — углы управления первого и второго комплектов

вентилей, отсчитываемые от точки естественного отпирания вентилей.

В случае, когда управляющие импульсы подаются одно­временно на вентили обоих комплектов ТП, а углы управле­ния соответствуют приведенным выше равенствам, управле­ние называется согласованным.

Рис. 21. Регулировочная характеристика реверсивного преобразователя

Для обеспечения такой связи между углами α₁ и α₂ необ­ходимо, чтобы характеристики вход-выход систем импульсно-фазового управления (СИФУ) обоими комплекта­ми вентилей были зеркально подобными. Для управления ТП чаще всего используются системы управления с арккосинусоидальной характеристикой , при которой результирующая регулировочная характеристика ТП получается линейной во всем диапазоне регулиро­вания.

Несмотря на равенство средних значений напряжений при согласованном управлении имеет место разность мгно­венных значений выходных напряжений комплектов венти­лей ТП. Причиной этого являются пульсации выходных на­пряжений комплектов вентилей. Под действием разности мгновенных напряжений через вентили и обмотки транс­форматора, минуя цепь нагрузки, протекает уравнительный ток i_ур (см. рис. 20). Помимо дополнительных потерь в эле­ментах схемы, уравнительный ток в переходных режимах может привести к аварийным отключениям схемы. Для огра­ничения уравнительного тока в цепь вентильных комплектов включают ограничительные реакторы ОР1 и ОР2.

Рис. 22. Функциональная схема управления преобразователем, питающим якорную цепь электродвигателя

Полное устранение уравнительного тока может быть полу­чено при раздельном управлении комплектами вентилей. Оно заключается в снятии управляющих импульсов с вентилей того комплекта, который в данный момент не проводит ток. В этом случае один из комплектов вентилей всегда заперт и контур для протекания уравнительного тока отсутствует. Бла­годаря этому из схемы можно исключить ограничивающие реакторы и полностью использовать установленную мощ­ность ТП, так как выпрямительный комплект можно откры­вать с нулевым углом управления. Однако при этом усложня­ется система управления ТП, так как приходится вводить в систему датчики тока комплектов вентилей УВ1 и УВ2 либо датчик тока нагрузки ДТ (рис. 22). При спаде тока, проте­кающего через работающий комплект вентилей, либо тока определенного направления в нагрузке до достаточно малого значения, логическим устройством ЛУ вырабатываются ко­манды, управляющие ключами К1 и К2. Последние снимают управляющие импульсы, например, с системы управления СУ1, и подают импульсы на систему управления СУ2 другого комплекта вентилей ТП.

Углы управления вышедшего из работы и вновь вступив­шего в работу комплекта должны отвечать уравнению согла­сованного управления . При этом не нарушает­ся непрерывность результирующей регулировочной характе­ристики. Одновременная работа вентильных комплектов ТП должна быть надежно исключена даже в течение коротких интервалов времени, поскольку при отсутствии ограничи­вающих реакторов броски уравнительного тока могут быть весьма значительными.

Если ТП питает обмотку возбуждения электродвигателя, то система управления относительно проста. Переключение комплектов вентилей происходит в функции знака сигнала управления электродвигателем, а логическое устройство не разрешает произвести переключение до тех пор, пока не уменьшится ток нагрузки.

При питании якорной цепи электродвигателя от ТП требу­ется более сложная система управления, так как рекупера­тивный режим возможен при сохранении знака управляюще­го сигнала. В этом случае для формирования сигнала, воздей­ствующего на переключение комплектов, необходимо вклю­чить ТП в замкнутую систему управления, что лишает его той автономности, которой обладает реверсивный ТП с согласо­ванным управлением.

От этого недостатка свободна схема со сканирующей ло­гикой, в которой логическое устройство не связано с сигна­лом управления и находится постоянно в режиме поиска нужного комплекта (при отсутствии запрета со стороны дат­чика тока). Благодаря этому происходит постоянное переключение комплектов до тех пор, пока не появится ток в одном из них.

В табл. 1.1 приводятся сравнительные характеристики со­вместного и раздельного управления тиристорными преобра­зователями.

При совместном управлении суммарная нагрузка преобра­зователей может значительно превышать полезную нагрузку на выходе из-за наличия уравнительных токов. Однако эти же токи позволяют обеспечивать непрерывное плавное управление при малом токе нагрузки или при его отсутствии. Данные обстоятельства обусловливают целесообразность объединения в одной системе принципов раздельного и со­вместного управления. В данной комплексной системе управ­ления двухкомплектный преобразователь преимущественно работает в режиме раздельного управления. Однако при уменьшении тока нагрузки ниже определенного уровня обес­печивается режим совместного управления с уравнительными токами, позволяющий осуществлять плавное и непрерывное регулирование при прерывистом токе якоря.

Таблица 1.1 Сравнительные характеристики совместного и раздельного управления тиристорных преобразователей
Совместное управление	Раздельное управление
Требуются уравнительные токоограничивающие реакторы	Может возникнуть потребность в реакторах для уменьшения зоны прерывистых токов
Уравнительные токи вызывают до­полнительные потери и снижают КПД преобразователя	Высокий КПД
Простота реализации непрерывного плавного регулирования	Сложность схемных решений, обес­печивающих непрерывное и плавное регулирование в зоне прерывистых токов
Преобразователи работают в режиме непрерывных токов	Возможен режим прерывистых то­ков
Характеристика вход-выход линейна	Характеристика вход-выход в режи­ме прерывистых токов нелинейная
Высокое быстродействие благодаря непрерывному характеру тока через преобразователи	Пониженное быстродействие
Токи короткого замыкания, между преобразователями при ложных сра­батываниях ограничиваются реакто­рами	При ложных срабатываниях возни­кает режим короткого замыкания
Суммарная нагрузка преобразовате­лей превышает величину полезной нагрузки на выходе	Суммарная нагрузка преобразовате­лей равна нагрузке на выходе

В комплексной системе управления двухкомплектным преобразователем уравнительные токи протекают лишь при малых токах нагрузки, поэтому габариты реактора невелики. При больших нагрузках, когда работает один комплект пре­образователя и отсутствуют уравнительные токи, магнитопровод реактора насыщается, и он практически не оказыва­ет влияние на работу электропривода.