Konwerter obrotowy - Rotary converter
.jpg)
Przetwornica obrotowa to rodzaj maszyny elektrycznej, która działa jako prostownik mechaniczny , falownik lub przetwornica częstotliwości .
Przetwornice obrotowe były używane do konwersji prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC) lub prądu stałego na prąd przemienny przed pojawieniem się chemicznego lub półprzewodnikowego prostowania i odwracania mocy. Były powszechnie używane do dostarczania prądu stałego do elektryfikacji komercyjnej, przemysłowej i kolejowej ze źródła prądu przemiennego.
Zasady działania
Przetwornik obrotowy można traktować jako silnik-generator , w którym dwie maszyny dzielą jedną obracającą się zworę i zestaw cewek polowych . Podstawowa konstrukcja przekształtnika obrotowego składa się z generatora prądu stałego (dynamo) z zestawem pierścieni ślizgowych wbijanych w jego uzwojenia wirnika w równych odstępach. Kiedy prądnica jest wirowana, prądy elektryczne w uzwojeniach wirnika zmieniają się, gdy obraca się w polu magnetycznym uzwojeń pola stacjonarnego. Ten prąd przemienny jest prostowany za pomocą komutatora, który umożliwia pobieranie prądu stałego z wirnika. Zasada ta jest wykorzystywana przez zasilanie tych samych uzwojeń wirnika prądem przemiennym, co powoduje, że maszyna działa jak silnik synchroniczny prądu przemiennego. Obrót cewek pod napięciem wzbudza uzwojenia pola stacjonarnego wytwarzające część prądu stałego. Druga część to prąd przemienny z pierścieni ślizgowych, który jest bezpośrednio prostowany na prąd stały przez komutator . To sprawia, że konwerter obrotowy jest hybrydowym dynamem i prostownikiem mechanicznym. Stosowany w ten sposób jest określany jako synchroniczny przekształtnik obrotowy lub po prostu przekształtnik synchroniczny . Pierścienie ślizgowe AC umożliwiają również, aby maszyna działała jako alternator.
Urządzenie można odwrócić i przyłożyć prąd stały do uzwojeń pola i komutatora, aby obrócić maszynę i wytworzyć prąd przemienny. Kiedy pracuje jako maszyna DC do AC, jest określany jako odwrócony konwerter obrotowy .
Jednym ze sposobów wyobrażenia sobie, co dzieje się w obrotowym konwerterze AC-DC, jest wyobrażenie sobie obrotowego przełącznika nawrotnego, który jest napędzany z prędkością synchroniczną z linią energetyczną. Taki przełącznik mógłby skorygować kształt fali wejściowej prądu przemiennego bez żadnych elementów magnetycznych, z wyjątkiem tych, które sterują przełącznikiem. Przetwornik obrotowy jest nieco bardziej złożony niż ten trywialny przypadek, ponieważ dostarcza prąd o wartości bliskiej DC, a nie pulsujący prąd stały, który wynikałby tylko z przełącznika cofania, ale analogia może być pomocna w zrozumieniu, w jaki sposób przetwornik obrotowy unika przekształcania całej energii z elektryczny na mechaniczny iz powrotem na elektryczny.
Zaletą konwertera obrotowego nad dyskretnym zestawem silnik-generator jest to, że konwerter obrotowy unika przekształcania całego przepływu mocy w energię mechaniczną, a następnie z powrotem w energię elektryczną; część energii elektrycznej zamiast tego przepływa bezpośrednio z wejścia do wyjścia, dzięki czemu konwerter obrotowy jest znacznie mniejszy i lżejszy niż zestaw silnik-generator o równoważnej zdolności do obsługi mocy. Zaletą zestawu silnik-generator jest regulowana regulacja napięcia, która może kompensować spadek napięcia w sieci zasilającej; zapewniał również pełną izolację zasilania, izolację harmonicznych, lepszą ochronę przed przepięciami i przepięciami oraz ochronę przed opadaniem (brownout) dzięki zwiększonemu pędowi.
Na tej pierwszej ilustracji jednofazowego konwertera obrotowego na prąd stały można go wykorzystać na pięć różnych sposobów:
- Jeśli cewka jest obracana, prądy przemienne mogą być pobierane z pierścieni kolektora i nazywa się to alternatorem .
- jeśli cewka jest obracana, prąd stały może być pobierany z komutatora i nazywa się to prądnicą .
- Jeśli cewka jest obracana, z twornika mogą być pobierane dwa oddzielne prądy, jeden dostarczający prąd stały, a drugi prąd przemienny. Taka maszyna nazywana jest generatorem podwójnego prądu .
- Jeśli do komutatora zostanie doprowadzony prąd stały, cewka zacznie się obracać jako komutowany silnik elektryczny, a prąd przemienny może zostać pobrany z pierścieni kolektora. Nazywa się to odwróconym konwerterem obrotowym (patrz falownik ).
- Jeśli maszyna zostanie doprowadzona do prędkości synchronicznej za pomocą środków zewnętrznych i jeśli kierunek prądu przepływającego przez twornik ma prawidłowy związek z cewkami pola, cewka będzie nadal obracać się synchronicznie z prądem przemiennym jako silnik synchroniczny . Z komutatora można pobrać prąd stały. Stosowany w ten sposób nazywany jest konwerterem obrotowym .
Samobalansujące dynamo
Dynamo samobalansujące ma budowę zbliżoną do jedno- i dwufazowego przekształtnika obrotowego. Był powszechnie używany do tworzenia całkowicie zbalansowanego trójprzewodowego zasilania prądem przemiennym 120/240 V. Prąd przemienny wydobywany z pierścieni ślizgowych był podawany do transformatora z pojedynczym uzwojeniem środkowym. Uzwojenie z odczepem środkowym tworzy przewód zerowy DC. Musiał być napędzany mechanicznym źródłem zasilania, takim jak silnik parowy, silnik wysokoprężny lub silnik elektryczny. Można go uznać za konwerter obrotowy używany jako generator podwójnego prądu; prąd AC został użyty do zrównoważenia przewodu neutralnego DC.
Historia
Przetwornica obrotowa została wynaleziona przez Charlesa S. Bradleya w 1888 roku. Typowym zastosowaniem tego typu przetwornicy AC/DC była elektryfikacja kolei , gdzie energia z sieci była dostarczana jako prąd przemienny, ale pociągi były zaprojektowane do pracy na prądzie stałym. Przed wynalazkiem rtęci prostowników łuku i dużej mocy półprzewodnikowych prostowników to przekształcenie może być realizowane tylko za pomocą silnikowo-generatorowy konwertery obrotu.
Przetwornice obrotowe szybko wypełniły potrzebę połączenia wszystkich konkurencyjnych systemów dostarczania energii elektrycznej , które pojawiły się w latach 80. i 90. XIX wieku. Obejmowały one jednofazowe systemy prądu przemiennego, wielofazowe systemy prądu przemiennego, niskonapięciowe oświetlenie żarowe, wysokonapięciowe oświetlenie łukowe oraz istniejące silniki prądu stałego w fabrykach i samochodach ulicznych. Większość maszyn i urządzeń w tym czasie była zasilana prądem stałym, który był dostarczany przez podstacje konwertorów obrotowych do użytku domowego, komercyjnego i przemysłowego. Przetwornice obrotowe zapewniały prąd stały o wysokim natężeniu do przemysłowych procesów elektrochemicznych , takich jak galwanizacja . Huty potrzebowały dużych ilości prądu stałego na miejscu dla silników napędu głównych walców. Podobnie papiernie i prasy drukarskie wymagały prądu stałego do uruchamiania i zatrzymywania silników w idealnej synchronizacji, aby zapobiec rozerwaniu arkusza.
Starzenie się
Przerwa polegająca na konieczności używania konwerterów obrotowych została powoli pokonana, ponieważ starsze systemy zostały wycofane lub zmodernizowane, aby pasowały do nowszego systemu uniwersalnego AC. Synchroniczne przekształtniki obrotowe prądu przemiennego na stały stały się przestarzałe przez prostowniki łukowe rtęciowe w latach 30. XX wieku, a później przez prostowniki półprzewodnikowe w latach 60. XX wieku. Niektóre z oryginalnych podstacji metra w Nowym Jorku wykorzystujące synchroniczne konwertery obrotowe działały do 1999 roku. W porównaniu z konwerterem obrotowym prostowniki łukowe i półprzewodnikowe rtęciowe nie wymagały codziennej konserwacji, ręcznej synchronizacji do pracy równoległej ani wykwalifikowanego personelu i zapewniały czysty prąd stały moc. Dzięki temu nowe podstacje były bezobsługowe, wymagając jedynie okresowych wizyt technika w celu kontroli i konserwacji.
W większości zastosowań prąd przemienny zastępował prąd stały i ostatecznie zapotrzebowanie na lokalne podstacje prądu stałego zmniejszyło się wraz z zapotrzebowaniem na przekształtniki obrotowe. Wielu klientów prądu stałego przekonwertowało się na zasilanie prądem przemiennym, a stacjonarne prostowniki prądu stałego były używane do zasilania pozostałych urządzeń prądu stałego ze źródła prądu przemiennego.
Zobacz też
Bibliografia
- Slichtera, WI (1917). „Konwertery synchroniczne lub obrotowe” . W Pender, Harold (red.). Podręcznik dla inżynierów elektryków . Nowy Jork: John Wiley i synowie. s. 279–291.
- Greenberg, Bernard S. (1999). „Technologia zasilania konwertera obrotowego: prąd przemienny, prąd stały i zasilanie metra”. nycsubway.org.