Роторный фазовый преобразователь

Простой самодельный фазопреобразователь.

Вращающийся фазовый преобразователь , сокращенно RPC , представляет собой электрическую машину , которая преобразует мощность из одной многофазной системы в другую, преобразуя ее посредством вращательного движения. Обычно однофазная электроэнергия используется для локального производства трехфазной электроэнергии для питания трехфазных нагрузок в помещениях, где доступна только однофазная энергия.

Операция

Базовый трехфазный асинхронный двигатель будет иметь три обмотки, каждый конец которых подключен к клеммам, обычно пронумерованным (произвольно) как L1, L2 и L3, а иногда и T1, T2, T3.

Трехфазный асинхронный двигатель может работать на двух третях своей номинальной мощности при однофазной мощности, подаваемой на одну обмотку, после того как она раскрутилась каким-либо способом. Трехфазный двигатель, работающий на одной фазе, не может запуститься сам по себе, поскольку ему не хватает других фаз для самостоятельного создания вращения, подобно кривошипу, находящемуся в мертвой точке.

Трехфазный асинхронный двигатель, вращающийся под однофазной мощностью, подаваемой на клеммы L1 и L2, будет генерировать электрический потенциал (напряжение) на клемме L3 относительно L1 и L2. Однако L1–L3 и L2–L3 будут сдвинуты по фазе на 120 градусов с входным напряжением, создавая тем самым трехфазное питание. Однако без подачи тока, специальных холостых обмоток или других средств регулирования напряжение будет падать при приложении нагрузки.

Коррекция коэффициента мощности является очень важным фактором при создании или выборе RPC. Это желательно, поскольку RPC с коррекцией коэффициента мощности будет потреблять меньше тока от однофазной сети, обеспечивающей питание фазового преобразователя и его нагрузки.

Основная проблема с трехфазным питанием заключается в том, что каждая фаза имеет одинаковое напряжение. Несоответствие между фазами называется фазовым дисбалансом. Как правило, несбалансированная трехфазная мощность, изменение напряжения которой превышает 4 %, может привести к повреждению оборудования, для работы которого она предназначена.

История

Первый локомотив с фазопреобразователем (только для демонстрационных целей)

Фазовый преобразователь Кандо (1933 г.)

Локомотив «Кандо», первый локомотив, использующий систему фазопреобразователя.

В начале XX века существовало два основных принципа систем тягового тока электрических железных дорог :

1. система постоянного тока
2. 16⅔ Гц Однофазная система

В этих системах использовались тяговые двигатели с последовательной обмоткой . Всем им требовалась отдельная система питания или преобразователи для получения электроэнергии от стандартной электрической сети частотой 50 Гц.

Синхронный фазовый преобразователь Кандо

Кальман Кандо признал, что система электрической тяги должна питаться от однофазной мощности 50 Гц от стандартной электрической сети, и в локомотиве она должна быть преобразована в трехфазную мощность для тяговых двигателей.

Он создал электрическую машину, названную синхронным фазовым преобразователем, которая представляла собой однофазный синхронный двигатель и трехфазный синхронный генератор с общим статором и ротором.

Он имел две независимые обмотки:

• Внешняя обмотка представляет собой однофазный синхронный двигатель. Двигатель получает мощность от воздушной линии .
• Внутренняя обмотка представляет собой трехфазный (или переменно-фазный) синхронный генератор, обеспечивающий питание трехфазных (или более) тяговых двигателей.

Однофазное питание

Прямое питание от стандартной электрической сети делает систему менее сложной, чем предыдущие системы, и делает возможной простую рекуперацию.

Однофазное питание дает возможность использовать одну воздушную линию. Увеличение количества воздушных линий увеличивает затраты и ограничивает максимальную скорость поездов.

Контроль скорости

Асинхронный тяговый двигатель может работать на одной частоте вращения, определяемой частотой питающего тока и нагрузочным моментом.

Решение заключалось в использовании большего количества вторичных обмоток на фазовом преобразователе и большего количества обмоток на двигателе с различным количеством магнитных полюсов.

Типы

Вращающийся фазопреобразователь (РФП) может быть выполнен в виде мотор-генераторной установки. Они полностью изолируют нагрузку от однофазного питания и обеспечивают сбалансированный трехфазный выход. Однако из-за проблем с весом, стоимостью и эффективностью большинство RPC построены иначе.

Вместо этого они состоят из трехфазного асинхронного двигателя или генератора, называемого холостым двигателем, на котором две клеммы (входы холостого хода) питаются от однофазной линии. Вращающийся поток в двигателе создает напряжение на третьей клемме. На третьей клемме индуцируется напряжение, которое сдвинуто по фазе от напряжения между первыми двумя клеммами. В трехобмоточном двигателе две обмотки действуют как двигатель, а третья обмотка — как генератор. Поскольку два выхода такие же, как и однофазный вход, их соотношение фаз составляет 180°. . В результате синтезированная фаза будет составлять +/-90° от входных клемм. Такое неидеальное соотношение фаз требует небольшого снижения номинальной мощности двигателей, приводимых в действие фазовым преобразователем этого типа. Кроме того, поскольку третья, синтезированная фаза управляется иначе, чем две другие, ее реакция на изменения нагрузки может быть другой, что приводит к большему провисанию этой фазы под нагрузкой. Поскольку асинхронные двигатели чувствительны к дисбалансу напряжения, это еще один фактор снижения номинальных характеристик двигателей, управляемых фазовым преобразователем этого типа. Например, небольшой дисбаланс фазного напряжения в 5 % требует гораздо большего снижения номинальной мощности двигателя на 24 %. Таким образом, настройка схемы вращающегося фазового преобразователя на равные фазные напряжения при максимальной нагрузке может оказаться весьма важной.

Качество электроэнергии

Обычной мерой качества энергии, вырабатываемой RPC или любым фазовым преобразователем, является баланс напряжений, который можно измерить, когда RPC управляет сбалансированной нагрузкой, такой как трехфазный двигатель. Другие показатели качества включают содержание гармоник в вырабатываемой мощности и коэффициент мощности комбинации двигателей RPC, определяемый энергоснабжающим предприятием. Выбор лучшего фазового преобразователя для любого применения зависит от чувствительности нагрузки к этим факторам. Трехфазные асинхронные двигатели очень чувствительны к дисбалансу напряжений.

Качество трехфазной энергии, генерируемой таким фазовым преобразователем, зависит от ряда факторов, в том числе:

• Мощность фазопреобразователя (номинальная мощность холостого хода).
• Требования к уровню мощности поставляемого оборудования. Например, нагрузки с «жестким запуском», такие как тяжелонагруженное оборудование или скважинные насосы, могут иметь более высокие требования, чем другие нагрузки, рассчитанные на ту же мощность.
• Требования к качеству электроэнергии поставляемого оборудования ( оборудование с ЧПУ может предъявлять более строгие требования к качеству электроэнергии, чем сварочный аппарат )
• Использование техник балансировки напряжения между тремя ногами.

Улучшение качества

Производители RPC используют различные методы для решения этих проблем. Некоторые из методов включают:

• Вставка конденсаторов между клеммами для балансировки мощности при конкретной нагрузке.
• Использование натяжных роликов с более высокой номинальной мощностью, чем у нагрузки.
• Конструкция специальных холостых двигателей с большим количеством обмоток на третьей клемме для повышения напряжения и компенсации провалов, вызванных нагрузкой.
• Использование электроники для включения конденсаторов во время запуска или иным образом в зависимости от нагрузки.
• Использование фильтров.

Использование

Общий

Спрос на фазовые преобразователи существует в связи с использованием трехфазных двигателей. С увеличением выходной мощности трехфазные двигатели имеют более предпочтительные характеристики по сравнению с однофазными; последний недоступен с мощностью более 15 л.с. (11 кВт) и, хотя и доступен, редко встречается с мощностью более 5 л.с. (3,7 кВт). (Трехфазные двигатели имеют более высокий КПД, меньшую сложность запуска, а трехфазная мощность значительно доступна там, где они используются.)

Электрические железные дороги

Роторные фазовые преобразователи используются для получения однофазной энергии для одиночного воздушного провода на электрических железных дорогах . 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 фазы, так и частоты . В Советском Союзе они использовались на локомотивах переменного тока для преобразования однофазного тока частотой 50 Гц в трехфазное для привода асинхронных двигателей , тяговых двигателей и т. д. вентиляторов охлаждения

Альтернативы ротационным преобразователям

Существуют альтернативы вращающимся фазовым преобразователям для работы трехфазного оборудования от однофазного источника питания.

Статические фазовые преобразователи

Это может быть альтернативой, когда проблема заключается в запуске двигателя, а не в самом многофазном питании. Статический преобразователь фаз 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 плохими, что требует снижения номинальных характеристик двигателя (обычно до 60% или меньше). Невыполнение этого требования может привести к перегреву, а зачастую и к разрушению двигателя. (Многие производители и дилеры специально заявляют, что использование статического преобразователя аннулирует любую гарантию.) Статический преобразователь слишком большого размера может устранить необходимость снижения номинальных характеристик двигателя, но за счет увеличения стоимости.

Инверторные приводы (VFD)

Популярность частотно-регулируемого привода (ЧРП) возросла за последнее десятилетие, особенно на рынке бытовых товаров. Это связано с их относительной низкой стоимостью и способностью генерировать трехфазный выходной сигнал из однофазного входа. VFD преобразует мощность переменного тока в постоянный ток, а затем преобразует его обратно в переменный ток через транзисторный мост — технология, которая в некоторой степени аналогична технологии импульсного источника питания . Поскольку преобразователь частоты генерирует выходной переменный ток из шины постоянного тока, можно питать трехфазный двигатель от однофазного источника. Тем не менее, производятся частотно-регулируемые приводы коммерческого уровня, для которых требуется трехфазный вход, поскольку при таком расположении можно добиться некоторого повышения эффективности.

Типичный преобразователь частоты работает путем быстрого включения и выключения транзисторов, чтобы «прервать» напряжение на шине постоянного тока посредством так называемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Правильное использование ШИМ приведет к получению на выходе переменного тока, напряжение и частота которого могут изменяться в довольно широком диапазоне. Поскольку скорость вращения асинхронного двигателя пропорциональна входной частоте, изменение выходной частоты ЧРП приведет к изменению скорости двигателя. Напряжение также изменяется таким образом, что двигатель создает относительно постоянный крутящий момент в полезном диапазоне скоростей.

Выходной сигнал качественного ЧРП представляет собой аппроксимацию синусоидальной волны с некоторым содержанием высокочастотных гармоник . Гармоники повышают температуру двигателя и могут вызывать свист или воющий шум, что может быть нежелательным. Эффекты нежелательных гармоник можно смягчить за счет использования реактивной выходной фильтрации , которая встроена в частотно-регулируемые приводы более высокого качества. Реактивная фильтрация препятствует содержанию высокочастотных гармоник, но мало влияет на основную частоту , определяющую скорость двигателя. В результате выходной сигнал двигателя приближается к идеальной синусоидальной волне.

В прошлом преобразователи частоты мощностью более 3 л.с. (2,2 кВт) были дорогими, что делало вращающийся фазовый преобразователь (RPC) привлекательной альтернативой. Однако стоимость современных ЧРП значительно снизилась, что делает их более доступными, чем сопоставимые МПК. В пользу преобразователя частоты также работает его более компактный размер по сравнению с его электрической мощностью. Плюсом является то, что многие ЧРП могут производить эффект «мягкого пуска» (при котором мощность постепенно подается на двигатель), что уменьшает величину тока, который должен быть подан при запуске машины.

Использование частотно-регулируемого привода может привести к повреждению двигателя, если двигатель не рассчитан на такое применение. Это связано прежде всего с тем, что большинство асинхронных двигателей имеют принудительное воздушное охлаждение с помощью вентилятора или нагнетателя, приводимого в движение самим двигателем. Эксплуатация такого двигателя на скорости ниже нормальной существенно уменьшит поток охлаждающего воздуха, увеличивая вероятность перегрева и повреждения или отказа обмотки, особенно при работе с полной нагрузкой. Производитель может аннулировать гарантию на двигатель с приводом от частотно-регулируемого привода, если только двигатель не рассчитан на инвертор. Поскольку частотно-регулируемые двигатели являются наиболее популярным методом питания двигателей в новых коммерческих установках, большинство продаваемых сегодня трехфазных двигателей фактически рассчитаны на инвертор.

См. также

• Преобразователь частоты
• Кальман Кандо
• Ротационный преобразователь
• Трехфазная электроэнергия

Дальнейшее чтение

• Дьюла Ситкей: Великие деятели венгерской электротехники. (Энергетикай Киадо Хт. 2005 г.)

Внешние ссылки

• «Новейшие разработки однофазных тяговых систем частотой 50 Гц» (PDF) (на венгерском языке).