Вращающийся фазовый преобразователь , сокращенно RPC , представляет собой электрическую машину , которая преобразует мощность из одной многофазной системы в другую, преобразуя посредством вращательного движения. Обычно однофазная электрическая энергия используется для локального производства трехфазной электроэнергии для питания трехфазных нагрузок в помещениях, где доступна только однофазная.
Базовый трехфазный асинхронный двигатель будет иметь три обмотки, каждый конец которых подключен к клеммам, обычно пронумерованным (произвольно) как L1, L2 и L3, а иногда T1, T2, T3.
Трехфазный асинхронный двигатель может работать на двух третях своей номинальной мощности на однофазном питании, приложенном к одной обмотке, после того как он раскручен каким-либо образом. Трехфазный двигатель, работающий на одной фазе, не может запуститься сам по себе, поскольку у него нет других фаз, чтобы создать вращение самостоятельно, подобно кривошипу, находящемуся в мертвой точке.
Трехфазный асинхронный двигатель, вращающийся при однофазном питании, подаваемом на клеммы L1 и L2, будет генерировать электрический потенциал (напряжение) на клемме L3 относительно L1 и L2. Однако L1 к L3 и L2 к L3 будут на 120 градусов не совпадать по фазе с входным напряжением, создавая таким образом трехфазное питание. Однако без подачи тока, специальных холостых обмоток или других средств регулирования напряжение будет провисать при подаче нагрузки.
Коррекция коэффициента мощности является очень важным фактором при построении или выборе RPC. Это желательно, поскольку RPC, имеющий коррекцию коэффициента мощности, будет потреблять меньше тока от однофазной сети, питающей фазовый преобразователь и его нагрузки.
Основная проблема с трехфазным питанием заключается в том, что каждая фаза должна иметь одинаковое напряжение. Несоответствие между фазами известно как дисбаланс фаз. Как общее правило, несбалансированное трехфазное питание, превышающее 4% в изменении напряжения, может повредить оборудование, для работы которого оно предназначено.
В начале XX века существовало два основных принципа построения систем тягового тока на электрических железных дорогах :
В этих системах использовались тяговые двигатели с последовательным возбуждением . Всем им требовалась отдельная система питания или преобразователи для получения энергии от стандартной электрической сети 50 Гц.
Кальман Кандо осознал, что система электрической тяги должна питаться однофазным током частотой 50 Гц от стандартной электрической сети, а в локомотиве его необходимо преобразовать в трехфазный ток для тяговых двигателей.
Он создал электрическую машину, называемую синхронным фазовым преобразователем, которая представляла собой однофазный синхронный двигатель и трехфазный синхронный генератор с общим статором и ротором.
Он имел две независимые обмотки:
Прямое питание от стандартной электрической сети делает систему менее сложной, чем предыдущие системы, и обеспечивает простую рекуперацию.
Однофазное питание позволяет использовать одну воздушную линию. Большее количество воздушных линий увеличивает затраты и ограничивает максимальную скорость поездов.
Асинхронный тяговый двигатель может работать на одной частоте вращения, определяемой частотой питающего тока и крутящим моментом нагрузки.
Решением было использование большего количества вторичных обмоток на фазовом преобразователе и большего количества обмоток на двигателе с различным числом магнитных полюсов.
Вращающийся фазовый преобразователь (RPC) может быть построен как двигатель-генераторная установка. Они полностью изолируют нагрузку от однофазного питания и производят сбалансированный трехфазный выход. Однако из-за веса, стоимости и проблем с эффективностью большинство RPC не строятся таким образом.
Вместо этого они построены из трехфазного асинхронного двигателя или генератора, называемого холостым ходом, на котором два из выводов (входы холостого хода) питаются от однофазной линии. Вращающийся поток в двигателе создает напряжение на третьем выводе. Напряжение индуцируется в третьем выводе, которое сдвинуто по фазе относительно напряжения между первыми двумя выводами. В трехобмоточном двигателе две обмотки действуют как двигатель, а третья обмотка действует как генератор. Поскольку два из выходов такие же, как однофазный вход, их фазовое соотношение составляет 180° [ необходима ссылка ] . Это оставляет синтезированную фазу на +/-90° от входных выводов. Это неидеальное фазовое соотношение требует небольшого снижения мощности двигателей, приводимых в действие этим типом фазового преобразователя. Кроме того, поскольку третья, синтезированная фаза приводится в действие иначе, чем две другие, ее реакция на изменения нагрузки может быть иной, из-за чего эта фаза больше провисает под нагрузкой. Поскольку асинхронные двигатели чувствительны к дисбалансу напряжения, это еще один фактор снижения номинальных характеристик двигателей, приводимых в действие этим типом фазового преобразователя. Например, небольшой дисбаланс фазового напряжения в 5% требует гораздо большего снижения номинальной мощности двигателя на 24%. [1] Таким образом, настройка схемы роторного фазового преобразователя для равных фазовых напряжений при максимальной нагрузке может быть весьма важной.
Распространенной мерой качества мощности, вырабатываемой RPC или любым фазовым преобразователем, является баланс напряжения, который может быть измерен, когда RPC приводит в действие сбалансированную нагрузку, такую как трехфазный двигатель. Другие меры качества включают гармоническое содержание вырабатываемой мощности и коэффициент мощности комбинации двигателя RPC, как это видит коммунальная служба. Выбор наилучшего фазового преобразователя для любого применения зависит от чувствительности нагрузки к этим факторам. Трехфазные асинхронные двигатели очень чувствительны к дисбалансу напряжения.
Качество трехфазной электроэнергии, вырабатываемой таким фазовым преобразователем, зависит от ряда факторов, в том числе:
Производители RPC используют различные методы для решения этих проблем. Некоторые из методов включают в себя:
Спрос на фазовые преобразователи существует из-за использования трехфазных двигателей. С ростом выходной мощности трехфазные двигатели имеют предпочтительные характеристики по сравнению с однофазными двигателями; последние не доступны в размерах более 15 л. с. (11 кВт) и, хотя доступны, редко встречаются больше 5 л. с. (3,7 кВт). (Трехфазные двигатели имеют более высокую эффективность, меньшую сложность в отношении запуска, и трехфазное питание значительно доступно там, где они используются.)
Вращающиеся фазовые преобразователи используются для получения одной фазы для одного контактного провода в электрических железных дорогах . [ необходима ссылка ] Пять европейских стран ( Германия , Австрия , Швейцария , Норвегия и Швеция ), где электричество представляет собой трехфазный переменный ток частотой 50 Гц , стандартизировали однофазный переменный ток напряжением 15 кВ 16 + 2 ⁄ 3 Гц для электрификации железных дорог; поэтому фазовые преобразователи используются для изменения как фаз, так и частоты . В Советском Союзе они использовались на локомотивах переменного тока для преобразования однофазного тока частотой 50 Гц в трехфазный для привода асинхронных двигателей для вентиляторов охлаждения тяговых двигателей и т. д. [2]
Существуют альтернативы роторным фазовым преобразователям для работы трехфазного оборудования от однофазного источника питания.
Они могут быть альтернативой, когда проблема заключается в запуске двигателя, а не в самом многофазном питании. Статический фазовый преобразователь используется для запуска трехфазного двигателя. Затем двигатель работает на одной фазе с синтезированным третьим полюсом. Однако это делает баланс мощности и, следовательно, эффективность двигателя крайне низкими, требуя снижения номинальных характеристик двигателя (обычно до 60% или менее). Перегрев и довольно часто разрушение двигателя могут возникнуть в результате невыполнения этого требования. (Многие производители и дилеры специально заявляют, что использование статического преобразователя аннулирует любую гарантию.) Статический преобразователь большего размера может устранить необходимость снижения номинальных характеристик двигателя, но за счет увеличения затрат.
Популярность частотно-регулируемого привода (ЧРП) возросла за последнее десятилетие, особенно на рынке домашних магазинов. Это связано с их относительно низкой стоимостью и способностью генерировать трехфазный выход из однофазного входа. ЧРП преобразует переменный ток в постоянный, а затем преобразует его обратно в переменный через транзисторный мост , технология, которая в некоторой степени аналогична технологии импульсного источника питания . Поскольку ЧРП генерирует свой выход переменного тока из шины постоянного тока, можно питать трехфазный двигатель от однофазного источника. Тем не менее, производятся ЧРП коммерческого класса, которым требуется трехфазный вход, поскольку при такой компоновке можно получить определенный выигрыш в эффективности.
Типичный VFD функционирует путем быстрого включения и выключения транзисторов для «прерывания» напряжения на шине постоянного тока с помощью так называемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Правильное использование ШИМ приведет к выходу переменного тока, напряжение и частота которого могут изменяться в довольно широком диапазоне. Поскольку скорость вращения асинхронного двигателя пропорциональна входной частоте, изменение выходной частоты VFD приведет к изменению скорости двигателя. Напряжение также изменяется таким образом, что в результате двигатель производит относительно постоянный крутящий момент в полезном диапазоне скоростей.
Выходной сигнал качественного VFD представляет собой приближение к синусоидальной волне с некоторым содержанием высокочастотных гармоник . Содержание гармоник повысит температуру двигателя и может вызвать свистящий или воющий шум, который может быть нежелательным. Эффекты нежелательных гармоник можно смягчить с помощью реактивной выходной фильтрации , которая встроена в более качественные VFD. Реактивная фильтрация препятствует содержанию высокочастотных гармоник, но мало влияет на основную частоту , которая определяет скорость двигателя. Результатом является выходной сигнал на двигатель, который ближе к идеальной синусоидальной волне.
В прошлом VFD мощностью более 3 л.с. (2,2 кВт) были дорогими, что делало роторный фазовый преобразователь (RPC) привлекательной альтернативой. Однако современные VFD значительно снизились в цене, что сделало их более доступными, чем сопоставимые RPC. В пользу VFD также говорит его более компактный размер относительно его электрической мощности. Плюсом является то, что многие VFD могут производить эффект «плавного пуска» (когда мощность постепенно подается на двигатель), что снижает величину тока, который должен быть подан при запуске машины.
Использование VFD может привести к повреждению двигателя, если двигатель не рассчитан на такое применение. Это в первую очередь связано с тем, что большинство асинхронных двигателей охлаждаются принудительным воздухом с помощью вентилятора или нагнетателя, приводимого в действие самим двигателем. Работа такого двигателя на скорости ниже нормальной существенно снизит поток охлаждающего воздуха, что увеличит вероятность перегрева и повреждения или отказа обмотки, особенно при работе с полной нагрузкой. Производитель может аннулировать гарантию на двигатель, работающий от VFD, если только двигатель не имеет «инверторного номинала». Поскольку VFD являются наиболее популярным методом питания двигателей в новых коммерческих установках, большинство трехфазных двигателей, продаваемых сегодня, фактически имеют инверторный номинал.