Введение

Роторный фазовый преобразователь, сокращенно RPC, – это электрическая машина, преобразующая мощность из одной полифазной системы в другую посредством вращательного движения. Как правило, однофазное электричество используется для локального получения трехфазного электричества для питания трехфазных нагрузок в местах, где доступна только однофазная сеть.

Операция

Основной трехфазный индукционный двигатель имеет три обмотки, каждый конец которых подключен к клеммам, обычно пронумерованным (произвольно) как L1, L2 и L3, а иногда и T1, T2, T3. Трехфазный индукционный двигатель может работать на две трети своей номинальной мощности при подключении к одной обмотке однофазного питания, после того как он будет раскручен каким-либо способом. Трехфазный двигатель, работающий от однофазного питания, не может запуститься самостоятельно, поскольку ему не хватает других фаз для создания собственного вращения, подобно коленчатому валу в мертвой точке. Трехфазный индукционный двигатель, вращающийся при однофазном питании, подключенном к клеммам L1 и L2, будет генерировать электрический потенциал (напряжение) на клемме L3 относительно L1 и L2. Однако напряжение между L1 и L3, а также между L2 и L3 будет сдвинуто по фазе на 120 градусов относительно входного напряжения, тем самым создавая трехфазное питание. Однако без впрыска тока, специальных пусковых обмоток или других средств регулирования напряжение будет проседать при подключении нагрузки. Коррекция коэффициента мощности является очень важным фактором при создании или выборе фазового преобразователя (RPC). Это желательно, поскольку RPC с коррекцией коэффициента мощности будет потреблять меньше тока от однофазной сети, питающей фазовый преобразователь и его нагрузки. Важной проблемой при использовании трехфазного питания является поддержание одинакового напряжения на каждой фазе. Разница в напряжениях между фазами называется фазовым дисбалансом. В качестве общего правила, несбалансированное трехфазное питание с колебаниями напряжения более 4% может повредить оборудование, для работы которого оно предназначено.

Однофазное снабжение

Прямая подача от стандартной электрической сети упрощает систему по сравнению с предыдущими и обеспечивает простую рекуперацию энергии. Однофазное питание позволяет использовать одну воздушную линию электропередачи. Увеличение количества воздушных линий повышает затраты и ограничивает максимальную скорость поездов.

Контроль скорости

Асинхронный тяговый двигатель может работать на одной скорости, определяемой частотой питающего тока и моментом нагрузки. Решением было использование большего числа вторичных обмоток в фазовом преобразователе и большего числа обмоток в двигателе с разным числом магнитных полюсов.

Типы

Роторный фазовый преобразователь (РФК) может быть построен как мотор-генераторная установка. Такие преобразователи полностью изолируют нагрузку от однофазной сети и обеспечивают сбалансированный трехфазный выход. Однако из-за веса, стоимости и эффективности большинство РФК не строятся таким образом. Вместо этого они создаются на основе трехфазного индукционного двигателя или генератора, называемого двигателем холостого хода, к двум клеммам (входам двигателя холостого хода) которого подводится однофазное напряжение. Вращающийся поток в двигателе индуцирует напряжение на третьей клемме. В этой третьей клемме индуцируется напряжение, сдвинутое по фазе относительно напряжения между первыми двумя клеммами. В трехобмоточном двигателе две обмотки работают как двигатель, а третья – как генератор. Поскольку два выхода совпадают с однофазным входом, их фазовое соотношение составляет 180°. Это означает, что синтезированная фаза сдвинута на +/- 90° относительно входных клемм. Такое неидеальное фазовое соотношение требует некоторого снижения мощности двигателей, питаемых от такого типа фазового преобразователя. Кроме того, поскольку третья, синтезированная фаза питается иначе, чем две другие, ее реакция на изменение нагрузки может отличаться, что приводит к большему проседанию напряжения на этой фазе под нагрузкой. Поскольку индукционные двигатели чувствительны к дисбалансу напряжения, это также является фактором, влияющим на снижение номинальной мощности двигателей, работающих от этого типа фазового преобразователя. Например, небольшой дисбаланс фазового напряжения в 5% требует значительно большего снижения номинальной мощности двигателя – на 24%. Таким образом, настройка схемы роторного фазового преобразователя для обеспечения равных фазовых напряжений при максимальной нагрузке может быть очень важной.

Улучшение качества

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

включение конденсаторов между клеммами для балансировки мощности при определенной нагрузке; использование холостых роликов с более высокой мощностью, чем у нагрузки; создание специальных двигателей холостых роликов с большим количеством обмоток на третьей клемме для повышения напряжения и компенсации просадки, вызванной нагрузкой; использование электроники для включения конденсаторов при запуске или в других случаях, в зависимости от нагрузки; использование фильтров.

Общий

Существует спрос на фазовые преобразователи в связи с использованием трехфазных двигателей. По мере увеличения выходной мощности трехфазные двигатели обладают более выгодными характеристиками по сравнению с однофазными; последние недоступны в больших размерах, и хотя они и бывают в продаже, редко встречаются больше (Трехфазные двигатели имеют более высокую эффективность, упрощенную конструкцию в отношении запуска, и трехфазное питание широко доступно там, где они применяются).

Электрические железные дороги

Роторные фазовые преобразователи используются для получения однофазного напряжения для контактной сети в электрических железных дорогах. В пяти европейских странах (Германии, Австрии, Швейцарии, Норвегии и Швеции), где электроэнергия является трехфазным переменным током частотой 50 Гц, стандартом для электрификации железных дорог является однофазный переменный ток напряжением 15 кВ и частотой 16 2/3 Гц; фазовые преобразователи, таким образом, используются для изменения как фазы, так и частоты. В Советском Союзе они применялись на локомотивах переменного тока для преобразования однофазного тока частотой 50 Гц в трехфазный для питания индукционных двигателей, используемых в вентиляторах охлаждения тяговых двигателей и других устройствах.

Альтернативы ротационным преобразователям

Существуют альтернативы ротационным фазовым преобразователям для работы трехфазного оборудования от однофазной сети.

Статические фазовые преобразователи

Они могут служить альтернативой, когда проблема заключается в запуске двигателя, а не в самой многофазной электроэнергии. Статический фазовый преобразователь используется для запуска трехфазного двигателя. После запуска двигатель работает от однофазной сети с искусственно созданным третьим полюсом. Однако это приводит к крайне неравномерному распределению мощности и, как следствие, к очень низкой эффективности двигателя, что требует снижения его номинальной мощности (обычно до 60% или менее). Несоблюдение этого требования приведет к перегреву и часто к выходу двигателя из строя. (Многие производители и дилеры прямо указывают, что использование статического преобразователя аннулирует гарантию.) Использование преобразователя большей мощности может избавить от необходимости снижения номинальной мощности двигателя, но это обойдется дороже.

Инверторные приводы (VFD)

Популярность привода с переменной частотой (VFD) возросла за последнее десятилетие, особенно на рынке домашних мастерских. Это обусловлено их относительно низкой стоимостью и способностью генерировать трехфазный выход из однофазного входа. VFD преобразует переменный ток в постоянный, а затем обратно в переменный через транзисторный мост – технологию, в некотором смысле аналогичную технологии импульсных источников питания. Поскольку VFD генерирует свой переменный выход от шины постоянного тока, можно питать трехфазный двигатель от однофазного источника. Тем не менее, существуют коммерческие VFD, требующие трехфазного ввода, поскольку такая схема позволяет добиться некоторого повышения эффективности. Типичный VFD функционирует путем быстрого включения и выключения транзисторов для "нарезки" напряжения на шине постоянного тока посредством так называемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Правильное использование ШИМ обеспечивает переменный выход, напряжение и частоту которого можно изменять в довольно широком диапазоне. Поскольку скорость вращения индукционного двигателя пропорциональна входной частоте, изменение выходной частоты VFD приведет к изменению скорости двигателя. Напряжение также изменяется таким образом, чтобы двигатель создавал относительно постоянный крутящий момент в полезном диапазоне скоростей. Выход качественного VFD является приближением к синусоидальной волне, содержащей некоторое количество высокочастотных гармоник. Гармоническое содержание повышает температуру двигателя и может вызывать свистящий или вибрирующий шум, который может быть неприятным. Влияние нежелательных гармоник можно уменьшить с помощью реактивной фильтрации выходного сигнала, которая встроена в VFD более высокого качества. Реактивная фильтрация подавляет высокочастотные гармоники, но практически не влияет на основную частоту, определяющую скорость двигателя. В результате двигатель получает сигнал, более близкий к идеальной синусоиде. В прошлом VFD большой мощности были дорогими, что делало ротационный фазовый преобразователь (РФП) привлекательной альтернативой. Однако современные VFD значительно подешевели, что делает их более доступными по сравнению с сопоставимыми РФП. Дополнительным преимуществом VFD является его более компактный размер при той же электрической мощности. Кроме того, многие VFD способны создавать эффект "мягкого пуска" (когда мощность постепенно подается на двигатель), что снижает величину пускового тока. Использование VFD может привести к повреждению двигателя, если он не рассчитан на работу с таким приводом. Это связано главным образом с тем, что большинство индукционных двигателей охлаждаются принудительным воздушным потоком, создаваемым вентилятором, приводимым в движение самим двигателем. Работа такого двигателя на скорости ниже номинальной значительно уменьшит поток охлаждающего воздуха, увеличивая вероятность перегрева и повреждения или выхода из строя обмоток, особенно при работе под полной нагрузкой. Производитель может аннулировать гарантию на двигатель, питаемый от VFD, если двигатель не имеет маркировки "inverter rated" (предназначен для работы с инвертором). Поскольку VFD являются наиболее распространенным способом питания двигателей в новых коммерческих установках, большинство продаваемых сегодня трехфазных двигателей, как правило, имеют такую маркировку.