.jpg/1280px-500kW_Westinghouse_rotary_converter_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_II,_1909).jpg)
Вращающийся преобразователь — это тип электрической машины , которая действует как механический выпрямитель , инвертор или преобразователь частоты .
Вращающиеся преобразователи использовались для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) или постоянного тока в переменный ток до появления химического или твердотельного выпрямления и инвертирования. Они обычно использовались для обеспечения постоянного тока для коммерческой, промышленной и железнодорожной электрификации от источника переменного тока. [1]
Роторный преобразователь можно рассматривать как двигатель-генератор , где две машины совместно используют один вращающийся якорь и набор катушек возбуждения . Основная конструкция роторного преобразователя состоит из генератора постоянного тока (динамо) с набором контактных колец , врезанных в его обмотки ротора на равном расстоянии друг от друга. Когда динамо вращается, электрические токи в его обмотках ротора чередуются, поскольку оно вращается в магнитном поле неподвижных обмоток возбуждения. Этот переменный ток выпрямляется с помощью коммутатора , что позволяет извлекать постоянный ток из ротора. Этот принцип используется путем подачи питания на те же обмотки ротора переменным током, что заставляет машину действовать как синхронный двигатель переменного тока. Вращение возбужденных катушек возбуждает неподвижные обмотки возбуждения, производя часть постоянного тока. Другая часть - это переменный ток от контактных колец , который напрямую выпрямляется в постоянный ток коммутатором . Это делает роторный преобразователь гибридным динамо и механическим выпрямителем. При таком использовании его называют синхронным вращающимся преобразователем или просто синхронным преобразователем . Контактные кольца переменного тока также позволяют машине работать как генератор.
Устройство можно реверсировать и подавать постоянный ток на обмотки возбуждения и коммутатора для вращения машины и выработки переменного тока. При работе в качестве машины постоянного тока в переменный ток он называется инвертированным вращающимся преобразователем .
Один из способов представить, что происходит в роторном преобразователе переменного тока в постоянный, — это представить себе роторный реверсивный переключатель, который приводится в движение со скоростью, синхронной с линией электропередачи. Такой переключатель мог бы выпрямлять входную волну переменного тока без каких-либо магнитных компонентов, за исключением тех, которые управляют переключателем. Роторный преобразователь несколько сложнее, чем этот тривиальный случай, поскольку он выдает почти постоянный ток, а не пульсирующий постоянный ток, который возник бы только из-за реверсивного переключателя, но аналогия может быть полезна для понимания того, как роторный преобразователь избегает преобразования всей энергии из электрической в механическую и обратно в электрическую.
Преимущество роторного преобразователя над дискретным мотор-генераторным агрегатом заключается в том, что роторный преобразователь избегает преобразования всего потока мощности в механическую энергию, а затем обратно в электрическую энергию; часть электрической энергии вместо этого течет напрямую от входа к выходу, что позволяет роторному преобразователю быть намного меньше и легче, чем мотор-генераторный агрегат эквивалентной мощности. Преимущества мотор-генераторного агрегата включают регулируемое регулирование напряжения , которое может компенсировать падение напряжения в сети питания; он также обеспечивает полную изоляцию питания , изоляцию гармоник, большую защиту от скачков напряжения и переходных процессов, а также защиту от провалов (провалов) за счет увеличенного импульса.
На этой первой иллюстрации вращающегося преобразователя однофазного тока в постоянный ток его можно использовать пятью различными способами: [5]
Самобалансирующееся динамо имеет конструкцию, похожую на однофазный и двухфазный вращающийся преобразователь. Обычно оно использовалось для создания полностью сбалансированного трехпроводного источника переменного тока напряжением 120/240 В. Переменный ток, извлекаемый из контактных колец, подавался в трансформатор с одной обмоткой с центральным выводом. Обмотка с центральным выводом образует нейтральный провод постоянного тока. Его необходимо было приводить в действие механическим источником энергии, таким как паровой двигатель, дизельный двигатель или электродвигатель. Его можно было бы считать вращающимся преобразователем, используемым в качестве генератора двойного тока; переменный ток использовался для балансировки нейтрального провода постоянного тока.
Вращающийся преобразователь был изобретен Чарльзом С. Брэдли в 1888 году. [6] Типичным применением этого типа преобразователя переменного тока в постоянный была электрификация железных дорог , где электроэнергия подавалась в виде переменного тока. Поезда были спроектированы для работы на постоянном токе, поскольку тяговые двигатели постоянного тока могли быть построены с характеристиками скорости и крутящего момента, подходящими для использования в качестве тягового средства, и могли управляться для переменной скорости. Асинхронный двигатель переменного тока не был так хорошо приспособлен для использования в качестве тягового средства при питании от источника с фиксированной частотой. До изобретения ртутных дуговых выпрямителей и мощных полупроводниковых выпрямителей это преобразование могло быть выполнено только с использованием мотор-генераторов или вращающихся преобразователей.
Вращающиеся преобразователи вскоре удовлетворили потребность в использовании всех конкурирующих систем подачи электроэнергии , которые появились в 1880-х и начале 1890-х годов. К ним относились однофазные системы переменного тока, многофазные системы переменного тока, низковольтное освещение лампами накаливания, высоковольтное дуговое освещение и существующие двигатели постоянного тока на заводах и в трамваях. [7] [8] Большинство машин и приборов в то время работали от постоянного тока, который обеспечивался на уровне пользователя подстанциями с вращающимися преобразователями для бытового, коммерческого и промышленного потребления. Вращающиеся преобразователи обеспечивали сильноточную постоянную мощность для промышленных электрохимических процессов, таких как гальванопокрытие . Сталелитейным заводам требовалось большое количество постоянного тока на месте для своих главных приводных двигателей валков. Аналогично, бумажным фабрикам и печатным станкам требовался постоянный ток для идеальной синхронизации запуска и остановки двигателей, чтобы предотвратить разрыв листа.
Временное решение, связанное с необходимостью использования вращающихся преобразователей, постепенно преодолевалось по мере того, как старые системы выводились из эксплуатации или модернизировались для соответствия новой универсальной системе переменного тока. Синхронные вращающиеся преобразователи переменного тока в постоянный устарели из-за ртутных дуговых выпрямителей в 1930-х годах, а затем из-за полупроводниковых выпрямителей в 1960-х годах. [9] : 54 Некоторые из первоначальных подстанций метрополитена Нью-Йорка , использующих синхронные вращающиеся преобразователи, работали до 1999 года. [9] : 12 По сравнению с вращающимся преобразователем, ртутные дуговые и полупроводниковые выпрямители не нуждались в ежедневном обслуживании, ручной синхронизации для параллельной работы или квалифицированном персонале, и они обеспечивали чистую мощность постоянного тока. Это позволило новым подстанциям работать без обслуживающего персонала, требуя только периодических визитов технического специалиста для осмотра и обслуживания.
Переменный ток заменил постоянный ток в большинстве приложений, и в конечном итоге потребность в местных подстанциях постоянного тока уменьшилась вместе с потребностью в роторных преобразователях. Многие клиенты постоянного тока перешли на переменный ток, а для питания оставшегося постоянного тока от переменного тока использовались твердотельные выпрямители постоянного тока на месте.
