6.7. РЕВЕРСИВНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Реверсивными называются преобразователи, позволяющие изменять полярность постоянного напряжения и тока в нагрузке. Реверсивные преобразователи используются, главным образом, в электроприводе для изменения направления вращения двигателей постоянного тока.

Структурная схема реверсивного выпрямителя приведена на рис. 6.18, а. Преобразователь состоит из двух вентильных комплектов , подключенных к нагрузке встречно-параллельно. Каждый из комплектов может быть построен на основе любой рассмотренной схемы управляемых выпрямителей (см. § ).

Рис. 6.18. Реверсивный преобразователь (а) и диаграммы токов и напряжения в нагрузке и углов управления комплектов при реверсе (б)

При работе ток в нагрузке протекает в положительном направлении. При работе полярность тока изменяется на противоположную.

В зависимости от способа управления вентильными комплектами реверсивные преобразователи бывают двух видов:

1. Реверсивные преобразователи с раздельным управлением, при котором управляющие импульсы приходят только на один из комплектов, проводящих ток. Импульсы управления на второй комплект в это время не подаются, и его вентили заперты. Реактор в схеме может отсутствовать.

2. Реверсивные преобразователи с согласованным управлением, при котором импульсы управления поступают одновременно на вентили обоих вентильных комплектов с определенным согласованным углом управления: , где — углы управления соответственно. В схеме рис. 6.18 имеется реактор .

Рассмотрим работу реверсивного преобразователя при раздельном управлении, предположив, что нагрузкой вместо R является двигатель постоянного тока М с независимым возбуждением (рис. 6.18, а).

При отпирании полярность напряжения и направление тока соответствуют указанным на рис. 6.18, а. Для реверсирования тока в момент U (рис. ) снимаем импульсы управления с При этом ток L спадает до нуля со скоростью, определяемой индуктивностью сглаживающего дросселя . Спустя время паузы, достаточное для прекращения тока , При подаем отпирающие импульсы на с углом управления . В силу инерции двигателя с нагрузкой частота вращения и напряжение на якоре Е за время паузы практически не изменяются. Так как при работает в инверторном режиме, двигатель переходит в генераторный режим, т. е. выступает в роли источника энергии. Ток создает в машине тормозной момент, что приводит к быстрому снижению скорости и ЭДС в цепи якоря Е. Торможение двигателя с возвратом в питающую сеть энергии, запасенной во вращающихся массах, называется рекуперативным. Скорость убывания угла управления при торможении часто выбирают такой, чтобы инвертирование в условиях снижающегося Е проходило при номинальном токе .

При угол управления , скорость , т. е. двигатель останавливается. Продолжая уменьшать , разгоняем двигатель до номинальной скорости в противоположном направлении (момент ). При этом работает в выпрямительном режиме и полярность выходного напряжения изменяется на обратную.

Для торможения двигателя теперь надо снять импульсы управления с и, выждав паузу, включить в инверторном режиме при . На интервалах (рис. ) работает в выпрямительном режиме, на интервале — в инверторном режиме, а на интервале работает выпрямителем и т.д.

При раздельном управлении между интервалами работы необходима бестоковая пауза, в течение которой восстанавливаются запирающие свойства тиристоров. При отсутствии паузы возможно образование короткозамкнутого контура из-за одновременного включения . Необходимыми элементами систем управления реверсивными преобразователями с раздельным управлением являются датчики тока нагрузки, которые позволяют точно зафиксировать момент спада тока к нулю и исключить возможность короткого замыкания вентилей преобразователя.

При согласованном управлении управляющие импульсы подаются одновременно на , причем для углов управления комплектов выполняется равенство 180°. Один из комплектов работает в выпрямительном режиме, другой в это же время — в инверторном режиме. Выходные ЭДС комплектов равны, но противоложиы по знаку при учете показанных на рис. 6.18, с стрелок, указывающих принятую за положительную полярность

Поскольку ЭДС направлены навстречу и равны, постоянный ток в контуре, включающем оба комплекта, отсутствует при любом значении напряжений. Однако мгновенные значения . отличаются друг от друга за счет разницы углов управления Разность мгновенных значений напряжений прикладывается к уравнительному реактору , выполняющему примерно ту же функцию, что и в схемах рис. 6.15, а, 6.16, б.

Допустим, что из-за увеличения момента на валу двигателя он начинает тормозиться, скорость и ЭДС Е уменьшаются. Тогда и в цепи якоря увеличивается, ток Этот ток будет создавать дополнительный вращающий момент, и двигатель ускорится. В результате двигатель будет работать в установившемся режиме, когда его вращающийся момент равен моменту сопротивления на валу. При этом работает в выпрямительном режиме, закрыт, поскольку .

При уменьшении угла управления возрастет ЭДС Ем, следовательно, растут ток, вращающий момент двигателя, его скорость и ЭДС Е. При резком увеличении угла противо-ЭДС якоря Е окажется больше, чем , и будет препятствовать прохождению тока через тиристоры , ток спадет к нулю. Затем в работу вступит , у которого при соответствующем уменьшении выходная ЭДС уменьшилась. При этом комплект работает инвертором и ток , протекая через машину в указанном на рис. 6.18, а направлении, создает тормозной момент, скорость снижается и уменьшается значение Е. При согласованном управлении нагрузка оказывается как бы зажатой между двух источников напряжения , ведущих нагрузку.

Если значение Е увеличивается сверх заданного значения, (например, при уменьшении момента сопротивления на валу), машина будет отдавать энергию через один из вентильных комплектов (в зависимости от направления вращения), работающий как инвертор, если же Е снижается, то двигатель получает энергию от другого вентильного комплекта, работающего как выпрямитель. Таким образом, в реверсивном преобразователе с согласованным управлением напряжение на нагрузке следует за средним значением внутренней ЭДС вентильных комплектов.

Рассматриваемая схема рис. 6.18, а может работать в циклическом режиме, при котором внутренняя ЭДС преобразователя будет изменяться по синусоидальному закону. В таком случае получаем непосредственный преобразователь частоты (НПЧ). Рассмотрим работу НПЧ с раздельным управлением вентильными комплектами. Внутренняя ЭДС обоих комплектов в соответствии с (6.2)

Для того чтобы выходная ЭДС преобразователя изменялась по синусоидальному закону , необходимо изменять углы управления вентильных комплектов по закону.

где коэффициент v задает значение выходного напряжения.

На рис. 6.19 показаны кривые выходной ЭДС, выходного тока НПЧ и изменения углов управления .

Рис. 6.19. Временные диаграммы токов, напряжений и углов управления в непосредственном преобразователе частоты с раздельным управлением ( Гц)

Из-за индуктивного характера нагрузки ток нагрузки отстает от напряжения на угол . Поэтому работает в выпрямительном режиме ВР от момента вступления его в работу до момента после чего угол управления и внутренняя ЭДС изменяет знак. начинает работать в инверторном режиме ИР, а энергия, запасенная в реактивных элементах цепи нагрузки, возвращается в питающую сеть. При ток нагрузки спадает к пулю, вступает в работу в выпрямительном режиме и ток начинает нарастать, но уже в противоположном направлении. Энергия запасается в реактивных элементах нагрузки. В момент направление внутренней ЭДС изменяется ), но ток продолжает течь в прежнем направлении и работает в инверторном режиме.

На рис. 6.19 видно, что мгновенные значения внутренних ЭДС имеют пульсации, которые увеличиваются при снижении отношения . При питании НПЧ от сети промышленной частоты диапазон выходных частот простирается от 0 до 20—25 Гц. Выше этих частот качество выходного напряжения ухудшается, а при Гц работа НПЧ становится невозможной: при таких частотах вентили должны выключаться несколько раз за период выходной частоты, а при естественной коммутации одиооперациоииых тиристоров это неосуществимо. НПЧ с трехфазным выходом создается на основе трех НПЧ с однофазным выходом (рис. 6.18, а), взаимный сдвиг выходных напряжений обеспечивается системой управления.

НПЧ находят применение в электроприводах на основе асинхронных и синхронных машин, а также для питания ряда мощных электротермических и электротехнологических установок.

Мощность реверсивных преобразователей и НПЧ в настоящее время достигает нескольких десятков мегаватт и выше.