Введение

Фазовый преобразователь – это устройство, преобразующее электрическую мощность, подаваемую в однофазном виде, в многофазную или наоборот. Большинство фазовых преобразователей используются для получения трехфазной электроэнергии из однофазного источника, что позволяет эксплуатировать трехфазное оборудование в местах, где доступна только однофазная электросеть. Фазовые преобразователи применяются в тех случаях, когда трехфазное подключение недоступно от поставщика электроэнергии или установка такого подключения слишком затратна. Обычно поставщик электроэнергии взимает более высокую плату за трехфазное обслуживание из-за дополнительного оборудования, включая трансформаторы, приборы учета и распределительные кабели, необходимые для полноценной установки.

Типы фазовых преобразователей

Трехфазные индукционные двигатели могут работать приемлемо при несимметричном питании, если они не сильно нагружены. Это позволяет использовать различные несовершенные методы. Однофазный двигатель может приводить в действие трехфазный генератор, который будет производить трехфазный источник высокого качества, но с существенной потерей ресурса системы. Хотя существует множество систем преобразования фаз, наиболее распространенными типами являются: роторные фазовые преобразователи, состоящие из трехфазного электродвигателя или генератора-холостого хода ("idler") и простой схемы включения/выключения. Роторные фазовые преобразователи, как известно, увеличивают эксплуатационные расходы из-за постоянного потребления энергии в режиме холостого хода, что не характерно для других фазовых преобразователей. Роторные фазовые преобразователи можно рассматривать как решение с двумя двигателями: один двигатель не подключен к нагрузке и производит трехфазную мощность, а второй двигатель, приводящий нагрузку в действие, работает на произведенной мощности. Цифровой фазовый преобразователь использует выпрямитель и инвертор для создания третьей "ноги" мощности, которая добавляется к двум "ногам" однофазного источника для создания трехфазной мощности. В отличие от фазового преобразователя VFD, он не может изменять частоту и скорость двигателя, поскольку генерирует только одну "ногу". Цифровые фазовые преобразователи используют цифровой сигнальный процессор (DSP) для обеспечения соответствия генерируемой третьей "ноги" напряжению и частоте исходного однофазного источника питания. Он обладает преимуществом синусоидальной формы выходного напряжения и отличного баланса напряжения между фазами. Более подробная информация об этих методах представлена в патентах Medagam et al. “Активный однофазный в трехфазный преобразователь мощности” Патент США 10,333,420 и Meiners et al. “Фазовый преобразователь” US 6,297,971. Методы статического преобразования "запускают" двигатель, временно обеспечивая необходимые уровни мощности перед возвратом к однофазным уровням мощности. Эти системы не подходят для работы с несколькими машинами или машинами, требующими максимальных оборотов, из-за их временного характера. В этих системах двигатель необходимо демпферировать, и они склонны к перегреву.

Переключатели фаз с ротационным приводом

Ротационный фазовый преобразователь – распространенный способ создания трехфазного питания в местах, где трехфазное электроснабжение отсутствует или недоступно для подключения. Ротационный фазовый преобразователь использует панель управления с пусковой и рабочей цепями для создания питания без избыточного напряжения. Трехфазный двигатель использует вращающийся магнит, окруженный тремя группами обмоток, для создания третьей фазы питания в двигателе-холостом ходе. Некоторые ротационные фазовые преобразователи имеют цифровое управление, что позволяет им генерировать питание, подходящее для чувствительных к напряжению нагрузок, таких как станки с ЧПУ, сварочные аппараты или любое другое оборудование с компьютерным управлением. Ротационный фазовый преобразователь не изменяет напряжение, но может быть использован совместно с трансформатором для повышения или понижения напряжения в зависимости от потребностей.

Цифровые фазовые преобразователи

Цифровой фазовый преобразователь создает трехфазное питание из однофазного. Цифровой процессор сигналов (DSP) используется для управления силовыми электронными устройствами с целью генерации третьей фазы напряжения, которая вместе со стандартным однофазным напряжением от сети создает сбалансированное трехфазное питание. Переменный ток от сети преобразуется в постоянный, а затем обратно в переменный с использованием изолированных биполярных транзисторов (IGBT). Этот процесс преобразования позволяет генерировать третью фазу, используя существующий источник питания. В одном из типов цифровых фазовых преобразователей входной выпрямитель состоит из IGBT, работающих совместно с индукторами для создания третьей фазы мощности. IGBT управляются программным обеспечением в DSP для отбора тока из однофазной линии синусоидальной формы, заряжая конденсаторы на шине постоянного напряжения. Поскольку входящий ток имеет синусоидальную форму, на линию не возвращаются значительные гармоники, как это происходит с выпрямителями, используемыми в большинстве частотных преобразователей (VFD). Контролируемый выпрямитель позволяет проводить коррекцию коэффициента мощности. Вторая часть цифрового фазового преобразователя состоит из IGBT, которые используют ранее накопленную в шине постоянного тока мощность для создания переменного напряжения, не имеющего синусоидальной формы. Это импульсно-широтно модулированная (PWM) форма сигнала с высоким уровнем гармонических искажений. Затем это напряжение проходит через фильтр, состоящий из индуктора и конденсатора, который формирует синусоидальное напряжение с общим гармоническим искажением менее 3% (стандарты для компьютерного оборудования допускают до 5% THD). В отличие от этого, VFD генерируют PWM-напряжение, что ограничивает их универсальность и делает непригодными для многих применений. Программное обеспечение в DSP непрерывно контролирует и регулирует генерируемое напряжение для обеспечения сбалансированного трехфазного выхода в любое время. Также предусмотрены защитные функции, отключающие преобразователь при перенапряжении или пониженном напряжении в сети, а также при возникновении неисправности. Благодаря способности адаптироваться к изменяющимся условиям и поддерживать баланс напряжения, цифровой фазовый преобразователь может безопасно и эффективно работать практически с любым типом трехфазного оборудования или с несколькими нагрузками. Поскольку цифровые фазовые преобразователи имеют твердотельную конструкцию, в них практически отсутствуют движущиеся части, за исключением вентиляторов охлаждения. Это позволяет размещать цифровые фазовые преобразователи в компактных корпусах и обеспечивать эффективность от 95% до 98%. Эти преобразователи также не потребляют энергию в режиме ожидания, что снижает общие затраты и увеличивает срок службы.

Электрические железные дороги

В Европе электроэнергия обычно генерируется как трехфасный переменный ток с частотой 50 герц. Пять европейских стран – Германия, Австрия, Швейцария, Норвегия и Швеция – стандартизировали использование однофазного переменного тока напряжением 15 кВ и частотой 16⅔ Гц для электрификации железных дорог. Поэтому для преобразования как фазы, так и частоты используются фазопреобразователи.