Uzwojenie wzbudzenia silnika zasilane jest przez nawrotny przekształtnik tyry­storowy w układzie mostkowym krzyżowym z prądami wyrównawczymi. W celu skrócenia czasu rewersu wzbudzenia, a zatem i martwej strefy bezprądowej, stosuje się dosyć duże wartości współczynnika forsowania napięcia wzbudzenia.

Zadawanie wartości i kierunku prądu wzbudzenia () odbywa się za po­średnictwem 3-położeniowego regulatora 3LL (KP), sterowanego układem logicz­nym UL. Regulator prędkości 2LL (Rn) otrzymuje sygnał zadający prędkość, na­stawiany potencjometrem P przez regulator przyspieszenia ILL (Ra), przy pomocy którego można zadawać różne wartości przyspieszenia i opóźnienia napędu. Układ logiczny UL sterowany jest w funkcji znaku napięcia wyjściowego z regulatora prędkości 2LL (Rń) i sygnałów określających kierunek strumienia magnetycznego, otrzymywanych z przetworników sygnałów prądowych 2SP1 i 2SP2. Przetworniki te połączone są z przekładnikami prądowymi PIwl i PIwl w obwodach zasilania mostków dla wzbudzenia i służą do realizacji sprzężeń zwrotnych ujemnych prądo­wych w regulatorach prądu wzbudzenia 3L (RIwl) oraz AL (RIw2).

Napędy nawrotne dużej mocy, w których można dopuścić, by czas rewersu mo­mentu silnika był znaczny (0,5—1 s), opłaca się wykonywać z jednokierunkowym przekształtnikiem w obwodzie twornika i nawrotnym układem zasilania wzbudze­nia silnika (). Jeżeli napięcie znamionowe silnika jest tak duże, że nie można otrzymać tyrystorów o odpowiedniej klasie napięciowej, to korzystnie jest stosować dwa mostki połączone szeregowo i zasilane z oddzielnych uzwojeń transformatora trój uzwojeniowego. Przy połączeniu jednego z uzwojeń wtórnych transformatora w gwiazdę, a drugiego w trójkąt otrzymuje się efekt 12-taktowego prostowania napięcia falowniki lg . Pozwala to na wydatne zmniejszenie indukcyjności dławika wygładzają­cego prąd twornika przy zachowaniu określonej zawartości składowej zmiennej w prądzie twornika. Dla umożliwienia przepływu prądu w tak połączonym prze­kształtniku, a w szczególności w zakresie prądów przerywanych, na bramkę każdego tyrystora należy przykładać 4 impulsy wyzwalające, przesunięte względem siebie o 30°eł. Uzyskuje się to przez odpowiednie kojarzenie wyjść generatorów impulsów IGD, 2GD, 3GD i 4GD i sumowanie tych impulsów w transformatorze izolacyjnym na każdym z tyrystorów.

Regulator prędkości LL, złożony z regulatora właściwego i inwertora, porównuje sygnał napięcia tachogeneratora z prędkością zadaną nastawianą potencjometrem PI. Napięcia wyjściowe regulatora prędkości LL służą jako wzorzec prądu dla regulatorów prądu 1L i 2L. Wartości ujemne napięć wyjściowych regulatora LL są odcinane diodami na wejściach regulatorów prądu. Jako dodatkowy sygnał za­dający dla prądu wchodzi na wejścia obydwu regulatorów prądu napięcie ustawione na potencjometrze P2, którego wartość jest proporcjonalna do wartości zadanego prądu wyrównawczego. Sygnał zadający prądy wyrównawcze może być załączony dopiero wówczas, gdy obydwa wyłączniki WKl i WK2 są zamknięte i prąd wyrów­nawczy może rzeczywiście płynąć i być regulowanym. W przeciwnym przypadku pod wpływem sygnału z potencjometru P2, wobec braku sprzężenia zwrotnego prądowego ujemnego, obydwa mostki tyrystorowe Tl i T2 zostałyby wysterowane do napięć równych U_so i po załączeniu wyłączników WKl i WK2 wystąpiłby silny udar prądu w obwodzie utworzonym z tych dwóch mostków tyrystorowych Tl i T2.

W przekształtnikach nawrotnych z prądami wyrównawczymi, służących do za­silania uzwojeń wzbudzenia maszyn elektrycznych, istnieją warunki do pojawiania się dynamicznych prądów wyrównawczych z uwagi na to, że w celu forsowania przebiegów przejściowych w obu przekształtnikach następują szybkie zmiany kątów wysterowania a_x i oc₂ w szerokim zakresie. Dla uniknięcia występowania dynamicz­nych prądów wyrównawczych, do sterowania kątem wysterowania przekształtni­ków nawrotnych zasilających duże indukcyjności, stosuje się niesymetryczne re­gulatory prądu wzbudzenia. Takimi regulatorami są regulatory prądu wzbudzenia ge­neratora IRIW i 2PJW :ia .  oraz regulatory prądu wzbudzenia silnika RIwl i RIw2  w napędzie nawrotnym ze zmianą kierunku wzbudzenia silnika.

Przepięcia takie, powodowane bezwładnością ładunku pojemnościowego, wy­stępują wszędzie tam, gdzie istnieje indukcyjność w obwodzie komutacyjnym. Jest to indukcyjność rozproszenia transformatora lub dławików ograniczających wartość prądu zwarcia w obwodzie tyrystorowym w stosunku do sieci. Tyrystor w stanie przewodzenia charakteryzuje się obecnością dużej ilości nośni­ków ładunków przechodzących z wysokodotowanych warstw zewnętrznych p i n do niskodotowanych warstw wewnętrznych n i p. tanie falowniki Obecność tych nośników ładunków znosi zaporowe działanie złącza np. Nośniki ładunków mają pewną trwałość, zanim nastąpi ich zniesienie przez rekombinację. Znaczy to, że po wyłączeniu prądu w obwodzie tyrystora nośniki ładunków nie znikną natychmiast. W chwili zaniku prądu następuje podskok napięcia do aktualnej wartości chwilowej napięcia zasilania U„. Komutacja w tyrystorach i diodach nie przebiega jednak jak w idealnym prostowniku. Nagromadzone nośniki ładunków powodują, że tyrystor nie jest w stanie blokować napięcia bezpośrednio po obniżeniu wartości prądu przepły­wającego do zera. Rekombinacja (rozładowanie) nośników ładunków spowoduje przepływ prądu wstecznego I_R aż do opróżnienia strefy środkowej z nośników ła­dunków. Z chwilą zaniku nośników ładunków następuje gwałtowny zanik prądu zwrotnego, co powoduje indukowanie się napięcia na reaktancjach znajdujących się w obwodzie komutującym ( ). Napięcie indukowane może mieć bardzo wysoką wartość, która jest funkcją indukcyjności obwodu i wartości maksymalnej prądu wstecznego. Wartość maksymalna prądu wstecznego z kolei jest funkcją stromości df_T/d/ prądu w obwodzie komutacji w chwili przejścia prądu przez zero, temperatury złącza i w pewnych granicach wartości prądu przewodzonego przed komutacją.

W celu ograniczenia wartości maksymalnej napięcia powstającego podczas ko­mutacji stosuje się obwód rozładowczy RC połączony równolegle do tyrystora Składa się on z szeregowo połączonych:

—    indukcyjności L’ (transformatora lub dławików);

—    pojemności C”;

—    opornika R’ ograniczającego maksymalny prąd w obwodzie.

Powstaje wtedy obwód rezonansowy, przy którym maksymalne napięcie wystę­pujące na tyrystorze jest funkcją:

—    wartości maksymalnej prądu zwrotnego i pochodnej prądu zwrotnego;

—    wartości maksymalnej napięcia w obwodzie;

—    parametrów obwodu R’, L’, C.

Przepięcia łączeniowe powstają podczas operacji łączeniowych po stronie prądu zmiennego lub stałego układu przekształtnika. Dla zapewnienia ochrony od^przepięć konieczne jest wprowadzenie między przekształtnik tyrystorowy a sieć mdukcyj-ności rozproszenia L. Indukcyjność ta winna wynosić co najmniej 4-5/_Q w odnie­sieniu do mocy znamionowej przekształtnika. Prawa część charakterystyki napięciowo-prądowej jest identyczna z charakterystyką zwykłej diody w kierunku przewodzenia. W kierunku zaporowym prąd zwrotny w zakresie do napięcia pracy U_RN jest minimalny. Powyżej napięcia znamionowego następuje załamanie charakterystyki i szybki wzrost prądu.

Poniżej określono ważniejsze punkty charakterystyki: U_Ro — napięcie pracy, przy którym prąd przewodzony nie przekracza wartości minimalnej I_RO;

Urn — napięcie ograniczenia, przy którym prąd osiąga wartość znamionową   P^rąd znamionowy, który odpowiada pracy z dużą częstością przepięć; U_RM napięcie przy prądzie maksymalnym;

Irm — prąd maksymalny dopuszczalny przy małej częstości przepięć.

Połączenie szeregowe dwóch ograniczników o przeciwnie skierowanych biegu-nowościach pozwala na uzyskanie charakterystyki niespolaryzowanej . Istnieją dwa typy diodowych ograniczników przepięcia:

—    selenowe ograniczniki przepięcia;

—    krzemowe diody lawinowe.

Selenowe ograniczniki napięcia posiadają ostrzejsze załamanie charakterystyki zaporowej w porównaniu do zwykłych elementów selenowych. Ponadto w znacznym stopniu został ograniczony w nich proces formowania, który prowadziłby do zwięk­szania napięcia ograniczenia, pogarszając waranki pracy obwodu. Uzyskuje się przez to dużą stabilizację charakterystyk, konieczną dla obwodów tłumienia przepięć. Charakterystyczne parametry selenowych ograniczników przepięcia osiągają podane niżej wartości.

Napięcie pracy — wartość skuteczna przy kształcie sinusoidalnym przy czym U_m wartość szczytowa napięcia fali przepięciowej. Wartość minimalna rezystancji R jest ograniczona dopuszczalnym prądem rozładowania kondensatora zgodnie ze wzorem (Jeżeli warunek ten nie może być spełniony, wówczas na­leży stosować układ .

Najczęstszym źródłem przepięć łączeniowych może być wyłączanie biegu jało­wego transformatora przekształtnika tyrystorowego. W chwili wyłączenia transfor­matora następuje rozładowanie energii pola magnetycznego transformatora, co może prowadzić do znacznej zwyżki napięcia. Szczególnie niebezpieczne jest wyłą­czanie transformatora natychmiast po załączeniu, gdy wskutek procesów przejścio­wych w chwili załączenia transformatora może wystąpić prąd wielokrotnie większy od prądu w stanie ustalonym, powiększający przepięcie spowodowane wyłączaniem Ze względów bezpieczeństwa blokada wyłączenia transformatora przy załączonym przekształtniku tyrystorowym jest niemożliwa.

Półprzewodnikowe ograniczniki napięcia w postaci diod Zenera znane są od dawna w układach słaboprądowych. Rozwój technologii półprzewodnikowej doprowadził do wyprodukowania ograniczników przepięć, które mogą być wykorzystane do tłumienia przepięć w układach energoelektronicznych. Energia wyładowania falownik lg która jest przyczyną powstawania przepięć, musi zostać rozproszona. Rozkład napięć i prądów zależy od impedancji obwodu, w którym wyładowanie następuje. Stworzenie połączenia bocznikującego o małej impedancji przekształci wyładowanie w przebieg o dużym prądzie i ograniczonym napięciu.przy” doborze oporu R, które czasem wykluczają się wząjemme. To znaczy, ze aioo może być przekroczona wartość pochodnej dU/dt, która odkłada się na oporze R, albo może być przekroczony prąd rozładowania kondensatora dopuszczalny dla tyrystorów. Celem uniknięcia tych ograniczeń w praktyce stosuje się obwód ochronny RC przyłączony poprzez mostek diodowy do szyn prądu przemiennego. Mostek diodowy służy do odcięcia prądu rozładowania kondensatora od tyrystorów  przy pracy przekształtnika w zakresie prądów przerywanych, z kątem przewodzenia \ji < n/3, kiedy każdorazowo przy odblokowaniu zaworu po jednej stronie mostka należy powtórnie odblokować ten tyrystor z drugiej strony mostka, który ma w dal­szym ciągu przewodzić prąd. Podwójne impulsy bramkowe uzyskuje się przez od­powiednie kojarzenie wyjść generatorów impulsów z różnych faz i sumowanie impulsów prądowych w izolacyjnych transformatorach bramkowych lub na bram­kach tyrystorów. W takim przypadku moc chwilowa szczytowa pobierana z gene­ratora impulsów jest dwukrotnie większa niż to wynika z mocy potrzebnej do wy­sterowania jednego tyrystora i liczby równolegle połączonych tyrystorów.

Niekiedy w miejsce szeregowego łączenia tyrystorów stosuje się szeregowe łą­czenie dwóch mostków tyrystorowych zasilanych z oddzielnych uzwojeń wtórnych transformatora. Zapewnia to lepszy rozdział napięć na poszczególne tyrystory bez konieczności bocznikowania zaworów rezystorami. Ponadto przy połączeniu jed­nego z wtórnych uzwojeń transformatora w gwiazdę, a drugiego w trójkąt, daje to efekt prostowania 12-taktowego, co bardzo zmniejsza falistość napięcia wyprosto­wanego i pozwala znacznie ograniczyć wielkość dławika wygładzającego w obwo­dzie prądu stałego. W takim układzie prąd przepływa równocześnie przez 4 tyry­story, których punkty komutacji są względem siebie przesunięte o n/6. Aby umożli­wić przepływ prądu w zakresie prądów przerywanych z kątem przewodzenia if/ < n/6, jak również dla zapoczątkowania przepływu prądu, w omawianym układzie prze­kształtnika do każdej bramki tyrystora należy dostarczyć cztery impulsy prądo­we, przesunięte wzajemnie o kąt n/6. W tym przypadku moc generatora impulsów musi być 4n razy większa od mocy potrzebnej do wysterowania jednego tyrystora (« — ilość tyrystorów połączonych równolegle w każdej gałęzi mostka).

Przekształtnik do zasilania silnika o mocy 3500 kW i napięciu 750 V, prze­widziany również do hamowania falownikowego, składa się z dwóch mostków tyrystorowych zasilanych z dwóch uzwojeń wtórnych transformatora, z których jedno jest połączone w gwiazdę, a drugie w trójkąt. W każdej gałęzi mostka jest 24 połączonych równolegle tyrystorów typu T 250/1200.

Moc chwilowa generatora impulsów potrzebna do pewnego przełączenia 1 tyry­stora w stan przewodzenia

Pgi = U_goI_Gi = 12-0,3 = 3,6 W

Moc chwilowa jednej fazy generatora impulsów potrzebna do równoczesnego wysterowania wszystkich tyrystorów połączonych równolegle i w szereg

P_G = 4nP_Gl =4-24-3,6 = 350 W

Dla sterowania przekształtnika w zakresie pracy prostownikowej i falownikowej teoretycznie potrzebny jest zakres zmian fazy impulsów bramkowych wynoszący 180°el (od k = 0 do a_max= 180°el). Ograniczenia wynikające z warunków bezpiecz­nej pracy falownikowej (a_max ^ 180°— g—y—S) zmniejszają ten zakres. Z drugiej jednak strony w celu właściwego sfazowania impulsów bramkowych z napięciami anodowymi przy różnych grupach połączeń transformatorów zasilających potrzebna jest możliwość uzyskania dodatkowego wstępnego przesunięcia fazy impulsów bramkowych w granicach 30°el dla układów 3-fazowych mostkowych, a 60°el dla układów 3-fazowych gwiazdowych. Stąd wynika, że maksymalny zakres zmian fazy impulsów bramkowych, jaki może być potrzebny, wynosi 240°el.

Od zapłonników wymaga się bardzo dużej nie wrażliwości na zakłócenia prze­noszone przez silne i nieregularne pola elektromagnetyczne oraz przez wyższe har­moniczne w napięciu zasilającym. Dopuszczalny poziom szumów napięciowych i prądowych w obwodzie wtórnym transformatorów bramkowych leży poniżej

Prąd znamionowy bezpiecznika winien spełniać nierówność Należy pamiętać, że prąd bezpiecznika jest określony dla wartości skutecznej, a prąd tyrystora dla wartości średniej. Jeżeli w układzie nie ma dodatkowej ochrony przeciążeniowej, wówczas prąd znamionowy bezpiecznika należy wybierać odpo­wiednio mniejszy tak, aby charakterystyka czasowo-prądowa bezpiecznika w całym zakresie przebiegała poniżej charakterystyki przeciążeniowej tyrystora. Prowadzi to jednak do znacznego przewymiarowania tyrystorów w stosunku do rzeczywi­stego obciążenia, co w przypadku większych mocy jest rozwiązaniem nieekonomicz­nym. Układy o większych mocach posiadają z reguły odrębną ochronę przeciąże­niową, pozwala to na dobór prądu bezpiecznika możliwie blisko prądu tyrystora. Gdy konieczne jest całkowite wykorzystanie tyrystorów, wówczas prąd bezpiecz­nika winien być większy od prądu tyrystora. Dodatkowymi warunkami są tutaj:

— sprawdzenie ochrony tyrystorów w stanach dynamicznych,

— dodatkowa ochrona przeciążeniowa.

Napięcie znamionowe bezpiecznika winno odpowiadać napięciu obwodu chronio­nego

Całkowita całka cieplna bezpiecznika, określona na podstawie spodziewanego prądu zwarcia i napięcia zasilania przekształtnika, winna być mniejsza od granicznej całki cieplnej tyrystora (l²t)_BC < I²t

Jest to warunek podstawowy. Jeżeli bezpiecznik dobrany na podstawie kryterium prądu znamionowego nie spełnia tego warunku, wówczas należy dobrać bezpiecznik 0  mniejszym prądzie znamionowym, obniżając jednocześnie stopień wykorzystania tyrystorów. Drugim rozwiązaniem będzie zwiększenie indukcyjności między prze­kształtnikiem a siecią zasilającą, celem zmniejszenia spodziewanego prądu zwarcia 1  tym samym całkowitej całki cieplnej bezpiecznika. Prąd zwarcia ograniczony bezpiecznikiem powinien być mniejszy od prądu nie­powtarzalnego szczytowego przewodzenia tyrystora I_TSM. Klasa napięciowa tyrystorów (U_DRM i U_RRM) powinna być wyższa niż maksy­malne napięcie łuku bezpiecznika podawane przez wytwórcę. Należy porównać charakterystyki czasowo-prądowe bezpieczników i tyrystorów, celem sprawdzenia stopnia ochrony tyrystorów. Dopuszcza się przy tym brak ochrony tyrystorów przez bezpieczniki w zakresie dłużej trwających mniejszych przeciążeń pod warunkiem zastosowania odrębnej ochrony przeciążeniowej.