Поворотный фазовый преобразователь - Rotary phase converter

Простой самодельный фазовый преобразователь

А вращающийся фазовый преобразователь, сокращенно RPC, является электрическая машина который преобразует мощность из одного многофазная система (включая частоту) в другой, преобразовывая вращательное движение. Обычно однофазная электроэнергия используется для производства трехфазная электроэнергия локально для работы с трехфазными нагрузками (любое промышленное оборудование с трехфазными двигателями) в помещениях (часто жилых или потребительских), где доступна только однофазная сеть.

Операция

Основные принципы работы RPC следующие:

Базовый трехфазный асинхронный двигатель с одним напряжением 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 на однофазной мощности, подаваемой на одну обмотку, после того, как она каким-либо образом раскручена. Трехфазный двигатель, работающий на одной фазе, не может запуститься сам, потому что ему не хватает других фаз для самостоятельного вращения, как кривошипа, находящегося в мертвой точке.

Трехфазный асинхронный двигатель, который вращается под однофазным питанием, подаваемым на клеммы L1 и L2, будет генерировать электрический потенциал (напряжение) на клемме L3 по отношению к L1 и L2. Тем не менее, L1 – L3 и L2 – L3 будут на 90 градусов сдвинуты по фазе с входным напряжением, таким образом создавая трехфазное питание. Однако без подачи тока, специальных обмоток холостого хода или других средств регулирования напряжение будет проседать при приложении нагрузки.

Коррекция коэффициента мощности является очень важным фактором при создании или выборе RPC. Это желательно, потому что RPC, который имеет коррекцию коэффициента мощности, будет потреблять меньше тока от однофазной сети, обеспечивающей питание фазового преобразователя и его нагрузок.

Основная проблема с трехфазным питанием заключается в том, что каждая фаза имеет одинаковое напряжение. Несоответствие между фазами известно как фазовый дисбаланс. Как правило, несимметричная трехфазная мощность, колебания напряжения которой превышают 4%, может повредить оборудование, для работы с которым оно предназначено.

История

Первый тепловоз с фазопреобразователем (только в демонстрационных целях)
Фазовый преобразователь Кандо (1933)
Локомотив «Кандо», первый локомотив с фазопреобразователем.

В начале 20 века существовало два основных принципа электрической железной дороги. тяговый ток системы:

  1. Система постоянного тока
  2. 16⅔ Гц один этап система

Эти системы использовали тяговые двигатели с последовательным заводом. Всем им требовалась отдельная система электропитания или преобразователи для получения энергии от стандартной электрической сети 50 Гц.

Синхронный фазовый преобразователь Kandó

Кальман Кандо признал, что электрическая тяговая система должна питаться однофазной мощностью 50 Гц от стандартной электрической сети и должна быть преобразована в локомотиве на трехфазную мощность для тяговых двигателей.

Он создал электрическую машину, названную синхронным фазовым преобразователем, которая была однофазной. синхронный двигатель и трехфазный синхронный генератор с общими статором и ротором.

Он имел две независимые обмотки:

  • Наружная обмотка - однофазный синхронный двигатель. Двигатель получает энергию от воздушная линия.
  • Внутренняя обмотка представляет собой трехфазный (или регулируемый по фазе) синхронный генератор, который обеспечивает питание трех (или более) фазных тяговых двигателей.

Однофазное питание

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

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

Контроль скорости

Асинхронный тяговый двигатель может работать с одной частотой вращения, определяемой частотой питающего тока и крутящим моментом нагрузки.

Решение заключалось в использовании большего количества вторичных обмоток фазового преобразователя и большего количества обмоток двигателя с разным числом магнитных полюсов.

Типы

Поворотный фазовый преобразователь (ВФП) может быть построен как мотор-генератор набор. Они полностью изолируют нагрузку от однофазного источника питания и обеспечивают сбалансированный трехфазный выход. Однако из-за проблем с весом, стоимостью и эффективностью большинство RPC строятся иначе.

Вместо этого они построены на базе трехфазного асинхронного двигателя или генератора, называемого холостым, на два вывода (входы холостого хода) питание подается от однофазной линии. В вращающийся поток в моторе выдает напряжение на третьем выводе. На третьем выводе индуцируется напряжение, сдвинутое по фазе относительно напряжения между первыми двумя выводами. В трехобмоточном двигателе две обмотки действуют как двигатель, а третья обмотка действует как генератор. Поскольку два выхода идентичны однофазному входу, их фазовое соотношение составляет 180 °. Это оставляет синтезируемую фазу на +/- 90 ° от входных клемм. Такое неидеальное соотношение фаз требует небольшого снижения 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 отличаться, что приводит к большему провисанию этой фазы под нагрузкой. Поскольку асинхронные двигатели чувствительны к дисбалансу напряжений, это еще один фактор снижения номинальных характеристик двигателей, приводимых в действие фазовым преобразователем этого типа. Например, небольшой дисбаланс фазного напряжения 5% требует гораздо большего снижения номинальной мощности двигателя на 24%.[1] Таким образом, настройка схемы вращающегося фазового преобразователя на равные фазные напряжения при максимальной нагрузке может быть весьма важной.

Качество электроэнергии

Общей мерой качества мощности, производимой RPC или любым фазовым преобразователем, является баланс напряжений, который может быть измерен, когда RPC управляет сбалансированной нагрузкой, такой как трехфазный двигатель. Другие меры качества включают гармонический состав производимой мощности и фактор силы комбинации двигателей RPC с точки зрения утилиты. Выбор лучшего фазового преобразователя для любого применения зависит от чувствительности нагрузки к этим факторам. Трехфазный асинхронные двигатели очень чувствительны к дисбалансу напряжений.

Качество трехфазной энергии, генерируемой таким фазовым преобразователем, зависит от ряда факторов, включая:

  • Мощность фазового преобразователя (номинальная мощность холостого хода).
  • Требования к уровню мощности поставляемого оборудования. Например, «жесткие пусковые» нагрузки, такие как тяжелонагруженное оборудование или скважинные насосы, могут иметь более высокие требования, чем другие нагрузки, рассчитанные на такую ​​же мощность.
  • Требования к качеству электроэнергии поставляемого оборудования (Оборудование с ЧПУ может иметь более строгие требования к качеству электроэнергии, чем сварочный аппарат )
  • Использование приемов балансировки напряжения между тремя ногами.

Улучшение качества

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

  • Установка конденсаторов между клеммами для балансировки мощности при определенной нагрузке.
  • Использование холостых колес с более высокой номинальной мощностью, чем нагрузки.
  • Конструкция специальных холостых двигателей с большим количеством обмоток на третьем выводе для повышения напряжения и компенсации провисания, вызванного нагрузкой.
  • Использование электроники для включения конденсаторов во время запуска или иным образом в зависимости от нагрузки.
  • Использование фильтров.

Использует

Общий

Спрос на фазовые преобразователи существует из-за использования трехфазных двигателей. При увеличении выходной мощности трехфазные двигатели имеют более предпочтительные характеристики, чем однофазные; последние не доступны в размерах более 15 л.с. (11 кВт) и, хотя и доступны, редко превышают 5 л.с. (3,7 кВт). (Трехфазные двигатели имеют более высокий КПД, меньшую сложность в отношении запуска, а трехфазное питание значительно доступно там, где они используются.)

Электрические железные дороги

Вращающиеся фазовые преобразователи используются для производства однофазной цепи для одиночного воздушного проводника в электрические железные дороги. Пять европейских стран (Германия, Австрия, Швейцария, Норвегия, и Швеция ), где электричество трехфазного переменного тока как 50Гц, стандартизированы для однофазного переменного тока при 15 кВ16 2⁄3 Гц для электрификации железных дорог; поэтому фазовые преобразователи используются для изменения как фаз, так и частота. в Советский союз, они использовались на локомотивах переменного тока для преобразования однофазной частоты 50 Гц в трехфазную для привода асинхронные двигатели за тяговый двигатель воздуходувки и др.[2]

Альтернативы роторным преобразователям

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

Преобразователи статической фазы

Это может быть альтернативой, когда проблема заключается в запуске двигателя, а не в самой многофазной мощности. Статический фазовый преобразователь используется для запуска трехфазного двигателя. Затем двигатель работает от одной фазы с синтезированным третьим полюсом. Однако это делает баланс мощности и, следовательно, КПД двигателя крайне низким, что требует снижения номинальных характеристик двигателя (обычно до 60% или менее). В противном случае может произойти перегрев и довольно часто выход из строя двигателя. (Многие производители и дилеры специально заявляют, что использование статического преобразователя аннулирует любую гарантию.) Статический преобразователь увеличенного размера может устранить необходимость снижения номинальной мощности двигателя, но по более высокой цене.

Инверторные приводы (VFD)

Популярность частотно-регулируемых приводов (VFD) резко возросла за последнее десятилетие, особенно на рынке товаров для дома. Это связано с их относительно низкой стоимостью и способностью генерировать трехфазный выход 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 частотно-регулируемый привод вырабатывает переменный ток на выходе из шины постоянного тока, можно запитать трехфазный двигатель от однофазного источника. Тем не менее, промышленные частотно-регулируемые приводы производятся, для которых требуется трехфазный вход, поскольку такая компоновка дает некоторый выигрыш в эффективности.

Типичный частотно-регулируемый привод работает путем быстрого включения и выключения транзисторов, чтобы «отсекать» напряжение на шине постоянного тока через то, что известно как широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Правильное использование ШИМ приведет к выходу переменного тока, напряжение и частота которого могут изменяться в довольно широком диапазоне. Как Индукционный двигатель Скорость вращения пропорциональна входной частоте, изменение выходной частоты частотно-регулируемого привода заставит двигатель изменять скорость. Напряжение также изменяется таким образом, что двигатель производит относительно постоянное напряжение. крутящий момент в пределах полезного диапазона скоростей.

Выход качественного ЧРП является приближением синусоидальная волна, с некоторой высокой частотой гармоническое содержание. Гармоники повышают температуру двигателя и могут вызывать нежелательный свист или воющий шум. Влияние нежелательных гармоник можно уменьшить, используя реактивная фильтрация на выходе, который встроен в более качественные частотно-регулируемые приводы. Реактивная фильтрация препятствует содержанию высокочастотных гармоник, но мало влияет на основная частота который определяет скорость двигателя. В результате выходной сигнал двигателя ближе к идеальной синусоиде.

В прошлом частотно-регулируемые приводы мощностью более 3 л.с. (2,2 кВт) были дорогостоящими, что делало вращающийся фазовый преобразователь (RPC) привлекательной альтернативой. Однако современные частотно-регулируемые приводы значительно снизились в цене, что сделало их более доступными, чем сопоставимые RPC. Также в пользу частотно-регулируемого привода работает его более компактный размер по сравнению с его электрической емкостью. Плюс в том, что многие частотно-регулируемые приводы могут производить эффект «плавного пуска» (при котором мощность постепенно подается на двигатель), что снижает количество тока, который должен подаваться при запуске машины.

Использование частотно-регулируемого привода может привести к повреждению двигателя, если двигатель не рассчитан на такое применение. В первую очередь это связано с тем, что большинство асинхронных двигателей имеют принудительное воздушное охлаждение с помощью вентилятора или нагнетателя, приводимого в действие самим двигателем. Работа 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, работающий от частотно-регулируемого привода, если только двигатель не рассчитан на «инверторный». Поскольку частотно-регулируемые приводы являются наиболее популярным методом питания двигателей в новых коммерческих установках, большинство трехфазных двигателей, продаваемых сегодня, фактически рассчитаны на инвертор.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Дисбаланс напряжения - коэффициент снижения мощности в многофазных двигателях». engineeringtoolbox.com. Набор инструментов для проектирования. Получено 17 ноября 2019.
  2. ^ Захарченко Д.Д., Ротанов Н.А. «Тяговые электрические машины» Москва, Транспорт, 1991 - 343 с., С.231.

внешняя ссылка