Электр қуатын түрлендіргіш құрылғысы

Кіріспе

Электр қуатын басқа түрге түрлендіру құрылғысы

Мотор-генератор (MG жиынтығы) – электр қуатын басқа түрге түрлендіруге арналған құрылғы. Мотор-генератор жиынтықтары қуаттың жиілігін, кернеуін немесе фазасын өзгерту үшін қолданылады. Олар сондай-ақ электр жүктемелерін электрмен жабдықтау желісінен оқшаулау үшін де пайдаланылуы мүмкін. Ірі мотор-генераторлар өнеркәсіптік қуатты түрлендіруде кеңінен қолданылса, кіші мотор-генераторлар (суретте көрсетілгендей) аккумулятор қуатын жоғары тұрақты кернеуге түрлендіру үшін қолданылған. Мотор-генератор жиынтығы жеке мотор мен генератордан тұруы мүмкін, олар бір-бірімен байланыстырылған, ал бір блокқа біріктірілген динамикалы қозғалтқышта (динамомотор үшін) мотор және генератор орамдары бір ротордың үстіне оралған; сондықтан мотор мен генератордың екеуі де бірдей сыртқы өріс орамдарына немесе магниттерге ие. Әдетте мотор орамдары білік соңындағы коммутатордан қуат алады, ал генератор орамдары білік екінші соңындағы басқа коммутаторға шығыс береді. Ротор және білік жиынтығы екі жеке машинаға қарағанда кішкентай, жеңіл және арзан, сонымен қатар ашық біліктерді қажет етпейді. Вакуумдық түтіктермен жұмыс істейтін көлік радио қабылдағыштары сияқты аз қуатты тұтынушы құрылғылары қымбат, шулы және көлемді мотор-генераторларды қолданбаған. Олардың орнына, көліктің 6 немесе 12 В батареясынан вакуумдық түтіктерге қажетті жоғары кернеуді өндіру үшін вибратордан (өздігінен қозғалатын реле) және трансформатордан тұратын инвертор схемасын пайдаланған.

Электр қуатын басқару

Электр энергиясын өндіру және ірі электр жүйелерінде мотор-генератор электр қозғалтқышынан және электр генераторынан (немесе генератордан) механикалық түрде байланысқан құрал болып табылады. Мотор электрлік кіріс тогымен жұмыс істейді, ал генератор электрлік шығыс тогын тудырады, ал қуат екі машина арасында механикалық момент ретінде ағып өтеді; бұл екі электр жүйесі арасында электрлік оқшаулауды және қуаттың белгілі бір демпферлеуін қамтамасыз етеді. Оның бір қолданылуы – "ластанған қуаттың" (қуатты тұрақтандыру) кенетті өсімдерін және ауытқуларын жою немесе әртүрлі электр жүйелері арасында фазалық үйлесімділікті қамтамасыз ету.

Ұшақ генераторы

Басқа бір қолданылуы – электр жүйесіндегі ең жоғары жүктемелерді теңестіру. Мысалы, токамак синтез құрылғылары электр желісіне өте үлкен импульстік жүктемелерді, бірақ салыстырмалы түрде төмен орташа жүктемелерді береді. General Atomics-тегі DIII D токамагы, Princeton Plasma Physics Laboratory-дегі Princeton Large Torus (PLT) және Rutherford Appleton Laboratory-дегі Nimrod синхротроны электр жүйесіне түсетін жүктемені тепе-теңдеу үшін бірнеше мотор-генератор жиынтығында үлкен инерциялық дөңгелектерді қолданды: мотор бөлігі энергияны сақтау үшін үлкен инерциялық дөңгелекті бірте-бірте айналдырды, ал синтез эксперименті кезінде энергия генератор бөлігі дөңгелекті тежеу арқылы жылдам жұмсалды. Сол сияқты, АҚШ Әскери-теңіз күштерінің келесі буынындағы Электромагниттік ұшақтарды ұшыру жүйесі (EMALS) кемеде орнатылған генераторлардың қуатынан асып түсетін жылдамдықпен ұшақтарды ұшыру үшін дереу қуат беру үшін инерциялық мотор-генератор жиынтығын пайдаланады. Жоғарыда аталған мамандандырылған қолданыстардан басқа, инерциялық генераторлар жүйелері деректер орталықтарында аккумуляторларға немесе генераторларға негіделген үздірілмейтін қуат көздеріне (UPS) қосымша немесе балама ретінде коммерцияландырылған.

Қалқымы өзгермелі ауыспалы токпен жабдықтау

Қатты күйдегі АЖ кернеуді реттеу қолжетімді немесе экономикалық тұрғыдан тиімді болғанға дейін, мотор-генератор жиынтықтары өзгермелі АЖ кернеуін беру үшін қолданылды. Генератордың якоріне берілетін тұрақты ток кернеуі шығыс кернеуін басқару үшін қолмен немесе электрондық жолмен өзгертілді. Осылай қолданылғанда, мотор-генератор жиынтығы оқшауланған өзгермелі трансформаторға балама болады.

Жоғары жиілікті машиналар

Александерсон генераторы - радиожиілікті қуатты қамтамасыз ететін, мотормен қоздырылатын жоғары жиілікті генератор. Радиобайланыстың бастапқы кезеңдерінде жоғары жиілікті тасымалдаушы толқынды жоғары жылдамдықпен айналатын көп полюсті генераторды қолдану арқылы механикалық түрде жасау қажет болды. Александерсон генераторлары 600 кГц-ға дейін радиожиілікті, ал ірі қондырғылар 500 кВт қуаттылыққа дейін өндіре алды. Электромеханикалық түрлендіргіштер 20 ғасырдың алғашқы үш онжылдығында ұзын толқынды хабар таратуда кеңінен қолданылса, жоғары жиіліктерде электрондық техникалар қажет болды. Александерсон генераторы 1920 жылдары вакуумдық түтік осцилляторымен ауыстырылды.

Көшеде жүруді арттыру үшін пайдаланылатын мотор-генераторлар

Тіпті кіріс және шығыс токтері шамалы айырмашылықты құраса да генератор-моторлар қолданылған. Мұндай жағдайда, MG жиынтығының механикалық инерциясы кіріс қуатындағы кездейсоқ өзгерулерді сүзуге пайдаланылады. Шығыстағы электр тогы өте таза (шусыз) болуы мүмкін және MG жиынтығына кіріс кезіндегі қысқа мерзімді тоқ үзілулер мен ауыспалы транзиенттерді қабылдауға қабілетті болады. Бұл, мысалы, дизельдік генератордан берілетін желілік қуаттан AC қуатына қатесіз ауысуды қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Мотор-генератор жиынтығының жұмысын жақсарту үшін үлкен дөңгелек қолданылуы мүмкін; алайда, бұл жағдайда ескеру қажет, себебі мотор-генераторға жабылу алдында тартылу моментіне жетпесе, үлкен ток қажет болады, бұл тоқтауға әкелуі мүмкін. Дегенмен, қайта жабылу кезіндегі токтың күші көптеген факторларға байланысты болады. Мысалы, 250 кВА мотор-генератор толық жүктемеде 300 ампер токпен жұмыс істейтін болса, 5 секундтан кейін қайта жабылу кезінде 1550 ампер ток қажет болады. Бұл мысалда секундына 1/2 Гц айналу жылдамдығын қамтамасыз ететін өлшемдегі бекітілген дөңгелек қолданылды. Мотор-генератор - май ваннасындағы подшипниктері бар вертикальды, екі подшипникке негізделген машина. Электромагниттік сәулеленуді қатаң бақылау қажет немесе уақытша импульстік кернеуден жоғары оқшаулау талап етілетін жағдайларда, моторлар мен генераторлар өткізбейтін біліктің көмегімен біріктірілуі мүмкін.

Мотор-генераторларды қазіргі заманғы пайдалану

Мотор-генератор жиынтықтары кейбір мақсаттарда жартылай өткізгіш құрылғылармен алмастырылды. Бұрын МГ жиынтықтары лифттерде кеңінен қолданылды. Көтергіш машинаның жылдамдығын дәл бақылау қажет болғандықтан, жоғары қуатты AC электрмоторына жиілікті өзгертудің қиындығы МГ жиынтығын DC көтеру моторымен қолдануды салалық стандартқа айналдырды. Қазіргі заманғы AC айнымалы жиілікті электрондық құрылғылары мен үйлесімді электрмоторлар дәстүрлі МГ-мен жабдықталған лифттерді ығыстырып шығарды, себебі электрондық AC жетектері әдетте MG DC қуатымен жұмыс істейтін құрылымдардан 50% немесе одан да көп тиімді. МГ жиынтықтарының тағы бір қолданылуы – Ұлыбритания теміржолының оңтүстік аймағы. Олар үшінші рельстен келетін 600 В DC – 850 В DC желілік кернеуді ЭВМ вагондарының басқару жүйесіне қуат беру үшін 70 В DC-ға түрлендіретін. Бұл құрылғылар жаңа вагондарда қатты күйдегі түрлендіргіштермен алмастырылды. MG локомотивтері әлемнің көптеген елдерінде ұзақ қашықтыққа дизельдік локомотивтерді қуат беру үшін де қолданылды, себебі механикалық және гидравликалық берілістердің сенімділігі мен тозуы мәселелері болды, бірақ қазір бұл әдетте әр вагонға орнатылған кішірек қозғалтқыштармен, стандартты немесе MG берілісімен алмастырылуда. Жоғары кернеулі жоғары қуат желісімен қуатталатын ұзақ қашықтыққа арналған электр локомотивтері MG берілісін пайдаланды, бірақ бұл әдетте әр вагонға орнатылған бөлінген мотор жетегімен, электрондық қуатты басқару және түрлендіру жүйесімен алмастырылуда. Сол сияқты, МГ жиынтығы PCC трамвайында 600VDC жетегінен 36VDC шығару үшін қолданылды. Төмен кернеулі шығыс трамвайдың аккумуляторларын зарядтайды және басқару және қосалқы жабдықтарға (соның ішінде фаралар, гонг сигналдары, есік моторлары және электромагниттік тежегіштер) токпен қамтамасыз етеді. 1950-60 жылдардағы үлкен кинопроекторларда көміртек доғалы шамдарға жоғары ток DC қуатын беру үшін мотор-генератор жиынтықтары жиі қолданылды, олар кейіннен заманауи ксенон доғалы шам проекциялық жүйелерімен (АҚШ-та 1963 жылдан бастап) алмастырылды. Гармониялық жою, жиілікті түрлендіру немесе желіні оқшаулау қажет болған өнеркәсіптік жағдайларда МГ жиынтықтары әлі де танымал шешім болып табылады. Мотор-генераторлардың бір пайдалы ерекшелігі – олар бірдей орташа жүктемеге ие жартылай өткізгіш құрылғыларға қарағанда қысқа мерзімді үлкен жүктемелерді жақсы көтере алады. Үлкен жартылай өткізгіш инвертордың жылулық токпен шектелген компоненттері – бірнеше грамм салмағы бар қатты күйдегі коммутаторлар, олардың жылулық уақыт тұрақтысы жылуды тарату құрылғыларына 100 мс-тен астам болуы мүмкін, ал MG-нің жылулық токпен шектелген компоненттері – жүздеген килограмм салмағы бар мыс орамдар, олар өздерінің үлкен жылулық сыйымдылығына тікелей бекітілген. Сонымен қатар, олар электростатикалық разрядқа (ESD) жоғары төзімділікке ие.

Motor–generator sets have been replaced by semiconductor devices for some purposes. In the past, a popular use for MG sets was in elevators. Since accurate speed control of the hoisting machine was required, the impracticality of varying the frequency to a high power AC motor meant that the use of an MG set with a DC hoist motor was a near industry standard solution. Modern AC variable frequency drive electronics with compatible motors have increasingly supplanted traditional MG driven elevator installations, since electronic AC drives are typically more efficient by 50% or more than MG DC powered machinery. Another use for MG sets was in the southern region of British Rail. They were used to convert the 600 V DC – 850 V DC line supply voltage from the third rail into 70 V DC to power the controls of the EMU stock in use. These have since been replaced with solid state converters on new rolling stock. MG locomotives have also commonly been used for long distance rail Diesel locomotive transmission throughout the world, due to reliability and wear issues with mechanical and fluid transmissions, but this is generally being replaced with smaller engines with conventional or MG transmission on each carriage. Long distance electric locomotives with high voltage overhead power supply used MG transmission, but this is generally being replaced with distributed motor drive on each carriage with electronic power control and conversion. Similarly, MG sets were used in the PCC streetcar to produce a 36VDC output from the 600VDC traction supply. The low voltage output charges the streetcar's batteries and supplies current for control and auxiliary equipment (including headlights, gong ringers, door motors and electromagnetic track brakes). Motor generator sets were often used to provide the high current D. C. power for carbon arc lamps in large movie projectors in the 1950 60's era, before the carbon electrode arc light was replaced with modern xenon arc lamp projection systems (starting in 1963 in the U. S.). In industrial settings where harmonic cancellation, frequency conversion, or line isolation is needed, MG sets remain a popular solution. A useful feature of motor–generators is that they can handle large short term overloads better than semiconductor devices of the same average load rating. Consider that the thermally current limited components of a large semiconductor inverter are solid state switches massing a few grams with a thermal time constant to their heat sinks of likely more than 100 ms, whereas the thermally current limited components of an MG are copper windings massing sometimes hundreds of kilograms which are intrinsically attached to their own large thermal mass. They also have inherently excellent resistance to electrostatic discharge (ESD).

Терминнің қазіргі қолданылуы

Негізінде, кез келген электр генераторы электр қозғалтқышы ретінде де, немесе керісінше жұмыс істей алады. Гибридтік көліктерде және басқа да жеңіл қуат жүйелерінде "мотор-генератор" – электр қуатын механикалық қуатқа және керісінше түрлендіре алатын, электр қозғалтқышы немесе генератор ретінде қолданылатын бір электр машинасы. 2014 жылғы маусымнан бастап Формула-1 жарыс машиналарын екі "мотор-генератор бірлігі" (MGU) деп аталатын құрылғымен жабдықтайды. Бұл турбокомпрессордан және тежелу кезінде энергияны жинау арқылы машиналардың отын тиімділігін арттырады. Дегенмен, бұл құрылғылар мұнда сипатталғандай мотор-генераторлар емес, генератор немесе мотор ретінде жұмыс істей алатын, динамоторларға ұқсас жеке құрылғылар. Оларды дөңгелектерге қосымша 160 а.к. (жылдамдық ат күші) қуат беру арқылы үдеуге және озуға көмектесу үшін, немесе турбоны жылдам айналдырып, турбо күшін арттыру үшін, соның арқасында турбоның кешігуін азайту үшін пайдалануға болады.