ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

РЕКУПЕРИРУЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

К рекуперирующим преобразователям согласно ГОСТ 23414-79 относятся преобразователи, которые могут передавать энергию и в прямом, и в обратном (от потребителя к ее источнику или в сеть) направлении, а именно:

1) однокомплектные преобразователи, у которых постоянный ток в питающей или приемной цепи может протекать только в одном направлении и, следовательно, внешние характеристики расположены в первом и четвертом квадрантах (рис. 3.19);

2) обратимые двухкомплектные преобразователи, в которых может изменяться направление тока при не­изменной полярности постоянного на­пряжения, а внешние характеристики расположены в первом и четвертом квадрантах;

3) реверсивные двухкомплектные преобразователи, в которых может меняться как направление тока, так а полярность постоянного напряжения я внешние характеристики занимают все четыре квадранта.

Во всех случаях рекуперация энергии сопровождается переходом вы­прямителя в режим ведомого инвер­тора.

Изменение направления потока энергии требует изменения знака. мощности на выходе преобразовате­ля, т. е. изменения направления тока или напряжения. Но постоянный ток не может изменить своего направления относительно выводов из-за односторонней проводимо­сти вентилей. Поэтому изменение знака мощности может быть до­стигнуто только за счет изменения знака выпрямленного напряжения.

На выходе управляемого выпрямителя напряжение можно сде­лать отрицательным, при достаточной катодной индуктивности и надлежащем управлении.

В точке максимума тока te ЭДС самоиндукции Обращается в нуль (рис. 3.20), затем, с последующим уменьшением тока, оиа меняет знак и, суммируясь с напряжением сети, будет увеличивать напряжение, действующее в контуре,

ил—ис--еь=еи--гі.

Ток в цепи станет:

Uc + — ея

После перехода напряжения сети в отрицательную область дей­ствующим напряжением будет только ЭДС самоиндукции мд=«і, и

ток будет поддерживаться только за счет энергии, запасенной в ин­дуктивности:

eL — е„ — г і — ис

Если теперь изменить знак противо-ЭДС, наступит режим инвер­тирования. Действующим напряжением станет сумма противо-ЭДС и (при уменьшении тока) ЭДС самоиндукции. При возрастании тока цепи (eL<0)

en—eL — uc — г і

ЭДС самоиндукции будет увеличивать нд при уменьшении тока и уменьшать его в противном случае.

На рис. 3.20 сопоставляются выпрямительный (рис. 3.20,а) и инверторный (рис. 3.20,6) режимы.

Угол включения в инвергорнсЛи режиме обычно отсчитывают от пересечения синусоид напряжения сети не в положительной, как в выпрямительном режиме, а в отрицательной области. Этот угол называют углом опережения и обозначают буквой р. С углами за­паздывания а и управления '0' он связан соотношениями:

а-|-Р=я; Р=л/2-| ft.

Преобразователь, переходя в инверторный режим, продолжает воспринимать синусоидальное напряжение сети. Он не может рабо­тать автономно, без сети периодического тока, хОгя и получает энер­гию от источника постоянного тока. Поэтому преобразователи, рабо­тающие в инверторном режиме, называют ведомыми инверторами, в отличие от автономных инверторов, которые могут работать на пассивную нагрузку.

Второе существенное свойство ведо­мых инверторов заключается в том, что преобразователь может работать в инверторном режиме только благодаря управлению вентилями. Управление не­обходимо не только для того, чтобы смещать фазу открытия вентилей в об­ласть отрицательных напряжений сет і, но и для того, чтобы надежно зат­рать вентили в непроводящие интерва­лы времени. При работе преобразова­теля в инверторном режиме между уг­лом включения и напряжением нагруз­ки (сети) существует определенная за­висимость, нарушение которой приво­дит к аварийному режиму короткого замыкания — «опрокидыванию» инвер­тора.

Для безопасного инвертирования необходимо, чтобы после исчезновения тока в вентиле и до перехода напря­жения на вентиле в положительную область оставалось достаточное время для надежного восстановления запи­рающего свойства вентиля. Область безопасного инвертирования, исключающая короткое замыкание, мо­жет быть выражена простым соотношением, вытекающим непосред­ственно из рис. 3.21.

Для прерывистых токов

е — Ье

90 ^ 2п — — arcsin —б —о,

Е'ГП

для непрерывных токов

_ 2п е — Ае

00<2тс ——arcsin —б - Y — о.

*п

Здесь у — Угол перекрытия, т. е. угол одновременной проводи­мости двух вентилей, 6 — угол, необходимый для надежного восста­новления запирающих свойств вентилей, Де — падение напряжен ія в вентиле.

На рис. 3.21 показан переход от положительного напряжения в выпрямительном режиме (рис. 3.21,а) до отрицательного напря­жения в инверторном режиме (рис. 3.21,6).

При переходе от выпрямления к инвертированию внешние ха­рактеристики выпрямителя переходят из первого квадранта в чет­вертый (см. рис. 3.19).

Характеристики инвертора, расположенные в четвертом квадран­те, называют входными характеристиками инвертора. Как и внешние характеристики выпрямителя, входные характеристики инвертора име­ют области непрерывных и прерывистых токов.

В области непрерывных токов входные характеристики инвер­тора описываются той же линейной функцией, что и внешние вы­прямителя: но расчетам значение напряжения холостого хода в них £ga = kmЕщ cos ot = sin в

имеет отрицательное значение.

В пересечении с осью абсцисс £/=0, внешние и входные харак­теристики дают ток короткого замыкания. Максимальное отрицатель­ное значение входных характеристик ограничено пунктирной пря­мой, которая называется ограничительной характеристикой и опреде­ляет границы безопасной работы инвертора. Ограничительная харак­теристика является зеркальным отражением внешней характеристик» неуправляемого выпрямителя а=0 относительно оси абсцисс.

Инверторный режим управляемого4 выпрямителя расширяет об­ласть его работы с первого квадранта внешних характеристик на четвертый квадрант, но для некоторых видов преобразователей не­обходимо реверсивное, т. е. знакопеременное, управление выпрямлен­ным напряжением нагрузки во всех четырех квадрантах внешних ха1- рактеристик (см. рис. 3.19). Эта задача решается двумя способами: с одним и с двумя управляемыми выпрямителями.

Первый способ осуществляется перекрестным переключением про­водов между выпрямителем и нагрузкой посредством переключате­ля— реверсора (рис. 3.22,а). При таком переключении выпрямленное- напряжение преобразователя и противо-ЭДС нагрузки (например, двигателя постоянного тока) суммируются алгебраически. Поэтому для ограничения тока цепи одновременно с переключением необ­ходимо изменить знак выпрямленного напряжения на обратный. Это* достигается смещением угла открытия в область отрицательных на­пряжений сети, т. е. в область инверторного режима.

Схемы с переключателем самые простые и дешевые. Они при1- меняются везде, где можно допустить паузу, необходимую для без­опасности переключения, продолжительность которой в современных, преобразователях невелика (порядка 3 мс).

В случаях, требующих большего быстродействия, применяются - преобразователи с двумя коммутаторами в двух вариантах.

По первому варианту параллельно первому УВК присоединяют второй УВК с обратной проводимостью вентилей, открывающей путь, току нагрузки в обратном направлении (рис. 3.22,6). Такая встречно - параллельная схема может работать и без трансформатора.

По второму варианту двигатель питается от двух УВК, постоянно соединенных по перекрестной схеме (рис. 3.22,в).

В обеих схемах с двумя УВК в первом квадранте нагрузка пи1- тается от перве^го УВК, а второй в это время подготовлен к инвер­торному режиму при таком же, но с обратным по знаку среднем1 значении выпрямленного напряжения. После реверса функции УВК меняются.

В схеме с реверсором процесс реверса в основных чертах проис­ходит следующим образом (рис. 3.23).

Сначала ЭДС выпрямителя снижается на участке 1—3 первого квадранта. В момент 3, когда ток достигает нуля, реверсор переклю­чает выводы выпрямителя и нагрузки и одновременно угол включе­ния смещается в область инверторного режима, т. е. в точку 5 квад-

ранта II. Благодаря этому несмотря на переключение ЭДС выпря­митель сохраняет положительный знак относительно ЭДС нагрузки. Затем изменением угла выпрямитель переводится в выпрямительный режим квадранта III (точка 6). При этом внешняя характеристика преобразователя и электромеханическая двигателя проходят точки 2 и 4.

Процесс реверса в преобразователях с двумя УВК отличается в основном тем, что вместо переключения однн УВК обеспечивает работу преобразователя в квадрантах II и III, а другой — в I и IV. Когда один УВК настроен па работу вентилей в выпрямительном режиме, второй — в инверторном, и наоборот.

Переход из одного режима в другой осуществляется так же, как и в случае одного выпрямителя. Основные сложности связаны с обес­печением надлежащих условий перевода тока с одного УВК на дру­гой. В этом отношении схемы реверсивных преобразователей деляг на два класса: схемы с совместным управлением обоими коммута­торами и схемы с раздельным управлением.

В схемах первого класса вентили обоих УВК открыты одновре­менно. Когда один УВК проводит ток в выпрямительном режиме, другой подготовлен, чтобы проводить ток в инверторном режиме.

В схемах второго класса включение вентилей одного УВК за­блокировано на время, пока проводит ток другой УВК.

Для всех реверсивных преобразователей важным вопросом яв­ляется правильное согласование углов включения выпрямительного Я инверторного УВК, с тем чтобы обеспечить плавный переход 1*3 одного режима в другой, без резких толчков тока.

Это условие выполняется в первом приближении, если среднее значение выпрямленного напряжения выпрямителя равно среднему значению выпрямленного напряжения инвертора. Для этого необхо­димо, чтобы в пренебрежении падением напряжения на вентилях углы включения выпрямителя а и инвертора |3 удовлетворяли урав­нению

•cos ав=^—cos аи,

При соблюдении указанного условия будут равны только сред­ние значения выпрямленных напряжений, но в общем случае аф& п и мгновенные значения ЭДС не будут уравновешены (рис. 3.24,а). Для ограничения токов от импульсов не­уравновешенных ЭДС (рис. 3.24,6) цепь нагрузки включают на УВК чн - рез средние точки реакторов, как эю показано на рис. 3.25 для двух тре<- фазных выпрямителей: по лучевой с'-е - ме (рис. 3.25,а) и по мостовой (рис.

3.25,6). УВКі и УВК2 обеспечивают по­переменно прямое и обратное направ­ления тока в нагрузке Н.

Режим обратимой работы имеет место, если не используется изменение полярности постоянного напряжения,

Рис. 3.25

например в нереверсивном приводе постоянного тока, где при тор­можении меняется только знак тока при переходе из первого квад­ранта во второй.