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, каждый из которых обеспечивает протекание тока только в одном направлении.
Все существующие схемы реверсивных тиристорных преобразователей 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. 1, а), и, кроме того, она допускает применение бестрансформаторного питания вентильных комплектов непосредственно от сети трехфазного тока.
В перекрестной схеме (рис. 1, 6) обязательным является трансформатор Тр с двумя комплектами вторичных обмоток, что ведет к усложнению конструкции, увеличению габаритной мощности и удорожанию трансформатора.
В зависимости от полярности напряжения на нагрузке Н и направления тока /н в ней в реверсивном тиристорном преобразователе 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 а1 у вентилей этого комплекта 0 < а1 < 90°, и нагрузка потребляет энергию.
2. Напряжение на нагрузке обратное, но ток в нагрузке продолжает протекать в прямом направлении — комплект УВ1 работает инвертором (90° < а1 < 180°). Энергия из цепи нагрузки отдается в сеть.
3. Напряжение и ток нагрузки обратные — комплект УВ2 работает выпрямителем (0 < а2 < 90°), и нагрузка потребляет энергию.
4. Напряжение на нагрузке прямое, а ток обратный — УВ2 работает в инверторном режиме (90° < а2 < 180°), и нагрузка отдает энергию в сеть.
Перевод тиристорного преобразователя и нагрузки из одного режима в другой осуществляется путем воздействия на углы управления вентильными комплектами.
Рис. 1. Схемы реверсивных преобразователей:
а — встречно-параллельная; б — перекрестная
Рис. 2. Регулировочная характеристика реверсивного преобразователя
В реверсивных тиристорных преобразователей необходимо, чтобы переход тока от одного вентильного комплекта к другому переходил без пауз, ухудшающих динамические характеристики тиристорных преобразователей, и чтобы в контуре, образованном обеими группами (в схемах на рис. 1 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 выпрямительному режиму.
Зависимость средних значений напряжений каждого из комплектов вентилей от углов управления этими комплектами а и в (регулировочная характеристика) при непрерывном токе нагрузке и принятом допущении, что коммутация мгновенная, определяется косинусоидальным законом (рис. 2)
Uda = Ud0 cos a; Udfj = Ud0 cos p.
При равенстве средних значений напряжений Uda = Udp будем иметь а = β.
Если учесть, что для инверторного режима β= 180° — a (см. рис. 2), то
a1 + a2 = 180°,
где a1 и a2 — углы управления первого и второго комплектов вентилей, отсчитываемые от точки естественного отпирания.
В случае, когда управляющие импульсы подаются одновременно на вентили обоих комплектов тиристорных преобразователей, а углы управления соответствуют приведенным выше равенствам, управление называется согласованным.
Для обеспечения такой связи между углами а1 и а2 необходимо, чтобы характеристики вход-выход a = /(Ц,) систем импульсно-фазового управления (СИФУ) обоими комплектами вентилей были зеркально подобными. Для управления тиристорными преобразователями чаще всего используются системы управления с арккосинусоидальной характеристикой a = K-arccos (U^, при которой результирующая регулировочная характеристика тиристорных преобразователей Ud = f(Uy) получается линейной во всем диапазоне регулирования.
Несмотря на равенство средних значений напряжений при согласованном управлении имеет место разность мгновенных значений выходных напряжений комплектов вентилей тиристорных преобразователей. Причиной этого являются пульсации выходных напряжений комплектов вентилей. Под действием разности мгновенных напряжений через вентили и обмотки трансформатора, минуя цепь нагрузки, протекает уравнительный ток гур (см. рис. 1). 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.
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 тиристорных преобразователей, так как выпрямительный комплект можно открывать с нулевым углом управления. Однако при этом усложняется система управления тиристорными преобразователями, так как приходится вводить в систему датчики тока комплектов вентилей УВ1 и УВ2 либо датчик тока нагрузки ДТ (рис. 3). 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 тиристорных преобразователей.
Рис. 3. Функциональная схема управления преобразователем, питающим якорную цепь электродвигателя
Углы управления вышедшего из работы и вновь вступившего в работу комплектов должны отвечать уравнению согласованного управления а1 + а2 = 180°. При этом не нарушается непрерывность результирующей регулировочной характеристики. Одновременная работа вентильных комплектов тиристорных преобразователей должна быть надежно исключена даже в течение коротких интервалов времени, поскольку при отсутствии ограничивающих реакторов броски уравнительного тока могут быть весьма значительными.
Если тиристорный преобразователь 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 тиристорного преобразователя 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 тиристорный преобразователь в замкнутую систему управления, что лишает его той автономности, которой обладает реверсивный тиристорный преобразователь 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.