.jpg/1280px-500kW_Westinghouse_rotary_converter_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_II,_1909).jpg)
Ротационный преобразователь — это тип электрической машины , которая действует как механический выпрямитель , инвертор или преобразователь частоты .
Ротационные преобразователи использовались для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) или постоянного тока в переменный ток до появления химического или полупроводникового выпрямления и инвертирования мощности. Они обычно использовались для обеспечения постоянного тока для коммерческой, промышленной и железнодорожной электрификации от источника переменного тока. [1]
Вращающийся преобразователь можно рассматривать как двигатель-генератор , в котором две машины имеют один вращающийся якорь и набор катушек возбуждения . Базовая конструкция вращающегося преобразователя состоит из генератора постоянного тока (динамо-машины) с набором контактных колец , вставленных в обмотки ротора через равные промежутки времени. При вращении динамо-машины электрические токи в обмотках ее ротора чередуются, поскольку она вращается в магнитном поле обмоток неподвижного возбуждения. Этот переменный ток выпрямляется с помощью коммутатора , который позволяет получать постоянный ток от ротора. Этот принцип используется путем подачи на те же обмотки ротора переменного тока, что заставляет машину действовать как синхронный двигатель переменного тока. Вращение катушек под напряжением возбуждает обмотки стационарного возбуждения, вырабатывая часть постоянного тока. Другая часть представляет собой переменный ток от контактных колец , который напрямую выпрямляется коммутатором в постоянный ток . Это делает вращающийся преобразователь гибридной динамо-машиной и механическим выпрямителем. При таком использовании его называют синхронным вращающимся преобразователем или просто синхронным преобразователем . Контактные кольца переменного тока также позволяют машине работать в качестве генератора переменного тока.
Устройство можно перевернуть и подать постоянный ток на обмотки возбуждения и коммутатора, чтобы раскрутить машину и произвести мощность переменного тока. При работе в качестве машины постоянного тока в переменный ток ее называют инвертированным вращающимся преобразователем .
Один из способов представить, что происходит во вращающемся преобразователе переменного тока в постоянный, — это представить поворотный реверсивный переключатель, который приводится в движение со скоростью, синхронной со скоростью линии электропередачи. Такой переключатель мог бы выпрямлять входной сигнал переменного тока без каких-либо магнитных компонентов, за исключением тех, которые управляют переключателем. Вращающийся преобразователь несколько сложнее, чем этот тривиальный случай, поскольку он выдает постоянный ток, близкий к постоянному, а не пульсирующий постоянный ток, который возник бы в результате простого реверсивного переключателя, но аналогия может быть полезна для понимания того, как вращающийся преобразователь избегает преобразования всей энергии из электрическое в механическое и обратно в электрическое.
Преимущество вращающегося преобразователя перед дискретной установкой двигатель-генератор заключается в том, что вращающийся преобразователь позволяет избежать преобразования всего потока мощности в механическую энергию, а затем обратно в электрическую энергию; вместо этого часть электрической энергии течет непосредственно от входа к выходу, что позволяет роторному преобразователю быть намного меньше и легче, чем двигатель-генератор с эквивалентной мощностью. К преимуществам мотор-генераторной установки можно отнести регулируемое регулирование напряжения , позволяющее компенсировать падение напряжения в питающей сети; он также обеспечивал полную изоляцию питания , изоляцию от гармоник, повышенную защиту от перенапряжений и переходных процессов, а также защиту от провалов напряжения за счет увеличения импульса.
На этой первой иллюстрации однофазного вращающегося преобразователя постоянного тока его можно использовать пятью различными способами: [5]
Самобалансирующееся динамо-машина имеет конструкцию, аналогичную одно- и двухфазному вращающемуся преобразователю. Обычно он использовался для создания полностью сбалансированного трехпроводного источника питания переменного тока напряжением 120/240 В. Переменный ток, извлекаемый из контактных колец, подавался в трансформатор с единственной обмоткой с центральным отводом. Обмотка с отводом по центру образует нейтральный провод постоянного тока. Он должен был приводиться в движение механическим источником энергии, таким как паровой двигатель, дизельный двигатель или электродвигатель. Его можно рассматривать как вращающийся преобразователь, используемый 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/постоянного тока 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 силовой установки, и могли управляться с переменной скоростью. Асинхронный двигатель переменного тока не очень хорошо подходил для использования в тяговом режиме при питании от источника с фиксированной частотой. До изобретения ртутных дуговых выпрямителей и мощных полупроводниковых выпрямителей это преобразование можно было осуществить только с помощью мотор-генераторов или вращающихся преобразователей.
Роторные преобразователи вскоре удовлетворили потребность в использовании всех конкурирующих систем подачи электроэнергии , появившихся в 1880-х и начале 1890-х годов. К ним относятся однофазные системы переменного тока, системы многофазного переменного тока, низковольтное освещение с лампами накаливания, высоковольтное дуговое освещение и существующие двигатели постоянного тока на заводах и трамваях. [7] [8] Большинство машин и приборов в то время работало от постоянного тока, который обеспечивался на уровне пользователя роторными преобразовательными подстанциями для бытового, коммерческого и промышленного потребления. Ротационные преобразователи обеспечивали постоянный ток высокого тока для промышленных электрохимических процессов, таких как гальваника . Сталелитейным заводам требовалось большое количество электроэнергии постоянного тока для двигателей главных валков. Точно так же бумажным фабрикам и печатным станкам требовался постоянный ток для запуска и остановки двигателей с идеальной синхронизацией, чтобы предотвратить разрыв листа.
Проблема необходимости использования роторных преобразователей постепенно преодолевалась по мере того, как старые системы выводились из эксплуатации или модернизировались, чтобы соответствовать новой универсальной системе переменного тока. Синхронные вращающиеся преобразователи переменного тока в постоянный стали устаревшими из-за ртутных выпрямителей в 1930-х годах, а затем из-за полупроводниковых выпрямителей в 1960-х годах. [9] : 54 Некоторые из первоначальных подстанций метро Нью-Йорка, в которых использовались синхронные вращающиеся преобразователи, работали до 1999 года . [9] : 12 По сравнению с ротационным преобразователем, ртутные дуговые и полупроводниковые выпрямители не нуждались в ежедневном обслуживании, а для параллельной работы требовалась ручная синхронизация. , ни квалифицированного персонала, и они обеспечивали чистую энергию постоянного тока. Это позволило сделать новые подстанции необслуживаемыми, требуя лишь периодических визитов технического специалиста для проверки и обслуживания.
Переменный ток заменил постоянный ток в большинстве приложений, и в конечном итоге потребность в местных подстанциях постоянного тока уменьшилась вместе с потребностью во вращающихся преобразователях. Многие потребители постоянного тока перешли на питание переменного тока, а твердотельные выпрямители постоянного тока на объекте использовались для питания оставшегося оборудования постоянного тока от источника переменного тока.
