При реверсе машины постоянного тока по якорной цепи магнитный поток электродвигателя остается неизменным. Направление электромагнитного момента машины меняется благодаря изменению знака тока якоря, что в свою очередь приводит к изменению направления вращения. Реверс тока якоря может быть осуществлен с помощью контактного реверсора, тиристорного (диодного) нереверсивного преобразователя и контактного реверсора, а также с помощью двухкомплектного тиристорного преобразователя.
Электроприводы постоянного тока с контактными реверсорами дешевле вентильных, так как они не требуют дополнительного комплекта вентилей. Однако в случае применения такой системы к электроприводам с частыми реверсами их преимущество быстро сходит на нет, так как двухкомплектные тиристорные преобразователи, в отличии от реверсоров, не требуют частого технического обслуживания и замены механических контактных частей. Срок службы их при правильной эксплуатации значительно больше.
Схема с контактным реверсором
Ниже показана структурная схема тиристорного электропривода, в которой реверс осуществляется с помощью контактного реверсора:
В данном случае величина сигнала задания скорости и его полярность будет определять скорость и направление вращения электродвигателя. Выходной сигнал регулятора скорости будет задающим для регулятора тока. При получении команды на реверс на вход регулятора тока придёт сигнал довольно большой амплитуды, который будет ограничен токоограничивающим звеном, которое не позволит тиристорному преобразователю превысит максимально допустимый ток машины (или ток максимальной уставки). При наличии сигнала «вперед» будут замкнуты одни контакты реверсора, а при получении сигнала «назад» они должны переключиться, однако это будет сделано не сразу. При получении команды «назад» система управления сначала снимает управляющие импульсы с тиристорного преобразователя, снижая тем самым ток в цепи до нуля. Датчик нулевого тока определяет, достиг ли ток в цепи нуля. Если он достиг нуля – произойдет переключение контактов реверсора. Это необходимо для предотвращения электрической дуги в цепи контактного реверсора, чем способствует более длительной его работе.
На рисунке ниже показаны диаграммы напряжений и токов процесса реверса скорости, изменяющиеся от номинальных значений в прямом направлении до тех же номинальных значений, но уже в обратном направлении:
Предполагается, что электродвигатель работает на холостом ходу (не нагружен). Процесс реверса проходит с током, не превышающим заданного значения, поэтому и развиваемый электрической машиной момент будет ограничен. Если пренебречь потерями на вентиляцию и потерями в подшипниках, то скорость будет меняться по линейному закону, уменьшившись сначала до нуля, а потом увеличившись до установившегося значения. В случае линейной зависимости момента сопротивления на валу машины от скорости ее вращения, последняя при реверсе будет изменяться по закону экспоненты, как и показано на графике.
При реверсе электромагнитный момент двигателя может быть выражен как:
Уравнение движения для вала электрической машины имеет вид:
Решив (2) относительно скорости получим:
Где, τм = J/B – электромеханическая постоянная времени электропривода, А – постоянная интегрирования.
Примем за базовое начальное значение угловой скорости:
Подставим это значение в (3):
Откуда определим постоянную интегрирования:
Уравнение экспоненциального изменения скорости электродвигателя при реверсе определяем из (3) и (5):
Из представленной на рисунке (рис. б)) выше диаграммы скорости, напряжений и токов можно сделать вывод, что реверс происходит в три этапа.
Установившийся режим вращения в прямом направлении
В момент времени t1 происходит вращение вала электрической машины в прямом направлении. Замкнуты контакты В (вперед) контактного реверсора и, через эти контакты, от тиристорного преобразователя к электродвигателю протекает ток якоря Iя. Ранее упоминалось, что электродвигатель работает на холостом ходу, поэтому для преодоления моментов сопротивлений вентиляции и трения в подшипниках требуется незначительный ток, которым в машинах большой мощности часто пренебрегают и считают его равным нулю.
Реверс скорости
В момент времени t2 приходит задающий сигнал на смену направления вращения и в этот момент начинается цикл реверса. Управляющие импульсы с тиристоров снимаются или тиристорный преобразователь переводится в инверторный режим (в зависимости от выполнения системы управления). Ток якоря снижается до нуля, та как ЭДС электродвигателя становится больше, чем выходное напряжение преобразователя. Датчик нулевого тока, установленный в якорную цепь электродвигателя, воздействует на релейную схему управления, и она переключает контакты реверсора. Процесс переключения (вначале размыкаются контакты В, а потом замыкаются Н – это необходимо для предотвращения возможных коротких замыканий) происходит в течении 50 – 100 мс. На интервале t3 — t4 двигатель не подключен к питающему напряжению и его вращение происходит по инерции. Если принять во внимание, что механическая инерционность электрической машины относительно велика, то можно считать, что скорость вращения машины на этом участке постоянна.
После срабатывания контактора Н машина вновь подключается к преобразователю. В случае, когда тиристорный преобразователь переведен в инверторный режим, начнется торможение электродвигателя с постоянным Iя и с отдачей энергии в сеть, то есть рекуперативное торможение. Двигатель тормозится и, в момент времени t5 скорость его станет равной нулю. На интервале торможения t4 – t5 угол управления тиристорами постоянно меняется для поддержания постоянного значения Iя. ЭДС и скорость электрической машины станут равными нулю в момент времени t5.
Далее, угол управления тиристорами изменяется для поддержания необходимой интенсивности разгона при этом, не превышая допустимый ток, а электродвигатель продолжает разгоняться уже в обратном направлении.
В момент времени t6 скорость выходит на установившийся уровень. Iя становится соответствующим нагрузке, а изменение угла управления тиристорами прекращается.
Наброс нагрузки
С увеличением момента нагрузки в момент времени t7 возрастет Iя. При этом уменьшатся ЭДС двигателя, выходное напряжение преобразователя и скорость.
Осциллограммы переходных процессов в реальном электроприводе, работающем с контактным реверсором, приведены на рисунке ниже:
На осциллограмме показаны изменения скорости электропривода, Iя и выходного напряжения преобразователя при работе на холостом ходу. На осциллограмме видно, что регулятор поддерживает ток на заданном уровне в процессе реверса. Стоит также отметить и то, что продолжительность процесса реверса напрямую зависит от механической инерционности электропривода, так как время коммутации контактов реверсора относительно мало.
Приведенный пример системы электропривода позволяет несколько сэкономить затраты на силовое электрооборудование и упростить систему управления при удовлетворительном быстродействии. Однако наличие механических контактов в цепи якоря требует постоянного обслуживания.
Схема с двухкомплектным тиристорным преобразователем
Двухкомплектный тиристорный преобразователь способен обеспечить работу электропривода во всех четырех квадрантах с реверсом тока и напряжения в якорной цепи электродвигателя. Данная схема строится на бесконтактных элементах, что обеспечивает ее надежность и быстродействие. В таких схемах могут использоваться тиристорные преобразователи как с раздельным управлением, так и с совместным и комплексным.
В схеме с использованием двухкомплектного устройства по схеме (схема 2) оба комплекты регулируются одновременно. Через оба комплекта тиристоров постоянно протекает уравнительный ток, величина которого составляет не более 20% от полного. Поскольку один тиристорный преобразователь работает в выпрямительном режиме, а другой в инверторном реверс происходит практически мгновенно. Процессы реверса на холостом ходу приведены на рисунке ниже:
Электродвигатель будет вращаться в прямом направлении в момент времени t1. В выпрямительном режиме работает преобразователь 1 и проводит уравнительный ток и ток холостого хода. Преобразователь 2 работает в режиме инвертора и проводит только уравнительный ток, который в процессе реверса может быть принят постоянным.
Команда на реверс поступает в момент времени t2. Напряжения тиристорных преобразователей изменится таким образом, что Iя останется ограниченным заданным значением. В процессе реверса этот ток начинает протекать через второй комплект вентилей, который отдает энергию в сеть. Таким образом, электрическая машина работает в режиме рекуперативного торможения, ее скорость уменьшается и достигается момент времени t3.
С момента времени t3 второй комплект вентилей переходит в выпрямительный режим работы и разгоняет электродвигатель в обратном направлении, а первый комплект вентилей (преобразователь 1) переходит в инверторный режим работы и пропускает только уравнительный ток.
Скорость электрической машины достигает установившегося значения в момент времени t4 и Iя уменьшается до значения тока холостого хода.
К валу двигателя прикладывается нагрузка в момент времени t5.
Если используется система с раздельным управлением углом открывания тиристоров (схема 3) уравнительные реакторы отсутствуют. При таком режиме управления работает только одна группа вентилей, а вторая в этот момент закрыта. Во избежание появления возможных короткозамкнутых контуров при реверсе электропривода, после снятия управляющих импульсов с преобразователя 1, выдерживается бестоковая пауза (как правило, до 20 мс), которая начинается в момент срабатывания датчика нулевого тока.
