Роторный преобразователь

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 ]}

Принципы работы

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 постоянный ток получать 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, вырабатывающие часть постоянного тока. Другая часть представляет собой переменный ток от контактных колец , который напрямую выпрямляется коммутатором в постоянный ток . Это делает роторный преобразователь гибридной динамо-машиной и механическим выпрямителем. При таком использовании его называют синхронным вращающимся преобразователем или просто преобразователем. синхронный преобразователь . 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 почти постоянный ток, а не пульсирующий постоянный ток, который возникает 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 напрямую 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 ]}

Если катушку вращать, то переменный ток можно брать с колец коллектора, и это называется генератором переменного тока .
если катушку вращать, от коллектора можно брать постоянный ток, и это называется динамо-машиной .
Если катушка вращается, от якоря можно брать два отдельных тока: один обеспечивает постоянный ток, а другой - переменный. Такая машина называется генератором двойного тока .
Если подать на коллектор постоянный ток, то катушка начнет вращаться как коммутируемый электродвигатель и переменный ток можно будет отбирать из коллекторных колец. Это называется инвертированный вращающийся преобразователь (см. инвертор ).
Если машина доведена до синхронной скорости с помощью внешних средств и если направление тока через якорь имеет правильное отношение к катушкам возбуждения, то катушка будет продолжать вращаться синхронно с переменным током как синхронный двигатель . Постоянный ток можно брать с коммутатора. При таком использовании его называют ротационным преобразователем .

Самобалансирующееся динамо

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.

История

Железнодорожный ротационный преобразователь из Железнодорожного музея Иллинойса

Ротационный преобразователь был изобретен Чарльзом С. Брэдли в 1888 году. ^{[ 6 ]} Типичное использование этого типа преобразователя переменного/постоянного тока было для электрификации 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 движениях, 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, многофазные системы 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.

Устаревание

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, ручной синхронизации для параллельной работы и квалифицированном персонале, и они обеспечивали экологически чистую мощность постоянного тока. Это позволило сделать новые подстанции беспилотными, 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.

См. также

Ссылки

^ Оуэн, Эдвард Л. (1 января 1996 г.). «История» . ИИЭЭ . дои : 10.1109/2943.476602 . Проверено 15 ноября 2022 г.
^ Руководство по электротехнике Хокинса, 2-е изд. 1917, с. 1459, рис. 2034 год
^ Руководство по электротехнике Хокинса, 2-е изд. 1917, с. 1460, рис. 2035 год
^ Руководство по электротехнике Хокинса, 2-е изд. 1917, с. 1461, рис. 2036 год
^ Руководство по электротехнике Хокинса, 2-е изд. 1917, с. 1461
^ Хьюз, Томас Парк. Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 гг. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джонса Хопкинса - 1993, стр = 120–121.
^ Гаруд, Рагху; Кумарасвами, Арун; Ланглуа, Ришар (2009). Управление в эпоху модульности: архитектуры, сети и организации. Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 249
^ Хьюз, Томас Парк. Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 гг. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джонса Хопкинса - 1993, стр = 120–121.
^ Jump up to: ^а ^б Пейн, Кристофер (2002). Забытые подстанции Нью-Йорка: сила метро . Принстонская архитектурная пресса. ISBN 978-1568983554 .

Слихтер, Висконсин (1917). «Преобразователи синхронные или ротационные» . В Пендере, Гарольд (ред.). Справочник для инженеров-электриков . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. стр. 279–291.
Гринберг, Бернард С. (1999). «Технология электропитания с вращающимся преобразователем: переменный, постоянный и электроэнергия в метро». nycsubway.org.

[1] Оуэн, Эдвард Л. (1 января 1996 г.). «История» . ИИЭЭ . дои : 10.1109/2943.476602 . Проверено 15 ноября 2022 г.

[2] Руководство по электротехнике Хокинса, 2-е изд. 1917, с. 1459, рис. 2034 год

[3] Руководство по электротехнике Хокинса, 2-е изд. 1917, с. 1460, рис. 2035 год

[4] Руководство по электротехнике Хокинса, 2-е изд. 1917, с. 1461, рис. 2036 год

[5] Руководство по электротехнике Хокинса, 2-е изд. 1917, с. 1461

[6] Хьюз, Томас Парк. Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 гг. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джонса Хопкинса - 1993, стр = 120–121.

[7] Гаруд, Рагху; Кумарасвами, Арун; Ланглуа, Ришар (2009). Управление в эпоху модульности: архитектуры, сети и организации. Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 249

[8] Хьюз, Томас Парк. Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 гг. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джонса Хопкинса - 1993, стр = 120–121.

[Payne-9] Jump up to: ^а ^б Пейн, Кристофер (2002). Забытые подстанции Нью-Йорка: сила метро . Принстонская архитектурная пресса. ISBN 978-1568983554 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]